レーザー切断の説明:技術、種類、用途
工業生産において、熱技術であるレーザー切断にはいくつかの用途があります。最も複雑な形状の金属シートでも、レーザー切断装置を使用すると迅速に彫刻およびスライスされ、優れた結果が得られます。
レーザー カッターは、高エネルギーの集束レーザー ビームを使用してさまざまなプレートまたはシート材料を切断することにより、産業用と趣味用の両方の 2 次元コンポーネントを作成するデバイスです。スチール、木材、一部のポリマーが一般的な材料です。
さらに、さまざまなレーザー切断方法の違いについても概説します。この読書では、レーザー切断とは何か、その用途、種類、材料、そしてその仕組みについて探っていきます。利点と欠点についても説明します。
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レーザー切断は、光学系を介したコンピューター数値制御 (CNC) によって制御される高出力レーザーを使用して材料を切断する方法です。
この方法は、自動車、航空宇宙、エレクトロニクス、医療などのさまざまな分野で、金属、プラスチック、セラミック、木材、繊維、紙などの材料を切断するために一般的に使用されています。
同軸ガスジェットの助けを借りて、集中したレーザービームをレーザー切断に利用して、特定の場所の材料を溶かし、切り目を形成します。ガスはレーザー ビーム自体には影響を与えませんが、物体を効果的に燃焼、溶解、または蒸発させる可能性があります。
結果として生じる破片はすべて吹き飛ばされ、高品質の最終エッジが保証されます。エッチングや溶接は、レーザー切断を使用して行うこともできます。
ネオジム (Nd) レーザー、CO2 レーザー、およびネオジム イットリウム アルミニウム ガーネット (Nd:YAG) レーザーは、レーザー切断の 3 つの主要な方法です。レーザーのパフォーマンスは、その種類によって影響を受ける可能性があります。
レーザー切断の利点としては、正確さ、精度、汚染の少なさ、ワーク保持の簡素化などが挙げられます。特に、ファイバー レーザーは、その卓越した精密切断能力で知られています。
ファイバーレーザーの主な利点の 1 つは、長距離にわたって一定のビーム品質を提供できることです。これにより、さまざまな材料や厚さにわたって均一な切断が可能になります。この均一性により、さらなる処理の必要性が減り、エッジの品質が向上します。
「放射線の誘導放出による光増幅」または「レーザー」は、レーザー光生成の物理学を指す略語です。レーザー物理学の基本原理は依然として同じですが、この技術は多くの場合、Nd:YAG レーザー、CO2、ファイバーの 3 つの方法で使用されます。
レーザー切断の一般的な用途
- シート メタルの切断は、さまざまな素材のプレートやシートを切断するための一般的な技術です。
- 彫刻:ほぼすべての素材にエレガントな木の刻印やシリアル番号を追加します。
- レーザー溶接:レーザー ビームを使用すると、金属または熱可塑性プラスチックを正確に接合できます。
- チューブの切断:この方法では、回転軸を使用して中空パーツの複雑なプロファイルを切断します。
図
レーザー切断の種類
レーザー切断用途では、3 つの異なる種類のレーザーがよく使用されます。固体ファイバーや Nd とは対照的に、CO2 レーザーはレーザー媒体として CO2 とさまざまな不活性ガスを使用します。結晶は、YAG レーザーの発振媒体として機能します。これらのさまざまなレーザーはすべて、基本的に同じ前提で動作します。
Nd:YAG/Nd:YVO レーザー
Nd:YAG レーザーには、ネオジム (Nd) ドープされたイットリウム アルミニウム ガーネット結晶 (Y3 Al5O12) が使用されます。ドーピングにより、一部のイットリウム イオン (+-1%) が Nd3+ イオンに置き換えられます。
2 つのミラー (1 つは完全反射、もう 1 つは半反射) がこの結晶の間に配置されています。一連のレーザー ダイオードまたはキセノン/クリプトン フラッシュ チューブがポンピング光子源として機能します。
Nd:YAG 結晶のポンピング源は、ネオジム イオンのエネルギー レベルを上昇させる光子を提供します。イオンはミラーの間で反射された後、崩壊して一連の光子を放出し、それらが結合してコヒーレントなレーザー ビームを形成します。
カッティング ヘッド上のレンズは、ミラーによって方向付けられた後、周波数 1064 nm のコヒーレントで高強度の光ビームを集中させるために使用されます。
ネオジムドープバナジン酸塩結晶 (YVO₄) は Nd:YVO レーザーに使用されており、Nd:YAG レーザーと同様に機能します。一方、Nd:YVO レーザーは、1 秒あたりにより多くのパルスを生成でき、出力の安定性が高く、熱の放出が少なくなります。
