JPH04238683A - 金属版のレーザー切断方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の背景】本発明は金属版の切断方法に関し、特に
レーザービームによる紡糸口金のオリフィスの切断加工
に関する。

【０００２】紡糸口金の毛管は２種の範ちゅう、即ち円
筒状オリフィス及び複合形状に分けられる。円筒形は普
通のツイストドリルによる穿孔で容易に作られる。複合
形状を作るための２種の公知の技術は、打ち抜きと放電
加工とである。打ち抜きには厳しい制限がある。より特
別には、幅の２倍より深い溝を打ち抜くことは不可能で
ある（Ｌ／Ｗ＜２）。これは、正規の溝幅からのわずか
な変動がポリマーの流れを大きく変動させるので、繊維
の形と寸法とを制御することを困難にする。

【０００３】複合形の紡糸用オリフィスを作るための放
電加工は、作るべきオリフィスの形に電極を作ること、
及び通常は紡糸口金と電極との両者を油槽中に浸けなが
ら放電を使用して紡糸口金板を貫通加工することを含む
。これに伴って次の二つの問題点がある。即ち、電極製
造の高費用（電極は非常に長くは持たない）、及び処理
速度の遅さである。

【０００４】次の潜在的利点のため、レーザーによる複
合形紡糸口金オリフィスの切断が考えられた。

【０００５】（１）　　金属だけでなくセラミックも、
また耐久性、耐食性等のため使用されるいかなる材料も
使用できる。

【０００６】（２）　　レーザー切断は迅速かつ費用が
少ない可能性がある。打ち抜き又は放電加工におけるよ
うな特別の工具を作る必要がない。一般に、切断速度は
レーザーにより限定されるのではなく、加工物（紡糸口
金）を十分な速さで動かす能力によるだけである。コン
ピューター制御装置のソフトウエアにより、ある毛管設
計から他の設計に容易に切り替えることができる。

【０００７】（３）　　Ｌ／Ｗ（深さ／幅）についての
大きな制限がない。しかし、今日まで、紡糸口金オリフ
ィスのレーザー加工は成功していない。

【０００８】紡糸口金オリフィスとして満足しうる溝を
作るには、三つの重要な障害を克服しなければならない
。

【０００９】（１）　　溝は、通常のレーザーにより提
供できる幅（１００μ〜３００μ）よりも狭い幅（〜６
０μ）でなければならない。

【００１０】（２）　　溝は許容差が約±１μ以内の真
っ直ぐな側部を持たねばならない。これは固体レーザー
で行うには非常に困難である。金属を奇麗に切断するに
は少なくも約４０ＭＷ／ｃｍ２のエネルギー密度が必要
である。ビーム直径が４０μであれば５００Ｗ以上のレ
ーザーエネルギーが要求される。この出力の固体レーザ
ーは入手可能ではあるが、そのビームの品質は４０μの
点に焦点を合わせるには余りにも貧弱である。更に、加
工物の過熱を避けるため、切断速度は約２ｍ／ｍｉｎと
しなければならない。このことは、１０ｋｇにもなる重
量の紡糸口金を、複合形紡糸口金毛管を形成するに要す
る複雑なパターンを通ってこのような速度で動かしうる
装置が無いため、全く不可能である。特に、約１μ以内
で停止させなければならない。商業的に入手しうる最高
水準のものでも、紡糸口金の設計の許容差に適合するに
は、切断速度は０．０５ｍ／ｍｉｎより速くすることは
できない。レーザーは、大部分が数％の低負荷率のパル
スモードで運転しなければならない。しかし、固体レー
ザーのパルス運転は別の問題を生ずる。即ち、熱レンズ
現象であり、このためビームは左右にさまよい、紡糸口
金オリフィスとして受け入れ難い波状切断が生ずる。熱
レンズ現象はフラッシュランプによるレーザー結晶の加
熱により発生する。レーザー製造業者がこの問題を最小
にすべく努力しているにもかかわらず加熱は決して完全
に一様にはならず、従って結晶は各フラッシュ中に変形
する。

【００１１】（３）　　（効果的な金属除去切断は酸化
雰囲気、例えば４ｂａｒの純酸素内で行わねばならない
ため）紡糸口金を備えた金属が加工中に酸化されるとい
う、幅広切断では通常は見られない問題が関連する。金
属酸化物の蒸気が、前進しているレーザービームの後方
で凝縮し、小さな粒子を形成し、これが切断側部に沿っ
て溶融金属に付着し、切断部の両側間の間隙を実際に架
橋することがある。具合悪いことに、Ｌ／Ｗが１０以上
で直径が例えば６０μのブローチは剪断強度が不十分で
あり酸化物微粒子を除去することなく破損するので、こ
の問題はある種の機械的な清掃作業では修正できない。

