CO₂ レーザーとスキャンヘッドサブシステムの統合の課題

著者： ダニエル・シュエ、ジャスティン・コンロイ、マルテ・ヘンメリヒ

要約

CO₂ レーザーは、マーキング＆コーディング、切断、穿孔、アブレーションなど、さまざまな用途で広く使用されています。また、変換から3Dプリントまでの産業にも広く利用されており、レーザービームの高速かつ正確な操作が重要です。 通常、レーザー光源はパルス性能、光学出力、波長のために選択され、スキャンヘッドはフィールド＆スポットサイズ、速度、精度仕様のために選択されます。 したがって、各コンポーネントは個々の性能特性に基づいて選択されていますが、組み合わせたシステムから最適なパフォーマンスを得ることは、機械ビルダーやレーザー統合業者にとって独自の課題を提供します。

この論文は、CO₂レーザーとガルボスキャンヘッドを統合して補完的な性能を実現する複雑さについて探求しています。 適切な機械、電気、光学部品の選択の重要な要因を探求し、容易にアラインメントでき、コスト効果の高い光学ビームパスを設計します。 これらの側面は過小評価されているが、サブシステム全体の成功において重要な役割を果たしています。

これらのミッションクリティカルなコンポーネントの単一ソースサプライヤーとして、Novantaは統合プロセスを効率化する革新的なソリューションを提供しています。 特定の課題に対処し、柔軟なサブシステム構成を提供することで、Novantaは最適化と利便性の向上を容易にし、OEMおよび統合業者がレーザーサブシステムのフルポテンシャルを引き出すのを可能にします。

Novanta ₂ COレーザーとスキャンヘッドの利用可能な組み合わせ

すべてのレーザー材料加工において、望ましい品質と速度が最適なレーザー光源とビーム操作部品を定義します。Novantaのグローバルアプリケーションセンターは、幅広い商用波長（UV - IR）、出力レベル（mW - kW）、パルス長（fs - cw）、スキャンヘッドの口径（10mm - 50mm）、および制御方法（アナログ、ハイブリッド、デジタル）に関する幅広いレーザーアプリケーションの豊富な経験を有しています。 この論文では、適切なCO₂レーザーとアナログまたはハイブリッドスキャンヘッドが選択されていると仮定します。読者は、当社の商業用ホワイトペーパー「パルス幅変調CO₂レーザーの動作の理解」と「アナログ 対 デジタル、または特定のアプリケーションニーズに関する詳細な議論のために専門家と連絡を取ります。

図 1は、Novantaから利用可能なCOレーザー₂とアナログ/ハイブリッドスキャンヘッドの有効な組み合わせを示しています。 一般的に、より大きなスキャンヘッドの口径サイズは、より小さな焦点スポットサイズとより高い許容レーザー出力を可能にし、一方、より小さな口径は、より速く、よりダイナミックなビーム操作を可能にします。 より小さなスキャンヘッドは通常、大きなものよりも価格が安いため、レーザーの最大出力（Pmax）がスキャンヘッドのミラー口径サイズ（D）およびミラー反射率（R）の性能に適合しているかどうかを確認することが重要です。

ガウス光学では、入射ビームのサイズがスキャンヘッドの焦点スポットサイズに直接影響を与えます。 最小の焦点スポットサイズを達成するためには、スキャンヘッドの入力口を最大直径のビームで最適に満たすことが望ましいです。 通常、レーザービームの幅は、データシート上で1/e²の直径として報告され、合計エネルギーの約86.5%を含んでいます。一方、スキャンヘッドのデータシートには有効なクリアアパーチャが記載されています（図2を参照）。 レーザービームのエネルギーの99%がスキャンヘッドを通過することを確認するために、以下の計算により、1/e²値と自由口径の間に約1.5倍の安全係数が適用される必要があることが示されています。

クリアな口径とビーム直径の比率が1.5 未満の場合、顕著な回折リングやシステムを通じたレーザーの電力損失が生じ、マーキングや切断の性能が低下し、部品の寿命が短くなる可能性があります。 光学部品の出力密度が高くなり、焦点領域のスポットサイズが大きくなります。 したがって、レーザービームのサイズを特定のスキャンヘッドに正確に合わせることが非常に重要です。

レーザービームとスキャンヘッドの口径の光学的一致

スキャンヘッドの最適な性能は、入射レーザービームとの正確な一致に大きく依存しています。 レーザービームの整列、楕円率、モード、サイズ、および入力角度を考慮する必要があります。

レーザーの仕様とスキャンヘッドを一致させる課題に対処し、レーザービームの発散を考慮するために、Novantaは主要サプライヤーから調整可能なビームエキスパンダーを慎重に選択しました。 これらのビームエキスパンダーは、最適な性能を達成する上で重要な役割を果たし、効果的なビーム整形とサイズ制御を可能にします。

