JP2012196689A - レーザ加工方法及びそのプログラム - Google Patents

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Abstract

【課題】熱収縮しやすい材質の被加工物の加工精度を向上させることができるレーザ加工方法を提供する。
【解決手段】被加工物をレーザ光によって加工するレーザ加工方法であって、被加工物が貫通されない第1加工条件で、レーザ加工後に残される第1領域とレーザ加工により除去される第2領域との境界である被加工物の仮想目標線に沿って、レーザ照射装置からレーザ光を照射し、仮想目標線に沿って溝を形成する第1加工工程と、被加工物が貫通される第2加工条件で、第1加工工程で用いたレーザ照射装置を用いて、仮想目標線よりも第2領域側かつ少なくとも一部は溝に重なる位置にレーザ光を照射する第2加工工程と、を有することを特徴とするレーザ加工方法。
【選択図】図4

Description

本発明は、レーザ光を照射して被加工物を加工するレーザ加工方法及びそのプログラムに関する。
レーザ光を照射して被加工物を加工するレーザ加工装置は、目標線に沿ってレーザ光の照射位置を移動することによって被加工物を加工する。被加工物の位置が固定されている場合、ガルバノミラーを用いてレーザ光を偏向することにより、レーザ光の照射位置が移動する。そのため、ガルバノミラーを用いたレーザ加工装置を用いることによって、被加工物の位置が固定された状態で、被加工物を加工することができる。
従来、被加工物の表面の粗さの大きさによってレーザ光の吸収率の大きさが異なり、その結果、加工品質のばらつきが生じるのを抑制するため、レーザ光を用いて予備的な加工条件で前加工を行い被加工物の表面改質を行った後、本加工を行うレーザ加工方法が知られている。
また、被加工物に固着した固着物によって被加工物の切断が阻害されることを抑制するために、集光されたレーザ光の位置が被加工物の厚み方向において互いに異なる前加工と本加工とを行うレーザ加工方法が知られている。
特開平7−236984号公報 特開2008−194719号公報
従来のレーザ加工方法では、前加工と本加工で被加工物の同じ位置にレーザ光を照射するため、レーザ光を照射した位置の周辺に熱が伝わりやすくなる。そのため、樹脂やプラスチックなどの熱収縮しやすい材質の被加工物にレーザ光を照射する場合、レーザ光を照射した位置の周辺で熱変形が生じ、加工精度が低下することがある。
なお、熱変形が生じるのを抑制するためにレーザ光のパワーを低下させると、熱変形による加工精度の低下は抑制されうるが、切り屑が被加工物に付着することがあり、この被加工物を後工程で使用することができない、あるいはこの被加工物から切り屑を除去するための新たな工程を要することがある。
また、フォーカスの異なるレーザを複数回照射することで、加工精度の低下を抑制し、切り屑を抑制することもできるが、フォーカスの異なるレーザ照射装置が必要になる。あるいは、照射するたびにレーザのフォーカスを調整する機構が必要となる。フォーカスの異なるレーザを複数回照射することは、加工精度の再現性の低下やレーザ加工装置が高価につながる。
そこで、熱収縮しやすい材質の被加工物の加工精度を向上させることができるレーザ加工方法を提供することを目的とする。
第1の観点では、被加工物をレーザ光によって加工するレーザ加工方法であって、前記被加工物が貫通されない第1加工条件で、レーザ加工後に残される第1領域とレーザ加工により除去される第2領域との境界である被加工物の仮想目標線に沿って、レーザ照射装置からレーザ光を照射し、前記仮想目標線に沿って溝を形成する第1加工工程と、前記被加工物が貫通される第2加工条件で、第1加工工程で用いた前記レーザ照射装置を用いて、前記仮想目標線よりも第2領域側かつ少なくとも一部は前記溝に重なる位置にレーザ光を照射する第2加工工程と、を有することを特徴とするレーザ加工方法が提供される。
また、第2の観点では、上記レーザ加工方法に用いられるレーザ加工プログラムが提供される。
開示のレーザ加工方法によれば、熱収縮しやすい材質の被加工物の加工精度を向上させることができる。
