レーザー加工とは？その基礎知識と原理を解説

レーザー加工の基礎知識

レーザー加工について学ぶ前に、レーザーの基礎知識を身につけましょう。
レーザーは、光を増幅して強い光を出す装置です。レーザー加工では、レーザーの特性を利用して、素材を切断、溶接、マーキングすることができます。

レーザーの種類には、CO2レーザーやYAGレーザー、ファイバーレーザーなどがあり、それぞれのレーザーには、出力、波長、光の状態、発振器の種類など、特徴があります。また、レーザーの原理は、エネルギーの放出によるものです。

そして、レーザー加工には、素材の特性や加工の目的に応じて、適したレーザーを選定する必要があります。レーザー加工の中でも、切断にはCO2レーザー、溶接にはYAGレーザーが従来より広く利用されてきました。これらのレーザーにはそれぞれ、メリットやデメリットがありますので、レーザーの基礎を理解しておくことで、より効果的な加工ができるようになります。

レーザー加工の用途と役立ち

レーザー加工は、金属・非金属材料の加工に広く利用されています。レーザーマーカーをはじめとする様々な装置によって、切断、刻印、彫刻、溶接、接合などの様々な加工が可能です。高出力や高精度なレーザービームを使用することで、微細な加工や高品質の製品の生産が実現されます。

そして、レーザー加工の応用事例は多岐にわたります。例えば、製造業では自動車、航空機、電子機器などの部品加工や、機械加工における補正作業、高精度の微細加工などに使用されます。また、食品業界では、プラスチックやフィルムの切断や穴あけに使用され、高速で確実な加工が可能です。さらに、レーザーマーキングによって、製品やパッケージに必要な文字やコードの印字が行われます。

このようにレーザー加工は、様々な素材や製品に対応できるため、幅広い用途に役立ちます。近年は、レーザーを用いた３Dプリンタや、３Dスキャナを搭載したレーザーマーカーにより、、高速で精密な造形が可能になりました。また、省エネ化にも対応し、環境にも配慮された自動化システムが登場しています。レーザー加工技術の発展が進む中、様々な産業分野でその役割がますます期待されています。

レーザー加工の発展と進化

レーザー加工は、その高い精度とスピード、そして素材に対する影響が少ないことから、様々な分野で活用され、さらに新しい技術の開発によって進化しています。

例えば、NEDO（国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構）が関連するコンソーシアムによって、世界最高輝度の青色レーザーが開発され、半導体や材料の高速加工が可能になりました。また、大阪大学や東京大学、早稲田大学などの研究機関が、レーザーを利用した次世代技術の開発に着手しています。

さらに、レーザー加工には、省エネなどエネルギー効率の改善も求められています。新しい技術の開発によって、光と材料の均一な照射や、高出力のレーザーによる積層や複合素材の加工が可能になりました。これによって、高速かつ精密なレーザー加工が実現し、製品化やサービス展開に役立っています。

新しい技術の開発や研究開発によって、レーザー加工は今後も進化していくことが期待されています。そして、トレーサビリティ確保や高速加工、エネルギー効率の改善など、様々な分野でのニーズに対応し、ますます重要な役割を果たしていくことでしょう。

レーザー加工の種類と特性について

レーザー加工の種類

レーザー加工は、様々な種類のレーザーを使用して行われます。代表的な種類に、「CO2レーザー」、「YAGレーザー」、「ファイバーレーザー」などがあります。それぞれのレーザーには特徴があり、用途や加工材料によって選定する必要があります。

CO2レーザーは、波長10.6μmのガスレーザーで、金属加工には適さず、主に樹脂や板金などの非金属材料の加工に使用されます。
YAGレーザーは、波長1.06μmの固体レーザーで、金属加工に適し、切断や溶接などの用途で使われます。一方、ファイバーレーザーは、波長1.06μmの固体レーザーで、高い視認性やトレーサビリティが可能で、金属材料のマーキングや刻印に最適です。

また、レーザーは、レーザーマーカー、切断機、溶接機、マシニングセンターなどの機器に搭載されています。各機器には、選定するレーザーの種類や発振器の発振力、ヘッドの形状、反射率などが重要な要素となります。

レーザー加工の基礎知識から、それぞれのレーザーの特徴や選定のポイント、具体的な事例やメリット、課題や抑えるべき点など、多岐にわたる情報があります。適切なレーザー選定により、効率的で高品質な加工を実現しましょう。

レーザー加工の材料と適用例

レーザーカッターやレーザーマーカーを用いたレーザー加工は、アクリルや木材、金属板、プラスチック板など様々な素材に適用が可能です。これらの素材をレーザー加工することで、様々な製品を製作することができます。

例えば、アクリルをカットしたり彫刻したりすることで、ネームプレートやサインプレートなどの製品が作れます。

金属板をレーザー加工することで、金属製の看板やエンブレム、または刻印を施した製品が作れ、プラスチック板なら塗料を塗りレーザーでカットすることで、色付けされた透明な製品が作れます。

