レーザー切断とプラズマ切断: 詳細ガイド

プラズマとレーザーはどちらも金属を切断（または成形）するために熱を使います。 レーザー切断 vs プラズマ切断 製造プロジェクトにおける熱切断は分析的なタスクです。これらの熱切断方法には、それぞれ異なる機能と加工の好みがあります。適切な選択は、材料の適合性、必要な精度、速度、予算の制約など、切断要件を満たす方法がどれであるかによって決まります。

この記事では、プラズマ切断法とレーザー切断法の比較概要、それぞれの長所、短所、直接比較などを紹介し、意思決定を容易にします。

レーザー切断とは何ですか?

レーザー切断は、さまざまな材料シートを切断する非接触切断プロセスです。集中したレーザービームが材料を正確に溶かして蒸発させ、複雑な輪郭の切断を行います。レーザー切断機の歴史は、 1964 ある工業会社が初めてこれを金型の穴あけに使用したとき。 

レーザー切断機は時とともに進化を続け、現在では高度な CNC レーザー カッターが誕生しました。CNC 統合により、レーザー ヘッドを G コードと M コードで正確に動かすことができ、許容誤差は ±0.003 mm まで小さくなっています。

レーザー切断はどのように機能するのでしょうか? 

複数のコンポーネントを備えた複雑なレーザー システムがレーザー切断プロセスを実行します。このプロセスには、レーザーの生成から、ビームを事前に定義された切断パスに制御するまでのすべてが含まれます。 

このプロセスはレーザー生成から始まります。ここでは、電源 (スパーク) によって CO₂ や光ファイバーなどのレーザー媒体上の原子が加速されます。この現象によって高度に集中したビームが生成され、ミラーを使用して増幅され、切断領域に向けられます。次に、一連の集束レンズによって光が強い点に収束され、ノズルを通過するときにエネルギー密度が増加します。  

さらに、レーザー切断トーチまたは集束ヘッドにより、CNC プログラムによって制御されたノズル ヘッドを所定の経路に移動できます。集束されたレーザーにより局所的な加熱が発生し、材料が溶解し、ガス流により侵食された材料が吹き飛ばされます。

レーザーカッターの種類 

製造業では、主に 10.6 種類のレーザー ベースのカッターが実践されています。それぞれ、レーザー ビームを生成するために使用される媒体によって定義されます。CO₂、光ファイバー、Nd:YAG 結晶です。これらのレーザー媒体は、それぞれ 1.06 µm、1.06 µm、XNUMX µm という異なる波長を持っています。波長の変化は、レーザーがさまざまな材料とどのように相互作用するかに影響します。たとえば、一部の材料は特定の波長を他の材料よりもよく吸収します。

• CO₂レーザーカッター: CO₂ガス混合物を使用してレーザーの集中ビームを生成します。特に熱可塑性プラスチックや木材などの非金属シートに使用されます。 
• ファイバーレーザーカッター: 光ファイバーケーブルは光を増幅し、レーザーを生成します。金属のワークシートを切断するのに最適です。 
• 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の結晶は、これらのタイプのレーザーのレーザー媒体として使用されます。

プラズマ切断とは何ですか?

プラズマ切断 高温のイオン化ガス流で金属板を分割するプロセスです。電気火花が圧縮ガス（空気、水素、アルゴン）に高熱を与え、原子を励起して運動させます。その後、分子の連続衝突により、20000 °C を超えるプラズマと呼ばれるガスからの分子の分離が起こります。

工業設備では、CNC プラズマ切断機がプラズマの流れを誘導して複雑な切断を行い、材料を正確に加熱、溶解、侵食します。プラズマ カッターとレーザー カッターでは、厚さ 1.5 インチの金属を切断できます。

プラズマ切断の仕組みとは？

プラズマトーチは、このプロセスの主要な装置です。プラズマトーチは、電極、ガス供給、ノズル、シールドガスなど、複数のコンポーネントで構成されています。電極は圧縮ガス (空気または不活性ガス) 内で電気アークを発生させ、ノズルは形成されたプラズマジェットをワークピースに向けます。 

プラズマ ジェットが作業面と相互作用すると、局所的な加熱が発生し、材料が溶解します。同時に、高速ジェットが切断部から溶解した材料を一掃します。 

プラズマカッターの種類

プラズマ切断システムには、テーブル上で動作するさまざまな種類のカッターがあります。一般的な例としては、空気、酸素、HD、CNC プラズマ カッターなどがあります。 