レーザ加工装置の一例を示す概略構成図である。 被加工物の一例を示す平面図である。 (a)は、第1加工工程の加工パターンを示す平面図であり、(b)は、第1加工工程後における(a)のA−A断面図である。 (a)は、第2加工工程の加工パターンを示す平面図であり、(b)は、第2加工工程後における(a)のA−A断面図である。 (a)は、図4(b)から想定されるA−A断面図であり、(b)は、実際のA−A断面図である。 レーザ加工プログラムの一例を示すフローチャートである。 (a)は、第1加工パターンの一例を示す図であり、(b)は、第2加工パターンの一例を示す図である。
(レーザ加工装置)
まず、図1を参照して、本実施形態のレーザ加工装置について説明する。図1は、本実施形態のレーザ加工装置30の一例を示す概略構成図である。レーザ加工装置30は、樹脂やプラスチックなど熱収縮しやすい材質の被加工物(ワーク)10をレーザ加工する。レーザ加工装置30は、ベース部32と、支持部34と、固定部36と、レーザヘッド38と、制御装置40と、を備える。
ベース部32の上面は平面状となっている。支持部34は、ベース部32の上面に配置されている。図1に示される例では、ベース部32の上面に円筒状の支持部34が複数配置されている。支持部34は、被加工物10を支持する。支持部34が被加工物10を支持することによって、被加工物10にレーザが照射されることにより生じる熱がベース部32の上面に拡散するのを抑制することができる。これにより、レーザ加工が不十分となることに起因して切り屑が被加工物10に付着するなどの不具合が生じるのを抑制することができる。
なお、被加工物10を支持できるものであれば、支持部34の形状や数は特に限定されるものではない。
固定部36は、ベース部32に固定されている。また、固定部36は、レーザヘッド38がベース部32に対向するように、レーザヘッド38を固定する。
レーザヘッド38はガルバノミラーを備えており、ガルバノミラーによってレーザ光を偏向することによって、被加工物10に照射するレーザ光を走査することができる。
制御装置40は、例えば、パーソナルコンピュータなどのコンピュータである。制御装置40は、レーザヘッド38と接続されており、レーザヘッド38が照射するレーザ光を制御する。また、制御装置40は、仮想目標線(以下、単に「目標線」という。)のデータを読み込む読込部(不図示)を備える。制御装置40の読込部が読み込んだ目標線のデータに応じて、制御装置40は、レーザヘッド38が照射するレーザ光のパワーや走査速度などの加工条件、レーザ光を照射する位置を制御する。
レーザ光のパワーが強いほど、被加工物10は加工されやすい。また、レーザ光の走査速度が遅いほど、被加工物10は加工されやすい。
次に、図2を参照して、レーザ加工装置30が加工する被加工物10について説明する。図2は、被加工物10の一例を示す平面図である。被加工物10の材質は、例えば、樹脂やプラスチックシートなどの熱収縮しやすいものである。図2は、被加工物10から円形状のパターンをくり抜く例を示すものである。
被加工物10は、第1領域14と第2領域16とを備える。第1領域14は、レーザ加工後に残される領域である。図2に示される例では、第1領域14は円の外側の領域である。第2領域16は、レーザ加工により除去される領域である。図2に示される例では、第2領域16は、円の内側の領域である。目標線12は、第1領域14と第2領域16との境界である。
なお、目標線12は、レーザ加工装置30がレーザ光を照射することにより被加工物10を加工する目標位置を仮想的に示すものであり、目標線12は被加工物10に描かれているものではない。
(レーザ加工方法)
次に、本実施形態のレーザ加工方法について説明する。本実施形態のレーザ加工方法は、第1加工工程と第2加工工程とを有する。以下、図3を参照して、第1加工工程について説明する。
図3(a)は、第1加工工程の加工パターンを示す平面図である。図3(b)は、第1加工工程後における図3(a)のA−A断面図である。図3(a)に示されるように、第1加工工程において、レーザヘッド38が目標線12に沿ってレーザ光を照射するように、制御装置40はレーザヘッド38を制御する。また、図3(b)に示されるように、第1加工工程において、被加工物10が貫通されない加工条件(第1加工条件)でレーザヘッド38がレーザ光を照射するように、制御装置40はレーザヘッド38を制御する。第1加工工程により、被加工物10から第1除去部18が除去される。
