レーザー切断
レーザー切断は、レーザーを用いて材料を蒸発させ、切断面を作る技術です。通常は工業製造用途で使用されますが、現在では学校、中小企業、建築、趣味の分野でも利用されています。レーザー切断は、高出力レーザーの出力を光学系を通して導くことで機能します。レーザー光学系とCNC（コンピュータ数値制御）は、レーザービームを材料に照射するために使用されます。市販の材料切断用レーザーは、モーションコントロールシステムを使用して、CNCまたはGコードにしたがって材料上に切断するパターンを描きます。集束されたレーザービームが材料に照射されると、材料は溶解、燃焼、蒸発、またはガスジェットによって吹き飛ばされ、[ 1 ]高品質の表面仕上げの切断面が作られます。[ 2 ] ACCURLなどの企業は、工業製造で使用されるファイバーレーザー切断機や関連する板金機器を製造しています。[ 3 ]
歴史
1965年、最初の量産型レーザー切断機がダイヤモンドダイスの穴あけに使用されました。この機械はウェスタン・エレクトリック・エンジニアリング・リサーチセンターによって製造されました。[ 4 ] 1967年、イギリスは金属用のレーザー支援酸素ジェット切断を開発しました。[ 5 ] 1970年代初頭、この技術は航空宇宙用途のチタン切断に実用化されました。同時に、CO₂レーザーは繊維などの非金属の切断にも応用されました。当時のCO₂レーザーは金属の熱伝導率を克服するほど強力ではなかったためです。[ 6 ]
プロセス
レーザービームは通常、高品質のレンズを使用して作業領域に焦点を合わせます。ビームの品質は、焦点スポットサイズに直接影響します。焦点を合わせたビームの最も狭い部分の直径は通常、0.0125インチ（0.32 mm）未満です。材料の厚さによっては、 0.004インチ（0.10 mm）という小さなカーフ幅も可能です。[ 7 ]端面以外の場所から切断を開始できるように、すべての切断の前にピアシングが行われます。ピアシングでは通常、高出力のパルスレーザービームが材料にゆっくりと穴を開け、たとえば 厚さ0.5インチ（13 mm）のステンレス鋼で約5～15秒かかります。
レーザー光源から発せられるコヒーレント光の平行光線は、直径が0.06～0.08インチ（1.5～2.0 mm）の範囲にあることが多い。このビームは通常、レンズまたはミラーによって集光・増幅され、約0.001インチ（0.025 mm）の非常に小さなスポットに集光され、非常に強力なレーザービームとなる。輪郭切断において可能な限り滑らかな仕上がりを得るには、ビームの偏光方向を、輪郭加工されたワークピースの周囲を周回するにつれて回転させる必要がある。板金切断の場合、焦点距離は通常1.5～3インチ（38～76 mm）である。[ 8 ] [ 9 ]
レーザー切断は機械切断に比べて、ワークの保持が容易で、ワークピースの汚染が少ない（切断刃が材料に接触したり、材料を汚染したりすることがない）という利点があります。レーザービームは加工中に摩耗しないため、精度が向上する可能性があります。また、レーザーシステムは熱影響部が小さいため、切断対象材料が反り返る可能性も低くなります。[ 10 ]また、従来の方法では切断が非常に困難、あるいは不可能な材料もあります。[ 11 ]
金属のレーザー切断は、プラズマ切断に比べて精度が高く[ 12 ] 、板金切断時のエネルギー消費量が少ないという利点があります。しかし、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。高出力（初期のレーザー切断機は1500ワットでしたが、6000ワット）で動作する新型レーザー切断機は、厚い材料を切断する能力においてプラズマ切断機に近づいていますが、そのような機械の設備投資コストは、鋼板のような厚い材料を切断できるプラズマ切断機よりもはるかに高くなります。[ 13 ]
種類
