試作人基礎講座

こんにちわ！
さて、本日はレーザー加工について、記事を書いていきたいと思います！
製造業に携わっている方であれば当たり前のことかもしれないですが、お付き合いください♪

レーザー加工とは

　

レーザー加工とは、レーザー光線を使って加工する事を言います。
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事が可能になりました。
金属や木材だけでなく、柔らかくて加工しづ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、今ではいろいろな業種に導入されています。

レーザー加工の特徴

レーザー加工は、レーザー光のエネルギーを熱に変えて工作物を溶かして加工します。
その特徴は、
①バイトやエンドミルといった切削工具が不要
②工作物に力が加わらないので、変形が生じない
③工作物の発熱が少ないので、熱ひづみが少ない
④ダイヤモンドなど硬度を問わず加工できる
⑤レーザー光の軌跡をプログラムで自由に設計できる
⑥切り代が少ないので、材料の歩留まりに優れる
⑦複雑な形状や微小な加工も問題なくできる
と多くのメリットがあります。
ただし反射率の高い純アルミや純銅は加工に適しません。

レーザー加工による除去

レーザー加工は板金の切断に広く使われています。
切断形状をプログラムで容易に設定できることが長所です。
1枚の板を無駄なく使うために、切断形状を最適な位置に配置します。
ただし、加工できる厚みには限界があり、加工機の性能にもよりますが、鉄鋼材料で厚み12ｍｍ前後が目安です。
また超微細な穴加工にも向いています。
たとえば厚み0.1ｍｍの金属板に直径Φ0.01ｍｍの穴あけも可能です。
マーキングは工作物の表面に印字を行います。
微細な文字や記号を明確に書けるため、製品表面への規格刻印などに使われています。

レーザー加工のメリット

①作業に手間がかからない

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だと、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代わりにパソコンで形をつくるため、一度作った後はデータを入力するだけで加工・生産が出来ます。
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。

②仕上げがきれい

レーザー加工機を使えば加工後の処理に手間がかかりません。
バリや返りの発生を抑えることが出来るので、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出来ます。

③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。
ですが、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出来るかもしれません。

④精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事が可能となりました。
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、曲線をたどった切断でもレーザーなら安定して加工することが出来ます。
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できるので、非常に便利な加工法となってきています。

⑤メンテナンスに手間がかからない

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かかりません。
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、刃物などにつかないため、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

①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ます。
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っていくのです。

②厚板の素材は加工しづらい

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るのです。
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ます。
なので、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るということです。

③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だとうま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ので、当然と言えば当然です。
ですが近年になって、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ことでしょう。

④コストが高い

特に不思議なことも意外なことでもないですが、レーザー加工機は性能がいい反面、値段は高いです。
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。
工業製品といえど精密機械です。
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なりません。

レーザー加工の種類

CO2レーザー

3種類あるレーザー加工機のうち、最も使用されているレーザー加工機です。
名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るので、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、今後の進展次第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。

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