レーザ切断
レーザ切断とは
レーザ切断は、レーザを使用して金属、プラスチック、誘電体などを切断するプロセスです。一般的なレーザ切断は、レーザ、ビーム伝送光学系、部品や光学系を動作させるためのモーションハードウェア、オプションのビジョンシステム、統合制御ソフトウェアで構成されています。
レーザ切断マシンは、集光または成形したレーザビームを使用して、材料を選択的に除去（アブレーション）する精密な工具として機能します。アブレーションプロセスは、レーザのパラメータと切断する材料の種類によって、光熱（熱を使用）または光アブレーション（圧力を使用）のいずれかです。レーザ切断は、スルーカット、ドリルホール、スクライビング（特定の深さや材料界面までの切削）のために使用できます。材料は、薄いプラスチックフィルムから数ミリメートルの厚さの金属まで、さまざまなものがあります。 レーザ切断は非常に正確で汎用性が高く、製造や加工に広く使用されています。
レーザ切断の仕組み
レーザ切断マシンは、固定されたワークピース上でレーザビームを移動させるか、固定されたレーザビームの下でワークピースを移動させます。より複雑な二次元や三次元の形状を作成するために、両方を使用するマシンもあります。マシンはソフトウェアで制御され、通常は使いやすいグラフィカルインターフェイスを使用します。特定の作業に特化したソフトウェアとハードウェアを組み合わせたマシンもあります。最新のレーザ切断マシンは、IoTやインダストリ4.0に対応しています。
レーザ切断とマシンの仕組みを詳しく見てみましょう。
ビーム、部品、またはその両方を移動
レーザ切断マシンは、機械的な旋盤やフライス盤と同じように、加工される材料に対してレーザビームを相対的に移動させることによって切断を行います。このような切断を実現するには、次の3つの方法があります。
- 固定されたレーザビームの下で部品を移動します。
- 固定部品に対してレーザビームを移動します。
- 両方を組み合わせて実行します。
部品とビームの両方を移動することにより、複雑な切断と形状を作成します。レーザ切断での部品の移動には、直動ステージを用いたxyz方向の移動と、回転ステージを用いた回転による移動の2種類が一般的です。前者は平面的な部品に、後者は筒状や3D部品に使用されます。
レーザビームは、ガントリーなどに設置した部品の上を集光レンズが移動する「フライングオプティクス」を使って動かしたり、Fシータレンズの後ろにオプトガルバニックミラーを配置して高速スキャンすることで、フラットなスキャンフィールドを実現したりすることもできます。
部品とレーザビームの両方を動かすことで、レーザカッターは次のようなあらゆる形状を切断することができます:管状部品、平面パターン、あらゆる種類の3D形状。CADファイルで作成できる場合は、レーザカッターで切断できます。
一般的なレーザ切断の種類
レーザ切断に使用されるレーザは、シールドCO2レーザ、ナノ秒ファイバーレーザ、超短パルス（USP）レーザの3種類が一般的です。切断する材料の種類、厚み、要求されるエッジ品質によって最適なものを選択してください。
シールドCO2レーザは、中赤外域で高出力を実現するため、セラミック、紙、石、プラスチックなど様々な材料の切断に最適です。数ワットから数百ワットの出力で、性能とコストのバランスをとることができるため、高速切断に適しています。しかし、このようなレーザ切断部品は、切断端に沿ったスラグやその他の欠陥を除去するための後処理を必要とすることがよくあります。
ナノ秒ファイバーレーザは、レーザ切断に使用される最も一般的なレーザです。赤外線出力と可視光出力を選択できるので、金属、プラスチック、その他の有機材料など、さまざまな素材の切断に使用できます。ミクロン単位の精度で切断できるため、医療機器や再利用品の切断に適しています。しかし、心臓ステントのような精密部品には後処理が必要な場合もあります。
ピコ秒またはフェムト秒のパルス幅を持つUSPレーザは、赤外線、可視光線、紫外線のいずれかの出力で使用できます。パルス幅が短いため、熱影響部（HAZ）がほとんどない、比類のないエッジ品質を実現します。このため、きわめて要求の厳しい切断やスクライビングのアプリケーションでも、多くの場合、後処理が不要です。しかし、ワットあたりのコストは最も高く、比較的低電力（ワットから数十ワット）であるため、切断速度が制限されます。
結論：切断用途に最適なレーザが本当に供給されていることを確認する場合は、これらのレーザ切断オプションをすべて提供し、その使い方を熟知している業者をご利用ください。
レーザ切断ソフトウェア、自動化、加工の監視
レーザ切断マシンの目的は、レーザを利用するための専門的な訓練の必要なしに、切断用途に対するターンキーソリューションを提供することにあります。操作は、フォーマットに応じて、半手動から閉ループ制御の完全自動化までさまざまです。自動パーツフィーダーのオプションにより、長時間の無人運転が可能になり、多くの介入を必要とすることなく、何百、何千ものパーツを切断することができます。