図3に示される例において、被加工物10に照射されるレーザ光の幅Wは、一例を挙げるとすれば400μmである。また、第1加工条件のレーザ光のパワーをPとし、レーザ光の走査速度をVとすると、レーザ光のパワーP、走査速度Vは、被加工物10が貫通されない範囲で、かつ、第1加工工程後に第2領域16が自重により被加工物10から離脱して落下しない範囲で、適宜選択することができる。
次に、図4を参照して、第2加工工程について説明する。図4(a)は、第2加工工程の加工パターンを示す平面図である。図4(b)は、第2加工工程後における図4(a)のA−A断面図である。図4(a)に示されるように、第2加工工程において、レーザヘッド38が目標線12よりも第2領域16の側(図4(a)に破線で示される円)にレーザ光を照射するように、制御装置40はレーザヘッド38を制御する。また、図4(b)に示されるように、第2加工工程において、被加工物10が貫通される加工条件(第2加工条件)でレーザヘッド38がレーザ光を照射するように、制御装置40はレーザヘッド38を制御する。第2加工工程により、被加工物10から第2除去部20が除去される。第2除去部20が除去されることにより、円形の目標線12の内側の第2領域16がくり抜かれる。
図4(b)は、目標線12に対して第2領域16の側に距離Dだけずれた位置にレーザ光が照射されることを示す。第2除去部20は、平面視において第1除去部18と一部重複している。距離Dは、レーザ光の幅W以下であることが好ましく、レーザ光の幅Wの半分以下であることがより好ましい。例えば、レーザ光の幅を400μmとすれば、距離Dは200μm以下であることが好ましい。距離Dをレーザ光の幅Wの半分以下とすることにより、後述する目標線12の下の凸形状の部分が小さくなり、加工端部が滑らかになるためである。
また、第2加工条件のレーザ光のパワーをPとし、レーザ光の走査速度をVとすると、レーザ光のパワーP、走査速度Vは、被加工物10が貫通される範囲で、適宜選択することができる。
ここで、本実施形態における第1加工条件と第2加工条件との関係について説明する。本実施形態では、第1加工条件のレーザ光の走査速度Vと第2加工条件のレーザ光の走査速度Vは特に問わないが、VとVは等しくてよい。また、本実施形態では、第1加工条件のレーザ光のパワーPは、好ましくは第2加工条件のレーザ光のパワーPより弱く設定されるが、両者の比は任意に設定されることができ、例えばPはPの半分である。
なお、被加工物10に照射されるレーザ光の幅Wは、第1加工条件と第2加工条件とで同じである。本実施形態では、同じレーザヘッド38を用いて、レーザ光の幅Wを変更せずに、つまりフォーカスを変更することなく、レーザ光のパワーのみを変更して、第1加工条件および第2加工条件でレーザ光を照射している。
本実施形態では、第1加工工程において、第2加工条件のレーザ光のパワーPよりも弱いパワーPで、目標線12に沿ってレーザ光が照射されるため、目標線12の周辺で熱変形が生じるのを抑制することができる。
また、第1加工工程で除去される第1除去部18により、第2加工工程において、目標線12よりも第2領域16の側にレーザ光が照射される際、被加工物10の熱抵抗が大きくなる。そのため、第1加工工程のレーザ光のパワーPよりも強いパワーPでレーザ光が照射されても、レーザ光による熱は目標線12よりも第1領域14の側には伝わりにくい。その結果、第2加工工程においても目標線12の周辺で熱変形が生じるのを抑制することができる。
次に、図5を参照して、第2加工工程後の被加工物10の断面形状について説明する。図5(a)は、図4(b)から想定されるA−A断面図である。すなわち、図5(a)は、図4(b)の被加工物10から第1除去部18、第2除去部20、第2除去部20の内側を除いた部分である。一方、図5(b)は、本実施形態で被加工物10を加工した後の実際のA−A断面図の一例である。
