レーザーカッティングマシン – レーザーカッティング装置の包括的ガイド

レーザーカッター、かつては専門家のために予約された高度な技術ソリューションと考えられていたものが、今日では多くの産業の不可欠な部分となっています。シート、チューブ、プロファイルのレーザーカットは、現在、小さなワークショップから大きな生産ホールまで使用されています。最近まで、市場はCO2およびYAG技術に基づくカッターが支配していましたが、それらはますますファイバーレーザーカッターに置き換えられています。これらの最新機械は、より良い動作パラメータ、より高い効率、エネルギー節約、信頼性を提供し、レーザーカッティングプロセスに革命をもたらしています。

ファイバーレーザーカッターはどのように機能しますか？

レーザーカッターは、光源として半導体ダイオードによってポンプされる固体レーザーを使用しています。これは非常に興味深いソリューションであり、活性媒体は3層からなる活性光ファイバーで作られた光ファイバーです：

• 外層： ファイバーのポリマークラッドは最も低い屈折率を持ち、レーザー放射が外部に放出されるのを防ぎます。

• 内部クラッド： ポンピングコーティングは外層よりも高い屈折率を持つ材料で作られています。内部クラッドはコアを囲む鏡のように振る舞い、層の端からのビームの多重反射により、光が繰り返しコアに戻ります。これにより、光ビームを生成し増幅する共振器が作られます。

• コア： 希土類元素でドープされた内層は最も高い屈折率を持ち、信号伝播を担当します。

ファイバーレーザーは高エネルギー密度の光ビームを生成し、光ファイバーを介してカッティングヘッドに伝送します。ここで、ビームはヘッド内に封入されたレンズによって処理部品の表面に集束され、超薄い焦点に晒された領域が溶解して蒸発します。

ファイバーレーザービームは、CO2レーザーで得られるポイントの直径の1/10にまで集束させることができます。より小さな直径と光の非常に高い輝度により、ファイバーレーザーはCO2レーザーの場合よりも100倍も高いエネルギー密度を達成することができます。これにより、材料の精密な切断が保証され、非常に狭い切断ギャップで極めてきれいでスムーズなエッジを実現します。

レーザーカッターの主な特徴と能力

レーザーカッターは、処理される材料の形状と種類、レーザーパワー、作業の自動化の程度によって様々なグループに分けることができます。市場では、大きなシートの切断やトリミング、または長いチューブやプロファイルの切断のためのテーブルを備えた大型機械と、より安価なコンパクトデバイスが提供されています。後者は、コンパクトで閉じた筐体と光源を別の部屋に移動できる可能性により、生産ホールで非常に少ないスペースを占めることができます。

ファイバーカッターで処理される要素は、ステンレス鋼、軟鋼、チタン、アルミニウムなどの様々な材料や、布地、木材、紙、プラスチック、セラミック材料などで作ることができ、材料自体も異なる厚さを持つことができます。したがって、ファイバーカッターの重要な特徴はそのパワーです。現在、1 kWから20 kW以上のパワーを持つレーザーカッターが市場で入手可能ですが、コストの関係で、最も人気があるのは6kWまでのパワーを持つデバイスです。

ファイバーレーザーの高い切断速度のため、カッターの重要な要素は材料と製造部品の積み込みと取り出しを自動化できるシステムです。高い作業負荷では、シートメタルストレージ、自動チューブおよびプロファイル積載システム、またはインテリジェントなパレタイジングシステムなどのソリューションにより、効率が向上し、レーザー切断コストが最小化され、会社の競争力と利益が向上します。

多くのメーカーは、部品の設計とシートメタル上の最適な配置を可能にする専用のオペレーティングシステムとソフトウェア、およびカッターのプログラミングとデバイス自体とそのオペレーターの制御を提供するデバイスを提供しています。

