2014年4月13日日曜日

レーザ加工機 次号機を設計するにあたっての考察

 
レーザ加工機についてはここまでで一通り遊んでみたといってよいかと思います。
レーザカッターは非常に面白いです。
作ってよかったレーザカッターですが、遊んでみていろいろと改善すべきところもわかってきました。 次号機の設計に活かしたいと思います。
  1. 排気系はしっかりと
    樹脂を切ると非常に強烈なにおいが発生します。特にアクリル。アクリル酸/メタクリル酸由来なのかな、酸性の臭いでそばにいると頭が痛くなりそうです。
    しっかりとした排気系が必要です。
  2. ヤニ、揮発成分の付着対策
    木質材料からはヤニが、プラスチック材料からは分解生成物がガス化して出てきます。これらはレンズに向かって立ち上り、ヘッド周りを汚します。厄介な問題です。
    レンズに付着したヤニや分解性生物はビームの透過率を落とすことはもちろんですが、ヤニ自身が加熱されてレンズの温度が上昇します。それによってさらにヤニがレンズに焼きつき、といった悪循環が生じます。付着が弱いうちは綿棒などで軽くこすれば落ちますが、レンズ表面をこするのは反射防止膜を傷つけることになりますので可能な限り避けるべきことです。
    次号機ではレンズ鏡頭を作り、エアを流すなどしてヤニがレンズ付近に近づくことが無いような設計にしたいと思います。
  3. 反射光対策
    金属系の材料を扱う際は、表面で反射してレンズ側に戻ってくる光に対する対策が必要です。
    ワーク表面での散乱、というレベルであれば問題ないですが、状態によってはビームを保ったまま反射してくることがあるようです。現在のレンズホルダはABSでできておりますので反射したビームはABSを溶かし、それによってホルダとレンズの融着やABSから発生するガスによるレンズの曇りが生じることがわかっております。
    次号機ではレンズホルダをアルミで作りたいと思います。それによって反射光に対策と放熱性の改善を図ります。
    2のヤニの付着と共に、反射光によって一部が焦げたレンズホルダの写真を下に示します。

  4. 材料の着火
    アルマイトやガラスを除き、条件によってほぼすべての材料で加工点で炎が発生しました。炎の発生は加工点周辺の材料を傷めたり、ガスの発生を増やすことになりますので避けたいところです。市販の加工機は着火の抑制と煙を吹き飛ばすためにエア吹きをしているものが多いようです。このような機構を次号機で導入することを考えます。
    着火に対しては圧縮空気をホッカイロカラムに通して酸素を取り除くことでより効果が増すのではないか、場合によってはワークの焦げを抑制できるのではないかなんてことを考えております。これはいずれ実験してみたいと思います。
  5. 光学系はちゃんと作る
    きわめて当たり前のことです。
    現状の加工機でもそれなりの精度は出ており、焦点でのビーム径はおおむね100umと、設計目標通り位置決め精度とバランスが取れているのですが、ミクロに見るとビームが真円ではなく楕円になっています。これはアルマイトに写真を描画したりしたものを拡大して見るとわかります。光路が直角-直角で形成されていない証拠です。レンズのところまでビームを導く間にXY軸に対して平行/直交していない光路があるということです。
    とりあえず加工できたのでうれしくてそのまま使っているという状況の現行機ですので、次号機ではもう少しちゃんとやりたいと思います。ステッピングモータの位置決め精度をこれ以上上げるのは現在の構成では難しいと思っておりますが、ビーム径は計算上今の1/3くらいまでは絞り込めるはずなのです。
暇なときにあれこれ構想しておりますが、次の装置は現状のXY分離方式ではなく、ヘッドをXY方向に動かす形になりそうです。

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