(57)【要約】【課題】廉価な構成で高速化、高精度化を図ること。【解決手段】強化繊維を母材に含む複合材料を保持するワークステーション１０を備える。強化繊維を裁断可能な一次レーザビームを供する一次レーザ発振手段４１と、複合材料の母材を裁断可能な二次レーザビームを供する二次レーザ発振手段４２とを設ける。一次レーザビームの照射時には、当該一次レーザビームが高速条件で裁断要部の幅内で移動しながら照射される。二次レーザビームの照射時には、一次レーザビームが照射された部位を、二次レーザビームが照射される。【選択図】図１
2015157312.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
強化繊維を母材に含む複合材料のレーザ加工方法において、
前記複合材料の裁断要部に、線状の裁断エリアを設定するステップと、
前記裁断エリアに前記強化繊維を裁断可能な一次レーザビームを照射し、この一次レーザビームを前記裁断エリアの幅内において高速条件で移動することにより、一次裁断加工を施す一次照射ステップと、
前記一次レーザビームが照射された部位に前記母材を裁断可能な二次レーザビームを照射し、この二次レーザビームを前記裁断エリアの長手方向に沿って前記高速条件よりも低速の低速条件で移動することにより、二次裁断加工を施す二次照射ステップと
を含むことを特徴とする複合材料のレーザ加工方法。
【請求項２】
請求項１に記載の複合材料のレーザ加工方法において、
前記一次照射ステップは、前記裁断要部の幅内で前記一次レーザビームを高速条件で旋回させながら前記一次レーザビームの照射範囲を前記裁断エリアの長手方向に沿って低速条件で移動する工程である
複合材料のレーザ加工方法。
【請求項３】
請求項１に記載の複合材料のレーザ加工方法において、
前記一次照射ステップは、前記裁断要部の長手方向に分割されたエリア内で、前記一次レーザビームを高速条件で前記裁断エリアの長手方向沿いに往復移動させながら、前記裁断要部の幅内で当該一次レーザビームを前記裁断エリアの幅方向にオフセットし、予め設定された往復回数ごとに前記照射範囲を裁断要部の長手方向にシフトする工程である
複合材料のレーザ加工方法。
【請求項４】
請求項２または３に記載の複合材料のレーザ加工方法において、
前記二次照射ステップは、前記一次照射ステップと同一の照射範囲に同時に実行される工程である
複合材料のレーザ加工方法。
【請求項５】
請求項１から４の何れか１項に記載の複合材料のレーザ加工方法において、
前記一次レーザ照射ステップは、波長が１０６４ｎｍ、５３２ｎｍ、および３５５ｎｍから択一的に選択される固体レーザを前記裁断要部に照射する工程である
複合材料のレーザ加工方法。
【請求項６】
請求項５記載の複合材料のレーザ加工方法において、
前記固体レーザの出力は、波長が１０６４ｎｍの場合は２００Ｗであり、波長が５３２ｎｍの場合は５０Ｗから１５０Ｗの間であり、波長が３５５ｎｍの場合は２０Ｗである
複合材料のレーザ加工方法。
【請求項７】
請求項６記載の複合材料のレーザ加工方法において、
前記二次レーザ照射ステップは、波長が１０６４ｎｍのときに出力が２ＫＷ以上の固体レーザである
複合材料のレーザ加工方法。
【請求項８】
強化繊維を母材に含む複合材料を一平面上で移動可能に保持するワークステーションと、
前記強化繊維を裁断可能な一次レーザビームを供する一次レーザ発振手段、および前記複合材料の母材を裁断可能な二次レーザビームを供する二次レーザ発振手段を含むレーザビーム出力手段と、
前記一次レーザビームおよび前記二次レーザビームを前記複合材料に照射する集光系と、
前記集光系に設けられ、前記裁断要部に対して線状に設定される裁断エリアの幅内において前記一次レーザビームを高速条件で移動させながら前記複合材料に照射する第１の照射手段と、
前記集光系に設けられ、前記一次レーザビームが照射された部位に前記二次レーザビームを照射する第２の照射手段と、
前記集光系から照射される前記一次レーザビームおよび二次レーザビームと前記複合材料とが相対的に変位するように、前記ワークステーションを駆動する駆動手段と、
前記駆動手段の動作を制御する駆動制御手段であって、前記一次レーザビームの照射時には、前記裁断エリアを照射する前記一次レーザビームが高速条件で前記裁断要部の幅内で移動するとともに、前記二次レーザビームの照射時には、前記一次レーザビームが照射された部位に前記二次レーザビームを照射し、この二次レーザビームが前記裁断エリアの長手方向に沿って前記高速条件よりも低速の低速条件で移動するように、前記ワークステーションの駆動を制御する前記駆動制御手段と
を備えていることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項９】
請求項８に記載のレーザ加工装置において、
前記一次レーザビームが照射されるタイミングと同一タイミングで同一の照射範囲に前記二次レーザビームを照射するように前記一次レーザビームおよび前記二次レーザビームの照射条件を制御する照射制御手段をさらに備えている
レーザ加工装置。
【請求項１０】
請求項８または９に記載のレーザ加工装置において、
前記一次レーザ発振手段と前記二次レーザ発振手段は、同一周波数のレーザビームを発振するように構成されている
レーザ加工装置。
【請求項１１】
請求項１０記載のレーザ加工装置において、
前記集光系は、前記ワークステーションに保持されたワークに対向する集光レンズを含み、
前記第１の照射手段は、前記集光レンズに前記一次レーザビームを導くミラーを含み、
前記第２の照射手段は、前記ミラーと前記集光レンズとの間に配置され、前記ミラーから反射した一次レーザビームを前記集光レンズに開放する開口を有する環状ミラーを含む
レーザ加工装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載のレーザ加工装置において、
前記二次レーザ発振手段から供された二次レーザビームを円形横断面のビームに生成して前記環状ミラーに導くアキシコンレンズをさらに備えている
レーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合材料のレーザ加工方法およびレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、各種複合材料が産業界に採用されている。特に、ＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）は、車両のボディや、航空機の機体の多くの部分に利用されるようになった。
【０００３】
そのような複合材料の加工精度を高めるため、種々の技術が提案されている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、ＣＯ２レーザ発振器及びエキシマレーザを用いて、プラスチック部材又はＦＲＰ部材（以下、「ワーク」という）を加工する方法が提案されている。同方法では、初めに該切断又は穴あけ加工部へＣＯ２レーザのレーザビームを照射し、ワークの切断又は穴あけを行う。その後、エキシマレーザのレーザビームをその切断面及びその近傍に照射して前記切断面に生起した炭化層或いは熱影響層を除去することを骨子としている。
【０００５】
また、特許文献２には、固体レーザを用いた方法が開示されている。同方法では、出力が１０Ｗ以上で２０ｋＷまでの範囲の高出力連続発振固体レーザを用いて、繊維強化複合材料を粗加工（第１の除去加工）した後に、該粗加工後における除去加工面に、１０ピコ秒から１００ナノ秒の範囲のパルス幅で、パルスエネルギーが１ｍＪ〜５００Ｊの範囲である超短パルス固体レーザを１秒間に複数回照射して、さらに第２の除去加工を施すことを骨子としている。
【０００６】
さらに、特許文献３には、特許文献２の欠点を改良した方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第２８３１２１５号公報
【特許文献２】特許第４７３４４３７号公報
【特許文献３】特開２０１２−１９２４２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１の技術では、ＣＯ２レーザ、及びエキシマレーザを用いている。ＣＯ２レーザの波長は長い。そのため、比較的種々の材料に適用できる反面、金属等には向いていない。よって、特許文献１の技術では、複合材料に用いられている複合材料に含まれる強化材料によっては、所期の加工を施すことが困難になる、という不具合があった。
【０００９】
特許文献２の技術では、第１の除去加工において、ワークの樹脂成分が裁断され、その後、第２の除去加工において、強化材料が裁断される構成になっていた。そのため、第１の除去加工において、大量の分解生成物が生成されることになる。この結果、高速化、高精度化を図ることが困難であった。
【００１０】
また、特許文献３では、上記分解生成物を除去する設備を付設したものであるが、その構成では、装置が大がかりになり、好ましくない。
【００１１】
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、廉価な構成で高速化、高精度化を図ることのできる複合材料のレーザ加工方法およびレーザ加工装置を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明は、強化繊維を母材に含む複合材料のレーザ加工方法において、前記複合材料の裁断要部に、線状の裁断エリアを設定するステップと、前記裁断エリアに前記強化繊維を裁断可能な一次レーザビームを照射し、この一次レーザビームを前記裁断エリアの幅内において高速条件で移動することにより、一次裁断加工を施す一次照射ステップと、前記一次レーザビームが照射された部位に前記母材を裁断可能な二次レーザビームを照射し、この二次レーザビームを前記裁断エリアの長手方向に沿って前記高速条件よりも低速の低速条件で移動することにより、二次裁断加工を施す二次照射ステップとを含むことを特徴とする複合材料のレーザ加工方法である。この態様では、強化繊維を母材に含む複合材料を裁断する場合には、まず一次照射ステップが実行される。この一次照射ステップでは、強化繊維を裁断可能に照射する一次レーザビームが照射される。この一次レーザビームは、予め裁断エリアの幅内において、高速条件で移動する。この一次レーザビームが高速条件で裁断エリアの幅内において移動しながら照射されることにより、複合材料は、裁断エリアに沿って順次、溝状に裁断される（一次裁断加工）。このとき、一次レーザビームが照射されるエリア、すなわち照射範囲に存在する強化繊維も裁断される。また、一次レーザビームが高速条件で移動するため、照射範囲に生成される熱は少なくなる。そのため、熱伝達が生じる熱量も少なくなる。また、高速条件で移動しながら一次レーザビームを照射しているので、母材の分解生成物も少なくなる。次いで、二次照射ステップが実行される。二次照射ステップでは、一次照射ステップによって、一部が裁断された部位がさらに裁断される（二次裁断加工）。一次照射ステップによって、照射範囲の強化繊維が裁断されるので、続く二次照射ステップでは、比較的低速で移動しながら二次レーザビームを照射しても、熱伝達は生じにくくなる。そのため、二次レーザビームの照射条件に種々の自由度を持たせて所望の裁断条件で母材を裁断することができる。よって、仕上がり面の良好な裁断加工を施すことができる。また一次照射ステップにおいて生じる分解生成物は少ない。そのため分解生成物の処理に要する処理ないし設備も不要、或いは軽微になる。さらに、一次照射ステップから二次照射ステップへの移行がスムーズになる。なお、「裁断」とは、切断と穿孔とを含む包括概念である。
【００１３】
好ましい態様に係る複合材料のレーザ加工方法において、前記一次照射ステップは、前記裁断要部の幅内で前記一次レーザビームを高速条件で旋回させながら前記一次レーザビームの照射範囲を前記裁断エリアの長手方向に沿って低速条件で移動する工程である。この態様では、所要のエネルギーを裁断要部に出力しても、一次レーザビームが一点に集中しないので、熱の蓄積を抑制することができる。よって、高い裁断能力を発揮しつつ、熱による悪影響を回避することができる。
【００１４】
