スタンドアロンおよび統合型ブルーガルボレーザーシステム

ブルーガルボ彫刻レーザーシステムの主な用途例

ブルーガルボ彫刻レーザーシステムは、さまざまな産業分野で活躍しています。高速な材料加工が求められる産業用途はもちろん、農業、医療、研究分野でも活用されています。用途領域は毎年拡大しており、新たな応用が次々に生まれています。主なアプリケーションとして、食品・果物・野菜のマーキング、植物・作物・雑草のレーザー加工、木材・セラミックス・プラスチック・金属への刻印などが挙げられます。

ブルーガルボレーザーの詳細な利点

他の種類のガルボレーザー彫刻機と異なり、ブルーガルボレーザー彫刻機（波長445nm～450nmのレーザーモジュールを用いたもの）は、優れた精度と加工効率を提供します。いかなるガルボレーザー彫刻機の加工効率も、主に2つのパラメーターに依存します：

1. ガルボレーザー彫刻機の電気-光変換効率

この最初のパラメーターは、所定の光学出力を得るためにガルボレーザー彫刻機が消費する電力を示します。

ブルーガルボレーザーとファイバーガルボレーザーはおよそ25～30%の電気-光変換効率を持ちますが、CO2ガルボレーザーはわずか6～7%です。さらに重要な点は、この6.5%という数値はCO2レーザー管自体の効率であり、CO2レーザー管に必要となる消費電力の多いチラーの電力は含まれません。したがって、実際にはCO2レーザーシステム全体の効率はさらに低下します。

典型的なCO2ガルボレーザー用チラーのCOP（成績係数）は3～5です。COPの値は、チラーが消費した電力あたりにどれだけの熱を放出できるかを示します。CO2レーザー管の電気-光変換効率が6.5%であることから、3.0kW（3,000W消費）のCO2ガルボレーザーでは、195Wの光学（レーザー）出力が得られ、それ以外の2,805Wがチラーによって除去すべき熱損失となります。COP3～5の場合、3kW CO2レーザー用チラーはさらに935W～561Wを消費します。従ってCO2ガルボレーザーシステム全体の電気-光効率は4.96%（=195/3935）～5.48%（=195/3561）の範囲となります。

これに対し、ファイバーガルボレーザーとブルーガルボレーザーは、システム全体で20～25%の電気-光変換効率を有します。

10,000時間稼働、1kWhあたり$0.24の電気料金で比較すると、単一の200W CO2レーザー（3,935W消費）は追加で$9,444の電気代が発生します。一方、同期間・同出力のブルーレーザーモジュールを持つガルボレーザー彫刻機ならば$1,920～$2,880、50Wのブルーガルボレーザー彫刻機なら$480～$720です。これらの運用コストを含めると、たとえCO2レーザーの波長がある材料で40%高い吸収率を持っていたとしても、生産ラインでブルーガルボレーザー彫刻機を活用した方がコスト効率に優れます。結果として、CO2ガルボレーザー1台の代わりにブルーガルボレーザー彫刻機2台以上を用いることで、生産性向上とコスト削減の両立が可能です。

2. 加工材料のガルボレーザー波長の吸収率

2つ目のパラメーターは、入射レーザービームのエネルギーがどれだけ有効作業に変換されるかを示します。これは材料によって異なりますが、多くの材料においてブルーガルボレーザーの波長はファイバーガルボレーザーやCO2ガルボレーザーよりも吸収率が高くなります。

特にセラミックス、特にアルミナ（Al₂O₃）、炭化ホウ素（B₄C）、炭化ケイ素（SiC）、ジボライドチタン（TiB₂）、炭化タングステン（WC）といったテクニカルセラミックスでは顕著です。技術セラミックスでは、ブルーガルボレーザー波長の吸収は温度上昇とともに指数関数的に増加し、融点付近では6H-SiCに対してCO2レーザー波長の最大6,000倍の吸収率となることもあります。

各種彫刻用途におけるガルボレーザーパフォーマンス

木材・木質材料へのガルボレーザー彫刻

木材および木質系材料には、ブルー（445-450nm）ガルボレーザー彫刻機が最適な性能を発揮します。CO2レーザーは運用コストが非常に高額になり継続使用には非効率的です。ファイバーガルボレーザーは3方式の中で吸収率が最も低く、本用途では最も適さない結果となります。

事例：合板・パイン材・ブナ材へのガルボレーザー彫刻

下記の動画は、30Wブルーガルボレーザー彫刻機による合板へのレーザー彫刻プロセスを示しています。（大きさ8cm×2cm）Opt Lasersのブルーガルボレーザーで、約1秒で彫刻が完了しています。

ブルーガルボレーザー彫刻機は20～25%の変換効率を持ち、学術論文によるとブルー445-450nm波長はパイン材で68%、ブナ材で73%という吸収率です。CO2ガルボレーザー彫刻機は総合エネルギー効率5%で、同一材料における吸収率は85%、88%です。従って、計算上同じ消費電力で比較すると、ブルーガルボレーザー彫刻機はCO2ガルボレーザーの約3.4倍の効率を有します。下記グラフは、前述の学術論文から抜粋した関連データです。

