3Dレーザー加工の進化

3D レーザー加工に関しては、航空宇宙産業がこの技術の主要ユーザーとして際立っています。 この用途では、タービン エンジンのブレードにレーザーで冷却穴を開けます。 画像: Prima Power Laserdyne

会話の中で「マルチプロセスレーザー加工機」というフレーズが発声されたとき、金属加工業者は最初に何を考えますか? おそらく、レーザー切断とパンチングを組み合わせた機械になるでしょう。

業界のベテランの中には、40 年以上前に、当時は国際工作機械ショーとして知られていた国際製造技術ショーでデビューした最初の「複合」機械を覚えている人もいるかもしれません。 ストリップピットは CO2 レーザーをタレット パンチ プレスに設置したところ、大ヒットしたことが判明し、大多数の工場でブランクを製造する際にレーザー切断技術が主流となっています。

しかし、一部の高精度金属加工業者にとって、マルチプロセス レーザーは別の意味を持ちます。 彼らにとって、この種のレーザー加工工作機械の起源は、最初の CO2 レーザーとタレット パンチを組み合わせたマシンがデビューしてから数年前に遡ります。 ミネソタ州の一部のエンジニアは、3 軸で移動できる集束 CO2 レーザー ビームを切断や溶接に使用できる機械を開発しました。 これは、レーザーが静止していて、金属シートが取り付けられたテーブルがレーザーの下で移動した場合ではありません。 この例では、ワークピースは静止しており、ビームはそこに照射されました。

これらの 3D レーザー マシンは初期のファンを獲得しました。 ハーレーダビッドソンは、深絞り部品をトリミングするためにそれらを使用しました。 その後、C 軸と D 軸に沿って移動できるレーザー加工機がゼロックス向けに開発されました。ゼロックスは、溶接されたコンピューター フレームに穴を開けて切断するための装置を探していました。

「当時は、これは型破りな加工だと考えられていました」と、3D レーザー加工機のメーカーである Prima Power Laserdyne のベテラン従業員である Mark Ba​​rry 氏は言います。 「人々はレーザーについてあまり知りませんでした。懐疑的な見方が多かったです。」

レーザーに対するそのような懐疑論は、現在では確かに存在しません。 その多くは、長年にわたり多くの金属製造会社で主力となってきた CO2 レーザー技術によって可能になりました。

しかし、ファイバーレーザー技術の発展により、状況は変わり始めました。 CO2 テクノロジーの場合のように、レーザーを作成するためにミラーとガスを備えた大きな共振器を必要とする代わりに、ファイバー レーザーが内部で作成され、光ファイバー ケーブルによって伝送されます。

ファイバー レーザー テクノロジーには、CO2 レーザーと比較して多くの利点があります。 ファイバー レーザーの波長 (1.06 ミクロン) は CO2 レーザー (10.6 ミクロン) よりも短いため、ファイバー レーザーの方が優れた吸収特性を示しました。 これにより、切断速度が向上し、銅、真鍮、アルミニウムなどの反射材をより効果的かつ安全に切断できるようになります。 ファイバーレーザーの集束ビームは、同様の出力の CO2 レーザーよりも高い出力密度を示します。 レーザービームの出力密度が高いということは、金属をより早く溶融状態にすることができ、より迅速な切断が可能になることを意味します。 また、ファイバー レーザーは CO2 レーザーよりもはるかにエネルギー効率が高く、メンテナンスの必要性も少なくなります。

これはまったくの経歴であり、現在、2D と 3D の世界の両方で、切断に関してはファイバー レーザーが主流のテクノロジーであることも不思議ではありません。

「昔は、レーザー切断機の電源を入れて、温まるまで 15 分ほど待っていました」とバリー氏は言います。 「それでは処理を開始できます。

ワイヤ送給装置とシールドガスの最適な分散により、レーザーを使用して、このドーム型チタン航空宇宙部品などのさまざまな反応性材料を溶接できます。

「今日ファイバーレーザーの前に行けば、電源を入れてすぐに処理を開始できます。前日に機械をシャットダウンしたときと同じビーム特性と品質が得られます。」

1990 年代半ばのファイバー レーザー テクノロジーは、連続波テクノロジーでした。 当時、これは 3D レーザー加工の主要な用途の 1 つとして台頭しつつあった穴あけ加工には適合していませんでした。

バリー氏は、Laserdyne が航空宇宙産業のメーカーと協力し始めたとき、その 3D 処理技術で急成長する顧客ベースを見つけたと語った。 さまざまな材料にさまざまな角度で数百の穴を数分で開ける能力は、フライス センターや EDM 機械では再現できませんでした。

