レーザー切断機の説明:詳細ガイド

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発行日 5月 15, 2024

I.はじめに

1960年代にレーザー切断機が発明されて以来、その用途は自動車、航空宇宙、エレクトロニクス、その他の産業に広がっている。

例えば、自動車製造では、レーザー切断技術は、効率と精度を向上させるために、ボディパネル、シャーシ、排気システムなどの部品を製造するために使用されます。航空宇宙産業では、この技術はその優れた性能により、航空機の表皮、翼、エンジンブレードなどの主要部品の製造において極めて重要な役割を果たしている。

この記事では、レーザー切断機の動作原理、基本的なコンポーネント、適用可能な材料、利点とアプリケーションは、このゲームを変える技術を深く紹介するように。

II.レーザー切断機の仕組み

レーザー切断機の魅力的な能力を楽しんでいただくために、短いビデオをご紹介しよう:

動作原理

レーザー切断機は、高出力・高密度のレーザー光をワーク表面に照射し、材料を溶融・蒸発・化学反応させる。

一般に、レーザー切断は4つの部分に分けられる:

  • レーザー光が照射されると、材料表面は急速に熱を吸収する。
  • 温度が融点を超えた材料は溶け始め、メルトプールを形成する。
  • 温度が上昇すると、材料は蒸発して蒸気を形成し、溶けた材料は蒸気の反動と高速切断気流の作用で吹き飛ばされる。
  • レーザー光線は切断経路に沿って移動し、材料に連続した細いスリットを形成する。こうして切断工程が終了する。

基本コンポーネント

通常、レーザー切断機には以下の部品が含まれている:

  • レーザー
  • 光学システム
  • カッティングヘッド
  • CNC制御システム
  • アシストシステム
レーザーカッターの仕組み

レーザー:

高出力・高品質のレーザービームを提供する光源として、レーザーにはCO2レーザーやファイバーレーザーが一般的である。

レーザー光源

レーザー光源

光学システム:

反射ミラー、フォーカスレンズ、その他のコンポーネントを含むこのシステムは、レーザービームをワーク表面に正確に集光する。

カッティングヘッド:

レーザービームと切断ガスを同軸上に出力し、ワークとの相対的な動きと位置を制御する。

カッティングヘッド

カッティングヘッド

CNC制御システム:

カッティングヘッドの移動経路と速度を制御し、自動的にカッティングを行う。

CNC制御システム

CNC制御システム

アシストシステム:

冷却システム、排煙システム、ガス供給システムなどが含まれ、安定した高効率運転を保証する。

これらのコンポーネントの中で、コアファクターとしてのレーザーは、直接切断品質と効率を決定します。高効率と品質の美徳によって、これらの魔法のマシンは、レーザー切断技術の開発と産業の発展を後押しし、工業生産の視野を拡大しています。

レーザー切断工程のステップ・バイ・ステップ

を取る。 ファイバーレーザー切断機 を例に挙げる:

レーザー切断機
  • 切断するワークを作業台に置き、材料の種類や厚さに応じて、レーザー出力、切断速度、空気圧などの切断パラメータを設定する。
  • レーザーを作動させると、レーザービームは光ファイバーを通って伝送され、コリメートミラーで平行化され、集光レンズで集光され、ノズルから放出される。
  • 切断ヘッドは、CNC制御システムの制御の下で、ワークピースに対して二次元的に移動し、レーザービームの焦点の高出力密度が材料を溶かし、蒸発させる。
  • 酸素や窒素などの切断ガスは、ノズルから急速に噴射され、溶融した材料を吹き飛ばし、滑らかな切断を行う。
  • カッティングヘッドは、設計された経路と速度に従って移動し、ワークピースに必要な幾何学的形状を切り出す。
  • 切断終了後、レーザーの電源を切り、圧縮空気で切断ヘッドや光学部品から埃や飛沫を吹き飛ばし、次回に備える。

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レーザー切断は、レーザー、光学システム、CNC制御システム、冷却システム、およびその他のコンポーネントを伴う複雑なプロセスであることは明らかである。同時に、切断パラメータの設定は、加工材料、厚さ、幾何学的パターンおよび他の要因に基づいている必要があります。

