JP6160815B2

JP6160815B2 - レーザ加工方法およびレーザ加工システム

Info

Publication number: JP6160815B2
Application number: JP2013104465A
Authority: JP
Inventors: 幸太朗黒澤
Original assignee: Shibuya Corp
Current assignee: Shibuya Corp
Priority date: 2013-05-16
Filing date: 2013-05-16
Publication date: 2017-07-12
Anticipated expiration: 2033-05-16
Also published as: JP2014223654A

Description

本発明はレーザ加工方法およびレーザ加工システムに関し、詳しくは被加工物を製品とその他の残材部とに切断分離するレーザ加工方法およびレーザ加工システムに関する。

従来、レーザ光を照射する加工ヘッドと板状の被加工物とを相対移動させて、当該被加工物を製品とその他の残材部とに切断分離するレーザ加工方法が知られ、例えば樹脂製の板状部材をレーザ光により切断して、所要の文字の形状を有した製品を得ることが行われている（特許文献１）。

特許第４１６１１７７号公報

ここで、上記レーザ光によって製品の全周を切断して当該製品を残材部より切断分離すると、製品が移動してレーザ光によって形成された切断面同士が相互に接触してしまう場合がある（図４参照）。
この時、樹脂のように金属に較べて溶融後の固化が遅い材料の場合、上記切断面同士が接触して溶着し、製品の切断面に溶融痕やバリが発生していたことから、従来では上記製品からこれらを除去する仕上げ作業が必要となっていた。
このような問題に鑑み、本発明は上記仕上げ作業を行うことなく製品を切断分離させることが可能なレーザ加工方法およびレーザ加工システムを提供するものである。

すなわち、請求項１にかかるレーザ加工方法は、レーザ光を照射する加工ヘッドと被加工物とを相対移動させて、当該被加工物を製品とその他の残材部とに切断分離するレーザ加工方法において、
上記製品の周囲の残材部に、当該製品を所定の幅で囲繞する仕上げ代と、当該仕上げ代の周囲を囲繞する複数の切断除去部と、隣接する切断除去部と切断除去部との間に形成されて上記仕上げ代と切断除去部の外側の残材部とを接続する複数のジョイント部とを設定し、
最初に上記切断除去部を切断除去して、上記製品および仕上げ代が上記ジョイント部によって上記残材部に連結保持されるようにし、その後、上記仕上げ代とともに上記ジョイント部を上記製品より除去することを特徴としている。

また、請求項５にかかるレーザ加工システムは、被加工物を支持する加工テーブルと、レーザ光を照射する加工ヘッドと、これら加工テーブル上の被加工物と加工ヘッドとを相対移動させる移動手段と、これらを制御する制御手段と、上記被加工物を製品とその他の残材部とに切断分離するための加工データを作成してこれを上記制御手段に送信する加工データ作成手段とを備えたレーザ加工システムにおいて、
上記加工データ作成手段は、上記製品の周囲の残材部に、当該製品を所定の幅で囲繞する仕上げ代と、当該仕上げ代の周囲を囲繞する複数の切断除去部と、隣接する切断除去部と切断除去部との間に形成されて上記仕上げ代と切断除去部の外側の残材部とを接続する複数のジョイント部とを設定し、
さらに、最初に上記切断除去部を切断除去して、上記製品および仕上げ代が上記ジョイント部によって上記残材部に連結保持されるようにし、その状態で上記仕上げ代とともに上記ジョイント部を上記製品より除去するよう、上記加工データを作成することを特徴としている。

上記請求項１および請求項５の発明によれば、あらかじめ製品の周囲に仕上げ代と切断除去部とを設定し、そのうえで最初に上記切断除去部を切断除去するようになっている。
その際、当該切断除去部の切断面が仕上げ代の切断面と接触しても、当該仕上げ代に溶融痕やバリが発生するだけであり、その後上記仕上げ代を製品より除去する際に溶融痕やバリが除去されることから、後工程での仕上げ作業が不要となる。
また切断除去部を切断除去すると、上記製品および仕上げ代は上記ジョイント部によって上記残材部に連結保持されていることから、上記仕上げ代の除去を行う際に改めて位置決めを行う必要がなく、速やかな仕上げ代の除去を行うことができる。

