CO2 レーザによる樹脂シートの薄膜加工技術に関する研究
岐阜大学 電気電子・情報工学科
助教 亀山 展和（2021 年度 奨励研究助成（若手研究者枠） AF-2021243-C2）
キーワード：CO2 レーザ，レーザ加工，ポリプロピレン，ポリエチレンテレフタレート

１．研究の目的と背景

レンテレフタレート（PET），ポリスチレン（PS），ポリテ

CO2 レーザは比較的安価に大出力を得られるため，様々な材料の切断などの加工に使用されている．特に樹脂素材

トラフルオロエチレン（PTFE）で，それぞれの各種物性を表 1 に示す．

は CO2 レーザの波長帯の吸収率が高く，高速な加工が可能でランニングコストが低いため，樹脂製品の加工に CO2レーザが広く使用されている．

３．実験・考察
3・1

PP, PET, PS, PTFE の薄膜加工

近年マイクロプラスチックやプラスチックごみが問題

それぞれ厚さ 300 µm の PP，PET，PS，PTFE のシートとなっている．そのため，プラスチック使用量の削減の一を用いて銅板がある場合とない場合で実験を行い，各樹脂環として，プラスチックの効率的な利用を可能にする加工シートの銅板による効果の検証を行った．図 2 にレーザ条方法が求められている．

件 167 J/cm2 での PP の薄膜加工例を示す．加工部の底の膜

筆者らは CO2 レーザを用いて厚さ数百 µm 程度の樹脂シ

厚の厚さと加工前の表面の高さでの溝幅を計測する．

ートを部分的に薄膜にする新たな加工方法を開発した１）.

図 3 に各樹脂シートの加工後の膜厚を示す．銅板を使用樹脂の裏面に銅板を当てた状態でレーザ加工することでしない場合，レーザのフルエンスを増加させるとどの樹脂50 µm 程度の薄膜部を形成することができる．フェムト秒

シートも薄膜が残ることなく貫通した．銅板を使用した場レーザのような短パルスレーザを使用すれば精度よく同合，PP ではフルエンスが約 170 J/cm2 で膜厚の減少が止ま様の加工を行えるが，加工に時間がかかる．一方，この加り，膜厚は約 70 µm となった．PET では約 130 J/cm2 で 50

工方法では高速な加工が可能，既存の装置への導入が容易，動的な制御が不要なため，安価な樹脂素材の加工に適して

CO2 laser
beam

いる．また，プラスチック容器を部分的に薄くすることにPolymer sheet

よるフレキシブルな構造の実現などへの応用が期待される．この加工方法を応用していくために膜形成のメカニズ

Cu baseムを明らかにすることが不可欠である．
本論文では，樹脂シートの材質，厚さとの関連性と熱的VacuumsuctionHoles

解析から薄膜形成メカニズムの検討を行った．

図 1 実験配置図

２．実験方法図 1 に，実験配置図を示す．穴の開いた銅板の上に樹脂

Silicone putty

シートを置き，銅板に空いた穴から真空ポンプを用いて負圧にし樹脂シートと銅板を密着させ，大気雰囲気下，室温

WidthPPで CO2 レーザを照射する．CO2 レーザはガルバノ式で 波
長 10.6 µm, 出力 30 W, 焦点距離 150 mm，集光径約 300 µm，

100 µmThickness

走査速度 1~500 mm/s で走査する．
使用する樹脂シートはポリプロピレン（PP），ポリエチ

図 2 PP の加工断面図

表 1 各樹脂シートの各種物性.
潜熱（25℃）

熱伝導率

融点

分解温度

吸収係数（10.6 µm）[J/g℃][W/mK]2)

[℃)

[℃]

[cm-1]

溶融粘度[Pas]

PP

1.46

0.12

16445930

103 (290 °C)

PET

1.370.15

250

420

110

102 (280 °C)

PS

1.510.14‒413

93

103 (270 °C)

PTFE1.052)

0.253272)

5402)

50

1010 (380 °C) 2)

