レーザービーム加工：原理、用途、産業への影響
レーザービーム加工は、ワークから熱エネルギーによって金属を除去する非従来型加工プロセスです。このプロセスは、特に導電率の低い脆性材料に対して、産業界で広く使用されています。作動原理と用途について、本記事で詳しく学びます。
しかし、レーザービーム加工について学ぶ前に、レーザーとレーザーの種類について理解する必要があります。
レーザーとは？
レーザーの正式名称はLight Amplification By Stimulated Emission Of Radiation（誘導放出による光増幅）です。レーザーは、電磁放射の誘導放出に基づく光学的増幅のプロセスを通じて光を放出するデバイスです。通常の光源とレーザーの主な違いは、コヒーレンス、指向性、単色性、高強度です。
通常の光は異なる波長と強度を持ちます。そのため、通常の光源から放出される光子は広い表面に広がり、非コヒーレントです。
対照的に、レーザーの光波は同じ波長と強度を持ちます。そのため、レーザーから放出される光は単色光と呼ばれます。
レーザーから放出される光は非常に狭く、高強度で非常に小さな領域に集中できます。つまり、より多くのエネルギーが小さな領域に集中し、ワークを加熱して表面を溶かします。
レーザーは、さまざまな加工操作、光ディスクドライブ、フォトプリンタ、バーコードスキャナ、自動車ヘッドライトなどに使用されています。
レーザーの種類
レーザー生成に使用される媒質に基づいて、3種類のレーザーがあります。
- ガスレーザー
- 固体レーザー
- 液体レーザー
レーザービーム加工には、ルビークリスタルと呼ばれる固体レーザーがレーザービーム生成に使用されます。
レーザービーム加工とは？
レーザービーム加工は、高強度レーザー光をワークの小さな領域に集中させ、その領域を極端な熱で溶かし、最終的に気化させて材料を除去する加工プロセスです。レーザービーム加工は熱エネルギーを用いてワークから材料を除去します。
レーザービーム加工は金属および非金属ワークに使用できます。従来の加工では不可能な、非常に脆性の高い材料に特に使用されます。また、従来の加工では不可能な微小な形状や切削をワークに作る必要がある場合、レーザービーム加工が解決策となります。
レーザービーム加工の作動原理
レーザービームは単色光を放出し、ワークの非常に小さな領域に焦点を合わせます。表面積が小さくレーザーの強度が高いため、極端な熱が発生します。その熱により金属が溶け、最終的に溶融金属が気化します。これがレーザービーム加工プロセスの基本的な作動原理です。それでは詳細な作動原理を学びましょう。
画像のように、約1000Wのフラッシュランプコイルの中に、両端が平らな反射媒質を持つ円筒形のルビークリスタルレーザー媒質が配置されています。フラッシュランプは高強度の白色光を放出し、クリスタルを励起してレーザービームを生成、レンズを用いてワークの領域に焦点を合わせます。
生成されるレーザービームの電力密度は約1000kW/cm²です。この極端な電力密度により熱が発生し、ワークの領域が溶融します。
レーザービーム加工機の主要コンポーネント
典型的なレーザービーム加工機の主要コンポーネントをいくつか紹介します。
- 電源装置
- フラッシュランプ
- コンデンサ
- レーザー媒質
- 反射鏡
- レンズ
電源装置
名前の通り、電源装置はフラッシュランプに電力を供給し、レーザー媒質中の電子を低エネルギー準位から高エネルギー準位へ励起する光を放出させます。
フラッシュランプ
フラッシュランプは、レーザー放電管/レーザー材料に高強度の白色コヒーレント光を供給し、最終的に電子を励起します。
コンデンサ
コンデンサは、フラッシュランプをパルスモードで動作させるためにレーザービーム加工で使用されます。コンデンサの主な役割は電荷を蓄え、必要時に放出することです。
レーザー媒質 / レーザー放電管
レーザービーム加工ではルビークリスタルが使用されます。フラッシュ管が光を放出すると、エネルギーを含む光子が放出され、ルビークリスタルがこの光子を吸収します。
反射鏡
レーザービーム加工には2種類の反射鏡が使用されます。一つは100%反射、もう一つは部分反射です。レーザービームは部分反射鏡を通して放出されます。
レンズ
レンズは、レーザービームをワークの指定された領域に集光するために使用されます。
レーザービーム加工の利点
- 脆性材料の加工に非常に有用
- 金属と非金属の両方に使用可能
- 工具とワークの間に接触がない
- 機械的作業が不要
- プロセス中に機械的特性が変化しない
- 他の加工工具では到達できない領域に形状を作成可能
- 非常に精密な形状の生成が可能
レーザービーム加工の欠点
- 初期導入コストが高い
- 熟練技術者が必要
- 生産速度が低い
- フラッシュランプの寿命が短い
- 非常に高いエネルギーを必要とする
- 材料除去率が低い
- メンテナンスコストが非常に高い
レーザービーム加工の用途
- レーザービーム加工は、製品の機能に不可欠な精密で複雑な部品の製造において、ほぼすべての分野で使用されています。
- 医療科学では脱毛や美容整形に使用
- マクロマシニング大量加工で非常に人気
- 従来の工作機械では到達できない微小穴の加工に使用
- 非導電性および難融性材料の複雑な溶接
結論
以上が本記事の内容です。レーザービーム加工について公平な理解を得ていただけたかと思います。この記事ではレーザービーム加工の基礎のみを提供していますが、ご質問や疑問があればコメント欄にお書きください。喜んでお答えします。
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よくある質問 (FAQ)
レーザービーム加工とは？
レーザービーム加工は、レーザービームをワークの特定領域に集光し、溶融・気化させて材料を除去する非従来型加工プロセスです
LASERとは何の略ですか？
Light Amplification By Simulating Emission Of Radiation
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