レーザー旋削: 複雑な医療部品向けのブレークスルーツール

この動画はレーザー旋削の仕組みを説明しています。提供: GFH GmbH

精密機械加工業界において、レーザーは長らく部品マーキングと彫刻以上の役割を果たしてきませんでしたが、スイス型自動盤に搭載され、主に医療用途でチューブ材の切断に使用されるようになりました。レーザーは、それらの機械で、中空材料に小穴、スロット、螺旋、ヘリカル形状、窓などの複雑形状を作るのに有用でした。

今、新たな技術がレーザーを切削工具として用い、固体バー材から部品を「旋削」するプロセスを実現しました。このプロセスはドイツ企業GFH GmbHによって開発され、従来の旋削工具を非接触レーザーに置き換え、超短パルスレーザーで材料を蒸発させ、従来の旋削方法より少ないエネルギーで加工します。米国ではGFHドイツ経由で提供されるGL.smart高速精密旋削機は、特にマイクロ加工に適し、従来の旋削プロセスでは加工が困難な繊細で複雑な小型部品に高精度を提供します。

「非接触材料除去により、ワークは加工プロセス全体を通じて力と変形から解放されます」とGFHのCEO、Florian Lendner氏は説明します。「これにより、非常に薄く繊細な部品でも精度の損失がありません。」

この機械は、1つのレーザー光源からのビームを分割し、2つの別々のヘッドに供給するため、同時に2つの部品を旋削、フライス、穴あけ、彫刻できます。構造的には、各ステーションが旋削と5軸加工を実行できるデュアルスピンドル・デュアルパレット立形フライス盤をイメージしてください。

非接触加工

機械の心臓部は、ワーク上でピコ秒またはフェムト秒単位でパルスを出力するダイオード励起固体レーザーです。この「パルスオンデマンド」技術により、材料への熱入力を調整でき、ワークの過熱を防ぎます。その結果、張力や部品変形が発生しません。同社によれば、このプロセスは非常に硬く脆い材料からなる部品にも適しています。

高出力レーザーとビーム分割の組み合わせにより、2ステーションでの同時加工が可能。写真提供: GFH GmbH

ダイオード励起レーザーがGL.smartの標準レーザーですが、顧客のニーズに応じて波長、レーザー出力、パルス幅の異なる様々なレーザー光源を提供可能です。これらの超高速・超短パルスレーザーを使用し、荒加工では可能な限り多くの材料を除去し、仕上げ加工ではレーザーエネルギーを低減して最終品質を実現します。

レーザービームは、操作に応じてワーク中心部または接線方向に照射できます。例えば、一定径を旋削する部品ならレーザービームは材料に接線方向で当たります。しかし、全径にわたって特定領域のみを加工する場合（穴など）、レーザービームは材料の中心に当たります。

レーザーが1パスで旋削・除去できる材料の深さ範囲は、材料と旋削プロセス自体に依存します。接線方向除去では、仕上げから荒加工まで1ミクロン〜200ミクロン、中心方向照射では0.1ミクロン〜10ミクロン（仕上げ〜荒加工）です。

加工後、完成部品はオペレーターがクランプシステムから手動で取り出すか、加工エリア下の容器に落下させて回収します。機械から削りカスを除去するため、GL.smartにはエアロゾルと粉塵を回収する吸引システムが装備されています。

「スマート」な機能

GFHによれば、医療業界と時計業界向けに部品供給する機械ショップは、GL.smartのマイクロ加工能力から特に恩恵を受けられます。例えば、ピンセット、マイクロブレード、インプラントなどのマイクロツールや、時計機構に組み込まれるひげゼンマイ受けなどを製造可能です。

実質的にあらゆる材料を加工可能で、レーザー旋削機は旋削、穴あけ、切断、彫刻を高速・高精度で実行できます。また、組み合わせ加工も可能です。

GL.smartの能力は多岐にわたり、医療用マイクロツール（ピンセット、マイクロブレード）や時計用ひげゼンマイ受けなどを製造可能。

2つのC軸ワークホールディングステーションでの並列処理も可能で、生産性が倍増します。

5軸移動により、すべての操作を1セットアップで実行可能。したがって、ワークを再クランプすることなく、彫刻、切断、穴あけ、構造化が可能です。

エアベアリングメインワークスピンドルは、トルクドライブを備え、部品のインデックス/位置決めと最大3,500rpmまで0.4秒で回転可能。ナノメートルレベルのラジアル・アキシャル同心度により、研削レベルの公差で生産可能。また、力制御テンションコレットシステムを装備。GL.smartのコンパクトなフットプリント（2,212mm（L）×1,026mm（W）×2,320mm（H））は、レーザー放射から保護する黒ガラスハウジングに収められています。

