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短パルスレーザーを用いた
短パルスレーザーを用いた炭素繊維強化複合材
炭素繊維強化複合材の微細加工技術の開発の微細加工技術の開発


藤田
*
藤田雅之
雅之

M. Fujita
１．まえがき表  典型的な CFRP 材料の物性値 10)
熱伝導率
蒸発/分解
蒸発熱
（W/m/K） 温度（K）（J/g）

 炭 素 繊 維 強 化 プ ラ ス チ ッ ク （ &)53  &DUERQ )LEHU
5HLQIRUFHG3ODVWLF）は軽量，高剛性，高耐力といった特徴を持つ複合材料として注目されており，幅広い産業分野

樹脂
炭素繊維

で用いられている  ．特に，自動車航空機産業において

0.2
50

800
3900

1000
43000

は，車体機体の軽量化による燃費の向上や排出ガスの抑制が実現している．&)53 の用途をさらに拡大するためには，炭素繊維の低コスト化と共に，素材へのダメージが少なく，高品質な加工が可能な技術の確立が重要となってきている．
 我々は，&)53 に対するパルスレーザー加工の適用可能性について研究を進めてきた  ．&)53 のレーザー加工
においては、加工速度の向上と共に熱影響を最小限に抑えることが求められ，加工品質の最適化のためには，レーザ
ー波長，パルス幅への依存性を明らかにすることが重要となる．
 &)53 は炭素繊維とマトリックス樹脂から成る複合材料である．典型的な炭素繊維とマトリックス樹脂の物性値を図  CFRP 加工に用いたレーザーのパルス幅と波長表１に示す  ．熱伝導率，蒸発分解温度，蒸発熱，そが 〜数 N+] の場合は，試料を高速モーター上に固定

れぞれ樹脂と炭素繊維では  桁以上の差がある．炭素繊維に比べて樹脂の方がより低い温度で，より少ないエネルギ

し PPV の高速掃引で加工を行った．さらに，繰り返

ーで蒸発（昇華）することが分かる．&)53 のレーザー加し周波数が 0+] 以上の場合はガルバノスキャナを用いた．

工における問題は，レーザー照射条件を樹脂に最適化する

いずれの場合も大気中でアシストガス無しで切断加工をと炭素繊維が加工できない，炭素繊維に条件を合わせると行った．試料の形態や厚みに関しては，参考文献  に示

樹脂に過剰な熱が加わるという点である．

す．

 本稿では，これまで行ってきた &)53 のパルスレーザー

 加工試料における熱影響は、試料表面裏面の電子顕微加工実験結果を取りまとめ，レーザー波長，パルス幅への鏡像（6(0 像）において（樹脂だけが蒸発して）炭素繊維

依存性を考察する．

が露出した領域の大きさで定性的に評価した．



２．実験方法

３．実験結果 用いたレーザーの主な仕様を図  に示す．各枠内の上段

 図２に図 1 で示すレーザーを用いて加工した試料表面に平均パワー，下段に繰り返し周波数を記入している．平の SEM 像の比較を示す．全ての SEM 像は同じ倍率で示

均出力と繰り返し周波数は様々であるが，パルス幅は してある．大雑把な比較になるが，用いたレーザーのパル

IV から QV まで，波長は QP から QP までをカス幅が短く，波長が短いほど，熱影響が小さい（炭素繊維バーする範囲で微細加工の実験を行った．

の露出領域が小さい）事が分かる．

 表２に図 1 で示すレーザーを用いて実験した際の代表

 ここで注意したいのは樹脂に対するレーザー光の吸収的なパラメーターを示す

．レーザーパルの繰り返し周率の影響である．図２ I では、炭素繊維の露出は見られ

波数が N+] 程度の場合は，試料を直進ステージ上に固定ないが樹脂部がダメージを受けているように見受けられし約 PPV の低速掃引で加工を行った．繰り返し周波数る．これは，波長 QP が樹脂を透過するために &)53

* レーザー技術総合研究所 レーザープロセス研究チーム 主席研究員- 89 -

表２ 実験条件： D 〜 G は図  に対応（ のスポット径は過小評価の可能性あり）
スポット径 掃引速度PPV

照射強度:FP



パルス幅

波長

平均パワー

繰返し周波数D IVQP:

N+]

P×

E 

SV

QP:

N+]

P



×F 

SVQP:

N+]

P×

G 

QV

QP:N+]

P



×H 

QV

QP:

N+]

P



×I 

QV

QP:

N+]

P 

×J 

QV

QP

:

N+]

