コラム

近年、レーザ加工がさまざまな分野で利用されています。この記事を読んでいる人の中には、「どのようなものなのかよくわからない」「レーザ加工が普及している理由やレーザ加工の仕組みについて知りたい」という方もいるでしょう。

そこで、この記事では、レーザ加工とはそもそもどのようなものか、その概要や基本的な原理、レーザ加工の特徴やメリットなどについて解説します。参考にしてください。

レーザ加工の原理

ここではレーザ加工機の原理の説明に入る前に、まずレーザ加工はどういうものかを知ってもらうためにその概要を説明し、その後、例を挙げながら原理について説明します。そして、最後に、レーザ加工機の特徴を紹介します。

そもそもレーザ加工とは

レーザ加工とは、高エネルギー密度のレーザ光線を金属や木材などの素材に照射し、融解・蒸発させて切断や穴あけなどの加工を行うことで、加工技術の1つです。

レーザ加工の仕組みは、レーザ発振器でレーザ光を発生させ、反射ミラーなどで伝送して集光レンズで収束、レーザヘッドから材料に照射します。手作業の加工に比べ加工機を使えば、商品や材料の加工を大量で均一、スピーディーに処理でき、複雑な加工も簡単です。

レーザ加工の対象物は金属や木材に限らず、柔らかくて加工が難しいゴム素材や布地に簡単に文字や記号を書けます。このような長所によって、レーザ加工は今日では多くの業種で導入されています。

近年は、工業分野だけでなく医療分野でもレーザが導入されています。例えば、レーザメスは手術時の出血を抑えるために利用されています。また、歯科医ではレーザを活用した虫歯を治療も増えている段階です。

高加工精度、高生産性をかなえるレーザタブノッチングシステム

原理について解説

レーザは、指向性（直進性）が強く、単色性で単一波長の電磁波を発生する装置のことで、この電磁波はレーザー光と呼ばれます。

レーザ光は、普通の光と違って波長の山と谷の部分が揃っているため、収束性がよいです。そのため、1点に高密度のエネルギーを集中できるという特性があります。

このレーザ光をレンズなどで集光すると、焦点付近の密度は一段と増大する仕組みです。これを対象物に照射すると表面温度が急激に上昇して、対象物を溶かしたり、蒸発させたりできます。

こうした特性を、対象物のマーキング、切断、穴あけ、溶接、焼入れなどの加工に生かしているのがレーザ加工です。

レーザ光が金属を溶かせる理由について、普通の光のとの違いから説明しましょう。

まず、太陽光の場合、さまざまな方向に放たれ、光が進むほどエネルギーが減少します。一方、レーザ光の場合は一定の方向に放たれ、光が広がりにくく、指向性が強いので、エネルギー集中度も高いです。

また、太陽光にはさまざまな色があり、色によって波長が違うので、波長の山と谷が揃うことはなく、障害物に対する干渉は目立ちません。これに対して、レーザ光は単色性に優れていて、波長の山と谷が揃っているので威力が増して障害物に対して干渉を起こしやすくなる（干渉性がよい）という違いがあります。

主なレーザ加工機3種類の特徴とは

レーザ加工機の構成は、大きく分けると、加工光学系、レーザ発振器系、加工物質系の3系統になります。それぞれの系統について説明します。

1.レーザ発振器系

レーザ発振器系は、光を発振します。これは、ランプなどの励起光源をレーザ媒体（固体や気体）に照射、吸収させることによって、発光した独自の光を共振器ミラーで反射させて何度も増幅させ、レーザー光を発振する仕組みです。

レーザ加工時には、出力、波長、パルス幅、発振モード（連続波・パルス波）などの条件を決定します。

2.加工光学系

加工光学系は、レーザ発振器で発生させたレーザ光を集めて、テーブルに照射する仕組みです。レーザ発振器からレーザ光を伝送する光路と、伝送されたレーザ光を集光して対象物へ照射する集光系で構成されます。