皮革へのガルボレーザー彫刻

皮革のレーザー彫刻にはブルーガルボレーザー彫刻機が最も高効率です。CO2ガルボレーザーでの彫刻では焼け跡が発生し、時間もかかり、コストも増大します。1.06μmファイバーガルボレーザーはレーザービームの80%が皮革表面で反射されるため、本用途では最も性能が低くなります。

事例：皮革へのガルボレーザー彫刻

下記動画では、30Wブルーガルボレーザー彫刻機による皮革への彫刻プロセスを参照できます。彫刻作業は1秒未満で完了します。

学術研究によると、ブルー445nmレーザービームの皮革での反射率は12%、1.06μmファイバーレーザービームは約62%です。つまり、ブルーレーザー照射時の皮革吸収率は88%、1.06μmファイバーの最大吸収率は38%であり、ファイバー型ガルボレーザー彫刻機による皮革彫刻の性能が最も劣ることが確実です。

実際には、波長が550 nmを超えるいかなるレーザーも、革の彫刻用途において青色レーザーよりも劣った性能を示します。

ファイバーガルボレーザーは、大部分の天然哺乳類および爬虫類革種の彫刻において青色ガルボレーザーよりも劣った性能を示します。これらの革種には、豚、牛、羊、トカゲ、ヘビ、ワニなどの動物由来の革が含まれます。ファイバーガルボレーザーは再生革や鹿革に対しては波長吸収率が高いものの、鹿革においては青色ガルボレーザー彫刻機と同程度の性能しか発揮できない場合もあります。

2.5 µmを超える波長の吸収（または反射）データは存在しませんが、より長い波長における吸収挙動は、ほとんどの生物に存在し皮膚の色を決定する主成分である天然色素メラニンの吸収挙動に従うと推定されます。以下の図は、メラニンの吸収がレーザー波長の増加に伴い減少することを示しています。また、このグラフの出典であるケンブリッジ大学の記事によれば、メラニンに対する吸収は700 nmを超える波長でほぼ完全に減衰すると記されています。

金属へのガルボレーザー彫刻

金属は、他のガルボレーザー彫刻用途とは異なり、非常に高い熱伝導率を持つため、効率的に金属材料を彫刻するには、高いエネルギー密度で強く集光されたレーザービームや、パルスエネルギーの高いレーザーが必要です。加えて、対象となる金属材料が使用するレーザーの波長に対する高い吸収率を有していることが重要です。つまり、金属彫刻に最も効率的なレーザーは、高出力青色ガルボレーザー彫刻機、パルスファイバーガルボレーザー彫刻機、および高光学出力密度の青色レーザーヘッドです。一方、CO2ガルボレーザーは金属彫刻には極めて非効率的です。

ケーススタディ：金属へのガルボレーザー彫刻

2つの動画は青色ガルボレーザーによるステンレス鋼および工具鋼のマーキングを示しています。

金属毎に吸収率は異なり、下に示すグラフは、銅、金、チタン、（生）アルミニウム、ニッケル、銀といった主要金属の、200 nmから12.8 µmの波長域における吸収率を示しています。

下に掲げた別のグラフは、様々な金属の反射率を示しています。先程のグラフに掲載された材料の他にも、純鉄、タングステン、白金、クロム、ベリリウム、モリブデンなどの挙動も示しています。ただし、下記の反射率グラフは完全に平滑な表面の金属における反射率を示しており、表面が平滑でなければなるほど、短波長レーザーの吸収が高まる点に注意が必要です。

上記2つのグラフのデータから、青色ガルボレーザーは、クロムを除く全ての前述の金属への彫刻において、長波長ガルボレーザーよりも高効率であることが分かります。特に、青色ガルボレーザー彫刻機が著しく高効率となるのは、金、銅、白金、タングステンです。興味深いことに、青色ガルボレーザーは銅を彫刻できるだけでなく、銅のマイクロ溶接も可能です。

一方で、裸（かつ極めて平滑な）アルミニウムの場合、波長が500 nm～900 nmのファイバーガルボレーザーがより効果的な選択となりますが、青色ガルボレーザーも一般的に使用されている1.06 µmファイバーガルボレーザーよりは裸アルミニウムに対して効果的です。

興味深いことに、タングステンを青色ガルボレーザーで彫刻することは非常に効率的です。特に、右下の写真に示されるようにタングステン表面が平滑でない場合、その傾向が顕著です。左側の動画は30W青色ガルボレーザー彫刻機によるタングステンへの彫刻作業を示しています。

布地・繊維へのガルボレーザー彫刻

レーザー加工における繊維・布地用途でも、青色ガルボレーザー彫刻機は他のタイプよりも優れたソリューションを提供します。これは天然、合成のどちらの布地にも当てはまります。1.06 µmファイバーガルボレーザーは、多くの布地がファイバーガルボレーザーの波長を反射するため、加工が難しい傾向があります。CO2ガルボレーザーでも布地や繊維の彫刻・カットは可能ですが、青色ガルボレーザーを使用した場合よりも、はるかに低速かつ高コストとなります。