好ましい態様に係る複合材料のレーザ加工方法において、前記一次照射ステップは、前記裁断要部の長手方向に分割されたエリア内で、前記一次レーザビームを高速条件で前記裁断エリアの長手方向沿いに往復移動させながら、前記裁断要部の幅内で当該一次レーザビームを前記裁断エリアの幅方向にオフセットし、予め設定された往復回数ごとに前記照射範囲を裁断要部の長手方向にシフトする工程である。この態様では、所要のエネルギーを裁断要部に出力しても、一次レーザビームが一点に集中しないので、熱の蓄積を抑制することができる。よって、高い裁断能力を発揮しつつ、熱による悪影響を回避することができる。
【００１５】
好ましい態様に係る複合材料のレーザ加工方法において、前記二次照射ステップは、前記一次照射ステップと同一の照射範囲に同時に実行される工程である。この態様では、一次照射ステップと同時に二次照射ステップが実行されるので、加工時間を可及的に短く設定することができる。
【００１６】
好ましい態様に係る複合材料のレーザ加工方法において、前記一次レーザ照射ステップは、波長が１０６４ｎｍ、５３２ｎｍ、および３５５ｎｍから択一的に選択される固体レーザを前記裁断要部に照射する工程である。この態様では、鉄、ステンレススチール、チタン、アルミナ、シリコン、カーボン等の裁断に好適な固体レーザによって、強化繊維を好適に裁断することができる。固体レーザとしては、ファイバレーザや、ＹＡＧレーザが好適である。一般に、ファイバレーザや、ＹＡＧレーザなどの固体レーザの基本波長は、１０６４ｎｍである。固体レーザのビーム特性は、基本波長を整数倍に分割することによって得られる。本態様では、固体レーザの波長が１０６４ｎｍ、５３２ｎｍ、および３５５ｎｍから択一的に選択されるので、比較的取り扱いの容易なビーム特性で種々の材質に適合した一次レーザビームを照射し、所期の裁断を施すことができる。
【００１７】
好ましい態様に係る複合材料のレーザ加工方法において、前記固体レーザの出力は、波長が１０６４ｎｍの場合は２００Ｗであり、波長が５３２ｎｍの場合は５０Ｗから１５０Ｗの間であり、波長が３５５ｎｍの場合は２０Ｗである。この態様では、波長に適合した出力を選択し、好適な裁断を施すことができる。
【００１８】
好ましい態様に係る複合材料のレーザ加工方法において、前記二次レーザ照射ステップは、波長が１０６４ｎｍのときに出力が２ＫＷ以上の固体レーザである。この態様では、二次レーザ照射ステップにおいて、出力を高め、より高速化を図ることができる。しかも、一次レーザ照射ステップによって、強化繊維の裁断が達成されているので、二次照射ステップにおいて、高出力の仕様を採用しても、裁断面に生じる悪影響を可及的に抑制することができる。よって、二次レーザ照射ステップにおいて、波長が１０６４ｎｍのときに出力が２ＫＷ以上とすることで、より高速な切断が可能になる。
【００１９】
本発明の別の態様は、強化繊維を母材に含む複合材料を一平面上で移動可能に保持するワークステーションと、前記強化繊維を裁断可能な一次レーザビームを供する一次レーザ発振手段、および前記複合材料の母材を裁断可能な二次レーザビームを供する二次レーザ発振手段を含むレーザビーム出力手段と、前記一次レーザビームおよび前記二次レーザビームを前記複合材料に照射する集光系と、前記集光系に設けられ、前記裁断要部に対して線状に設定される裁断エリアの幅内において前記一次レーザビームを高速条件で移動させながら前記複合材料に照射する第１の照射手段と、前記集光系に設けられ、前記一次レーザビームが照射された部位に前記二次レーザビームを照射する第２の照射手段と、前記集光系から照射される前記一次レーザビームおよび二次レーザビームと前記複合材料とが相対的に変位するように、前記ワークステーションを駆動する駆動手段と、前記駆動手段の動作を制御する駆動制御手段であって、前記一次レーザビームの照射時には、前記裁断エリアを照射する前記一次レーザビームが高速条件で前記裁断要部の幅内で移動するとともに、前記二次レーザビームの照射時には、前記一次レーザビームが照射された部位に前記二次レーザビームを照射し、この二次レーザビームが前記裁断エリアの長手方向に沿って前記高速条件よりも低速の低速条件で移動するように、前記ワークステーションの駆動を制御する前記駆動制御手段とを備えていることを特徴とするレーザ加工装置である。この態様では、強化繊維を母材に含む複合材料を裁断する場合において、一次レーザ発振手段から発振された一次レーザビームが照射される。この一次レーザビームは、第１の照射手段により、予め裁断エリアの幅内において、高速条件で移動する。この一次レーザビームが高速条件で裁断エリアの幅内において移動しながら照射されることにより、複合材料は、裁断エリアに沿って順次、溝状に裁断される（一次裁断加工）。このとき、一次レーザビームが照射されるエリア、すなわち照射範囲に存在する強化繊維も裁断される。一次レーザビームが高速条件で移動するため、照射範囲に生成される熱は少なくなる。そのため、熱伝達が生じる熱量も少なくなる。また、高速条件で移動しながら一次レーザビームを照射しているので、母材の分解生成物も少なくなる。さらに、一次レーザビームによって、照射範囲の強化繊維が裁断されるので、二次レーザビームを比較的低速で移動しながら照射しても、熱伝達は生じにくくなる。そのため、二次レーザビームの照射条件に種々の自由度を持たせて所望の裁断条件で母材を裁断することができる。よって、仕上がり面の良好な裁断加工を施すことができる。また、第１の照射手段からレーザを照射した段階では、分解生成物は少ない。そのため分解生成物の処理に要する処理ないし設備も不要、或いは軽微になる。さらに、第２の照射手段からのレーザ照射への移行がスムーズになる。
【００２０】
好ましい態様に係るレーザ加工装置において、前記一次レーザビームが照射されるタイミングと同一タイミングで同一の照射範囲に前記二次レーザビームを照射するように前記一次レーザビームおよび前記二次レーザビームの照射条件を制御する照射制御手段をさらに備えている。この態様では、一次レーザビームと二次レーザビームとが同時に同一の照射範囲を裁断するので、加工時間を可及的に短く設定することができる。
【００２１】