マッチングプロセスにおけるもう1つの重要な側面は、通常、フリースペース光学に依存するビームアライメントです。 CO₂レーザーの長波長は、紙、ポリマー、ガラス、および他の有機材料の加工に有利ですが、ファイバーの配信にも課題を生じさせます。 現在利用可能なファイバーテクノロジーは、多くのレーザーエネルギーを吸収しすぎており、ほとんどの産業用途には伝送速度が高すぎません。 したがって、ほとんどのアプリケーション、特にCO₂レーザーの出力が30Wを超えるものに関しては、レーザーとスキャンヘッドの間のフリースペースビーム伝播が好ましいアプローチです。

ほとんどのCO₂レーザーは、ビームの出口位置と角度に多少の変動があり、したがってスキャンヘッドに合わせる必要があります。 レーザービームは、スキャンヘッドの入力口の中心に高い精度で整列する必要があります。 ビーム入力のいかなるずれも光学的遠方で増幅され、オフセンターのビーム出力、ビームのクリッピングによる電力損失、またはスキャンフィールドに悪影響を及ぼす可能性があります。

自由空間光学のアライメント問題に対処するためのゴールドスタンダードテクニックは、2つの個別のミラーと2つのターゲットをビームパスに実装して、機械的位置をスキャンヘッドの光軸に正確に一致させることです。 この技術は効果的ですが、サブシステムにはかなりのコスト、スペース、複雑さが追加されます。 アライメントの課題を簡素化するために、NovantaのSynradブランドは、CO₂レーザー用の特別なベースプレートと取り付けフィートを開発しました。 個々のレーザーをベースプレートに注意深く事前に整列させることで、Novantaはスキャンヘッド入口口径におけるレーザービームの位置と角度の変動を大幅に制限することができます。 これにより非常にコンパクトで正確なサブシステム設計が作成されます。

次のセグメントでは、これらの取り付けフィートの詳細な設計とアライメントプロセスについて掘り下げ、CO₂レーザーをガルバノメータベースのスキャンヘッドとシームレスで高性能に統合する革新的なアプローチを強調します。

レーザーアライメントの概要

Novantaは、いくつかの主要部品を使用してCO₂レーザーサブシステムを事前に整列させます

• レーザー出力から固定位置に開口部があるブラケット
• リンスクリーン
• 複数のレーザー構成を受け入れるベースレールプレート
• レーザーアライメントフィート

アライメントプロセス中、ワイヤーメッシュモードスクリーンがブラケットの開口部に挿入されます。 この画面は、十分な電力が供給されると、ビーム接触点で光り輝きます。 メッシュの中心の穴は、開口部の中心を正確にターゲットできるようにします。

黒光線で蛍光させると、リンスクリーンはCOレーザービームが当たる位置を示し、₂目に見えるほどに暗くなります。 この画面は、2つの参照点、または「フィールド」で使用されます：レーザーの出力に近い「近接フィールド」ポイントと、レーザーからかなり離れた距離（>1m）にある「遠隔フィールド」ポイント。 レーザーを整列させる際には、少なくとも2つの参照点が必要です。 単一の参照点は、レーザーからその特定の距離のビームのみを表示し、伝播方向を表示しません。 例えば、図 4の左側のグラフィック内では、レーザーは近接フィールドターゲットの中心に当たっていますが、ビームは遠方の位置で目標から外れる角度で移動しています。

レーザーアライメントフィートは、レーザービームの位置と方向を調整するために使用されます。 これらのフィートは、どのモデルのレーザーとペアになるかに基づいて、デザインの具体的な点で異なりますが、すべてのフィートは2つの要素で構成されています。固定要素は、固定された位置でレールプレートに取り付けられますが、レーザーに取り付ける際には異なる縦回転位置での取り付けに遊びを許可します。可変要素は高さの調整を可能にします。 レーザーの両端の高さを変えることや、足がレーザーに取り付けられる縦方向の角度を調整することで、スキャンヘッドが必要とする正確な経路にレーザービームを設定することができます（図4の右側のグラフィックを参照）。

シムベースの足システム

可変要素を持つ足部には、主に2つの設計モードがあります。 その第一はシムベースのシステムです。このシステムでは、足の高さを調整するために、足の静的要素とレーザーの間に、対応するレーザーモデルに合わせて精密に加工された様々な厚さのシムを挿入します。

ウェッジベースの足システム

Novantaは、レーザーに取り付けられた足の高さを設定するために使用される第 2のタイプの可変要素を開発しました。 この第 2のシステムは、静的な足の傾斜部分を滑ることができるくさびを利用しています。 ここでは、取り付けられたくさびが足全体の高さを決定します。 このシステムの利点は、デジタルではなくアナログであり、ウェッジの位置を必要に応じて正確に調整できるため、シムの厚さによる高さの手動変更とは異なり、システムの最適な高さを達成することができることです。

典型的なCO₂レーザーおよびスキャンヘッドサブシステムの完全な概要

レーザーおよびスキャンヘッドサブシステムの性能を最適化するには、光機械設計だけでなく他の要素も考慮する必要があります。 Novantaサブシステムは、高性能レーザーとスキャンヘッドをテスト済みの電源と組み合わせ、ScanMasterコントローラ（SMC）およびScanMaster Designerソフトウェアを備えています。 この非常に強力なコントローラーとソフトウェアパッケージは、最先端のアプリケーション開発と機械制御を可能にします。

