I.はじめに
レーザー切断機は、高出力のレーザー光線を利用して被加工物を正確に切断する機械の一種です。
コンピューターによって制御されたレーザー光線は、表面の小さな領域に焦点を合わせて材料を溶かし、蒸発させ、高圧ガスで吹き飛ばすことができる。こうして切断が終了する。レーザーカッターは、高速、高精度、高効率のため、製造業で広く使用されている。
パーソナル・レーザー切断機は、DIY愛好家や小規模製造業者にかつてない利便性と創造的な可能性を提供する。
技術の発展に伴い、DIYレーザーカッターは経済的なソリューションとして役立っている。ユーザーがレーザー切断機を選んで作ることができるため、参入の敷居が低くなるだけでなく、個人や小規模の企業でも機械による技術革新や生産が可能になる。
一般的に言って、レーザー切断機は、その高い精度と効率、および幅広いアプリケーションによって、現代の製造業における地位を確保している。個人用レーザーカッターの発明は、レーザーカッターを趣味とする人々や小規模な企業に新たな機会をもたらしている。
経済的なレーザー切断機は、技術革新と生産のための強力なツールとして登場した。
II.レーザー切断機を理解する
レーザーカッターの仕組み
その前に、抽象的な概念を直感的に理解するために、ビデオをご覧いただきたい。
ビデオを見終わったら、さらに深く掘り下げて専門的なことを学んでみよう。レーザー切断機は、高密度のパワーを利用してワークの表面に焦点を合わせる。そのため、表面の温度は溶融点と蒸発点まで急上昇する。こうして切断が完了する。
切断中、CNCシステムによって制御された切断ヘッドは、設計されたパテに沿って移動し、同時に切断ガスは、切断シルトを形成するように溶融物を吹き飛ばすためにノズルから噴霧されます。
レーザーカッターは、熱影響部が小さく、シルトの幅が狭く、高品質の切断が可能で、一種の非接触切断法である。
レーザーカッターの種類
レーザーカッターは、異なる基準に従って異なるカテゴリに分けることができます。この記事では、主にレーザーの種類、構造、切断材料、レーザー出力の側面について説明します。
1.レーザーの種類によって分類される：
(1) CO2レーザー切断機：
レーザー媒質としてCO2ガスを使用し、電流励起によってレーザーを発生させる。CO2レーザーカッターは、木材、プラスチック、アクリルなどの非金属材料に適しており、金属も切断できる。波長は約10.6μm。
(2) ファイバーレーザー切断 のマシンがある：
レーザー媒質として希土類元素をドープした光ファイバーを使用する。レーザーはダイオード励起によって発生する。ファイバーレーザーカッターは、主に炭素鋼、ステンレス鋼、アルミニウム合金などの金属切断に使用されます。ファイバーレーザーの波長は1.06μmで、比較的高い電気-光伝送と切断速度を有する。
(3) YAGレーザー切断機：
固体レーザー光源を使用し、レーザー媒質は一般的にネオジムドープイットリウムアルミニウムガーネット（Nd：YAG）である。この機械は主に金属材料の切断に使用され、特に薄い金属板の加工に適している。
2.構造による分類：
(1) ガントリー型レーザー切断機：
切断中、レーザーは固定され、ワークピースは移動する。大きな材料や重工業に適しています。
(2) カンチレバーレーザー切断機：
この種のマシンでは、レーザーヘッドは一端に固定されており、マシンは小型または中型のワークピースに適しています。
(3) ロボットアームレーザー切断機：
この機械はロボットアームを使用してレーザー切断を行う。複雑な切断や立体的な切断に適している。
3.切断材料による分類：
(1) 金属レーザー切断機：
ステンレス鋼や炭素鋼など、複数の金属の切断に適している。
(2) 非金属レーザー切断機：
木材、プラスチック、紙、その他の非金属を切断する。
4.レーザー出力による分類：
(1）低出力レーザー切断機：
低出力レーザー切断機は、薄い材料や要求の低い切断アプリケーションに適しています。
(2) 中出力レーザー切断機：
中厚材の切断に最適な機械で、切断速度と設備コストのバランスが取れている。
(3）ハイパワーレーザー切断機：
厚い材料に使用され、大量ロット生産の要求に応えることができる。
主要コンポーネント（レーザー光源、制御システム、モーションシステム、カッティングベッド）
1.レーザー光源：
レーザー切断機の中核部品であるレーザー光源は、異なる媒質に応じてレーザーを発生させる。CO2レーザー切断機はCO2ガスを使用し、ファイバーレーザー切断機はドープファイバーを使用し、結晶レーザー切断機はd：YAGとNd：YVOを使用する。
2.制御システム：
レーザー切断機の心臓部である制御システムは、ユーザーから入力された切断指示やパターンを受け付け、レーザー光源の出力やモーションシステムの動きを制御して正確な切断を実現する。制御システムには、CNC制御システムと専用ソフトウェアが含まれる。
3.モーションシステム：