P 

×



図２ パルスレーザーを用いた &)53 加工のパルス幅・波長依存性

を切り抜く際に，（炭素繊維を切断した後に）底面の最後で確認できる炭素繊維の露出が図３ H では見られない．

の樹脂層を蒸発させるのに時間がかかりレーザーを過剰QP 光によって炭素繊維が切断された後に樹脂層が弱に照射したためと思われる．一方で，QP の波長も樹い多光子吸収によりアブレーションされたものと推測さ

脂を透過するが，この場合は炭素繊維の加熱による熱影響

れる．今回の実験条件は最適化されたものではなく，照射で裏面の樹脂が蒸発したと考えられる．この考察を裏付け

強度を高めることにより熱影響が少ない加工が可能であるデータとして，図３にパルス幅波長が QVQP，

ると考えられる  ．

QVQP，SVQP のレーザーを用いて貫通 図３ F  I に，パルス幅 SV，波長 QP のレ加工した試料の表面と裏面の 6(0 像を示す．図３ D  E

ーザーを用いて，低パワーで加工した試料の表面と裏面のは図２ J  I と同じ 6(0 像であり，図３ G  H は図6(0 像を示す．溝加工した図２ F に比べて， のパワ

３ D  E に対応した試料裏面の 6(0 像である．図３ Gー（:）で貫通加工を試みた結果である．サブナノ秒レ- 90 -

表３ PJN- を単位とした物理的なレーザー加工効率
τはパルス幅，λは波長，3 は平均パワー，, は集光強度
τ

λ
(nm)

P (W)

I (W/cm2)

mg/kJ

2.7×1013
2.1×1010
2.7×1010
3.4×109
5.0×109
1.2×1010
1.4×10931

100 fs

800

0.2

35 ps

266

2.0

200 ps

800

0.4

2 ns

355

45

10 ns

355

43

10 ns

532

3.0

20 ns

1064

3.0

15
15
14
5.4
2.5
2.7

表４ 文献中で示されたデータから評価した加工効率
τはパルス幅，λは波長，3 は平均パワー

図３ 波長/パルス幅が、1064 nm/20 ns、532 nm/10
ns、800 nm/200 ps のレーザーを用いて加工した試料の表面 (a)-(c)、裏面 (d)-(f)の SEM 像

Ref.

τ

P (W)

notes

mg/kJ

12

600 fs1030

150〜2mm3/s,

20

13

8 ps

1030

1.5k

8mm3/s/1.1kW

11

14

10 ps

1064

23

1mm3/min./W

25

14

10 ps

532

14

1mm3/min./W

25

14

10 ps

355

10

1mm3/min./W

25

ーザーによる加工にもかかわらず表面では熱影響が見ら

λ
(nm)

6MHz

表５ 各種レーザーのフォトンコストの評価れる一方で，裏面では炭素繊維の露出は見られなかった．

出力，市場価格

万円/W

円/kJ

QVQP の場合と同様に，底面の最後の樹脂層を多光

フェムト秒レーザー

5W，5000 万円

500

子吸収で蒸発させるのに時間がかかりレーザーを過剰にピコ秒レーザー

10W，5000 万円

1000

UV ナノ秒レーザー

10W，1500 万円

500

250

照射したためと思われる．

10W，600 万円

75 &)53 を貫通加工する際には，樹脂の吸収率の波長依存Green ナノ秒レーザ

150

IR ナノ秒レーザー

10W，400 万円

60

30

40

20

性を考慮した上で照射強度の最適化が必要であると言える．照射強度が高くなると熱影響領域が抑制されるというモデルが提唱されている  ．パルス幅と波長の 2 軸に加め，&)53 の平均密度を JFP と仮定して算出した．まえて照射強度の 3 軸目を設定することで，より完全なデー

た，照射パワー（:）と加工時間（V）から加工に要したエ

タベースになると考えられる．

ネルギー（-）を求めた．得られた結果を表３に示す．
 また，自前の実験データだけでは波長とパルス幅が限定

３．加工効率の考察されるので，文献 12-14)に掲載された値を元に加工効率を  加工効率の物理的評価評価した．結果を表４に示す．表中で notes の欄に文献中 前節では熱影響層の発現に関してパルス幅・波長依存性に記載されている物理量を示す．

を定性的に評価したが，本節では加工効率の観点から依存 表３と表４で示した加工効率の値を視覚的に図４に示性を考察する．様々なレーザーを用いた加工結果を定量的す．それぞれの円の面積は加工効率（mg/kJ）に比例してに比較するために，単位照射エネルギー当たりの CFRP

