ものづくり技術におけるレーザ加工への期待2018.1.16

レーザ加工技術動向調査

（一財）近畿高エネルギー加工技術研究所

高橋 渉

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兵庫県 次世代産業の創出による雇用創造プロジェクト/ものづくり基盤技術の高度化事業

平成30年 1月 16日

2018.1.16 ものづくり技術におけるレーザ加工への期待

目的と調査範囲

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[目的]

レーザ加工関連技術の、主として学会動向・

セミナーを調査し、関連企業の今後の技術開発へ

の参考情報とする。

[調査範囲]

・調査期間： H29年4月～H29年1１月

・対象：①学会報告 ②セミナー ③展示会

2018.1.16 ものづくり技術におけるレーザ加工への期待

件名 開催年月

開催場所 トピックス

ﾚｰｻﾞ加工学会 H29.4H29.10

東京 産総研大阪大学

(1)ﾊｲﾌﾞﾘｯﾄﾞ・超複合加工機開発

(2)ｱﾃﾞｨﾃｨﾌﾞﾏﾆｭﾌｧｸﾁｬﾘﾝｸﾞ（3D)

(3)レーザ＆IoT

(4)シームトラッキング

(5)青色半導体レーザ開発

(6)大出力DDL・FLレーザ

(7)超短パルスレーザ（ﾌｪﾑﾄ秒)

(8)高張力鋼板ﾘﾓｰﾄﾚｰｻﾞ溶接

(9)異材レーザ接合

(10)ｳﾙﾄﾗ高速LMD

ﾚｰｻﾞ加工技術展 H29.4 東京ﾋﾞｯｸﾞｻｲﾄ

光産業協会ｾﾐﾅｰ H29.9 東京 新宿

溶接学会秋季全国大会 H29.9 九州工大

関西高機能材料WEEK2017

H29.9 ｲﾝﾃｯｸｽ大阪

関西ものづくりワールド2017

H29.10 ｲﾝﾃｯｸｽ大阪

InterOpto2017 H29.10 東京幕張メッセ

名古屋ﾚｰｻﾞﾌｫｰﾗﾑ2017 H29.11 名古屋吹上ﾎｰﾙ

NADEX Private Show2017

H29.11 北名古屋

調査対象とトピックス

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赤字：今回講演

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(1)アディティブマヌファクチャリング（3Dプリンティング）・「３D Printing in Aerospace」 Avio Aero(イタリア）

軽量化２５％、開発サイクル30%減、生産サイクル40～80％を狙う。品質、コスト、

性能の整合が重要とのこと。

・ 「レーザ加工技術を融合した超複合加工機がもたらす生産革新」 オークマ

今回講演。レーザ焼入れとレーザ粉体肉盛を機械加工機に搭載。金型の補修、

複数材質の一体部品加工、工程集約にメリットを出す。

(2)レーザ加工に関する国家プロジェクト

①「ImPACTﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑにおける超小型高出力ﾊﾟﾙｽﾚｰｻﾞｰの開発と応用」 科学技術振興機構

