レーザー切断を利用した技術です。レーザ材料を蒸発させて切断面を生じさせます。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、愛好家でも使用されています。レーザ切断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方向付けることによって機能します。のレーザー光学系そしてCNC（コンピューター数値制御）レーザービームを材料に照射するために使用されます。材料を切断する商用レーザーは、モーション コントロール システムを使用して CNC またはGコード材料にカットするパターンの。集束されたレーザービームが材料に向けられると、材料は溶解、燃焼、蒸発するか、ガスのジェットによって吹き飛ばされます。 高品質な表面仕上げでエッジを残します。
歴史
1965 年に、最初の量産レーザー切断機が使用されました。ドリル穴ダイヤモンド 死ぬ。この機械を作ったのは、西部電気工学研究センター。1967 年、英国は金属のレーザー支援酸素ジェット切断の先駆者となりました。1970 年代初頭に、この技術は航空宇宙用途でチタンを切断するために製品化されました。同時にCO2レーザーは、次のような非金属の切断に適応されました。織物、なぜなら、当時、CO2レーザーはそれを克服するほど強力ではありませんでした熱伝導率金属の。
プロセス
レーザービームは通常、高品質レンズを使用して作業ゾーンに集束されます。のビームの質集束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の直径は、一般に 0.0125 インチ (0.32 mm) 未満です。素材の厚みにもよりますが、カーフ0.004 インチ (0.10 mm) ほどの小さな幅も可能です。 端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ッシングが行われます。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を開けます。厚さ 13 mm (0.5 インチ) の場合、約 5 ～ 15 秒かかります。ステンレス鋼、 例えば。
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) の範囲にあります。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され、強化されて、非常に強力なレーザー ビームが生成されます。輪郭切断時に可能な限り滑らかな仕上げを達成するために、ビームの方向分極化輪郭のあるワークピースの周囲を回りながら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。
レーザーカットオーバーのメリット機械的切断これには、ワークの保持が容易になり、ワークピースの汚染が軽減されることが含まれます（材料によって汚染されたり、材料が汚染され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、精度が向上する可能性があります。また、レーザーシステムには小さな寸法があるため、切断中の材料が歪む可能性も低くなります。熱影響地域。一部の材料は、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正確で、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。より高い出力 (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機械は、厚い材料を切断する能力においてプラズマ機械に近づいていますが、そのような機械の資本コストは、従来のレーザー切断機の資本コストよりもはるかに高くなります。鋼板などの厚い材料を切断できるプラズマ切断機。
種類
レーザー切断で使用されるレーザーには主に 3 種類があります。のCO2レーザ切断、穴あけ、彫刻に適しています。のネオジム(Nd) および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 はボーリングや高エネルギーが必要とされるが繰り返し回数が少ない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穴あけや彫刻に使用されます。どちらもCO2Nd/Nd:YAG レーザーは次の用途に使用できます。溶接。
CO2レーザーは通常、ガス混合物に電流を流す (DC 励起) か、高周波エネルギー (RF 励起) を使用することによって「励起」されます。のRF方式は新しくなり、より人気が高まっています。DC 設計ではキャビティ内に電極が必要なため、電極の浸食や電極材料のメッキが発生する可能性があります。ガラス製品そして光学。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、人工木材、ワックス、布地、紙などの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の切断やスクライビングに使用されます。
電源に加えて、ガス流の種類もパフォーマンスに影響を与える可能性があります。COの一般的な変異体2レーザーには、高速軸流、低速軸流、横流、およびスラブが含まれます。高速軸流共振器では、二酸化炭素、ヘリウム、窒素の混合物がタービンまたはブロワーによって高速で循環されます。横流レーザーは混合ガスを低速で循環させるため、より単純なブロワーが必要になります。スラブまたは拡散冷却共振器には静的ガス場があり、加圧やガラス製品が不要なため、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る場合があります。水は一般的に使用される冷却剤で、通常はチラーまたは熱伝達システムを通して循環されます。
あレーザーマイクロジェットウォータージェット誘導ですレーザ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ます。これは、光ファイバーと同様に、ウォーター ジェットを使用して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。この利点は、水によって破片が除去され、材料が冷却されることです。従来の「ドライ」レーザー切断に勝る追加の利点は、ダイシング速度が速く、平行であることです。カーフ、全方向切断。
ファイバーレーザーは、金属切断業界で急速に成長している固体レーザーの一種です。COとは異なります2, ファイバー技術では、気体や液体ではなく、固体の利得媒体を利用します。「シード レーザー」はレーザー ビームを生成し、ガラス ファイバー内で増幅されます。波長がわずか 1064 ナノメートルのファイバー レーザーは、非常に小さなスポット サイズ (CO レーザーと比較して最大 100 分の 1) を生成します。2) 反射する金属材料の切断に最適です。これは、CO と比較したファイバーの主な利点の 1 つです。2。
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。
- 効率の向上により、エネルギー消費と請求額が削減されます。
- 信頼性とパフォーマンスの向上 - 光学系の調整や位置合わせ、ランプの交換が不要です。
- 最小限のメンテナンス。
- 銅や真鍮などの高反射材料の加工能力
- 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。
メソッド
レーザーを使用した切断方法は数多くあり、材料の切断に応じて異なるタイプが使用されます。方法としては、蒸発、メルト アンド ブロー、メルト ブロー アンド バーン、熱応力亀裂、スクライビング、冷間切断、燃焼安定化レーザー切断などがあります。
気化切断
蒸発切断では、集束ビームが材料の表面を引火点まで加熱し、キーホールを生成します。鍵穴は突然の増加につながります吸収性早速穴を深くしていきます。穴が深くなり、材料が沸騰すると、発生した蒸気が溶融壁を侵食し、噴出物が噴出し、穴がさらに拡大します。木材、カーボン、熱硬化性プラスチックなどの不溶性材料は通常、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溶融した材料を切断領域から吹き飛ばし、所要電力を大幅に削減します。まず、材料が融点まで加熱され、次にガスジェットが溶融した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なくなります。このプロセスで切断される材料は通常金属です。
熱応力亀裂
脆性材料は、熱応力亀裂で悪用される熱破壊に特に敏感です。ビームは表面に集中し、局所的な加熱と熱膨張を引き起こします。これにより亀裂が生じますが、ビームを動かすことで亀裂を導くことができます。亀裂はm/sオーダーで移動可能です。主に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
の分離マイクロエレクトロニクスで準備されたチップ半導体デバイスの製造からシリコンウェーハパルスで動作する、いわゆるステルスダイシングプロセスによって実行される場合があります。Nd:YAGレーザー、その波長 (1064 nm) は電子機器によく適応しています。バンドギャップのケイ素(1.11eVまたは1117nm）。
リアクティブ切断
リアクティブ切断は、「燃焼安定化レーザーガス切断」や「フレーム切断」とも呼ばれます。反応性切断は酸素トーチ切断に似ていますが、点火源としてレーザービームを使用します。主に厚さ1mm以上の炭素鋼の切断に使用されます。このプロセスを使用すると、比較的少ないレーザー出力で非常に厚い鋼板を切断できます。