レーザー加工

レーザー加工（LBM ）は、レーザービームからの熱を利用する加工の一種です。このプロセスでは、熱エネルギーを使用して金属または非金属の表面から材料を除去します。単色光の高周波が表面に当たると、光子の衝突により材料が加熱、溶融、蒸発します（クーロン爆発を参照）。^[1] レーザー加工は、導電性の低い脆い材料に最適ですが、ほとんどの材料に使用できます。^[2]

レーザー ビーム加工は、ガラスの表面を溶かすことなく行うことができます。感光性ガラスでは、レーザーがガラスの化学構造を変えて、選択的にエッチングすることができます。このガラスは、フォトマシン ガラスとも呼ばれます。フォトマシン ガラスの利点は、正確に垂直な壁を作れることであり、ネイティブ ガラスは、遺伝子分析用の基板など、多くの生物学的用途に適しています。

レーザーにはガスレーザー、固体レーザー、エキシマレーザーなど様々な種類があります。^[3]

最も一般的に使用されるガスには、He-Ne、Ar、二酸化炭素レーザーなどがあります。

固体レーザーは、さまざまなホスト材料に希少元素をドーピングして設計されています。ガスレーザーとは異なり、固体レーザーはフラッシュランプまたはアークランプによって光ポンピングされます。ルビーは、このタイプのレーザーで頻繁に使用されるホスト材料の1つです。^[3]ルビーレーザーは、レーザー媒体が合成ルビー結晶である固体レーザーの一種です。合成ルビーロッドは、アクティブレーザー媒体として使用される前に、キセノンフラッシュチューブを使用して光ポンピングされます。^[4]

YAG は固体レーザーに使用される結晶であるイットリウム アルミニウム ガーネットの略称であり、Nd:YAG は固体レーザーでレーザー媒介として使用されるネオジム添加イットリウム アルミニウム ガーネット結晶を指します。

YAG レーザーは、高エネルギーの光波の波長を放射します。Nd :ガラスは、ファイバー レーザーで使用されるケイ酸塩またはリン酸塩材料で作られたネオジム添加ゲイン メディアです。

レーザーの切断深さは、レーザービームのパワーを切断速度とレーザービームスポットの直径の積で割った商に正比例します。

${\displaystyle t\propto {\frac {P}{vd}},}$

ここでtは切削深さ、Pはレーザービーム出力、vは切削速度、dはレーザービームスポット径である。^[5]

切断の深さは、ワークピースの材質によっても左右されます。材質の反射率、密度、比熱、融点温度はすべて、レーザーによるワークピースの切断能力に影響します。

次の表^[6]は、さまざまなレーザーがさまざまな材料を切断する能力を示しています。

レーザーは、溶接、クラッディング、マーキング、表面処理、穴あけ、切断などの製造工程に使用できます。自動車、造船、航空宇宙、鉄鋼、電子機器、医療の各業界で、複雑な部品の精密加工に使用されています。

レーザー溶接は、最大 100 mm/s の速度で溶接でき、異種金属を溶接できるという利点があります。レーザークラッディングは、表面品質を向上させるために、安価な部品や弱い部品をより硬い材料でコーティングするために使用されます。レーザーによる穴あけや切断は、損傷を引き起こす接触がないため、切断ツールの摩耗がほとんどまたはまったくないという利点があります。

レーザーフライス加工は2つのレーザーを必要とする3次元プロセスですが、部品加工のコストを大幅に削減します。^{[2] [7]} レーザーはワークピースの表面特性を変更するために使用できます。

レーザー加工の用途は業界によって異なります。軽工業では、この機械は他の金属の彫刻や穴あけに使用されます。電子産業では、レーザー加工はワイヤーの剥ぎ取りや回路の削り取りに使用されます。医療産業では、美容整形や脱毛に使用されます。^[2]

1. レーザー光線は単色かつ平行（つまり、エタンデュがゼロ）であるため、小さな直径に焦点を絞ることができ、1平方ミリメートルの面積あたり最大100MWの電力を生成できます。
2. レーザービーム加工は、従来の切断方法では不十分なほぼすべての材料を彫刻または切断する機能を備えています。
3. レーザーにはいくつかの種類があり、それぞれ用途が異なります。
4. レーザーは工具とワークピースの間に物理的な接触がないため、摩耗率が低く、メンテナンスコストは比較的低くなります。^[3]
5. レーザービームによる加工は高精度であり、これらのプロセスのほとんどは追加の仕上げを必要としません。^[3]
6. レーザービームをガスと組み合わせると、切断プロセスの効率を高め、表面の酸化を最小限に抑え、ワークピースの表面を溶融または蒸発した材料から保護することができます。

1. レーザービームを入手するための初期費用はやや高い。加工プロセスを支援する付属品は多数あり、これらの付属品のほとんどはレーザービーム自体と同じくらい重要であるため、加工の初期費用はさらに高くなります。^[3]
2. 機械加工の取り扱いとメンテナンスには高度な訓練を受けた人材が必要です。レーザービームの操作は比較的技術的であり、専門家のサービスが必要になる場合があります。^[3]
3. レーザービームは大量の金属加工を行うために設計されていません。
4. レーザー加工は大量のエネルギーを消費します。
5. 融点の高いワークピースでは深い切り込みが難しく、通常はテーパーが発生します。

• レーザー切断
• レーザービームの品質

• パウロ、ダビム（2013）。非伝統的な機械加工プロセス：研究の進歩。シュプリンガー。ISBN 978-1447151784。
• Amitabh Ghosh、Asok Kumar Mallik (2010)。「非従来型機械加工プロセス」。製造科学(第 2 版)。イーストウェスト プレス。pp. 396–403。ISBN 978-81-7671-063-3。