5種類のレーザーを比較

レーザーは、現代のレーザー加工システムに不可欠なコンポーネントである。

レーザー加工技術の進歩に伴い、レーザー自体も進化し、新しいタイプのものが登場している。

当初、加工に使用された主なレーザーは、高出力CO₂ ガスレーザーとランプ励起固体YAGレーザー。

開発の焦点は、開発費の増加からシフトしている。 レーザー出力 ビーム品質を向上させるために、一度必要なパワーが満たされれば。

半導体レーザー、ファイバーレーザー、ディスクレーザーの開発は、レーザー材料加工、医療、航空宇宙、自動車製造などの分野に大きな進歩をもたらした。

市場で最も普及している5つのレーザーは、CO₂ レーザー、Nd:YAGレーザー、半導体レーザー、ディスクレーザー、ファイバーレーザーなどです。それぞれの特徴や応用範囲について教えてください。

CO2レーザー

アプリケーション

10.6マイクロメートルの波長を持つCO2レーザーは、金属材料に対して低吸収を示します。このユニークな特性により、金属加工や非金属材料の切断などの特定の用途に特に効果的です。

金属加工では、CO2 レーザーは溶接用途、特に薄い材料から中程度の厚さの材料に優れています。その長い波長は、金属表面との優れた結合を可能にし、最小限の歪みで深い溶け込みの溶接をもたらします。この能力は、航空、電子機器、自動車製造、高度な機械製造など、高精度の接合を必要とする産業において極めて重要です。

非金属材料では、CO2レーザーが切断作業に好ましい選択である。その波長は、プラスチック、木材、織物、および特定の複合材のような材料に容易に吸収され、熱影響部を最小限に抑えて、きれいで正確な切断を可能にする。この汎用性により、看板やパッケージングから家具製造や建築模型製作に至るまで、幅広い業界で採用されている。

CO2レーザの適応性は、様々な材料への表面処理、マーキング、彫刻などの特殊な用途にも及んでいる。例えば自動車産業では、溶接だけでなく、内装部品の精密切断や部品への識別コードのマーキングにも使用されています。

製造技術が進化するにつれて、CO2レーザーは、特に、複雑な製造作業において最適な結果を得るために他のレーザータイプや製造プロセスと組み合わせるハイブリッド加工システムにおいて、新たな用途を見出し続けている。

Nd:YAGレーザー

アプリケーション

Nd:YAG（ネオジム添加イットリウム・アルミニウム・ガーネット）レーザーは、金属に対して卓越した吸収特性を示し、切断、溶接、マーキングなどの精密金属加工用途に非常に効果的です。金属加工におけるその汎用性は、細かく制御できる高エネルギー、短時間パルスを生成するレーザーの能力に由来する。

切断作業において、ネオジム: YAG レーザーは、特に薄い金属から中程度の厚さの金属において、熱影響部 (HAZ) を最小限に抑えて、きれいで狭いカーフを作成することに優れています。溶接では、深い溶け込み能力を提供し、伝導溶接とキーホール溶接の両方のモードで使用できるため、さまざまな金属合金の高速接合が可能です。マーキング用途では、これらのレーザーは、材料の完全性を損なうことなく、広範囲の金属表面に高コントラストの永久的なマーキングを提供します。

ネオジム: YAGレーザーが様々な産業で広く採用されているのは、高いピーク出力（パルスモードでは数メガワットまで）、コンパクトなソリッドステート設計、および堅牢な性能特性というユニークな組み合わせによるものです。これらのレーザーは、長時間の使用にも安定したビーム品質と出力を維持し、要求の厳しい産業環境に理想的です。

ネオジム:YAGレーザー技術を活用している主な産業には、以下のようなものがある：

1. 航空宇宙と防衛重要部品の精密切断や溶接、トレーサビリティのためのマーキング。
2. 医療機器製造：高精度の加工を必要とするステント、インプラント、手術器具の製造。
3. 自動車用：ボディパネル、フレーム、パワートレイン部品の溶接・切断用。
4. エレクトロニクスプリント基板の穴あけ、半導体ウェハーのスクライビング、コンポーネントのマーキング。
5. 科学研究分光学、非線形光学研究、材料研究のための信頼できるソースとして。
6. 積層造形：選択的レーザー溶融（SLM）などの金属3Dプリンティングプロセス。

Nd:YAGレーザーの耐久性と信頼性は、様々な出力レベルと動作モード（連続波またはパルス）への適応性と相まって、より新しいレーザー技術の出現にもかかわらず、高度な製造および研究用途におけるその継続的な関連性を保証している。

半導体レーザー

アプリケーション半導体レーザーは、その高いビーム均一性と限られた浸透深さを特徴とし、一般的に金属切断用途には適していません。しかし、これらの精密なビーム特性は、様々な金属表面処理に理想的です。そのユニークな特性は、以下のようなプロセスで特に有利です：

1. レーザークラッディング金属表面に耐摩耗性または耐腐食性のコーティングを高精度で、熱影響部を最小限に抑えて成膜する。
2. 表面硬化：金属部品の特定の部分を選択的に加熱・急冷することで、バルクの材料特性に影響を与えることなく硬度と耐摩耗性を高めること。
3. 積層造形（3Dプリンティング）：複雑な形状やカスタマイズされた部品のための高解像度金属粉末床融合プロセスを可能にする。