いる．照射エネルギーが全て炭素繊維の昇華に費やされた除去質量で定義される指標（単位：mg/kJ）を加工効率と場合の理論限界値は 45 mg/kJ となり 10) ，図４の左下にして評価した．簡単のために，参考値として破線で示している．また，10ns/532nm のデ(i) CFRP の平均密度は 1.5 g/cm3，

ータは集光強度不足のために小さすぎる値が得られたと

 (ii) CFRP の炭素繊維体積含有率は 50 ％，考えられるため，参考値として破線で示している．同様に，

 (iii) 炭素繊維に比べて樹脂を蒸発させるエネルギーは35ps/266nm のデータも，試作段階でのレーザーを利用し  無視できる，たためにピコ秒レーザーとしては集光強度が低く，小さめと仮定した．

の値になっていることに留意していただきたい．

 &)53 除去質量は加工試料の厚みおよび表面と裏面の切 いずれにせよ，全体的な傾向としてパルス幅が短く波長

り幅，すなわち切断部分の断面積と長さから除去体積を求が短くなるほど，加工効率が高いことが分かる．図２の結- 91 -

図４ PJN- の単位で評価した &)53 のレーザー加工効率の  図５ J円の単位で評価した &)53 のレーザー加工効率 パルス幅，波長依存性．それぞれの円の面積は        のパルス幅，波長依存性．それぞれの円の面積は       加工効率（PJN-）に比例．              加工効率（J円）に比例．
果と合わせて考えると，加工効率が高いほど熱影響が小さ  &)53 加工効率の改善策

くなるという結果が得られた．図２(d)と(e)に相当する円 図４に理論限界値として 45mg/kJ の円を表示しているを比較すると，同じ波長（355 nm）でもパルス幅が 10 ns

が，これは照射エネルギーが全て吸収され炭素繊維の蒸発よりも 2 ns の方が加工効率が 2 倍以上高くなっているが，（昇華）に費やされた場合の値である．実験を重ねていく

掃引速度とパルスオーバーラップの条件の違いも影響しと，CFRP を切断するには切り代に相当する部分の炭素繊ていると思われる．図２(d)の場合（2ns /355nm）はパル

維を全て蒸発させる必要はないということに気付いた  ．

スオーバーラップが殆どゼロの状態で切断加工を行った．

表１に示す様に，樹脂に比べて炭素繊維を蒸発させるのにまた，同じサブナノ秒領域で図２(b) : 35ps /266nm と図

要するエネルギーは 43 倍である．炭素繊維の蒸発量を最２(c) : 200ps /800nm に相当する円を比べると，パルス幅小限に抑える工夫が重要となる．図６に少ないエネルギーと波長が短い分，35ps /266nm の方が加工効率が良くな

で CFRP を除去するアイデアを示す．ポイントは炭素繊ると期待されたが，照射強度に差が無いために同等の結果

維を細切れにした上で周囲を固める樹脂を蒸発させる事が得られたものと推測される．

である．
 図６(a)は多重線加工を示す．まず，炭素繊維に切れ目  加工効率の経済的評価

を入れ，少し離れたところを照射すると，炭素繊維が細切 mg/kJ を単位とした物理的なレーザー加工効率を，g/

れで除去され，エネルギーの節約ができる．この時，集光円を単位とした経済的な評価に変換する事を試みる．表５

点の左側に位置する炭素繊維は熱的に孤立しているのでに各種レーザーのフォトンコスト（円/kJ）の概算値を示

温度が上がりやすくなり，炭素繊維を固定している樹脂がす．市場価格に関しては，あくまで筆者の経験に基づく予容易に蒸発する．図６(b)は 2 ビーム同時照射の例を示す．

測値であるため，読者の実情に応じた値に変えて比例計算

集光点の間に熱が集中することで炭素繊維の周囲の樹脂していただきたい．万円/W から円/kJ への換算には，装が蒸発し，細切れになった炭素繊維は固体のまま飛散して置償却までの運転時間を 2000 時間/年で 5000 時間（〜2×107 秒）と仮定した．一例としてフェムト秒レーザーの場合は，1000 万円/(W×2×107 秒)で円/J が得られる．運転費用や消耗品費用は無視している．
 図５に g/円の単位で評価した CFRP のレーザー加工効率のパルス幅，波長依存性を示す．それぞれの円の面積は加工効率（g/円）に比例している．図４の物理的な評価においては短パルス・短波長ほど加工効率が高い結果が得られたが，図５の経済的な評価においては装置価格が比較的安価な赤外ナノ秒レーザーの優位性が示された．また，同
じナノ秒領域でも，より短いナノ秒パルス（10ns よりも2ns）且つ短波長で最も高い加工効率が得られた．UV ナ
ノ秒レーザーの装置価格は赤外ナノ秒レーザーの約 4 倍であるが，高い物理的な加工効率がその差を上回ったもの
図６ &)53 のレーザー加工効率を改善するアイデアと言える．