しかし、これらのレーザー掘削活動は CO2 レーザー技術ではサポートされていませんでした。 バリー氏は、CO2 レーザーによって生成されるピーク出力、ビーム品質、ビーム形状は、高品質の穴を貫通して作成できるほど十分に制御できないと述べました。 「大量の飛沫が残るし、雄弁なプロセスではない」と彼は言う。

Nd:YAG レーザーはそのすべてを変えました。 ネオジムがドープされたイットリウム アルミニウム ガーネット内の原子がフラッシュランプによって励起されて、このタイプのレーザーが生成されます。 波長は 1.06 ミクロンで、レーザー穴あけプロセスに必要なピーク出力バーストを提供できました。 「あれでゲームは根本的に変わってしまった」とバリーは語った。

レーザー穴あけの最も単純なシナリオでは、ピーク出力の単一レーザー パルスを使用して金属を溶解および蒸発させ、明確に定義された穴を残します。 これを繰り返し実行すると、3D オブジェクト上に一貫したサイズの穴が作成されます。 レーザー穴あけの他の例では、持続時間の短い低エネルギーのレーザー パルスを複数回使用して穴が作成されます。 このアプローチは、より正確な穴やより小さな直径の穴が必要な用途に適しています。

大きな穴の場合は、フライスセンターと同様にトレパニングが行われます。 連続的なレーザーのつつきによってパイロット ホールが作成され、レーザーが円形パターンでパルスされることで穴のサイズが大きくなります。 溶けた物質は、増え続ける穴から落ちます。

バリー氏は、このタイプの穴あけでは直径 0.005 ～ 0.035 インチの穴を迅速に開けることができると述べました。 同氏は、レーザーは表面に対して90度だけでなく、最大20度まで穴あけできるため、航空宇宙企業に非常に気に入ったと付け加えた。 これにより、ジェット エンジンの冷却に使用されるコンポーネントの生産が大幅に効率化されました。 (民間ジェット エンジンは、動作中に 3,000 度以上の温度に達することがあります。これらのエンジンの機能を維持するには、冷却システムが不可欠です。)

Nd:YAG レーザーは、非常に強力な穴あけツールであることが判明しました。 唯一の本当のライバル技術は、熱エネルギーを使用して金属を除去する放電加工でしたが、レーザーに比べて非常に時間がかかります。

その後、1990 年代半ばにファイバー技術が登場し、バリー氏は、レーザーダインの同僚はこの新しいタイプのレーザーを検討する義務があると感じたと述べました。 Nd:YAG は、ピーク電力パルスを供給する点では CO2 よりも優れていましたが、パルス速度はそれほど速くありませんでした。 もちろん、CO2 は連続波モードで使用できるため、依然として切断の主な選択肢でした。 おそらくファイバーレーザー技術によりその性能が向上する可能性があります。

今日のレーザー加工機は、表面に対して非常に浅い角度で穴を開けることができます。

Laserdyne チームは、北米におけるファイバー レーザー電源の初期の商用サプライヤーの 1 つである IPG に連絡を取りました。IPG は、バリー氏と彼の同僚の言葉を借りれば、「レーザーマニア」に 20 kW の連続波ファイバーを貸し出しました。レーザ。

「それが私たちの始まりでした」とバリーは思い出します。 「1 年間導入しましたが、20 kW ファイバー レーザーのパワーを利用して、Nd:YAG レーザーで実行できるほぼすべての穴あけを行うことができました。」

ただし、問題がありました。 20 kW の連続波ファイバー レーザーは、レーザー加工工作機械に追加する費用対効果の高いものではありませんでした。 この技術が金属製造コミュニティに受け入れられるためには、より手頃な価格である必要がありました。

Laserdyne チームは IPG の社長、創設科学者、および最上級マネージャーに立ち戻り、そのジレンマを説明しました。 レーザーの専門家たちは、紙ナプキンに考えを書き留めながら、後に高出力の準連続波 (QCW) ファイバー レーザーとなるものを思いつきました。

連続波ファイバーレーザーの特性の一部を保持しているため、「準」はこのタイプのレーザーを説明するのに適しています。 大きな違いは、このタイプのレーザーは有利な波長を持ち、ピークパワーパルスを供給できるため、レーザー穴あけに適していることです。 これは、電源を変更し、アクティブ ファイバに接続されるポンプ ダイオードの数を増やすことによって実現されます。

この QCW ファイバー レーザーにより、Laserdyne は電源に必要な柔軟性を実現しました。 20 kW のピーク出力と 2 kW の平均出力を自由に使える 3D レーザー加工機は、ピーク出力で穴を開けたり、平均出力で薄い材料を切断したり積極的に溶接したりできます。

