レーザー加工機

レーザー加工機とは?

レーザー加工機の歴史

最初にCO2レーザーが開発されたのは1960年代で、急速に出力が拡大し、1967年までに1,000Wを超えるCO2レーザーが可能になりました。レーザー加工の工業用途は、1967年5月にイギリスの溶接研究所で、ピーター・ハドクロフトが厚さ1mmの鋼板切断に酸素アシストCO2レーザービームを使用したことが始まりです。

レーザー加工機の特徴

メリット

レーザー加工のメリットは以下のようなものが挙げられます。

  • 仕上がりが早く、作業に手間がかからない
  • レーザー加工では、基本的に金属の加工には必須であった「金型」と呼ばれる元の型が必要ありません。その代わりにパソコンで形を作るため、一度型を作った後はデータを入力するだけで加工や生産ができます。
  • 金型を使わないため、加工の際の金型交換の手間が省けて、作業効率が良くなります。
  • 仕上がりが綺麗
  • レーザー加工機を使えばバリやカエリの発生を抑えることができるので、切断面をきれいに仕上げることができます。
  • また、加工の際に歪みやひび割れが発生するリスクもなく、安定した品質を保つことができます。
  • 加工の素材の自由度が高い
  • 加工できる素材の幅が広く、他の方法では硬すぎる金属や柔らかすぎる布の素材でも、レンズや照射の出力を変えることで問題なく加工することができます。
  • また、穴あけや切削以外にも、製品に文字を入れ込むマーキング、溶接や熱処理など様々な加工が可能です。
  • 難度の高い加工が可能
  • レーザーの光が細く、他の加工機器では穴あけが出来ないような細かく小さな場所や曲線を辿った切断でもレーザーなら安定して正確に加工することができます。
  • メンテナンスに手間がかからない
  • レーザー加工では材料と工具が接触しないため刃物や研削盤を消耗することがなく、メンテナンスに手間が掛かりません。メンテナンスで必要なのはレンズやアシストエアーを清掃する程度なので交換作業も発生しません。
  • また、加工時に材料を切った後の粉塵が出ず、刃物などに付かないため、除去する手間も省けて作業が楽になります。

デメリット

  • 加工速度が遅い
  • 切削加工やプレス加工と比べると加工速度に劣る面があります。金属加工にはレーザー加工以外にも速度が速くて精度が高い加工方法がたくさんあるので、必要に応じて適材適所の板金機械を使っていくのが良いと思われます。
  • 厚板の素材は加工しづらい
  • レーザー加工には「適切な焦点距離」というものがあり、その焦点距離の範囲でないとエネルギー密度が低下して素材が溶かせなくなります。この焦点の位置から遠ざかってしまうと、レーザーの威力が弱まって加工できなくなるのです。
  • 反射率の高い素材は加工できない
  • 古いタイプのレーザー加工機の場合、アルミや銅などの比較的反射率が高い素材では加工がうまくいかないことが多いです。近年では、反射率が高い素材にも対応できるレーザー加工機が開発されています。
  • コストが高い
  • 性能の良さの分、本体価格はもちろん消耗品や維持費にもかなりの費用がかかり、光熱費に加えて焦点レンズやミラーも定期的に交換しなければならないため、コストがかかります。

レーザー加工機の種類

ファイバーレーザーとCO2レーザー

CO2レーザー

レーザー加工機のうち最も使用されている種類のもので、名前にあるように二酸化炭素を利用しているガスレーザータイプの加工機です。

金属、木材、ゴム、ガラスなどほとんどの素材に適応できる上に活用の幅に加え値段も他2種類の加工機よりも安いためCO2レーザーが主流になっていると考えられます。ただし弱点としては、アルミや銅などの反射が強い金属には不向きであることが挙げられます。

ファイバーレーザー

ここ数年の間に開発された新しいレーザー加工機で、CO2レーザーには向かない銅やアルミなどの難溶接材や反射が強い金属の加工ができ、CO2レーザーの弱点を補う特徴を持っています。