好ましい態様に係るレーザ加工装置において、前記一次レーザ発振手段と前記二次レーザ発振手段は、同一周波数のレーザビームを発振するように構成されている。この態様では、例えば、一次レーザ発振手段と二次レーザ発振手段とを同一のレーザ発振器で構成することにより、所望の周波数のレーザビームで一次的な照射工程（一次照射ステップ）と二次的な照射工程（二次照射ステップ）とを同一装置で実現することが可能になる。
【００２２】
好ましい態様に係るレーザ加工装置において、前記集光系は、前記ワークステーションに保持されたワークに対向する集光レンズを含み、前記第１の照射手段は、前記集光レンズに前記一次レーザビームを導くミラーを含み、前記第２の照射手段は、前記ミラーと前記集光レンズとの間に配置され、前記ミラーから反射した一次レーザビームを前記集光レンズに開放する開口を有する環状ミラーを含む。この態様では、所望の周波数のレーザビームで一次的な照射工程（一次照射ステップ）と二次的な照射工程（二次照射ステップ）とを同一装置で実現することが可能になり、かつ、一次レーザビームと、二次レーザビームとを同時に同じ照射範囲に照射し、加工時間を可及的に短く設定することができる。
【００２３】
好ましい態様に係るレーザ加工装置において、前記二次レーザ発振手段から供された二次レーザビームを円形横断面のビームに生成して前記環状ミラーに導くアキシコンレンズをさらに備えている。この態様では、二次レーザビームの焦点深度を深くし、所望のビーム特性を得ることができる。
【発明の効果】
【００２４】
以上説明したように、本発明によれば、強化繊維を母材に含む複合材料を裁断する場合において、所定の照射範囲の強化繊維を裁断しつつ、裁断された照射範囲の母材を裁断することができるので、効率よく、仕上がり面の良好な裁断加工を施すことができる。また、一次レーザビームを照射した場合に、分解生成物の発生も少なくなる。そのため、分解生成物を分解生成物の処理に要する処理ないし設備も不要、或いは軽微になる。よって本発明によれば、廉価な構成で高速化、高精度化を図ることができるという顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施の一形態に係るレーザ加工装置の概略構成図である。
【図２】図１のレーザ加工装置による一次レーザビームの照射態様を示す説明図である。
【図３】図１のレーザ加工装置による一次レーザビームの別の照射態様を示す説明図である。
【図４】図１のレーザ加工装置による二次レーザビームの照射態様を示す説明図である。
【図５】図１のレーザ加工装置による二次レーザビームの別の照射態様を示す説明図である。
【図６】図１のレーザ加工装置による一次レーザビームおよび二次レーザビームの照射態様を示す説明図である。
【図７】図１のレーザ加工装置による一次レーザビームおよび二次レーザビームの別の照射態様を示す説明図である。
【図８】は、ワークの拡大写真であり、（Ａ）は本発明の実施例、（Ｂ）は比較例である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
【００２７】
まず、図１を参照して、本実施形態に係るレーザ加工装置１は、固体レーザの一例として、ファイバレーザを採用した装置である。レーザ加工装置１は、ワークＷをレーザビーム（詳しくは後述するように、一次レーザビームＬＢ１および二次レーザビームＬＢ２）で切断又は穿孔する装置である。
【００２８】
ワークＷは、主として炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）が好適であるが、それ以外にも、アラミド繊維強化プラスチック（ＡＦＲＰ）、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）にも好適に利用することが可能である。以下、レーザ加工装置１の詳細について説明する。
【００２９】
レーザ加工装置１は、ワークステーション１０を備えている。ワークステーション１０の基台１１には、一水平方向に沿って延びるＸレール１２が固定されている。以下、このＸレール１２の長手方向を仮にＸ方向という。Ｘレール１２上には、スライドテーブル１４がＸ方向に往復移動可能に設置されている。スライドテーブル１４上には、Ｘ方向と直交する水平方向（以下、Ｙ方向という）に沿って延びるＹレール１５が固定されている。Ｙレール１５上には、支持テーブル１６がＹ方向に往復移動可能に設置されている。支持テーブル１６上には、ワークＷの下面を持するサポートピン１７が多数立設されている。また、支持テーブル１６の側部には、一対のクランプ１８が設けられている。クランプ１８は、サポートピン１７との間でワークＷを挟み込み、ワークＷを定位置に固定する。基台１１、スライドテーブル１４には、それぞれＸ軸ボールねじ機構２０、Ｙ軸ボールねじ機構２１が設けられている。これらＸ軸、Ｙ軸ボールねじ機構２０、２１は、本発明の駆動手段の一例である。Ｘ軸ボールねじ機構２０は、Ｘレール１２に沿って、スライドテーブル１４をＸ軸方向に往復移動させるものである。Ｙ軸ボールねじ機構２１は、Ｙレール１５に沿って、支持テーブル１６をＹ軸方向に駆動するものである。よって、支持テーブル１６に支持されるワークＷは、平面上でＸＹ方向に移動することができる。Ｘ軸、Ｙ軸ボールねじ機構２０、２１の制御は、後述する制御装置１００によって制御される。
【００３０】
レーザ加工装置１は、集光系３０を備えている。集光系３０は、筒状の筐体３１を備えている。筐体３１は、中心線を上下に沿う姿勢に配置されている。
【００３１】
筐体３１の下部には、ノズル３２が形成されている。ノズル３２は、先端が先細りになって、ワークステーション１０の支持テーブル１６（従って、支持テーブル１６に支持されているワークＷ）に臨んで開口している。
【００３２】
筐体３１内には、集光レンズ３３が配置されている。集光レンズ３３は、レーザ加工装置一般に使用されている光学系であるので、その詳細は、省略する。
【００３３】
具体的には図示していないが、ノズル３２と集光レンズ３３との間には、ガス配管が形成されている。ガス配管には、アシストガス供給源が接続されている。アシストガス供給源は、アシストガスをノズル３２内に供給する。ノズル３２に供給されたアシストガスは、レーザビームの照射時に、ノズル３２から吐出されるように構成されている。このアシストガスの吐出タイミングや吐出量は、制御装置１００によって制御されるように構成されている。
