アクリル板のレーザー加工とは

アクリルシートの切断に関しては、適切な用途に使用されれば、CO2 レーザーは強力でコスト効率の高いソリューションであると一般に考えられています。-きれいで鋭利な内側のコーナーが必要な小さくて複雑な部品を含む作業、または 1 フィートあたり 0.005 インチよりも厳しい切断公差が要求される実質的にあらゆるサイズの部品の場合、レーザーは多くの場合、その作業に最適なツールです。この主な理由の 1 つは、レーザー切断により通常 0.010 ～ 0.020 インチの非常に狭い切り口が生成されることです。さらに、形状とサイズに関して非常に柔軟な対応が可能であり、おそらく最も重要なことは、研磨された、埃のないエッジを実現できることです。-これらの要因により、これは多くの高品質アプリケーションにとって最適な選択肢となっています。-

Equipment Overview

基本的に、CO2 レーザーは平行光のビームを放射することで動作します。この光は 10.6 ミクロンの特定の波長を持っています。この特定の波長は非金属材料によって非常によく吸収されることに注目する価値があります。-この光線、つまりエネルギーがレンズを通して非常に小さな点に集束すると、その経路にある物質が本質的に蒸発します。

機械の構成に関しては、集束レーザービームを X-Y 位置決めテーブル上で静止状態に保つことができます。あるいは、業界で「フライングヘッド」構成として知られている構成を使用して、静止表面上に配置することもできます。フライングヘッドのセットアップを簡単に説明すると、レーザービーム自体がミラーと機械的な位置決めギアのシステムを介して 1 つまたは 2 つの軸に沿ってワークピース上を移動します。レーザーとワークの位置決めを管理するために使用されるコントローラー、PC、およびソフトウェアは、実際には、他の CNC 加工装置にあるハードウェアおよびソフトウェアと非常によく似ています。したがって、レーザーカッターの設計と操作は、他の標準的な CNC マシンで作業するのと同じくらい難しいものではありません。

レーザーでアクリルを切断するように設定する場合、考慮する必要がある主な変数が 3 つあります。これらはそれぞれ、切断の品質と、その結果生じる材料の応力レベルの両方に影響します。これらの変数は次のとおりです。

レーザーの威力。
送り速度。
脈拍数。

これらの設定はすべて、さまざまな種類の材料、さまざまな厚さ、および希望するエッジの仕上げに合わせて調整できます。アクリルシートの切断には、40 ワットほどの小型のレーザーユニットを使用して、最大約 1/4 インチの厚さに対応できます。ただし、このような小型レーザーで良好なエッジ品質を実現したい場合は、基本的に送り速度を毎分約 20 インチまで下げる必要があります。

一方、より厚いシートの場合、またはより速い送り速度が必要な場合は、より大きなレーザーシステムが必要になります。たとえば、180 ワットのレーザーは、通常、わずか約 75% の出力で動作しながら、ほとんどの厚さのアクリルシートを高速かつ経済的に切断できます。 500 ～ 1000 ワットの範囲のさらに高いワット数の機械では、はるかに高い送り速度が可能になり、複数のカッティングヘッドを同時に使用することもできます。

Procedures: Setting Up To Cut Acrylic Sheet

一般に、特定の送り速度でレーザー出力を増加すると、より光沢のある仕上がりになることが観察されています。ただし、これによってシートの端の応力レベルも増加するという欠点があります。逆に、より速い送り速度とより速いパルス速度を組み合わせて使用すると、通常はより低い応力のエッジが生成されますが、表面の光沢は低くなります。

パルスレート (1 秒あたりのパルス数、つまり pps で測定される) に関しては、これは単にレーザーが「発射」される速度です。レーザービームは実際には 1 つの連続したストリームではなく、一連の小さなバーストまたはパルスであることを理解することが重要です。脈拍数は主に 2 つの方法で制御できます。1 つは時間に比例する方法、もう 1 つは移動距離に比例する方法です。

脈拍数を時間に比例させる方法がより一般的であり、最初にプログラムするのが簡単ですが、この方法では内側の角が焼けてしまうことがよくあります。その理由は、X-Y コントローラーは当然、直線を移動するよりもコーナーを移動するのに時間がかかるためです。その結果、角-特に内側-はエネルギーを吸収しすぎる傾向があり、溶けて過剰な応力がかかります。-これは、アクリルやポリカーボネートなどのノッチに敏感な素材を切断するときに考慮すべき重要な点です。-内側のコーナーは通常、高い負荷がかかる弱い領域です。したがって、これらのゾーンの応力やノッチを最小限に抑えるために可能な限りすべてのことを行う必要があります。