加工機自体の価格は高いものの、レーザーガスが不要であったりエネルギー効率が良かったりと、ランニングコストを安く抑えられます。

近年出始めたばかりで本体価格も高いため、まだまだ普及していませんが、汎用性の高さから今後の進展を期待できます。

レーザー加工機の仕組み

高エネルギー密度のレーザー光を照射し、熱エネルギーで対象物を融解し蒸発させる技術を「レーザー加工」と呼ばれています。

レーザー加工機の原理

ファイバーレーザー

ファイバーレーザーは特殊なファイバーに光を通すことにより、特定の波長の光を増幅し発振することが出来るレーザーです。

ファイバーレーザーには、インナークラッドの中心部に希土類が添加されたコア(Active (doped) fiber core)を形成したファイバーを使用します。

励起光(ポンピング波長)はアウタークラッドとインナークラッドの境界で全反射しながら進んでいき、その過程において中央に形成したActive (doped) fiber coreを通る事でレーザー光が発生します。

励起光はコアに添加された希土類を通過することで減衰していきますが、レーザー光はActive (doped) fiber coreの中を全反射しながらさらに励起を繰り返し、増強されていきます。

CO2レーザー

CO2分子は,1個の炭素(C)原子と2個の酸素(0)原子が三角形のように結びついている構造をしています。この分子の中の,原子間の振動状態の変化がレーザーに直接関係しています。この原子間を結び付けているバネのようなものが伸縮振動したり角度が変化したりすることで,エネルギー差を作り出します。これがレーザーのエネルギー準位を作り、レーザーは10.5μm付近の波長の光を出します。結合の曲げや振動に関係するエネルギー準位によるレーザーは9.6μm付近の光を出します。

レーザー加工機の構造

レーザー加工機は、主に「レーザー発信器系」「加工光学系」「加工物質系」の3つの部分から構成されています。

レーザー発振器系

レーザー光を発振する装置のことで、加工する材料や板厚、求められる加工の精度などによってレーザー光の波長や出力を選ぶ必要があります。切断用の熱源としてはCO2レーザーが一般的です。

加工光学系

レーザー発振器から発生したレーザーを集光してテーブルに照射するための装置です。レーザー発振器からレーザー光を伝送する「光路」と、伝送されたレーザー光を集光して対象物へ照射する「集光系」とから構成されています。反射ミラーを利用してレーザー光を伝送するタイプと光ファイバーを利用して伝送するタイプの2つがあります。

また、レーザー光によって融解・蒸発した金属を除去するための「アシストガス」、溶接の場合はシールドガスなどの噴射装置も加工光学系に含まれています。

加工物質系

加工物を固定するためのテーブルおよび加工物を指します。切断などでレーザー光の照射位置を移動させる場合、集光系もしくはテーブル、あるいはそのどちらとも動かす必要があります。その際には、テーブルに駆動システムを組み込みます。

レーザー加工機でできること

彫刻

レーザー彫刻は、材料に照射されているレーザー光により削られていく加工です。木や皮のように熱で焦げる素材や、ゴム・プラスチックのような熱で溶ける素材に対して文字や絵を彫刻することができます。

カッティングシート

レーザー加工機を用いてカッティングシートを加工し、ロゴマークなどを作成することもできます。しかし、加工するカッティングシートにポリ塩化ビニル(PCV)が含まれている場合はレーザー加工機をっ使用することはできません。レーザー加工時に熱を加え、有毒ガスが発生してしまうからです。加工する素材にPCVが含まれていないことを確認してから使用しましょう。

溶接

溶接したい金属にレーザー光を照射すると、金属は局部的に溶融します。それを凝固させることで金属を溶接することができます。

レーザー光は波長が揃っていて指向性が強いので、レンズなどで光を集めると焦点がとても小さく絞ることができます。小さく絞ったところにエネルギーを集中させることができるので熱をかける面積が非常に小さくて済み、溶接速度も速いことが特徴です。

レーザー加工機で扱うことのできる素材

金属

鉄は酸化しやすく錆びやすいため、100%の純度で使用されることはほぼなく、炭素を2%以上含んだ「鋼」と呼ばれる素材が、日常的に鉄とされています。

曲げる等の加工がしやすい素材なうえに、単価が安く大量生産にも適してることから鉄は幅広い場所に用いられています。コストパフォーマンスが高いため、価格重視の場合によく使用されています。