300

300w/ basew/o base

200150100w/ base250
Thickness [µm]Thickness [µm]250w/o base20015010050500010100

1,000010,0001002300(b)(a)4002300300250w/ base

200w/o base250
Thickness [µm]Thickness [µm]20015010050w/ basew/o base
系列3200150100500050100150
Fluence [J/cm2]

2000050(d)(c)
図3100

銅板有り，無しによる加工後の膜厚，(a) PP, (b) PET, (c) PS, (d) PTFEµm 程度の薄膜が形成され，500 J/cm2 で部分的な貫通が見

PET，PS の溶融粘度の温度特性を示す．PP，PET では熱られた．PP，PET どちらもフルエンスの増加に伴い，膜分解直前の温度で溶融粘度が 10 Pas 以下まで減少してお厚がやや増加する傾向が見られる．また，PS でも銅板のり，PS では 100 Pas 程度となっている．以下では高い流効果は見られたが，薄膜が形成されるフルエンスの領域は動性を示す PP，PET について検証を行う．

狭く，膜厚は約 100 J/cm2 であった．PTFE では銅板の影響は見られず，ほぼ同じフルエンスで貫通した．
まず，銅板による冷却効果を考える．銅の熱伝導率は約400 W/mK と樹脂の千倍以上であり，銅の CO2 レーザ吸収率は 1%以下とレーザによる加熱もほぼ無いため，効果的に樹脂を冷却していると考えられる．樹脂の熱伝導率は
表 1 に示すように素材により大きな差はないため，薄膜加工が実現しなかった PTFE にも他の樹脂と同様の冷却効果があると考えられる．また，銅板の代わりに鉄板を使用した場合，鉄はレーザ吸収率が約 10%あるにもかかわらず銅板を使用した時と同じ膜厚が残ることが分かっている１）．
図4

仮に，樹脂と銅板との間で熱平衡になり薄膜が形成されてPP，PET，PS の溶融粘度いる場合，膜厚は板の温度に依存して変化するため，レーザ吸収率の高い鉄の場合，銅板の温度が上昇し膜厚が薄く3・2なると推察される．よって薄膜の形成には熱の影響が小さ樹脂シートの厚さが形成される薄膜の厚さに与える影いと考えられる．
次に，溶融粘度に注目すると，薄膜加工が実現しなかった PTFE のみ溶融粘度が桁違いに大きい．このことから薄樹脂シートの厚さと薄膜厚さ響について検証するため，厚さ 0.24 mm, 0.50 mm の PP，厚さ 0.20 mm, 0.54 mm の PET を使用して，3・1 と同様の条件で実験を行った．

膜の形成には溶融状態にある樹脂の流動性が影響してい図 5 に PP の，図 6 に PET の薄膜加工の膜厚と溝幅を示ることが考えられる．図 4 にレオメータで測定した PP，す．PP，PET どちらも厚いサンプルの方で形成される膜厚の方が厚くなり，溝幅はサンプル厚さに依存しない結果

光は銅板表面で反射され，反射光も同様に吸収される．樹となっている．

脂表面でのレーザ光反射と銅板による吸収は無視する．熱3・1，3・2 の実験結果より，薄膜形成メカニズムは以

伝導は x-z 平面の樹脂内のみ考慮し，x 軸長さは半径の 5下のように考えられる．レーザ照射により分解温度以上に倍で左右の境界では片方は対称面，もう片方は 20℃一定加熱された部分は蒸散し，その周辺の流動性を示す溶融部となっている．樹脂の液相は考慮せずに溶融の潜熱は，分が溝の底に流れ込み膜を形成する．厚いサンプルの方が溶解温度までの総熱量が同一になるように比熱に組み込ま融部の体積が多くなり，溝幅は同程度のため，厚いサンプれている．分解温度まで加熱され分解の潜熱以上のエネルルの方が厚い膜が形成されると考えられる．PP でフルエギーを得た部分は大気に置き換えられて，レーザ光に対しンスの上昇に従い膜厚が厚くなるのは，フルエンスが大きて透明になる．樹脂表面と空気の熱伝達係数は 5 W/(m2K)，いとレーザの走査速度が遅くなり，熱伝導により溶融部の樹脂裏面と銅板の熱伝達係数は 1500 W/(m2K)3)であり，分体積が増加した結果と考えられる．

