レーザー彫刻技術：包括的な概要

1960年の登場以来、レーザー技術は急速に製造業に応用されてきた。その後、基礎となる理論の理解が深まるにつれて、様々なタイプのレーザーが進化し、その応用範囲を広げ、使用規模を徐々に拡大し、社会的・経済的に大きな利益をもたらしている。

ハイテクのひとつであるレーザー技術は、20世紀における科学技術の進歩の大きな特徴であり、現代の情報化社会におけるオプトエレクトロニクスの不可欠な部分を形成している。

技術先進国だけでなく、多くの発展途上国からも高い注目を集めており、多額の投資を行っている。

1980年代以降、多くの政府がレーザー技術を国家開発計画に組み込んできた。例えば、イギリスのAWE、アメリカのレーザー核融合計画、日本のレーザー研究5カ年計画などである。

これらの計画の実施により、レーザー技術の開発が加速し、活気に満ちた新興産業が育成された。

同時に、レーザー技術の進歩は、さまざまな技術、分野、生産レベルにわたって進歩と改善を大きく推進し、世界的な影響を与えてきた。

海外では、フレキソ印刷用にレーザー彫刻されたセラミック製アニロックス・ローラーが長年使用されており、品質が成功の鍵となっている。レーザー彫刻機は、印刷シリンダーに連続的で継ぎ目のないパターンを刻むことができる。

しかし、非連続パターンの場合、レーザー彫刻版とシリンダーのコストが高くなる可能性がある。プレートやシリンダーの寿命が長く、印刷品質が高いため、製版コストの高さを相殺することはできるが、それでもこのコストはレーザー彫刻技術の発展を遅らせる可能性がある。

現在、品質が重要な要素であることに変わりはないが、焦点は生産性に移っている。印刷工場は、線数の多いアニロックス・ローラーを要求し、優れた彫刻品質を要求するが、それにはかなりの時間がかかる。

品質を向上させ、コストを削減するためには、レーザー彫刻技術を改善し、レーザー彫刻の速度を上げる必要がある。この点に関しては、喜ばしい進歩が見られる。

原理的には、セラミックでコーティングされたローラーにレーザーで格子状のパターンを刻むのは簡単だ。セラミック・ローラーを旋盤に載せて回転させ、レーザー・ビームをローラー表面に集光し、ビームをローラーの長さ方向に移動させ、連続的にオン・オフする。

その結果、ローラーの表面は小さな穴で埋め尽くされる。グリッドのサイズとパターンは、多くの変動要因に左右される。

グルーローラーのような粗いグリッドの彫刻には、工程を少し改善するだけで十分です。しかし、高品質のアニロックス・ローラーの彫刻は、まったく別の話です。フレキソ印刷工場は、安定したインキ性能を発揮するアニロックス・ローラーを必要としています。

つまり、グリッドの形状は均一でなければならず、体積のばらつきは最小限に抑えなければならない。また、特にベタ部分を印刷する場合、インクの均一な転写を保証するために、グリッドパターンは規則的である必要がある。

レーザー彫刻は、レーザー技術における一般的な技術である。レーザー彫刻には次の3つがある。 レーザーの種類 彫刻：CO2レーザー彫刻、Nd：YAGレーザー彫刻、エキシマレーザー彫刻。これらのレーザー彫刻技術にはそれぞれ独自の特徴と利点があり、さまざまな応用分野に適しています。

1970年代後半、ビュークリーとジェンキンスはレーザー彫刻を施したアニロックス・ローラーの開発に着手した。それ以前は、ガス状の二酸化炭素をレーザー媒質とするCO2レーザーを使って彫刻するのが主流だった。

CO2レーザー彫刻アニロックス・ローラーは、フレキソ印刷業界、特にパッケージ印刷業界の開発ニーズにほぼ応えてきた。

レーザー彫刻が施されたセラミック・アニロックス・ローラーがフレキソ印刷機にうまく適用されたことは、近年のフレキソ印刷の急速な発展に寄与した重要な要因のひとつと考えられる。

これにより、フレキソ印刷はリソグラフィやグラビア印刷に対抗できるようになった。CO2レーザー彫刻機は、3つの発展段階を経てきた：

第一世代の炭酸ガスレーザー彫刻機は、基本的に、フットスイッチで制御される増幅された音階のライトペンとしてレーザーを使用し、カリグラフィー、曲線画像、肖像画を複製するために採用することができた。レーザーは、原画に近い画像を加工物にエッチングする。これはシンプルで原始的なCO2レーザー彫刻機であり、コストも低い。

第2世代のCO2レーザー彫刻機は、木版画の彫刻用に設計されており、XYプラットフォーム上で光スポットをラインごとにスキャンするシングルチップ機によって制御される。レーザーは、原画の明るい部分でオフになり、暗い部分でオンになるため、白黒画像が加工される。