レーザー切断に使用されるレーザーには主に3種類あります。CO2レーザーは切断、穴あけ、彫刻に適しています。ネオジム（ Nd ）レーザーとネオジム・イットリウム・アルミニウム・ガーネット（Nd:YAG）レーザーは、どちらも構造は同じで、用途が異なります。Ndレーザーは穴あけや、高エネルギーで低繰り返しが求められる用途に使用されます。Nd:YAGレーザーは、非常に高い出力が必要な用途や、穴あけや彫刻に使用されます。CO2レーザーとNd/Nd:YAGレーザーはどちらも溶接に使用できます。[ 14 ]
CO2レーザーは、一般的にガス混合物に電流を流すこと（DC励起）または高周波エネルギーを用いること（RF励起）によって「励起」されます。RF方式は比較的新しい方式であり、より普及しています。DC設計ではキャビティ内に電極が必要となるため、電極の侵食やガラス製品や光学部品への電極材料のめっきが発生する可能性があります。RF共振器は外部電極を備えているため、これらの問題は発生しにくいです。CO2レーザーは、チタン、ステンレス鋼、軟鋼、アルミニウム、プラスチック、木材、人工木材、ワックス、布地、紙など、多くの材料の工業切断に使用されています。YAGレーザーは主に金属やセラミックの切断と刻印に使用されます。
電源に加えて、ガス流の種類も性能に影響を与える可能性があります。CO2レーザーの一般的な種類には、高速軸流型、低速軸流型、横流型、スラブ型があります。高速軸流型共振器では、二酸化炭素、ヘリウム、窒素の混合ガスがタービンまたはブロワーによって高速で循環します。横流型レーザーでは混合ガスの循環速度が遅いため、ブロワーも簡素化されます。スラブ型または拡散冷却型共振器は、加圧やガラス器具を必要としない静的ガス場を備えているため、タービンやガラス器具の交換費用を抑えることができます。
レーザー発生器と外部光学系（集光レンズを含む）は冷却が必要です。システムのサイズと構成に応じて、廃熱は冷却剤を介して、または直接空気中に放出されます。一般的に使用される冷却剤は水で、通常はチラーまたは熱伝達システムを介して循環されます。
レーザーマイクロジェットは、パルスレーザービームを低圧ウォータージェットに結合させたウォータージェット誘導レーザーです。このレーザーは、光ファイバーのようにウォータージェットを用いてレーザービームを全反射させながら、レーザー切断機能を実行します。この利点は、水がデブリを除去し、材料を冷却することです。従来の「ドライ」レーザー切断に比べて、高速ダイシング、平行カーフ、全方向切断などの利点もあります。[ 15 ]
ファイバーレーザーは、金属切断業界で急速に成長している固体レーザーの一種です。CO2レーザーとは異なり、ファイバー技術は気体や液体ではなく、固体の増幅媒体を使用します。「シードレーザー」がレーザービームを生成し、ガラスファイバー内で増幅されます。波長がわずか1064ナノメートルのファイバーレーザーは、非常に小さなスポットサイズ（CO2レーザーの最大100倍）を生成するため、反射率の高い金属材料の切断に最適です。これは、CO2レーザーと比較したファイバーレーザーの主な利点の一つです。
ファイバーレーザーカッターの利点は次のとおりです。
- 処理時間が短い。
- 効率性の向上により、エネルギー消費量と電気料金が削減されます
- 信頼性とパフォーマンスが向上 - 光学系を調整したり調整したり、ランプを交換する必要はありません。
- メンテナンスは最小限です。
- 銅や真鍮などの反射率の高い材料を加工できます
- 生産性の向上 - 運用コストの削減により、投資収益率が向上します。[ 16 ]
方法
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レーザーを用いた切断方法には様々な種類があり、材料の種類に応じて異なる種類が使用されます。例としては、気化切断、メルトアンドブロー切断、メルトブロー＆バーン切断、熱応力割れ切断、スクライビング切断、冷間切断、燃焼安定化レーザー切断などがあります。
気化切断
気化切断では、集束ビームが材料の表面を引火点まで加熱し、キーホールを生成します。キーホールは吸収率の急激な増加を引き起こし、穴を急速に深くします。穴が深くなり材料が沸騰すると、発生した蒸気が溶融壁を侵食し、噴出物を吹き出して穴をさらに拡大します。木材、カーボン、熱硬化性プラスチックなどの非溶融材料は、通常この方法で切断されます