ステンレス、アルミと比べると耐食性や装飾性は劣りますが、種類が豊富にあり、使用目的に応じて使い分けることもできます。

アルミ

アルミは日常生活でも身近な金属素材のひとつで、アルミホイルから家電、建築材料まで幅広い用途で使用されています。加工がしやすく可塑性が高いため、いろいろな形状に加工することができます。

また、熱伝導性が高く熱伝導率は鉄に比べて約3倍にもなります。ただ、熱が逃げやすい性質もあるので、加工中の工具とアルミ材間において温度の急上昇は見られにくく、工具とアルミ材両者への影響を抑えることができます。さらに、アルミは溶接や接着、はんだ接合などさまざまな方法での接合に対応しています。

ただし、CO2レーザー加工をアルミに施すと、アルミの反射によって加工機自体に影響を及ぼす可能性があることから、施工を受け付けることができないケースも見られるため、事前に確認が必要です。

ステンレス

ステンレスは、耐腐食性が高く熱伝導率が低い金属で、板金加工で用いられることの多い素材です。刃のついた工具を用いて加工しようとすると、ステンレス材の硬さから工具の刃先における摩擦で消耗しやすくなってしまいます。そのため、刃を直接当てる必要のないレーザー加工を用いてステンレス材を加工する方法が重宝されています。

樹脂

レーザーとの相性が特に良いアクリルを始め、PETやABS、PP等ほとんどのプラスチックやゴム印の加工にもレーザー加工が用いられています。

ガラス

レーザー加工機を用いることで、洗練された美しいデザインをグラスやコップに彫刻することができます。ワイングラスやビールジョッキ、鏡、窓ガラスなど、あらゆるガラスの素材に、写真やレタリングを彫刻したり、ロゴのデザインを彫刻したりすることができます。

紙・木材

通常、紙や木材の切り抜き加工には型が用いられますが、レーザー加工機での加工なら型は不要であるため、その分彫刻のための費用が安く抑えられます。また、型抜きでは再現できない細かい模様や難しい曲線も加工が可能になります。

レーザー加工機での布地へのカット加工は、ハサミや電動カッターでは手間や時間がかかる複雑で緻密なデザインでもきれいにカットすることができます。また、レーザーの熱により繊維が溶けてくっつき切断面の綻びを防ぐため、カット後の始末も簡単です。

レーザー加工機の使い方

データ作成

レーザー加工には、まず切り抜くデザインのデータが必要になります。切り抜くデザインデータの作成には、Illustratorなどを用いてDXFデータやBMPデータを作成します。

レーザー加工機での処理としては、DXFデータをVEFデータに、BMPデータをRAFデータに変換することで材料を加工できるようになります。

使用例と作品例

金属への加工例

布地への加工例

レーザー加工機の注意点

温度

レーザー加工の精度や品質を保つためには、レーザー加工機の周囲の環境を適切な温度で管理する必要があります。特に、レーザー加工機の重要な部分であるレーザー発振器は動作が温度の変化に左右されやすく、機器の稼働の鈍さやレーザー発振器の寿命にも影響を及ぼします。

最適な温度環境の目安は、室温が15℃~25℃、相対湿度が40%~70%と言われていますが、マシンにより異なるのでメーカーの確認が必要です。特に寒い季節になると、室内温度が15℃以下になる可能性があります。暖房機やエアコンで室温を上げるときは、室内温度をまずゆっくり温めてからマシンを起動することでレーザー発振器やマシンの故障の可能性を下げることができます。

火災事故

レーザー加工中は、特定の条件が重なると加工素材が燃え、火災が発生する可能性があります。火災事故を防ぐためには、以下の事項を確認することが大切です。

  • 周辺機器の動作を事前に確認する
  • 周辺機器の電源の入れ忘れは、火災事故の原因になります。作業前に必ず周辺機器が正常に動作しているかを確認する必要があります。
  • 加工中はレーザー加工機から目を離さない
  • 万が一出火した際には、すぐに消火することが重要です。加工機の作動中は、必ず目の届く範囲で異変に気が付くようにしましょう。
  • 機械内部にごみを残さない
  • 加工機の加工エリアやハニカムの下などに切りカスが堆積すると、出火の原因になることがあります。定期的に清掃するようにしましょう。