ケーススタディ：布地・繊維へのガルボレーザー彫刻

下の動画は30W青色ガルボレーザーによるコットンへの彫刻作業を示しており、ほんの一瞬で完了します。

次の2つのグラフに、コットン、ナイロン、レーヨン、ポリエステル、アクリル、ウール、カシミヤなど様々な布地の波長反射率が記されています。グラフがカバーする波長範囲は350 nm～2.35 µmです。青色ガルボレーザーの450 nm波長に対する吸収率は74%～97%の範囲で、典型的には90%です。

ただし、布地や繊維には様々な色が存在します。青色ガルボレーザー彫刻機は、素材が暗いほど、より高速な彫刻が可能です。全体として青色レーザーの場合、速度はその繊維や布地の色調・色味に依存します。青色レーザーは非常に反射率が高い青色や白色の繊維・布地にはやや不向きです。それでも、青色ガルボレーザーは布地や繊維の彫刻（および切断）に最適な手段であり、どのCO2レーザーやファイバーレーザーよりも優れています。

食品および有機材へのガルボレーザー彫刻

ファイバーおよびCO2ガルボレーザーは、食品や大多数の有機材料の彫刻には不向きです。これは、食品や有機材の水分含有率が非常に高く、多くの場合70％に達するためです。水はレーザーの大部分のスペクトルを吸収しますが、450 nmの青色レーザーについては水の吸収係数が3*10^-4 cm-1と極めて小さく、ほぼ透過します。1.06 µm波長の場合は吸収率6000 cm-1、10.6 µm CO2レーザービームでは更に高く7000000 cm-1となります。つまり、CO2およびファイバーレーザーのエネルギーはほぼ全て水分の蒸発に費やされますが、青色レーザーは水分を無視して、実際に彫刻対象である有機材料の加工を行うため、プロセスが大幅に高速化されます。

加えて、植物種は青色ガルボレーザービームに対して非常に高い吸収性を示します。青色ガルボレーザーの波長に対する緑色植生の吸収率は、下図のように最大93%に達します。

もっとも、他の種類のガルボレーザーが適している有機材料も存在します。例としてハイドロキシアパタイト（しばしば不適切にハイドロキシアパタイトと呼称されます）は、歯のエナメル質の主要構成成分です。ハイドロキシアパタイトは修飾形態で人体骨の約70％も占めています。ハイドロキシアパタイトは、10.6 µmのCO2ガルボレーザービームによりはるかに吸収されやすいため、骨や歯の切断・彫刻にはこのタイプのガルボレーザー彫刻機が最も効率的です。ヘモグロビン、ハイドロキシアパタイト、メラニン、水といった化合物に対する波長吸収率を示すグラフが以下にあります。このグラフは、10.6 µmガルボレーザーの波長が青色レーザー波長よりも1万倍も吸収されやすいことを示します。

しかし、同グラフはまた、青色レーザーがヘモグロビンに最も効率的に吸収されるレーザービームであることも示しており、この点から青色ガルボレーザーが外科手術用途に最適解となることがわかります。

セラミックスへのガルボレーザー彫刻

セラミックスカテゴリーには、アルミナやチタンジボライド等の工業用セラミックスだけでなく、ボーキサイトや大理石などの天然石種も含まれます。

セラミックス材料は一般的に短波長への反応性が良好ですが、吸収率は材質ごとに大きく異なります。青色ガルボレーザーは、防護用部材に使われる技術セラミックス加工に最も適しています。この中には、戦車や防弾チョッキのセラミック装甲があります。青色レーザーで効果的に加工できる技術セラミックスの一部は、徹甲弾や砲弾等にも使用されています。防護用セラミックスにおいては、青色ガルボレーザー彫刻機の波長吸収率は、長波長ガルボレーザーと比べ温度上昇に伴い指数関数的に高まります。該当するセラミックスには、アルミナ（Al2O3）、炭化ホウ素（B4C）、炭化ケイ素（SiC）、チタンジボライド（TiB2）、炭化タングステン（WC）があります。

特に、溶融アルミナの場合、短波長に対する吸収率が劇的に増加します。溶融アルミナについては、青色レーザー波長の吸収がファイバーレーザー比で最大300倍も高いことが下記グラフで示されています。[V.K. Bityukov et al., Absorption Coefficient of Molten Aluminum Oxide in Semitransparent Spectral Range, Applied Physics Research, Page 51, Vol. 5, January 2013. DOI: 10.5539/APR.V5N1P51]

その他の種類のガルボレーザー彫刻機はこれらの材料には多くの場合で対応が困難です。ファイバーガルボレーザーは青色ガルボレーザーより大幅に劣るものの、アルミナセラミックスを除きCO2ガルボレーザーよりは優れた動作が可能です。それにもかかわらず、これらの技術セラミックスの加工には青色ガルボレーザー彫刻機が製造工程の生産性を大幅に向上させます。

下のグラフは、シリコンカーバイドへの異なるガルボレーザーの吸収率を示しています。各300ケルビンの温度上昇毎に、吸収スペクトルが約0.2 eV短波長側にシフトする点に注意してください。

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