その動作原理と制御パラメータを理解してこそ、レーザー切断機の高効率、高精度、柔軟な品質を十分に活用することができる。

III.レーザー切断機の種類

レーザーの種類によって、レーザー切断機は大きく3つに分けられる:CO2レーザー切断機、 ファイバーレーザー切断機 およびYAGレーザー切断機。

機械によって加工原理、適用素材、切断性能は異なる。その秘密を解き明かそう。

 レーザーカッター

CO2レーザーカッター

最も広く応用されているレーザー切断機の1つで、CO2ガスを作動物質として採用し、エネルギーによって活性化され、波長10.6μmの赤外線ビームを生成する。

その上、CO2レーザーは非金属の吸収に優れているので、木材、アクリル、ガラス、紙、布、プラスチック、皮革に適している。

CO2レーザーカッターの長所

  • 幅広い用途;非金属の切断厚さは最大60mmに達する。
  • 狭いスリット、小さな熱影響部、高品質の切断面。
  • 高品質のレーザービーム、一貫した安定した出力。
CO2レーザーカッター

CO2レーザーカッターの短所:

  • 金属切断、特に反射率の高い材料には適さない。
  • 厚板切断における切断速度と効率の低下
  • 複雑な光学システムで、定期的なメンテナンスと校正が必要。
  • 電気-光変換率が10~15%しかなく、エネルギー消費が大きい。

ファイバーレーザーカッター

希土類元素をドープした光ファイバーを利得媒質とするファイバーレーザーカッターは、半導体レーザーダイオードによって励起され、波長1.06~1.07μmの近赤外光ビームを発生する。

この帯域のレーザーは、金属に対する吸収率が極めて高い。したがって、ファイバーレーザー切断機は、特にステンレス鋼、炭素鋼、アルミニウム、銅などの金属材料の切断に使用されます。

ULFTファイバーレーザー切断機

ULFTファイバーレーザー切断機

ファイバーレーザーカッターの長所:

  • シンプルな光路による光ファイバー伝送は、メンテナンスが不要である。
  • 高出力・高密度の小さな集光スポットが高効率を実現。
  • 電気と光の変換率は30~50%に達し、省エネで環境にも優しい。
  • ソリッドステート設計、コンパクトサイズ、高信頼性
  • アルミニウム、銅、真鍮など、高反射率で加工できる素材。

ファイバーレーザーカッターの金属材料の切断速度は、CO2レーザーカッターに比べ2~3倍で、材料の反射率の影響を受けにくい。しかし、金属以外の切断には限界があり、コストも高い。

YAGレーザーカッター

YAGレーザー切断機は、ネオジムイオン(Nd3+)をドープしたイットリウム・アルミニウム・ガーネット(YAG)結晶をベースにした固体レーザー切断機の一種である。YAGレーザーの加工波長はファイバーレーザーに近く、1.06μm程度であるため、主に金属切断にも使用されている。

YAGレーザーカッター

YAGレーザーカッターの長所:

  • 低コストで高い費用対効果
  • アルミニウムや銅など、反射率の高い素材を使用する。
  • 高品質のレーザービームが完璧な切断効果を生み出す。
  • 低出力で、主に薄板切断の厚さと速度性能の切断に使用されます。

CO2レーザーカッターの短所:

  • ポンプダイオードと水晶振動子はどちらも消耗品で、耐用年数は短い。
  • 光電変換効率は低く、一般に3%未満である。
  • ファイバーレーザーカッターと比較すると、パワーに限界があり、切断厚みや切断速度も劣る。
  • 複雑な構造で維持費が高い。

比較

その前に、ビデオをご覧いただきたい!

