【レーザー加工】原理や種類、メリット・デメリット

レーザー加工とは

 

レーザー加工とは、言葉そのままにレーザー光線を使って加工することです。レーザーを使って金属や木材などを切断したり穴あけして製品を作っていく、プレス加工や穴あけ加工と同じ金属加工の一種です。レーザー加工機を使うことによって、もともと手作業で加工していた商品や材料を大量に素早く加工することが可能になりました。金属や木材だけでなく、柔らかくて加工しずらいゴム素材や布地にも文字や記号を記す表面処理がしやすくなったりと、レーザー加工が普及したことによって加工できる幅が格段に広がりました。手作業では難しい複雑な加工も容易にできるようになり、工業以外の分野でも注目され、研究が進んでいます。今ではいろいろな業種に導入されており、いろいろな業種の一つに、加工とは違いますが近年では医療でもレーザーの導入が進んでいます。手術時に出血を抑えるためにレーザーメスを使ったり、虫歯にレーザーをあてて治療したりと、日々、金属加工や日常生活で活躍しています。

レーザー加工の原理

レーザーと聞くと、やはり皆さんは高熱で高火力を想像するでしょうか。テレビやゲームで目にするレーザーは一瞬触れただけでも体が溶けたり、レーザーの光を振り回すと瞬時に周りの建物や金属が切断されたりする光景が多いですね。それを想像すると、確かにテレビのレーザー光線は超がつくほどの高熱を放っていることになります。実際、金属加工用のレーザーに触れると大変なことになってしまいます。金属ですら瞬時に切断したり穴をあけたりするので、人体を通せば触れた部分は一瞬でどうにかなってしまうほどの威力が出いてます。恐ろしく危険なので、レーザー加工機を扱う際はメンテナンスの時を含め重々注意が必要です。

  • 光の波と熱の振動

レーザー加工の原理は波と振動によって成り立ちます。レーザーの威力ですが、なぜ光に金属を溶かすほどの威力があるのかと言うと、それは光の波を合わせているためです。普通、光というと太陽光や電灯のようにあらゆる方面に光が発せられ、さらに光の色が何色も合わさっています。太陽光や電灯の光の色は白いですが、白く見える理由はいくつもの光が合わさっているためなんですね。絵具は何色も混ぜることにより黒くなる性質を持ちますが、光は何色も混ざることにより白く見えるように人間の目はできているのです。

引用元:マーキング学習塾

太陽光などの白い光は何色もあるため、光の波が合いません。しかし、レーザーの光は一点集中しており、しかも単色なので光の波がそろっているのです。上の画像のように、波長や山と谷がそろっている光をレーザー加工機内部にあるレンズに通すと、密度の高い光ができあがり、威力が格段に増すのです。分かりやすく例をあげると、ホースから出る水を散水ノズルで細くすると、水が出る勢いが増す感じです。ホースの水を細くして強力にする散水ノズルが、レーザー加工機でいうレンズの役割にあたります。加工機の中を通ってきた光を集光レンズで細く絞ることで光を集中させ、威力を格段にあげて素材を溶かします。金属や木材などの材料にレーザー光を当てることにより、材料の原子や分子が振動すると急激な発熱が起こります。そうして溶かした金属をアシストエアーで瞬時に飛ばして、穴をあけた部分をきれいにしていきながら材料を掘り進めていきます。

レーザー加工機の仕組み

レーザー加工機は、大きく分けると3つの系統で構成されています。系統ごとに多くの制御パラメータが関連しており、加工目的によって最適化して使われています。それぞれの系統について詳しく説明します。

レーザー発振器系

レーザー発振器は、光を発振する装置です。励起光と呼ばれる光をレーザー媒体に照射し、媒体特有の波長を発生させた後、共振器に当てることで増幅させてレーザー光を発振するメカニズムになっています。レーザー加工時に最初に検討される装置のひとつで、以下の検討条件をひとつずつ決定していくことになります。