図5(a)に示されるように、図4(b)から想定されるA−A断面図は、目標線12の下側(レーザ光が照射される側と反対側)が凸形状となるように思われるが、実際には、図5(b)に示されるように、目標線12付近の断面は滑らかな形状となる。これは、第2加工工程においてレーザ光が照射されて生じた熱が、第1加工工程後に目標線12の下側に残った凸形状の部分に伝わり、凸形状の部分が溶融して表面張力によって図5(b)に示されるような滑らかな形状になるためである。
第1加工工程後に目標線12の下側に残った凸形状の部分が第2加工工程で溶融しやすくするため、第1加工条件は、第1除去部18の深さが被加工物10の厚さの半分以上となるような条件であることが好ましい。
なお、本実施例の加工条件は以下の通りである。被加工物10は、ポリプロピレンで形成される。レーザ光はCOレーザであり、波長10.6μm、最大出力30Wである。第1加工条件は、レーザ出力30%、走査速度60mm/秒である。第2加工条件は、レーザ出力80%、走査速度60mm/秒である。また、第2加工工程の加工パターンは、第1加工工程の加工パターンに対して200μmシフトしている。
以上説明したように、本実施形態によれば、第1加工条件で目標線12に沿ってレーザ光を照射する第1加工工程の後に、第2加工条件で目標線12よりも第2領域16の側にレーザ光を照射する第2加工工程を行うことにより、目標線12の周辺で熱変形が生じるのを抑制することができ、その結果、被加工物10の加工精度を向上させることができる。
なお、本実施形態では、第1加工条件のレーザ光のパワーPは、被加工物10が貫通されず、第1加工工程後に第2領域16が自重により離脱して落下しない範囲で、P<Pとなる任意の条件とすることができる。
また、本実施形態では、第1加工条件のレーザ光の走査速度Vと第2加工条件のレーザ光の走査速度Vを異ならせてもよい。例えば、第1加工条件のレーザ光のパワーPと第2加工条件のレーザ光のパワーPを等しくした状態で、走査速度Vを走査速度Vよりも速くしてもよい。レーザ光のパワーが同一の条件においては、走査速度を速くすることにより、被加工物10が加工されにくくなるためである。
また、本実施形態においても、レーザ光の幅を変更せずに、つまりフォーカスを変更することなく、加工することができる。
(レーザ加工プログラム)
次に、図6を参照して、本実施形態のレーザ加工プログラムについて説明する。図6は、本実施形態のレーザ加工プログラムの一例を示すフローチャートである。本実施形態のレーザ加工プログラムは、読み込んだ目標線のデータに基づき、第1加工工程で用いられる第1加工データと、第2加工工程で用いられる第2加工データと、を生成する手順を制御装置40に実行させる。以下、各ステップについて説明する。
被加工物10から円形状のパターンをくり抜く例について説明する。まず、目標線のデータを読み込む手順を制御装置40に実行させる(ステップS1)。目標線のデータは、例えば、CADデータである。ここで、図2に示されるような目標線のデータが予め準備されている。
なお、被加工物10の周辺部分など目標線の周辺での熱変形を許容できる場合や、レーザ加工により文字を描画する場合は、被加工物10が貫通される通常の加工条件で加工を行うことができる。そのため、目標線12は、通常の加工条件で加工を行うものと、上述した第1加工工程と第2加工工程で加工を行うものとが区別できるようになっている。例えば、通常の加工条件で加工を行う目標線は実線のデータとし、第1加工工程と第2加工工程で加工を行うものは破線のデータとすることにより、目標線データを準備することができる。
次に、ステップS1で読み込んだ目標線12のデータのうち、加工が行われていない目標線12のデータがあるか否かを判別する手順を制御装置40に実行させる(ステップS2)。
加工が行われていない目標線12のデータがある場合、その目標線12が通常の加工条件で加工を行うものであるか否かを判別する手順を制御装置40に実行させる(ステップS3)。
目標線12が通常の加工条件で加工を行うものである場合、通常加工データを生成する手順を制御装置40に実行させる(ステップS4)。ここで、通常加工データは、被加工物10が貫通される加工条件(通常加工条件)と、目標線12に沿って加工する加工パターン(通常加工パターン)と、を含む。
一方、目標線12が通常の加工条件で加工を行うものではない場合、第1加工データを生成する手順を制御装置40に実行させる(ステップS5)。その後、第2加工データを生成する手順を制御装置40に実行させる(ステップS6)。
