レーザ加工機とは ?メリット・デメリットを理解して加工を効率化しよう

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レーザ加工機とは ?メリット・デメリットを理解して加工を効率化しよう

製造現場では多くの機械が使われています。金属や木材、革製品やガラスなど、幅広い素材への加工が可能なレーザ加工機もそのひとつです。この記事では、レーザ加工機の仕組みや種類、メリット・デメリットなどをご紹介します。

レーザ加工機とは

レーザ加工機(レーザー加工機)とは、レーザ技術を応用した加工機械のことです。エネルギー密度の高いレーザ光を照射し、レーザ光の持つ熱エネルギーによって材料の切断や穴あけ、素材表面へのマーキング、彫刻などが行えます。 レーザカッターやレーザ彫刻機、レーザ刻印機などと呼ばれる場合もありますが、どれもレーザ加工機と同じ意味を持ちます。

レーザ加工機の仕組み

レーザ加工機は、効率良くレーザを照射するために、異なる役割を持ついくつかの部位から構成されています。ここではレーザ加工機を構成する部位と、それぞれの役割をご紹介します。

・レーザ発振器系

レーザ光を発振する装置がレーザ発振器系です。励起光と呼ばれる光をレーザ媒体に照射し波長を整えた後に、共振器に当てることで増幅させてエネルギー密度を高めるというメカニズムが用いられています。 求められる加工精度や加工する材料から、出力・波長・パルス幅・発振モードなどの性能を選ぶ必要があります。

・加工光学系

レーザ発振器系で発振させたレーザ光を集光して、テーブルへと照射する装置です。レーザ光を伝送する「光路」と、伝送したレーザ光を集光・照射する「集光系」から構成されます。伝送の仕組みは、ミラーに反射させて伝送させる方法と、光ファイバーによって伝送する方法に分けられます。またレーザ光で融解した金属を除去するアシストガスの噴射装置も、加工光学系の一部です。

・加工物質系

ワークを固定するためのテーブルと加工物のことです。テーブルには駆動系が備えられたものもあり、ワークを適切な速度で移動させながら必要な照射時間を与える役割も持っています。ワークを動かす場合は、テーブルの移動速度が重要です。レーザ加工機が低出力の場合は、適切な速度設定を行わないと精密な加工になりません。

レーザ加工機の種類

レーザ加工機は使われるレーザの種類によって3種類に分けられます。ここでは、それぞれの特徴をご紹介します。

・CO2レーザ加工機

最も広く使われているのが、炭酸ガスを媒質にしたレーザ光で加工を行うCO2レーザ加工機です。金属や木材、ゴム、ガラスなど多様な素材に対して使用でき、加工機の価格も比較的安価なのが特徴です。ただし、アルミや銅のような反射率の高い金属の加工には適していません。

・YAGレーザ加工機

YAGレーザ加工機の「YAG」とは、Yttrium(イットリウム)、 Aluminum(アルミニウム) Garnet(ガーネット)の頭文字を取ったものです。金属加工だけではなく、目や歯の治療といった医療分野でも使われています。金属加工ではマーキングや彫刻、溶接といった用途で利用されていますが、本体価格、イニシャルコストともに高価な点がデメリットです。

・ファイバーレーザ加工機

ファイバーレーザ加工機は、近年普及した新しいレーザ加工機です。光ファイバーを媒質に用いています。レーザ光を高出力かつピンポイントに照射できるのが特徴で、CO2レーザ加工機が苦手とする銅やアルミニウムの溶接が可能です。

アシストガスを使わずエネルギー効率が良いという特徴もあり、ランニングコストを低く抑えられます。しかし、加工機そのものは高額でイニシャルコストが大きいため、導入時にはコストバランスを考える必要があります。

レーザ加工機を使うメリット

金属加工には他にも色々な工作機械が使用されますが、レーザ加工機を使用するメリットとしては、どのようなものが挙げられるでしょうか。考えられるメリットとしては、以下のようなものがあります。

・金型をおこす必要がない

レーザ加工機はプレス加工とは異なり金型を使用しないので、金型制作を行う必要がありません。リードタイムを短縮でき、生産工程においても金型交換の段取りにかかる時間を削減できます。

・非接触で加工できる

レーザ加工機は非接触で加工を行います。直接的な力を材料に加えないので、材料の歪みやひび割れのリスク、バリやカエリの発生を抑えることが可能です。 これにより、安定した品質を維持でき、面取りや研磨のような後工程も削減できます。

・高難度な加工・特殊な加工が可能

刃物では難しい小さな半径での曲線切断や、極小径の穴あけといった難度の高い加工も行えます。複雑な図形や絵柄をスキャンして再現する加工や、防錆性を高める表面改善なども可能です。

・メンテナンス性が高い

刃物を用いる切削加工と異なり、切削工具の摩耗や破損といった消耗がないのもレーザ加工機の特徴です。薬液も使わないため、メンテナンスの手間が少なくなります。また、加工の原動力として回転や往復運動を使用しないので振動によるトラブルが少なく、稼働音を低減できるのもメリットです。

レーザ加工機のデメリット

数多くのメリットがあるレーザ加工機ですが、デメリットがないわけではありません。使用する際は、以下のようなデメリットがあることも覚えておきましょう。

・プレス加工より時間効率は低い

難度の高い加工を行えますが、金型を用いたタレットパンチプレス加工や切削加工に比べると、レーザ加工機の加工速度は遅いです。時間効率が低くなるので、状況に応じて加工方法を使い分けることが重要となります。

・苦手な素材がある

レーザ加工機には焦点距離というレーザ光が集中している範囲があり、この焦点距離の範囲外だとエネルギー密度は低下します。厚い素材は焦点の位置から遠ざかってしまうため、レーザ加工機での加工には不向きです。また、反射率や熱伝導率の高い金属の加工も、レーザの種類によっては苦手としています。

・導入・維持ともに高コスト

他の工作機械に比べると、レーザ加工機は価格が高いです。また、アシストガス代や焦点レンズ、ミラーの交換費用、電気代といったランニングコストもかかります。導入・維持を通して全般的に高コストなので、適した加工に使用し対費用効果を上げる工夫が必要です。

レーザ加工機は幅広い範囲に対応できる工作機械

レーザ加工機にはデメリットもあるものの、それを上回る多くのメリットがあります。高精度で安定した品質を維持でき複雑な加工も可能など、幅広い加工に対応できる点はレーザ加工機の利点です。レーザ加工機の特性を理解し適した加工に使うことで、高効率な作業を実現しましょう。

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