主な検討条件
  • 出力
  • 波長
  • パルス幅
  • 発振モード(連続派・パルス派)

切断用の熱源には、CO2レーザーの他、YAGレーザーやYLFレーザー、Ybレーザーなどが用いられ、加工する材料や板の厚み、求められる加工精度によって異なるレーザー光の波長、出力が選ばれます。

加工光学系

加工光学系は、レーザー発振器から発生したレーザー光を集めて、テーブルに照射する装置です。レーザー発振器からレーザー光を送り出す「光路」と、伝送されたレーザー光を集めて対象に照射する「集光系」の2つで構成されています。レーザ加工に使われている光学系の種類は、大まかに分けると次の4つです。

集光光学系(固定光学系)

レーザ発振器から出力されたレーザ光を、集光レンズを使って集めて加工するタイプ。最も基本的な光学系のひとつで広範囲の加工に適している

スキャニング光学系

ガルバノスキャナー(ヘッド部内のミラーが動くタイプの装置)、f-θレンズ(レーザービームを2次元走査させるレンズ)で構成される光学系。走査型とも呼ばれ、レーザーマーキング(刻印・彫刻)や溶接のリモートヘッドなどに多い

結像光学系

マスクパターン、面発光を行う光源像を対象材料に転写できる光学系で、パターン(模様)を一括加工する時などに使用

特殊光学系

  1. 屈折型光学系(非球面レンズを利用)、回折光学素子利用タイプ(レーザー光をターゲット上で回折させて光の干渉パターンを作る)など特殊なタイプで、装置自体は受注生産が多い
  2. 求められるレーザー発振器の特徴や、加工に求められる精度、技術などに合わせて、適切な光学系を選んで使用します。

加工物質系

加工物質系とは、対象物を固定するためのテーブル及び加工物を指します。レーザー加工における加工物の性質は仕上がりを決める重要な要素です。反射率や吸収率、透過率といった加工物の光学的な性質、熱的性能なども仕上がりに影響します。

照射位置を移動しながら加工する場合、集光系あるいはテーブル、またはその両方を動かす必要があり、それらを制御する駆動システムが必要です。精密な加工を行う際、テーブル送りのスピードも細かく調節します。高出力レーザー加工機であれば問題ありませんが、低出力タイプでは適切な速度設定が必須です。

レーザーカット加工による影響【材質別】

複雑な部材や、微細な部分への加工を得意とするレーザー加工では、材質によって注意すべき点があります。レーザーカット加工が加工対象に及ぼす影響について、材質別に解説していきます。

鉄は、加工しやすく入手性も良く、広範囲に用いられる一般的な金属です。ごく薄い薄板から数十mmの厚板まで豊富に板厚が揃っており、幅広い用途で使用されます。塗装やメッキ、表面処理鋼板などを使うことで、鉄のデメリットである錆びやすさをカバーできます。

引用元:astamuse

加工すると図に示す通り、レーザー加工特有の現象で、穴がテーパー状になります。テーパーとは、加工面がすり鉢状になっている状態です。厚板になるほど入口と出口の差が広がる傾向があります。この差をなくすためには、ドリルやリーマーなどを使った追加工が必要です。
また、金属板金の打ち抜き加工によく使われるタレットパンチプレスに比べると、熱による変形や反りが出る恐れも出てきます。

ステンレス

ステンレスは、英語で錆びにくい鋼という意味の「Stainless Steel」です。耐食性や耐熱性、加工性に優れており、キッチン用品から建築材料、医療機械器具、航空機部材まで、あらゆる分野で採用されています。100%リサイクルが可能なため、サステナビリティや環境への配慮への関心が高まっている現在、非常に注目されている材質です。鉄と同じように、レーザー加工を利用することで穴がテーパーになる可能性が高く、厚板になるほど穴の入口と出口の差が出やすくなります。こうした差を埋めるために、ドリルやリーマによる追加工が必要です。また、熱による変形や反りが、タレットパンチプレスよりも出やすい点も同様に注意する必要があります。

