短パルスレーザーを用いた炭素繊維強化複合材の微細加工技術の開発
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 藤田 雅之（平成 26 年度一般研究開発助成 AF-2014218）
キーワード：レーザー加工，短パルスレーザー，微細加工，炭素繊維，複合材

１．研究の目的と背景工効率として導入し評価を行った。

炭素繊維強化樹脂（CFRP : Carbon Fiber ReinforcedPlastic）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、幅広い産業分野で用いられている

２．実験
2・1 実験方法の概要。特に、自動車/航空機産業においては、車体/機体の軽量化

表 1 に図 1 で示すレーザーを用いて実験した際の代表的なによる燃費の向上や排出ガスの抑制が実現している。CFRP のパラメーターを示す。複数年に亘って実験を行ったため実験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配置や CFRP 試料が異なるが、概ね 4 通りに分けられ（表１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実験配置 A〜D）
、以下に概要を述べる。試料の設置は図 2の確立が重要となってきている。に示す様に、(a) 低速掃引の場合は直進ステージ上に固定し、1)

我々は、CFRP 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

2-9)。CFRP のレーザー加工においては、(b) 高速掃引の場合は高速モーター上に固定した。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行った。

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

実験配置 A では、チタンサファイアレーザーを用いて直進れ、加工品質の最適化のためには、レーザー波長、パルス幅ステージ上に置かれた 1.3 mm 厚のクロス CFRP 板の溝掘りへの依存性を明らかにすることが重要となる。

加工を行った。CFRP 除去量は溝の幅と断面積から求めた。

本稿では、これまで 7 年間に亘って行ってきた CFRP のパル

実験配置 B では、波長/パルス幅が 266 nm/35 ps のレーザ

スレーザー加工実験結果を取りまとめ、レーザー波長、パルーを用いて高速モーター上に固定された 250 m 厚の一方向ス幅への依存性を考察する。
用いたレーザーの主な仕様を図 1

CFRP を円形に切断した。直径 20 mm の CFRP ディスクがに示す。各枠内の上段に平均パワー、下段に繰り返し周波数抜け落ちる時間を測定し、切り幅はレーザー集光径と同じでを記入している。平均出力と繰り返し周波数は様々であるが、あると仮定して除去量を算出した。

パルス幅は 100 fs から 20 ns まで、波長は 266 nm から 1064 nmまでをカバーする範囲で実験を行ってきた。

実験配置 C では、波長 355 nm のナノ秒レーザーを用いて250 m 厚の一方向 CFRP のスリット加工を行った。ガルバ

加工試料における熱影響は、試料表面/裏面の電子顕微鏡像ノミラーを用いて試料上でレーザーを直線掃引し、炭素繊維（SEM 像）において（樹脂だけが蒸発して）炭素繊維が露出しと垂直方向にスリットを形成した。試料厚さおよび表面と裏た領域の大きさで評価した。また、様々なレーザーを用いた面のスリット幅から除去量を算出した。

実験結果を定量的に比較するために、単位照射エネルギー当実験配置 D では、波長 532 nm と 1064 nm のナノ秒レーたりの CFRP 除去質量で定義される指標（単位：mg/kJ）を加ザーを用いて高速モーター上に固定された 140 m 厚の一方向 CFRP を円形に切断した。
直径 20 mm の CFRP ディスクが抜け落ちる時間を測定すると共に、試料の抜け落ちを防ぐために円の一部をマスクした加工を行い試料厚さおよび表面と裏面のスリット幅から除去量を算出した。

図 1 CFRP 加工に用いたレーザーのパルス幅と波長

図 2 試料の固定法：(a) 低速掃引、(b) 高速掃引

表 1 実験条件：(a)〜(d)は図 1 に対応。
（*のスポット径は過小評価の可能性あり）
パルス幅

波長平均パワー繰返し周波数

スポット径100 m

掃引速度mm/s
17照射強度W/cm22.7×1013

実験配置A(a)100 fs

800 nm

0.2 W

1 kHz(b)35 ps

266 nm

2.0 W

100 kHz

60 m

1500

2.1×1010

B(c)200 ps

800 nm

0.4 W

1 kHz

100 m172.7×1010

A(d)

2 ns

355 nm45.0 W

1550 kHz

24 m

37200

3.4×109

C(e)

10 ns

355 nm43.0 W

200 kHz

24 m

4800

5.0×109

C(f)

