レーザー切断とは? – 働き方、種類、用途

レーザー切断は、レーザーと呼ばれる強力に集束されたコヒーレント光の流れを使用して材料を切断する、従来とは異なる加工方法です。これは、切断プロセス中に材料が連続的に除去されるサブトラクティブ プロセスです。これは、気化、溶融、化学的アブレーション、または制御された亀裂伝播によって達成されます。

レーザー光学系は CNC (コンピューター数値制御) によってデジタル制御され、5 ミクロンの小さな穴を開けるのに適したプロセスになっています。さらに、このプロセスでは材料に残留応力が生じないため、デリケートで壊れやすい材料の切断が可能になります。

レーザー切断の仕組み

レーザー切断機は CNC マシンと同様に機能しますが、高出力のレーザーを使用します。レーザーは、材料またはビームを CNC および光学機器に誘導します。マシンは CNC または提供された G コードを使用して、材料を切断し、モーションを制御します。

レーザービームが焦点を合わせた後、材料は溶融、気化、燃焼します。また、ガスジェットで材料を吹き飛ばすと、高品位な端面が得られます。レーザー ビームの生成は密閉容器内で行われ、そこでランプまたは放電が発光材料を刺激します。

発光材料の増幅は、部分ミラーによる内部反射の後に発生します。この現象は、十分なエネルギーがコヒーレントな単色光の流れに蓄積され、それが放出されるまで続きます。ファイバーまたはミラーを使用して作業領域に焦点を合わせた後、光の強度が増加します。

レーザービームの直径は、最も薄いエッジで 0.32 mm 未満です。逆に、切開の幅は潜在的に0.10mmほど小さくすることができます。ただし、これは素材の厚さによって異なります。材料の端から開始せずにレーザー カッターで材料を切断する場合は、穿孔プロセスが使用されます。

レーザー切断の種類

切断には、主に 3 種類のレーザーがあります。それらは、CO2、Nd-YAG (ネオジム イットリウム アルミニウム ガーネット)、およびファイバー レーザーです。これらは、レーザー ビームを生成するために使用される基材が異なります。

炭酸ガスレーザー

このタイプのレーザーは、10 ～ 20% の二酸化炭素、10 ～ 20% の窒素、微量の水素とキセノン、およびヘリウムで満たされたガス放電媒体を備えています。レーザー励起は、光ではなく放電電流によって行われます。

放電が照射媒体を通過すると、窒素分子はより高いエネルギー準位に励起されます。前述とは異なり、これらの励起された窒素分子は、光子放出によってエネルギーを失うことはありません。

代わりに、振動モードのエネルギーを CO2 分子に伝達します。このプロセスは、ほとんどの CO2 分子が移動可能な状態になるまで続きます。次に、二酸化炭素分子は 10.6 µm または 9.6 µm の赤外光を放出し、エネルギーレベルを下げます。

共振ミラーは、これらの波長で放出された光子を反射するように設計されています。ミラーは、材料を切断するために使用される赤外線ビームの放出を可能にする部分反射体です。

赤外光を放出した後、CO2 分子は、その残りのエネルギーをドープされたヘリウム原子に移すことによって基底状態に戻ります。冷たいヘリウム原子は非常に熱くなり、レーザーの冷却システムによって冷却されます。 CO2 レーザーの効率は約 30% で、他のレーザーよりも高くなっています。

クリスタル (ルビー、Nd、および Nd-YAG) レーザー

CO2 レーザーとは異なり、このタイプのレーザーは、発光媒体として合成結晶を使用する固体レーザーです。最も一般的なのは、イオン化されたネオジム (Nd3+) を 1% ドープした YAG (Y3Al5O12) 結晶です。

この結晶の Nd イオンは、結晶構造の Y イオンを置き換えます。棒は長さ約10cm、直径6～9cm。 YAG ロッドの端は研磨され、共振器システムとして機能する反射率の高い素材でコーティングされています。

クリプトン フラッシュまたはレーザー ダイオードは、レーザー ポンピングを実現します。このレーザー ポンピングは、ネオジム イオンをより高いエネルギー レベルに励起します。しばらくすると、励起されたネオジム イオンは、光子を放出することなく、より低い安定状態に入ります。このプロセスは、媒体が励起された Nd イオンで満たされるまで続きます。劣化した状態から、Nd イオンは波長 1064 nm の赤外光を放出します。

ファイバーレーザー

ファイバー レーザーは、ガス (CO2 レーザー) や結晶 (Nd-YAG レーザー) ではなく、光ファイバーを使用して光を放出する新しい形式のレーザーです。光ファイバーを使用するため、ファイバーレーザーは結晶レーザーと同様に機能する固体レーザーです。