伝送するタイプには、反射ミラーを利用するタイプと光ファイバーを利用するタイプがあります。

3.加工物質系

加工物質系は、対象物を固定するテーブルと加工物のことです。

レーザ加工では、加工物の反射率、吸収率、透過率などの光学的な性質や熱的性能が仕上がりに影響します。そのため、照射位置を移動しながら加工する場合、集光系やテーブルを制御する駆動システムが必要で、精密な加工では適切に速度設定を行う必要があります。

レーザ加工のメリット

レーザ加工のメリットとしては、作業効率がよいこと、仕上がりがきれいなこと、微細で複雑な加工が可能なこと、メンテナンスの手間がかからないこと、加工の自由度が高いことなどが挙げられます。それぞれについて説明します。

作業効率が良い

金属の加工には、通常、金型が必要です。この金型によって、均一な製品を大量に生産できます。しかし、加工中に金型を交換する必要があるなど手間がかかるデメリットがあるのです。

これに対して、レーザ加工は、パソコンでプログラムを作って一度データを入力すれば、連続して均一な製品を大量に生産できます。加工中に金型を交換する手間も省けるため、作業効率が非常によくなるというメリットがあります。

仕上がりがきれい

プレスによるせん断加工や穴あけ加工では、切断面にバリやカエリと呼ばれる金属の出っ張りができます。バリやカエリが残っていると、手で触った時にけがしたり、正確な組み合わせや接合ができなくなったりするので、研磨などの後処理が必要です。

しかし、レーザ加工はバリやカエリの発生を抑えられます。そのため、切断面がきれいに仕上がるので後処理が必要なく、加工時間が少なくて済みます。また、熱による変形も起きにくく、安定した品質が得られるのが特徴です。

微細で複雑な加工が可能

レーザ加工は、図形データを取り込むので微細な加工や複雑な加工も可能な加工法です。レーザの細い光によって、他の加工機器ではできないような細かな場所での穴開けや、複雑な曲線などの切断もピンポイントで正確に作業できます。

例えば、画数が多く複雑な漢字や細かい絵柄を再現しなければならないケースや、シリアル番号やバーコードなどの彫刻、正確さが求められる建築模型や表面をさびにくくする加工などに使われています。

このようにレーザ加工は、微細で複雑な加工を均質で高い再現性によって実現する技術であることが特徴です。

メンテナンスの手間がかからない

レーザ加工は材料と工具が接触しないため、他の加工法のように刃物や研削盤などの消耗がなくメンテナンスに手間がかからないのが特徴です。

また、刃物の場合では材料を切る際に付着する粉塵の除去にも手間がかかるのに対して、レーザ加工ではその手間も省けるので作業の効率化が図れます。

レーザ加工の場合のメンテナンスは、ミラーやレンズをきれいにしたり、アシストエアーを清掃したりする程度で交換作業も必要ありません。そのため、生産効率の向上にもつながります。

加工の自由度が高い

レーザ加工では、幅広い素材にさまざまな加工ができ、加工の自由度が高い特徴があります。

そのため、金属のように固いものから、皮革、生地などの柔らかいものまで、さまざまな種類の素材に対して、レンズや照射の出力を変えれば簡単に加工できます。また、熱で変形するような薄版の素材も問題ありません。

穴あけや切削などの加工のほか、文字書き込むマーキング、複雑な絵柄を描くことや彫刻などさまざまな加工ができ、加工の自由度が高いのも特徴です。従来、多様な製品をつくる場合、いくつもの加工方法を利用する必要がありましたが、レーザ加工は多様な素材に多様な加工を実現できます。

まとめ

レーザ加工は、レーザ光を発生させ、レンズなどで集光して対象物に照射することによって、融解・蒸発させる技術です。金属や木材など多様な対象物に対して、切断、穴あけ、マーキングなどさまざまな加工ができます。

その特徴は、パソコンでプログラムを作るので、繊細で複雑な加工も均一に大量に処理できるうえ、仕上がりがきれいで後処理が必要なく、作業効率が非常に良いことです。また、レーザ加工では材料と工具の接触がないので、メンテナンスもレンズの清掃程度でよいため手間がかからないのが特徴です。