含 水 モ ニ タ リン グ 技 術 を利 用 した 高 精 度 レー ザ ー 木 材 加 工 シ ス テ ム

含 水 モ ニ タ リン グ 技 術 を利 用 した 高 精 度 レー ザ ー 木 材 加 工 シ ス テ ム

報告者 近畿大学大学院総合理工学研究科東大阪モ ノづ くり専攻 助教授 橋新裕一 共同研究者 株式会社 レザ ック 代表取締役 柳本忠二

1.背 景

現 在 、 抜 型 加 工 の 基 板 の 一 つ と し て 、 合 板 が 用 い られ て い る。 合 板 と は 、 湿 気 に よ る反 り返 りを な く し強 度 を 向 上 させ る た め 、 木 目が 垂 直 に な る よ うに 奇 数 枚 重 ね られ た 木 材 を 指 す 。 株 式 会 社 レザ ッ ク で は 抜 型 の 基 板 に 合 板 を 使 用 して お り、 抜 型 用 刃 物 を 合 板 に 設 置 す る た め の 溝 の 作 成 に はCW‑CO2レ ー ザ ー を 用 い て い る。 レー ザ ー 加 工 の 利 点 と して は 、 高 精 度 ・高 品 質 な 加 工 が 行 え る 、非 接 触 な加 工 の た め 工 具 の 磨 耗 が な い 、な どが 挙 げ られ る 。 しか し、CW‑CO2レ ー一ザ ー の 照 射 波 長 で あ る10.6μmは 水 の 分 子 振 動 に 一 致 す る照 射 波 長 で あ る た め 、 レー ザ ー エ ネ ル ギ ー は 水 に 強 く吸 収 され て しま う。 そ の た め 、 合 板 に 含 ま れ る 水 分 量 に よ っ て 加 工 の 精 度(切 断 面 の 形 状 や 切 断 幅)が 変 わ っ て しま う とい う問題 点 が 挙 げ られ る。

そ こ で 本 研 究 で は 、 高 精 度 ・高 品 質 な レー ザ ー 加 工 を行 う為 、 レー ザ ー 加 工 中 に発 生 す る加 工 音 に 着 目 した 。 レー ザ ー 加 工 音 に は 、 照 射 対 象 の 種 類 や 状 態 お よび 水 分 量 な ど が含 ま れ て い る。 そ の た め 、 レー ザ ー 加 工 音 か ら合 板 の 水 分 量 を フ ィー ドバ ッ ク し レー ザ ー 照 射 条 件 を 制 御 す る こ とで 、 高 精 度 ・高 品 質 に レー ザ ァ 加 工 を 行 え る と考 え られ る 。 本 稿 で は 、1kW‑CW‑CO2レ ー ザ ー を 合 板 に 照 射 した とき に発 生 す る加 工 音 を 測 定 し、 そ れ ぞ れ 照 射 条 件 を変 化 させ た と き の 合 板 の加 工 音 特 性 を調 べ た 。

2.目 的

レー ザ ー 照 射 中 に 発 生 す る レー ザ ー 加 工 音 は 、材 料 の 水 分 量 、吸 収 係 数 に よ り変 化 す る。

そ の た め 、 レー ザ ー 加 工 音 か ら材 料 の 水 分 量 を判 別 す る こ とが 可 能 で あ る と考 え られ る。

そ こ で 本 研 究 で は レー ザ ー 加 工 の 精 度 を 向 上 させ る た め 、 レー ザ ー 照 射 に 発 生 す る レー ザ ー 加 工 音 を リア ル タ イ ム で 解 析 し、 レー ザー加 工 中 に レーザ ー の照 射 パ ラ メー ター を制御 で き る レー ザ ー 加 工 シ ス テ ム の 開 発 を 目的 と して い る。