半導体レーザーは、その制御性と効率の高さから、以下のようなハイテク産業で広く採用されている：

• 航空宇宙タービンブレード、着陸装置部品、構造要素の疲労寿命と性能を向上させる、重要部品の精密表面処理用。
• メディカル表面特性を向上させた複雑な医療機器、インプラント、手術器具の製造。
• 自動車エンジン部品、トランスミッション部品、軽量構造部品の表面強化により、耐久性と性能を向上させる。

これらのアプリケーションでは、半導体レーザーの正確で局所的なエネルギー供給能力が活用され、表面品質と材料特性が重要な先端製造プロセスにおいて、非常に貴重なツールとなっている。

ディスクレーザー

アプリケーションディスクレーザーは、独自の空間光路結合構造を採用し、非常に高いビーム品質を実現している。この特性により、幅広い精密レーザー材料加工アプリケーションに最適です。

ディスクレーザーは、高精度切断、深溶け込み溶接、微細マーキング、積層造形（クラッディングおよび3Dプリンティング）、表面硬化などの熱処理作業を含む、さまざまな金属加工プロセスに優れている。その優れたビーム品質は、集束したエネルギー供給を可能にし、切断用途では高速加工と優れたエッジ品質を、溶接用途では狭く深い溶接継ぎ目を可能にする。

この汎用性の高いレーザー技術は、複数のハイテク産業で広く採用されている。自動車製造では、ディスクレーザは、複雑なボディ・イン・ホワイト溶接からオーダーメイドのブランク切断まで、幅広い作業に利用されている。航空宇宙分野では、タービン部品の冷却穴の精密穴あけや軽量合金の溶接にディスクレーザを活用している。精密機械では、これらのレーザーは複雑で高精度の部品の製造を容易にします。3C（コンピュータ、通信、家電）産業は、携帯機器の筐体用の薄い金属シートの精密切断や電子部品の高速マーキングなどの用途でディスクレーザの恩恵を受けています。

ファイバーレーザー

ファイバーレーザーは、高い電気光学変換効率(最大30-40%)、優れた金属吸収係数、優れたビーム品質(M² < 1.1)など、その卓越した特性により金属加工に革命をもたらしました。これらの特性により、ファイバーレーザは幅広い金属加工アプリケーションに特に適しています：

1. 精密切断：熱影響部（HAZ）を最小限に抑え、高速で薄板から中厚板（鋼の場合、最大25mm）の切断が可能。
2. 高速溶接：伝導溶接とキーホール溶接の両方に最適で、深い溶け込みと狭い溶接ビードを提供。
3. 微細加工：様々な金属の微細なマーキング、彫刻、穴あけに最適。
4. 表面処理：金属表面のレーザーピーニング、クリーニング、テクスチャリングに有効。
5. 積層造形：選択的レーザー溶融（SLM）のような金属3Dプリンティングプロセスで広く使用されている。

ファイバーレーザーの多用途性と効率性により、以下のような複数の産業で広く採用されている：

• 航空宇宙：軽量合金の精密切断・溶接、タービン部品の穴あけ。
• 自動車：ボディパネル、フレーム部品、パワートレイン部品の高速切断・溶接。
• エレクトロニクス（3C）：電池部品のマイクロ溶接、筐体用金属薄板の切断。
• メディカル：手術器具、インプラント、医療機器の製造。
• エネルギーパイプライン建設や発電設備用の厚い材料の溶接。

特定の用途に最適なレーザー技術を選択する際には、様々な要素を考慮することが極めて重要である：

1. 素材の種類と厚さ
2. 要求される処理速度と品質
3. 初期投資と運営コスト
4. メンテナンス要件とシステムの信頼性
5. さまざまな用途に対応する柔軟性

下の表は、工業用金属加工に使用される5つの主要なレーザータイプの主な特徴と用途をまとめたものである：

性能とアプリケーションの比較

半導体レーザは、従来のCO2レーザや固体YAGレーザに比べて、小型、軽量、高効率、低消費電力、長寿命、優れた金属吸収特性などの大きな利点を備えている。これらの特性は、精密金属加工アプリケーションにとってますます魅力的なものとなっています。

半導体レーザー技術が進化を続ける中、半導体技術を活用した他の固体レーザーも急速な発展を遂げている。ファイバー・レーザー、ダイレクト・ダイオード・レーザー（DDL）、ディスク・レーザーなどである。

ファイバーレーザ、特にイッテルビウム、エルビウム、ツリウムのような希土類元素をドープしたレーザは、産業用途において急激な成長を遂げてきました。その卓越したビーム品質、高いウォールプラグ効率（通常30%以上）、そして堅牢な設計は、レーザ材料加工に革命をもたらしました。ファイバーレーザは、薄い金属から中程度の厚さの金属の高速切断、精密溶接、表面処理用途に優れています。低出力から高出力（10W～100kW+）までのスケーラビリティにより、様々な製造分野での汎用性があります。

ファイバーレーザーの採用は、材料加工にとどまらず、次のような多様な分野に広がっている：

1. 光ファイバー通信：長距離データ伝送用に高出力、低ノイズの信号増幅を提供。
2. センシングとLiDAR: 自律走行車と産業オートメーションのための正確な距離測定と3Dマッピングを可能にする。
3. 積層造形：複雑な金属部品製造のための選択的レーザー溶融（SLM）とレーザー金属蒸着（LMD）プロセスを強化。
4. マイクロマシニング：エレクトロニクスや医療機器製造のための超精密材料除去を促進。

技術が成熟するにつれて、新たなトレンドとして、コールドアブレーションプロセス用の超短パルスファイバーレーザーの開発や、特定のアプリケーションにおけるエネルギー分布の最適化のための高度なビーム整形光学系とファイバーレーザーの統合が挙げられる。