10 ns

532 nm

3.0 W

10 kHz18 m*

1500

1.2×1010

D(g)

20 ns

1064 nm

3.0 W

20 kHz27 m*

1500

1.4×109D

2・2 実験結果るのに時間がかかりレーザーを過剰に照射したためと思われ

図 3 に加工試料表面の SEM 像の比較を示す。全ての SEMる。一方で、1064 nm の波長も樹脂を透過するが、この場合像は同じ倍率で示してある。大雑把な比較になるが、用いたは炭素繊維の加熱による熱影響で裏面の樹脂が蒸発したと考レーザーのパルス幅が短く、波長が短い程、熱影響が小さいえられる。この考察を裏付けるデータとして、図 4 に波長/パ（炭素繊維の露出領域が小さい）事が分かる。

ルス幅が 1064 nm/20 ns、532 nm/10 ns、800 nm/200 ps の

ここで注意したいのは樹脂に対するレーザー光の吸収率のレーザーを用いて貫通加工した試料の表面と裏面の SEM 像影響である。図 3 (f)では、炭素繊維の露出は見られないが樹を示す。図 4 (a), (b)は図 3 (g), (f)と同じ SEM 像であり、図 4脂部がダメージを受けているように見受けられる。これは、(d), (e)は図 4 (a), (b)に対応した試料裏面の SEM 像である。図波長 532 nm が樹脂を透過するために CFRP を切り抜く際に、4 (d)で確認できる炭素繊維の露出が図 4 (e)では見られない。

（炭素繊維を切断した後に）底面の最後の樹脂層を蒸発させ532 nm 光によって炭素繊維が切断された後に樹脂層が弱い

図 3 パルスレーザーを用いた CFRP 加工のパルス幅・波長依存性図 5 加工効率 (mg/kJ)のパルス幅・波長依存性

図 4 波長/パルス幅が、1064 nm/20 ns (a), (d)、532 nm/10
ns (b), (e)、800 nm/200 ps (c), (f)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。
多光子吸収によりアブレーションされたものと推測される。
今回の実験条件は最適化されたものではなく、照射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と考えられ

図 6 加工コスト (g/円)のパルス幅・波長依存性る。
図 4 (c), (f)に、波長 800 nm、パルス幅 200 ps のレーザーと仮定した。

を用いて、低パワーで加工した試料の表面と裏面の SEM 像

加工試料の厚みおよび表面と裏面の切り幅、すなわち切断を示す。溝加工した図 3 (c)に比べて、1/4 のパワー（0.1W）

部分の断面積と長さから除去体積を求め、照射パワーと加工で貫通加工を試みた結果である。サブナノ秒レーザーによる時間から加工に要したエネルギーを求めた。得られた結果を加工にもかかわらず表面では熱影響が見られる一方で、裏面

図 5 に示す。それぞれの円の面積は加工効率（mg/kJ）に比例

では炭素繊維の露出は見られなかった。532nm/10ns の場合している。照射エネルギーが全て炭素繊維の蒸発に費やされと同様に、底面の最後の樹脂層を多光子吸収で蒸発させるのた場合の理論限界値は 45 mg/kJ となる 10)。図 5 (f)の値は参に時間がかかりレーザーを過剰に照射したためと思われる。

考値として破線で示している。

CFRP を貫通加工する際には、樹脂の吸収率の波長依存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。

全体的な傾向としてパルス幅が短く波長が短くなる程、加工効率が高いことが分かる。
図3の結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くなるという結果が得られ３．考察た。(d)と(f)を比較すると、同じ波長でもパルス幅が 10 ns

3・1 加工効率の物理的評価

よりも 2 ns の方が加工効率が高くなっているが、若干掃引速

前節では熱影響層の発現に関してパルス幅・波長依存性を度とパルスオーバーラップの条件の違いも影響していると思考察したが、本節では加工効率の観点から依存性を考察する。

われる。(d)の場合はパルスオーバーラップが殆どゼロの状態

様々なレーザーを用いた加工結果を定量的に比較するために、で切断加工を行った。また、(b)に関しては、(c)と比べてパ単位照射エネルギー当たりのCFRP除去質量で定義される指標

ルス幅と波長が短い分、加工効率が良くなると期待されたが、（単位：mg/kJ）を加工効率として評価した。簡単のために、照射強度に差が無いために同等の結果が得られたものと推測(i) CFRP の平均密度は 1.5 g/cm3、される。