レー ザ ー 加 工 音 か ら材 料 の 状 態 を 判 別 す る た め に は 、 レー ザ ー 加 工 音 が 変 化 す る原 因 を 詳 し く調 べ る必 要 が あ る。 そ こ で 、 レー ザ ー の 照 射 部 位 、 レー ザ ー の 照 射 エ ネ ル ギ ー 、 合 板 の 水 分 量 を 変 化 させ て レー ザ ー 照 射 を行 い 、 そ れ ぞ れ の 条 件 を 変 化 させ た と き 加 工 音 特

長 焦 点 レン ズ (7.5m)

⑧ ⑦

恩 ⑯

① 忽 ⑩ 一. ① ③ ラ 一 ﹁ 警 ヨ ▽

偏 定 動 円 固 可

図11kW‑CW‑CO2レ ー ザ ー の 光 学 系 配 置 図

性 が どの よ うな 変 化 す るか を調 べ る こ と を 目的 と した 。

3.1kW‑CW‑CO2レ ー ザ ー 照 射 方 法 お よ び 加 工 音 の 測 定 方 法

1kW‑CW‑CO2レ ー ザ ー で の 実 験 配 置 図 を 、 図1に 示 す 。 照 射 レ ー ザ ー に は1kW‑CW‑CO

2レ ー ザ ー を 用 い

、 加 工 対 象 に は 合 板(シ ナ 材 、9層 、 厚 さ18㎜)を 用 い た 。1kW‑CW‑CO2レ ー ザ ー は 直 線 偏 光(出 射 直 後)で あ る が 、 円 偏 光 ミ ラ ー(①)を 用 い て 円 偏 光 と し た 。 可 動 ミ ラ ー は ③ 、 ④ 、 ⑥ 、 ⑦ と な っ て い る 。 ⑥ 、 ⑦ の ミ ラ ー に よ り レ ー ザ ー ヘ ッ ドが 前 後 左 右 に 動 き 、 光 路 長 が 変 化 し た 分 を ③ 、 ④ の ミ ラ ー を 動 か す こ と で 調 整 し て い る(③ 、 ④ の ミ

ラ ー は 連 動)。 集 光 ユ ニ ッ ト内 部 集 光 レ ン ズ(集 光 距 離:177 .8㎜)を 設 置 し 、 合 板 に 集 光 照 射 を 行 っ た 。 レ ー ザ ー 照 射 に よ り発 生 す る 加 工 音 の 測 定 に は 、 超 音 波 音 圧 計(測 定 範 囲 20‑70kHz、 無 指 向 性)を 用 い 、 オ シ ロ ス コ ー プ に よ り 波 形 の 観 測 を 行 っ た。

3‑1.切 断 加 工 中 の 加 工 音 波 形

CADに よ っ て プ ロ グ ラ ミン グ され た 図形(図2)に 沿 っ て レー ザ ー 走 査 照 射 を行 う と き 、 肇 生 す る加 工 音 の 測 定 を行 っ た 。 そ の と き 、 レー ザ ー め 照 射 条 件(走 査 速 度 、 レ ン ズ が ら 合 板 ま で の 距 離)を 変 え て レー ザ ー 照 射 を行 い 、 合 板 の 加 工 音 特 性 に ど の よ うな影 響 が 現 れ るか を観 測 した 。 な お 、 実 際 に レー ザ ー 加 工 を行 な う際 、 レーザ ー 照射 に よ り莞 生ナ る 煙 が レ ン ズ に悪 影 響 を与 え な い よ うに す る た め 、 照 射 部 に エ ア ニ を 噴 射 させ て い る。 エ ア

160mm

85mm

図2レ ー ザ ー 走 査 用 図 形

220mm

CO2レ ー ザ ー

ボール盤を用いて 事前に穿孔 図3合 板厚さを変える方法

は5㎜ で あ る が 、 照 射 間 隔 が 加 工 音 に 与 え る影 響 を調 べ る為 、 照 射 間 隔 を 変 化 させ て 実 験 を行 っ た 。