【００３４】
集光レンズ３３の上流側には、ミラーユニット３４が配置されている。ミラーユニット３４は、矩形のミラー３５を備えている。ミラー３５は、平行に入射したレーザビームを直下に屈折させるように、仰角（ミラー３５が垂直線となす角度）が４５°の傾斜をもって配置されている。また、ミラー３５は、図略の支持機構により、仰角並びに方位角（垂直線周りの方位を示す角度）を調整できるようになっている。いわゆるホームポジションにおいて、ミラー３５は、仰角が４５°に設定される。また、方位角は、例えば、Ｘ方向とミラーの一辺とが平行になる角度であってもよい。ミラーユニット３４は、オシレータ３６を備えている。オシレータ３６は、ミラー３５を振動させる装置である。ミラー３５が振動すると、仰角、方位角が変化する。そのため、水平に入射したレーザビームは、比較的小さな照射範囲内で回転又は往復移動することができるようになっている。
【００３５】
ミラーユニット３４と集光レンズ３３との間には、環状ミラー３７が配置されている。環状ミラー３７は、中央に開口３７ａが形成されている。開口３７ａは、ミラー３５を集光レンズ３３に開いている。よって、ミラー３５から出射したレーザビームは、開口３７ａを通って集光レンズ３３に導かれ、集光レンズ３３によってワークＷ上で集光される。環状ミラー３７は、水平に入射したレーザビームを集光レンズ３３に導くように、仰角が４５°の傾斜をもって固定されている。また、環状ミラー３７の方位角は、ミラー３５の方位角に対応する角度に設定されていてもよい。
【００３６】
レーザ加工装置１は、レーザビーム出力手段４０を備えている。レーザビーム出力手段４０は、一次レーザビームＬＢ１を照射する一次レーザ発振手段４１と、二次レーザビームＬＢ２を照射する二次レーザ発振手段４２とを備えている。一次レーザ発振手段４１と、二次レーザ発振手段４２とは、何れも論理的な存在である。一次レーザ発振手段４１と、二次レーザ発振手段４２は、同一のハードウェアで生成されたレーザビームを光学的に分離して発振するものであってもよく、或いは、それぞれが異なるハードウェアで構成されていてもよい。図示の例では、一次レーザ発振手段４１と、二次レーザ発振手段４２は、それぞれファイバレーザ発振器で具体化されている。また、別の例では、一次レーザ発振手段４１、二次レーザ発振手段４２は、何れか一方、又は双方をＹＡＧレーザで構成してもよい。レーザビーム出力手段４０は、単一、又は、複数のレーザ発振器で構成されるモジュールユニットである。
【００３７】
一次レーザ発振手段４１は、ワークＷに含まれる強化繊維（主にカーボン繊維）を裁断可能なレーザビーム（以下、「一次レーザビームＬＢ１」という）を出力する仕様に設定されている。例えば、ファイバレーザを用いる場合、表１に示すような波長と出力とに設定することが好ましい。
【００３８】
【表１】
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【００３９】
一次レーザ発振手段４１によるレーザのパルスは、例えば最大４ＫＨｚの周波数で出力される。面質を上げるためには、周波数をある値（例えば、４ＫＨｚ）を基準に、２倍、３倍と上げて、それに対する送り速度も２０ｍ／ｍｉｎの２倍、３倍と上げることが好ましい。
【００４０】
二次レーザ発振手段４２は、ワークＷの母材（主に樹脂材料）を裁断可能なレーザビーム（以下、「二次レーザビームＬＢ２」という）を出力する仕様に設定されている。詳しくは後述するように、本実施形態では、一次レーザビームＬＢ１を採用することにより、ワークＷの強化繊維は、予め裁断されている。そのため、二次レーザビームＬＢ２の仕様は、きわめて広範囲な既知の設定条件を採用することが可能となる。
【００４１】
レーザビーム出力手段４０と集光系３０とを接続するため、レーザ加工装置１は、光路系５０を備えている。光路系５０は、第１光路５１と第２光路５２とを備えている。これら第１光路５１および第２光路５２は、何れも光ファィバ等の光学機器によって具体化されている。
【００４２】
一方、筐体３１の側部には、ミラー３５の反射面に臨む第１の入射口３１ａが形成されている。第１の入射口３１ａには、光路系５０の第１光路５１を介して、一次レーザ発振手段４１が接続されている。従って、一次レーザビームＬＢ１は、第１光路５１を経由して、集光系３０のミラー３５に導かれ、ミラー３５から環状ミラー３７の開口３７ａを通って集光レンズ３３に集光され、ワークＷに導かれる。
【００４３】
また、筐体３１の側部には、環状ミラー３７の反射面に臨む第２の入射口３１ｂが形成されている。第２の入射口３１ｂには、光路系５０の第２光路５２を介して、二次レーザ発振手段４２が接続されている。従って、二次レーザビームＬＢ２は、第２光路５２を経由して、集光系３０の環状ミラー３７に導かれる。ここで、本実施形態では、第２光路５２にアキシコンレンズ５３が設けられている。アキシコンレンズ５３は、二次レーザビームＬＢ２を環状断面の円形のレーザビームとして出力する光学ユニットである。環状に出力された二次レーザビームＬＢ２は、環状ミラー３７から集光レンズ３３に集光され、ワークＷに導かれる。よって、図示の実施形態においては、一次レーザビームＬＢ１と二次レーザビームＬＢ２とを同一点に集光させることが可能となる。
【００４４】
次に、制御装置１００は、ファクトリコンピュータ（ＦＣ）で具体化されており、レーザ加工装置１の各部（ワークステーション１０のボールねじ機構２０、２１、集光系３０のオシレータ３６、レーザビーム出力手段４０等）を総括的に制御する機能を有する。制御装置１００の記憶部には、各部制御に必要なプログラム、マスターデータ並びに加工条件を示すトランザクションデータが記憶されている。特に本実施形態において、例えば、ワークＷをＸ方向に沿って切断する場合、制御装置１００には、切断されるべき箇所の切断開始位置と、切断終了位置の各座標、並びに裁断幅（裁断方向と直交する水平方向の寸法）が予めトランザクションデータとして記憶されている。これにより、複合材料の一例であるワークＷの裁断要部に、線状の裁断エリアが設定されていることになる。これらのプログラム並びにデータに基づき、制御装置１００は、以下に説明する態様で、裁断エリアに一次レーザビームＬＢ１を照射し、この一次レーザビームＬＢ１を裁断エリア２００（図２、図３参照）の幅内において高速条件で移動することにより、一次裁断加工を施す一次照射ステップと、一次照射ステップで照射された部位に二次レーザビームＬＢ２を照射し、この二次レーザビームＬＢ２を裁断方向に沿って高速条件よりも低速の低速条件で移動することにより、二次裁断加工を施す二次照射ステップとを実行し、ワークＷの裁断が可能になっている。