【００１２】

【発明の概要】本発明により、上面及び下面を有する紡
糸口金板に複合紡糸口金を切断する方法にして紡糸口金
板の上面と下面との間に金属の熔融たまりを作るように
紡糸口金板の上面に向かってパルス化マルチモードレー
ザーエネルギービームを方向付けし更に前記ビームと同
軸の加圧流体を流す手段により下面から熔融金属を排出
する段階を備えた方法が、パルス化マルチモードレーザ
ービームを実質的にシングルモードビームに縮小し更に
板の上面の上方でシングルモードビームを焦点合わせす
ることにより改良される。好ましくは、ビームは実質的
に２００μｓｅｃより短いパルス長のＴＥＭｏｏモード
であり、かつパルス化されたビームは約１３０Ｈｚから
約１８５Ｈｚの範囲の周波数を持つ。毛管は全体的に溝
切りされ、板を少なくも２種の経路においてビームに関
して動かすことにより形成される。

【００１３】

【好ましい実施例の詳細説明】図１は本発明の好ましい
実施例を示し、これは、上面１６と下面１８とを有する
紡糸口金板１４を支持しているテーブル１２に関し、Ｘ
、Ｙ及びＺ面（矢印で指示）内で動けるように取り付け
られたパルス化マルチモードレーザーエネルギー源１０
を備える。紡糸口金板は形成されたとき多数の複合形状
の毛管２０を備えるであろう。毛管２０は溝形毛管とし
て知られ、この例では内側の小部分を囲んだ周囲の４個
の溝形開口２２を備える（図２）。周囲開口２２とその
中央で接続する４個の直線溝形開口２４が交点から半径
方向内向きに延びる。空気通路２６が周囲溝２２を分離
する。

【００１４】パルス化マルチモードエネルギー源は、多
数のクセノン（最大７００Ｖ）フラッシュ管３２により
励起されるネオジウム−イットリウムアルミニウムガー
ネット（Ｎｄ−ＹＡＧ）のロッド３０のような固体レー
ザーである。好ましいＮｄ−ＹＡＧレーザーは、西ドイ
ツ、シュラムベルク、ハース−レーザーＧｍｂＨより発
売のモデルＬＡＹ５０−２である。通常、Ｎｄ−ＹＡＧ
レーザーは同時に多くのモードで運転でき、このため幾
分かビーム品質を劣化させる。これを救済するために、
３．２ｍｍの孔の空けられた２個の円盤３４、３５が、
それぞれ前後の鏡３６、３８の間のレーザー空洞の内側
に挿入される。

【００１５】結晶と２個の鏡との間に２個の３．２ｍｍ
直径の孔を置くことにより、モード数は、ビーム品質が
非常に改善された実質的に卓越したＴＥＭｏｏモードに
縮小される。通常、Ｎｄ−ＹＡＧレーザーは非常に発散
が小さく、かつ与えられたレーザー及び作動条件につい
ては発散と焦点半径との積は目立って一定であるので、
発散を幾らか増加させ焦点半径を小さくさせることが可
能であった。これは次のように行なわれた。焦点距離が
−２０ｍｍの平凹レンズ４０が光学軸上でアウトカプリ
ング鏡（ｏｕｔｃｏｕｐｌｉｎｇｍｉｒｒｏｒ）３８の
外側に置かれた。焦点距離が＋１００ｍｍの両凸レンズ
４２が光学軸上で平凹レンズ４０と同焦点に置かれた。 これにより直径１６ｍｍで光学軸と平行にされたビーム
４４が作られる。同じく焦点距離が＋１００ｍｍの第２
の両凸レンズ４６が直径約３５−４０μの点にビームの
焦点を合わせる。焦点合わせ以前のより大きなビーム直
径は約５倍に広げられ、また約５倍でビーム直径を減ら
される。しかし、約２ｍｒａｄの拡散はこの目的にはな
お受容しうるもであった。

【００１６】パルス運転の際は、パルスはできるだけ短
くすべきであるが、Ｎｄ−ＹＡＧレーザーはレーザー発
光の立ち上がりに幾らかの最小時間を要する。パルス持
続時間、周波数、及びランプ電圧の総ての可能な組み合
わせを徹底的に探求し、所有のレーザーでは２００μｓ
より短いランプパルスの使用は実際的ではなかったこと
を見出だした。