3‑2.穿 孔 加 工 中 の加 工 音 波 形

1kW‑CW‑CO2レ ー ザ ー は 通 常CW発 振 で あ る が 、 レー ザ ー の 照 射 時 間 を変 化 させ 、パ ル ス 状 に 照 射 した 場 合 の加 工 音 の 測 定 を行 っ た 。 そ の と き 、 レー ザ ー の 照 射 条 件(照 射 時 間 、 照 射 パ ワ ー 、 レン ズ か ら合 板 ま で の 距 離)を 変 え て レー ザ ー 照 射 を 行 い 、 レー ザ ー 加 工 音 が どの よ うに 変 化 す る か を観 測 した 。 ま た 、 ボ ー ル 盤 を用 い て 事 前 に合 板 を 穿 孔 し、 合 板 の 厚 さ を 変 化 させ た 場 合 に 加 工 音 波 形 が どの よ うに 変 化 す る か を観 測 した 。 事 前 に 穿 孔 した 合 板 へ の レー ザ ー 照 射 方 法 を 、 図3に 示 す 。 レー ザ ー 照 射 に対 して 裏 側 を 、 あ る一 定 の厚

さに な る よ うに ボ ー ル 盤 を用 い て 穿 孔 した 。

4.実 験 結 果

切 断 加 工 中 の加 工 音 波 形 お よ び 穿 孔 加 工 中 の 加 工 音 波 形 を そ れ ぞ れ 示 す 。 以 降 に 示 す 加 工 音 波 形 に お い て 、 加 工 音 が 発 生 す る 時 間 は 図 中 のOsecの 位 置 で あ る。

図4(a)に は 、 レ ー ザ ー 照 射 条 件 を 照 射 パ ワ ー800W、 走 査 時 間900㎜/min、 レ ン ズ か ら 合 板 ま で の 距 離183.2㎜ 、 ガ ス 圧0.5MPaと し た 場 合 の 加 工 音 波 形 を 示 し た る 図4(b)に は 、 レ ー ザ ・一 照 射 条 件 を 照 射 パ ワ ー‑800W、 走 査 時 間1030㎜/min、 レ ン ズ か ら 合 板 ま で の 距 離181.0㎜ 、 ガ ス 圧0.5MPaと し た 場 合 の 加 工 音 波 形 を 示 し た 。 図4(a)、(b)に 示 す よ う に 、 レ ー ザ ー 走 査 照 射 に よ る 加 工 音 波 形 に は 、 照 射 条 件 に よ る 変 化 は ほ と ん ど 見 ら れ

05050505007522570圃1■一■ー

ロ(﹀)出鯉・ミてム団如e蜘H異

一200 20406080100‑20020406080100

時 間(msec)時 間(msec)

図4レ ー ザ ー 走 査 照 射 時 の 加 工 音 波 形 な か っ た 。

レー ザ ー 走 査 照 射 時 、 発 生 す る加 工 音 は 断 続 的(加 工 音 の 発 生 時 間 は 約5msec)と な る こ と が 分 か っ た。 ま た 、加 工 音 は 照 射 開 始 後100msec程 度 しか 発 生 せ ず 、 レー ザー 走査 中 は ほ とん ど加 工 音 が発 生 して い な か っ た 。

4‑1‑2.照 射 間 隔 依 存 性

レー ザ ー 走 査 時 に加 工 音 が 発 生 しな い 理 由 を調 べ る為 、照射 と照射 の間 隔 を あけ て実験 を行 い 、加 工 音 が どの よ うに 変 化 す る か を観 測 した。 レー ザ ー の 照 射 方 法 を 図5に 示 す 。

図5照 射間隔の設定方法

図6(c)よ り、 照 射 間 隔 が1㎜ か ら5㎜ に か け て加 工 音 の 発 生 時 間 は 長 く な っ て い る が 、 照 射 間 隔 が5㎜ 以 上 で は加 工 音 の 発 生 時 間 に ほ とん ど変 化 は 見 られ な か っ た

(8 の ∈ ) 踵 壇 州 猷 e 恥 H 畏

02468101214161820 照 射 間 隔(mm)