- 92 -

いく．図６(c)の場合は，間隔が広めの 2 重線加工を施して炭素繊維を孤立させたところにデフォーカスした低強度かつ大きめの集光スポットでレーザー光を照射する，或いはパルス幅が長めで低ピークパワーのセカンドビーム
を照射すると，容易に樹脂が蒸発し細切れになった炭素繊
維は固体のまま飛散していく．
図７ 複合パルス加工の手順：(a) 100 m 間隔で幅100 m 程度の細溝を超短パルスレーザーで加工し，(b)溝間に残る部分へ長パルスレーザーを照射すると，(c) 高効率で高品質な溝が形成される．

  複合パルス加工 図７に示す手法（図６(c) に相当）で CFRP の溝加工を試みた結果を紹介する．溝の端に相当する箇所を超短パル
スレーザーで加工し（図７(a)），次いで溝に残る部分へ長パルスレーザーを照射し（図７(b)）除去することにより，高品質かつ高効率に溝を形成（図７(c)）することが可能となる．
 試料として炭素繊維が一方向に並んだ CFRP を用いた実験結果を図８に示す．パルス幅 200 ps のレーザー（波長 800 nm，出力 0.4 W，繰り返し 1 kHz）を用いて 100 m
間隔で深さ約 100 m の細溝を 4 本形成し，細溝の間に残

図８ 複合パルス加工例：(a) パルス幅 200 ps のレー
ザーで細溝を形成し，(b) その一部にパルス幅 200 nsのレーザーを照射することで幅 150 m の溝を形成．

った部分へパルス幅 200 ns のレーザー（波長 1064 nm，
出力 13 W，繰り返し 25 kHz）を 100 mm/s の掃引速度で照射し，幅約 150 m の溝を形成した。図８ (a)の 4 本の溝はレーザー光を 50 往復掃引して形成したが，200 nsのレーザーを 1 回掃引するだけで図８(b)のような溝加工が実現した．図８ (a)の段階で炭素繊維が細切れになっているために，低強度の 200 ns レーザーでも 100 m 幅の溝を容易に形成することができた．
 図９に図８ (b)の加工試料を表面から見た写真(a)（図中に示す矢印が幅 150 m の溝に相当）と 200 ns レーザー

図９ 図８(b)の加工試料を表面から見た写真 (a) とパルス幅 200 ns パルスレーザーだけで溝加工（シングルスキャン）した試料の写真 (b) ．
図中に示す矢印が幅 150 m の溝に相当．

だけでシングルスキャンで溝加工した試料の写真(b)を示
す．溝両端部をあらかじめ加工していない場合（図９(b)）
は，溝周囲に炭素繊維が露出した熱影響部が観察され，溝幅も狭い．図９ (a)では，炭素繊維が細切れになっているところへ 200ns レーザーを照射しているため，横方向への熱伝導も抑制され“孤立した”炭素繊維が効率よく除去されたものと考えられる．この時に樹脂内部に存在した炭素繊維はアブレーションされずに固体のまま吹き飛んだものと推測される．
 図８，図９に示した加工試料では，炭素繊維と加工溝の方向が互いに直交しており、炭素繊維を細切れにする効果

図  図７と同じ手法で，炭素繊維と平行に溝加工した試料の (a) 断面および (b) 表面．パルス幅 200 nsのレーザーを (a)の矢印で示す部分に照射．(b)の矢印
は (a)の矢印で示す部分に相当．

が顕著に現れた．ところが，加工溝方向を炭素繊維に対して平行にすると様子が一変する．図 10 に図７と同じ手法
で炭素繊維と平行に溝加工した CFRP の断面（図 10 (a)）
及び表面（図 10 (b)）から観察した光学顕微鏡写真を示す．
図 10 (a)に示す矢印部に 200ns レーザーを照射した．図10 (b)内の矢印で示す部分は図９ (a)とは異なり，樹脂だ
けが蒸発し炭素繊維が露出していることが分かる．図８

工を試した場合は，垂直方向の溝加工と同様の結果が得ら(b)と図 10 (a)を比較すると，樹脂が蒸発した量が格段に異れ，炭素繊維を細切れにする効果を確認することができた．