Nd:YAG レーザーは、ファイバー レーザーよりも高い出力密度と優れたビーム品質を提供するため、マーキングやエッチングに最適です。一方、Nd:YAG レーザーのエネルギー効率は 1 桁で、運用コストが大幅に高くなります。
ファイバーレーザー
ドープされた光ファイバーケーブルは、ファイバーレーザーのレーザー発振媒体として機能します。光子は、石英またはホウケイ酸ガラスのコアの光ファイバー フィラメントの一端に送り込まれ、ファイバー レーザー ビームを生成します。
これらの光子は、希土類元素が注入された領域に到達するまで、光ファイバーのフィラメントをたどります。ネオジム、イットリウム、エルビウム、またはツリウムは、典型的な元素の例です。
光子によって刺激されると、これらの希土類元素はそれぞれ、異なる波長のレーザーを生成します。次に、ファイバー ブラッグ グレーティングを使用して光が増加します。
Nd:YAG レーザーや CO2 レーザーで使用される反射ミラーと半反射ミラーと同様に、これらの回折格子は光を前後に反射し、光子のカスケードを生成します。
強度が特定のしきい値を超えると、光は高強度のコヒーレントな光ビームとして回折格子を通過できます。他のレーザーと同様に、ファイバー レーザーはガスを使用して切断を促進したり、溶融した材料をレーザー ビームの経路から吹き飛ばしたりします。
ファイバー レーザーは通常、波長が短いため吸収が増加するため、材料の反射に最適であり、切断時の発熱が少なくなります。
たとえば、光ファイバー ケーブルの柔軟性により、ファイバー カッティング ヘッドを 6 軸ロボット アームに簡単に接続でき、CO₂ レーザーや Nd:YAG レーザーに必要な、レーザーを操作するための多数のミラーが不要になります。
ファイバーレーザーの電気効率は CO2 レーザーよりも優れています。このため、ファイバー レーザーでの切断には、反射素材や、銅や金などの熱を効果的に吸収する素材が最適です。
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CO₂ レーザー
CO₂ (二酸化炭素) レーザーのコンポーネントは、CO₂、ヘリウム、窒素ガスが充填されたチューブです。レーザー効率を高めるためにヘリウムと窒素が添加されています。窒素は、光子の放出時に CO2 分子に移動する可能性のある短期的なエネルギー貯蔵として機能します。
対照的に、CO2 分子が光子を放出すると、ヘリウムは運動エネルギー移動を利用して残留エネルギーを排出し、窒素分子からエネルギーを吸収できるようにします。
チューブの一端には全反射ミラーが付いています。反対側の鏡からは部分的に反射するだけです。チューブのガスは、CO₂ 分子の電子をより高いエネルギー状態に励起する強力な電場によってイオン化され、光子と光が生成されます。
原子の励起状態は、光子が原子に近づくと光子を放出します。次に、半反射ミラーを通過するのに十分な光子が収集されると、これらの光子は 2 つのミラーで反射します。
効率を最大化するにはチューブ内の温度を低温に維持することが不可欠であるため、チューブは低温の気体または液体を使用して冷却されます。特定のシステムでは、ガスがリサイクルされて運用コストが削減されます。
CO₂ レーザーは、波長 10600 nm の優れた万能レーザーで、板金や板金、その他さまざまな材料を切断できます。ただし、熱吸収性と反射性が高い素材は、CO₂ レーザーで使用するのが困難です。
レーザー切断のプロセス
通常、レーザービームを作業領域に集中させるために、優れたレンズが使用されます。集中スポット サイズはビームの品質に直接関係します。通常、集中ビームの最も狭いセクションの幅は 0.0125 インチ (0.32 mm) 未満です。
材料の厚さに応じて、わずか 0.004 インチ (0.10 mm) の切り溝幅も実現可能です。すべてのカットは穿刺から始まるため、刃は刃先以外の場所から始まる可能性があります。
ピアシングには高出力のパルス レーザー ビームがよく使用されますが、厚さ 13 mm (0.5 インチ) のステンレス鋼などの材料の場合、5 ～ 15 秒かかります。
レーザー光源の平行コヒーレント光ビームの直径は通常、0.06 ～ 0.08 インチ (1.5 ～ 2.0 mm) です。非常に強力なレーザー ビームを生成するために、このビームは多くの場合、レンズやミラーによって約 0.001 インチ (0.025 mm) の非常に小さな領域に集中され強化されます。
輪郭切断中に可能な限りきれいな仕上げを実現するには、ビームが輪郭のあるワークピースのエッジを周回するときにビームの偏光の方向を調整する必要があります。板金切断の焦点長は通常、1.5 ～ 3 インチ (38 ～ 76 mm) です。
