レーザーで加工できるセラミックスとレーザー加工の種類

セラミックスとは

セラミックは粘土や土を焼いて固めた陶器として知られていますが、工業系においては非金属・無機固体材料として知られており、一般的には無機物を素材として形成、加熱によって焼き固められたものをセラミックスと呼びます。

セラミックスは硬くて耐熱性や耐蝕性に優れている素材であり、電気を通さないため絶縁性を有するなど様々な用途に使われることが特徴です。反面、曲げなどに弱く、機械的な衝撃によって割れやすいといったデメリットもあります。

セラミックスにできるレーザー加工

カット・切断・穴あけ

セラミックスに対して行えるレーザー加工として、レーザーのエネルギーによって発生する高熱により、レーザーを照射した対象部位を瞬間的に蒸発させ、消し飛ばすことで任意の形状に加工するカット・切断といった加工法が挙げられます。

また、直線・曲線的にレーザーを動かして切断するのでなく、当該部位にピンポイントで照射することで穴あけ加工を行うことも可能です。

マーキング

レーザー加工におけるマーキングとは、対象部位の表面にレーザーを照射して表面の素材を剥離させたり、焦がしたり、削るといった方法で任意のロゴや記号などを印字する加工法です。マーキングは商品名やメーカー名だけでなく、シリアル番号やロット番号の印字といった管理目的で使用することもできます。

衝撃を加えると割れやすいセラミックスですが、レーザー加工は非接触のマーキング加工を行えるため、細かいロゴや文字などでも素材にダメージを与えずマーキング可能です。

彫刻

レーザー加工によって素材の表面に任意の画像やロゴなどを彫刻できます。インクでプリントする加工法と異なり、レーザー彫刻は素材表面の一部を削ったり剥離させたりして素材そのものにデザインを彫り込むため、経年による変化を受けにくいことがメリットです。

レーザー加工機であればセラミックスを割ることなく彫刻できます。

レーザー加工の長所

切断面がなめらか

レーザー加工はレーザーのエネルギーによって生み出された超高熱によって瞬間的に素材を蒸発・切削して加工するため、のこぎりやカッターなどを使って切断する場合よりも素材表面や断面を加工している時間が短く、切断面が滑らかになるというメリットがあります。

また、加工時に衝撃を与えにくい非接触式の加工という点も重要です。

複雑な加工も可能

レーザー加工はあらかじめCGソフトやデザインソフトで作成したデザインやロゴデータなどにもとづいて加工範囲や加工内容を設定します。レーザー加工機によっては自動的にレーザーを照射して加工できるため、データの品質と機械の性能に比例して複雑な形状の加工や精密なデザインでも再現することが可能です。

レーザー加工できるセラミックスの種類

陶磁器

陶磁器はセラミックスとして一般的にイメージされる素材であり、土や粘土を使って成形し焼き固めた陶器や磁器の総称です。

またセラミックスは器や容器といったものに使われるだけでなく、薄く成形してナイフや包丁に使ったり、様々な種類の部品などに使ったりすることもできます。

陶磁器はレーザー加工によって加工できるセラミックスとなります。

ガラス

砂に含まれたケイ酸塩を主な成分としたセラミックスとして「ガラス」があり、その色や厚みなど目的に合わせて製作できることも特徴です。

無色透明なガラスは光を透過しやすく、そのままではレーザー光を透過して加工効率が低下するおそれもあるため、あらかじめ表面に色を塗るといった準備が行われます。

なおガラスへのレーザー加工は微少亀裂が発生しやすくなります。

セメント

建築資材としても使われるセメントは、コンクリートやモルタルといったものの材料であり、アスファルトやニカワ、石膏、石灰などを混合して作られた接着剤です。また水と反応して固まるセメントは様々な用途に使用できます。

セメントを使って製作されたブロックなどにレーザー加工で刻印を施すことが可能です。

セラミックスを加工する際の注意点

機械のサイズ

レーザー加工の原則として、レーザー加工機のモジュールからレーザーを照射できる範囲にしか加工できないという点が挙げられます。そのため、例えば1枚の大きなサイズのガラスへマーキング加工をする場合、加工範囲に対して相応の大きさを持ったレーザー加工機や、素材を支えて加工をサポートするための装置を用意しなければなりません。

波長・レーザー出力

レーザー加工機といってもCO2レーザーやファイバーレーザーなどレーザーの発振方法によって様々な種類があり、また素材や加工の目的ごとに適したレーザーの出力も異なります。

素材や加工に不適切なレーザーを照射しても高品質な加工結果は得られないため、事前に最適な波長や出力をシミュレーションして設定しなければなりません。

加工時の排気

レーザー加工では素材へレーザーを照射して加工する際、煙やガスといった気体が発生します。そして発生した煙やガスが適切に排出されなければ、それが素材に付着してシミを作ったり変色させたりする原因になります。

レーザー加工を正しく実行するためには、排気・排煙システムについても同時に考えておくことが大切です。