columnお役立ちコラム

ファイバーレーザー発振の仕組み

ファイバーレーザー加工機的核心であるレーザー発振は、特殊な光ファイバー内で起こります。この光ファイバーには、レーザー光を増幅する性質を持つ「希土類元素」が添加されています。

まず、外部から光ファイバーに励起光を照射します。すると、希土類元素の電子がエネルギーの高い状態へと励起。励起された電子は不安定なため、すぐに元のエネルギーの低い状態に戻ろうとします。この過程で、電子は光（光子）を放出します。光ファイバー内には反射鏡が設置されており、放出された光はファイバー内を往復反射します。この反射過程で、さらに多くの希土類元素が励起され、同じ波長の光が次々と放出。この連鎖的な反応により、光が増幅され、強力なレーザー光が生成されるのです。生成されたレーザー光は、光ファイバーを通じて加工ヘッドへと導かれ、集光レンズによって集光された後、加工対象物に照射されます。

切断プロセス

切断プロセスは、以下の3つの段階で行われます。

集光

加工ヘッド内のレンズによって、レーザー光を極めて小さなスポットに集光します。これにより、高いエネルギー密度を実現します。

溶融

集光されたレーザー光が材料に照射されると、材料の表面が急速に溶融します。

切断

溶融した部分がアシストガスによって吹き飛ばされ、切断が完了します。

安定した切断品質を維持するシステム構造

安定した切断品質を維持するために、ファイバーレーザー加工機はさまざまなシステム構造を備えています。例えば、レーザー光の出力や照射時間を精密に制御するシステム、加工ヘッドの位置を正確に制御するシステムなどがあります。これらのシステムによって、常に高品質な切断を実現することが可能になります。

代表的な加工対象物・用途

代表的な加工対象物としては金属と一部の非金属があり、それぞれに適した加工方法が用いられます。

金属加工においては、ステンレス鋼、アルミニウム、鉄など、多くの金属材料に適用可能です。高出力のファイバーレーザーは、厚板の切断も可能にする一方で、微細な彫刻やマーキングといった精密加工にも対応できます。加工例は以下のとおりです。

• ステンレス鋼：精密部品、建築資材
• アルミニウム：自動車部品、電子機器筐体
• 鉄：機械部品、構造材

非金属加工に関しては、一部のプラスチックや樹脂の切断・マーキングが可能です。しかし、塩化ビニルやテフロンのようなポリマー材料は、ファイバーレーザーと反応して有害ガスを発生させるため、加工には適していません。木材もファイバーレーザー加工の対象外で、CO2レーザーのほうが適しています。

産業分野別の活用事例

• 自動車産業：切断、溶接、穴あけ、マーキング
• 医療機器製造：精密な切断・穴あけ加工、ステントなどの微細加工
• 電子機器製造：微細加工、穴あけ、マーキング
• 航空宇宙産業：高精度な切断、溶接
• 金型製造：微細加工、彫刻

ファイバーレーザー加工機は、汎用性の高さからさまざまな分野で採用されており、製造業の進化に大きく貢献しています。

速度に影響する要因

切断スピードは、材質、厚さ、出力といった要素に影響されます。

材質

金属の種類によって、レーザーの吸収率が異なるため、切断スピードが変わります。

厚さ

厚い材料ほど、切断に時間がかかるため、スピードは遅くなります。

出力

レーザー出力が高いほど、切断スピードは速くなります。

高速切断を実現する最新テクノロジーについて

近年は、高速切断を実現する最新テクノロジーが開発されています。高出力ファイバーレーザーや、より精密な制御システムの導入により、従来よりも高速な切断が可能になっています。具体的には、パルスレーザー技術の高度化により、パルス幅や繰り返し周波数の精密制御が可能となり、材料への熱影響を最小限に抑えつつ高速切断を実現しています。また、アシストガス制御の最適化や、切断ヘッドの改良も高速化に貢献しています。これらの技術革新により、従来では困難であった複雑な形状の高速精密加工も可能になりつつあります。さらに、AIを活用した自動最適化機能を搭載した機種も登場し、熟練者と同等の切断速度と品質を維持しつつ、省人化にも貢献しています。

高速切断のメリットとデメリット

高速切断のメリットは、生産性の向上です。より短い時間で多くの製品を加工できるため、製造コストの削減につながります。

一方で、デメリットとしては、高出力レーザーを使用するため、設備の導入コストが高くなる場合がある点が挙げられます。また、高速切断を行うには、材料への熱影響を考慮する必要があり、適切なパラメーター設定が重要になります。