レーザー切断は、製造および設計部門に大きな影響を与えた革新的な技術の 1 つです。さらに、レーザー切断の正確性と適応性により、自動車、宝飾品、建設部門など、他の多くの業界でも使用されています。この革新的な技術の長所と短所について議論する前に、レーザー切断とは何か、そしてそれが業界でなぜそれほど重要なのかを理解することが重要です。レーザー切断は職場の生産性と精度を向上させることができるので、その用途と限界について一緒に探っていきましょう。
レーザーカッターの使用説明書
今日、容易に利用できるレーザー技術は、金属加工を含むさまざまな用途に使用されています。したがって、この方法は、ステンレス鋼などの硬い金属からアルミニウムなどの柔らかい金属まで、幅広い切断に使用されています。
この技術が広く採用されているのは、現在最もコスト効率が高く革新的な切断方法であるためです。レーザー技術の発展により、材料切断の品質と効率が向上しました。現在、3 つの主要なレーザー切断技術はよく理解されています。レーザー切断には、溶融、酸素、蒸発の 3 つの種類があります。
レーザーカッターの微調整
最近では、さまざまな材料をレーザーで切断するために、ユーザーに合わせてカスタマイズされたハイテク機器が使用されています。機械の設定を事前に調整しておくと、切断時に最適なパフォーマンスとコスト効率が確保されます。すべての産業用レーザーはコンピュータ数値制御 (CNC) 技術で駆動されるため、微調整は簡単です。レーザー カッターのオペレーターは、切断ヘッドの前後移動と、切断される金属やその他の材料の調整を担当します。さらに、複合的な動きを微調整する必要がある場合があります。
一般的な用法では、X と Y はそれぞれ金属と混合モーションを表し、Z はレーザー ヘッド モーションを表します。これらの方法にはそれぞれ長所と短所があります。レーザー ヘッドは、切断プロセス中に静止しており、スライスされる材料が移動します。ただし、混合モーションでは、レーザー ヘッドとスライスされる材料が関係します。最後の種類の切断では、切断される材料は静止しており、レーザー ヘッドが移動します。これは、「レーザー ヘッドの移動」と呼ばれます。これは、切断の最も速い方法でもあります。
最新のレーザー切断技術
今日、レーザー切断は、材料加工部門で最も利用しやすく、コスト効率の高い技術の 1 つとして広く認識されています。定期的なメンテナンスと機器の最適化により、この技術は優れた結果を生み出すことができます。さらに、この技術で切断される最も一般的な材料は金属ですが、その用途は金属に限定されません。
レーザー切断は金属の切断に最もよく使用されますが、ガラス、プラスチック、木材などの切断にも適しています。他の多くの技術開発と同様に、レーザー切断プロセスは多面的であり、慎重に検討する価値があります。レーザー切断には利点がありますが、欠点もあります。場所によっては、レーザー切断が主要な切断方法になりますが、他の場所では、いくつかのオプションの 1 つになります。
レーザー切断はどのように機能しますか?
レーザー切断では、非常に集中した光線または放射線を利用して、小さな領域を急速に高温に加熱します。これにより、対象の材料が急速に溶解/蒸発し、スポットが材料の奥深くまで迅速かつ正確に浸透します。
ガスは熱源に向けられ、溶けた/気化した物質を吹き飛ばします。これにより切断底が露出し、さらに溶けて局所的に冷却され、切断を継続できます。より軽く反応性の高い金属の過度の酸化を防ぐため、ガスアシストでは窒素を使用します。一方、酸素アシストは、材料を局所的に酸化してスラグの除去を助け、溶けた/切断された材料の再付着を減らすことで、鋼の切断プロセスをスピードアップします。
レーザー カッターにはさまざまな設計があります。最も一般的な設計では、固定されたワークピースと、X 軸と Y 軸に沿って移動するレーザー オプティクス (ミラー) を使用します。一方、「固定オプティクス」配置では、ワークピースが移動してもレーザー ヘッドは静止したままになります。最後に、3 番目の戦略では、最初の 2 つの要素が組み合わされています。コンピューター制御のプログラミング システムは、3 つのアプローチすべてで 2D または 2.5D G コード パターンを実行し、完全に自動化された複雑な切断経路を生成します。
レーザーカッターを使用する利点
レーザー切断の多くの利点の中には次のものがあります。
- 素晴らしい精度です。
- 材料汚染がない。
- 処理時間が速い。
- 終わりのない 2D の複雑さ。
- 幅広い材質への適応性。
- さまざまな分野での有用性。
高精度
エネルギービームが狭く、材料とレーザー光学系を正確に動かすことができるため、極めて精密な切断が可能です。難しい素材や繊細な素材の基板でも、レーザー切断により、高い送り速度で複雑なデザインを実現できます。
物質汚染なし
ロータリーカッターを使用して材料を加工する場合、冷却剤を使用するのが一般的です。切断片は冷却剤で汚染される可能性があり、脱脂が必要になります。研削作業では、冷却剤または潤滑剤の使用が必要になる場合があります。研削ホイールの摩耗後に残る炭化粒子は、多くの完成品に危険をもたらします。ウォーターカッターを使用すると、ガーネットの粉塵も残ります。レーザー切断ではエネルギーとガスのみが使用されるため、材料が汚染されることはありません。
