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気化させ、切断端を生成する技術です。通常は工業製造用途に使用されますが、現在では学校、中小企業、建築、愛好家によって使用されています。レーザー切断は、最も一般的には光学系を介して高出力レーザーの出力を誘導することによって機能します。レーザー光学系と CNC (コンピューター数値制御) を使用して、レーザー ビームを材料に向けます。材料を切断するための商用レーザーは、モーション コントロール システムを使用して、材料に切断されるパターンの CNC または G コードに従います。集束されたレーザー ビームは材料に向けられ、材料は溶融、燃焼、気化するか、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、最初の生産用レーザー切断機がダイヤモンド ダイの穴あけに使用されました。このマシンは、ウェスタン エレクトリック エンジニアリング リサーチ センターによって作成されました。[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拓しました。[4]1970 年代初頭、この技術は航空宇宙用途向けのチタンを切断するために生産されました。同時に、CO2 レーザーは、金属の熱伝導率を克服するほど強力ではなかったため、織物などの非金属を切断するように適応されました.[5]

プロセス

CNC インターフェースを介してプログラムされた切断命令による鋼の工業用レーザー切断
レーザービームは、通常、高品質のレンズを使用してワークゾーンに焦点を合わせます。ビームの質は集光スポットサイズに直接影響します。集束ビームの最も狭い部分は、通常、直径が 0.0125 インチ (0.32 mm) 未満です。材料の厚さにもよりますが、カーフ幅は 0.004 インチ (0.10 mm) まで小さくすることができます [6]。エッジ以外の場所からカットを開始できるようにするために、すべてのカットの前にピアスが行われます。ピアシングには通常、高出力のパルス レーザー ビームが使用され、材料にゆっくりと穴が開けられます。たとえば、厚さ 0.5 インチ (13 mm) のステンレス鋼の場合、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、多くの場合、直径が 0.06 ～ 0.08 インチ (1.5 ～ 2.0 mm) の範囲になります。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強化され、非常に強いレーザー ビームを生成します。輪郭切削中に可能な限り滑らかな仕上げを実現するには、輪郭加工されたワークピースの周囲をビームが周回する際に、ビームの偏光方向を回転させる必要があります。板金切断の場合、焦点距離は通常 1.5 ～ 3 インチ (38 ～ 76 mm) です [7]。

機械切断に対するレーザー切断の利点には、ワークの保持が容易であり、ワークピースの汚染が少ないことが含まれます (材料によって汚染されたり、材料を汚染する可能性のある刃先がないため)。プロセス中にレーザービームが摩耗しないため、精度が向上する場合があります。レーザーシステムは熱影響部が小さいため、切断される材料が反る可能性も低くなります[8]。一部の素材は、従来の方法では切断するのが非常に困難または不可能です。

金属のレーザー切断には、プラズマ切断よりも精度が高く[9]、板金を切断する際に使用するエネルギーが少ないという利点があります。ただし、ほとんどの産業用レーザーは、プラズマよりも厚い金属を切断することはできません。高出力 (初期のレーザー切断機の定格 1500 ワットとは対照的に 6000 ワット) で動作する新しいレーザー マシンは、厚い材料を切断する能力においてプラズマ マシンに近づきつつありますが、そのようなマシンの資本コストはプラズマよりもはるかに高くなります。鋼板のような厚い材料を切断できる切断機 [10]。
種類

4000 ワットの CO2 レーザー カッター
レーザー切断で使用されるレーザーには、主に 3 つのタイプがあります。CO2 レーザーは、切断、中ぐり、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 はボーリング加工や、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、ボーリングや彫刻に使用されます。CO2 レーザーと Nd/Nd:YAG レーザーの両方を溶接に使用できます [11]。

CO2 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、電極の浸食やガラス製品や光学部品の電極材料のめっき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。CO2 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、加工木材、ワックス、布地、紙など、多くの材料の工業用切断に使用されています。YAG レーザーは、主に金属やセラミックスの切断とスクライビングに使用されます [12]。