【００１７】作動の際は、この目的に対しては１３０Ｈ
ｚが良好な繰り返し速度であることが見出だされた。平
滑に切断するためには、繰り返し速度は合理的に高くす
べきである。切断速度５０ｍｍ／ｓ及び繰り返し速度１
３０Ｈｚにおいては、加工物はパルス間で約６μ動く。 これより速く動かすべきではない。一方、１３０Ｈｚ以
上の繰り返し速度ではレーザー出力が低下し、レーザー
はランプ電圧５００Ｖ及びランプのパルス持続時間２０
０μｓにおいて１８５Ｈｚ以上では作動しなかった。ラ
ンプのパルスを短くするとより速い繰り返し速度が得ら
れた。例えば平均出力の同じ損失ではランプのパルス１
７５μｓで約１５０−１６０Ｈｚの繰り返しが得られた
。ランプ電圧５００Ｖ及びパルス持続時間２００μｓで
、レーザーパルスは１３０Ｈｚにおいて負荷率１．６％
に対し１２５μｓである。

【００１８】ランプ３２の電圧を小刻みに４８５Ｖに低
下させると、切断の品質が連続的に改善されることが見
出だされた。しかし、４８５Ｖより下がると、レーザー
はもはや新しい切断を始めるように金属を貫通すること
ができなかった。このとき、レーザーは１１Ｗ又は８５
ｍＪ／パルスで作動していた。ビームのエネルギーの７
０％が直径３２μの円内に落ち、９０％が４２μの円内
に落ちた。重要な要件は、必要な低い切断速度における
加工物の過熱を避けるために、低く十分な負荷率で約４
０ＭＷ／ｃｍ２のしっかりと焦点合わせされた短いパル
スを発射することである。最適の作動条件は、切断され
る金属の化学組成及び厚さにより幾分変わるであろう。

【００１９】金属の除去は金属切断において重要な点で
ある。普通は切断用ノズルが使用される。ガス圧力はあ
る実験室では特殊設計により１０ｂａｒ又はそれ以上に
達したが、焦点用レンズ５０の機械的強度がガス圧力を
約５ｂａｒに限定する。５ｂａｒでのガス供給５２が使
用され、これはノズルが切断しているときの実際の圧力
が約４ｂａｒであることを意味する。もちろん、切断用
ガスは試験され、純酸素が最善であった。切断用ノズル
と加工物との間の距離は重要であった（約４００ｍｍの
距離にわたり１００＋１０μ）。

【００２０】少なくも１個又はそれ以上の主要な要求が
ある。即ち、ビーム４４は板１４上に焦点を合わせるの
ではなく、板の上面１６の上方で、ある距離４８（約　
．２ｍｍ）の処である。これは焦点用レンズ５０により
行なわれる。

【００２１】

【実施態様】本発明の実施態様につき説明すれば次の通
りである。

【００２２】１．上面及び下面を有する金属板を貫通し
て切断する方法にして、板の上面と下面との間に金属の
熔融たまりを作るように前記板の上面に向かってパルス
化マルチモードレーザーエネルギー源ビームを方向付け
し更に前記ビームと同軸に加圧流体を流す手段により下
面から熔融金属を排出する段階を備えた方法において、
マルチモードレーザービームを実質的にシングルモード
ビームに縮小し、更に前記板の上面の上方にシングルモ
ードビームを焦点合わせすることを含んだ改良。

【００２３】２．前記シングルモードビームがＴＥＭｏ
ｏモードである上記１の方法。

【００２４】３．前記ビームのパルスの長さが約２００
μｓより短い上記１の方法。

【００２５】４．パルス化されたビームが約１３０Ｈｚ
から約１８５Ｈｚの周波数を有する上記３の方法。

【００２６】５．前記加圧流体が酸素である上記１の方
法。

【００２７】６．前記板を前記溝により定められる経路
でビームに関して少なくも１個の経路で動かすことによ
って、溝により定められた紡糸口金が前記板に切られる
上記１の方法。

【００２８】７．前記板が少なくも２個の経路内で動か
される上記６の方法。

【００２９】８．前記板が少なくも３個の経路内で動か
される上記６の方法。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の方法の実施に有用な装置の図式的な斜
視図である。

【図２】本発明の方法を使用して作られた複合形紡糸口
金毛管の平面図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】上面及び下面を有する金属板を貫通して切
   断する方法にして、板の上面と下面との間に金属の熔融
   たまりを作るように前記板の上面に向かってパルス化マ
   ルチモードレーザーエネルギー源ビームを方向付けし更
   に前記ビームと同軸に加圧流体を流す手段により下面か
   ら熔融金属を排出する段階を備えた方法において、マル
   チモードレーザービームを実質的にシングルモードビー
   ムに縮小し、更に前記板の上面の上方にシングルモード
   ビームを焦点合わせすることを含んだ改良。