急速なペース
レーザー切断は、他のほとんどの製造方法よりもはるかに高速です。たとえば、12 kW の酸素補助レーザーは、バンドソーの約 10 倍、ワイヤー切断の 50 ～ 100 倍の速度で 40 mm の鋼板を切断できます。
2Dの複雑さは無限大
レーザーの適用エネルギーのホットスポットは非常に小さく、位置決めの G コード移動制御方法は非常に正確なので、複雑なデザインをカットすることが可能です。さらに、弱く付着した特徴は、力を必要とせずに本体から取り外すことができるため、プロセスの制限は、プロセス自体の能力ではなく、主に材料自体の制限になります。
さまざまな種類の素材
アクリルやその他のポリマー、軟鋼、ステンレス鋼、ハステロイ、チタン、タングステンは、技術の適応性のおかげで、レーザー切断を使用して効率的にスライスできる多くの材料のほんの一部です。技術が進歩するにつれて、この適応性は高まるばかりです。たとえば、炭素繊維強化複合材を切断するには、繊維と接着剤の両方に適合した周波数のレーザーが必要です。
レーザー切断の欠点
レーザー切断には、厚さの制限、有毒ガスや煙、過剰なエネルギー消費、初期費用の高さなど、いくつかの欠点があります。
特定の材料の厚さ制限
一般的なレーザー カッターは、6 キロワットの電力レベルで動作します。最大 12 mm の厚さの金属しか切断できません (速度 10 mm/秒)。切断の物理的限界を達成するには、最大かつ最も強力な装置が必要です。ただし、同じ制約がウォータージェット切断やワイヤー放電切断にも適用されます。これら 3 つの方法はすべて、他の方法よりも迅速に、より深い切断を実現します。
有毒ガスと蒸気
実際、多くの金属やその他の材料を切断しても有毒ガスは放出されませんが、多くのポリマーや特定の金属は放出されます。たとえば、PTFE やその他のフッ素ポリマーは高温に加熱されるとホスゲンガス (人体や環境に有毒) を放出します。したがって、これらのコンポーネントを真空中で処理することは選択肢になりません。
大量のエネルギー投入が必要
他の種類の切断器具と比較すると、レーザー切断機のエネルギー消費率ははるかに高いです。たとえば、3 軸 CNC マシンで 40 ミリメートルの鋼板ブランクを切断する場合、同じ製品をレーザーで切断する場合の約 10 分の 1 のエネルギーしか消費しません。レーザー カッターが作業を完了するのに 1 分かかるのに対し、CNC では 20 分かかる場合、レーザー カッターは全体として半分のエネルギーしか消費しません。この点では、各コンポーネントは独自のプロファイルを持っているため、違いを分析することは難しい場合があります。
初期費用
レーザー切断機の定価は大きく異なります。最初に発生する費用には次のものが含まれます。
- 鋼板の厚さが最大 10 mm で、処理能力が中程度の軽い用途に適した定格出力 1 ～ 3 kW の機械は、わずか 2,500 ドルで購入できます。
- 6～10kW の高出力マシンの価格は 10,500 ドルからで、人気メーカーの高容量モデルでは 155,000 ドルまで上がります。これらのマシンは、より深い切断深度とより高速な処理が可能です。
- これは、8,500 ドルで購入できる基本的な 3 軸 CNC マシニング センター、または 24,500 ドルで購入できる同様のグレードの 5 軸 CNC の価格と同等で、ハイエンド モデルでは 265,000 ドル以上かかります。
レーザー切断ビジネスを始めるには、設備とトレーニングに多額の先行投資が必要です。しかし、Xometry のようなレーザー切断サービスを利用すれば、驚くほど手頃な費用で済みます。
レーザーカット以外の方法
レーザー切断の他に、プラズマ切断、ワイヤー切断、コンピュータ数値制御加工、ウォータージェット切断もあります。
プラズマ切断
プラズマ切断は、放電加工 (EDM) と同様に、アークを使用して材料をそのベースから切断します。ただし、この場合、電極は過熱されたガスプラズマストリームに吊り下げられ、アークを誘導して溶融材料を切り込みから排出します。金属の切断に関しては、プラズマカッターとレーザーカッターは非常に似ています。プラズマ切断は、船舶や建築プロジェクト用の大型鋼部品の準備など、重い材料や粗い処理にも適しています。ただし、レーザー切断と比較すると、この方法はクリーン度が低く、見栄えの良い作品にするには通常、切断後の徹底的なクリーンアップが必要です。
ウォータージェット切断
ウォータージェットによる切断は、小型の機械だけで、さまざまな材料を正確に切断できます。使用されるガーネット研磨材は、処理される材料の大部分よりもはるかに硬いですが、最も硬いワークピースでは依然として困難が伴います。より厚く硬い材料を切断する場合、レーザー切断はウォータージェットよりも優れています。ただし、ウォータージェットとレーザー切断は、どちらも高品質の切断片を生成し、さまざまな材料に使用でき、切断幅が狭いという点で同等です。
