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発見

ユニバーサルによる革新

ユニバーサルのレーザー光源

現在、ユニバーサルレーザシステムズが製品を供給している市場には3種類の主なCO2レーザーがあります。メタルコア、セラミックコア、そしてガラス管です。各レーザーカテゴリには、レーザー光源を制御し、電力を供給するためのさまざまな技術があります。

レーザーの進化

セラミックコアレーザーは、1970年代に水冷式のイオンガスレーザーとして商業向けに開発されました。ガラスコアレーザーは、昔ながらのガラス吹き工法により低コストのレーザー光源を作っています。一方、メタルレーザー技術は、要件の厳しい極めて重要な用途に対応するために、米国防省との契約下での軍事目的の開発から生まれました。1980年代後半に、その軍事的計画は終了しましたが、メタルコアレーザーの開発は、高い信頼性と実用性を兼ね備えたレーザーを商業および産業用途に手頃な価格で提供するために継続されました。

ユニバーサルによるレーザーの革新

長年にわたり培われた材料加工の専門知識、数々の特許技術、世界各地の現場における膨大な時間に及ぶ実績により、ユニバーサルはレーザー切断、彫刻、およびマーキングに最適なソリューションを設計してきました。統合空冷、メタルコア、CO2レーザー光源にモード複製、自由空間スラブ共振器、および統合RF電源が装備されています。この設計で使用されたさまざまな技術によって、ユニバーサルのレーザー光源はコンパクトになっただけでなく、パルス波と完全な連続波(CW)の両方の操作が可能になりました。さらに、ミリタリーグレードの構造とレーザーを完全に再加工する機能によって、これらのレーザー光源を永久に維持できるようになりました。

10ワットから500ワットのユニバーサルのレーザー光源

ユニバーサルは、10.6μmと9.3μmの両方の波長で10ワット~500ワットの出力範囲のレーザー装置を製造しています。すべてのユニバーサルのレーザー光源は、出力の全範囲にわたって空冷を使用しています。レーザー光源は、お客様にいくつかの加工上のメリットを提供します。


優れた品質のレーザー切断、彫刻、およびマーキング

ユニバーサルのCO2レーザー光源は、市場のあらゆる空冷レーザー光源で最も優れた一貫性のある加工品質を実現します。これは、レーザー光源の3つの側面である、ビーム出力配分、加工領域におけるビーム変動、および長時間における出力の一貫性により証明できます。


ビーム出力配分


ユニバーサルのレーザーはガウス出力分布が高く、M2は1.1です。このタイプのビームは、集束レンズによって最大エネルギーを最小限の焦点サイズで材料に集中させることができるため、レーザー加工に非常に適しています。スポットサイズが小さいということは、切断面の幅が小さく、マーキング、画像化、および彫刻の解像度が高いということです。

ガウシアンビーム
清浄なガウシアンビームの断面出力分布。ガウシアンビームは進行方向に関係なく一貫した結果を生み出し、焦点でビームの出力密度が最大化します。

加工領域に渡るビームの変化


ユニバーサルやその他多くの製造業者によって使用される典型的なガントリー型X-Yビーム位置決めシステムでは、ビーム伝送のキャリッジが加工領域を横切るにつれて、レーザー光源から加工位置までの距離が変化します。加工の一貫性を維持するために、焦点スポットサイズは、加工領域全体にわたって合理的に一貫していなければなりません。他の製造業者とは異なり、ユニバーサルのレーザー光源はフリースペース共振器を使用しています。その結果、レーザー加工領域全体にわたってより高い焦点スポットの一貫性が得られます。これは、つまり、ユニバーサルのレーザー光源を用いたレーザーの材料加工が、現場のどこで加工が行われるかに関わらず、より一貫した視覚的および寸法的特性を持つことを意味します。


