レーザ加工のマルチパス化で高精度な部品を実現

受託加工メーカーであるES Precisionは、薄い金属部品の微細な部分を最大数千回の高速パスで切削する「侵食切断」を英国で初めて成功させました。

ES Precision – 精密機械加工とマーキング

ES Precisionは、英国キングストン バグプーズに拠点を置き、医療機器、自動車レース(F1)、航空宇宙、エレクトロニクスなどの産業や、一般的なエンジニアリングにおいて、レーザー加工による材料のマーキング、カット、ドリル加工を行う受託製造会社です。 同社は、レーザ業界のベテランであるティム・ミラード氏とアンディ・メイ氏が、主に革新的なレーザ加工とマーキングに基づいた精密製品を重視する加工現場の機会があると考え、2017年に設立しました。 金属の精密加工やドリリング、マーキングができるファイバーレーザ、プラスチックのマーキングができる紫外線レーザ、有機物を経済的に切断・彫刻できる炭酸ガスレーザなど、さまざまなレーザ技術を搭載したレーザマシンを多数保有しています。 レーザ技術は、ほとんどすべてCoherentから調達しています。

侵食切断 – その概要と使う理由

その名の通り、同社は精度の高い結果を重視しています。 このため、細部や高いエッジ品質を持つ薄い金属部品を作るためのコスト効率の良い方法を持っており、英国で「侵食切断」のパイオニア的存在となっています。 メイ社長は次のように述べています。「従来の連続波ファイバーレーザや炭酸ガスレーザ、あるいはミリ秒領域のレーザパルスによる金属切断は、レーザエネルギーで発生した溶融金属のほとんどをガスノズルで吹き飛ばすため、非常に効率的に切断することができます。 しかし、このような切断方法では、周辺加熱が強すぎて、わずか数グラムの小さな構造物を支えることができず、高圧ガスで破損したり吹き飛ばされたりしてしまうため、薄い部品には対応できません。 侵食切断は、このような問題を回避することができます。」

 

Erosion Cutting of Brass Gears
Erosion Cutting of Thin Carbon Steel Plate

図1. ES Precisionでは、このような小さな真ちゅう製のギアや炭素鋼製のカスタムプレートなど、どんな薄い金属でも加工できるように、浸食切断を行っています。 画像提供: ES Precision

 

侵食切断は、一般的にマーキング用途に使用される高速なガルバノスキャナー技術を利用しています。 実際、ES Precisionは、当初、20 Wのファイバーレーザを搭載したCoherentのPowerLine F20を使用していました。このシステムは、マーキングや彫刻の作業によく使用されるものです。 メイ氏は、「放電加工では、集光したレーザを1回だけ照射するのではなく、少なくとも数十回、場合によっては数千回の照射を繰り返し、それぞれ数ミクロンの材料を切断します。 しかし、高速ガルボスのおかげで、数千回のパスもわずか数分で行うことができるのです。」と言います。また、短い有効滞在時間と控えめなレーザ出力(20 W)により、各スキャンで除去される材料は5ミクロン以下であり、多くの場合、それ以下であることを付け加えています。 切断量の精度は、スキャン速度、レーザ設定、特定の材料の特性、およびカット深さに依存します。 同氏は次のように言います。「切り込みを深くしていくと、当然ながら1パスごとに削れる量が少なくなっていきます。 切断の最大深さは、最終的には切断の根元に到達するレーザ出力によって制限されます」。20 Wのファイバーレーザで、その方法は厚さ0.5 mm未満の金属部品、有機物では5 mm未満に限定されているとメイ氏は言います。

Coherent PowerLine F Flexible Laser Sub-Systems

図 2: Coherent PowerLine Fシリーズは、出力19~95 Wのファイバーレーザを搭載可能な、フレキシブルなレーザサブシステムです。

ほぼすべての薄い金属に対応する費用対効果の高い切断方法

また、この加工方法は、ほぼすべての金属や、セラミックなどの強靭な材料に適用可能であるとメイ氏は語っています。 同社の製品の多くは、ステンレス鋼や電気鋼から切り出されています。 後者の例としては、小型化された電気モーター用の部品が挙げられます。 また、バイオ用途の白金系部品や燃料電池の触媒部品など、 高価な金属を使用した侵食切断も行っています。 モリブデンは、メディカルイメージングのX線ターゲットなど、ES Precisionがよく用いる金属です。

もちろん、ピコ秒やフェムト秒出力の超短パルス(USP)レーザでも、優れたエッジ品質と熱損傷の最小化を実現することができます。 ES PrecisionがUSP切断ではなくファイバーレーザ切断を選択した理由は、コストがはるかに低く、レーザ出力1ワットあたりの材料除去の速度や効率も高いからであると、メイ氏は説明します。 特に、より厚みのある金属部品の切断を考えている同社にとって、侵食切断の高速化は重要なポイントです。

 

Erosion Cutting for Non-metals

図3. 侵食切断はこのような炭素ファイバー複合材料のような非金属にも適用可能です。 画像提供: ES Precision

より厚い金属に対応するため、機能を拡張

ES Precisionは、より厚みのある金属部品への多角化により、事業の拡大を図ろうとしています。 そこで、100 Wのファイバーレーザを搭載したPowerLine F100を発注しました。 これにより、厚さ2 mmまでの金属の侵食切断が可能になります。 また、薄型の製品にも使用され、試作や小ロット生産に有利なスループットの向上が期待されます。 

なぜ、再びCoherentのマシンを選んだのでしょうか。 メイ氏は、「当社のビジネスモデルを支えるために、レーザマシンベンダーには3つの重要なことが求められます」と語ります。 もちろん、何よりも精度が重要であることは言うまでもありません。私たちの評判と価格は、精度の上に成り立っています。 第二に、信頼性が求められます。 小規模な受託加工メーカーであるため、ある程度の複製や予備機の帯域幅を確保することしかできません。 信頼性の低いレーザ機器によって納期が遅れることは許されません。 そして最後に、同じ理由で信頼できるサービスやサポートが必要です。 Coherentは、この3つの分野すべてにおいて、素晴らしいパートナーであることを証明してくれました。」

 

Erosion Cutting of Thicker Metals

図4. レーザ出力を高くすることで、厚い金属の溶損切断が可能になり、これらのばね鋼部品のような大量生産品のスループットも向上します。 画像提供: ES Precision

成功したロードマップ

ES Precisionは、わずか数年の間に、レーザ加工とマーキングの受託分野のビジネスで成功し、高い評価を築き上げました。 ES Precisionは、高精度という特殊なニッチをターゲットとし、侵食切断などのイノベーションを駆使することで、他の汎用メーカーとの差別化を図っています。 また、Coherentとのパートナーシップについて、同社の継続的な成功のために特に重要な要素であると評価していただいていることを嬉しく思っています。 

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「レーザ加工機ベンダーに求められるのは、 精度、信頼性、信頼できるサービス、そしてサポートです。 Coherentは、この3つの分野すべてにおいて、素晴らしいパートナーであることを証明してくれました。」

— アンディ・メイ社長

 

 

 

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