コンピュータ数値制御加工
材料のシートから部品を取り出すための最も伝統的な技術の 1 つが CNC 加工です。精密部品を迅速かつ確実に、高い再現性で製造できるため、レーザー切断に匹敵します。ただし、CNC 切断はレーザー切断よりもセットアップに時間と労力がかかります。スループットと容量が低く、手作業による介入が増えることに加えて、CNC の利点も少なくなります。ただし、通常はコストが高くなりますが、同様の品質を実現できます。回転する切断ツールを使用すると、切断する材料にかかる力が大きくなり、局所的な加熱が増加する可能性があります。CNC 処理の主な利点は、複雑な 3D デザインへの適応性と、部分的な深さの切断 (完全ではなく) を実行できることです。
レーザー切断と安全性
レーザーカッターは、レーザーの高出力により、非常に正確に彫刻や切断を行うことができます。ただし、火災の危険性に加えて、レーザーカッターは有毒または刺激性の燃焼副産物を生成する可能性があります。さらに、レーザーカッター内の高出力レーザーが漏れると、ユーザーの目や皮膚に損傷を与える可能性があります。
レーザー カッターを購入するときは、「エア アシスト」モデルを入手してください。この機能はオプションですが、火災安全のためには不可欠です。
安全な運用のためのベストプラクティス
- レーザー カッターを操作する前に、必ず経験豊富な専門家から適切なトレーニングを受けてください。レーザー カッターの使用に関する文書化されたプロトコルがあると便利です。
- レーザーカッターを操作する前に、必ず製造元の指示を参照してください。
- ユーザー名、時間、スライスした材料など、レーザーカッター使用状況の記録を保持します。
- 万が一に備えて、レーザーカッター近くの壁に消火器を設置してください。
- レーザーカッターの切断デッキと内部空洞を定期的に掃除することで、火災を防ぐことができます。
- 危険なしに切断できる材料を特定します。PVC などの一部の材料からは塩化水素ガスが生成され、非常に有害です。
- レーザーカッターが作動している間は絶対にその場を離れないでください。
- 木材の近くにレーザーカッターを設置する場合は注意してください。
- レーザーのパルスレートを調整して火災防止と切断精度を最適化する方法を学びます。
- カッターのレーザー安全機能は絶対に無効にしないでください。無効にすると、レーザー カッターのビームが漏れる可能性があります。
結論
レーザー切断は、製造業やデザイン業界など、多くの業界に革命をもたらした最先端技術です。レーザー切断は、最も効率的で斬新な切断プロセスであるだけでなく、溶解、酸素、蒸発の 3 つの異なる種類があります。レーザー カッターを最大限に活用し、コストを削減するには、微調整が不可欠です。定期的なメンテナンスと最適化により、最先端レーザー技術は材料加工業界で最も手頃なオプションの 1 つになります。レーザー切断は、集中した光線または放射線で小さな領域を極度の温度に急速に加熱する複数のステップから成る手順です。
熱源にガスを吹き付けると、溶融/気化した物質が除去されます。レーザー カッターにはさまざまな構成があり、固定作業台と往復レーザー光学系 (ミラー) を備えたものもあります。レーザー カッターの利点には、精度、清潔さ、速度、さまざまな材料を処理できる能力、適応性、さまざまな分野にわたる汎用性などがあります。アクリル、軟鋼、ステンレス鋼、ハステロイ、チタン、タングステンなどの材料は、レーザー切断の精度と速度にはかないません。厚さの制約、有毒ガスや煙、高エネルギー要件、高額な初期費用などは、欠点の一部にすぎません。
レーザー切断を使用すると、繊細な模様や細部を損傷することなく、硬い素材を簡単に切断できます。素材の厚さの制限、有毒ガスや煙の排出、過剰なエネルギー消費、高額な初期費用などは、レーザー切断の欠点の一部にすぎません。レーザーで鋼板のブランクを切断することは一般的な方法ですが、機械と専門知識に多額の初期投資が必要です。その他のオプションには、プラズマ切断、ワイヤー切断、CNC 加工、ウォータージェット切断などがあります。ウォータージェット切断では、ガーネット研磨剤を使用して厚くて硬い素材を切断しますが、プラズマ切断ではアークを使用して素材をベースから引き裂きます。
厚くて硬い材料を切断する場合、レーザー切断はウォータージェットよりも優れています。高品質、多用途、切り口が小さいなど、ウォータージェットとレーザー切断には多くの共通点があります。従来の CNC 加工は利点が少ないものの、同等の結果が得られますが、価格は高くなります。レーザー切断では、オペレーターが怪我をしないように特別な注意が必要です。燃焼の残留物は有毒または刺激性があり、目や皮膚に入ると火傷の原因となる可能性があります。レーザー カッターが切断中は絶対に目を離さないでください。また、レーザーのパルス レートを調整する方法と使用状況の記録を取る方法も知っておく必要があります。
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