レーザー切断機の理解：仕組みと原理

レーザーは単一波長の高度に集光された光ビームです。各波長の光において、様々な材料は異なる量で光を吸収、反射、透過します。

レーザービームは、単一波長（単色）の非常に高強度の光柱です。典型的なCO2レーザーの場合、その波長は光スペクトルの赤外線部分にあるため、人間の目には見えません。ビーム径はレーザー共振器（ビーム生成部）から機械のビームパスを通って約3/4インチ（約19mm）です。複数のミラー（「ビームベンダー」）によって異なる方向に反射された後、最終的にプレート上に集光されます。集光されたレーザービームは、プレートに当たる直前にノズルの孔を通り抜けます。同じノズル孔を圧縮ガス（酸素や窒素など）も流れます。

高電力密度により、急速な加熱、溶融、材料の部分的または完全な気化が起こります。軟鋼切断時、レーザービームの熱で典型的な「酸素燃料」燃焼プロセスが開始され、レーザー切断ガスは酸素燃料トーチと同様に純酸素になります。ステンレス鋼やアルミニウム切断時は、レーザービームが単純に材料を溶融させ、高圧窒素で溶融金属を切り込み（カーフ）から吹き飛ばします。

CNCレーザー切断機では、レーザー切断ヘッドが金属プレート上を目的の部品形状で移動し、プレートから部品を切り出します。容量性高さ制御システムが、ノズル先端と切断中のプレートの間に非常に正確な距離を維持します。この距離は重要で、焦点位置がプレート表面に対してどこにあるかを決定するためです。焦点をプレート表面の直上、表面上、または直下に上げ下げすることで切断品質に影響を与えます。

レーザー切断機は、レーザー光ビームを材料の一片に集光させることで動作します。レーザー光は非常に高出力のため、集光されると、ビームが焦点を合わせた小さな領域で、切断対象材料の温度を溶融または気化するほど高く上昇させます。多くの場合、溶融材料を切断領域から押し出すのを助けるためにアシストガスが使用されます。これは特に金属や合板などの厚いシート材料の切断で顕著です。

形状を切断するには、ガントリーの何らかの形式を使用してビームを新しい材料上に位置決めし、レーザーヘッドを移動させることで、小さなピンホールではなく線を切断します。運動システムのタイプにはラックアンドピニオン、ボールネジ、リニアモーターがあります。リニアモーターが最も高価ですが、最速で最も精密です。ラックアンドピニオンはより低価格でほぼ同等の速度と精度を提供します。一部の小型ホビーレーザーでは、タイミングベルトとステッピングモーターでレーザーヘッドを移動させることもあります。すべての場合、サーボとエンコーダーフィードバックを備えたシステムは機械切断精度を大幅に向上させ、振動から隔離された剛性フレームも同様です。

レーザー切断操作では、切断対象材料で高吸収率となる波長を選択することが重要です。

レーザーエネルギーが材料表面に向けられると、材料は非常に多くのエネルギーを吸収し、溶融温度を急速に超えて劣化温度まで上昇します。

劣化温度では、材料が分解・崩壊します。この時、煙やヒュームが放出されることが多いです。

切断エッジはより低いレベルまで加熱され、実際に溶融・再形成することがあります。これは繊維材料などの糸ほつれ防止に有用な一種のシーリングメカニズムとして利用できます。

レーザー切断時、切断プロセスからの煙がレーザー光学系にススとして堆積しないよう、レーザーを角度付けるのが良い場合があります。また、高反射面で切断（または溶接）する際は、レーザービームが表面で反射して光学系に戻り、損傷を与えないよう防止することが重要です。