光ファイバーには、エルビウムやイッテルビウムなどの元素が添加されています。エルビウムは、1528 ～ 1620 nm の範囲の光を生成します。一方、イッテルビウムは 1030 nm、1064 nm、1080 nm で光を生成します。

光が光ファイバーを通過するとき、エネルギー損失を最小限に抑えて内部にとどまることが知られています。これにより、正確なアライメントを必要とする他のタイプよりも光ファイバーが安定します。

レーザー切断機の利点

高い精度と精度

レーザーは、焦点を絞った光ビームを使用して、オブジェクトを非常に正確に切断します。レーザーは強力で小さいですが、比類のない精度で材料を溶かして蒸発させます。ほとんどの場合、レーザー公差は 0.003 mm から 0.006 mm の範囲です。

プラズマ切断機の公差レベルは約 0.02 mm で、レーザー切断よりも高くなっています。同様に、他の切削工具の公差レベルは 1 ～ 3 mm、またはそれ以上です。製造工程で高精度・高精度の機械が必要だとします。

この場合、推奨されるツールは通常、レーザー カッターです。そのため、航空宇宙産業では厳しい公差レベルが要求されるレーザー切断を使用しています。

低コストで手頃な価格

レーザー切断には、同じ口径の他の CNC マシンよりも経済的な利点があります。これは、レーザー技術の利点の 1 つです。レーザー切断技術のおかげで、カスタムツールはもう必要ありません。また、追加の切削工具が必要ないため、どのプロジェクトでも機器を変更する必要はありません。

また、物理的な接触がないため、表面の磨耗がありません。レーザー切断機は機械部品が少ないため、他の加工技術よりも維持費が安価です。マシンのランニング コストも、従来の製造ツールに比べて低くなります。

非常に複雑なジョブの場合

他の切断技術では複雑すぎる可能性がある多くのタスクは、レーザー切断機では簡単になります。レーザー技術は、材料の最も薄いエッジで機能します。切断面が少し歪んだりねじれたりしている場合がありますが、レーザー カッターを使用すると、複雑な形状をすばやく作成できます。レーザー切断は許容範囲が広く、さまざまな素材に対応できます。

シート使用率が高く、無駄が少ない

レーザー カッターで材料を切断すると、無駄になる材料はごくわずかです。これにより、レーザー切断は、材料のかなりの部分を使用して他の機械から際立っています。レーザー カッターを使用すると、メーカーは材料を最大限に活用できます。リソースがより効率的に利用されるため、材料の無駄が減り、生産コストが削減されます。

損害防止

レーザー切断のもう 1 つの利点は、最も狭い材料であっても損傷を回避できることです。多くの人は、素材の歪みや損傷は避けられないと信じて、マシンに関する誤った情報を信じる傾向があります.

この一般的な信念は、レーザー切断プロセスで高熱が使用されるという前提です.熱は小さな材料領域にのみ影響し、公差には影響しないことに注意してください。シートのレーザー切断は驚くほど高速であるため、切断に必要な時間が短縮されます。その結果、メーカーは反りやゆがみを簡単に回避できます。

低消費電力

実生活でカットを達成する力があれば助かります。ただし、レーザー切断機には他の可動部品がないため、エネルギー消費が削減されます。対照的に、可動部分を持つ機械はより多くのエネルギーを消費する傾向があります。さらに、レーザー カッターは材料を非常に高速で切断します。これにより、時間と電力を節約できます。消費されるエネルギーが少なくなると、運用コストも削減されます。

さまざまな素材との互換性

このマシンがさまざまな素材で機能することは興味深いことです。材料の切断に加えて、レーザー切断は、マーキング、穴あけ、彫刻などの他のプロセスにも役立ちます。これらのさまざまなジョブをすべて実行するために、ツールを切り替えたり変更したりする必要がないことに注意してください。

レーザー切断は、金属の切断に限定されません。その他のレーザー切断材料には、木材、アルミニウム、プラスチック、銅、真鍮などがあります。レーザー切断は、ほぼすべての異なる種類の材料を簡単に切断できるため、用途の広いプロセスです。

レーザー切断機の短所

レーザー切断には多くの利点がありますが、注意すべき欠点もいくつかあります。以下でそれらのいくつかについて説明します。

プラスチックのレーザー切断は、有毒なガスを発生させ、換気を必要とするため、コストがかかる可能性があります。

効果的なレーザー切断は、パーツの厚さ、切断する材料、使用するレーザーの種類によっても異なります。適切な注意を払わないと、切断された材料が燃えてしまう可能性があり、正しいレーザー強度を使用しないと一部の金属が変色する可能性があります。プラズマ切断は依然としてレーザー切断よりも厚いシートを切断できますが、レーザー技術の進歩により、このギャップは縮まりつつありますが、機械のコストは依然として高いままです.