(ii) CFRP の炭素繊維体積含有率は 50 ％、(iii) 炭素繊維に比べて樹脂を蒸発させるエネルギーは無視できる、

3・2 加工効率の経済的評価
3・1 節では照射エネルギーおよび除去質量といった物理量

表２ 加工効率の経済的評価における仮定。
レーザーの種類
フェムト秒レーザー

装置価格万円/W
1000

エネルギーコスト円/kJ
500

ピコ秒レーザー500

250

UV ナノ秒レーザー

15075

緑ナノ秒レーザー

6030

赤外ナノ秒レーザー4020

します。また、266 nm/35 ps レーザーはスペクトロニクス（株）から、355 nm ナノ秒レーザーはスペクトラ・フィジックス（株）から装置を借用して実験を行ったものであり、ここに感謝の意を表します。

参考文献
1) 炭素繊維協会ホームページ、
http://www.carbonfiber.gr.jp/field/craft.html
2) 藤田 雅之, 染川 智弘, 尾崎 巧, 吉田 実, 宮永 憲明：レーザー研究, 39, 701-705, 2011.
3) 藤田 雅之, 染川智弘：レーザ加工学会誌, 20, 34-38,
2013.

を元に加工効率を評価したが、本節では加工コストといった

4) 藤田 雅之：光学, 44, 341-349, 2015.

経済的な観点から加工効率のパルス幅・波長依存性を考察す

5) M. Fujita, T. Somekawa, T. Ozaki, M. Yoshida, N.

る。経済性を評価するために、表２に示す様な装置価格およMiyanaga, Y. Mitooka, K. Mikame,; 29th International

びエネルギーコストを仮定した。装置価格に関しては、筆者

Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics.のこれまでの購入記録を元に（アカデミックプライスではな

Anaheim, U.S.A., paper #M105, 2010.

い）市場価格をオーダーで推定した。また、エネルギーコス

6) M. Fujita, T. Somekawa, T. Ozaki, M. Yoshida, N.

トに関しては、装置を2000 時間/年で稼働させて5000 時間（〜Miyanaga,; 31st International Congress on Applications

72×10 秒）で償却するものと仮定して推計し、これらの値をof Lasers & Electro-Optics. Anaheim, U.S.A., paper

元にエネルギーコスト 1 円当たりに除去できる質量（g/円）#M1202, 2012.

を算出した。

7) M. Fujita, T. Somekawa, N. Miyanaga; Physics Procedia

図 6 に加工コスト (g/円)のパルス幅・波長依存性を示す。

41, 629-632, 2013.

図５と同様に、それぞれの円の面積は加工効率（g/円）に比

8) M. Fujita, H. Ohkawa, M. Otsuka, T. Somekawa, Y. Maeda,

例している。物理的な評価においては短パルス・短波長ほど

Y. Orii, K. Inaba, G. Okada, N. Miyanaga;. 33rd

加工効率が高い結果が得られたが、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International Congress on Applications of Lasers &Electro-Optics. San Diego, U.S.A., paper #M601, 2014.

れた。また、同じナノ秒領域でも、より短いナノ秒（10ns よ9) M. Fujita, H. Ohkawa, T. Somekawa, T. Matsutani, Y.

りも 2ns）パルス且つ短波長で最も高い加工効率が得られた。

Maeda, J. Bovatsek, R. Patel, N. Miyanaga; Lasers inUV 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Manufacturing. Munich, Germany, paper #158, 2015.

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と

10) R. Weber, C. Freitag, V. Kononenko, M. Hafner, V.

言える。

Onuseit, P. Berger, T. Graf: Physics Procedia 39,
137-146, 2012.

４．まとめ
様々なレーザーを用いてCFRP 加工における熱影響の発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かとなった。
一方で、装置価格を考慮した経済的な評価においては、より短いナノ秒かつ短波長において最も高い加工効率が得られた。
加工品質を最優先する場合はフェムト秒レーザーまたはUV ピコ秒レーザーを、ある程度熱影響が許容され低コストでの加工が望まれる場合は赤外ナノ秒レーザーを、初期投資額に余裕がある場合は UV ナノ秒レーザーを選択するなど、状況に応じて用いるレーザーのパルス幅・波長を選択することとなるのではなかろうか。

謝 辞本研究の一部は公益財団法人天田財団平成26年度一般研究開発助成により実施されたものであり、ここに感謝の意を表