レーザーの焦点径は0.4mmで、画像の黒い部分は基本的に幅0.4mm、深さ2.2mmの一連の線で構成されている。

画像は550ラインに分割でき、読み取りヘッドは同期走査も可能。読み取りヘッドは0.4mmの開口部を持ち、半導体発光管と受光管で構成され、発光管で照射された画像の反射光を受光し、1チップマシンを介して閾値を取り、CO2レーザーのスイッチを制御する。

第三世代のCO₂ レーザー彫刻機は、制御システムがシングルチップからパーソナルコンピュータに置き換わっているため、マイコン制御CO2レーザー彫刻機とも呼ばれています。

CCDカメラを使って、512*512ピクセルとそのグレースケール・レベルを一度に読み込む。ディザリング方式を採用し、256階調のグレースケール・レベルを領域のブラック・ドット密度に変換することで、情報容量を大幅に圧縮し、画像の明るさとグレースケール・レベルを克服し、画像の拡大・縮小の問題を解決し、立体画像や大型画像の読み取り、複数の画像情報の保存と処理を完成させる。

フレキソ印刷製品の品質がオフセット印刷やグラビア印刷に追いつき、あるいは追い越すことができるように、レーザー彫刻が施されたセラミック・アニロックス・ローラーの品質を向上させる努力が常に続けられている。

そこで、製版精度を向上させ、セラミックアニロックスローラーの繊度（線数）とインキ吸蔵量を厳しく要求し、数年にわたる探求と努力の末、1996年頃にようやくNd：YAGレーザー彫刻セラミックアニロックスローラーが発売された。

Nd:YAGレーザーは、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（Y3AL3O12）基板に酸化ネオジム（Nd₂O₃).活性化イオンもネオジムイオンで、出力波長は1.06um。

Nd:YAGの狭い蛍光スペクトル線、高い量子効率、良好な熱伝導性により、Nd:YAGは唯一の蛍光ランプである。 固体レーザー 3種類の固体レーザーの中では連続運転が可能で、レーザー熱処理によく使われる。

エキシマレーザーは、高出力・高効率の紫外線レーザーである。セラミックスや高分子などの微細加工において、その特性から重要な役割を果たしている。エキシマレーザーの登場以来、微細加工や高精度の要求が高まる中、世界各国で高い評価を得ています。

欧州共同体の「エウレカ計画」（EREKA）、日本政府の「21世紀に向けた先進製造・メカトロニクス」（AMMTRI）、中国の「863計画」「スーパー863計画」などは、いずれもエキシマレーザーの開発を優先しており、急速に進展している。

エキシマレーザー彫刻のメカニズムエキシマレーザーエッチングは、材料に対する直接的な光化学プロセスである。エキシマレーザーが加工材料と相互作用するメカニズムはアブレーションと呼ばれ、光誘起結合破壊や生成物爆発を含みます。

エキシマレーザーの光子のエネルギーがポリマーの化学結合エネルギーより大きいと、化学結合が切断され、材料表面の小領域の比体積が急激に増加し、結合切断率がある閾値を超えると、表面の断片が剥離し、エッチングが完了する。

エキシマレーザーの出現と進化は、幅広い産業応用と科学研究に強力なツールを提供してきた。

紫外および深紫外スペクトルの波長、高いパルスエネルギーと光子エネルギー、高い繰り返し周波数、狭いパルス幅を考えると、ほとんどの金属と非金属は紫外光を強く吸収します。この吸収により、エキシマレーザーは他のレーザーでは不可能なタスクを達成することができる。 レーザー熱 これにより、レーザー加工の応用範囲が広がる。

近年、エキシマレーザーの安定性と信頼性が向上するにつれて、生物医学、材料科学、微細加工、光化学など幅広い分野で応用されるようになった。

分析によると、YAGレーザーは次のような加工に優れている。 金属材料一方、CO₂ レーザーは非金属材料に優れている。一方、エキシマレーザーは、微細加工や高精度の作業に有利です。

フレキソ印刷用ローラーの製造にNd:YAGレーザー彫刻技術を使用することで、彫刻製品の性能が大幅に向上し、レーザー彫刻技術自体の進歩にも拍車がかかりました。この分野の技術は成熟を続けており、今後さらなる成果が期待される。

世界のレーザー彫刻技術の現状を見ると、CO₂ レーザー彫刻、YAGレーザー彫刻、エキシマレーザー彫刻は、それぞれ独自の長所と短所を示している。

これら3つの加工方法を協調して運用し、製品の種類を増やし、彫刻製品の性能を高めることが、現在のセラミックアニロックスローラーのレーザー彫刻加工にとって最良の選択であることは間違いない。

そのため、レーザー彫刻機のサプライヤーは通常、CO₂ とYAGレーザーをパッケージに使用し、高精度の彫刻加工にはエキシマレーザーを使用する必要があります。エキシマレーザーによる彫刻加工は、高精度加工のための主要な研究方向である。