本実施例にかかるレーザ加工システムの構成図。加工データの作成過程を説明する図。製品線および仕上げ代を説明する図。レーザ光で形成した被加工物の切断面を説明する図。

以下図示実施例について本発明を説明すると、図１は被加工物１にレーザ光Ｌを照射して、当該被加工物１を所要の形状を有する製品２とそれ以外の残材部１ａとに切断分離するレーザ加工システム３を示している。
本実施例において加工する被加工物１は、板厚２０ｍｍのアクリル板となっており、当該被加工物１から図２に示す「株」の文字からなる製品２を切り出すようになっている。
ここで、本発明に好適な被加工物１は、板厚５ｍｍ以上の板状の樹脂材料となっており、上記樹脂材料としては、上記アクリルの他、ＡＢＳ樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレンのように、レーザ光Ｌによって切断された際に、その溶融した切断面が速やかに固化しない材料となっている。
なお、上記被加工物１としては、表面に凹凸が形成された板状の材料であってもよく、例えば製品２の部分だけが表面側に突出したエンボス状に加工されていても、本実施例のレーザ加工システム３によれば当該突出した製品２の外周に沿って当該被加工物１を製品２と残材部１ａとに切断分離することが可能となっている。また、被加工物１の素材は金属材料であってもよい。

上記レーザ加工システム３は、被加工物１を載置する加工テーブル４と、レーザ光Ｌを照射する図示しないレーザ発振器と、当該レーザ発振器からのレーザ光Ｌを被加工物１に照射する加工ヘッド５と、当該加工ヘッド５を移動させる移動手段６と、これら加工テーブル４や移動手段６を制御する制御手段７とを備えている。
また上記レーザ加工システム３は、上記製品２の図面データを作成するＣＡＤ８と、ＣＡＤ８で作成した製品２の図面データを基に、被加工物１から製品２を切り出すために必要な加工データを作成する加工データ作成手段としてのＣＡＭ９とを備えている。
上記加工テーブル４は、駆動手段によってその上面に載置した被加工物１を当該Ｘ方向に移動させるようになっており、また上記加工テーブル４の上面には無数のピン１１およびクランプ１２が設けられている。
上記加工テーブル４では、上記被加工物１を複数のピン１１によって下方から支持するとともに、上記クランプ１２によって被加工物１の一側を把持して加工テーブル４の所定位置に位置決めするようになっている。
このように被加工物１を複数のピン１１によって下方から支持することで、レーザ光Ｌにより被加工物１から所要の形状が切断分離されると、当該切断分離された部分がピン１１とピン１１との間に落下するようになっている。
切断分離された部分が落下する際、図４に示すようにレーザ光Ｌによって加工された切断面が相互に接触することがあり、その際切断面がレーザ光Ｌの熱によって溶融した状態であると、接触によって切断面に溶融痕やバリが発生することとなる。

上記レーザ発振器より照射されたレーザ光Ｌは、図示しない導光手段によって上記加工ヘッド５へと導光され、上記加工テーブル４上の被加工物１に照射されようになっており、上記移動手段６はこの加工ヘッド５を上記Ｘ方向と直交する水平なＹ方向および鉛直なＺ方向にそれぞれ移動させるようになっている。
そして上記制御手段７は、上記加工テーブル４、レーザ発振器、加工ヘッド５、移動手段６をそれぞれ制御し、上記加工テーブル４により被加工物１をＸ方向に移動させ、上記移動手段６により加工ヘッド５をＹ方向およびＺ方向に移動させることで、上記加工テーブル４上の被加工物１と加工ヘッド５とが相対的に移動し、これによりレーザ光Ｌを被加工物１に対して所要の移動経路に沿って移動させるようになっている。

上記ＣＡＤ８では製品２のデータが作成され、この製品２のデータは上記ＣＡＭ９に送信される。ＣＡＭ９では、上記製品２のデータを基にして、上記被加工物１から製品２を切り出すために必要なレーザ加工システム３を制御するための加工データを作成する。
この加工データは複数行の命令によって構成され、上記制御手段７ではこの加工データを最初の行から順に処理を行うことにより、上記加工ヘッド５より照射されたレーザ光Ｌを所要の切断経路で移動させるようになっている。
なお、上記ＣＡＤ８、ＣＡＭ９は従来公知であり、また上記加工データに基づいて上記制御手段７が上記加工テーブル４や移動手段６の移動を制御して、レーザ光Ｌを移動経路に沿って移動させることについても従来公知であるため、これ以上の詳細な説明は省略する。
また、上記ＣＡＤ８、ＣＡＭ９については、上記制御手段７と一体的に設けてこれらの機能を有する一つの手段によって構成してもよい。