・H26年度～H30年度 550億円/5年

・超小型XFEL（X線自由電子レーザ）と超小型高出力パルスレーザ開発。

橋梁などの塗膜除去後の塩素分析装置への適用、エンジンのレーザー着火シス

テム、皮膚疾患用レーザー治療器への適用検討。

②「金属レーザ積層技術の現状と今後の展開」 次世代３D積層造形技術総合開発機構

・H26年度～H30年度 5年計画。

・金属粉末を直接積層し製品を造形する技術 と 鋳物用砂型を積層によって造形

する２つの技術開発を実施している。

レーザ加工学会 第87回(H29年４月）

2018.1.16 ものづくり技術におけるレーザ加工への期待

③「SIP高付加価設計・製造を実現するレーザーコーティグ技術の研究開発」 大阪大学

・H２６年度～H３０年度。3年間で2億円規模。

・青色半導体レーザ光源を用いた純銅のコーティングを狙う。

(3)大型構造物へのレーザ溶接技術

①「炭素鋼厚板への狭開先レーザ溶接の適用検討」

レーザビームの揺動（1～3mm)とシールドガスの選択

（Ar+20%CO2）により、溶接金属の酸素量が減り、低温靭

性向上傾向が得られた。ただ、150㎜厚鋼板に対し、

表裏合計50パス多層溶接が必要。

②「橋梁向けレーザ溶接技術の開発」 IHI

老朽化した橋梁の補修要求が多く、東京オリンピックまでに様々なニーズが提案され

ている。レーザを用いて現地で補修溶接をすることを目的として、亀裂の入った母材に

レーザを照射し、P、Sなどの不純物対策を加味して、レーザホットワイヤ溶接の適用検

討を行い、見通しを得た。

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日立製作所

溶接設備

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(1)ポスターセッション：大学での研究成果の発表が主体。

・「中間材を用いたAl薄板/CFRPのレーザ接合技術」 茨木大学金属とCFRPの接合において、接着材、ボルト接合に代わるレーザ接合を検討。AｌとCFRPの間にインジウム箔を入れて、パルスレーザ照射で異材接合の可能性が得られた。

・「ナノ秒レーザを用いたCFRPのアブレーション加工とHAZの評価」 大阪大学

ナノ秒レーザでCFRPの切断加工を行い、雰囲気ガスに大気、Ar、窒素を用いて行った結果、窒素雰囲気で加工行った場合に最もHAZが小さくなった。

・「青色半導体レーザを用いた選択的レーザ溶融法による純銅の積層造形」 大阪大学

出力100Wの青色半導体レーザ（波長445nm）を用い、掃引速度50mm、銅粉末粒径63μmで60層積層（高さ6mm）。SLM/3Dプリンター造形を行ったSLM装置は島津製作所、ﾔﾏｻﾞｷﾏｻﾞｯｸ、日亜化学、石川県工業試験場、村谷機械製作所の共同プロジェクト。

レーザ加工学会 第8８回(H29年10月）

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(2)複合加工機・「DMG MORIにおけるAdditive Manufacturing の技術開発」 DMG森精機

各種金属の積層と切削加工が1台で行える指向性エネルギー堆積法（DED方式）の複合機の特徴とアプリケーション事例、材料試験結果を報告。

DMG森精機 HPより

・「直噴型レーザーコーティング技術の工作機械への応用」 ヤマザキマザック（株）直噴型レーザーコーティング装置と切削設備を融合したハイブリッド複合加工機を開発した。仕様と加工事例を紹介。直噴型は粉末の供給が安定するのが特徴。

図 M-LMDツール図 直噴型ﾚｰｻﾞ-ｺｰﾃｨﾝｸﾞ技術の概要

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(3)エンジニアリング・「環境にやさしいレーザ洗浄技術」 東成エレクトロビーム

レーザ出力38W、70Wの空冷方式の可搬型レーザクリーニング装置を紹介。消費電力は70W出力機が消費電力530Wで1時間使用して、電気代は10円と安い。図に示すように、レーザ洗浄しきい値があり、金属さびでは母材を削ることなく、さびを除去できるレーザ強度がある（≦レーザ強度30）。

・「Znめっき鋼板のレーザ重ね溶接技術の開発」 日産自動車Znめっき鋼板のレーザ重ねリモート溶接をする際に、溶接欠陥なく溶接するために板間を0.07mm以上設ける必要（亜鉛ガスを逃がす）があり、その突起を形成させる方法として、表面より、適正な強度のレーザをあて、裏面に突起をつけるもの。

図 突起形成原理

レーザ洗浄しきい値イメージ

図 レーザ照射強度による除去イメージ

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(4)展示会技術情報・「レーザ加工機の先端技術と最新製品の市場動向調査報告」 ﾌｫﾄﾌﾞﾚｲﾝｼﾞｬﾊﾟﾝ

2016～2017年に開催されたレーザ加工関連の展示会の内容を発表。対象は①IMTS2016（アメリカ/シカゴ）、②JIMTOF2016（日本/東京）、③Photonics West2017(アメリカ