時間に対するパワーの一貫性


レーザー光源は、動作中に実質的な熱負荷を生成し、わずかな光共振器に対する機械的変化と活性媒体への温度上昇を引き起こします。これにより、レーザーのビーム品質および出力パワーが変化する可能性があります。レーザーの熱管理は、幅広い熱動作範囲にわたって一貫した仕上がりを達成するためには重要です。以前は、25ワット以上のCO2レーザーの熱管理のために水冷が採用されていました。ユニバーサルは、CO2レーザーにおける空冷の使用のパイオニアで、500ワットまでの空冷レーザーを市場に供給するために数多くの技術的進歩を開発してきました。ユニバーサルは、レーザー加工における空冷レーザーのメリットを初めて認識した一社でもあります。空冷により、高価で困難な水冷チラーの必要性をなくし、複雑さとレーザー加工システムのフットプリントを低減しました。ユニバーサルは、空冷レーザー光源を装備したレーザー切断、彫刻、およびマーキングシステムの全ラインを提供した最初のメーカーです。


ユニバーサルは、光共振器、電源、および熱管理ソリューションというレーザー光源の3つの主要機能ブロックを、ひとつのコンパクトなパッケージに統合しました。さらに、ユニバーサルが特許取得済みの共振器設計では、能動的な媒体を効率的に使用する高効率のモード複製構成を採用しています。この高レベルの統合、効率化、および全金属構造により、レーザーの使用や周囲条件にかかわらず、1〜2台の高効率可変スピードブロワーにより冷却が必要なコンポーネントの温度変動を管理することが可能になりました。セラミックコアレーザー光源のような他のレーザー技術では、セラミックスの熱伝導率が金属の熱伝導率より相当低いため、冷却はより困難です。これは、ユニバーサルのレーザー光源が、空冷の利便性とコスト効率とともに、広範囲の環境動作条件で、一貫したレーザー切断、彫刻、およびマーキング品質をもたらすことを意味しています。

高い加工スループット

加工スループットにおいて、レーザー光源は主に、使用可能な出力やレーザー応答として機能し、加工されている材料に適用するレーザーエネルギーを適切に管理する役割を果たしています。


使用可能なピーク出力は、レーザー加工スループットを考慮するうえで重要な要素です。レーザー出力は高ければ良いというわけではありません。レーザー加工の成果は、使用可能なピーク出力、波長、出力供給率、出力密度といったさまざまな変数の複雑な組み合わせによって左右されます。出力の高いレーザーを変調して低速レーザー光源と同じ平均出力を供給しても、レーザーと材料間の相互作用は変わりません。たとえば、10Wレーザー光源と50Wレーザー光源の平均出力はどちらも10Wです。ただし、50Wレーザーでこの結果を得るには、20%の時間はオンにして、残りの80%の時間はオフにしなければなりません。下の図に示すように、50Wレーザーは、オンになっている20%の時間は10Wではなく、最大50Wのピークレーザー出力を発しています。材料に供給される全体的なエネルギーはどちらの場合も同じですが、片方はエネルギーが低い出力レベルで連続的に伝達され、もう一方は非常に高い出力レベルで短く一気に伝達されます。エネルギーの伝達方法によって材料の加工結果が異なるため、特定の用途にどのレーザー光源を選ぶかは目的とする結果によって決まります。一般的に、さまざまな材料において最適なレーザーと材料間の相互作用を得るには、両方のタイプのレーザー光源を用意しておくのがベストです。

同じ平均出力の各種パルス
図は、10ワットと50ワットの両方のレーザー光源によって生成される同じ平均出力の各パルスを示しています。各矩形は、同量のパルスエネルギー「E」を表し、同じ量の時間で発生します。平均出力は同じでも、ピークパワーは各レーザーごとに異なり、レーザーエネルギーが加工される材料に与える影響の仕方は変わります。

さらに、全てのCO2レーザー光源は、光出力が定格パワーまで上昇するのと、ゼロパワー出力に落ちるまでに少しの時間を要します。レーザーのこれらの遷移を受けるのに要する時間は応答時間と呼ばれ、ラスター画像化アプリケーションでは加工スループットにとって最も重要な要素です。ユニバーサルのCO2金属コアレーザーは、古いガラス管レーザー技術と比較すると、優れた応答時間を示します。典型的なガラス管レーザーは、金属コアの同等品よりも実質的に長い応答時間を有します。これは、一部はレーザーの構成によるもので、一部は制御電子系によるものです。これにより、ガラス管レーザーシステムでのイメージ処理のスループットが大幅に低下します。