【００４５】
図２を参照して、一次照射ステップに関し、第１の具体例では、集光系３０のオシレータ３６を駆動することにより、一次レーザビームＬＢ１を旋回する方法が採用される。ワークＷをワークステーション１０によって一方向（例えばＸ方向）に駆動することにより、照射される部位が変化するので、最終的な軌跡は、図示のように螺旋状になる。一次レーザビームＬＢ１を旋回するときの速度Ｖｃを決定する条件（制約）は、高速条件に設定される。高速条件は、例えば、３００ｍｍ／秒以上である。この速度は、一次レーザビームＬＢ１の周波数が１０６４ｎｍの場合であっても好適である。速度Ｖｃは、装置の仕様が許容する範囲において、３００ｍｍ／秒を越えていてもよく、例えば、５００ｍｍ／秒であってもよい。一方、一次レーザビームＬＢ１の周波数がより短い場合には、熱影響が小さくなるので、高速条件の下限を引き下げてもよい。
【００４６】
一次レーザビームＬＢ１を旋回するときの直径は、例えば、２００μｍ〜５００μｍが好適である。ここで、ワークステーション１０を稼動し、ワークＷを一方向に送ることにより、一次レーザビームＬＢ１が照射されるエリア、すなわち照射範囲は、ワークＷを移動する速度に応じて裁断方向沿いに移動する。ここで、ワークを移動する速度Ｖｍの条件（制約）は、低速条件に設定される。低速条件は、高速条件よりも低速であればよく、例えば、３０ｍｍ／秒である。この低速条件により設定される速度は、母材を裁断することが可能な速度であればよく、ワークＷの厚みや材質によって適宜変更可能なパラメータである。樹脂材料を固体レーザなどで裁断する技術そのものは、公知であり、材質に応じて種々の切断速度ないし穿孔速度を設定することが知られているので、これらのパラメータを適宜組み合わせることにより、当業者は、容易に低速条件を設定することが可能となる。
【００４７】
図３を参照して、一次照射ステップは、一次レーザビームＬＢ１を裁断方向に沿う所定範囲内で、往復移動させながら、幅方向にオフセットさせる方法を採用してもよい。上記往復移動は、上述のような高速条件で実行される。また、オフセットのために、幅方向に移動する速度は、上述のような低速条件で実行される。所定回数往復した後は、次の裁断要部に照射範囲をシフトし、上記処理が繰り返される。
【００４８】
次に、図４〜図７を参照して、制御装置１００のプログラミングに際し、二次照射ステップにおいて、ふたつの態様を採用することが可能である。
【００４９】
第１の態様は、図４および図５に示すように、予め、一次照射ステップを実行した後の裁断エリア２００に沿って、二次レーザビームＬＢ２を照射しながら下流側に移動させる態様である。この態様では、一次照射ステップでの照射回数と二次照射ステップでの照射回数とを違えて、所望の裁断特性を得ることができる。例えば、厚みのあるワークＷを裁断する場合、一次照射ステップでは、３０回〜４０回、一次レーザビームＬＢ１を往復して照射し、その後、二次照射ステップでは、１回、二次レーザビームＬＢ２を照射するという工程を採用することができる。一次照射ステップでは、照射のたびに、ワークＷの移動方向を裁断要部の長手方向一方向と他方向とに交互に変更してもよい。また、二次照射ステップでは、一次照射ステップを最後に実行したときの移動方向と逆向きに二次レーザビームＬＢ２を移動させてもよい。一次レーザビームＬＢ１の照射箇所は、裁断要部の外側から内側に順次照射させてもよい。
【００５０】
また、第２の態様は、図６および図７に示すように、一次照射ステップと二次照射ステップとを同時に実行する態様である。
【００５１】
上述したように、図１のレーザ加工装置１では、集光系３０に環状ミラー３７を設けているとともに、アキシコンレンズ５３を採用して、二次レーザビームＬＢ２を環状に出力している。よって、一次レーザビームＬＢ１と二次レーザビームＬＢ２とを同心に出力することができる。そのため、一次照射ステップと二次照射ステップとを同時に実行することが可能となる。
【００５２】
以上説明したように本実施形態では、強化繊維を母材に含むワークＷを裁断する場合には、まず一次照射ステップが実行される。この一次照射ステップでは、強化繊維を裁断可能に照射する一次レーザビームＬＢ１が照射される。この一次レーザビームＬＢ１は、予め裁断エリア２００の幅内において、高速条件で移動する。この一次レーザビームＬＢ１が高速条件で裁断エリアの幅内において移動しながら照射されることにより、ワークＷは、裁断エリアに沿って順次、溝状に裁断される（一次裁断加工）。このとき、一次レーザビームＬＢ１が照射されるエリア、すなわち照射範囲に存在する強化繊維も裁断される。また、一次レーザビームＬＢ１が高速条件で移動するため、照射範囲に生成される熱は少なくなる。そのため、熱伝達が生じる熱量も少なくなる。また、高速条件で移動しながら一次レーザビームＬＢ１を照射しているので、母材の分解生成物も少なくなる。
【００５３】
次いで、二次照射ステップが実行される。二次照射ステップでは、一次照射ステップによって、一部が裁断された部位がさらに裁断される（二次裁断加工）。一次照射ステップによって、照射範囲の強化繊維が裁断されるので、続く二次照射ステップでは、比較的低速で移動しながら二次レーザビームＬＢ２を照射しても、熱伝達は生じにくくなる。そのため、二次照射ステップでの二次レーザビームＬＢ２照射条件に種々の自由度を持たせて所望の裁断条件で母材を裁断することができる。この結果、仕上がり面の良好な裁断加工を施すことができる。また一次照射ステップにおいて生じる分解生成物は少ない。そのため分解生成物の処理に要する処理ないし設備も不要、或いは軽微になる。さらに、一次照射ステップから二次照射ステップへの移行がスムーズになる。