脈拍数を移動距離に比例させると、この問題の大部分が解消されます。コントローラがコーナ部では自動的に送り速度を遅くするため、パルス速度も遅くなります。これにより、切断に沿った任意の点で放出されるエネルギー量が一定に保たれます。

コントローラーがどれほど洗練されているか、送り速度がどれほど速いかは関係ありません。エッジ応力は、特定の用途では常に考慮する必要があるものです。アクリルまたはポリカーボネートのシートが加熱されるときは常に、熱応力が発生する可能性があります。この問題は、シートの一部のみが加熱される場合に最も顕著になります。これはまさにレーザー切断中に発生することです。

シートの非加熱本体と、急速に加熱され急速に冷却されたエッジとの間の界面は、非常にひび割れを起こしやすいです。-これらの高応力領域は、厚さに応じてシート内に約 0.010 ～ 0.050 インチ広がる可能性があります。これらの領域は、適合しない溶剤と接触したり、曲げなどの高い機械的ストレスにさらされると、非常にひび割れが発生しやすくなります。

送り速度、パルス速度、および出力を調整することで、このエッジ応力の問題を最小限に抑えることができます。より低い電力とより遅いパルスレートを使用し、比較的速い送り速度と組み合わせることで、シートが吸収するエネルギーまたは熱の総量が減少します。これにより、応力の大きさと応力がシート内に伝播する距離の両方が減少します。ただし、これらの条件によりエッジの仕上げの光沢が低下することを受け入れなければなりません。特定のケースでは、応力がかかった領域を完全に削り取るか機械で除去することが実際に実用的な場合もあります。

ほとんどの高出力レーザーシステムには、真空ホールドダウンテーブルとガスアシストストリームが装備されています。-使用するガスの種類、そのガスの流量、蒸気を排気する真空テーブルの効率など、いくつかの要因が最終的なカットの品質に影響を与える可能性があります。カット全体に良好なガス流を確保し、効果的な真空と組み合わせることで、ワークピースに損傷を与えたり、小さなフレアや焦げを引き起こしたり、不要な残留物を残したりする可能性のある蒸気を除去するのに役立ちます。-

Laser Cuttable Masking

マスキングの性能は、特定の用途にアクリルシートを選択する際のもう 1 つの主要な考慮事項です。マスキングが適切に接着されていない場合、製造プロセス中に部品が損傷したり傷がついたり、プロセス自体の効率に悪影響を及ぼす可能性があります。逆に、マスキングを剥がすのが難しい場合は、余分な労力とコストがかかります。これらの問題を最小限に抑えるには、製造プロセスに適切なマスキングを選択することが重要です。

従来、レーザー切断には紙マスキングが標準的に選択されてきました。この場合の利点は、カットの端でアクリルに融着しないことです。強力で一貫した粘着力により、取り扱いや切断中にマスキングが浮き上がるのを防ぎ、レーザーによって発生する高温の腐食性ガスからアクリルの表面を保護します。ただし、レーザー切断可能なポリエチレンマスキングは、アクリルシートでも利用できるようになりました。-

最大の効率と出力が必要なシナリオでは、特別に配合された軽接着性ポリエチレンマスキングを利用できます。{0}このタイプのマスキングは完成部品から非常に簡単に剥がすことができますが、それでも通常の取り扱いに耐えられる十分な粘着力を備えています。重大な問題になることはほとんどありませんが、このタイプのマスキングは接着剤が軽いため、レーザーが長時間アイドル状態になっている領域では浮き上がる可能性があります。これは通常、切断の開始時または非常に狭い半径の切断中に発生します。この浮き上がりを簡単に防ぐには、カットの開始時に「リードイン」を使用し、急なカーブを通過するときに脈拍数または出力を下げることによって行います。-

きれいに磨かれたエッジが必要な場合は、特別に配合された非粘着性ポリエチレンマスキングをご利用いただけます。-すべての接着剤ベースのマスキングは切断端に少なくともいくらかの残留物を残すため、洗練された外観がわずかに損なわれる可能性があります。したがって、最高品質の外観が要求される用途には、非粘着性の「レーザー切断可能」マスキングを推奨します。-このマスキングは接着剤の種類よりも剥がすのが若干難しいかもしれませんが、わずかに高品質のエッジを提供し、エッジリフトに対する耐性が高くなります。浮き上がりが発生した場合は、上記と同様の手順を実行できます。

