3D金属印刷、溶接、彫刻、マイクロマシニングのための新しいレーザー制御技術-PMDi

レーザー制御は、切断、穴あけ、溶接、エッチング、彫刻、アブレーションなどの多くの製造プロセスに必要です。粉末床溶融（PBF）および有向金属蒸着（DMD）には、微細なレーザー制御が必要です。レーザーは、金属のアニーリングや急冷などの材料変更プロセス、および半導体のインピーダンスの変更に使用されます。

これらのプロセスのそれぞれについて、レーザーエネルギーの供給を制御するための好ましい技術があります。レーザーのXNUMXつの広いクラスは、連続波（CW）とパルスです。 CWレーザーは通常、低コストであり、平均出力が高いという利点があります。パルスレーザーの平均出力は低くなりますが、短いパルス光子エネルギーは、燃焼する代わりに材料の化学結合を切断します。熱影響部（HAZ）が最小限に抑えられ、カットがきれいになり、材料の後処理が不要になることがよくあります。 Polaris Motionのレーザー制御スイートでは、CWレーザーとパルスレーザーの両方がサポートされています。

連続波（CW）レーザー

CWレーザーは、熱出力が制御された連続レーザービームを放射するレーザーです。 CWレーザーの場合、Polaris Motionはパルス幅変調（PWM）制御とアナログ制御の両方を提供します。 PWMデューティサイクル制御では、PWM信号が高い時間の割合がレーザーの強度を制御します。例として、最大電力が200％のデューティサイクルに対応する100Wである場合、25％のデューティサイクルは50Wの連続レーザー出力になります。デューティサイクルは瞬時に変更できます。

多くのレーザーにはアナログ制御入力があります。これらは通常0〜10Vまたは±10Vであり、その範囲内の任意の値を取ることができます。これらの場合、レーザー出力は制御信号入力に正比例します。 0〜10Vの場合、10Vの最大入力信号が200ワットのレーザー出力に対応する場合、3Vは60ワットになります。アナログ入力電圧を瞬時に変更できるため、レーザー出力が瞬時に変化します。

CWレーザーのPWM制御

定出力CWレーザーは、その幅広い入手可能性と低コストにより、長い間人気がありました。ただし、ホットスポットや過燃焼を回避するには、レーザーの一定の出力に一致するように一定の速度でレーザー処理を行う必要があります。これを行うことにより、処理パスに沿って単位長さあたり一定量のレーザーエネルギーが蓄積されます。図3bを参照してください。定出力レーザーの問題は、最大処理速度がコーナリング速度によって制限されることです。加速および減速する機械の能力によって制限されるコーナリング速度は、プロセスの最大全体速度になります。オペレーターが直線に沿って速く進み、コーナーをゆっくりと進んでXNUMX時間あたりのスループットを最大化しようとすると、残念ながらコーナーでのオーバーバーンが発生します。

幸い、Polaris Motionでは、デューティサイクルPWM制御を使用してレーザー出力を自動的に変更する機能を提供しています。図4aに示すように、レーザー出力は、作業経路に沿ったレーザー処理速度に一致するように瞬時に変更でき、レーザーエネルギー（フルエンス）の均一な蓄積をもたらします。さらに、特別なプロセスのために可変のレーザーエネルギーを蓄積する必要がある場合は、図4bに示すように、レーザー出力と速度の比率を自動的に変更できます。

CWレーザーのアナログ制御

CWレーザーのアナログ制御もサポートされています。簡単な方法は比例制御です。レーザー出力パワーは、制御信号入力に単純に比例します。これは、一例として、パスに沿った速度に比例させることができます。ただし、Polaris Motionはアナログレーザーパルス整形（ALPS™）も提供しています。（図5）を参照してください。オペレータには、テーブルに作成されるパルス形状自体、振幅（A）、パルスのオン時間（T1）、パルス周期（T2）など、いくつかの制御レバーがあります。 ALPS™は、レーザー溶接と金属3D印刷アプリケーションの両方で溶融池の熱エネルギー密度を制御するのに役立ちます。

パルスレーザー

パルスレーザーは、一連の高エネルギーパルスを放出するレーザーです。パルスレーザーは、ナノ秒（ns）、ピコ秒（ps）、またはフェムト秒（fs）に分類されます。レーザーが高速であるほど、熱の影響を受けるゾーンが小さくなり、処理できる材料の種類が多くなります。パルスレーザーは通常、半導体、軍事、医療、科学、およびハンドヘルドデバイス市場での精密材料加工アプリケーションに使用されます。 Polaris Motionでは、パルスレーザーを制御する1つの方法は、（2）固定ピッチレーザー制御（FPLC）と（XNUMX）パルスオンデマンド制御（PODC）です。

固定ピッチレーザー制御

固定ピッチレーザー制御（FPLC）を使用すると、レーザーがトリガーされ、速度の変化に関係なく、レーザーパスに沿って一定の増分で光パルスが発射されます。ジオメトリの例（図7）では、モーションが直線に沿って加速し、コーナーで減速しても、レーザースポットは一定の増分でパスに沿って配置されます。レーザーパルスがトリガーされる密度と速度は設定可能なパラメーターであり、その場で変更できます。固定ピッチモードでは、パルスの配置はパスポイントに依存しません。

パルスオンデマンド制御

パルスオンデマンド制御（PODC）を使用すると、レーザーパルスを任意のジオメトリの任意の正確な位置に配置できます。 PODCモードでは、パルス配置の位置をパスポイントに合わせる必要があります。レーザーパルスの正確な配置が必要な場合は、位置-速度-時間（PVT）経路計画をお勧めします。パルスの配置を小さな許容範囲内で指定できる場合は、線形および円形の補間パスプランニングを使用できます。