【００５４】
本実施形態に係るワークＷのレーザ加工方法において、一次照射ステップにおいて、裁断エリア２００の幅内において高速条件で移動する工程は、一次レーザビームＬＢ１を当該幅内で旋回させる工程であってもよい。
【００５５】
かかる実施形態では、所要のエネルギーを裁断要部に出力しても、一次レーザビームＬＢ１が一点に集中しないので、熱の蓄積を抑制することができる。よって、高い裁断能力を発揮しつつ、熱による悪影響を回避することができる。
【００５６】
本実施形態に係るワークＷのレーザ加工方法において、一次照射ステップにおいて、裁断エリア２００の幅内において高速条件で移動する工程は、一次レーザビームＬＢ１を裁断方向と直交する方向にオフセットし、予め設定された往復回数ごとに前記照射範囲を裁断要部の長手方向にシフトする工程であってもよい。
【００５７】
かかる実施形態では、所要のエネルギーを裁断要部に出力しても、一次レーザビームＬＢ１が一点に集中しないので、熱の蓄積を抑制することができる。よって、高い裁断能力を発揮しつつ、熱による悪影響を回避することができる。
【００５８】
本実施形態に係るワークＷのレーザ加工方法において、二次照射ステップは、一次照射ステップと同一の照射範囲に同時に実行される工程であってもよい。
【００５９】
かかる実施形態では、一次照射ステップと同時に二次照射ステップが実行されるので、加工時間を可及的に短く設定することができる。
【００６０】
本実施形態に係るワークＷのレーザ加工方法において、一次レーザ照射ステップは、波長が１０６４ｎｍ、５３２ｎｍ、および３５５ｎｍから択一的に選択される固体レーザを裁断要部に照射する工程であってもよい。
【００６１】
かかる実施形態では、鉄、ステンレススチール、チタン、アルミナ、シリコン、カーボン等の裁断に好適なファイバレーザやＹＡＧレーザなどの固体レーザによって、強化繊維を好適に裁断することができる。本実施形態では、固体レーザの波長が１０６４ｎｍ、５３２ｎｍ、および３５５ｎｍから択一的に選択されるので、比較的取り扱いの容易なビーム特性で種々の材質に適合した一次レーザビームＬＢ１を照射し、所期の裁断を施すことができる。
【００６２】
本実施形態に係るワークＷのレーザ加工方法において、固体レーザの出力は、波長が１０６４ｎｍの場合は２００Ｗであり、波長が５３２ｎｍの場合は５０Ｗから１５０Ｗの間であり、波長が３５５ｎｍの場合は２０Ｗであってもよい。
【００６３】
かかる実施形態では、波長に適合した出力を選択し、好適な裁断を施すことができる。
【００６４】
本実施形態に係るワークＷのレーザ加工方法において、二次レーザ照射ステップは、波長が１０６４ｎｍのときに出力が２ＫＷ以上の固体レーザであってもよい。その場合には、二次レーザ照射ステップにおいて、出力を高め、より高速化を図ることができる。しかも、一次レーザ照射ステップによって、強化繊維の裁断が達成されているので、二次照射ステップにおいて、高出力の仕様を採用しても、裁断面に生じる悪影響を可及的に抑制することができる。よって、二次レーザ照射ステップにおいて、波長が１０６４ｎｍのときに出力が２ＫＷ以上とすることで、より高速な切断が可能になる。
【００６５】
本発明の別の態様は、レーザ加工装置１である。レーザ加工装置１は、強化繊維を母材に含むワークＷを一平面上で移動可能に保持するワークステーション１０を備えていてもよい。また、レーザ加工装置１は、強化繊維を裁断可能な一次レーザビームＬＢ１を供する一次レーザ発振手段４１、およびワークＷの母材を裁断可能な二次レーザビームＬＢ２を供する二次レーザ発振手段４２を含むレーザビーム出力手段４０を備えていてもよい。レーザ加工装置１は、一次レーザビームＬＢ１および二次レーザビームＬＢ２をワークＷ上に集光する集光系３０を備えていてもよい。レーザ加工装置１は、集光系３０に設けられ、裁断エリア２００の幅内において一次レーザビームＬＢ１を高速条件で移動させながらワークＷに照射するミラーユニット３４（第１の照射手段）を備えていてもよい。レーザ加工装置１は、集光系３０に設けられ、二次レーザビームＬＢ２を一次レーザビームＬＢ１が照射された部位に照射する環状ミラー３７（第２の照射手段）を備えていてもよい。集光系３０から照射される一次レーザビームＬＢ１および二次レーザビームＬＢ２とワークＷとが相対的に変位するように、ワークステーション１０を駆動するボールねじ機構２０、２１（駆動手段）を備えていてもよい。ボールねじ機構２０、２１の動作を制御する制御装置１００を備えていてもよい。制御装置１００は、一次レーザビームＬＢ１の照射範囲が裁断方向に沿って低速条件で移動するように、ワークステーション１０の駆動を制御する構成であってもよい。
【００６６】
かかる態様では、強化繊維を母材に含むワークＷを裁断する場合において、一次レーザ発振手段４１から発振された一次レーザビームＬＢ１が照射される。この一次レーザビームＬＢ１は、ミラーユニット３４により、予め裁断エリア２００の幅内において、高速条件で移動する。この一次レーザビームＬＢ１が高速条件で裁断エリアの幅内において移動しながら照射されることにより、ワークＷは、裁断エリアに沿って順次、溝状に裁断される（一次裁断加工）。このとき、一次レーザビームＬＢ１が照射されるエリア、すなわち照射範囲に存在する強化繊維も裁断される。強化繊維を裁断可能に照射する一次レーザビームＬＢ１が高速条件で移動するため、照射範囲に生成される熱は少なくなる。そのため、熱伝達が生じる熱量も少なくなる。また、高速条件で移動しながら一次レーザビームＬＢ１を照射しているので、母材の分解生成物も少なくなる。さらに、一次レーザビームＬＢ１によって、照射範囲の強化繊維が裁断されるので、二次レーザビームＬＢ２を比較的低速で移動しながら照射しても、熱伝達は生じにくくなる。そのため、二次レーザビームＬＢ２の照射条件に種々の自由度を持たせて所望の裁断条件で母材を裁断することができる。よって、仕上がり面の良好な裁断加工を施すことができる。また、ミラーユニット３４からレーザを照射した段階では、分解生成物は少ない。そのため分解生成物の処理に要する処理ないし設備も不要、或いは軽微になる。さらに、環状ミラー３７からのレーザ照射への移行がスムーズになる。