マスキングに関して考慮すべきもう 1 つの点は、シワです。シートの元の光学特性を維持するには、マスキング-特に上面-にしわがないようにする必要があります。マスキングが切断点でシートと直接接触していない場合、高温ガスがマスキングとシートの間に閉じ込められ、表面がエッチングされる可能性があります。ほとんどの X-Y テーブルは真空ホールドダウンシステムを使用しており、損傷を引き起こす前に高温のガスを効果的に除去するため、通常、シートの底面ではエッチングはそれほど問題になりません。-

他の高度な機械と同様に、レーザーカッターも最適なパフォーマンスを確保するために定期的なメンテナンスが必要です。特定の厚さの材料を特定の速度で切断するために必要な出力設定を記録しておくことをお勧めします。時間が経つにつれて、出力設定を上げるか、切断速度を下げる必要があることがわかるでしょう。これは通常、レーザー光学系が汚れているか、焦点がずれていることが原因です。そうなると、カットの品質が低下してしまいます。切断効率と品質を維持するには、資格のある技術者による定期的なメンテナンスが不可欠です。

レーザーが高出力で洗練されたツールであることは間違いありませんが、正しく設置され操作されていれば、必ずしも他の店舗設備よりも危険であるというわけではありません。{0}通常、目を保護するには標準の安全メガネで十分です。ただし、すべての標準的な安全ガラスが、これらのレーザーでは一般的な 10.6 ミクロンの光の波長 (10,600 ナノメートルで光学密度 5 を意味します) に対して不透明であるわけではないことに注意することが重要です。

ANSI 規格 Z136.1 によると、安全メガネには波長と光学濃度保護係数の両方を明確にラベル付けする必要があります。

さらに、切断中に発生する潜在的に有害な蒸気を除去するために、排気システムが絶対に必要です。処理される特定の材料によっては、これらの蒸気を外部環境に排出する前に濾過する必要がある場合もあります。他の機器の場合と同様、レーザー切断システムを使用する前に、操作手順と安全手順についての適切な知識を持っていることが必須です。

Emissions

アクリルのレーザー切断から生じる放出の正確な量と種類を特定しようとして、さまざまな研究者によって多くの科学的調査が行われてきました。このような努力にもかかわらず、排出ガス中の正確な副生成物とその濃度を完全な確実性を持って予測することは依然として不可能です。-

これらの排出量は、レーザーパラメーター、処理パラメーター、使用されるカバーガス、排気方法、アクリルポリマーの正確な化学組成など、さまざまな要因に依存します。さらに、これらの研究のほとんどは、保護紙やポリエチレンのマスキングの影響を考慮しておらず、コーティングの影響の可能性も考慮していません。

アクリルをレーザーで切断すると、分解された材料のほとんどが構成モノマーに戻ります。ほとんどのアクリルシートでは、これらのモノマーは 90% 以上がメチルメタクリレートで構成され、残りはメタクリレートです。多くのサプライヤーがアクリル配合物にアクリル酸エチルを使用することも一般的です。

(アクリル酸エチルは、発がん性物質である可能性がある物質の国家毒性計画のリストに含まれていることに注意してください。同様に、国際がん研究機関もアクリル酸エチルを発がん性物質の可能性があるものとして挙げています。)

ヘファーカンプ、ゲーデ、エンゲル、ウィットベッカーが行った独立した科学的研究の中で、彼らはテストしたプラスチックの中で、実際にエアロゾルの発生が最も少ないのはアクリルであることがわかりました。<10 mg/m3). Their work also indicated that over 90% of the emissions generated from laser cutting acrylic were gaseous methylmethacrylate monomer.

他の研究者、特にトラウトン、シムズ、エルウッド、テイラーは、メタクリル酸メチルモノマーに加えて、少量のトルエン、2-メチル-3 ペンテン酸メチル、キシレン、トリメチルベンゼン、およびアルカンが存在することを発見しました。興味深いことに、彼らは PAH (多環芳香族炭化水素) を発見しませんでしたが、これは Ball、Kulik、Tan による以前の発見に反していました。

従業員の暴露を規制レベル以下に保つために、適切な換気装置を設置することが推奨されます。また、屋外にガスを排出する場合には環境規制にも配慮する必要があります。通常、レーザー切断装置のメーカーは、レーザー放射を適切に収集して処理する方法に関するガイダンスを提供できます。