レーザー材料加工の結果のスループットを最適化するには、レーザー応答時間が重要ですが、考慮すべきことはそれだけではありません。近年、何社かのレーザーシステムメーカーは、100インチ/秒(2.5m/s)を超えるラスターマーキングのための焦点キャリッジ速度を推進しています。速い焦点キャリッジ速度では、ブルートフォースを介してスループットを増加させようと試みますが、高速では、特にイメージングアプリケーションではスループットに悪影響を及ぼします。ラスターイメージング時の、ラスターパス間のオーバーラップは重要な基準です。オーバーラップ量は、彫刻された領域の平坦度だけでなく、ラスター画像のエッジ品質にも影響します。より速い加工速度は、材料に適用されるエネルギー密度を減少させ、したがって除去される材料の幅を減少させます。最終的には、通過の間のオーバーラップを低下させます。この高速でのオーバーラップの欠如は、スループットを減少させる補正をおこなうために、ライン間隔を減少させる(1インチ当たりの行数(LPI)を増加させる)必要がでてくることもあります。


全体的なレーザー応答時間と高速で減少させたオーバーラップを考慮すると、効果的なレーザー切断、彫刻、およびマーキング装置を設計する際に用心する必要がでてきます。レーザーエネルギーの適切な管理は、レーザー材料加工のスループットを最適化するための鍵となります。様々な方法でレーザーエネルギーを柔軟に管理できるレーザーシステムにより、幅広い種類の材料およびアプリケーションに対してスループットを最適化する、劇的に増強された能力をユーザーに提供します。ユニバーサルのレーザー光源は、ユニークかつ効果的な方法でレーザーエネルギーの伝搬管理がユーザー側でできる、数多くのユニバーサルの技術を可能にするように設計されています。

ユニバーサルの複数の機能を利用

ユニバーサルのレーザー光源は、製品および技術のエコシステムになくてはならないものです。ユニバーサル独自の他の機能と連動することで、それぞれのお客様にとって最適な加工ソリューションを提供しています。


Rapid Reconfiguration


レーザーはすべて共通の参照基準に適合するように工場で精度が設定されているため、ユニバーサルで製造されたCO2レーザーは、ユニバーサルのほぼすべてのレーザーカッター、彫刻機、およびマーカーと互換性があります。レーザー光源は、システム間での着脱を数秒で行うことができ、ツールやトレーニングは必要ありません。Rapid Reconfigurationと呼ばれるユニバーサルの特許技術により、加工の柔軟性およびスループットを大幅に改善する機能も利用できます。多くのレーザー切断、彫刻、およびマーキング用途は、レーザーのエネルギー密度と波長の影響を受けます。Rapid Reconfigurationを使用すると、全体のレーザーエネルギーと波長を簡単に再構成できるため、柔軟性が格段に上がり、多岐にわたる材料加工のニーズに最適なレーザーシステムを構成することができます。


デュアルレーザー構成


ユニバーサルのメタルコアCO2レーザーはセラミックやガラス管レーザーとは異なり、直線偏光であるため、ユニバーサルのレーザー加工システムでは、同じシステムで複数のレーザーを同時に使用することができます。複数のレーザーを使用すると、全体的なシステム出力を上げることで、必要に応じて加工スループットを向上させることができる、また、システムの柔軟性を高めて、その場の処理のピーク出力と平均出力の要件に合わせて1つまたは両方のレーザーを使用して幅広い材料を加工できるなど、ユーザーにとっていくつかのメリットがあります。デュアルレーザー構成技術を使用すると、複数の波長の光源も使用できるため、さらに柔軟性に富んだ加工が可能になります。一部の材料では、偏光との非対称な相互作用が見られ、場合によっては望ましくない可能性があります。2つの直線偏光ビームを互いに90度で結合すると、偏光による加工の非対称をなくすことができるため、進行方向に関係なく、一貫性のあるレーザー切断、彫刻、およびマーキングになります。デュアルレーザー構成は、ユニバーサルだけが提供している技術です。