レーザー加工には、出力や波長などによって適したレーザーを選び、加工方法や機種、コストなどを考慮して導入することが必要です。

レーザー加工の制約事項

レーザー加工には材料の厚さや加工形状、照射時間などによる加工制約があります。特に、板金加工では板厚が薄く、歪みやすく、制約が大きい傾向にあります。

そこで、対策方法として、ファイバーレーザーやパルスレーザーを使用することで、歪みを軽減し、精度を向上させることが可能です。また、液晶や半導体などの電子機器製造では、特定の素子やキーコンポーネントの加工に必要な技術情報や熱処理などを事前に登録することで、加工制約に対応ができます。

さらに、レーザー加工システムには、流れやすい非鉄金属の加工や、磁気回路など高速で精密な加工が必要な場合にも対応できるよう、多様な装置や光学系がが搭載されます。また、業種によっては、容量や板厚、スポットサイズなどの要件が必要な場合もありますが、それらにも対応が可能です。

レーザー加工の特長は、切断や溶接など、多岐にわたるアプリケーションに利用できることです。加工制約に対応するために、専門知識や計測技術、マシンビジョンなどを活用し、製品の製造に必要なプロセスを確立していくことが重要です。

レーザー加工の可能性とメリット

レーザー加工の精度と可能性

レーザー加工は、素材の種類や設計の複雑さに関係なく、高精度な加工が可能です。レーザーは微細加工から大型部品まで、幅広い加工可能範囲を持ち、加工する素材も金属や樹脂、アクリルなど様々な材料に適用できます。

また、レーザー加工は機械工程が必要ないため、刃などが当たることによる曲げや歪みが発生せず、加工精度も高い特性を持ちます。加工する部品の形状やサイズ、板厚や長さなど、さまざまな次元に対応できる能力があり、レーザー加工によって部品の成形や形状を自由自在に調整することができます。

加えて、レーザー加工による切断や板金は、塗装や表面処理を必要としないため、時間や工程が短縮できます。レーザー加工は、今後もさらに高精度な加工や、大型部品や長尺部品の加工にも対応可能な技術として、ますます発展していくでしょう。

レーザー加工のメリット

レーザー加工は、材料を加工する方法の一つであり、製作工程を簡素化し、高速加工や非接触加工などの利点もあります。レーザーは、切断や彫刻、板金加工などの用途で利用されます。また、レーザーマーキングによる印字作業にも使用されます。

レーザーは、波長や種類によって、様々な波長の光を放出することが可能です。CO2レーザー、YAGレーザー、固体レーザーなど、各種レーザーが業界で使用されています。精密な加工が必要な場合は、高い集光力を持つレーザーを選定することが必要です。

薄板材料の溶接や切断などを高品質に行うことができます。また、表面処理や規格に沿った加工なども可能です。さらに、非接触加工であるため、素材の変形や損傷を防ぐことができます。

レーザー加工のデメリットとしては、エネルギー密度が高く、使用レーザーや条件によって、照射された箇所が溶融することがあるため、適切な実現方法が必要です。また、レーザービームの伝送には媒質が必要であり、樹脂やガラスなどによって異なる特性があります。

レーザー加工は、産業用において一般的に用いられる技術であり、金属や金型の加工から、微細加工やトレーサビリティを必要とする用途まで、各種の作業に利用されています。レーザー加工の基礎知識とさまざまな事例を理解することで、より効果的なレーザー加工の作業が可能になるでしょう。

レーザー加工の課題

レーザー加工では、加工時の放熱や煙の問題もあります。これらの課題に対しては、フィルターやヒューム集め装置の使用などの対策が必要です。

前にも述べた通り、レーザー加工は金属や樹脂などの様々な材料に対応可能であり、精度が非常に高いことが特徴です。ただし素材や対象物に応じて、適切なレーザーや加工条件を選定・設定することが必要です。

レーザー加工システムは、素材に適した波長を発振するレーザー光源と、目的に応じたガルバノスキャナやレンズ等光学系で構築することができます。

そして、メリットだけでなくデメリットもあります。
例えば、集光ビームによるピンポイント加工のため、加工速度や加工エリアが制限されることや、初期費用が高額であること、厚い素材への加工が困難といった点です。しかし、レーザーや加工パラメータを最適化することで、これらの課題や問題に対応することができます。レーザー加工は、物質の微細な構成や表面の仕上がりなど、様々な分野で役立つ技術です。

レーザー加工の事例

レーザー加工技術は、様々な分野でのイノベーションを支える重要な技術であり、自動車部品、医療機器、航空宇宙部品などの加工事例にも応用されています。レーザー加工の特徴は、高出力の光を用いて、金属や材料の表面を溶接、接合、削除することができる点です。この技術は、大学や研究所での基礎研究から産業界での事業展開まで幅広い分野で活用されています。

例えば、自動車業界では、レーザー加工による精密な加工技術が求められており、複雑な形状の自動車部品の製造に応用されています。また、航空機産業では、レーザー加工による創成的な技術が注目され、ハブラニアンプロットによるステンレス鋼の加工など旅客機の製造にも利用されています。

医療分野では、バイオフォトニクスデザインによるレーザー加工技術が注目されており、次世代の医療機器や治療法の開発に期待されています。また、放射能や環境に配慮する技術としてレーザーが注目され、その応用例も期待されています。

今後もレーザー加工技術は、各分野での応用例が広がることが予測されており、科学技術の尖端を担う技術として、さらなる育成と研究が求められています。