レーザー切断機の種類
比較CO2レーザー切断機ファイバーレーザー切断機YAGレーザー切断機
アクティブ・ミディアムCO2ガス希土類ドープファイバーNdドープYAG結晶
出力波長10.6μm1.06μm1.06μm
適切な素材木材、アクリル、ガラス、紙、布、プラスチック、皮革など、主に非金属。主に金属、特に反射率の高い素材。主にアルミニウム、銅、その他の非鉄金属を切断。
切断厚さ<12mmが好ましい、厚板は低速切断<12mm、薄板の切断速度はCO2の2-3倍低出力、8mm以下のシートの切断にのみ適しています。
ビーム品質スポットサイズが大きく、大面積の切断には適さない。優れた、小さなスポットサイズ、高電力密度は、高精度の切断を達成することができます。高精度の切断が可能
切断精度ミディアム高い高い
切断速度ミディアムCO2の数倍の速さファイバーより遅く、CO2より速い
電気光学効率10-15%上記 30%3-5%
消費電力高い低、CO2の約1/4繊維より高い
メンテナンス費用高い、光学部品やRFチューブは頻繁に交換が必要基本的にメンテナンスフリーミディアム、ポンプソースは定期的な交換が必要
設備費高い、約35万~100万元中型、約20万~60万元低価格、成熟した技術、約10万~30万元
営業費用高い、時給約20元低、時給約4元繊維より高い
アプリケーション産業広告装飾、衣服加工、木工家具、工芸品など。主に自動車製造、電子機器、精密機械などの金属加工。金属彫刻およびマーキング、非金属薄板切断

まとめると、CO2レーザー切断機は非金属の切断に適しており、ファイバーレーザー切断機は金属の切断に適している。

ユーザーは、上記の要因に基づいて選択を吟味する必要がある。技術の進歩により、ファイバーレーザー切断機はCO2レーザー切断機に取って代わり、より多くの分野で主流になると予想される。

VI.業界を超えたアプリケーション

高精度で効率的な加工ツールとして、レーザー切断機は多くの分野で使用されている。この記事では、自動車、航空宇宙、エレクトロニクス、医療産業におけるレーザー切断機の用途を紹介する。

自動車

レーザー切断機
  • 精密部品

レーザー切断機は、主に自動車産業の精密部品製造に使用され、精密部品の切断効率と表面品質を確保することができます。例えば、車両のブレーキパッドや他のコア部品は、その性能と安全性を確保するために、高精度の切断が必要です。

  • 内装部品

内装部品加工もレーザー切断機で実現できる。内装部品は通常、複雑で高品質な表面加工を必要とするが、レーザー切断機はその柔軟性と精度によって対応することができる。さらに、レーザー切断機は、さまざまな顧客の要求を満たすためにカスタマイズされた設計サービスを提供することができる。

航空宇宙

レーザー切断機
  • 機体部品

航空宇宙分野では、レーザー切断機は、製品の重量と強度に高い要求がある機体部品の製造に使用できる。レーザー切断機は、その高品質な切断と小さな熱影響部により、材料の性能が影響を受けないようにすることができます。

  • エンジン部品

エンジン部品はレーザー切断機で製造できる。これらの部品は一般的に高精度と複雑な幾何学パターンを必要とする。その要件は、高精度と高速でレーザー切断機によって満たすことができます。

また、チタン合金やニッケル基合金など、機械では難しい加工もレーザーカッターなら可能な素材もある。

エレクトロニクス

レーザー切断機
  • 回路基板

レーザー切断機は主に回路基板の切断に使用される。電子機器の主要部品である回路基板は、その製造精度と品質が電子機器の寿命と性能を直接決定するため、レーザー切断機は回路基板の高効率製造を可能にする。

  • エンクロージャーとヒートシンク

ヒートシンクは複雑なパターンと高品質な表面加工が要求されるが、レーザー切断機はその高い精度と柔軟性によって要求に応えることができる。さらに、レーザー切断機はラジエーターの複雑な構造を扱うことができ、放熱性能を高めることができます。

メディカル

レーザー切断機
  • インプラント

レーザー切断機は主に、人工関節や歯科用インプラントなど、医療業界のあらゆる種類のインプラントに使用されている。また、生体適合材料から複雑なパターンや形状を切断し、インプラントの正確な適合と患者との絶妙な一体化を実現します。

  • 手術器具

レーザー切断機は、手術器具を製造するために使用することができます。レーザー切断機の高品質と速度は、手術器具の要件を満たし、その性能と信頼性を確保することができます。さらに、カスタマイズされた設計は、様々な手術の要件を満たすことができます。

V.結論

本稿では、レーザーカッターの動作原理、基本構成部品、3種類のレーザーカッターの違い、用途について詳しく解説する。レーザーカッターは、その高い精度、スピード、品質により、将来の製造市場をリードしていくだろう。

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