電源に加えて、ガス流の種類も性能に影響を与える可能性があります。CO2 レーザーの一般的なバリエーションには、高速軸流、低速軸流、横流、およびスラブがあります。高速軸流共振器では、二酸化炭素、ヘリウム、および窒素の混合物がタービンまたは送風機によって高速で循環されます。横流レーザーは、ガス混合物を低速で循環させるため、より単純な送風機が必要です。スラブまたは拡散冷却の共振器には、加圧やガラス製品を必要としない静的ガス フィールドがあり、交換用のタービンやガラス製品の節約につながります。

レーザー発生器と外部光学系 (フォーカス レンズを含む) には冷却が必要です。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、または直接空気に伝達されます。水は一般的に使用される冷却剤であり、通常はチラーまたは熱伝達システムを循環します。

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、光ファイバーのように内部全反射によってレーザー ビームを誘導しながら、レーザー切断機能を実行するために使用されます。これの利点は、水が破片を取り除き、材料を冷却することです。従来の「ドライ」レーザー切断に勝る追加の利点は、高速ダイシング、平行カーフ、全方向切断です。[13]

ファイバーレーザーは、金属切削業界で急速に成長している固体レーザーの一種です。CO2 とは異なり、ファイバー技術は気体や液体ではなく、固体のゲイン媒体を利用します。「シード レーザー」はレーザー ビームを生成し、グラス 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のファイバー レーザーは、非常に小さいスポット サイズ (CO2 と比較して最大 100 分の 1) を生成し、反射金属材料の切断に最適です。これは、CO2 と比較した繊維の主な利点の 1 つです。[14]

ファイバー レーザー カッターの利点は次のとおりです。

迅速な処理時間。
エネルギー消費と請求書の削減 - 効率の向上による。
信頼性と性能の向上 - 光学部品の調整や位置合わせは不要で、ランプの交換も不要です。
最小限のメンテナンス。
銅や真鍮などの高反射材料を処理する能力
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]。

メソッド
レーザーを使用した切断にはさまざまな方法があり、さまざまな材料を切断するために使用されるさまざまな種類があります。いくつかの方法には、気化、メルト アンド ブロー、メルト ブロー アンド バーン、熱応力割れ、スクライビング、​​コールド カット、およびバーニング安定化レーザー カットがあります。

気化切断
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、鍵穴を生成します。鍵穴は吸収力の急激な増加につながり、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、生成された蒸気が溶けた壁を侵食し、噴出して穴をさらに拡大します。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。
溶かして吹く
メルト アンド ブローまたはフュージョン切断では、高圧ガスを使用して切断領域から溶融材料を吹き飛ばし、所要電力を大幅に削減します。最初に材料が融点まで加熱され、次にガスジェットが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。

熱応力割れ
脆性材料は、熱応力亀裂で悪用される特徴である熱破壊に特に敏感です。ビームは表面に集束され、局所的な加熱と熱膨張を引き起こします。これにより、ビームを移動することで誘導できるクラックが発生します。き裂は m/s のオーダーで移動できます。通常、ガラスの切断に使用されます。

シリコンウェーハのステルスダイシング
詳細情報: ウエハーのダイシング
シリコンウェーハからの半導体デバイス製造で準備されるマイクロエレクトロニクスチップの分離は、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 レーザーで動作し、その波長 (1064 nm) は電子デバイスによく適合します。シリコンのバンドギャップ (1.11 eV または 1117 nm)。

リアクティブ切断
「燃焼安定レーザーガス切断」「火炎切断」とも呼ばれます。リアクティブ切断は酸素トーチ切断に似​​ていますが、着火源としてレーザー ビームを使用します。主に、厚さ 1 mm を超える炭素鋼の切断に使用されます。このプロセスは、比較的少ないレーザー出力で非常に厚い鋼板を切断するために使用できます。

