レーザードリリング

レーザー ドリリングは、材料に焦点を合わせたレーザー エネルギーを繰り返しパルス照射することで、「ポップ」穴または「パーカッション ドリリング」穴と呼ばれる貫通穴を作成するプロセスです。これらの穴の直径は、0.002 インチ (約 50 μm) ほど小さくできます。より大きな穴が必要な場合は、必要な直径になるまでレーザーを「ポップ」穴の周囲に沿って移動させます。

レーザードリリングは、高アスペクト比の穴（深さと直径の比が10:1をはるかに超える穴）を作製できる数少ない技術の1つです。^[1]

レーザードリルで開けた高アスペクト比の穴は、エンジンブロックのオイルギャラリー、航空宇宙用タービンエンジンの冷却穴、レーザー核融合部品^[1]、プリント回路基板のマイクロビアなど、多くの用途に使用されています。 ^{[2] [3] [4] [5]}

航空機の推進力や発電用のタービンエンジンの製造業者は、鋳造部品、板金部品、機械加工部品の表面に対して 15 ～ 90° の角度で小さな (通常 0.3 ～ 1 mm の直径) 円筒形の穴をあけるレーザーの生産性の恩恵を受けています。表面に対して浅い角度で 1 秒あたり 0.3 ～ 3 個の穴を開ける能力により、燃料効率の向上、騒音の低減、NOx および CO 排出量の低減を実現するフィルム冷却穴を組み込んだ新しい設計が可能になりました。

レーザー加工技術と制御技術の漸進的な改善により、タービン エンジンで使用される冷却穴の数が大幅に増加しました。これらの改善とレーザー ドリル穴の使用増加の基本は、加工パラメータと穴の品質およびドリル速度の関係を理解することです。

以下は、レーザー穴あけ加工プロセスに関する技術的な洞察と、プロセスパラメータと穴の品質および穴あけ速度の関係の概要です。

円筒形の穴のレーザー穴あけは、一般的に、集束されたレーザービームからのエネルギーの吸収によるワークピース材料の溶融および蒸発（「アブレーション」とも呼ばれる）によって行われます。

物質を溶かして除去するために必要なエネルギーは、同じ体積を蒸発させるために必要なエネルギーの約 25% であるため、物質を溶かして除去するプロセスが好まれることが多いです。^{[引用が必要]}

レーザー穴あけ加工において溶融と蒸発のどちらがより支配的であるかは多くの要因によって決まりますが、レーザーパルスの持続時間とエネルギーが重要な役割を果たします。一般的に言えば、QスイッチNd:YAGレーザーを使用する場合はアブレーションが支配的です。^{[要出典] 一方、フラッシュチューブ励起Nd:YAGレーザーを使用する場合は、材料を溶かして穴を開ける手段である溶融除去が支配的です。[要出典]} QスイッチNd ^{: YAGレーザーのパルス持続時間は通常}ナノ秒 のオーダー、ピーク出力は10～100 MW/cm ²のオーダー、材料除去率はパルスあたり数マイクロメートルです。フラッシュランプ励起Nd:YAGレーザーのパルス持続時間は通常数百マイクロ秒～1ミリ秒のオーダー、ピーク出力はサブMW/cm ²のオーダー、材料除去率はパルスあたり10～100マイクロメートルです。各レーザーによる加工プロセスでは、通常、アブレーションと溶融物の排出が共存します。^[要出典]

溶融物の排出は、蒸発によって生じた空洞内でガス圧（反動力）が急速に高まることによって起こります。溶融物の排出が起こるためには、溶融層が形成され、蒸発によって表面に作用する圧力勾配が表面張力を克服して溶融材料を穴から排出するのに十分な大きさでなければなりません。^[6]

「両方の長所を兼ね備えた」システムは、1 つのシステムで「細かい」および「粗い」溶融物除去が可能です。「細かい」溶融物除去では、壁面定義が優れ、熱影響部が小さい特徴が生成されますが、「粗い」溶融物除去 (パーカッション ドリリングなどで使用される) では、材料が素早く除去されます。

反跳力はピーク温度に強く依存します。反跳力と表面張力が等しくなるT _cr ^{[説明が必要]}の値が液体排出の臨界温度です。たとえば、チタンからの液体排出は、穴の中心の温度が 3780 K を超えると発生します。

初期の研究 (Körner, et al., 1996) ^[7]では、溶融物の排出によって除去される材料の割合は、強度が増加するにつれて増加することがわかりました。最近の研究 (Voisey, et al., 2000) ^[8]では、溶融物の排出によって除去される材料の割合 (溶融物排出率 (MEF) と呼ばれる) は、レーザーエネルギーがさらに増加すると低下することが示されています。ビーム出力の上昇時に溶融物の排出が最初に増加するのは、気化によって穴内に生成される圧力と圧力勾配の増加によるものと暫定的に考えられています。

溶融物を細かい液滴として噴出させると、より良い仕上がりが得られます。^[要出典]一般的に、液滴サイズはパルス強度が増加すると小さくなります。これは、蒸発速度が増加し、溶融層が薄くなるためです。パルス持続時間が長いほど、総エネルギー入力が大きくなり、より厚い溶融層が形成され、それに応じてより大きな液滴が噴出されます。^[9]