レーザ切断ソフトウェアは通常、オブジェクト駆動型の使いやすいグラフィカルインターフェイスを備えています。 たとえば、Coherentの切断マシンの多くに付属するLaser Frameworkは、プロセス設計、実行、監視を視覚表示によって効率化します。これにより、ジョブセットアップが迅速化され、オペレーターの生産性が向上するとともに、生産エラーが減少し、人員トレーニングを削減できます。
先進的なレーザ切断マシンには、ビームが仕様どおりに正確に動作していることを確認するためのレーザモニタリングのオプションも用意されています。AIにより、モニタリングシステムにレーザエラーの理由を表示することもできます。
特殊なレーザ切断
レーザ切断マシンには、汎用的な万能レーザ切断マシンと、特定の用途のために設計されたレーザ切断マシンがあります。
Coherent製MPSシリーズのような汎用機は、多くの選択肢とオプションが用意されています。マシンの大きさ、切断台の詳細、レーザの選択、動作軸（リニアとロータリー）はすべてユーザが選択できます。これらのマシンはさまざまなレーザ切断に使用でき、新たなレーザ切断のニーズが発生した場合には再構成することができます。
他のレーザ切断マシンは、特定の用途向けに最適化されています。例えば、CoherentのStarCut Tubeシリーズは、医療機器製造（MDM）でよく使われており、ファイバーレーザやUSPレーザで小さな部品を切断するためによく使用されます。主に管状部品を対象としていますが、平らな材料からの切断も可能です。
レーザ切断機の中には、特定の作業を可能な限り効率的に行うために一から設計された、さらに特殊なものもあります。「シングルタスク」マシンの一例として、NAニードルドリリングシステムがあります。この製品シリーズは、望ましくない熱損傷を与えることなく従来の小型縫合針の止まり穴を開けることのみを目的として構成されています。
製造業に革命を起こす
レーザ切断は、考えられるほぼすべての業界の製造に革命をもたらしました。これにより、エンジニアは新素材を使って精密な部品を作ることができるようになり、まったく新しい製造方法を生み出すことさえできるようになりました。
レーザ切断の一般的な用途を次に示します。
- 産業用製造業:
- 金属切断:レーザ切断は、自動車部品、航空宇宙部品、機械の製造において、スチール、アルミニウム、チタンなどの金属の切断に広く使用されています。精度が高く、複雑な形状にも対応します。
- 織物の切断:レーザ切断は、繊維産業で布地を切断し、衣類、椅子張り、その他の繊維製品の複雑なパターンを作成するために使用されます。
- 看板および広告:
- アクリルおよびプラスチックの切断レーザ切断は、アクリルやその他のプラスチックに正確な切断を施し、看板、ディスプレイ、販促資料などに使用します。複雑なデザインと滑らかなエッジを可能にします。
- ラピッドプロトタイピングとラピッドマニュファクチャリング:
- ラピッドプロトタイピング:レーザ切断は、製品開発のためのプロトタイプの作成に採用されています。これにより、プロトタイプの部品やモデルを迅速かつ正確に製造できます。
- カスタム製造:小規模製造およびカスタム製造では、特殊なコンポーネントを経済的に少量生産する能力により、レーザ切断のメリットが得られます。
- エレクトロニクス産業:
- PCB製造:レーザ切断は、プリント回路基板（PCB）の製造に使用され、基板を正確に切断して成形します。エレクトロニクス部品の複雑なパターンの作成に役立ちます。
- メディカル用途:
- 医療機器:レーザ切断は、その精度と繊細な材料を切断する能力により、ステントや手術器具などの医療機器の製造に利用されています。
- 紙とダンボールの切断:
- パッケージング:レーザ切断は、紙や段ボールに複雑で精密な切断を施し、パッケージング、販促資料、芸術的プロジェクトに使用します。
- 宝飾品製造:
- 貴金属:レーザ切断は、金や銀のような貴金属の切断や成形に宝飾業界で使用されています。複雑なデザインと精密なディテールを可能にします。
- 自動車産業:
- インテリアコンポーネント:レーザ切断は、皮革、布、プラスチックなどの自動車内装部品の材料を切断し、成形するために使用されます。
- 木工:
- オーダー家具:レーザ切断は、オーダー家具や木工プロジェクトの生産に採用されています。木材に細かく複雑なデザインを施すことができます。
- 建築模型:
- 模型製作:建築家やデザイナーは、レーザ切断を使用して、詳細な建築模型を精密かつ正確に作成します。
レーザ切断は、高精度で材料の無駄が少なく、様々な材料を切断することができます。現代の製造業やデザインには欠かせないものとなっており、これなしでは私たちの世界は成り立ちません。