モーションシステムには、サーボモーター、ガイドレール、伝動装置などが含まれる。これは、設計された経路に沿って移動するように切断ヘッドを駆動します。モーションシステムの精度と安定性は、直接切断品質と効率を決定します。
4.カッティングベッド：
レーザー切断機の作業エリアとして、切断ベッドは被加工物の廃棄と固定に使用される。切断ベッドのサイズは、材料のサイズや重量、切断時の安定性など、多くの要素を考慮する必要があります。
以上のことから、レーザー切断機の種類と主要部品が、その性能、用途、切断品質を決定する。したがって、適切な機械とその構成部品を理解することが、高精度で高品質な切断の役割を果たすことになる。
III.DIYレーザーカッターの計画
DIYレーザーカッターの自作を計画する際には、明確な要求、計算された予算、レーザー光源と出力、切断面積、機械のサイズなど、多くの要素を考慮する必要がある。
お客様のご要望とご予算をお聞かせください。
まず、カッティングのニーズを明確にすること。これが最初のステップだ。どのような材料を切断するのか、その厚さはどうなのか。さらに、希望する機械の切断精度と速度も重要です。
これらの要件に基づいて、必要な部品、材料、余分なツールやソフトウェアを組み込んだ合理的な予算範囲を決定する。
レーザーカッターの設計を選択する（ガントリー、ベルト駆動、ラック＆ピニオン）
DIYレーザーカッターの3つの主要な種類は、ガントリー、ベルト駆動、ラックアンドピニオンレーザーカッターです。
ガントリーデザイン構造は安定性があり、大規模な切断作業に適している。ベルトドライブシステムはコストが低く、設置が簡単で、軽量で中精度の作業に適している。ギアラックドライブは精度と速度が高く、精密な切断に適している。
お客様のご要望とご予算に応じて、最適なタイプをお選びいただければと思います。
適切なレーザー光源と出力を選択する
レーザー光源は、切断性能とコストを直接決定する。一般的なレーザー光源には、CO2レーザー、ファイバーレーザー、ダイオードレーザーなどがある。CO2レーザーカッターは非金属切断に適しており、ファイバーレーザーは金属切断を扱うことができます。ファイバー光源を選択する際には、レーザー出力を考慮する必要があります。出力が高ければ高いほど、切断速度は速くなり、材料の厚みに対応できるようになる。
レーザーの出力と光源は、主な切断材料と予算に基づいて選択する必要があります。
切断面積と機械の大きさを考慮する。
裁断面積の大きさは機械の物理的な大きさを決定し、保管場所や作業スペースの要件にも影響します。したがって、適切な機械を選択するために、最大切断面積を決定する必要があります。切断面積が大きいほど、精度を確保するためにより強力なレーザー光源が必要になります。
上記のステップに従って、DIYレーザー切断機を計画し、計画的に設計して、家庭やワークショップで創造的な生産を行うことができます。
IV.素材と部品の収集
レーザー光源（CO2レーザー管、ダイオードレーザーモジュール）
CO2レーザー管 は、レーザー切断機で最も一般的に使用される光源で、出力範囲は一般に20～180W、波長は10.6μmである。木、アクリル、布などの非金属材料の切断に適している。CO2レーザー管の寿命は比較的長いが、サイズが大きく、水冷が必要である。
ダイオードレーザーモジュール は近年急速に発展し、出力は40Wに達し、波長は445～455nmである。CO2レーザー管よりも安価で小型、空冷も可能だ。しかし、薄い材料の切断にしか適しておらず、速度もCO2レーザー管より遅い。
モーション・コントロール・システム
モーター は、X方向とY方向のレーザーヘッドの動きを正確に制御できる駆動装置として一般的に使用されている。
ミラーとレンズ
反射ミラー は、CO2レーザーの透過方向を変えるために使用されます。一般的な材料はシリコンや銅で、表面は金メッキされており、波長10.6μmのレーザーで99%以上の反射率を達成しています。
フォーカシングレンズ レンズは、レーザービームを切断する材料の表面の一点に集中させるもので、セレン化亜鉛が一般的に使用される材料である。レンズの焦点距離は一般的に2～5インチ、口径は18～25mm^3です。ダイオード・レーザーは一般的にミラーを必要とせず、集光レンズのみが必要です。
安全エンクロージャーと換気
切断の際には、粉塵や有毒ガスが発生する。そのため、排ガスを大気中に排出するための換気装置が必要になります。しかし、排気装置の風量は切断幅の大きさに合わせる必要があることに注意する必要があります。
レーザー切断機は、レーザーが目や皮膚を傷つけないように、保護カバーを装備する必要があります。ガラスやアクリルなどのカバー材は、加工波長のレーザーを遮断することができる。455nm青色ダイオードレーザーの保護要件は、10.6μm CO2レーザーの保護要件よりも低い。
