レーザー加工とは？メリットや原理・種類・活用方法などを解説
レーザー加工は、精密機器や電子機器、自動車、航空宇宙、医療等、あらゆる産業分野の製造過程の工法として活用されています。
様々なところで使われているレーザー加工ですが、そもそもレーザーとは一体何なのか、レーザー加工の特長、原理、メリット等を紹介していきます。
レーザー加工とは？
レーザー加工とは、高いエネルギー密度のレーザー光を加工したい材料に照射し、そのエネルギーで材料を溶融・蒸発させることで加工する加工技術です。
虫眼鏡で太陽の光を集めて紙を焦がすのと同じ原理で、レーザー光をレンズを使い非常に小さな点に集光させて高いエネルギー密度にすることで、加工対象物に照射することで溶解・蒸発温度まで昇温し加工します。
レーザー加工には、孔あけ・切断・溶接・彫刻・表面改質等の様々な加工を施すことができ、材質も金属・セラミックス・ガラス・樹脂・木材等、幅広い加工に適用できます。
東レ・プレシジョンでは、主に金属・セラミックス・ガラスなどの材料に、精密な孔あけ・切断・形状加工が可能なレーザー加工機をラインナップして受託加工しています。
レーザー加工の原理
①レーザーの発振
レーザー発振器で特定の波長を増幅させ、強力なレーザー光を発生させます。
②光の伝送と集光
上記①で発生させたレーザー光をミラー、または光ファイバーを用いて加工対象物の加工点まで伝送させます。また、レンズで集光させて微小な焦点を構成します。
③材料への照射と加工
集光された高エネルギーのレーザー光を加工対象物に照射すると、照射エリアが急激に加熱され、加工対象物が溶融または蒸発することで加工が施されます。
なお、加工にレーザー光が利用される要因として下記4つの性質が挙げられます。
| A：指向性 | レーザー光は直進性に優れ、ビームが広がりにくく、遠くまで届く性質があります。 |
|---|---|
| B：単色性 | 特有の単一波長で成り立つ。プリズム等で分解されることもありません。 |
| C：コヒーレント (可干渉性) |
レーザー光は、光波の振幅の山と谷が規則正しく位相が一定であるため位相の揃った光で、干渉性が高いです。 |
| D：収束性 | 集光性が高く、小さい焦点エリアに高密度にエネルギーを照射できます。 |
上記の性質から、高精度でかつ、扱いやすい側面を持っており加工に適しているといえます。
レーザーでできる加工の種類
レーザー加工には大きく下記の4つの加工種類に分類できます。
A：除去加工
レーザー光を加工対象物に照射し、溶融・蒸発させて取り除く加工。
精密な加工や複雑な形状を施すことが可能。
例：・切断加工 → 加工対象物を完全に切り離す
・孔あけ加工 → 加工対象物に孔をあける
・彫刻／マーキング → 加工対象物の表面を削り、文字、図形を施す
B：接合加工
レーザー光により高熱で溶融された金属・樹脂を対象物同士を接合する加工。
細かい部品の組み立て等に適する。
例：溶接加工
C：改質加工
レーザーの熱で対象物の表面や内部の性質を変化させる加工。
例：焼き入れ → 材料の表面を硬化させる
アニーリング → 材料の組織を軟化させる
D：変形加工
レーザーの熱応力を利用して、加工対象物を曲げる加工（レーザーフォーミング）。
レーザー加工のメリット
レーザー加工のメリットを下記に紹介します。レーザーによる微細加工でのメリットについても紹介していきます。
高精度・高精細
微小なスポットに高エネルギーのレーザー光を照射できるため、ミクロンオーダーやサブミクロンオーダーの微細で且つ高精度な加工も可能です。特に微細加工したいケースでは、使用するレーザーの種類を適切に選定することで、熱影響を最小限に抑えつつ極小の構造形成を可能にします。
非接触のため低損傷
レーザー光を照射して加工するため、加工対象物へは非接触で物理的な力が加わりません。そのため加工対象物自体の変形・歪み、ひび割れが発生しづらい特長があります。実際には加工領域周辺では熱損傷が発生しますが、その熱影響部の範囲は非常に狭いと言えます。微細加工の観点では、薄膜や微細な部品でも高い再現性を実現できます。
高速加工で生産性向上
他の機械加工などの加工法と比較すると比較的短時間で加工ができます。
自由な形状加工