耐用年数と減価償却

レーザー加工機は、製造業の業種によって法定耐用年数がそれぞれ定められています。国税庁のホームページを参照し自身の業種に合わせた耐用年数を確認し、1年ごとの減価償却費を計算する必要があります。

レーザー加工機のランニングコスト

メンテナンス

レーザー加工機のメンテナンス費用には、一般的には約6万円がかかるとされています。これは基本工賃や時間工賃、時間拘束費が含められます。電気代や集塵脱臭機費、レーザー発振器やパーツの交換費も含めると、1年あたりのランニングコストは約26万円~36万円がかかります。

レンズの清掃

レンズの清掃は、レーザーカッターを通常8時間以上使用した後に行う必要があります。この清掃をきちんと行わないと、レーザーカッターの動作に影響が出ることがあります。

おすすめのレーザー加工機

レーザー加工機を扱っているメーカー

国内メーカー一覧

  • 日酸TANAKA㈱
    ファイバーレーザー・CO₂レーザー共に『軌条タイプ』を主として販売しています。

このメーカーの特徴は、発振器搭載型CO₂レーザー切断機 納入実績No.1の日酸TANAKAが、独自のファイバーレーザー技術により「低ランニングコスト」および「安定した厚板切断」を可能としていることです。

http://nissantanaka.com/index.html

  • 小池酸素工業㈱
    ファイバーレーザー・CO₂レーザー共に『軌条タイプ』を主として販売しています。

特徴は、切断に最適な光路長を得る為のΣボックスと発振器をキャリッジに搭載した独自の構造により、抜群に安定した光軸と切断性能を得る事ができることです。

https://www.koike-japan.com/jp

  • 三菱電機㈱
    ファイバーレーザー・CO₂レーザー共に『パレットタイプ』を主として販売。

特徴は、レーザー発振器、コンピューター数値制御(CNC)装置、駆動制御部品などの主要部品をはじめ、部品の大半を自社開発していることです。
三菱独自のピッキングシステムとのセットアップが可能となっています。

https://www.mitsubishielectric.co.jp/fa/products/mecha/laser/index.html

  • アマダ
    ファイバーレーザー・CO₂レーザー共に『パレットタイプ』を主として販売。

特徴は、独自の複合機(タレットパンチャー)などの自社製造販売をしていることです。

https://www.amada.co.jp/ja/products/amd/

海外メーカー

  • トルンプ
    ファイバーレーザー・CO₂レーザー共に『パレットタイプ』を主として販売。

特徴としては、いち早く大出力の加工機を販売している点や立ち入り禁止区域の設定など安全性に特徴がある点が挙げられます。

https://www.trumpf.com/ja_JP/

レーザー加工機の価格相場

 レーザー加工機の価格は各仕様により変わりますが、価格の相場は

 出力2KwのCO₂レーザー(本体)で¥35.000.000~

 出力2Kwのファイバーレーザー(本体)で¥45.000.000~  となります。

レーザー加工機の比較(加工機本体)

CO₂レーザーとファイバーレーザーの違い

 CO₂レーザーは販売開始から長い歴史があり初期の頃の価格より低価格となっている一方で、ファイバーレーザーは販売開始より歴史が浅くまだまだ価格が高値となっています。

 導入後の違いとしては以下のような点があります。

  • ファイバーレーザーはCO₂レーザーに比べ消費電力が少ない。
  • CO₂レーザーは発信機より出力されたビームの光路がある(ミラーとレンズを複数使用し構成される)ため、維持メンテナンスの費用が高額になる。
  • ファイバーレーザーは、上記の光路が光ファイバーに代わるためメンテナンスが容易。

軌条タイプとパレットタイプの違い

 軌条タイプは、加工台の両脇にレールを敷いて、その上を加工機が移動する構造です。メリットとしては、ロール材の様な長尺材の切断作業に向いていることや長時間連続切断作業が可能であることがあります。