公差と表面仕上げ
レーザー カッターの位置決め精度は 10 マイクロメートルで、再現性は 5 マイクロメートルです。[要出典]

標準粗さ Rz は板厚に応じて増加しますが、レーザー出力と切断速度に応じて減少します。レーザー出力800Wで低炭素鋼を切断する場合、標準粗さRzは板厚1mmで10μm、3mmで20μm、6mmで25μmです。

{\displaystyle Rz={\frac {12.528\cdot S^{0.542}}{P^{0.528}\cdot V^{0.322}}}{\displaystyle Rz={\frac {12.528\cdot S^{0.542 }}{P^{0.528}\cdot V^{0.322}}}}
{\displaystyle S=}S= 鋼板の厚さ (mm);{\displaystyle P=}P= kW 単位のレーザー出力 (一部の新しいレーザー カッターのレーザー出力は 4 kW);{\displaystyle V=}V= 切断速度 (メートル/分) [16]

このプロセスは、多くの場合 0.001 インチ (0.025 mm) 以内の非常に厳密な公差を保持することができます。部品の形状と機械の機械的健全性は、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 から 250 マイクロインチ (0.003 mm から 0.006 mm) の範囲です [11]。

マシン構成

デュアル パレット フライング オプティクス レーザー

フライングオプティクスレーザーヘッド
一般に、産業用レーザー切断機には、移動材料、ハイブリッド、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、レーザービームが切断または加工される材料上を移動する方法を指します。これらすべてについて、運動の軸は通常、X 軸と Y 軸で指定されます。カッティング ヘッドを制御できる場合は、Z 軸として指定します。

移動材料レーザーには固定切断ヘッドがあり、その下で材料を移動します。この方法では、レーザー発生器からワークピースまでの一定の距離と、切削廃液を除去する単一のポイントが提供されます。必要な光学部品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。このスタイルのマシンは、ビーム配信光学系が最も少ない傾向がありますが、最も遅い傾向もあります。

ハイブリッド レーザーは、1 つの軸 (通常は X 軸) で移動するテーブルを提供し、短い (Y) 軸に沿ってヘッドを移動します。これにより、フライング オプティクス マシンよりも一定のビーム配信経路長が得られ、より単純なビーム配信システムが可能になる場合があります。これにより、配信システムでの電力損失が減少し、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大きくなります。

フライング オプティクス レーザーは、固定テーブルと、ワークピース上を水平方向に移動する切断ヘッド (レーザー ビーム付き) を備えています。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静止させ、多くの場合、材料のクランプを必要としません。移動質量は一定であるため、ダイナミクスはワークピースのサイズの変化による影響を受けません。フライング オプティクス マシンは最速のタイプで、より薄いワークピースを切断する場合に有利です [17]。

フライング オプティクス マシンでは、ニア フィールド (共振器に近い) 切断からファー フィールド (共振器から遠く離れた) 切断までのビーム長の変化を考慮に入れるために、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、補償光学、または一定のビーム長軸の使用が含まれます。

 
5 軸および 6 軸の工作機械では、成形されたワークピースを切断することもできます。さらに、レーザービームを成形ワークピースに向けたり、適切な焦点距離とノズルスタンドオフを維持したりするさまざまな方法があります。

脈動
短時間で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、または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。熱は、カットされているピース全体を溶かすポイントに達する可能性があります.

ほとんどの産業用レーザーは、NC (数値制御) プログラム制御の下で CW (連続波) をパルス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、材料の除去率と穴の品質を向上させます。本質的に、最初のパルスは表面から物質を取り除き、2番目のパルスは噴出物が穴や切り傷の側面に付着するのを防ぎます.[18]

消費電力
レーザー切断の主な欠点は、消費電力が大きいことです。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、出力と動作パラメーター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。特定のジョブに必要なレーザー切断パワー (入熱量) は、材料の種類、厚さ、使用するプロセス (反応性/不活性)、および希望する切断速度によって異なります。