ここで、第1加工データは、被加工物10が貫通されない加工条件(第1加工条件)と、目標線12に沿って加工する加工パターン(第1加工パターン)と、を含む。また、第2加工データは、被加工物10が貫通される加工条件(第2加工条件)と、目標線12よりも第2領域16の側を加工する加工パターン(第2加工パターン)と、を含む。
ここで、図7を参照して、ステップS5で生成される第1加工データに含まれる第1加工パターン、ステップS6で生成される第2加工データに含まれる第2加工パターンについて説明する。図7(a)は、第1加工パターン22の一例を示す図である。また、図7(b)は、第2加工パターン24の一例を示す図である。
ステップS5において生成される第1加工データに含まれる第1加工パターン22は、図7(a)に示されるように、目標線12と同一のパターンである。また、第1加工データに含まれる第1加工条件には、被加工物10が貫通されないレーザ光のパワーP、走査速度Vのデータが含まれている。
また、ステップS6において生成される第2加工データに含まれる第2加工パターン24は、図7(b)に示されるように、目標線12よりも距離Dだけ第2領域16の側に位置する円形状の加工パターンである。また、第2加工データに含まれる第2加工条件には、被加工物10が貫通されるレーザ光のパワーP、走査速度Vのデータが含まれている。
通常加工データを生成するステップS4、又は、第2加工データを生成するステップS6が終了した後、ステップS2に戻り、加工が行われていない目標線12のデータがあるか否かを判別する手順を制御装置40に実行させる。以後、ステップS2において、加工が行われていない目標線12のデータがないと判別されるまで、上述したステップS2からステップS6を繰り返す。
ステップS2において、加工が行われていない目標線12のデータがないと判断されると、全ての目標線に対する通常加工データ、第1加工データ、第2加工データを含む加工データファイルを書き出す手順を制御装置40に実行させる(ステップS7)。
本実施形態のレーザ加工プログラムによれば、通常の加工を行うか、第1加工工程と第2加工工程による加工を行うかの情報を含む目標線のデータを読み込むことにより、上述したレーザ加工方法を実行するための加工データを作成することができる。本実施形態のレーザ加工プログラムにより作成された加工データを用いてレーザ加工を行うことにより、目標線12の周辺で熱変形が生じるのを抑制することができ、その結果、被加工物10の加工精度を向上させることができる。
なお、本実施形態では、制御装置40がレーザ加工プログラムを実行する例について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、レーザ加工装置30の外部に設けられたコンピュータが本実施形態のレーザ加工プログラムを実行し、作成された加工データファイルをレーザ加工装置30の制御装置40が読み出してもよい。
以上、本発明のレーザ加工装置、レーザ加工方法、及び、レーザ加工プログラムについて詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。また、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。
(付記)
なお、本発明は、以下の付記に記載されるように構成することができる。
(付記1)
被加工物をレーザ光によって加工するレーザ加工方法であって、
前記被加工物が貫通されない第1加工条件で、レーザ加工後に残される第1領域とレーザ加工により除去される第2領域との境界である被加工物の仮想目標線に沿って、レーザ照射装置からレーザ光を照射し、前記仮想目標線に沿って溝を形成する第1加工工程と、
前記被加工物が貫通される第2加工条件で、第1加工工程で用いた前記レーザ照射装置を用いて、前記仮想目標線よりも第2領域側かつ少なくとも一部は前記溝に重なる位置にレーザ光を照射する第2加工工程と、
を有することを特徴とするレーザ加工方法。
(付記2)
第1加工条件のレーザ光のパワーは、第2加工条件のレーザ光のパワーよりも弱い、付記1に記載のレーザ加工方法。
(付記3)