溶かして吹き飛ばす
メルトアンドブロー切断、またはフュージョン切断では、高圧ガスを用いて溶融材料を切断部から吹き飛ばすことで、必要な電力を大幅に削減します。まず、材料を融点まで加熱し、次にガスジェットで溶融材料を切断溝から吹き飛ばします。これにより、材料の温度をさらに上昇させる必要がなくなります。この方法で切断される材料は通常、金属です。
熱応力割れ
脆性材料は熱破壊に対して特に敏感であり、この特性は熱応力割れで利用されます。ビームを表面に集中させることで局所的な加熱と熱膨張を引き起こします。その結果、亀裂が生じ、ビームを動かすことで亀裂を誘導することができます。亀裂はm/sオーダーで移動させることができます。これは通常、ガラスの切断に使用されます
シリコンウェーハのステルスダイシング
半導体デバイスの製造で準備されるマイクロ電子チップをシリコン ウェーハから分離する作業は、いわゆるステルス ダイシング プロセスによって実行できます。このプロセスは、シリコンの電子バンド ギャップ(1.11 eVまたは 1117 nm ) に適した波長 (1064 nm) を持つパルスNd:YAG レーザーで動作します。
反応性切断
反応性切断は「燃焼安定化レーザーガス切断」や「炎切断」とも呼ばれます。反応性切断は酸素トーチ切断に似ていますが、点火源としてレーザービームを使用します。主に厚さ1mmを超える炭素鋼の切断に使用されます。このプロセスは、比較的少ないレーザー出力で非常に厚い鋼板を切断するために使用できます
許容差と表面仕上げ
レーザーカッターは、位置決め精度が 10 マイクロメートル、再現性が 5 マイクロメートルです。
標準粗さRzは板厚とともに増加しますが、レーザー出力と切断速度とともに減少します。低炭素鋼をレーザー出力800Wで切断する場合、標準粗さRzは板厚1mmで10μm、3mmで20μm、6mmで25μmとなります。
ここで、鋼板の厚さ（mm）、レーザー出力（kW）、切断速度（m/分）。[ 17 ]
このプロセスは非常に厳しい公差を維持でき、多くの場合0.001インチ（0.025 mm）以内です。部品の形状と機械の機械的健全性は、公差の精度に大きく影響します。レーザービーム切断による典型的な表面仕上げは、125～250マイクロインチ（0.003～0.006 mm）の範囲です。[ 14 ]
機械構成
産業用レーザー切断機には、一般的に3つの異なる構成があります。材料移動型、ハイブリッド型、フライング光学系です。これらは、切断または加工する材料上をレーザービームが移動する方法を指します。これらすべてにおいて、移動軸は通常X軸とY軸で表されます。切断ヘッドを制御できる場合は、Z軸で表されます。
移動型レーザーは、固定された切断ヘッドを備え、その下で材料を移動させます。この方式では、レーザー発生器から加工対象物までの距離が一定で、切断後の廃液の排出先が一点となります。必要な光学系は少なくなりますが、加工対象物を移動させる必要があります。このタイプの機械は、ビーム伝送光学系が最も少ない傾向がありますが、速度も最も遅くなる傾向があります。
ハイブリッドレーザーは、片方の軸（通常はX軸）に沿って移動するテーブルと、もう一方の短い軸（Y軸）に沿ってヘッドを移動させるテーブルを備えています。これにより、フライングオプティクスマシンよりもビーム伝送路長が一定になり、ビーム伝送システムをより簡素化できます。これにより、伝送システムにおける電力損失が低減され、フライングオプティクスマシンよりもワットあたりの容量が向上します。
フライングオプティクスレーザーは、固定テーブルと、水平方向の両方向でワークピース上を移動する切断ヘッド（レーザービーム付き）を備えています。フライングオプティクスカッターは、加工中にワークピースを固定したままにするため、多くの場合、材料をクランプする必要はありません。移動質量は一定であるため、ワークピースのサイズが変化してもダイナミクスは影響を受けません。フライングオプティクスマシンは最も高速なタイプであり、薄いワークピースの切断に有利です。[ 18 ]
