発見

ユニバーサルのガスアシストと光学部品保護の仕組み

ユニバーサルのガスアシストと光学部品保護は、さまざまなコンポーネントを使用して、レーザー加工による副生成物を処理し、加工品質とスループットを上げ、メンテナンスを低減します。この目的で使用されるコンポーネントは、次の4つに分類されます。

手動ガスアシストとコンピューター制御のガスアシスト

ガスアシストは、レーザーの焦点が当たる加工材料の部位に向けてガスを噴射します。これは、基板に裁断くずが付着するのを妨げ、特定の化学反応を防止または促進し、バルク材料を除去します。ガスは、エアコンプレッサまたは外部のガスタンクから供給できます。

光学部品保護

光学部品保護は、レーザーシステム内の複数のディフューザーに清潔な圧縮エアを常時吹き付けます。これらのディフューザーから排出される空気により、鏡やレンズなどの重要な光学部品の周囲に空気圧のバリアが作り出されます。これにより、加工時に発生したホコリや裁断くずによって光学部品の表面が汚染されるのを防ぎ、光学部品の寿命、加工スループット、品質を向上させます。

コンピューター制御のガスアシストは、ガスアシストと同じように機能するのに加え、サーボバルブを通過するガスの流量を制御します。これにより、設計ファイルごとや、同じ設計ファイル内のプロセス間でガスの噴射速度を変更することができます。さらに、ユニバーサルシステム一部のモデルでは、混合ガスとその比率を選択することもできます。

ユニバーサルのエアコンプレッサ

圧縮エアは、工場エア、エアタンク、またはエアコンプレッサなど、さまざまなタイプの空気源から供給できます。レーザー加工の空気源を選択する際には、空気の清浄度、および湿気や油分が含まれているかなどの要素を考慮する必要があります。ユニバーサルは、光学部品保護とガスアシストコンポーネントの両方について最適に調整された空気を供給する圧縮エアソリューションを提供しています。さらにコンプレッサは、空気を必要としているときにのみ空気を供給することでレーザーカッター、彫刻機、マーカーを制御して、不必要な摩耗や騒音を減らし、不要な電気代も削減します。

ガスアシスト付属品

ガスは、同軸ガスアシストまたは横方向ガスアシストの2つの異なるガスアシスト付属品を使用して供給できます。同軸ガスアシストは、材料の表面に対して垂直にガスを噴射します。ビーム光路を妨げないようにしつつ、材料との最適な距離を維持するために、同軸ガスアシストは集束レンズごとに用意されています。横方向ガスアシストは、材料の表面に沿って空気を噴射します。位置と方向の両方を調整できるため、材料のニーズに確実に合わせることができます。どちらのタイプのフローも、さまざまな材料加工用途に適しています。

ガスアシストアタッチメント（左）、同軸ガスアシスト（中央）、および側部ガスアシスト（右）がないキャリッジの描写

ガスアシストアタッチメント（左）、同軸ガスアシスト（中央）、および側部ガスアシスト（右）がないキャリッジの概略図

レーザー加工の向上

レーザー加工では、ホコリ、裁断くず、流出物、煙、蒸気など、さまざまな副生成物が生成されます。これらの副生成物の性質は、材料に大きく依存します。たとえば、木および紙の製品をレーザー加工すると燃焼が起こり、煙と灰のほかにCO₂と水蒸気が発生します。アルマイト板をマーキングしても、副生成物はほとんど発生しません。陽極酸化された皮膜内の有機染料がレーザーにより分解されるためです。鉄や鉄化合物をマーキングすると、コントラストの高いマーキングを施す用途には有効な場合もありますが、切断する場合は不適切な金属酸化物が生成されます。

ガスアシストおよびコンピューター制御のガスアシストでは、このような副生成物を制御するために、加工時に窒素、ヘリウム、アルゴン、空気などのガスが噴射されます。機械による副生成物の除去、熱伝導、化学反応の促進または抑制という3つの異なる機構によって、加工後の材料の品質を大幅に向上できます。

機械による副生成物の除去

使用するガスの種類に関係なく、加工部位にガスを噴射することにより、材料とその周辺に堆積した副生成物を除去します。レーザーエネルギーに曝されると溶融する材料の場合は、溶融した材料を排出することで、きれいで一貫性のあるレーザー切断とレーザーマーキングを施すことができます。ガスを発生させる材料は、レーザーエネルギーの伝播を阻害したり、部位の化学組成を変化させる場合があります。ガスを排出することで、加工品質を向上させることができます。材料の中には、急速に固まり、表面に対するレーザービームの光路を遮ってレーザー加工を阻害する可能性があるものがあります。このような場合は、材料によって加工が阻害されないように、その材料を除去することが非常に重要です。

