建築材料におけるレーザー技術の応用

レーザーは、その高エネルギーを利用して材料と相互作用し、加工効果を実現します。レーザー光の最も容易な応用分野は金属材料であり、これは最も成熟した開発市場です。

金属材料には、鉄板、炭素鋼、ステンレス鋼、銅、アルミニウム合金などがあります。鉄板や炭素鋼は、自動車、建設機械部品、パイプラインなどの金属構造部品として主に使用され、比較的高い出力の切断や溶接が必要です。ステンレス鋼は、浴室用品、台所用品、ナイフなどに一般的に使用されており、厚みに対する要求は高くないため、中出力レーザーで十分です。

中国の住宅や各種インフラプロジェクトは急速に発展しており、大量の建築資材が使用されています。例えば、中国は世界のセメントの半分を消費しており、鉄鋼の消費量も世界一です。建築資材は中国経済の柱となる産業の一つと言えるでしょう。建築資材には多くの加工が必要ですが、建築資材におけるレーザー技術の応用例は何でしょうか？現在、異形鉄筋や鉄筋で作られた基礎や構造物の建設は、主に油圧切断機やグラインダーで加工されています。レーザーは、パイプライン、ドア、窓の加工によく使用されます。

金属パイプのレーザー加工

建設用途に使用されるパイプには、水道管、石炭ガス／天然ガス管、下水管、フェンス管などがあり、金属管には亜鉛メッキ鋼管とステンレス鋼管が含まれます。建設業界では強度と美観に対する期待が高まっており、パイプ切断の要求も高まっています。一般的なパイプは、納品前は10メートル、場合によっては20メートルの長さです。さまざまな業界に配送された後、用途が異なるため、さまざまな業界のニーズを満たすために、パイプはさまざまな形状とサイズの部品に加工する必要があります。

高度な自動化、高効率、高出力を特徴とするレーザーパイプ切断技術は、パイプ業界で急速に採用されており、さまざまな金属パイプの切断に最適です。一般的に厚さが3mm未満の金属パイプは、1000ワットのレーザー切断機で切断でき、3000ワット以上のレーザー出力で高速切断が可能です。従来、研磨ホイール切断機でステンレス鋼管を1セクション切断するのに約20秒かかっていましたが、レーザー切断ではわずか2秒で済み、効率が大幅に向上しました。そのため、レーザーパイプ切断装置は、過去4、5年の間に多くの従来の機械式ナイフ切断に取って代わりました。パイプレーザー切断の登場により、従来の鋸、パンチング、穴あけなどのプロセスが1台の機械で自動的に完了するようになりました。切断、穴あけ、輪郭切断、パターン文字切断が可能です。パイプレーザー切断プロセスでは、必要な仕様をコンピュータに入力するだけで、装置が自動で迅速かつ効率的に切断作業を完了します。自動送り、クランプ、回転、溝切りは、丸管、角管、平管などに適しています。レーザー切断は、パイプ切断のほぼすべての要件を満たし、効率的な加工モードを実現します。

レーザー管切断

ドアと窓のレーザー加工

ドアと窓は、中国の不動産建設業界において重要な部分です。すべての住宅にはドアと窓が必要です。業界の需要が膨大で、生産コストが年々上昇しているため、ドアと窓製品の加工効率と品質に対する要求はますます高まっています。

ドア、窓、防犯網、手すりなどの製造に使用されるステンレス鋼の大部分は、厚さ2mm以下の鋼板や丸型ブリキです。レーザー技術を用いることで、鋼板や丸型ブリキの高品質な切断、くり抜き、型抜きが可能になります。現在では、携帯型レーザー溶接により、スポット溶接で生じる隙間や目立つはんだ接合部がなく、ドアや窓の金属部品を継ぎ目のない溶接で容易に接合できるため、ドアや窓は優れた性能と美しい外観を実現します。

ドア、窓、防犯網、ガードレールの年間消費量は膨大であり、切断や溶接は小型・中型レーザー出力で実現可能です。しかし、これらの製品のほとんどは住宅のサイズに合わせてカスタマイズされ、小規模なドア・窓設置店や内装会社によって加工されるため、従来から主流となっている切断研削、アーク溶接、火炎溶接などの方法が用いられています。そのため、レーザー加工が従来の加工方法に取って代わる余地は大きいと言えます。

レーザー溶接セキュリティドア

非金属建築材料におけるレーザー加工の可能性

建築材料の非金属部分は主にセラミック、石、ガラスなどである。これらの加工は研削盤や機械刃を用いて行われるが、操作と位置決めはすべて手作業に頼っている。また、加工過程では大量の粉塵や破片、騒音が発生し、人体に大きな害を及ぼす可能性がある。そのため、この仕事に就きたい若者はますます少なくなっている。

これら3種類の建築材料はいずれも欠けやひび割れの可能性があり、ガラスのレーザー加工技術が開発されてきた。ガラスの構成要素はケイ酸塩、石英などであり、レーザー光と反応しやすく、切断加工が容易に行える。ガラス加工については多くの議論がなされてきた。一方、セラミックや石材については、レーザー切断はほとんど検討されておらず、さらなる研究が必要である。適切な波長と出力のレーザーが見つかれば、セラミックや石材も粉塵や騒音の発生を抑えて切断できる可能性がある。

現場でのレーザー加工の検討

住宅建設現場や、道路、橋梁、線路などのインフラプロジェクトでは、資材を現場で組み立て、敷設する必要があります。しかし、レーザー装置によるワークピース加工は、多くの場合、作業場内で行われ、その後、ワークピースは別の場所に運ばれて使用されます。したがって、レーザー装置が実際の使用場面でリアルタイムの現場加工を実現する方法を模索することは、今後のレーザー開発における重要な方向性となるでしょう。

例えば、アルゴンアーク溶接機は広く普及しており、低コスト、優れた携帯性、電力要件の緩さ、高い安定性、高い適応性といった特長を持ち、いつでも現場に持ち運んで加工を行うことができます。こうした状況において、ハンドヘルドレーザー溶接機の登場は、現場でのレーザー加工を様々な用途で活用できる可能性を広げています。ハンドヘルドレーザー溶接装置とウォーターチラーを一体化することで、よりコンパクトなサイズを実現し、建設現場での応用も可能になりました。

金属部品の錆びは非常に厄介な問題です。錆びを適切な時期に処理しないと、製品は廃棄される可能性が高くなります。レーザー洗浄技術の発展により、錆びの除去はより簡単かつ効率的になり、処理あたりの消費コストも低くなりました。移動できないワークピースを建設現場で洗浄する必要がある場合、専門的な出張レーザー洗浄サービスを提供することは、レーザー洗浄技術の発展の方向性の1つとなる可能性があります。南京のある企業は、車両搭載型移動式レーザー洗浄装置の開発に成功しており、また、建物の外壁、雨どい、鉄骨構造などの現場洗浄を実現できるバックパック型洗浄機を開発している企業もあり、レーザー洗浄の現場処理に新たな選択肢を提供しています。

S&AチラーCWFL-1500ANW（ハンドヘルドレーザー溶接機の冷却用）