以下、上記ＣＡＭ９で作成する加工データについて説明する。図２（ａ）〜（ｃ）は上記加工データの作成手順を示し、（ａ）は加工前の状態を、（ｂ）は以下に説明する切断除去部を切断除去する時の状態を、（ｃ）は以下に説明する仕上げ代を除去する時の状態をそれぞれ示している。
最初に、ＣＡＭ９は被加工物１の所要の位置に上記製品２のデータを配置する。このとき、１枚の被加工物１から複数の製品２を得るため、図２に示す製品２の上下左右にはこれと同様の製品２のデータが配置されている。
次に、ＣＡＭ９は製品２の輪郭に沿って当該製品２を囲繞する、破線で示した製品線２ａを作成する。
図３に示すように、上記レーザ光Ｌは所要のスポット径を有していることから、上記製品２の輪郭に沿ってレーザ光Ｌのスポット中心を移動させてしまうと、レーザ光Ｌにおけるスポット領域の半分が製品２のデータに重なってしまい、製品２がデータ通りに加工されないこととなる。
そこでＣＡＭ９は、上記製品線２ａを製品２の輪郭に対してレーザ光Ｌのスポットの半径距離だけオフセットした位置に設定し、製品２がデータ通りに加工されるようにしている。
また本実施例の「株」のように、製品２のデータの内側にも当該製品２を構成しない残材部１ａが存在する場合があり、その場合には当該製品２のデータの内側にも製品線２ａを作成する。

次にＣＡＭ９は、上記製品線２ａのさらに外側に、当該製品線２ａを所定の幅で囲繞する仕上げ代２１を設定し、この仕上げ代２１の輪郭である仕上げ代線２１ａを作成する。
具体的には、上記ＣＡＭ９は上記製品２を囲繞する製品線２ａを、上記残材部１ａに向けてレーザ光Ｌのスポットの直径よりも狭い距離でオフセットして上記仕上げ代線２１ａを作成する。
より具体的には、図３に示すように上記製品線２ａに対してレーザ光Ｌのスポットの半径距離だけオフセットした位置に作成し、これにより製品２から仕上げ代２１を除去する際に、残材が発生しないようにしている。
また上記仕上げ代２１は、上記製品線２ａと同様、上記製品２の内側の製品線２ａによって囲繞された部分にも作成され、さらに図２（ａ）のＡ部に示すような、製品２では重複していないものの、仕上げ代２１が重複する部分については、ＣＡＭ９が当該重複した部分で仕上げ代線２１ａを分けて作成するようになっている。

次にＣＡＭ９は、図２（ａ）に示すように、上記仕上げ代２１の周囲を囲繞する複数の切断除去部２２と、隣接する切断除去部２２と切断除去部２２との間に形成されて上記仕上げ代２１と上記残材部１ａとを接続する複数のジョイント部２３とを設定する。
これら切断除去部２２およびジョイント部２３の作成手順を説明すると、最初に上記ＣＡＭ９は上記仕上げ代２１における上下左右の端部よりそれぞれ所定距離ずつ離隔した位置に、それぞれ上下左右に延びる直線状の外郭線２４を設定し、製品２が略四角形の外郭線２４によって囲繞されるようにする。
このとき仕上げ代２１の端部と外郭線２４との距離は、上記切断除去部２２を被加工物１より切断分離させる際に、当該切断除去部２２が被加工物１より容易に脱落させることができる程度の距離であって、また歩留まりを考慮した距離とすればよい。
なお、上記外郭線２４の形状は必ずしも四角形に限定されるものではなく、製品２の形状に合わせてその他の形状を使用することができる。

このようにして外郭線２４を設定したら、続いて上記ＣＡＭ９は上記仕上げ代線２１ａと上記外郭線２４の外側に位置する残材部１ａとの間に、複数の上記ジョイント部２３を設定する。
上記ジョイント部２３は、上記仕上げ代線２１ａと外郭線２４とが相互に接近した位置に設定され、また上記ジョイント部２３を構成する２本のジョイント線２３ａの間隔を極力狭くすることが望ましい。
さらに、ジョイント部２３は図２（ａ）のＢ部に示すように、仕上げ代線２１ａと仕上げ代線２１ａとが交差する頂部に設け、いずれか一方のジョイント線２３ａを、交差している仕上げ代線２１ａのうちいずれか一方と同方向に作成することが望ましい。
このようにジョイント線２３ａを設定することで、上記切断除去部２２を切断する際におけるレーザ光Ｌの移動経路を簡易にすることができ、加工時間を短縮することができる。
以上の結果、製品２の外側には、上記仕上げ代線２１ａと、外郭線２４と、ジョイント線２３ａとによって無端状に囲繞された複数の切断除去部２２が設定され、製品２の内側には上記仕上げ代線２１ａによって無端状に囲繞された切断除去部２２が設定されることとなる。