機械切断と比較して、レーザー切断には、材料を汚染する可能性のある刃先がないため、ワーク保持が簡単で、ワークピースの汚染が少ないという利点があります。
手術中にレーザー光線が摩耗しないため、精度が向上する可能性があります。さらに、レーザー システムには熱の影響を受けるゾーンがごくわずかであるため、切断される材料が歪む危険性が低くなります。
さらに、特定の材料は従来の方法では切断できないか、非常に困難です。ほとんどの産業用レーザーは、プラズマのように厚い金属を切断することはできませんが、金属のレーザー切断には、板金を切断する際の精度が高く、消費エネルギーが少ないという利点があります。
資本コストは鋼板などの厚い材料を切断できるプラズマ切断機よりも大幅に高くなりますが、より高い出力 (初期のレーザー切断機の定格 1,500 ワットと比較して 6,000 ワット) で動作する新しいレーザー マシンは、厚い材料を切断する能力においてプラズマ マシンに近づきつつあります。
一般的なレーザー切断材料
レーザーカッターを使用してさまざまな材料をスライスできます。以下は、最も頻繁にスライスされる素材のリストです。
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フェルト
フェルトは安価な不織布で、手で切るのは難しいですが、レーザー カッターを使用すると簡単に切れます。ランチョンマット、装飾パッチ、衣類などはすべてフェルトで作ることができます。アクリルを多く含む合成フェルトは切れ味が悪いため、95 ～ 100% ウールのフェルトを使用することをお勧めします。
革
財布、ベルト、靴はすべて革でできており、耐久性に優れた天然素材です。革は高い価値を認識されており、特にカスタマイズされたレーザー カット オブジェクトの作成に使用される場合、容易にレーザー カットや彫刻が可能です。
フェイクレザーとは、フェイクレザーを指す言葉です。一方、これらの一部には PVC が含まれている可能性があり、レーザーで切断すると腐食性ガスが発生します。
コルク
コルク樫の木の樹皮からコルクが得られます。これはピンボード、滑り止めコースターのベース、靴の中敷きなどによく使われる柔らかい広葉樹の物質です。コルクをレーザーで切断したり彫刻したりするのは非常に簡単です。
ハードボード
ハードボードは、MDF (中密度ファイバーボード) よりも密度が高く、より丈夫で耐久性のあるオプションです。木の繊維を接合するために接着剤が使用されます。
この接着剤は切断中に蒸発します。これにより有害なガスが発生し、排気システムの使用が必要になります。ハードボードは均質であるため、切断や彫刻が確実に行えます。
木材
比較的控えめな出力 (150 ～ 800 W) の CO2 レーザーで木材を簡単に切断できます。ただし、木材のレーザー切断では煙が発生するため、排気システムが必須です。
天然木材はその木目構造により、切断または彫刻した際に仕上がりが不均一になる場合があります。広葉樹と針葉樹の両方をレーザー切断することが可能です。
真鍮
銅、亜鉛、およびその他のいくつかの二次合金金属が結合して真鍮を形成します。真鍮は摩擦が最小限であり、導電性があり、耐腐食性があります。電気用途と低摩擦ブッシュが一般的に使用されます。
アルミニウム
さまざまな合金成分や用途を持つさまざまなアルミニウム合金を総称してアルミニウムと呼びます。アルミニウムは強度と重量の比率が優れているため、航空機用途によく使用されます。
アルミニウムは溶けると反射するため、切断が困難になります。アルミニウムは CO2 レーザーを使用して切断することもできますが、アルミニウムの切断にはファイバー レーザーが最も効果的なツールです。
ステンレススチール
クロムおよび/またはニッケルは、ステンレス鋼に含まれる主要な合金元素であり、鋼合金として分類されます。さまざまな物質がステンレス鋼に悪影響を与えることはありません。どのレーザー切断方法でもステンレス鋼を簡単に切断できます。ただし、ステンレス鋼の切断にはファイバー レーザーの方が効果的です。
軟鋼または炭素鋼
主な合金成分として異なる濃度の炭素を含む幅広い種類の鋼は、「炭素鋼」と呼ばれます。炭素含有量が 0.3% 未満の別の種類の炭素鋼は軟鋼です。鋼は炭素が多ければ多いほど強くなります。厚さ 20 ～ 25 mm のプレートは、高出力レーザーでスライスできます。
PMMA、またはアクリル
アクリルはきれいな刃先を生み出しますが、揮発性ガスが発生するため、排気システムが必要です。切断面をしっかりと固定するには、ガスの圧力を調整して蒸気を吹き飛ばし、冷却する必要があります。
切断面がまだ溶けているとき、空気圧が強すぎると曲がってしまいます。アクリルは、化学名であるポリメチル メタクリレート、またはマーケティング名である Perspex® で呼ばれることもあります。
レーザー切断はどのように機能しますか?