最大16同時軸制御が可能で、独自開発システムGL.controlで制御されます。各ワークステーション（Z軸は両ステーション共通、Y軸は各ステーション独立）には、メインスピンドル（X軸とA軸）と回転ユニット（X軸、B軸、C軸）を装備可能。残り3軸は光学ボックス内のビーム操作用に配置されます。

CNCがレーザーの精度を制御

GFH開発のGL.controlソフトウェアでプログラミング・制御されるこの機械のCNC（コンピュータ数値制御）は、数値制御ソフトウェアのみを担当するコンピュータ1台と、オペレーティングソフトウェアを担当するもう1台のユニットで構成されます。CNCはCAD/CAM機能とすべてのサブシステムを統合。GL.smartの高速PLC（プログラマブルロジックコントローラ）はレーザー加工向けに設計され、軸移動の全範囲で40ナノメートルの精度でレーザーをオンにできるリアルタイムレーザー制御アクセスを提供します。

部品の切削CAD/CAMプログラム作成プロセスは以下の通り:

1. 3Dファイルを機械ソフトウェアにアップロード
2. 生成するすべての形状を選択
3. レーザー加工用Gコードを生成
4. 材料固有パラメータを編集
5. PLCにアップロード
6. 加工ジョブを開始

レーザー旋削機を新しいタイプの部品加工向けにセットアップする際、素材サイズによってシンプルにも複雑にもなり得るとLendner氏は語ります。「原材料サイズが同じなら、ソフトウェア設定の変更だけで新しいデザインを作成できます。新しい原材料サイズの場合、光学セットアップとクランプシステムも変更する必要があります。」この機械は最大直径12mm、長さ2mまでの原材料を受け入れ可能です。

カスタム機械の構築

GFHは、ユーザーが特定のアプリケーション向けにカスタム機械を構築できるよう、GL.smart向けの多数のアドオンとアクセサリを提供しています。オプションには自動化、監視、品質保証向けのものがあります。

レーザー旋削機GL.smartは非接触除去を実現。これにより、非常に薄く繊細な部品でも精度損失なし。

機械ショップの自動化ニーズの高まりを受け、GL.smart用の6軸ロボットワークピースハンドリングシステムとバー供給装置がオプションで用意されています。このオプション導入により、無人運転の機会も提供されます。

その他のオプションには、カウンタースピンドルとしての回転スイベルユニット、ショートまたはロング旋削設計（または両方）があります。コレットとパーツガイドのセットアップにより、ショートまたはロング旋削設計が決まります。

GFHは、GL.controlで簡単にプログラミング可能な以下の装備をGL.smartのオプションとして提供しています。

低振動レーザービーム: GL.beamには、機械内のレーザーからプロセス光学系までの完全なビームパスが含まれます。レーザーはメーカー仕様に従って低振動動作のために花崗岩ベース上に搭載・アライメントされます。

精密クランプシステム: 繰り返し部品クランプのため、機械にはErowa製精密クランプシステムGL.clampを装備可能。要望に応じて他メーカーのクランプシステムや真空クランプ装置も利用可能。

監視とビーム調整モード: レーザーシステムは、動作モードGL.om3とGL.om4で拡張可能。動作モード3はプロセス監視用、モード4はビーム調整用。

スキャナーシステム: 精密部品製造や深彫りのため、機械にはGL.scanと呼ばれるスキャナーシステム（2つのガルバノミラーでレーザービームをワーク上に位置決め）を装備可能。

光学測定システム: 光学測定システムGL.visionは、レーザー下での部品位置決めを容易にし、顕微鏡レベルの分解能で光学測定も可能にします。

固定光学モジュール: GL.optifixモジュールは、レーザー穴あけ、精密切断、アブレーション用の固定光学系を提供。光学系に可動部がないため、位置決め誤差が軸システムの精度に限定されます。

距離モジュール: GL.distanceモジュールは、マイクロ穴あけと精密切断の最高精度要求向け。部品表面の偏差と公差を加工前に記録・補正可能。

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