このようにして上記切断除去部２２および上記ジョイント部２３を設定したら、続いて上記ＣＡＭ９は、図２（ｂ）に示すように、上記切断除去部２２を切断除去するための、上記レーザ光Ｌの移動経路についての加工データを作成する。
まず上記製品２の外側の切断除去部２２については、上記外郭線２４の所要の位置を加工開始位置として、レーザ光Ｌによるピアッシングが終了してから、レーザ光Ｌの移動を開始するような移動経路を設定する。
また上記製品２の内側の切断除去部２２については、図２（ｂ）のＣ部に示すように、当該切断除去部２２の内側に加工開始位置を設定し、当該加工開始位置でのピアッシングが終了してから、上記切断除去部２２の外周縁を構成する上記仕上げ代線２１ａに沿ってレーザ光Ｌの移動経路を設定する。
またＣＡＭは、これら切断除去部２２を切断除去する順序として、先に上記製品２の内側に位置する切断除去部２２を切断除去し、その後製品２の外側に位置する切断除去部２２を切断除去するような加工データを作成する。

このようにして切断除去部２２を切断分離するためのレーザ光Ｌの移動経路を作成したら、続いて上記ＣＡＭ９は、図２（ｃ）に示すように、上記仕上げ代２１とともに上記ジョイント部２３を上記製品２より除去するための、上記レーザ光Ｌの移動経路についての加工データを作成する。
つまり、上記切断除去部２２の全てが切断除去されると、上記製品２および仕上げ代２１は上記ジョイント部２３によって上記外郭線２４の外側の残材部１ａに連結保持された状態となるため、上記仕上げ代２１とともに上記ジョイント部２３を上記製品２より除去することで、製品２を残材部１ａより切断分離することができる。
まずＣＡＭ９は、製品２の内側の仕上げ代２１を除去するためのレーザ光Ｌの移動経路を作成し、その後製品２の外側の仕上げ代２１を除去するためのレーザ光Ｌの移動経路を作成する。
このとき、ＣＡＭ９は上記製品線２ａに沿ってレーザ光Ｌの移動経路を設定し、具体的には図３に示すようにレーザ光Ｌのスポットの外周を製品の輪郭に沿って移動させることで、製品２の外側に設けられた上記仕上げ代２１が除去されるようになっている。
そして製品２の外側の仕上げ代２１を除去するためのレーザ光Ｌの移動経路を作成する際、レーザ光Ｌによる加工開始位置を、Ｄ部に示すような所要のジョイント部２３の基部に隣接した位置に設定する。
このようにすることで、レーザ光Ｌが加工開始位置から移動を開始して当該加工開始位置と同じ加工終了位置に位置すると、上記製品２の外周の仕上げ代２１がすべて除去されると同時に、上記ジョイント部２３が切断されることとなり、仕上げ代２１が完全に除去された製品２を残材部１ａより離脱させることができる。

そして上記ＣＡＭ９は、被加工物１に配置されたすべての製品２に対して、それぞれ上記仕上げ代２１、切断除去部２２、ジョイント部２３を設定し、かつ上記切断除去部２２を切断除去するためのレーザ光Ｌの移動経路と、上記仕上げ代２１を除去するためのレーザ光Ｌの移動経路とについて、それぞれ加工データを作成する。
そしてこれらの加工データを作成したら、ＣＡＭ９は当該加工データを上記制御手段７に送信し、制御手段７では上記加工データに登録された上記レーザ光Ｌの移動経路に基づいて、上記加工テーブル４や移動手段６を制御し、上記被加工物１と加工ヘッド５とを相対移動させて、上記被加工物１から製品２を切り出すようになっている。
このとき、上記切断除去部２２をレーザ光Ｌが切断したら、必要に応じて人手や吸着ハンドを備えたロボット等により当該切断除去部２２を強制的に被加工物１より離脱させる。

続いて、制御手段７は上記製品線２ａに沿ってレーザ光Ｌを移動させ、上記製品２から仕上げ代２１を除去して、製品２を残材部１ａより切断分離する。
その際、レーザ光Ｌの移動経路の加工終了位置をジョイント部２３とすることで、上記仕上げ代２１が完全に除去されると同時に製品２を残材部１ａより分離させることができる。
そして、製品２が残材部１ａより切断分離される際、当該製品２の周囲には残材部１ａが存在していないため、分離される製品２の切断面が残材部１ａに接触することはなく、当該製品２の切断面に上記溶融痕やバリが発生することはない。