 パレットタイプは、軌条タイプと違い省スペースです。そのため、パレットチェンジャー使用時には板厚が変わっても、段取りが容易であるというメリットがあります。

ユーザー様別おすすめレーザー加工機

 軌条タイプは前述のメリットがあることから切板販売業・長尺切断加工ユーザー様に、パレットタイプは金属加工全般・特殊素材加工業(布・木・樹脂)様に向いています。

私たちの特徴/サービス内容

設備別に、以下の内容のサービスを提供しております。

レーザー加工機

  • 用途に応じた機種選定
  • ガス配管設備及び供給設備の設計・施工
  • CEタンク(酸素・窒素)の設置及びLGC(酸素・窒素)供給・自社製レーザーガスの供給
  • 機器設置工事
  • アフターフォロー(レーザー本体及びガス供給設備の点検等)
  • 各種補助金についての情報提供

自動溶接・ロボット溶接

  • 用途に応じた機種選定
  • ガス配管設備及び供給設備の設計・施工
  • 機器設置工事
  • アフターフォロー(自動溶接・ロボット溶接本体及びガス供給設備の点検等)
  • 各種補助金についての情報提供

ショットブラスト

  • 用途に応じた機種選定
  • 協力会社に依る機器設置
  • アフターフォロー(本体及び周辺設備の点検等)
  • 各種補助金についての情報提供

レーザー加工機の補助金情報

ものづくり補助金解説レポート

ものづくり補助金とは、新しいものづくり(試作品開発・生産など)やサービスの開発に挑戦する中小企業と小規模事業者を支援するために交付される、中小企業庁が実施する補助金です。

予算も多く1件当たりの金額がそれほど高額ではないので、採択される数も多いのがこの補助金の特長です。設備投資や設備開発を行う中小企業や小規模事業者は、この補助金の申請を検討することをお勧めします。

【補助金解説レポートDLのリンク設置】

ものづくり補助金を受給するためには、以下のいずれかを満たす必要があります(※ただし、実施年度によって異なりますので、必ず応募要項を確認するようにして下さい)。

認定支援機関の全面バックアップを得た事業を行う中小企業・小規模事業者等であり、以下の要件のいずれかに取り組むものであること・「中小サービス事業者の生産性向上のためのガイドライン」で示された方法で行う革新的なサービスの創出・サービス提供プロセスの改善であり、3~5年で「付加価値額」年率3%及び「経常利益」年率1%の向上を達成できる計画であること。

または

「中小ものづくり高度化法」に基づく特定ものづくり基盤技術を活用した革新的な試作品開発・清算プロセスの改善であり、3~5年で、「付加価値額」年率3%及び「経常利益」年率1%の向上を達成できる計画であること。

申請する補助金事業が決まったら、募集時期や書類提出時期に合わせて計画を立てます。しかし、事業計画書や申請書類が通っても、受給が確定したわけではありません。実際に補助金の支払いが確定するのは、事業の実績報告の審査後であるため、それを念頭に置いた上での計画が必要になります。

事前審査では、申請書の作成が最も重要です。申請が初めての場合、検査項目をしっかり確認し、漏れのないよう正確に記入しましょう。

事業計画を書くときのポイントは、事業をひとつのストーリーとして組み立てることです。自社や業界が抱えている課題を明確化し、レーザー加工機の導入でどのように課題を解決できるのかを、具体的な数字や方法を挙げながら記入すると効果的です。

さらに、他社との違いや自社独自の強み、事業の継続性などの説明を補うことで、より説得力を持たせることができます。

また、「読みやすさ」も意識して書類を作成するとなお良いです。審査員が業界や申請企業について詳しくない可能性もあるため、誰からも読みやすく分かりやすい書類であれば、印象もなります。

はじめて書類作成をされる方にとって書類作成は、レーザー加工機の導入を支援するコンサルティング会社に相談すると安心です。補助金の申請には長い準備期間や多くの手続きが必要です。しかし、補助金を受けてレーザー加工機を導入できれば、よりよい職場環境の実現や、さらなる事業発展につなげられるチャンスとなります。[a]

レーザー加工機の導入をお考えの方へ

FA/IoT事例集

[a]別ページ(DLフォーム)で記載