CO2レーザー

レーザー加工では、CO2レーザー（炭酸ガスレーザー）が使われることが多いです。ではそもそも、CO2レーザーとは何のことでしょうか。ここではCO2レーザーの仕組みや特徴についてまとめました。

「CO2レーザー」とは

レーザーは、「媒体」と「波長」の2要素で構成されます。媒体は、固体・液体・気体（ガス）など、そして波長は、赤外線(IR)・可視光線・紫外線(UV)などです。CO2レーザーは、媒体のこと。詳しく見ていきましょう。

CO2レーザーの仕組み

CO2レーザーは、レーザー加工機で多く使われています。二酸化炭素（CO2）が媒体のガスレーザの一種です。二酸化炭素が窒素やヘリウムと混合した際の分子の振動によるエネルギー交換が、レーザー光として放射されます。

CO2レーザーの特徴

CO2レーザーの特徴は、エネルギー効率と安定性の良さです。二酸化炭素分子と窒素分子は相性がよく、エネルギー効率が高いのが特徴。さらにヘリウムが加わることで、レーザー光の状態が安定します。

CO2レーザーのメリット

CO2レーザーのメリットとして、第一に対応可能な素材の種類が多いという点は重要です。また、レーザー加工機を購入する際のコストが比較的安価に抑えられており、これまでレーザー加工機を活用したことのない人や企業にとって導入しやすい点もメリットでしょう。

そのため、何かしらの目的でレーザー加工を行いたい場合、CO2レーザーの適用性を検討することがおすすめです。

CO2レーザーのデメリット

対応素材の幅が広いCO2レーザーですが、一方で表面の反射率が高い素材では上手くレーザー加工を行いにくいといったデメリットもあります。そのためアルミ素材やシルバー素材などのように光を反射させやすい素材については、CO2レーザーでの加工に注意が必要です。

またイニシャルコストは抑えやすい反面、ガス供給のためのランニングコストがかかります。

CO2レーザーの冷却方法

水冷式

CO2レーザーを使用していく中で、発振によって加熱していくヘリウム原子を冷却して落ち着かせるための工程が必要です。水冷式のCO2レーザーでは、ガラス製の容器内に封入された混合ガスに冷却機構を取り付け、発生する熱を冷却水に移動させることで、ガスの温度を効率的に下げる仕組みが採用されています。特に小出力のCO2レーザーで多く利用されます。

空冷式

空冷式には2種類があり、ガラス容器の側部にファンなどで吸い込んだ空気を当てて冷やすタイプのものと、レーザー加工機の外部へ冷却装置や冷却機構を設置し、混合ガスの温度上昇によって熱された空気を熱交換器で冷却して、改めて温度の下がった空気を流し込むというものがあります。後者は大出力のレーザー加工機で用いることが可能です。

冷却システムが必要な理由

ヘリウム原子の発熱によって内部で急激に上昇した温度は、レーザーの品質を低下させるだけでなく、レーザー加工機の寿命低下にもつながる点が重要です。

そのため、レーザー加工機としての性能や機能を安定的に維持しながら、少しでも長くレーザー加工機を活用していくために効果的な冷却システムが求められます。

CO2レーザーの用途

CO2レーザーは出力によって様々な用途に使い分けられており、例えば特に軍事分野においてはレーザーを使った距離測定などの技術に利用されます。

また、CO2レーザーは医療分野でも応用が広がっており、レーザーメスとして手術の際に使用されたり、美容クリニックなどで顔にあるシミやホクロを除去したりするためにも利用されることが特徴です。CO2レーザーを利用した医療用レーザーの場合、術中の出血を防いだり肌に対して必要以上のダメージを与えないよう調節したりできるため、様々な場面でメリットを追求することが可能です。

その他にも金属加工や皮革、木材といった素材を加工する産業分野や工業分野のレーザー加工機へ採用されています。

加工に向いている材料

CO2レーザーの波長は、10.6 μmの赤外光です。レーザーの中では長い波長帯。波長が長いことから、材料に熱をかけて加工するのに向いています。加工に向いているのは、木材やアクリル、ガラスなど。金属以外のほとんどの材料の加工に適していることから、多く取り入れられています。

CO2レーザーが得意なこと

CO2レーザーは、主にアクリルや木材、紙、布、革などの非金属材料の加工が得意です。10.6μmと比較的長い波長による高い吸収率が特徴で、彫刻や切断で美しい仕上がりを実現できます。

加工スピードも速く、デザイン制作や試作など幅広い用途で活躍します。加工対象の表面に負荷が少ないため、薄手の材料や複雑な形状でも安定した加工が行えるのも魅力です。

CO2レーザーが苦手なこと

CO2レーザーは非金属材料への加工に適していますが、金属への切断や深い穴あけなどは苦手とされています。波長の都合上、金属が光を反射しやすくレーザーを十分吸収できないため、加工速度の遅れや品質のばらつきが生じやすいためです。

高反射材料を加工する場合には、レーザー光の反射によって発振器やレンズへのダメージが懸念されることも。鉄やアルミなどを厚く切る際には十分な出力とガス補助が必要となり、コストがかさむ場合があります。

こんなケースはCO2レーザーで
加工

CO2レーザーは、看板やディスプレイなどの大判アクリル板の切断や装飾彫刻、木材を使用したインテリアパーツや模型作成など、デザイン性が求められる多彩な場面で活用されています。薄手の革や布を精密にカットし、オリジナルグッズやサンプル品の小ロット生産にも適しています。

例えば、店内ディスプレイ用の立体文字や商品パッケージの試作、イベント用の装飾パーツなど、短納期かつ高品質を求められる業務に適しているのも大きなメリットと言えるでしょう。非金属素材の切断や彫刻、マーキングにも対応可能なため、幅広い用途をカバーします。