「これは私たちの業界にとって大きな変化でした」とバリー氏は語った。

今日に至るまで、Prima Power Laserdyne は 3D レーザー加工機に QCW レーザーを使用しています。 その大部分はタービン エンジン冷却システムのコンポーネントの製造に使用されており、その一部は非常に大型になる場合があります。

たとえば、ロケット ノズルは直径約 8 フィート、高さ 6 フィートになることがあります。 これほど大きなものに取り組むには、ビーム動作5軸、回転テーブル動作2軸、シャトルテーブル動作1軸の計8軸の動作を備えた3Dレーザー加工機が必要です。

「顧客は、この種の機能があれば仕事に行けることがわかっています」とバリー氏は言う。

3D レーザー加工機は、複数のプロセスに対応できるように進歩し、初期の 5 軸 CO2 システムが最初に市場に登場したときには存在しなかったビーム モーション システムを提供できるようになりました。

企業は依然としてこれらの 3D システムをプレス部品のトリミングや航空宇宙部品のレーザー穴あけに使用していますが、製造分野全体にわたる潜在的な用途を見ると、溶接用途は過小評価されているとバリー氏は述べています。 同氏はレーザー溶接を「おそらく規格外の製造生産の最後の砦」と呼んだ。

レーザー ビームの出力密度により狭い溶接池が形成され、材料の奥深くまで浸透します。 これにより、きれいな溶接ビードが得られ、多くの場合、溶接後の仕上げが必要なくなります。 このプロセスは、1 回のパスで迅速かつ正確に実行することにも適しています。

さらに、レーザー溶接では、接合部の周囲に限定された熱影響部 (HAZ) が形成されます。 (これは、車両のエアバッグ アセンブリの溶接にこの技術が使用された理由の 1 つであり、エアバッグを展開する際、実際には起爆装置が含まれていました。) 制限された HAZ により、金属の歪みと残留応力が軽減されます。

レーザー溶接は、しっかりと取り付けた状態で行うのが最適です。 これには、部品間で一貫した高許容度の曲げを実現するために、最新のプレス ブレーキ技術の使用が必要になる場合があります。 フィラーワイヤをレーザー溶接で使用すると、適合性の低下や不一致を補うことができます。

実際、ファイバー レーザーの出現は、レーザー溶接の改善に役立ちました。 CO2 レーザーを使用してレーザー溶接を行うと、プロセスでプラズマが生成され、溶接の溶け込みが減少します。 プラズマの生成を減らすためにさまざまな種類のシールドガスが使用されましたが、リスクは常に存在していました。 ファイバーレーザーは通常、プラズマ形成を受けません。 (遅い溶接速度で厚い部分を溶接する場合、溶接部の上にガスの雲が形成され、接合部の品質が脅かされる可能性がありますが、シールドガスを使用するとこれを最小限に抑えることができます。)

Prima Power Laserdyne の製品マネージャーである Dominic Louwagie 氏は、高度な制御により、3D レーザー加工機は前世代よりも使いやすくなったと付け加えました。 制御は、加工アプリケーションのレーザー出力とカバーガスおよびアシストガスの流量を調整します。

「オペレーターがしなければならない唯一のことは、ガスの流れと圧力に合わせて最適化されたノズルを物理的に交換することだけです」とロウワギー氏は語った。 レーザー切断から溶接に移行する際に必要となる完全な切り替えは、2 分以内に完了します。 (レーザー穴あけとレーザー切断では、同じタイプのノズルが使用されることがよくあります。)

レーザー加工は過去 30 年間で大きな進歩を遂げました。 工作機械はレーザー用に設計されており、単にタレット パンチ プレスに取り付けられているわけではありません。 レーザーは、品質と生産性の点で他のテクノロジーが匹敵するのが難しい、切断、穴あけ、溶接の結果を実現できるところまで進化しました。 これらのレーザーの使用に関しても、業界はより賢く成長しました。

「30 年前、人々はよく私たちのところに来て、『これをレーザーでできますか?』と言っていました。 」言った。

「今日、私たちは材料加工に関して何ができるかを知っています。あとはそれが実用化されるかどうかを判断するだけです。」

次のステップは金属加工業者です。 3D レーザー加工は、レーザーの助けを借りずに現在行われている作業よりも優れた仕事を行うのに役立ちますか?

金属切断は、40 年前に CO2 レーザー技術が産業見本市でデビューしたときの最初の用途の 1 つでした。 現在、ファイバー レーザー テクノロジーは 2D および 3D アプリケーションでの金属切断に使用されています。