アルミニウム

アルミニウムは鉄に比べて比重が35%ほどと軽量な金属です。軟性、展延性が高く、溶接性、耐食性、熱伝導性も優れているなど、加工に向いている材質として幅広い業界で使用されています。アルミニウムは反射率が高すぎるため、レーザー加工に向かないケースがほとんどです。また、鉄やステンレスに比べて、加工後に裏面に尖ったバリができやすいので、後処理が必要です。レーザー加工機特有の穴のテーパーや、熱による変形や反りについては、鉄、ステンレスと同様に対応が発生します。

鉄と較べて熱伝導率が高い銅のレーザー加工では、反りや変形、腐食が起こりやすい点に注意が必要です。また、銅は反射率が高いためレーザーが反射することによって機械に支障が出る恐れがあること、銅自体が高額なので失敗した際の損害が大きくなることなどから、実際に加工できる業者が限られてきます。出力を抑えながら切断する、フルスピードにはしない、細かな配慮をするなど、高度な技術を持ち合わせた業者であれば、高品質な仕上がりが可能です。

レーザー加工のメリット

レーザー加工の原理が何となくわかったところで、次はメリットの解説に移ります。レーザー加工のメリットは大雑把に以下の通りです。

・仕上がりが早い

・仕上がりがきれい

・加工の自由度が高い

・難度の高い加工が可能

・メンテナンスに手間が掛からない

作業に手間が掛からない

レーザー加工は金型を使う必要がありません。基本的に金属の加工には金型と呼ばれる「元の型」が必要になります。元の型は他の加工方法ですと、製品を早く均一に大量生産するために必須で、種類も様々あります。しかし、レーザー加工では金型の変わりにパソコンで形を作るため、一度作った後はデータを入力するだけで加工・生産ができるのです。金型を使わないため加工途中の金型交換の手間が省けて作業効率が良くなります。

仕上がりがきれい

レーザー加工機を使えば加工後の処理に手間が掛かりません。バリやカエリの発生を抑えることができるので、切断面がきれいに仕上がります。加工の際に起こりえる歪みやひび割れのリスクもなくすことができ、安定した品質を保つことができます。従来までの加工方法では必要だった後処理の手間を省けことも特徴です。

加工の自由度が高い

加工できる素材の幅が広いのもレーザー加工のメリットです。他の方法では硬すぎる金属や柔らかすぎる布地でも、素材によってレンズや照射の出力を変えることで問題なく加工できます。熱で変形してしまうような薄版の素材でもレーザー加工なら大丈夫です。また、穴あけや切削以外にも溶接や熱処理、製品に文字を入れ込むマーキングなど様々な加工が可能です。いろいろな製品を作るには、従来では複数の加工方法を取り入れる必要がありました。将来的にはレーザー加工だけですべての素材や加工方法を実現することができるかもしれません。

難度の高い加工が可能

レーザー加工の台頭により、複雑かつ精密な形でも比較的容易に加工することが可能になりました。レーザーの光が細いので、他の加工機器では穴あけが出来ないような細かく小さな場所でも正確にでき、曲線を辿った切断でもレーザーなら安定して加工することができます。複雑な絵柄を描いたり、錆びにくさを向上させるなど製品の様々な表面改善もレーザー加工で出来るので、非常に便利な加工法となってきています。工業分野の人手が足りない今の時代、できるだけ簡単に、誰にでも品質が安定した製品を作るには、レーザー加工はうってつけと言えるのではないでしょうか。

メンテナンスに手間が掛からない

レーザー加工では材料と工具が接触しないので、刃物や研削盤などを消耗することがなくメンテナンスに手間が掛かりません。メンテナンスで必要なのはレンズをきれいにしたり、アシストエアーを清掃したりする程度なので交換作業も必要ありません。また、加工時に材料を切った後の粉塵が発生せず、刃物などに付かないため、除去する手間も省けて作業も楽になります。金属加工ではこういったメンテナンスの時間を割くことで生産効率を上げていくことも重要でしょう。