/SF) 、④Photonics China2017（中国/上海）、⑤Photonics2017（ドイツ/ミュンヘン）。

それぞれの展示会での注目点は以下のとおり。①・レーザ旋盤：精密加工化。メディカル(ｽﾃﾝﾄ)用需要大。

・3Dプリンター：ワークサイズ大型化、製造時間短縮化。

・ピコ、フェムト秒レーザ搭載の微細加工機・システム増加。⇒CVD、自然ダイヤ、サファイヤガラス等の加工。

・LMD：加工システムPR。

②・レーザ切断機：8KWパワーで切断性能アップ。無酸素切断。⇒トルンプ、三菱電機。

・マーキング装置：ファナックのCNC30i(ﾐﾘﾝｸﾞ/旋盤）にレーザマーキング装置、超高速制御。 8KW ﾃﾞｨｽｸﾚｰｻﾞｰ

TruLaser 5030 fiber

レーザ旋盤Citizen-CincomL20

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③・USP(超短パルス）レーザ：工具&医療用部品のマーキング用。

・DDLレーザ：Teradiode社（ﾊﾟﾅｿﾆｯｸ子会社）新商品。4KWで100μm、8KWで150μmファイバー伝送可能。高ﾋﾞｰﾑ品質。

・中空ファイバー：GLOPhotonics社のUSPレーザ光を伝送できる中空ファイバー。Green光も伝送可能となった。

④・ハンドレーザクリーニング装置：中国メーカー大族社が注力。小型ﾊﾟﾙｽFLで20W、50W（約400万円）、大型200～500W

・マーキング装置：中国メーカーRAYCUS社が注力。数十Wクラスで中国No.1

⑤・IPG社高出力FL：100KWを120KWに世界最大出力を更新（>効率40％）。

・ブルーレーザ：450nmのLDの高出力化進展。銅溶接用。LaserLine社/500W（600μm)、Nuburu社/150W（200μm）

・[DDL+FL]複合レーザ機：LaserLine社からDDL出力16KW、FL出力4KWの複合レーザ装置を展示。ブレージング用にDDL、切断やリモート溶接用にFL、高品質溶接用に【DDL+FL】が適する。

Teradiode社4KW発振器

IPG社社120KW発振器

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溶接学会秋季全国大会(H29年9月）

(1)高張力鋼板のリモート溶接・「高炭素薄鋼板のレーザ貫通溶接で発生する割れに関する研究」 神戸製鋼所

自動車組立にレーザ溶接による高張力鋼板への適用が検討。高張力鋼板のレーザ溶接時に発生するクレータ－割れ防止に、ガルバノスキャナでスピン軌跡ビードとするとよい。

・「自動車用高張力鋼板のレーザ溶接におけるはく離強度評価」 JFEスチール自動車車体（ﾄﾞｱ）に1000MPa級高張力鋼板の使用において、接合部の最適化のため、

より接合線自由度の高いリモートレーザ溶接の適用が期待。溶接線形状によって、異なる強度を示すため、溶接線の検討が必要と判明。

(2)異材接合・「レーザ溶接によるAl合金とMg合金による異材接合」 大阪大学

Znインサートを用い、レーザ照射位置をAl側にオフセットすれば、良好なビード外観と、高い接合強度が得られた。

・「レーザによるチタンと鉄の異材接合に関する研究」 産総研Crインサートを用いて、接合部に金属間化合物が生じない組織にすることで高い

接合強度が得られた。

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(3)レーザ切断技術・「CFRP材のハイブリッドレーザ加工に関する研究」 最新レーザ技術研究センター

CFRPのレーザ切断は熱影響部が残り、良好な切断は容易でない。今回500W/CWシングルモードファイバーレーザと150W/YAGナノ秒パルスレーザをハイブリッド化（ビームの中心がCW、外側がパルス）した加工システムで1mm厚CFRPにおいて、HAZのない良好な切断ができた。アシストガスをチッソとしている。