第1加工条件のレーザ光の走査速度は、第2加工条件のレーザ光の走査速度よりも速い、付記1又は2に記載のレーザ加工方法。
(付記4)
被加工物をレーザ光によって加工するレーザ加工装置であって、
前記被加工物が載置されるベース部と、
前記ベース部に対向して配置され、レーザ光を照射するレーザヘッドと、
前記レーザヘッドから照射されるレーザ光を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記被加工物が貫通されない第1加工条件で、レーザ加工後に残される第1領域とレーザ加工により除去される第2領域との境界である被加工物の仮想目標線に沿ってレーザ光を照射した後に、前記被加工物が貫通される第2加工条件で、前記仮想目標線よりも第2領域側にレーザ光を照射することを特徴とするレーザ加工装置。
(付記5)
第1加工条件のレーザ光のパワーは、第2加工条件のレーザ光のパワーよりも弱い、付記4に記載のレーザ加工装置。
(付記6)
第1加工条件のレーザ光の走査速度は、第2加工条件のレーザ光の走査速度よりも速い、付記4又は5に記載のレーザ加工装置。
(付記7)
被加工物の加工パターンを生成するプログラムであって、
レーザ加工後に残される第1領域とレーザ加工により除去される第2領域の境界である被加工物の仮想目標線のデータを読み込む手順と、
レーザ加工後に残される第1領域とレーザ加工により除去される第2領域との境界である被加工物の仮想目標線に沿って、レーザ照射装置からレーザ光を照射し、前記仮想目標線に沿って溝を形成する第1加工データを生成する手順と、
前記被加工物が貫通される加工条件で、前記仮想目標線よりも第2領域側かつ少なくとも一部は前記溝に重なる位置にレーザ光を照射する第2加工データを生成する手順と、
をコンピュータに実行させるレーザ加工プログラム。
(付記8)
第1加工データを生成する手順のレーザ光のパワーは、第2加工データを生成する手順のレーザ光のパワーよりも弱い、付記7に記載のレーザ加工プログラム。
(付記9)
第1加工データを生成する手順のレーザ光の走査速度は、第2加工データを生成する手順のレーザ光の走査速度よりも速い、付記7又は8に記載のレーザ加工プログラム。
10 被加工物
12 目標線
14 第1領域
16 第2領域
18 第1除去部
20 第2除去部
22 第1加工パターン
24 第2加工パターン
30 レーザ加工装置
32 ベース部
34 支持部
36 固定部
38 レーザヘッド
40 制御装置

Claims (4)

  1. 被加工物をレーザ光によって加工するレーザ加工方法であって、
    前記被加工物が貫通されない第1加工条件で、レーザ加工後に残される第1領域とレーザ加工により除去される第2領域との境界である被加工物の仮想目標線に沿って、レーザ照射装置からレーザ光を照射し、前記仮想目標線に沿って溝を形成する第1加工工程と、
    前記被加工物が貫通される第2加工条件で、第1加工工程で用いた前記レーザ照射装置を用いて、前記仮想目標線よりも第2領域側かつ少なくとも一部は前記溝に重なる位置にレーザ光を照射する第2加工工程と、
    を有することを特徴とするレーザ加工方法。
  2. 第1加工条件のレーザ光のパワーは、第2加工条件のレーザ光のパワーよりも弱い、請求項1に記載のレーザ加工方法。
  3. 第1加工条件のレーザ光の走査速度は、第2加工条件のレーザ光の走査速度よりも速い、請求項1又は2に記載のレーザ加工方法。
  4. 被加工物の加工パターンを生成するプログラムであって、
    レーザ加工後に残される第1領域とレーザ加工により除去される第2領域の境界である被加工物の仮想目標線のデータを読み込む手順と、
    レーザ加工後に残される第1領域とレーザ加工により除去される第2領域との境界である被加工物の仮想目標線に沿って、レーザ照射装置からレーザ光を照射し、前記仮想目標線に沿って溝を形成する第1加工データを生成する手順と、
    前記被加工物が貫通される加工条件で、前記仮想目標線よりも第2領域側かつ少なくとも一部は前記溝に重なる位置にレーザ光を照射する第2加工データを生成する手順と、
    をコンピュータに実行させるレーザ加工プログラム。

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