また、Wi-Fi通信システムを搭載したファイバーカッターもあり、デバイスのリモート制御が可能で、これは機械自体のより良い使用と高い生産効率につながります。

ファイバーレーザーカッターの主要な技術パラメータ

ファイバーカッターの区分線はデバイス自体のパラメータに対応しています。テーブル付きカッターとコイル内のシートを切断するデバイスの場合は作業エリアのサイズ、チューブとプロファイル用のファイバーカッターの場合はチューブ切断の長さとその直径です。

ファイバーレーザーカッターの場合、パラメータはもちろん、切断するシートの最大厚さを担当するレーザー源のパワーです。

その他のパラメータは、カッティングヘッドの位置決め精度とその位置変更の精度、およびヘッドの最大送り速度です。

ファイバーカッターの基本要素

ファイバーカッターは、ファイバーレーザー切断技術自体だけでなく、高度なソリューションと機械のサブシステムの使用からも生じる高い効率と切断品質を提供する高度なシステムです：

• レーザー源 は、ファイバーカッターの操作と切断方法を担当する基本要素です。ファイバーレーザーは：

  • レーザービームの焦点が小さいため、高いパワー密度と高速切断を提供します。

  • より短い波長のおかげで、数倍の吸収率を特徴としています。
    高いパワー密度と高い吸収率のおかげで、効率と切断速度が大幅に向上します。

  • 非常に長い寿命を持っています。標準的なファイバーレーザーの推定寿命は100,000時間で、これは約45年の使用に相当します。

  • 非常にエネルギー効率が高く、省エネです。そのエネルギー効率はCO2レーザーの3倍高く、これはCO2レーザーがスタンバイモードで消費するエネルギーよりも少ないエネルギーで動作することを意味します。

• ビーム伝送システム - 光源で生成された光ビームは、光ファイバーシステムを介してカッティングヘッドに伝送されます。これは信頼性が高く、ほぼメンテナンスフリーのソリューションであり、他のタイプのレーザーで使用される光学ミラー、真空ポンプ、ファン、フィルターなどの多くの可動部品を排除しています。このため、前述の100,000時間の光源動作期間中にレーザー消耗品の計画的な交換は必要ありません。

• ヘッド はファイバーカッターの切断要素です。ノズル、集光レンズ、焦点追跡システムで構成されています。一部のカッターには、ヘッドの動作をリアルタイムで監視するカメラシステムも装備されています。ヘッドはプログラムされた切断経路に沿って、カッターの基本パラメータの一つである精度と速度で移動します。切断プロセスをプログラミングする際には、切断する材料の種類とその厚さに応じてヘッドの高さも設定する必要があります。

• レンズ - レーザーレンズの品質は、レーザーの出力パワーと機械全体の効率に直接関係しており、光学的汚染物質のない高品質レンズは、本当に高パワーレーザーで材料を切断することを可能にします。レンズはまた、レーザーカッターの最も頻繁に使用されるコンポーネントであり、最も敏感なコンポーネントでもあります。

• 冷却システム には2つの主要なタスクがあります。1つ目は、電気エネルギーを光エネルギーに変換し、残りのエネルギーが熱に変わるレーザー発生器の冷却です。2つ目は過剰な熱を除去し、レーザーの均一な動作を確保することです。さらに、冷却システムはビーム伝送システムの安定した動作を確保し、過度の温度によって引き起こされるレンズの変形やひび割れを防ぎます。ファイバーカッターは空気または水冷却システムを使用しています。

• CNCシステム - 制御システムは、積み込みおよび取り出しシステム、シート、チューブ、プロファイル設定システムなど、レーザーカッターのすべてのモジュールの動作を担当しています。しかし、その最も重要なタスクはレーザーの出力パワーを制御し、X、Y、Z軸に沿ってカッティングヘッドの送りを制御することです。CNCシステムにより、カッティングヘッドを垂直および角度で設定することができます。そして、カッターに追加のアームを装備した後、3D切断とトリミングも可能です。さらに、CNCシステムはファイバーカッターの安定性と動作速度を担当し、その高度な機能は切断の精度と品質を効果的に向上させることができます。

