レーザー加工とは？メリットや原理・種類・活用方法など完全解説

レーザー加工とは金属加工の一種で、レーザー光を使って金属やプラスチックなどの材料を切ったり、穴をあけたり、表面に文字や模様を彫ったりする加工方法のことです。

このページをご覧の方には、レーザー加工について

• 「レーザー加工に興味があるけどイマイチよくわからない」
• 「どんな仕組みで加工しているのか知りたい」
• 「レーザー加工の課題やデメリットなどを知りたい」
• 「レーザー加工機の購入を検討している」

という方が多いのではないでしょうか。

この記事では、レーザー加工の原理、加工の種類、対象の素材、レーザーの種類などを分かりやすく解説します。レーザー加工に関する疑問や悩みを解決し、商品選びや導入検討のお役に立てれば幸いです。

レーザー加工とは

まずはじめに、レーザー加工について説明していきます。
レーザー加工とは、高エネルギー密度のレーザー光を材料に照射し、熱エネルギーで対象物を融解・蒸発させておこなう加工です。

＊レーザー光についてはこちら

レーザー加工のメリット

一般的な加工に比べ、レーザー加工には以下のようなメリットがあります。

①高精度な加工が可能

レーザー光は非常に細く集中させることができるため、微細な加工や複雑な形状の加工が可能です。また、レーザー光は直線的に進むため、曲面や傾斜面にも正確に加工できます

②加工の自由度が高い

レーザー光はコンピュータ制御で自由に動かすことができるため、様々なパターンやデザインの加工が可能です。また、レーザー光は多種多様な材質に対応できるため、金属だけでなくプラスチックや木材はもちろんですが、刃物では加工が困難な超硬金属や脆いセラミックなどの加工も容易に行えます。

③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、レーザー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。

④メンテナンス性がいい

レーザー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りません。
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、レーザー加工ではその手間も省けます。そして、メンテナンスはミラー・レンズ・アシストエアーを清掃したりする程度です。そのため、生産効率の向上にもつながります。

レーザー加工のデメリット

レーザー加工にはメリットだけでなく、以下のようなデメリットもあります。

①厚い素材は加工しづらい

ほとんどの素材を加工することができるレーザー加工ですが、厚い素材の加工には適していません。
レーザー加工では、レーザーの光が集中している箇所があり、その焦点距離の範囲から遠ざかるとレーザーの威力が弱まって加工できなくなってしまいます。

②反射率の高い素材は加工できない

アルミや銅など反射率が高いとされている素材は、レーザー光を材料が弾いてしまうためレーザー加工機の種類によっては上手く加工できないことがあります。
反射率が高い素材でも加工できるレーザー加工機もあるので後ほど紹介していきます。

③コストが高くなりやすい

レーザー加工機は高性能なレーザー発振器や光学系、制御装置などを備えており、その分価格も高くなります。そして、消耗品や維持費にもけっこうな費用が掛かります。 電気代やガス代などの光熱費に加えて、焦点レンズやミラーには定期的に交換が必要です。

④加工速度が遅い

非接触加工のレーザー加工はレーザー光をピンポイントに照射し対象物を融解しながら加工をしていくため時間がかかります。 単純に速度面ではプレス加工や切削加工の方が早いです。
出力を上げることでレーザー加工機の切断速度を上げることは可能ですが、速度を上げれば上げるほどバリやドロスの発生に起因してしまいます。

レーザー加工の原理（しくみ）

ここまでレーザー加工について説明してきましたが、ここではレーザー加工の原理について解説していきます。

レーザー加工は、レーザー光の持つ収束性の高さを利用しています。

レーザー光は誘導放出による光増幅放射を利用し、指向性が高く単色かつ、規則正しくて密度を集中させることができる光であるということは、こちらでご説明しました。それにより普通の光とは違い極めて高密度なエネルギーを1点に集中できるという特性があります。

このレーザー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します。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ー加工です。

レーザー加工は何にどのような加工ができるのか

レーザー加工は、照射位置やパワーを調整することで幅広い加工をすることができます。
ここではどのような素材にどのような加工ができるのかを解説していきます。

レーザー加工による加工の種類

レーザー加工は大きく分けると「除去」「接合」「改質」「変形」の4種類に分けられます。それぞれ簡単に説明していきます。

①レーザー除去加工

レーザーにより対象物を熱で溶かして吹き飛ばしたり、短時間で高エネルギーを与えて物質を蒸散することにより材料を切ったり穴をあけたりデザインを彫ったりする加工です。

②レーザー接合加工

レーザーで加熱をすることにより金属や樹脂を溶かし接合する加工です。一般的に使用される金属や樹脂の接合に使用でき、重ね溶接や突き合わせ溶接などの工法に対応しています。

③レーザー改質加工

レーザーで材料の表面を急峻に加熱冷却することで表面の組成を変えたり、性質改善処理を行う加工です。「焼き入れ」「アニーリング」「マーキング」「クラッディング」などがあります。