【００６７】
本実施形態に係るレーザ加工装置において、制御装置１００は、一次レーザビームＬＢ１が照射されるタイミングと同一タイミングで同一の照射範囲に二次レーザビームＬＢ２を照射するように、一次レーザビームＬＢ１および二次レーザビームＬＢ２の照射条件を制御する照射制御手段として機能するものであってもよい。かかる実施形態では、一次レーザビームＬＢ１と二次レーザビームＬＢ２とが同時に同一の照射範囲を裁断するので、加工時間を可及的に短く設定することができる。
【００６８】
本実施形態に係るレーザ加工装置において、一次レーザ発振手段４１と二次レーザ発振手段４２は、同一周波数のレーザビームを発振するように構成されている。かかる実施形態では、例えば、一次レーザ発振手段４１と二次レーザ発振手段４２とを同一のレーザ発振器で構成することにより、所望の周波数のレーザビームで一次的な照射工程（一次照射ステップ）と二次的な照射工程（二次照射ステップ）とを同一装置で実現することが可能になる。
【００６９】
本実施形態に係るレーザ加工装置において、集光系３０は、ワークステーション１０に保持されたワークＷに対向する集光レンズ３３を含み、ミラーユニット３４は、集光レンズ３３に一次レーザビームＬＢ１を導くミラー３５を含み、環状ミラー３７は、ミラー３５と集光レンズ３３との間に配置され、ミラー３５から反射した一次レーザビームＬＢ１を前記集光レンズに開放する開口を有する環状ミラー３７を含んでいてもよい。かかる実施形態では、所望の周波数のレーザビームで一次的な照射工程（一次照射ステップ）と二次的な照射工程（二次照射ステップ）とを同一装置で実現することが可能になり、かつ、一次レーザビームＬＢ１と二次レーザビームＬＢ２とを同時に同じ照射範囲に照射し、加工時間を可及的に短く設定することができる。
【００７０】
本実施形態に係るレーザ加工装置において、二次レーザ発振手段４２から供された二次レーザビームＬＢ２を円形横断面のビームに生成して環状ミラー３７に導くアキシコンレンズをさらに備えていてもよい。かかる実施形態では、二次レーザビームＬＢ２の焦点深度を深くし、所望のビーム特性を得ることができる。
［実施例］
以下、図１の装置を用いた実施例について、説明する。
【００７１】
本実施例は、ファイバレーザで一次レーザ発振手段４１、二次レーザ発振手段４２を構成した例である。
【００７２】
ワークＷとして、ＣＦＲＰ（ポリアクリロニトリル系(ＰＡＮ系)のクロスプライ積層材（０／９０度材）で、２ｍｍ厚のもの）を加工した。なお、「０／９０度材」は、繊維方向が０度と９０度とに交互に交差するようにプリプレグ材を積層して成形された積層材を意味する表記として、広く用いられている用語である。
【００７３】
また、実施例の照射方法としては、平均出力が２５０Ｗ、パルスのピーク出力が１１６２Ｗ、デューティ比が２１．５％で、一次レーザビーム、二次レーザビームを照射する方法を採用した。一次レーザビーム、二次レーザビームとも、それぞれ周波数は、４ｋＨｚ、波長は、１０６４ｎｍであった。照射方法としては、図５で示したように、一次レーザビームを６回往復して照射し、その後、二次レーザパスを１回照射する方法を採用した。
【００７４】
一次照射ステップの高速条件は、２０ｍ／ｍｉｎとした。
【００７５】
二次照射ステップの低速条件は、３ｍ／ｍｉｎとした。
【００７６】
その結果、１分間に、１．５８ｍの割合で、裁断加工を施し、図８（Ａ）の結果を得た。なお、図８（Ａ）（Ｂ）は、マイクロスコープによる測定結果であるため、マイクロスコープが出力した引き出し線、文字が残されている。
【００７７】
図８（Ａ）の１は、裁断エリアの幅を示す。図８（Ａ）に示すように、上記実施例では、幅１を３８１．０２μｍに抑制して、裁断加工をすることができた。また、裁断されたエッジ部分に僅かな熱影響部分が生じたが、この部分を含めた幅２を６２１．７７μｍに抑制することができた。
［比較例］
比較例として、同一のワークＷに対し、同一装置を用いて試験をした。
【００７８】
比較例の照射方法としては、平均出力が２５０Ｗ、パルスのピーク出力が１１６２Ｗ、周波数が３９００Ｈｚ、波長が１０６４ｎｍ、デューティ比が２１．５％のレーザビームを３０回往復して照射する方法を採用した。
【００７９】
比較例の移動速度（図５のＶｍに相当する速度）は、２０ｍ／ｍｉｎとした。
【００８０】
その結果、１分間に、０．６７ｍの割合で、裁断加工を施し、図８（Ｂ）の結果を得た。
【００８１】
図８（Ｂ）に示すように、上記比較例では、裁断エリアの幅１が３９７．７９μｍに拡開した。また、裁断されたエッジ部分に僅かな熱影響部分が生じた。この部分を含めた幅２は、６６３．６４μｍであった。
【００８２】
このように、熱影響を避けるため、高速条件でレーザビームを照射しても、裁断に要する時間がかかり、しかも、裁断部分が大きくなることがわかった。
【００８３】
これに対し、本実施例では、一次照射ステップと二次照射ステップとを実行することにより、より高速で裁断加工を施すことが可能となり、裁断部分の熱影響も同等になることがわかった。
【００８４】
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００８５】
１  レーザ加工装置
１０  ワークステーション
２０、２１  ボールねじ機構（駆動手段の一例）
３０  集光系
３３  集光レンズ
３４  ミラーユニット（第１の照射手段の一例）
３５  ミラー
３６  オシレータ
３７  環状ミラー（第２の照射手段の一例）
４０  レーザビーム出力手段
４１  一次レーザ発振手段
４２  二次レーザ発振手段
５３  アキシコンレンズ
１００  制御装置（駆動制御手段、照射制御手段の一例）
２００  裁断エリア
Ｗ  ワーク（強化繊維を母材に含む複合材料の一例）
【図１】
2015157312.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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