• エアプラズマカッター: レーザー媒体として空気を使用するため、小型部品や少量生産に最適です。
• 酸素プラズマカッター: 酸素分子のイオン化によるプラズマは、空気よりもはるかに高い精度と複雑な切断能力を提供します。
• CNCプラズマカッター: 打撃経路の CNC 制御により、正確で一貫した切断が可能になります。ほとんどの業界では、高品質の結果を得るためにこのタイプの自動プラズマ カッターを使用しています。

レーザー切断とプラズマ切断の主な違い

レーザー切断とプラズマ切断の違いを議論する上で重要な点は、電源、材料の適合性、速度、厚さ、および費用です。 

切削精度と正確性 

精度は、レーザー切断とプラズマ切断の主な違いの 0.030 つです。レーザーはプラズマ ストリームよりも集中しているため、狭い領域でも正確な位置決めが可能です。レーザーは、厳しい許容誤差で一貫した輪郭を切断でき、バリのないきれいなエッジが得られます。一方、プラズマは精度が低く、切り口も大きくなります。レーザー切断では ±0.1 mm までの許容誤差を達成できますが、プラズマ切断では ± XNUMX mm です。 

スピードと効率

プラズマ カッターとレーザー カッターの切断速度の比較は、厚さによって異なります。レーザーは、薄いシート (< 1.25 mm) の場合、プラズマのほぼ 200 倍の速度で切断できますが、厚いシートの切断にはプラズマの方が優れています。また、速度はソース電力と切断する材料の種類によっても異なります。たとえば、3 W のレーザーでは、厚さ 10 mm の軟鋼を最大 XNUMX m/分の速度で切断できます。  

さらに、レーザーマシンはエネルギー効率が高く、プラズマを生成するよりもエネルギー消費が少なくなります。 

材料

レーザー切断システムは、鋼、アルミニウム、銅、アクリル、熱硬化性樹脂、ゴム、木材など、さまざまな材料に対応しています。一方、プラズマは導電性金属にのみ作用します。プラズマアークは回路を流れる必要があり、導電性材料が電気回路の「接地」として機能すると回路が完成します。 

レーザーには幅広い材料の選択肢がありますが、一部の材料には運用上および環境上の危険が伴います。たとえば、PVC は有毒な煙を発生します。さらに、使用するレーザーの種類も材料の適合性に影響します。

表面仕上げ 

レーザーカットされた金属表面は、狭いカットや複雑なデザインでも滑らかでバリがありません。また、エッジもシャープできれいです。そのため、カット後の後処理は不要、または最小限で済みます。一方、プラズマではスラグやバリのある粗いエッジが残るため、研磨、ビーズブラスト、その他の後処理作業が必要になります。

さらに、材料の種類、厚さ、レーザーの種類によって、正確な粗さの値 (Ra) が左右されます。通常は 0.8 ～ 6 µm です。プラズマを使用すると、ファイバー レーザーよりも表面仕上げの優れた切断結果が得られる場合があります。 

コストと運用費用

CNC プラズマ カッターは設置コストが安く、費用は 10,000 ～ 100,000 ドルです。一方、レーザーの場合は設定が複雑で高度な機器が必要なため、費用は 50,000 ～ 500,000 ドルと高額です。したがって、運用コストもレーザー システムの方がプラズマ システムよりわずかに高くなります。 

「プロジェクトにおけるレーザー切断またはプラズマ切断の総コストは、設計の複雑さ、必要な精度、市場競争力によって異なります。中国では、15時間あたり20～XNUMXドルで、米国やヨーロッパよりも大幅に安くなっています。」 

切断厚さ 

レーザー切断とプラズマ切断の厚さを比較すると、プラズマ ジェットは 50 mm までの厚い材料に非常に効果的です。一方、レーザーは 25 mm に制限されています。さらに、厚さは切断する材料によっても異なります。

用途 

プラズマ切断は、スピードと厚さの点で造船業や建設業などの重工業で人気があります。たとえば、構造梁、ボート部品、農業機械、石油・ガス部品などです。 

 レーザー切断は、電子機器、航空宇宙、自動車、宝飾品など、精度が要求される分野で幅広く使用されています。たとえば、チップ、車体パネル、航空機の機体などのマイクロコンポーネントなどです。