レーザー切断には高出力レーザーが使用され、ビームまたは材料は光学系とコンピューター数値制御 (CNC) によって誘導されます。この技術は通常、モーション コントロール システムを使用して材料上に切断されるデザインの CNC または G コードに従います。
集中したレーザービームは、燃焼、溶融、蒸発、またはガスジェットによる吹き飛ばしによって、優れた表面仕上げエッジを生成します。密閉容器内の放電またはランプは、レーザー光線を生成するためにレーザー材料を刺激します。
部分ミラーを使用して内部のレーザー発振材料を反射し、そのエネルギーがコヒーレントな単色光の流れとして出射するのに十分になるまで増幅します。ミラーまたは光ファイバーは、ビームを強化するレンズを介してビームをガイドすることにより、この光を作業エリアに集中させます。
レーザー ビームの最も狭い点の直径は通常 0.0125 インチ (0.32 mm) 未満ですが、材料の厚さに応じて、0.004 インチ (0.10 mm) ほどの薄い切り込み幅も実現可能です。
ピアシング手順は、レーザー切断プロセスを材料の端以外の場所から開始する必要がある場合に使用されます。この方法では、高強度パルスレーザーが材料に穴を作成します。たとえば、厚さ 13 mm (0.5 インチ) のステンレス鋼板を焼き切るには 5 ～ 15 秒かかります。
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レーザー切断の利点
一般的な工業的な方法の 1 つはレーザー切断です。製造業におけるレーザー カッターの普及に貢献する主な利点の一部を以下に示します。
<オル>レーザー切断の欠点
レーザー切断には多くの利点がありますが、以下で詳しく説明するいくつかの欠点がまだあります。
<オル>よくある質問
レーザー切断とは何を意味しますか?
レーザーカットと呼ばれる方法は、レーザーで材料を蒸発させて切り口を作成します。元々は工業生産に使用されていましたが、学校、中小企業、建築家、愛好家による利用が増えています。
レーザーカットにはどれくらいの費用がかかりますか?
彫刻とレーザー切断にかかる制作時間のコストは 1 分あたり 1 ポンドです。 30 分のサービスの料金は、美術品の消耗品とセットアップ料金を含めて 30 ポンドです。制作時間は 1 時間かかった場合、60 ポンドになります。仕事の複雑さと強度のレベルに応じて、大規模な課題の場合は割引が適用される場合があります。
レーザー切断の方法は何ですか?
レーザー切断プロセスでは、通常はレンズ (場合によっては凹面鏡) を使用して、レーザー切断を作成するのに十分なパワー密度でレーザー ビームが小さな点に集束されます。レンズと集束スポットの間の距離、つまり焦点距離によってレンズが定義されます。
レーザー切断は何に役立ちますか?
熱がベッド全体に伝わり、材料シートからセクションを切断すると、熱が材料を溶かし、頻繁に蒸発させます。部品が取り出され、さらに加工される可能性があります。レーザー カッターの多くの用途には、彫刻、チューブの切断、レーザー溶接、板金やプレートの切断などがあります。
レーザーはなぜそれほど高価なのでしょうか?
これらの要素には、機械の維持費と修理費、技術者の認定とトレーニングの費用、医療スパやクリニックの運営に関連する諸経費が含まれます。 2023 年 3 月 18 日
製造プロセス