全体として、CO2レーザー管は切断速度が速く、生産ロットに適しているが、コストが高く、スタンドのメンテナンスが必要である。一方、ダイオードレーザーモジュールは安価で持ち運びが可能だが、切断性能に限界があるため、小ロットの生産や薄い材料の切断に適しており、レーザー切断機を趣味とする人たちに好まれている。
V.ステップ・バイ・ステップのビルド・プロセス
1.フレーム構造
マシンフレームを作る：
- 安定したフレームを構築するためにアルミニウムのプロファイルまたはスチール材を使用し、すべてのコンポーネントが平行かつ垂直であることを確認する。
- ムーブシステム、カッティングベッド、その他のパーツを置くスペースを確保する必要がある。
ガントリーまたはモーションシステムの組み立て：
- 通常、ベルトドライブまたはスクリュードライブを使用して、フレームにY軸モーションシステムとY軸モーションシステムを取り付けます。
- ベルトの張力またはスクリューナットを調整し、スタッタリングや停滞のない安定した運転を確保する必要があります。
- Z軸の移動精度を確保するために、リードスクリューまたはボールスクリューを使用します。
カッティングベッドの設置：
- ワークピースを支えるために、フレームの下部にハニカムカッティングベッドを設置する。
- ベッドはレーザーヘッドに対して水平かつ垂直に保たれ、その高さは調整可能でなければならない。
2.レーザーと光学系のセットアップ
レーザー光源の取り付け
- CO2レーザー管とダイオードレーザーモジュールをフレームに固定する。長持ちさせるために、放熱と耐衝撃に注意しなければならない。
- 高圧エネルギー源または駆動エネルギー源を接続し、ワイヤーが正しく接続され、絶縁されていることを確認する。
ミラーとレンズの位置合わせ
- レーザー出射口には反射ミラーを設置する。その角度は、レーザービームが垂直に射出されるように調整されるべきである。
- 焦点レンズは切断ヘッドに取り付けられ、焦点距離を調節してレーザービームを材料表面に集光させる。
- 継続的な微調整によって光路を最適化し、切断性能を向上させることができる。
水冷の接続（該当する場合）：
- CO2レーザー管に水冷システムを装備し、入水管と戻り水管に接続する。
- 冷却水が漏れることなく健全かつ円滑に循環するよう、水路の接続がしっかりと閉じているかを確認する。
3.エレクトロニクスと配線
ステッピングモーターとリミットスイッチの配線：
- モーターはX軸、Y軸、Z軸に配線され、正しく接続される。
- 運動軸の両端にリミットスイッチを取り付け、レーザーヘッド間の衝突を防ぐために制御ボードに接続する。
レーザー制御ボードの接続
- レーザー制御ボード、電源、ドライバーを接続し、それぞれのタイプに応じて適切な接続方法を選択する。
- 他の部品を燃やさないよう、信号が正しく伝達されるよう、ワイヤーの接続を注意深くチェックしてください。
電源と非常停止を設定する：
- レーザー、制御ボード、モーターに電力を供給するために、適切な電源を接続する。
- 緊急時にエネルギー源を遮断し、安全を保証する緊急停止スイッチを装備する。
4.ソフトウェア構成
制御ソフトウェアのインストールと設定
- コントロールボードのタイプに応じて、互換性のあるコントロールソフトウェアを選択する必要があります。
- ソフトウェアの設定に従って、レーザー出力、速度、および切断パラメータを設定します。
レーザーカッターのキャリブレーション：
- レーザーヘッドと切断ベッドの相対位置を調整し、正確な焦点合わせを行います。
- キャリブレーションプログラムを実行し、X、Y、Z方向のモーション精度と再現性をチェックする。
テストカットを行う：
- 木材やアクリルなどの試験材料を用意し、カッティングベッドに固定する。
- 簡単な切断パターンをデザインし、レーザー切断機に送ってテストしてください。円形でも正方形でも構いません。
- 切断結果を評価し、切断パラメータを最適化して実際の切断に備える。
上で説明した手順に従って、レーザー切断機を自作することができる。面白いと思いませんか？今回紹介した手順や注意点に従うことで、レーザー加工機に関する知識を学びながら、レーザー加工機に対する理解が深まると思います。それでは早速、一緒にレーザー加工機を自作してみましょう。
VI.結論
この記事の冒頭では、レーザー切断機の定義、動作原理、詳細な分類について詳しく説明し、この機械を理解し、以下の内容の理解度を高める助けとする。
この記事の主な焦点は、レーザー切断機を作るための部品の準備と製造工程です。私の記事を読んでいただければ、レーザー切断機の作り方について、より深く理解していただけると思います。
弊社ADHマシンツールは、レーザー切断機に関する豊富な科学的知識を持ち、専門性の高いオペレーターを擁しています。レーザー加工機、機械部品の販売を行っております。
レーザー切断機を自作する必要がある場合は、以下を参照してください。 製品ページ コンポーネントを購入する。お気軽に 連絡先他に質問があれば、いつでもどうぞ。