・「X線透過装置による厚鋼板のレーザ切断ﾌﾛﾝﾄのﾘｱﾙﾀｲﾑ観察」 三重大学X線透過装置を用い、厚鋼板のレーザ切断フロントの直接リアルタイム観察を行った結果、

切断速度が増加する（単位長あたりの入熱が減少）と切断フロント下部の遅れが増加し、レーザ出力が増加する（単位長あたりの入熱が増加）とその遅れが減少すると判明。

CFRPﾊｲﾌﾞﾘｯﾄﾞﾚｰｻﾞ加工切断面

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名古屋ﾚｰｻﾞﾌｫｰﾗﾑ2017(H29年11月）

(1)「ﾊﾟﾙｽﾚｰｻﾞｸﾞﾗｲﾝﾃﾞｨﾝｸﾞ(PLG）～レーザによる切削工具刃先成型～」 名古屋工業大学

PLGにより硬脆工具（ｃBN、CVDダイヤモンドコート）の切れ刃成形により、研削と同等な

仕上げ鏡面を切削で作り出せた。切れ味がよいと工具の欠けも少ない。

①焼入れ鋼軸部品を、PLG加工のcBN工具で、研削仕上げ⇒旋削のみで製造可能化。

②金型磨きレス加工がPLG/CVD・DLCコーティング工具でできた。

研削仕上げ工具 PLG仕上げ工具

写真 焼入れ鋼の仕上げ面を刃先鋭利化ｃBNで加工

市販cBN工具刃先 PLGで仕上げたcBN工具刃先

写真 刃先鋭利化の状況（SEM)

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(2)「Evolution of diode laser and their future(半導体レーザの進化と未来)」 レーザライン

半導体レーザの主要メーカーであるLaserline社（社員300名）は設立20周年となった。この

20年間の驚異的な半導体レーザの開発・発展を、最新のレーザアプリケーションで紹介。

①半導体レーザの寿命は4万時間以上となり、5年保証をしている。

②ハイパワーとなり、キーホール溶接も可能となった。この10年で20KW⇒100KWに拡大。

③ハイブリッド（レーザ+MIG/MAG）も可能。LMD・3Dプリントにも適用可能。

④ウルトラハイスピードLMD（>100m/分）を開発（ﾌﾗｳﾝﾌｫｰﾌｧｰ）。粉にｴﾈﾙｷﾞｰを与える方法。

Crメッキ代替可能⇒これでは表面性状の改善のためリメルトする。

⑤大面積・高速レーザ焼入れの大きな進展。

⑥ドイツPJでは500W青色DLを進めている。

●2007●2017

図 ﾊｲﾊﾟﾜｰ、高ﾋﾞｰﾑ品質化 図 超高速LMD（ﾊｲｽﾋﾟｰﾄﾞ、薄肉高品質層、少粉末消費）

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NADEX Private Show2017 (H29年11月）

講演３件の聴講とレーザ実演・展示を調査。

[講演](1)「レーザ溶接における品質保証」 ナ・デックス

レーザ加工におけるインプロセスモニタリングと適応制御技術センシング、センサー利用モニタリング技術が幅広く示された。

(2)「ファイバレーザ技術について」 フジクラ8KW迄製造するフジクラのファイバーレーザについての技術解説。FL関連の基幹部品、接続技術、熱処理技術を全て保有する世界唯一のメーカ。

(3)「100kWファイバーレーザ溶接の研究」 ナ・デックスIPG社製100KW/FLでの取組み内容（溶接性、ﾁｬﾝﾊﾞｰ内雰囲気制御、ﾋﾞｰﾄﾞ整形工法）を説明。 レーザ溶接時の溶融池のビード湯流れをリアルタイム観察。

[実演・展示]①雰囲気制御(低真空ﾁｬﾝﾊﾞｰ内）によるアルミ材の低スパッタ溶接。②インプロセス・キーホール深さ測定装置。③QCW発振器によるアルミ重ね溶接。④100kWﾚｰｻﾞによる加工ｻﾝﾌﾟﾙ、ﾌｪﾑﾄ秒ﾚｰｻﾞよる微細加工ｻﾝﾌﾟﾙ展示。