レーザー切断の長所と短所 

レーザー切断の主な利点と欠点は次のとおりです。 

レーザー切断の利点 

• 自動化と精度: CNC レーザーは、厳しい許容誤差を維持しながら、細かいディテールまで複雑なデザインを作り上げます。これは、G および M コードによる正確なパスでの打撃のデジタル制御により可能になります。 
• きれいでバリのないカット: レーザーカットされた角とエッジはきれいでシャープです。 
• 材料の多様性: 金属、プラスチック、布地、複合材、その他多くの材料を切断できます。
• 速度と効率: 設計変更のためにツールの再作成や調整を行う必要はありません。また、レーザーは材料の無駄が少なく、消費電力が少なく、速度も優れています。
• 加工硬化なし: 非せん断切断により、切断面付近での加工硬化のリスクが排除されます。 

レーザー切断の欠点 

• 厚さ制限: レーザー切断プロセスでは、高出力の機械であっても、厚さ 25 または 30 mm を超えるシートを切断することはできません。
• 反射金属の課題： 銅、真鍮、銀などの反射面を持つ材料は、表面がビームを部分的に反射するため、切断が困難です。
• 高コスト： セットアップと操作のコストはどちらも他の切断方法よりも高いため、パフォーマンスに高精度と滑らかな表面が必要ないプロジェクトには適さない可能性があります。

プラズマ切断の長所と短所

プラズマ切断の主な利点と欠点は次のとおりです。 

プラズマ切断の利点 

• 厚い材料の切断CNC システムによって誘導されるプラズマ トーチにより、一部の材料では最大 150 mm の厚い材料をより高速かつ効率的に切断できます。 
• コストメリット:  プラズマ切断は、単純な作業から重作業まで、コスト効率に優れています。 
• 運用上の安全性: これは酸素ベースの切断機構ではなく、不活性ガスを使用してトーチ内にプラズマジェットを発生させ、最大限の安全性を実現します。 
• 反射性金属の切断: レーザーとは異なり、銀のような反射面を持つ金属に非常によく機能します。 

プラズマ切断のデメリット 

• 導電性金属のみ: 電気伝導性の材料、金属、合金にのみ互換性があります。  
• 熱による損傷の危険性: レーザー切断とプラズマ切断を比較すると、プラズマは大きな熱影響部を生成し、作業材料の本来の熱特性を損なう可能性があります。 
• 表面仕上げが悪い: プラズマストリームによりバリや切り口が残り、金属の切断面が粗くなります。 

プロジェクトに適した切断方法の選択

プロジェクトにプラズマ カッターとレーザー カッターのどちらを使用するかを決めるには、設計の複雑さから予算の制約まで、さまざまな要素を考慮する必要があります。さらに、作業材料と最終要件によって選択が左右されます。

適切な方法を選択するための主な考慮事項は次の 4 つです。

作品素材

どのようなタイプのシートまたはワークピースを切断しますか? 導電性ですか、非導電性ですか? 非導電性の場合、プラズマは互換性がないため、直接レーザーを選択してください。レーザーに確信がある場合でも、使用可能なレーザー タイプ (CO2、ファイバー、およびクリスタル) と材料の互換性を確認してください。

厚さとサイズ

設計に 30 mm を超える厚い部分がある場合は、プラズマ切断を選択してください。それ以外の場合は、指定された厚さに対して両方の技術の速度を確認してください。小さなサイズの部品は、熱の影響を受ける領域が小さいレーザー切断に適しています。

必要な精度と予算

多くの場合、許容範囲が狭くなるとコストが大幅に増加するため、コストを最適化します。次に、必要な精度と正確さを犠牲にすることなく、予算内に収まる可能性が高いものを確認します。 

設計の複雑さ 

複雑で精密なカットは、CNC レーザー切断機でのみ実現可能です。マイクロ プロファイル、鋭角な角、小さな半径 (<1 mm)、彫刻などを含むデザインに最適です。 

レーザー切断とプラズマ切断はいつ使用すればよいですか?

以下の表は、レーザー切断とプラズマ切断がプロジェクトに最適な選択肢となるシナリオの概要を示しています。 

結論 

レーザー切断とプラズマ切断には多くの点で違いがありますが、どちらも金属加工プロジェクトでは価値があります。さらに、選択は、材料の種類、必要な精度、予算など、プロジェクトの特定の要件によって異なります。各方法から期待される結果とそれに伴うコストを分析できます。 

どれを選べばよいかまだわからない場合は、業界の専門家に相談してください。 ラピッドディレク私たちは、プロフェッショナルなサービスを提供するだけでなく、 CNCレーザー の三脚と プラズマ切断サービスただし、当社のエンジニアは、生産段階に移行する前に、設計の最適化、コスト分析、各方法の比較利点についても相談します。

よくあるご質問