ビーム整形により、ファイバーレーザーによる薄い金属部品と厚い金属部品の切断が可能になります

Sep 05, 2023

ファイバーレーザーは、アプリケーションの切断ニーズに合わせてビームのエネルギープロファイルを変更するビーム整形技術の使用を開始しています。 マザックオプトニクス

しばらくこの業界に携わってきた金属加工業者は、CO2 レーザーについて感傷的になることがあります。 確かに、機械のメンテナンスは簡単ではありませんでしたが、ビームをノズルの中心に配置し、ビーム経路に破片のない、細かく調整されたシステムにより、バターのように滑らかでドロスのないエッジを実現できました。 過去 10 年間のほとんどにおいて、エッジ品質 (特にプレート上) を求める製造業者は CO2 システムを選択し、速度を必要とする製造業者はファイバー レーザーを選択しました。 しかし、この計算は変わり始めています。

「ファイバーレーザーの総出力の強さは答えではありません。」

マザックオプトニクスのアル・ボーレン社長は、イリノイ州エルジンにある同社の施設での4月下旬のオープンハウスでそう語った。このイベントでは、同社がOPTIPLEX 3015 NEO 15kWファイバーレーザー切断機を正式に発表した。

近年、レーザー機械ベンダーは、ファイバーレーザーの機能を拡張して、薄いシートだけでなく、さまざまなグレードや厚さの材料を効果的に切断することを目的として、ビーム特性を変更する革新的な技術を導入しました。 マザック オプトニクスは 4 月のイベントで、ファイバー レーザーをより柔軟にするためのアプローチを説明しました。

ボーレン氏が説明したように、このシステムは高ファイバー レーザー出力の「強力な力」以上のものを使用します。 その nLight ファイバー レーザー ソースはビーム整形技術を使用しており、マザック カッティング ヘッドと組み合わせることで、異なる熱プロファイル、異なるビーム直径および焦点距離を作成して、薄い材料と厚い材料の両方で高いエッジ品質を生成できます。

レーザーは、単芯ファイバー ケーブルを介して伝送されるのではなく、多芯ケーブルを介して伝送されます。 本質的に、このテクノロジーは、ファイバーの複数のコアに電力がどのように分散されるかを制御します。 「各コアを通過するレーザー出力の量を比例させることができます」とボーレン氏は言う。 「これにより、ビームのより低温のコアを作成し、より多くのエネルギーを外側のエッジに集中させることができます。コアのさまざまな要素を介してファイバーレーザーの熱を移動させ、そうすることでさまざまなモードを作成します。」

歴史的に、ほとんどのファイバー レーザー切断機は、中央の出力密度が高く、端の出力密度が低い、単一のビーム プロファイルを持つレーザーを使用して販売されてきました。 「これにより、槍の穂先のような中央に熱を持った形状が作成されます。優れた電力密度により、薄い材料を非常に速く切断する信じられないほどの能力が得られます」とボーレン氏は述べています。 しかし、材料の厚さが増加するにつれて、そのようなビーム出力プロファイルでの切断はより困難になります。 「アシストガスは、溶融した材料を切り口から取り出すために非常に強く働かなければなりません」とボーレン氏は言う。 「切断プロセス中も奮闘中だ。」 材料が厚くなるにつれて、ガス流の方向が逆になろうとし、切断面にスラグ、ドロス、および激しい縞模様が発生します。

光学機器は長年にわたり、同じ熱プロファイルを使用しながら、中心が高く、端の周囲が低いという、ファイバー レーザーのビーム径を大きくすることができました。 光がカッティングヘッドに到達する前に、光源のビームプロファイルを変更すると、エッジ付近のエネルギーが多くなり、中心のエネルギーが少なくなるビームエネルギー分布が作成されます。

「これらすべてを考慮しても、このビームを受け取り、それを使って何かを行うことができるインテリジェントなカッティングヘッドが依然として必要です」とボーレン氏は説明しました。 新しいマザック カッティング ヘッドには、マルチコア ファイバーから放射される大きなビーム直径に対応し、小さなノズル オリフィスの中心を通ってビームを送信できる光学系が搭載されています。 「ドーナツモードを採用して、より小さくして直径を制御できるようになりました。[カッティングヘッド]はレシピにとって重要な要素であり続けます。」

レーザービームの外側の高エネルギーは、特に非常に厚いプレートを切断する場合に、溝を滑らかにし、テーパーをなくすのに役立ちます。 このテーパーは、溶融金属が狭い切り口を下に排出しようと奮闘するときに形成され、ビーム エネルギー プロファイルは端では比較的冷たく、中心では高温になります。 ウォータージェットおよびプラズマ システムは、トーチを傾けてテーパをなくすことができます。 現在では、ビーム モードと直径制御を使用したファイバー レーザー切断により、「厚さ 1 インチの部品をまっすぐに切断できるようになりました」とボーレン氏は言います。

このようなビーム整形技術はまったく新しいものではありません。 マザック オプトニクスは、4 年前にビーム整形技術を搭載した 4 kW および 7 kW システムを含む OPTIPLEX S シリーズを発表しました (「S」はビーム整形を表します)。 4 月のイベントでは、15 kW システムのテクノロジーが発表されました。

多くの材料の切断速度は切断力よりも速く上昇します。 厚さ 0.25 インチの軟鋼の場合、窒素切断速度は 10 kW から 15 kW にすると 2 倍になります。 「速度は2倍ですが、パワーは2倍ではありません」とボーレン氏は言う。 「それは、パワーだけでなく、クリーンでドロスのない部品を提供するモード制御もあるからです。それは単なる力任せではありません。」

ボーレン氏は、窒素アシストガスの損失を減らし、切り口を通るアシストガスの流れを改善するノズル技術について説明しました。 彼は、窒素生成の進歩、ガス混合物と空気切断の新たな機能について説明しました。 ボーレン氏は、「出力が高くなると、窒素ではなく、空気を使ってより広範囲の材料とより広範囲の厚さを切断できる」と述べた。 同氏は、レーザーには特殊なシステムによって生成される、標準的な工場空気とは大きく異なる、清浄で超乾燥した高圧空気 (400 PSI) が必要であると付け加えた。 「しかし、多くの手術では、そのようなシステムに投資すれば、空気で切断する必要があるほとんどのものを切断できるようになります。」

ボーレン氏はまた、ビームプロファイルの変更をその場で管理できる新しい制御技術についても説明しました。これには、あるビームプロファイルをピアシングに使用し、別のビームプロファイルを切断に使用することが含まれます。 また、いわゆる「カメラ ネスティング」も提供します。この機能では、オーバーヘッド カメラがシート上の切断可能なスペースを特定し、利用可能なパーツから描画してそのスペースを埋めます。 オペレータは、コントローラがスペースに配置できるようにすることも、手動でパーツを配置することもできます。

マシンコントロールの新しい上部パネルは、自動化と統合されたシステムにとって特に重要となる、スケジューリングと生産管理のさまざまな側面を処理できます。 レーザー切断における自動化の台頭は、特に過去 3 年間で無視することができませんでした。 ボーレン氏によると、マザックの顧客ベースの多くの事業所は依然としてスタンドアロン型レーザーを購入していますが、ほとんどはそのままではありません。

「当社が販売する他のすべての機械の約 50% には、最初から自動化が組み込まれています」とボーレン氏は言います。 「2 年以内に自動化が追加されたスタンドアロン マシンを含めると、その数は 70% に跳ね上がります。この数は、わずか 5 年前には 30% でした。」