レーザー切断

レーザー切断は、レーザーを使用して材料を蒸発させ、切断面を作る技術です。通常は工業製造アプリケーションで使用されますが、現在では学校、中小企業、建築、趣味で使用されています。レーザー切断は、高出力レーザーの出力を最も一般的には光学系を介して誘導することで機能します。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誘導するために使用されます。材料を切断するための市販のレーザーは、モーションコントロールシステムを使用して、材料に切断するパターンの CNC またはG コードに従います。焦点を絞ったレーザービームが材料に向けられ、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エッジが残ります。^[2]

1965年、ダイヤモンドダイスに穴を開けるために、最初の量産用レーザー切断機が使用されました。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。^[3] 1967年、英国は金属のレーザー支援酸素ジェット切断を開発しました。^{[4] 1970年代初頭、この技術は航空宇宙用途のチタン}_の切断に量産化されました。同時に、CO2レーザーは繊維などの非金属の切断に適応されました。当時のCO2レーザーは金属の熱伝導率を克服できるほど強力ではなかったため_です。 [ 5 ^]

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。材料の厚さに応じて、0.004インチ（0.10 mm）という小さな切り口幅が可能です。^[6]エッジ以外の場所から切断を開始できるようにするために、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）のステンレス鋼の場合は約5〜15秒かかります。

レーザー光源からの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約 0.001 インチ (0.025 mm) の非常に小さなスポットに集束および増強され、非常に強力なレーザービームが生成される。輪郭切断中に可能な限り滑らかな仕上がりを実現するには、輪郭加工されたワークピースの周囲を回るときにビームの偏光方向を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。^{[7] [8]}

レーザー切断が機械切断よりも優れている点としては、作業物の保持が容易であること、ワークピースの汚染が少ないこと（材料によって汚染されたり、材料を汚染したりする切断刃がないため）などが挙げられます。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、レーザーシステムの熱影響部は小さいため、切断される材料が歪む可能性も低くなります。^[9]一部の材料は、従来の方法では切断が非常に困難または不可能です。^[10]

金属のレーザー切断はプラズマ切断よりも精度が高く^[11] 、金属板を切断する際のエネルギー消費量が少ないという利点がある。しかし、ほとんどの産業用レーザーはプラズマほど厚い金属を切断することができない。より高出力で動作する新型レーザーマシン（初期のレーザー切断機の定格1500ワットに対して6000ワット）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いているが、そのようなマシンの資本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の資本コストよりもはるかに高い。^[12]

レーザー切断に使用されるレーザーには主に3つの種類があります。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）レーザーはスタイルが同じで、用途のみが異なります。Ndは穴あけや、高エネルギーで低繰り返しが必要な場合に使用されます。Nd:YAGレーザーは、非常に高い出力が必要な場合や、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。^[13]

CO ₂レーザーは、通常、ガス混合物に電流を流す (DC 励起) か、無線周波数エネルギーを使用する (RF 励起) ことによって「励起」されます。RF方式はより新しく、より一般的になっています。DC 設計ではキャビティ内に電極が必要なため、電極の侵食やガラス製品や光学部品への電極材料のメッキが発生する可能性があります。RF 共振器には外部電極があるため、これらの問題は発生しません。CO ₂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、多くの材料の工業的切断に使用されます。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、ガス流の種類もパフォーマンスに影響します。CO2 レーザーの一般的な種類には、高速軸流、低速軸流、横流、スラブがあります。高速軸流共振器では、二酸化炭素、ヘリウム、窒素の混合物がタービンまたはブロワーによって高速で循環します。_横流レーザーはガス混合物を低速で循環させるため、よりシンプルなブロワーが必要です。スラブまたは拡散冷却共振器には静的ガス場があり、加圧やガラス器具を必要としないため、タービンやガラス器具の交換費用を節約できます。

レーザー ジェネレータと外部光学系 (フォーカス 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、廃熱は冷却剤によって、または直接空気中に放出されます。水は一般的に使用される冷却剤で、通常はチラーまたは熱伝達システムを通じて循環されます。

レーザーマイクロジェットは、パルスレーザービームが低圧ウォータージェットに結合されたウォータージェット誘導レーザーです。これは、ウォータージェットを使用してレーザービームを光ファイバーのように全反射で誘導しながらレーザー切断機能を実行するために使用されます。この利点は、水が破片を除去し、材料を冷却することです。従来の「ドライ」レーザー切断に対するその他の利点は、高速ダイシング、平行カーフ、全方向切断です。^[14]

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。 CO ₂とは異なり、ファイバー技術はガスや液体ではなく、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。 わずか 1064 ナノメートルの波長を持つファイバーレーザーは、非常に小さなスポットサイズ (CO _{2と比較して最大 100 倍小さい) を生成するため、反射性金属材料の切断に最適です。 これは、CO 2}と比較したファイバーの主な利点の 1 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代が削減されます。
• 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する必要はなく、ランプを交換する必要もありません。
• 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する能力。
• 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。^[15]

レーザーを使用した切断方法にはさまざまな種類があり、さまざまな材料を切断するためにさまざまな種類が使用されます。方法には、気化、メルト アンド ブロー、メルト ブロー アンド バーン、熱応力亀裂、スクライビング、​​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。キーホールにより吸収率が急激に上昇し、穴が急速に深くなります。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、噴出物が吹き出し、穴がさらに大きくなります。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。