• テーブル / クロスビーム - レーザーカッターは機械の安定した動作に非常に高い要件を持っています。グレー鋳鉄またはアルミニウムから鋳造された高品質テーブルは、高い剛性、耐久性、振動に対するデバイスの抵抗を提供し、切断プロセスの最大の安定性と精度を可能にします。一方、大型レーザーカッターはクロスビームを使用しており、これは適切な剛性を持ちながら、同時に切断中のカッティングヘッドの高速送りを容易にする柔軟性と強度を特徴としている必要があります。

• モーター はファイバーカッターシステムの送りを担当する基本要素であり、そのパラメータは生産の速度と効率、および最終製品の品質に直接影響します。現在、ステッピングモーターとサーボドライブが一般的に使用されており、モーターのタイプはカッターが実行する作業のタイプに応じて選択する必要があります。

• 蒸気および汚染除去システム - 切断プロセス中、特にプラスチックを切断する際には、切断プロセスの品質だけでなくオペレーターの健康にも影響を与える可能性のある蒸気や粉塵が発生します。したがって、カッターには自動蒸気および粉塵除去システムが装備されており、これはホールでデバイスを操作する作業者の世話をするだけでなく、デバイスを環境に優しくします。

プレス、プラズマ切断、ウォータージェット、またはレーザー切断？

スタンピングプレスは材料の切断に使用される優れたソリューションであり、非常に大量の生産量の場合に完璧に機能し、製品製造の最低単位コストを提供します。それらは工具に追加投資を必要としますが、成形やねじ切りなど多くの他のプロセスを実行する可能性を与えます。従来のタレットプレスは穴やあらゆる形状を切断することができ、非常に経済的ですが、やはり追加の工具が必要です。そして、パンチング機は、レーザーカッターよりも大幅に効率が低いですが、スタンピングプレスと同様に製品の成形を可能にします。

厚い材料の切断や、切断部品のエッジの品質が最も重要でないアプリケーションに非常に適した別のソリューションは、プラズマ切断システムとウォータージェット切断システムです。しかし、それらの場合、ほとんどの熱切断方法の場合と同様に、処理された金属は広範な熱影響領域を持つ可能性があります。

プラズマ切断システムとウォータージェットシステムはレーザーカッターよりもはるかに安価ですが、はるかに遅いことも覚えておきましょう。もちろん、複数のヘッドを取り付け、スタックに配置された半製品を切断することで両方の機械の効率を高めることができますが、このアプローチは最終製品の品質を大幅に低下させます。

レーザーカッターは最新かつ最も高度なソリューションです。それらは高い精度、品質、効率、信頼性、柔軟性を提供し、そのため数十年にわたって産業で使用されてきた古い技術を徐々に置き換えてきました。

なぜレーザーカッターに投資するのか？

現在自社のレーザーカッターを持っていない会社は、通常、そのような能力を持つ1つまたは複数の下請け業者に作業を外注しています。このソリューションは高いリスクを伴わず、注文を完了する時間にある程度の柔軟性がある限り、かなりうまく機能する可能性があります。それにもかかわらず、遅かれ早かれ、製造業者はまだ自社が独自にレーザー切断を実行すべきかどうかを検討する必要があります。これを確認するには、部品のレーザー切断のための月々の請求書をチェックするだけです。ヘンリー・フォードが言ったように：「機械が必要なのに購入しないと、最終的にはその代金を払ったのに手に入れていないことに気づくでしょう」。

市場は現在、レーザーカッターを購入するための多くのオプションを提供しています。それらは中古機器の販売を専門とするディーラーから購入することも、最新の切断機器と改装された機械を提供するオリジナルカッターのメーカー、またはその代理店から購入することもできます。後者は、確かに新しいシステムのパラメータを持っていないかもしれませんが、それでも同様の使用年数を持つ他のデバイスよりもはるかに良く機能するでしょう。