レーザー加工のデメリット

レーザー加工の意外な弱点についていくつか説明います。

加工速度が遅い

切削加工やプレス加工と比べると加工速度に劣る面があります。多彩な加工方法を持ち合わせるレーザー加工ですが、速度重視で見るとやや不利な傾向があり、金属加工にはレーザー加工以外にも早くて精度が高い加工方法がたくさんあるので、必要に応じて適材適所の板金機械を使う必要があります。

厚板の素材は加工しずらい

レーザー加工には適切な焦点距離というものがあり、レーザーの光が集中している箇所があります。その焦点距離の範囲でないとエネルギー密度が低下して素材が溶かせなくなります。レーザーは真下に向かっているように見えて、実は光線同士が交わっているということです。つまり、この焦点の位置から遠ざかってしまうとレーザーの威力が弱まって加工できなくなります。下に向けられているレーザーが作業台や床を貫通しないのは、このような仕組みの為です。

反射率の高い素材は加工できない

アルミや銅など反射率が高いとされている素材は、古いタイプのレーザー加工機ですと上手く加工できないことが多いです。レーザーの光を弾いてしまっては材料に熱が伝わらないからです。しかし、近年になって、反射率が高い素材でも加工できるレーザー加工機が登場しています。これを機に、これまでレーザーではできなかった素材も、これからどんどん加工できるようになっていくでしょう。

コストが高い

特に不思議なことも意外なこともないですが、性能がいい反面、値段は相応でレーザー加工機は値段が高いです。消耗品や維持費にもけっこうな費用が掛かり、電気代やガス代などの光熱費に加えて、焦点レンズやミラーには定期的に交換が必要です。工業製品と言えど精密機械です。大切に扱いながら、稼働時間やランニングコストにも注視しながら活用していかねばいけません。

レーザー加工の種類

レーザー加工のレーザーには、金属加工用として一般的に使われているもので3種類のレーザーがあります。3種類とも特徴に違いがあり、用途も違うので、その違いを重点的に説明していきます。

CO2レーザー

3種類のうち最も使用されているレーザー加工機ですね。前にあるように二酸化炭素を利用しているガスレーザータイプの加工機です。金属、木材、ゴム、ガラスなどほとんどの素材に適応できます。活用の幅に加え値段も他2種類の加工機よりも安く、CO2レーザーが主流になるのも納得の性能です。ただし弱点として、アルミや銅など反射が強い金属には不向きとなっています。

ファイバーレーザー

ここ数年の間に開発された新しいレーザー加工機です。CO2レーザーには向かない銅やアルミなどの難溶接材や反射が強い金属の加工ができ、新しく出ただけあってCO2レーザーの弱点を補う特徴を持っています。加工機自体は高いものの、レーザーガスがいらなかったり、エネルギー効率が良かったりとランニングコストが安く抑えられます。近年出始めたばかりで本体価格も高いため、まだまだ普及していませんが、今後の進展しだいでは主流になりえるかもしれません。

YAGレーザー

金属の加工以外に医療でも使われるレーザーです。金属加工では主に溶接とマーキングに使われ、溶接では薄い素材でも変形や歪みがなくきれいに仕上げることができ、溶接スピードも早くできます。マーキングとは簡単に言うと出来上がった製品に文字や記号を書くことです。YAGレーザーはあらゆる素材に精密かつ高速で写し出すことができます。医療では歯や目の治療に使われています。そんな高性能なYAGレーザー加工機ですが、CO2レーザーと比較すると値段やランニングコストが高くついてしまい、そこがネックと言えるでしょう。

参考記事

【レーザー加工】原理や種類、メリット・デメリットを専門家が紹介!! | 金属加工の見積りサイトMitsuri(ミツリ) (mitsu-ri.net)