④レーザー変形加工

レーザーにより材料に熱応力を利用して曲げる加工です。対象物の一部に局所的な熱を加えることで収縮したり反ったりさせて形を作ります。高度な制御が必要ですが熱を加えて曲がる樹脂などでも利用できます。

レーザー加工により加工できる素材

レーザー加工のメリットでも述べたように、レーザー加工は多種多様な素材・材料に利用できるのが大きな特徴になります。代表的なものでは下記のような素材の加工が可能です。

• 金属
• 木材
• 紙・ペーパー
• 布・繊維
• 皮革
• アクリル樹脂
• プラスチック・樹脂
• 合成ゴム
• 石材

ただし、加工する条件・加工方法・求める加工品質などによって、加工可否の判断は異なります。レーザー加工の導入を決める際には、必ず事前にテスト加工を行ったり、加工サンプルを確認してから判断しましょう。

上記とは対照的にレーザーで加工できない素材もあります。
必ず加工前に素材の確認をしてください。

• ポリ塩化ビニルを含むもの

  →塩素が含まれているためレーザー光を当てると化学反応により人体に有毒なガスが発生します。また、塩素ガスには加工機を腐食する可能性もあるのでレーザー加工は避けましょう。

• レーザー光を反射する素材

  →レーザー光を反射してしまう鏡や鏡面加工仕上げが施された素材に対しては使用できません。

• 有害な物質が発生する素材

  →テフロン加工が施されている素材や、フッ素を含んでいる素材などが挙げられます。

レーザー加工機が導入されている業界

レーザー加工機が活躍している業界は多岐に渡ります。
以下がその一例になります。

• サイン、ディスプレイ、看板業界【例】デザイン表札の作製、店舗用看板の作製など
• 印刷、紙器、紙工業界【例】木板への画像の印刷、紙への印刷、パッケージへの印刷など
• ギフト、ノベルティーグッズ業界【例】キーホルダーなどのアクリルグッズ、木製ギフトの加工など
• 建材、家具、木工、インテリア業界【例】木工アートの加工、建材用の木材・合板加工、建築模型の製作など
• テキスタイル、アパレル業界【例】布地の裁断、絵柄・デザインのマーキング、マスク・おむつなどの衛生商品など
• その他業界【例】アクリル製のペットグッズの加工、墓石・記念碑・各種石材彫刻など

このようにレーザー加工は、幅広い業界で使用されている生産性や品質の向上・新規事業の創出などに適した加工法のひとつです。 現在の加工方法や生産体制に課題を感じている方は、導入を検討してみるのもいいかもしれません。

レーザー加工機のレーザーの種類

レーザー加工機はレーザーの種類によって「Co2レーザー」と「ファイバーレーザー」にわけられます。
導入を検討する際はそれらの特徴と用途を考えてレーザー加工機を選ぶ必要があります。

CO2レーザー

CO2レーザー加工機は、炭酸ガス(CO2)を媒質としたレーザー光を利用して加工を行います。

金属および木材、アクリル、レザーなどの非金属など加工可能な材質が多いこと、他の種類のレーザー加工機に比べると導入コストが安いことにより、レーザー加工機の中では最も利用率が高くなっています。

また、比較的厚い材料の加工に適していることから、厚板の金属を加工する場合はCO2レーザー加工機がよく使用されています。一方で、アルミや銅などの反射率の高い金属の加工には適していない、レーザーガスの供給が必要なためランニングコストがかかるというデメリットもあります。

ファイバーレーザー

ファイバーレーザー加工機は、増幅媒質に光ファイバーを使ったレーザー加工機です。光ファイバーを媒質としたレーザー光であり、エネルギー効率が高く、極めて小さい焦点直径を持っています。

ファイバーレーザーのメリットは下記のようになります。

• レーザー光を細く、深く、ピンポイントで照射することができるため、CO2レーザーでは加工が困難だったアルミや銅などの反射率の高い金属でも加工できる
• ガスが不要であることや、少ない電力で動かせるなど、ランニングコストを抑えて利用できる
• 全て光ファイバーで構成されておりミラーやレンズ等がないため、頻繁なメンテナンスが不要

しかし、デメリットとして導入コストは非常に高く、CO2レーザー加工機の約1.5倍の価格になります。

まとめ

いかがでしたでしょうか？

今回は、レーザー加工の原理やメリット・デメリット、対象となる素材の向き不向きやレーザー加工機のレーザーの種類などを紹介させていただきました。

レーザー加工は、指向性・収束性に優れたレーザー光を使用して、さまざまな材料を精密かつ効率的に加工できる優れた加工法です。

デメリットもありますが、多くのメリットを有しているため多様な分野で活躍しています。

レーザー製品に関してご不明点やご要望などありましたら、お問い合わせフォームからお気軽にお問い合わせいただけますと幸いです。

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