業界で認められたOEMメーカーからのレーザーカッターは一般的に高価ですが、一方で、より良いパラメータと高い生産品質と信頼性を確保する機器を提供していることも覚えておくべきです。

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ファイバーレーザー、CO2、またはYAG？

産業用レーザー市場は、古いYAGレーザー、従来のCO2レーザー、最新のファイバーレーザーという3種類のソリューションが支配しています。

YAGレーザー

YAGレーザーは、活性媒体としてネオジム（Nd:YAG）またはイットリウム（Yt:YAG）が埋め込まれたYAG（イットリウム-アルミニウム-ガーネット）単結晶を使用する半導体レーザーです。これらのデバイスは、溶接、穴あけ、金属、コーティングされた金属、半導体、様々な合金、およびプラスチックやセラミックの切断に必要な非常に高いパルスパワーを提供します。また、焼きなましによるマーキングや、様々な金属やプラスチックの彫刻、ガラスやアクリルなどの透明材料のサブサーフェスマーキングにも使用されます。

YAGレーザーは、処理表面に光ビームを導くために使用される水流と結合することができます。この方法は、例えばシリコンウェハーの切断に使用されます。水流は汚染物質を除去し、処理材料を冷却します。これらの機械の欠点は、価格だけでなく、8,000時間から15,000時間という短い寿命を持っているためコストがかかることです。

CO2レーザー

CO2レーザーは20年以上にわたって産業で大量に使用されてきました。これらはCO2を含むガス混合物で満たされた共振器を通して電気エネルギーを伝送することによってレーザービームを生成するガスレーザーです。デバイスはミラーを使用して、材料の処理を担当するヘッドにビームを集束して伝送します。CO2レーザーは非常に効率的で信頼性が高く、長い寿命と優れたビーム品質を提供します。

このタイプのレーザーは、木材や紙（およびその派生物）、プレキシガラス、その他のアクリルプラスチックの処理に最も一般的に使用されます。また、革、布地、壁紙、および類似の材料の処理にも適しています。そして、CO2レーザーの使用の最良の効果は非金属材料の処理で得られますが、薄いアルミニウムシートや他の非鉄金属を切断および処理することもできます。

ファイバーレーザー

ファイバーレーザーは2008年頃に市場に登場しました。これは低い運用コストだけでなく、従来のCO2およびYAGレーザーと比較して高い切断速度と信頼性を提供するデバイスです。

開発の初期段階では、ファイバー技術は高速で薄い材料のみを切断することを可能にしました。しかし、より強力なレーザーの出現後、ファイバーレーザーは厚さ2cmの材料でもそのような処理速度を達成します。その結果、ファイバーレーザーの人気は高価格にもかかわらず常に成長しています。

ファイバー技術は新しい可能性も意味します。ファイバーカッターはCO2レーザーでは非常に困難だった真鍮や銅などの反射材料を切断することができます。また、同様の光源パワーを持つCO2レーザーよりも100倍高いエネルギー密度を持つビームを生成し、エネルギー効率が良く、より高い処理速度を提供します。

ファイバーレーザーは、高出力の切断や溶接から、半導体や太陽光発電システムの生産などのより少ないパワーを必要とするタスクまで、非常に多様な産業用途に完璧に適した精密で効率的な機械です。これらはモジュール式でスケーラブルなデバイスであり、ナノ秒彫刻機から溶接や切断用の数キロワットシステムまで、様々なプロセスのニーズに応じて構成することができます。

ファイバーレーザーは実装と操作が簡単です。また、通常は従来のレーザーよりも小さく軽量です。そして、CO2レーザーはミラーとレンズの正確な設定が必要なため非常に繊細ですが、ファイバーレーザーは光ファイバーの使用のおかげでずっと耐久性があります。同じ理由で、それらは多くの異なる環境で動作することができ、小型のファイバーカッターは光学システムを再調整する必要なく簡単に移動することができます。