Chan と Mazumder (1987) ^{[10] は、}液体排出を考慮した 1-D 定常モデルを開発したが、1-D の仮定は高アスペクト比の穴あけには適しておらず、穴あけプロセスは過渡的である。Kar と Mazumder (1990) ^{[11] は、}モデルを 2-D に拡張したが、溶融物の排出は明示的に考慮されなかった。溶融物の排出のより厳密な処理は、Ganesh ら (1997) ^[12]によって発表されており、これは、レーザー穴あけ中の固体、流体、温度、圧力を組み込む 2-D 過渡一般化モデルであるが、計算量が多い。Yao ら (2001) ^{[13] は、溶融蒸気前面に Knudsen 層を考慮した 2-D 過渡モデルを開発し、このモデルは、より短いパルスと高ピーク出力の}レーザーアブレーションに適している。

溶融蒸気前面では、レーザーエネルギー吸収を記述するために通常、ステファン境界条件が適用されます (Kar and Mazumda、1990 年; Yao ら、2001 年)。

${\displaystyle I_{abs}+k\left({\frac {\partial T}{\partial z}}+r{\frac {\partial T}{\partial r}}\right)+\rho _{l}\nu _{i}L_{v}-\rho _{v}\nu _{v}(c_{p}T_{i}+E_{v})=0}$ （１）

ここで、は吸収されたレーザー強度、βはレーザー波長とターゲット材料に依存するレーザー吸収係数、I(t)はパルス幅、繰り返し率、パルスの時間的形状を含む時間的な入力レーザー強度を表します。k は熱伝導率、Tは温度、zとrは軸方向と半径方向に沿った距離、pは密度、vは速度、L vは蒸発潜熱です。下付き文字l 、 v 、 iはそれぞれ_液相、気相、気液界面を表します。 ${\displaystyle I_{abs}=I(t)^{-\beta z}}$

レーザー強度が高く、パルス持続時間が短い場合、いわゆるクヌーセン層が溶融蒸気前面に存在すると想定され、状態変数は層全体で不連続に変化します。クヌーセン層全体の不連続性を考慮して、Yao ら (2001) は、異なる時間における半径方向に沿った表面後退速度 V _v分布をシミュレートしました。これは、材料のアブレーション速度がクヌーセン層全体で大幅に変化していることを示しています。^{[引用が必要]}

蒸気圧 p _{v を}取得したら、流体力学方程式を使用して溶融層の流れと溶融物の排出をモデル化できます (Ganesh 他、1997)。溶融物の排出は、蒸気圧が液体の自由表面に適用され、溶融物が半径方向に押し出されるときに発生します。優れた溶融物の排出を実現するには、溶融物の流動パターン、特に穴の端での溶融物の流動速度を非常に正確に予測する必要があります。そのため、2 次元軸対称過渡モデルが使用され、それに応じて運動量方程式と連続方程式が使用されます。

Ganesh の溶融物排出モデルは包括的で、穴あけプロセスのさまざまな段階で使用できます。ただし、計算には非常に時間がかかるため、Solana ら (2001) ^{[14] は}、溶融物の排出速度が穴壁に沿ってのみであると仮定し、最小限の計算労力で結果を得ることができる簡略化された時間依存モデルを提示しました。

液体は、垂直壁に沿った圧力勾配の結果として速度 u で上方に移動します。圧力勾配は、アブレーション圧力と表面張力の差を浸透深さxで割った値によって決まります。

掘削前面が一定速度で移動していると仮定すると、垂直壁上の液体運動の次の線形方程式は、掘削の初期段階後の溶融物の排出をモデル化するための適切な近似値となります。

${\displaystyle \rho {\frac {\partial u(r,t)}{\partial t}}=P(t)+\mu {\frac {\partial ^{2}u(r,t)}{\partial r^{2}}}}$ （２）

ここで、pは溶融密度、μは液体の粘度、 P(t)=(ΔP(t)/x(t))は液体層に沿った圧力勾配、ΔP(t)は蒸気圧P _vと表面張力の差です。 ${\displaystyle 2\sigma \over {\bar {\delta }}}$

Roos (1980) ^[15]は、0.5μsのパルスで構成された200μsの列が、200μsの平坦な形状のパルスよりも金属の穴あけに優れた結果をもたらすことを示しました。Anisimovら(1984) ^[16]は、パルス中に溶融物を加速することでプロセス効率が向上することを発見しました。

Grad と Mozina (1998) ^{[17] は}、パルス形状の効果をさらに実証しました。12 ns のスパイクを 5 ms パルスの始め、中間、終わりに追加しました。溶融物が生成されていない長いレーザーパルスの始めに 12 ns のスパイクを追加した場合、除去に対する有意な効果は観察されませんでした。一方、長いパルスの中間と終わりにスパイクを追加した場合、掘削効率はそれぞれ80% と 90% 向上しました。パルス間の形状調整の効果も調査されています。Low と Li (2001) ^{[18] は、直線的に増加する振幅の}パルス列が除去プロセスに大きな影響を与えることを示し ました。

フォルスマンら（2007）は、ダブルパルスストリームにより掘削速度と切削速度が向上し、穴が著しくきれいになることを実証した。^[1]

• 掘削
• レーザー切断
• レーザー記事一覧