メルト アンド ブローまたはフュージョン カッティングでは、高圧ガスを使用して溶融材料をカッティング領域から吹き飛ばすため、電力要件が大幅に削減されます。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り口から吹き飛ばすため、材料の温度をそれ以上上げる必要がありません。このプロセスで切断される材料は通常、金属です。

脆い材料は熱破壊に特に敏感で、この特徴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が起こります。その結果、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 のオーダーで移動できます。これは通常、ガラスの切断に使用されます。

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、パルスNd:YAG レーザーを使用して実行され、その波長 (1064 nm) はシリコンの電子バンド ギャップ(1.11 eVまたは 1117 nm) によく適合しています。

反応切断は、「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 1 mm を超える厚さの炭素鋼の切断に使用されます。このプロセスを使用すると、比較的少ないレーザー出力で非常に厚い鋼板を切断できます。

レーザーカッターの位置決め精度は 10 マイクロメートル、再現性は 5 マイクロメートルです。^{[引用が必要]}

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 800 W で切断する場合、標準粗さ Rz は板厚 1 mm で 10 μm、3 mm で 20 μm、6 mm で 25 μm になります。

$${\displaystyle Rz={\frac {12.528\cdot S^{0.542}}{P^{0.528}\cdot V^{0.322}}}}$$

ここで、鋼板の厚さはmm、レーザー出力はkW（一部の新型レーザーカッターはレーザー出力が4kW）、切断速度はメートル/分です。^[16]${\displaystyle S=}$${\displaystyle P=}$${\displaystyle V=}$

このプロセスは、非常に厳密な公差を維持することが可能であり、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健全性は、公差能力に大きく関係しています。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 mm〜0.006 mm）の範囲です。^[13]

産業用レーザー切断機には、一般的に、移動材料システム、ハイブリッド システム、およびフライング オプティクス システムの 3 つの異なる構成があります。これらは、切断または処理する材料上でレーザー ビームを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。

移動材料レーザーには固定された切断ヘッドがあり、その下で材料を移動します。この方法では、レーザー ジェネレータからワークピースまでの距離が一定で、切断廃液を除去するポイントが 1 つあります。必要な光学系は少なくなりますが、ワークピースを移動する必要があります。このタイプのマシンは、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、1 つの軸 (通常は X 軸) に沿って移動するテーブルを備え、ヘッドは短い軸 (Y) に沿って移動します。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経路の長さが一定になり、ビーム伝送システムが簡素化されます。これにより、伝送システムでの電力損失が減り、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高くなります。

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）を特徴としています。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、材料を固定する必要がありません。移動する質量は一定であるため、ワークピースのサイズが変わっ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、薄いワークピースを切断するときに有利です。^[17]

フライング光学機械では、近距離場（共振器に近い）の切断から遠距離場（共振器から遠い）の切断までのビーム長の変化を考慮するために何らかの方法を使用する必要があります。これを制御する一般的な方法には、コリメーション、適応光学、または一定のビーム長軸の使用などがあります。

5 軸および 6 軸マシンでは、成形されたワークピースの切断も可能です。さらに、適切な焦点距離とノズルのスタンドオフを維持しながら、レーザー ビームを成形されたワークピースに向けるさまざまな方法があります。

短時間に高出力のエネルギーバーストを提供する パルスレーザーは、一部のレーザー切断プロセス、特にピアシングや、非常に小さな穴や非常に遅い切断速度が必要な場合に非常に効果的です。これは、一定のレーザービームを使用すると、切断されるピース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、一連のパルスペアを使用して、材料除去率と穴の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番目のパルスは噴出物が穴の側面または切断面に付着するのを防ぎます。^[18]

レーザー切断の主な欠点は、消費電力が高いことです。産業用レーザーの効率は5%から45%の範囲です。^[19]特定のレーザーの消費電力と効率は、出力電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、レーザーが手元の作業にどれだけ適合しているかによって異なります。特定の作業に必要なレーザー切断電力、つまり熱入力は、材料の種類、厚さ、使用するプロセス（反応性/不活性）、および必要な切断速度によって異なります。

最大切断速度（生産速度）は、レーザー出力、材料の厚さ、プロセスの種類（反応性または不活性）、材料の特性など、いくつか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）では、厚さ0.51～13mmの炭素鋼を切断できます。多くの用途において、レーザーは標準的な鋸よりも最大30倍高速です。^[21]

• ジョアン・ブロンバーグ (1991)。アメリカのレーザー、1950 ～ 1970 年。 MITプレス。 p. 202.ISBN​ 978-0-262-02318-4。
• オバーグ、エリック、ジョーンズ、フランクリン D.、ホートン、ホルブルック L.、リフェル、ヘンリー H. (2004)。機械ハンドブック(第 27 版)。ニューヨーク、NY: インダストリアル プレス社。ISBN 978-0-8311-2700-8。
• Todd, Robert H.; Allen, Dell K.; Alting, Leo (1994)。製造プロセスリファレンスガイド。Industrial Press Inc. ISBN 0-8311-3049-0。