同軸ガスアシストおよび横方向ガスアシスト付属品を使用すれば、材料を表面から除去する方法を制御することができます。同軸ガスアシストは、材料に空気を噴射することにより、切断、彫刻、マーキング加工で発生するレーザー加工の副生成物を除去することができます。横方向ガスアシストは、材料の表面に沿って、さまざまな角度で空気を噴射できる調整可能な付属品です。同軸ガスアシストと横方向ガスアシスト付属品はどちらも、最適な加工のために各ラインに汚染がないことが必要なラスターマーキング用途で特に効果的です。どちらの付属品も、工具なしで着脱が可能なため、加工の柔軟性が向上します。

同軸ガスアシスト（左）は、切断を通してレーザー材料加工の副生成物を誘導し、材料を冷却し、エアアシストで利用可能な酸素を増加させることにより、切断性能を向上させます。側部ガスアシスト（右）は、レーザー材料加工の副生成物を材料から排気の方へ向かって導きます。

熱伝導

材料からの機械的な副産物除去に加えて、ガスアシストは、レーザー材料加工の際発生する熱を消散させることにも役立ちます。これは、高温に敏感な材料や熱影響域を発生させるような材料に有益です。

化学環境の制御

加工ポイントに注入されたガスで、窒素、酸素、および微量の他のガスを含む混合ガスをから成る周囲空気を置換します。これらのガスは、レーザー加工中に材料と化学的に相互作用する可能性があります。これらの反応の化学的性質は、高度に材料に依存しており、非常に複雑にもなる可能性があります。不適切なガス組成は、過度の炭化、酸化および変色などの一連の加工欠陥を引き起こす可能性があります。さらに、加工効率を低下させたり、さらには装置の動作上の安全性に影響を及ぼす可能性もあります。

幸い、理想的なレーザー材料加工は、同軸ガスアシストまたは側部ガスアシストのいずれかを使用して、空気（N2およびO2）を異なる混合ガスで置き換えることによっても達成可能です。2つのアタッチメントで、局所的な化学環境を正確にコントロールすることができます。

ポリエチレン、ポリプロピレンのような低分子量の有機材料や、紙や木材などの天然材料は、レーザーと材料の界面に炎を発生させる傾向があります。この炎は、レーザー加工の強度な熱と、材料および空気中の酸素が相互作用することによって引き起こされます。このような火炎の結果、作成する部品に悪影響を及ぼしたり、潜在的に操作上の安全性を損なう恐れがあります。ガスアシストは、窒素、アルゴン、ヘリウムなどの不活性ガスで周囲にある空気を置換するために使用され、酸素濃度を劇的に下げ、それによって燃焼反応を抑圧して、火炎の可能性を排除します。

運用コストの削減

加工ガスを使用することで、スループットが大幅に向上する場合があり、ときには、加工ガスを使用しないと加工できない場合もあります。加工ガスを使用すると、加工スループットが2倍、場合によっては3倍になることも珍しくありません。これにより、サイクルタイムが短縮されるとともに、部品製造のためのすべてのリソースを削減できます。

加工ガス（珍しい種類は特に）は、非常に高価な場合があります。ユニバーサルのコンピューター制御ガスアシスト技術は、ガスを局所的に噴射することによって無駄を最小限に抑えます。さらに無駄を減らすために、特殊なバルブにより、ガスの噴射量を自動的に制御します。このバルブは、レーザーシステムの待機中やガスを必要としない特定のプロセスなど、ガスを使用しない場合は、ガスの噴射を停止します。このような機能はすべて、ガスアシストの使用による運用コストを削減します。

システムの安全性の向上

一部の材料では、ガスアシストを使用せずに加工した場合に、安全上の問題が発生する可能性があります。ガスにより、加工部位から可燃性の裁断くずを除去したり、材料から発生した炎を消火したり、自立燃焼を抑制することができます。これらすべての機構によって、加工時に材料が発火するリスクを抑え、システム、施設、およびユーザーの安全性を向上させます。

Cutting ガスアシストなしのアクリルの切断は、アクリル副産物の発火が起こり、結果として加工品質の劣化や安全性が極端に低下します（左）。ガスアシストによるアクリルの切断は、アクリル副産物の制御されていない燃焼を除去し、加工プロセスの安全性を高めながら、炎で磨かれたエッジを作り出します（右）。

メンテナンスの軽減

光学部品を保護することで、重要な光学部品の汚染を最小限に抑えることができます。機械的な工程と化学的なクリーニング工程の両方によって、被膜が消耗したり、特殊な光学部品の表面が傷ついたりすることで、レーザーエネルギーの吸収率が高まり、さらに損傷が悪化する場合があります。この雪だるま現象は光学部品保護で簡単に防ぐことができ、これにより高価な光学部品の寿命を延ばすことができます。さらに、光学部品が汚染されると、材料に伝わる出力量が減少し、特定の用途ではレーザーシステムのスループットが減少する場合があります。光学部品を保護することでこの問題を回避し、非常に汚染された環境下でも最適な出力レベルでレーザーシステムを稼働させることができます。