最後に、これは自動化されたプロセスですが、コミッショニングとメンテナンスには人間の関与が必要であり、オペレーターがレーザーに接触すると深刻な火傷を負う危険性があります。

レーザー切断の応用

前述のように、レーザー切断は常に進化しているエキサイティングな分野です。

ここでは、現在最も一般的なレーザー切断の用途をいくつか紹介します.

自動車産業

レーザー切断は、相対的な速度と正確さで部品を再現できるため、自動車業界に定着しています。自動車分野では、さまざまな形状やサイズの部品を正確に再現することが重要です。レーザー切断は、金属やプラスチックを切断して、車体部品、電子部品、内装カバー、自動車のボタンを形成するために使用されます。

さらに、レーザー切断機は、自動車の内装にボタンを彫刻して、光が透けて見えるようにし、製造された部品にシリアル番号と部品番号を記録することができます。さまざまな部品を切断するために使用される金型も、レーザーで切断できます。

レーザー切断は、液圧成形部品の切断に適しています。これらは通常、車両の構造をサポートする頑丈なチューブです。通常、これらの部品はエンジン フレームやインストルメント パネルの作成に使用されます。

金型および工具産業

前述のように、レーザー切断を利用して複製部品の金型を作成できます。金属をさまざまな深さで切断するレーザーの能力を利用して、型抜きプロセスを繰り返すことで一貫して使用できるプレス部品用に非常に正確な金型を作成できます。

レーザー切断による金型の複製も、迅速かつ正確なプロセスです。

射出成形金型は、レーザー切断を使用した金型と同じ精度で作成できます。

これにより、金型製作プロセスが簡素化され、正確な金型の複製がはるかに迅速かつ高価な手順になります。

工具製造では、レーザー カッターは、自動車産業でのマーキングと彫刻、および単純なハンド ツールの作成に使用できます。レーザー カッターの速度は、強力な金属の型抜きよりも優れている場合もあります。その素材の用途の多様性により、ほとんどのツールのゴム製ハンドルに会社のロゴやツール情報をレーザーで彫刻することもできます.

ジュエリー業界

レーザー切断の精度により、ジュエリー製造プロセスでの使用が容易になります。たとえば、小さな歯車がたくさんある時計を想像してみてください。レーザーは精密にカットされ、無駄と生産時間を減らして歯車を作ります。さらに、レーザーの彫刻機能により、製造プロセス中に部品にマークを付けることができます。

レーザーは正確な形状と厚さをカットできるため、レーザー カットを使用してジュエリーを作ることもできます。正確な幅、深さ、直径のリングまたはブレスレットをレーザーで簡単に作成できます。レーザーは、内面または外面にデザインや碑文を彫刻することもできます.

医療機器製造

医療産業におけるレーザー切断の最も重要な利点は、レーザー手術と医療製品の製造です。

レーザー手術により、外科医は正確なカットを行うことができ、患者の治癒が早くなります。レーザーカット部品は、患者の生活の質を向上させる医療機器の製造に使用されます。たとえば、ステント、バルブ フレーム、血管クリップ、骨ヒンジ、フレキシブル シャフト、リーマーはすべてレーザー カット部品から作られています。

セラミック製造

セラミックスには、エンジニアがさまざまな用途に使用できるようにするさまざまな特性があります。電気伝導率と熱伝導率が低いため、優れた絶縁体になります。他の化学物質と反応せず、融点が高く、耐久性に優れています。

レーザーは、エッジ品質を犠牲にすることなく処理時間を短縮するため、セラミックの切断によく使用されます。航空機のジェット エンジン、電気モーター、スピーカー、ヘッドフォン、発電所の発電機、炊飯器、さらには白熱灯にもセラミック部品が使われています。

シリコン製造

レーザー切断の恩恵を受けることができるもう 1 つの材料はシリコンで、これには多くの用途があります。精密切断により、エンジニアは他の切断方法を使用して製造されたものよりも小さなシリコン部品を製造できます。

シリコンは高温や経年変化に強く、加工しやすい素材です。シリコンの典型的な用途は、コンピューター、電子機器、テキスタイル、家庭用品、自動車、および建設に見られます。

結論

レーザー切断の導入は、製造業に貴重な利益をもたらしました。この機械は、一度に多くの材料を切断するのに役立ち、時間を節約し、運用コストを削減します。レーザー切断の長所と短所を理解することは、プロジェクトに最適な選択をするのに役立ちます.