Novantaは、Novantaの2軸ハイブリッドスキャンヘッドVERSIAを含む複数のハイブリッドおよびデジタルスキャンヘッドを提供しており、パフォーマンスとシステム統合を考慮して設計されています。 VERSIAはコンパクトで産業用のデザインで構築されており、マイクロ加工やマーキング、コーディングなどの多目的なアプリケーションに最適です。 VERSIAはIP54の評価を受けたエンクロージャーを備え、直感的で業界標準の入出力を備えており、簡単に統合できます。 ユーザーが位置フィードバックやその他のモニタリングツールを監視できるようにするために、VERSIAは双方向通信プロトコルで設計されています。

これは、Novantaのデジタルサーボ設計のおかげです。この設計により、サーボボードには、特定のアプリケーションに個別に最適化された複数のチューンを搭載することができます。

この論文では、サブシステムの電子設計とソフトウェア統合については触れていませんが、読者には個々のニーズについてNovantaの専門家と直接連絡を取ることをお勧めします。

図7は、NovantaのCO₂サブシステムアプローチに含まれる共通要素の概要を提供し、セットアップを簡素化しながら精度を確保します。 ただし、サブシステムを完全なレーザーマシンに変換するためには、サブシステムレベルを超えた追加の考慮事項に対処する必要があります。 排煙と部品取り扱いはレーザー応用において重要な役割を果たし、達成可能な部品品質に大きな影響を与えます。 機械安全基準の遵守には、機械全体の徹底的な評価が必要です。 機械内部の環境条件は、パージガスの必要性や熱管理および冷却に影響を与える可能性があります。

Novantaは完全なターンキーシステムを提供していませんが、Novantaのアプリケーションエキスパートは第三者の統合業者や機械ビルダーにリソースを提供できます。 Novantaの専門家と協力して、ユーザーはこれらの課題を効果的に乗り越え、レーザーアプリケーションの最適な結果を達成することができます。 先進技術とアプリケーションのニーズ、機械要件に対する包括的な理解を組み合わせることで、Novantaは信頼性の高い高性能なCO₂レーザーおよびスキャンヘッドサブシステムを提供しています。

結論

結論として、CO₂レーザーとガルバノメータベースのスキャンヘッドサブシステムを統合することは、独自の課題と考慮事項を提供します。 レーザービームとスキャンヘッドの開口部の正確な光学的一致は、最適なパフォーマンスを達成するために不可欠です。 完全に理想的なシナリオを達成することは決して不可能かもしれませんが、適切な光機械および電気部品を選択することで、サブシステムのパフォーマンスを大幅に向上させることができます。 ビームの整列は過小評価すべきではない重要な側面です。 Novantaは、費用対効果と正確なキャリブレーションを組み合わせたレーザー調整戦略を開発しました。 特別に設計されたベースプレートと取り付けフィートを使用して、Novantaはアライメントの課題に対処し、統合プロセスを合理化し、コンパクトで効率的なサブシステム設計を確保します。

光学的および機械的な考慮を超えて、成功したレーザーの応用には包括的なアプローチが必要です。 Novantaの包括的なサブシステムは、レーザーとスキャンヘッドをテスト済みの電源とScanMaster Controller（SMC）やScanMaster Designer Softwareなどの高度な制御システムと組み合わせています。 これらの強力なツールは、統合者が精度と効率を持ってアプリケーションを開発するのを支援します。

Novantaのモジュラーサブシステムアプローチを取り入れることで、機械ビルダーやレーザーインテグレーターは課題を乗り越え、レーザーシステムのフルポテンシャルを引き出すことができます。 Novantaは、シームレスな統合プロセスを提供することで、顧客がさまざまな産業で革新と成功を実現できるよう支援しています。

当社はすべての関係者にNovantaの専門家と直接やり取りして、個々のニーズを話し合い、特定の要件に合わせたカスタマイズされたソリューションを探るようお誘いします。 Novantaの最先端のコンポーネントと専門知識を活用することで、統合業者はCO₂レーザーとスキャンヘッドの統合の複雑さに自信を持って取り組むことができ、レーザーアプリケーションで優れた結果を達成することができます。

Novanta ベネフィッツ

Novantaは、高精度レーザーシステムを使用して製造プロセスを進化させたいOEM、システムインテグレーター、エンドユーザーの最も複雑な課題さえ解決するために独自の立場にあります。 業界で最も有名なブランドのいくつかと国内のアプリケーションおよびサービスサポートを備えて、Novantaは信頼性の高い、正確で耐久性のあるコンポーネントおよびサブシステムを提供しています。

当社のアプリケーションテストラボは、OEM、システムインテグレータ、材料メーカー、プロセッサ、および自動機械のエンドユーザにアプリケーションおよび概念のテストを提供しています。 Novantaのアプリケーションエンジニアはレーザー加工の専門家であり、成功と効率的なレーザー加工を確実にするパラメータを理解しています。 有名なNovantaブランドのレーザーとビームステアリング機器を使用し、当社のアプリケーションエンジニアは、望ましい結果を得るための主要な製品パラメータと処理ノウハウを決定します。