ファイバーレーザーはかなり多用途であり、パワーに応じて多くの材料の様々な処理手順で優れています。それらはシートメタル、コイル状のシート、チューブとプロファイルの切断とトリミング、および焼きなましによる金属のマーキング、金属の彫刻、プラスチックのマーキングで優れた性能を発揮します。金属と非金属、さらにはガラス、木材、プラスチックの処理も可能です。それらは薄い材料の作業に理想的です - 20 mm以上の材料の場合、6 kW以上のパワーを持つファイバーレーザーに投資する必要がありますが、残念ながらそれははるかに高価です。

上記では、現在市場で入手可能な多くの材料切断技術を紹介しました。適切なソリューションの選択は、会社の生産ニーズと、隠さないでおきましょう、その財政能力に依存します。しかし、私たちはファイバーレーザーに賭けています。なぜなら、それらが最も多用途で、精密で、効率的であり、単純にそれらの助けを借りて製造された製品の品質と競争するのは難しいと信じているからです。

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ファイバーレーザーカッターの利点

ファイバーレーザーカッターは機械工具よりもはるかに精密で、より柔軟で、エネルギー効率が良く、スペースを取らず、環境保護に役立ちます。また、高い効率と生産の再現性を提供し、レーザー切断技術により部品の完璧でスムーズなエッジを得て、最終処理段階をスキップすることができます。

レーザーは一般的に、機械工具と比較して丸みを帯びた複雑な形状の処理でより良いパフォーマンスを発揮します。さらに：

• 切断プロセスは非接触で高速であり、レーザービームの超狭い焦点により、熱影響領域と処理詳細の歪みが非常に小さく、そのエッジはスムーズできれいです。

• レーザーカッターの大きな利点はその速度です。レーザーは1回のパスで厚い材料を切断することができますが、他の機械工具では複数のパスが必要な場合があります。

• レーザー切断技術はまた、消耗品や予備部品が少ないことを意味し、これは特にレーザービームが光ファイバーを使用してカッティングヘッドに伝送されるファイバーカッターで顕著です。これはまた、 ファイバーレーザーカッターの場合、異なるタイプの切断を可能にする様々な工具や先端を持ち、交換する必要がないことを意味します。予備部品が少ないということは、メンテナンスとサービスのコストも低いことを意味します。特にファイバーレーザーでは、光ファイバーを通してビームを導くことで多くの可動部品が排除されています。

• 切断、型抜き、マーキングと彫刻、および材料の供給と部品の収集は大部分が自動化されており、これにより生産に対する高度な制御が確保され、効率が向上します。

• レーザーカッターの大きな利点は、ファイバーレーザーの場合最大30%に達するそのエネルギー効率です。 これは、これらのデバイスがフル負荷で作業する際に少ないエネルギーを消費し、大幅な節約を提供し、環境保護に役立つことを意味します。

レーザーカッターで処理される材料

レーザーカッターを使用して、ステンレス鋼、炭素鋼、軟鋼、金、銀、チタンとチタン合金、ニッケル合金、亜鉛めっき鋼板、銅、アルミニウム、金属合金などのほとんどの金属材料、およびセラミック材料、プラスチック、繊維、木材、さらには紙も処理することができます。切断する材料の種類と厚さは、使用するレーザーパワーと機器によって異なります。

• ステンレス鋼 は様々な産業のメーカーによって最も一般的に使用および処理される材料です。また、ファイバーレーザーで切断される最も人気のある材料でもあります。

• 炭素鋼 - レーザーカットまたはレーザーカットされる炭素鋼板の厚さは25 mm以上になることがあります。25 mm以上の鋼の場合、6 kW以上のパワーを持つファイバーレーザーを使用する必要があります。

• アルミニウムとアルミニウム合金、銅と真鍮 は高い反射係数と熱伝導率を持つ材料です。銅と真鍮は古いタイプのレーザーでは切断できませんでした。しかし、ファイバーレーザーはそれらを完璧に処理し、合金の種類とレーザーパワーに応じて、薄いシートと厚いシート、および15mm以上の厚さのアルミニウム、銅、真鍮で作られた部品の両方を切断することを可能にします。