なる．これは，CFRP のレーザー加工において炭素繊維にまた，炭素繊維と平行方向に溝加工する対策として，このよる熱伝導が重要な役割を果たすことを示している．

手法をさらに発展させた“ミシン目加工”を行った．結果

 結果は割愛するが，炭素繊維に対して 45 度方向の溝加は参考文献 2 に示す．

- 93 -

４．まとめ 藤田雅之：光学

 様々なレーザーを用いて &)53 加工における熱影響の発 0)XMLWD76RPHNDZD72]DNL0<RVKLGD1

加工効率が高く熱影響が小さくなることが実験的に明ら

WK
,QWHUQDWLRQDO&RQJUHVVRQ$SSOLFDWLRQVRI/DVHUV (OHFWUR2SWLFV$QDKHLP86$SDSHU0

かとなった．一方で，装置価格を考慮した経済的な評価に 0)XMLWD76RPHNDZD72]DNL0<RVKLGD1

おいては，より短いナノ秒かつ短波長において最も高い加0L\DQDJD VW ,QWHUQDWLRQDO &RQJUHVV RQ

0L\DQDJD

現と加工効率のパルス幅・波長依存性を調べた．全体的な傾向として，パルス幅が短く波長が短くなるほど物理的な<

0LWRRND

.

0LNDPH

工効率が得られた．

$SSOLFDWLRQVRI/DVHUV (OHFWUR2SWLFV$QDKHLP 加工品質を最優先する場合はフェムト秒レーザーまた

86$SDSHU0

は 89 ピコ秒レーザーを，ある程度熱影響が許容され低コ 0 )XMLWD 7 6RPHNDZD 1 0L\DQDJD 3K\VLFV

ストでの加工が望まれる場合は赤外ナノ秒レーザーを，初3URFHGLD

期投資額に余裕がある場合は 89 ナノ秒レーザーを選択す 0)XMLWD+2KNDZD02WVXND76RPHNDZD<

るなど，状況に応じて用いるレーザーのパルス幅・波長を0DHGD<2ULL.,QDED*2NDGD10L\DQDJD

選択することとなるのではなかろうか

UG ,QWHUQDWLRQDO &RQJUHVV RQ $SSOLFDWLRQV RI
/DVHUV (OHFWUR2SWLFV6DQ'LHJR86$SDSHU． また，炭素繊維と樹脂の複合材である &)53 のレーザー加工においては炭素繊維の除去がキーポイントであり，エ0

ネルギー消費利用量が決まる．除去加工という観点から

 0)XMLWD+2KNDZD76RPHNDZD70DWVXWDQL

は必ずしも全ての材料を蒸発させる必要はなく，掃引方法<0DHGD-%RYDWVHN53DWHO10L\DQDJD/DVHUV

に工夫を凝らすことで加工効率の改善が可能であること

LQ 0DQXIDFWXULQJ 0XQLFK *HUPDQ\ SDSHU 

が確認できた．


 5:HEHU&)UHLWDJ9.RQRQHQNR0+DIQHU9謝 辞

2QXVHLW 3 %HUJHU 7 *UDI  6KRUW3XOVH /DVHU

本研究の一部は，公益財団法人天田財団からの一般研究

SURFHVVLQJRI&)533K\VLFV3URFHGLD  

助成により実施した研究に基づいていることを付記する

 藤田雅之：天田財団助成研究成果報告書

とともに，同財団に感謝いたします．また，SVQP



レーザーはスペクトロニクス（株）から，QP ナノ秒

 70DQV-'RONHPH\HU&6FKQLW]OHU+LJK3RZHU

レーザーはスペクトラ・フィジックス（株）から装置を借)HPWRVHFRQG/DVHUV/DVHU7HFK-  

用して実験を行いました．ここに感謝の意を表します．

 &)UHLWDJ0:LHGHQPDQQ-31HJHO$/RHVFKHU
92QXVHLW5:HEHU0$$KPHG7*UDI3URF

参考文献

RI,&$/(2’SDSHU   炭素繊維協会ホームページ、 $:RO\QVNL7+HUUPDQQ30XFKD++DORXL-

KWWSZZZFDUERQILEHUJUMSILHOGFUDIWKWPO/’KXLOLHU3K\VLFV3URFHGLD   藤田雅之染川智弘尾崎巧吉田実宮永憲

 藤田雅之，染川智弘，宮永憲明：第  回レーザ加工

明：レーザー研究

学会講演論文集
 藤田雅之染川智弘：レーザ加工学会誌


- 94 -