フライングオプティクス装置では、近接場（共振器に近い）での切断から遠場（共振器から遠い）での切断に至るまでのビーム長の変化を考慮するための何らかの方法を用いる必要があります。これを制御する一般的な方法としては、コリメーション、補償光学、または一定ビーム長軸の使用などがあります。
5軸および6軸加工機では、成形品の切断も可能です。さらに、レーザービームを成形品に向け、適切な焦点距離とノズルのスタンドオフを維持する様々な方法があります。
パルス
短時間に高出力のエネルギーバーストを供給するパルスレーザーは、一部のレーザー切断工程、特にピアシング、または非常に小さな穴や非常に低い切断速度が必要な場合に非常に効果的です。一定のレーザービームを使用すると、切断対象物全体が溶けるほどの熱に達する可能性があるためです
ほとんどの産業用レーザーは、NC（数値制御）プログラム制御でCW（連続波）をパルス化またはカットする機能を備えています。
ダブルパルスレーザーは、複数のパルスペアを用いて材料除去率と穴品質を向上させます。基本的に、最初のパルスは表面から材料を除去し、2番目のパルスは穴や切削面への噴出物の付着を防ぎます。[ 19 ]
消費電力
レーザー切断の重要な要素は、高い消費電力です。レーザーの効率は、切断技術と材料によっても異なり、板金切断の場合、CO2レーザーは5～10％、ファイバーレーザーは20～30％、ダイレクトダイオードは30～40％です。[ 20 ]
特定のレーザーの消費電力と効率は、出力と動作パラメータによって異なります。これは、レーザーの種類と、レーザーが加工対象物にどれだけ適合しているかによって決まります。特定の加工に必要なレーザー切断電力（入熱量）は、材料の種類、厚さ、使用するプロセス（反応性／不活性）、そして希望する切断速度によって異なります。
| 材質 | 材質の厚さ | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| 0.51mm | 1.0mm | 2.0mm | 3.2mm | 6.4mm | |
| ステンレス | 1000 | 1000 | 1000 | 1500 | 2500 |
| アルミニウム | 1000 | 1000 | 1000 | 3800 | 10000 |
| 軟鋼 | − | 400 | − | 500 | − |
| チタン | 250 | 210 | 210 | − | − |
| 合板 | − | − | − | − | 650 |
| ボロン/エポキシ | − | − | − | 3000 | − |
生産速度と切断速度
最大切断速度（生産速度）は、レーザー出力、材料の厚さ、加工の種類（反応性または不活性）、材料特性など、多くの要因によって制限されます。一般的な産業用システム（1kW以上）は、厚さ0.51～13mmの炭素鋼を切断します。多くの用途において、レーザーは標準的な鋸引きよりも最大30倍高速です。[ 22 ]
| ワーク材質 | 材質の厚さ | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0.51mm | 1.0mm | 2.0mm | 3.2mm | 6.4mm | 13mm | |
| ステンレス | 42.3 | 23.28 | 13.76 | 7.83 | 3.4 | 0.76 |
| アルミニウム | 33.87 | 14.82 | 6.35 | 4.23 | 1.69 | 1.27 |
| 軟鋼 | − | 8.89 | 7.83 | 6.35 | 4.23 | 2.1 |
| チタン | 12.7 | 12.7 | 4.23 | 3.4 | 2.5 | 1.7 |
| 合板 | − | − | − | − | 7.62 | 1.9 |
| ホウ素/エポキシ | − | − | − | 2.5 | 2.5 | 1.1 |
参照
参考文献
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参考文献
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