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展示会（2017レーザ加工技術展）（H29年４月）

(1)マツモト機械、マツモト産業ホットワイヤを適用した、パイプ材（約300㎜径）に対する黄銅材の肉盛り実演。ワイヤの

供給とシールドガスの供給はレーザ進行方向後ろ側からで、シールドガスはノズルを複数縦方向に並べて、進行方向後ろ側のシールド効果を上げる工夫。

(2)ナ・デックス減圧雰囲気でのレーザ溶接による、ポロシティの削減や溶込み深さの確保、レーザ干渉計

による溶込み深さのオンライン計測事例を発表。

(3)アマダホールディングスレーザ切断において、対象の板厚に応じてビームモードを替えるビーム制御ユニットを伝

送用光ファイバーの前段に設けて、厚さに応じた適正ビームモードを得る工夫。薄板用：ガウシアンモード、厚板用：凹型リングモード （最近は各社このような傾向）

(4)古河電子国産のファイバーレーザとして、４KW機、６KW 機を展示。ビームパターンを任意に制御す

るためのDOE素子（Diffractive Optical Element）の展示。９KW出力のレーザビーム迄対応。

(5)タマリ工業６軸レーザ切断加工装置の展示。立体形状部品の複雑形状切断加工の実演。

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展示会（関西高機能材料WEEK2017）（H29年9月）

接合関連の技術セミナーと接着接合EXPOを見学。 興味を引いた展示等を以下に示す。

[技術セミナー] 「自動車のマルチマテリアル化に向けた接合技術」 日産自動車

・日産では環境問題対応で車体軽量化(構造合理化、ﾊｲﾃﾝ、ｱﾙﾐ・樹脂の順）に取組。・欧州では高級車（アウディ、BMW、ベンツ）にﾏﾙﾁﾏﾃﾘｱﾙ車体（CFRP含む）が採用。・北米車はアルミが多く、日本車では高級スポーツ車ﾚｸｻｽ、GTR、NSXが対象である。・ﾏﾙﾁﾏﾃﾘｱﾙ化は異材接合技術がﾎﾟｲﾝﾄ。機械的接合、ﾚｰｻﾞ、接着技術を検討中。・ダイセルポリマーのDLAMP、サンアローのLSTが金属/樹脂接合で注目。・金属/樹脂接合ではFSW、レーザを利用。金属の表面状態、樹脂官能基が重要。

[展示会](1)山陽特殊製鋼

金属粉末事業に注力していることが判るような大規模展示。3Dプリンタ用に注力。3D用粉末は50μm以下と小さい。粉体肉盛用は100μm程度。

(2)ナックイメージテクノロジーレーザ溶接状況を可視化する高速度カメラ＆映像を展示。

(3)ナイスレーザロウ付けされた鉄/Al接合部品を展示。Alは溶解、鉄は溶解なしとのこと。

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展示会（InterOPto2017）(H29年10月）

レーザ関連の技術セミナー聴講と展示会を見学。 興味を引いた展示等を以下に示す。[技術セミナー]

(1)「産業用レーザ市場の現状と将来展望」 矢野経済研究所

・ファイバー、ディスク、CO2など個別レーザ装置について出荷台数、金額の推移を2016年～2020年まで予想。FLの高出力化が伸びを支えている。

・CO2は低下しているが、海外に比べ国内は低下率が小さい。マーカー向けがﾌﾟﾗｽ成長。・ディスクは2016年（120台）⇒2020年（280台）の予想。・今後は発振器の高性能化とレーザシステムによるIoTソリューションがキーになる。

(2)「p秒、ｆ秒へ、超短ﾊﾟﾙｽ化が進む産業用精密微細レーザー加工」 スペクトラフィジックス

(3)レーザ加工技術クロスミーティング①「各種センサーを備えたTRUMPFの最新レーザ加工技術」 トルンプ

リアルタイム溶接深さモニター：MAX測定深さ8mm、参照面との干渉による測定。②「コヒレント_ロフィンの熱加工用途向けレーザシステムのご紹介」 ロフィンバーゼル

ARM技術：内外2重ﾌｧｲﾊﾞｰによる強度分布制御。最近ARM技術のPRが活発。③「半導体レーザを用いた光整形技術によるレーザ加工への適用」 丸文

３点ビーム：レーザライン社も亜鉛メッキ鋼板ゼロギャップ溶接用として3点ビームを開発。主ビームは矩形、先行ビームは円形。

レーザ加工技術は最近、レーザ光そのものを制御して加工する方向に向いている。

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[展示会]