金型は不要でプログラム制御で加工するため、複雑な形状も自在に対応できます。レーザー光の出力や照射位置、波長等の調整をすることで多くの加工の種類(例：上記記載の加工等)を実現できます。特に微細な加工では、曲線・微細パターン・3D構造等といった形状の加工も実現できます。また、金型が不要である故、試作品の製作や小ロット生産にも適しています。
適用材質の幅が広い
金属・セラミックス・ガラス・樹脂・半導体・プラスチック・木材・ゴムなど、さまざまな材料の加工が可能です。特に微細加工では、透明材料、多層構造体への加工も対応可能となります。
後処理の削減
材料や加工仕様にもよりますが、他の機械加工などと比較するとバリやカエリが発生しにくく、加工後の研磨などの仕上げを削減できる場合があります。
レーザー加工のデメリット
レーザー加工には多くのメリットがある一方で、弱点や制限もあります。ここでは、レーザーを用いた微細加工においてのデメリットを紹介します。
熱損傷
非接触で加工物には物理的な力が加わらない一方、加工対象物の特定位置に高エネルギーを照射して熱で溶融させる加工原理ゆえ、熱で材質が変形・変色・変質が発生する可能性があります。特に微細加工の場合、非常に小さい領域に高エネルギーのレーザーを照射するため、周囲に熱が伝わりやすくなる傾向にあり、熱伝導率の高い材質(金属・高分子材料)では、加工精度、品質に悪影響を及ぼす可能性があります。
再付着
レーザー加工で加工対象物の一部が蒸発・除去されますが、その材料が加工面に再付着することがあります。再付着により、表面粗さや寸法精度の低下につながる可能性があります。
尚、東レ・プレシジョンでは、加工後の仕上げ加工も承っており、レーザー加工後の仕上げも含めトータルで加工してお客様へのご提供が可能です。
加工が難しい材料がある
レーザーを用いた微細加工を行う場合、加工困難な材料もあります。レーザー光の反射率が高い材料はレーザーの吸収がされにくさから加工が難しくなります。一般に金属・透明材料などは加工が難しい部類に入ると言われますが、近年では、反射率の高い材料にも適用可能な加工機も登場しています。
尚、東レ・プレシジョンでは、これらの加工が難しいとされる材料も高精度に加工できます。
厚みがある材料に高アスペクトの孔等をあけるのは不得意
厚みのある材料への深孔加工は、レーザーの焦点深度の影響等で深さ方向にレーザーが届きにくいため、高アスペクト比の加工は不向きです。
東レ・プレシジョンでは、レーザー加工の弱点を考慮した微細な高精度な加工を行い、レーザー加工以外の加工法を最適に組み合わせて、お客様のご要望や抱えている課題を解決するものづくりを行います。
東レ・プレシジョンのレーザー受託加工の特長
上記に挙げたレーザーによる微細加工のメリット・デメリット、特性を踏まえ、東レ・プレシジョンでの受託加工の特長について紹介します。
高精度・高精細・高品質
東レ・プレシジョン独自開発のレーザー加工機により、微細な加工を高精度・高品質に製作します。
高精度な微細加工
微細な加工を高精度に行います。レーザー加工では孔加工ではテーパー孔になる傾向がありますが、テーパーを抑制したストレートに近い孔の加工も可能です(材質・孔径など条件により加工可否が変わります)。
位置決め精度が高く、狭ピッチでの孔加工が可能
狭ピッチで孔を複数開ける加工が可能なため、高開口率を必要とする部品の加工が可能です。丸孔だけでなく、異形孔など様々な加工を可能にします。例えば金属フィルターやろ過部材などに使われる微多孔シートの加工が可能です。
セラミックスやガラスなどの脆性材料の微細加工
パルス幅のきわめて短い超短パルスレーザー用いることで、高精度な微細加工が可能です。熱影響が少ないことから、材質がセラミック、ガラス、シリコン、フィルムといった脆性材料に対しても、高品位な仕上がりになります。例えば気体・液体等の整流用フィルター、半導体製造検査治具、医療向け部品、治具などの用途で開発・展開できます。
まとめ
レーザー加工は従来の機械加工と異なり、非接触で自由な形状対応が可能なレーザー光のメリットを生かして、高精度かつ高効率な微細加工が可能です。
東レ・プレシジョンでは、レーザー加工の特徴を活かし、高速・高効率な孔あけ加工、精密な切断加工を行っております。溶融除去加工やアブレーション加工（特に孔あけ加工）に特化した加工機を自社で独自開発し、受託加工に活用しております。
加工方法でお困りのことがございましたら、ぜひお気軽にご相談ください。