以上のように、本実施例におけるレーザ加工システム３によれば、あらかじめ製品２の周囲から切断除去部２２を除去し、その後上記仕上げ代２１を除去するため、残材部１ａより製品２を分離させる際に、当該製品２の切断面が残材部１ａに接触することはなく、上記製品２への溶融痕やバリの発生を防止することができる。
したがって、上記製品２に対して後工程での仕上げが不要となり、低コスト化並びに加工時間の短縮といった効果が得られる。
また、上記残材除去部２２を切断分離した後も、上記製品２および仕上げ代２１は上記ジョイント部２３によって残材部１ａに連結保持されているため、上記仕上げ代２１を除去する際に、製品２の位置決めを改めて行う必要がない。

なお、上記実施例では「株」という文字からなる製品２を切断することについて説明したが、当然ながら他の文字や記号等にも上記手順で加工データを作成することが可能である。
また、上記切断除去部２２を切断した後、上記ジョイント部２３によって製品２と残材部１ａとが連結された状態の被加工物１を他のレーザ加工システム３に搬送し、当該他のレーザ加工システム３において上記製品線２ａに沿って仕上げ代２１を除去するようにしてもよい。
この場合、各製品２の位置は上記被加工物１に対して移動していないことから、被加工物１の位置決めだけを行えば、各製品２の位置を調整する必要はなく、仕上げ代２１の除去を容易に行うことができる。

１被加工物１ａ残材部
２製品２ａ製品線
３レーザ加工システム４加工テーブル
５加工ヘッド６移動手段
７制御手段９ＣＡＭ
２１仕上げ代２１ａ仕上げ代線
２２切断除去部２３ジョイント部
２３ａジョイント線２４外郭線

Claims

レーザ光を照射する加工ヘッドと被加工物とを相対移動させて、当該被加工物を製品とその他の残材部とに切断分離するレーザ加工方法において、
上記製品の周囲の残材部に、当該製品を所定の幅で囲繞する仕上げ代と、当該仕上げ代の周囲を囲繞する複数の切断除去部と、隣接する切断除去部と切断除去部との間に形成されて上記仕上げ代と切断除去部の外側の残材部とを接続する複数のジョイント部とを設定し、
最初に上記切断除去部を切断除去して、上記製品および仕上げ代が上記ジョイント部によって上記残材部に連結保持されるようにし、その後、上記仕上げ代とともに上記ジョイント部を上記製品より除去することを特徴とするレーザ加工方法。
上記仕上げ代の幅を、レーザ光の直径よりも狭く設定したことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工方法。
上記仕上げ代における上下左右の端部よりそれぞれ所定距離ずつ離隔した位置に外郭線を設定して、上記製品が当該外郭線によって囲繞されるようにし、
当該外郭線が各切断除去部の一部を構成することを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載のレーザ加工方法。
上記被加工物は、厚みが５ｍｍ以上の樹脂材料からなる板状材料であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のレーザ加工方法。
被加工物を支持する加工テーブルと、レーザ光を照射する加工ヘッドと、これら加工テーブル上の被加工物と加工ヘッドとを相対移動させる移動手段と、これらを制御する制御手段と、上記被加工物を製品とその他の残材部とに切断分離するための加工データを作成してこれを上記制御手段に送信する加工データ作成手段とを備えたレーザ加工システムにおいて、
上記加工データ作成手段は、上記製品の周囲の残材部に、当該製品を所定の幅で囲繞する仕上げ代と、当該仕上げ代の周囲を囲繞する複数の切断除去部と、隣接する切断除去部と切断除去部との間に形成されて上記仕上げ代と切断除去部の外側の残材部とを接続する複数のジョイント部とを設定し、
さらに、最初に上記切断除去部を切断除去して、上記製品および仕上げ代が上記ジョイント部によって上記残材部に連結保持されるようにし、その状態で上記仕上げ代とともに上記ジョイント部を上記製品より除去するよう、上記加工データを作成することを特徴とするレーザ加工システム。
上記加工データ作成手段は、上記仕上げ代の幅をレーザ光の直径よりも狭く設定することを特徴とする請求項５に記載のレーザ加工システム。
上記加工データ作成手段は、上記仕上げ代における上下左右の端部よりそれぞれ所定距離ずつ離隔した位置に外郭線を設定して、上記製品が当該外郭線によって囲繞されるようにし、
さらに当該外郭線を各切断除去部の一部として使用することを特徴とする請求項５または請求項６のいずれかに記載のレーザ加工システム。
上記被加工物は、厚みが５ｍｍ以上の樹脂材料からなる板状材料であることを特徴とする請求項５ないし請求項７のいずれかに記載のレーザ加工システム。