SuperSpeed技術


直線偏光では、ラスターのマーキングおよび彫刻で、加工スループットを倍以上に高めることができる、SuperSpeed技術というユニバーサル独自の別の機能も使用できます。


システム統合とインテリジェント材料データベース


ユニバーサルのレーザーシステムとレーザー光源は絶えず通信し、システム動作、加工、および安全性を適切な状態に維持しています。レーザーシステムは、設置された各レーザーの定格出力と波長を読み取るため、材料データベースでは加工に最適なパラメータが自動的に計算されます。レーザーは、システムの安全なインターロックにも組み込まれています。ドアやアクセスパネルが開くと、レーザーは直ちに動作を停止させ、ユーザーとシステムの安全を守ります。レーザーは、一連の診断情報も保持しているため、レーザー光源が損傷したり、修理が必要になったりした場合に役立ちます。

操作の安全性

セラミックレーザーとガラスレーザー光源はどちらも壊れやすい構造的要素が含まれているため、どのような衝撃であっても簡単に破損する可能性があります。それとは対照的に、ユニバーサルのメタルコアレーザーは、ロボットで溶接された航空機級のアルミニウムで作られているため、極めて頑丈な機器です。簡単に移動、設置、発送、保管することができ、壊れる心配はありません。


ユニバーサルのレーザー光源はコンパクトなデザインのため、取り扱いも非常に簡単です。水管、冷却装置、高電圧線、リモートRF電源を管理する必要がありません。水と高電圧を使用する電子機器は、どちらかのシステムが動作不良を起こすと、水漏した場合などに常に危険な状態になります。ガラス管レーザーの電力供給では、動作電圧が25,000Vを上回り、常に高電圧ケーブルおよびコネクタを使用して常に遠隔で電源に接続されているため、命に関わる感電の危険をはらんでいます。さらに、ガラス管レーザー光源に電力を供給する電源は、電流(30~150mA)の範囲で動作するため、心臓の除細動や死亡につながる恐れがあり、特に危険です。この技術には、レーザー管内のガスをイオン化するためにこのような高電圧が必要です。一方、ユニバーサルが提供しているようなRFレーザー光源はもともと高電圧を使用しないため、本質的に安全です。


ユニバーサルのレーザーには、安全上の問題を軽減する機能も組み込まれており、システムや施設への損害、作業員の怪我を防ぐことができます。各レーザー光源には、高温センサーと低温センサーの両方が内蔵されており、どちらかの条件を超えると操作を停止するよう設計されているため、レーザーの寿命を延ばすことができます。レーザーは、ドアやアクセスパネルが開いたときに、加工を停止するインターロック安全システムにも配線接続されており、お客様の安全をさらに強化しています。

高い信頼性と有用性

ユニバーサルのレーザー光源には優れた追跡記録があり、これによって長い寿命を実現しています。ユニバーサルでは、1997年から何万というメタルコアCO2レーザーを製造してきましたが、多くのレーザーが10年以上経過しても使用可能な状態を維持しています。さらに、メタル構造によって、時間制限のないレーザーの使用、再充電、再配置が可能であるというメリットがあります。一般的に、製造時に接着または結合され、分解することができないセラミックレーザー光源やガラスレーザー光源では不可能です。


レーザー光源の再充電が必要な場合は、業界ではほかに例がないユニバーサルのレーザー交換プログラムもご利用ください。レーザーを修理すると、長時間のダウンタイムが発生する場合がありますが、ユニバーサルでは交換用のレーザー光源を直ちに発送し、交換していただけます。交換用のレーザー光源が届いたら、ほんの数秒で交換していただけます。古いレーザーはユニバーサルに返送してください。こうすることでダウンタイムは発生しません。通常、交換用のレーザー光源はリクエストを受けてから24時間以内に発送いたします。