レーザーカッターの応用

レーザーカッターは自動化されたシリアル生産や航空宇宙、自動車、衛生、電子などの産業で広く使用されています。また、例えば宝飾品、装飾要素、部品の製造、または広告やフィットネス産業での金属製品の製造にも使用されています。レーザーカッターは、例えば農業機械産業でのシートメタルやコイル状シートメタルの切断、型抜き、マーキング、彫刻に広く使用されています。レーザーカッターはこの産業分野で本当に大きな影響を与えています。特に、そこで伝統的に使用されているパンチング機は多くの種類のパンチの使用を強制し、これが製品の変更の導入を大幅に制限しているからです。

レーザーカッターはパイプとプロファイルの高速で精密な切断、およびそれらに任意の形状の適切な穴を切断するのに優れています。さらに、レーザー技術で作られた部品のエッジは非常に高品質で、さらなる処理を必要としません。

カッターは家具産業でも使用されています。例えば、キャビネット（配電盤、金属文書キャビネット）、フードや金属ワークトップの製造などです。それらの生産には再現性、精度、完璧な仕上げ、そして最も重要なことに、高い効率が必要です。

自動車産業での生産は、高い品質要件、迅速な生産工具の変更、各詳細をマークする必要性がある、高い複雑性レベルを持つ反復要素の短いシリーズを意味します。

レーザーカッターはまた、CAD/CAMプログラムで準備された設計に基づいて、特別な、時には独特な形状の製品を切断および型抜きすることができます。

適切なレーザー切断機をどのように選ぶか？

レーザーカッターを選ぶ際には、現在および将来のニーズを慎重に検討する必要があります。つまり、処理するコンポーネントの種類とその厚さ、および材料処理の種類（切断/型抜き、マーキング/彫刻）を決定し、それに応じて機器を選択します。以下に、レーザー切断デバイスを選ぶ際に考慮する価値のある重要な基準を準備しました：

• 処理される材料 - ここでは、処理される材料のサイズ、厚さ、特性を考慮する必要があります。これらはレーザーパワーとカッターテーブルのサイズを適切に選択するのに役立ちます。材料の種類も考慮する必要があります - シートメタルの供給用タワーやパイプとプロファイルの積み込みと位置決めシステムを装備したレーザーカッターが市場で入手可能です。

• レーザーパワー - レーザーカッターの最も重要なパラメータの1つはそのパワーです。これは切断する材料の厚さと切断自体の速度に直接対応するからです。

• ソフトウェア - ほとんどのレーザーカッターは独自のOEMシステムを装備しており、人気のあるCAD/CAMプログラムと完璧に連携します。しかし、このソフトウェアがどのような機能を提供しているか、そして会社ですでに使用されているシステムと統合できるかどうかを調べる必要があります。

• アフターセールスサービス - アフターセールスサービスには、機械の設置、試運転、使用、修理、メンテナンスが含まれている必要があります。保証期間にも注意を払う必要があります。そして、現代のファイバーレーザーは基本的にメンテナンスを必要としませんが、すべてのデバイスと同様に、故障する可能性があります。そして、すべての故障は不必要なダウンタイムと損失を意味します。したがって、レーザーカッターを選ぶ際には、サービスケアに注意を払う価値があります。特にこれらは技術的に高度なデバイスであり、サービス従業員の適切なスキルを必要とします。

レーザーカッターはさまざまな産業を席巻し、ますます新しい製品の生産におけるその有用性を証明しています。そして、これらはかなり高価なデバイスですが、状況は作業を開始した瞬間に根本的に変わります。なぜなら、レーザーカッターでの切断の実際のコストはかなり低いからです。特に、それらが提供する精度、柔軟性、高い生産効率を考慮に入れると。