図6照 射 間 隔 を変 え て レー一ザ ー 照 射 を行 った 場 合 の 加 工 音 特 性

4‑2.穿 孔 加 工 中 の 加 工 音 波 形 測 定 結 果 4‑2‑1.照 射 時 間 依 存 性

1kW‑CW‑CO2レ ー ザ ー を 、 照 射 時 間 を 変 化 さ せ て 合 板 に レ ー ザ ー 照 射 を 行 い 。 得 ら れ た 加 工 音 波 形 を 図7(a)〜(c)に 示 す 。 照 射 時 間 は 、10msec〜100msecと し た 。 照 射 パ ワ ー800 W、 レ ン ズ か ら 合 板 ま で の 距 離182.3㎜ 、 ガ ス 圧0.5MPaと し た 。 照 射 時 間10msecの 場 合

は 合 板 の 貫 通 は 見 ら れ な か っ た が 、 照 射 時 間50msec、100msecの 場 合 は 合 板 の 貫 通 が 見 ら れ た 。 照 射 時 間10msecの 場 合 、 加 工 音 の 発 生 時 間 は 約15msecで あ っ た が 、 照 射 時 間 が50msecの 場 合 加 工 音 の 発 生 時 間 は 約60msecと な り、 照 射 時 間 に 依 存 し て 加 工 音 の 発 生 時 間 は 長 く な る こ と が 分 か っ た 。 し か し 照 射 時 間100msecの 場 合 、 加 工 音 の 発 生 時 間 は 約65msecと な り 、 照 射 時 間50msecの 場 合 と ほ と ん ど 変 化 が 表 れ な か っ た 。 図7(d)に

̲1.00

≧0 .75 団 鯉0.50 ミ0.25

≦ ・ 誰価

e‑0.50 羽皿 一〇.75H 畏 一1.00

‑20020406080

時 間(msec)

0505050500752257010(U(U(U(U(U‑  ココ(﹀)出鯉・ミてム出掴e掴H員

100‑20020406080100

時 間(msec)

一20020406080100

時 間(msec)

  80

§

560

:田40 e 櫃20 H 畏0

図7照 射時間の変化 した場合の加工音特性

4‑2‑2.照 射 パ ワ ー 依 存 性

照 射 パ ワ ー を500W〜1000Wま で 変 化 さ せ て レ ー ザ ー 照 射 を 行 い 、 図8(a)に は 加 工 音 の 大 き さ の 変 化 を 、 図8(b)に は 加 工 音 の 発 生 時 間 の 変 化 を 示 す 。 レ ー ザ ー の 照 射 条 件 は 、 照 射 時 間100msec、 レ ン ズ か ら合 板 ま で の 距 離188.3㎜ 、 ガ ス 圧0.5MPaと し た 。 図8(a)、

(b)よ り 、 照 射 パ ワ ー の 増 加 に 伴 い 加 工 音 の 大 き さ が 大 き く な り、 加 工 音 の 発 生 時 間 が 短 く な る こ と が 分 か っ た 。 ど の 照 射 条 件 に お い て も 、 合 板 の 貫 通 か 見 ら れ た 。

≧ 出 鯉14 ん 抽12 e 羽皿10

H 員8

(a)

:蔓

一

●

§

ε110

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二

一 ●

6° ・:

一 一

●

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一

一 一

H

口

]lllllIlIl「 +ミ80

]llI 5006007008009001000

照 射 パ ワ ー(W)

5006007008009001000

照 射 パ ワ ー(W)