解後に置き換えられた空気との熱伝達は考慮しない．表 1以外の物性値は PP，PET それぞれ比熱 2.77 J/(g℃)，2.00

3・3

熱モデルと疑似流体モデルによる薄膜加工シミュ

レーション

J/(g℃)，密度 0.90 g/cm3 4)，1.37 g/cm3 4)，分解の潜熱 378 J/g,184 J/g である．疑似流体モデルでは熱モデル計算後，溶PP，PET に対して 2D の熱モデルによるレーザ薄膜加工のシミュレーションと熱モデルに疑似的な流動を考慮し融粘度が 100 Pas 以下の部分を底に均すことで樹脂の流動を模擬している．

た疑似流体モデルによるシミュレーションを行う．厚さ

図 7 に 167 J/cm2 での PP，PET の熱モデルによるシミュ

300 µm の樹脂の表面は 20 ℃の空気と接しており，裏面はレーション結果を示す．どちらもほぼ膜が残らない結果と20 ℃の銅板と隙間なく密着している．x 軸は水平方向，zなっている．図 8 にフルエンスと膜厚の関係を示す．熱モ軸は深さ方向，レーザ光は半径 150 µm の 2D ガウシアン

デルでは PP，PET ともにフルエンスの増加に伴い膜厚がビームで y 方向に走査する．樹脂によるレーザ光の吸収は急速に減少しほとんど残らないが，疑似流体モデルではランバート・ベールの法則に従い，樹脂を透過したレーザPP，PET ともに貫通することなく膜が形成され，定性的(a)
図5(a)
図6(b)
厚さ 0.24 mm(a)と 0.50 mm(b)の PP の膜厚と溝幅(b)厚さ 0.20 mm(a)と 0.53 mm(b)の PET の膜厚と溝幅

ではあるが実験結果の膜厚の傾向を再現できている．シミ

laser with the copper base」というタイトルで掲載された．

ュレーションの結果からも薄膜形成のメカニズムとして謝熱的影響より樹脂の流動性が主な要因であることが示唆される．

辞本研究の遂行にあたりご支援いただきました公益財団法人天田財団に厚くお礼申し上げます．

４．結論
参考文献

本研究では CO2 レーザによる樹脂シートの薄膜加工のメカニズムについて熱的影響と流体的影響から検証を行

1)

った．

N. Kameyama, H. Yoshida, H. Fukagawa, K. Yamada, M.
Fukuda: Polymers 13 (2021) 1448.

実験結果とシミュレーション結果より薄膜形成におい

2)て熱的影響は小さく，流体的影響が支配的であることが分かった．薄膜形成のメカニズムとして，レーザ照射によりEngineering, 2nd ed.; Wiley: New York, NY, USA, 1985.
3)

分解せず加熱のみされて溶融し流動性を示す部分が加工部の溝の底に流れ込むことで薄膜が形成されていること

H.F. Mark: Encyclopedia of Polymer Science andA. Bendada, A. Derdouri, M. Lamontagne, Y. Simard:
Appl. Therm. Eng. 24 (2004) 2029.

4)を明らかにした．

J.I. Kroschwitz: Concise Encyclopedia of Polymer
Science and Engineering; John Wiley & Sons: New York,以上の本研究の成果は国際論文誌「Polymers」に「TheNY, USA 1990.

effect on thin-film formation of the polymer sheets by the CO2

(a)

(b)
図7

167 J/cm2 での熱モデルによる計算結果．(a) PP, (b) PET．

t = 0 の時，レーザの中心は x-z 面から 750 µm 離れている．

(a)
図8(b)

実験結果と熱モデル，疑似流体モデルの比較. (a) PP, (b) PET.