(1)ディスコ社KABRA技術：SiCウエハの製造技術。インゴットの上面からレーザ光を照射し、スライスする。レーザ照射により応力集中箇所をつくり、外部刺激によりスライスする。SiCには適用可能だがSiは不可。ワイヤソーに比べて約1.5倍の枚数が取れる。

(2)アマダ：IoTの一例として、レーザによる切断面を写真に撮ると切断面の状態から最適な加工条件が提示されるシステム。

(3)丸文社レーザ加工フィードバック装置：焼入れ加工における温度、肉盛加工における溶融池サイズをCCDカメラ画像により取得してフィードバック（フラウンホーファIWS）、放射温度計による測定値からレーザ加工へのフィードバック（独Dr.Mergenthaler）をパネル展示。

(4)日本レーザ社レーザクリーニング装置：高出力（1.2～3.2KW：1,000万円以上）から低出力（50W；500万円）まで3機種をパネル展示。引き合い活発とのこと。

(5)OPI社中国製FL：中国製FLを取扱い。安価・保証はOPI社（日本）が実施。

(6)住友電工社ビーム整形技術：シングルモードFLであればDOE （Diffractive Optical Element）設計が可能。マルチモードは不可。加工ヘッドに非球面レンズの採用が増加。軽量化＆集光点の強度分布のエッジがシャープ。

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フラウンホーファIWS

＜丸文 レーザ加工フィードバック装置＞

Dr.Mergenthaler社

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＜住友電工 ビーム整形光学部品＞

1000万円以上 700万円 500万円

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主として表面処理・改質フェアを見学。 興味を引いた展示を以下に示す。

(1)日本アイ・ティ・エフ金属へのコーティング専門会社。DLC膜付がニーズ大とのことで、その中で高硬度

水素フリーDLCの薄膜コートをPR。

(2)トーカロ多孔質コーティングをPR。減圧プラズマ溶射法の医療部品（人工関節等）への適用を事業化中。また10KWのLMD装置を保有しているとのこと。

(3)大阪富士工業尼崎市にレーザ・プラズマ接合研究所をつくり、表面改質の研究開発を実施。LMDを用いた新幹線ブレーキディスクへの肉盛を展示し、実用化に向け注力中。

(4)新日本溶業各種表面改質（Quick Tip、肉盛等）をPR.。粉末肉盛についてはｽﾃﾗｲﾄに炭化物を入れる（≦50wt%）事業も実施中。内部欠陥はUTを用いるとの回答。

(5)大興製作所母材を傷つけない30W/YAGパルスレーザクリーニング機を紹介。

展示会（関西ものづくりワールド2017）（H29年10月）

2018.1.16 ものづくり技術におけるレーザ加工への期待

展示会（2017国際ロボット展）（H29年11月）

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(1)ダイヘン：世界最高レベルの高精度ロボットを用いたレーザ加工システム

・位置繰り返し精度

±0.07mm

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(2)安川電機：ガルバノスキャナー搭載レーザ溶接ロボット（リモート溶接システム）

■リモート溶接システム

高速・高精度 高機能溶接

レーザ：ファイバーレーザ、YAGレーザ

最大出力：～6kW集光スポット径：600μm

（特徴）YED製リモート溶接ヘッドを搭載したロボットが ガルバノを継続動作させながらオン・ザ・フライ 制御で高速/高精度溶接を実現します。

（応用）・自動車／自動車部品の溶接・鋼板溶接／切断・テーラード・ブランク溶接

（出典 Y-E DATA HP)

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まとめと今後の方向

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（１）レーザ加工技術は、将来の我が国のものづくりを支えるキーテクノロジー技術である。

（２）レーザ加工技術の特長である、精密性、制御性は、必要な所に必要な部材を取り入れるという「マルチマテリアル」の動きと連動して、スマート加工を実現させるものとなる。

（３）今後とも、レーザ加工に関する人材養成とともに、新しい事業開拓を進める必要がある。

AMPIはレーザ関係者の一層の事業拡大に貢献いたします。

ご清聴ありがとうございました。