図8照 射 パワーを変化させた場合 の加工音特性

4‑2‑3.焦 点 距 離 依 存 性

レ ン ズ か ら合 板 ま で の 距 離 を177.8㎜ 〜188.3㎜ と し 、 パ ル ス 状 に レ ー ザ ー 照 射 を 行 っ た 場 合 の 加 工 音 波 形 を 図9(a)〜(d)に 示 す 。 図9(a)、(b) 、(c)に は そ れ ぞ れ177.8㎜ 、 182.3㎜ 、188.3㎜ に お け る 加 工 音 波 形 を 示 し た 。 図9(d)に は 、 そ れ ぞ れ の 距 離 に お け る 加 工 音 の 発 生 時 間 を 示 し た 。 照 射 パ ワ ー は 全 て800W、 照 射 時 間 は100msecと し た 。 レ ン ズ の 焦 点 距 離 は177.8㎜ で あ る 。 ど の 照 射 条 件 に お い て も 合 板 の 貫 通 が 見 ら れ た 。 集 光 点 に 最 も 近 い178.3㎜ の 場 合 、 加 工 音 の 発 生 時 間 は 非 常 に 短 く 、 約750μsecで あ っ た 。 ま た 、 図9(d)に 示 す よ う に 、 レ ン ズ か ら 合 板 ま で の 距 離 が 大 き く な る(集 光 径 が 広 が る)

と と も に 、 加 工 音 の 発 生 時 間 が 長 く な る こ と が わ か っ た 。 4‑2‑4.合 板 厚 さ依 存 性

合 板 の 厚 さ を 図3に 示 す 方 法 で1㎜ 〜3㎜ に 変 化 さ せ 、 パ ル ス 状 に レ ー ザ ー 照 射 を 行 っ た 場 合 の 加 工 音 波 形 を 図10(a)〜(d)に 示 す 。 図10(a)、(b)、(c)に は 、 合 板 の 厚 さ が そ れ ぞ れ1㎜ 、5㎜ 、18㎜ に お け る 加 工 音 波 形 を 示 し た 。 図10(d)に は 、 そ れ ぞ れ の 厚 さ に お け る 加 工 音 の 発 生 時 間 を 示 し た 。 レー ザ ー の 照 射 条 件 は 、 照 射 パ ワ ー800W 、 照 射 時 間100msec、 レ ン ズ か ら合 板 ま で の 距 離188.3㎜ 、 ガ ス 圧0.1MPaと し た 。 ど の 暑 さ に お い て も 、 合 板 の 貫 通 が 見 ら れ た 。 加 工 音 の 発 生 時 間 は 合 板 の 厚 さ に 依 存 し て 変 化 し、 合 板 が 厚 く な る と と も に 加 工 音 の 発 生 時 間 は 増 加 し た 。 ま た 、 照 射 直 後 に 比 べ 、 照 射 開 始 か ら 20〜30msecに お い て 加 工 音 が 最 も 大 き く な る こ と が わ か っ た 。

5.ま と め

合 板 の レー ザ ー 切 断 加 工 中 は 、 切 断 開 始 時 に 加 工 音 が 発 生 し、 レー ザ ー 走 査 中 に は 発 生 しな い こ とが 明 らか に な っ た 。 こ の 原 因 は 、 照 射 部 位 の 水 分 量 が 切 断 開 始 時 に は 多 い が 、 レー ザ ー 走 査 に よ っ て 、 水 分 が 蒸 発 して い く た め と考 え られ る 。

合 板 の レー ザ ー 穿 孔 加 工 中 は 、 合 板 貫 通 中 に加 工 音 が 発 生 し、 貫 通 す る と加 工 音 は 発 生 しな い こ とが 明 らか に な っ た 。 ア シ ス トガ ス を 吹 き 付 け な が ら、 加 工 して い る が 、 こ の ガ ス に よ る 音 響 ノ イ ズ と加 工 音 は 区 別 で き る。

以 上 の こ とか ら、 レー ザ ー 照 射 開 始 時 に発 生 す る加 工 音 か ら、 水 分 量 を 推 定 し、 こ の 水 分 量 に 見 合 っ た レー ザ ー エ ネ ル ギ ー で 照 射 す れ ば 、 溝幅 の 一 定 な加 工 が 可 能 と考 え られ る。

周 波 数 解 析 を 推 し進 め 、超 音 波 領 域 の み の 音 響 セ ンサ ー を 用 い る こ とで 、S/N比 の 高 い 測 定 が 可 能 と な る と予 想 され る。