レーザー切断・穴あけなどの除去加工

沓名宗春（光産業創成大学院大学）
Altrec-kutsuna@nifty.com

1.Introduction
Type of lasers for removals
High power(45kW) Hig CO2 laser
10kW Nd:YAG laser with lump
• High power(6kW) diode laser• 10kW LD pumped solid state lasers• 4kW Disk laser• 10kW Fiber laser• Excimer Laser• Copper vapour laser• Ultra short pulse laser• Femt second Ti-suphire Laser• Pico second Q switch pulse YAG laser• Nano second Q switch pulse YAG laser

微細除去加工の例:
フェムト秒パルスレーザー

Copper vapour laser
銅蒸気レーザー2.Features of Laser
Removals(Cutting, drilling,micromachining with others••••••••(1) High power density to get deep drilling in short time(2) High productivity (high processing speed)(3) Low heat input process with less distortion(4) Laser is an electromagnetic wave without mass.
Space cutting time is ultra high speed.
(5) Non contact cutting& drilling and marking process(6) A precision cutting & drilling and micromachining
is possible.
(7) The kerf width can be minimized.
(8) Laser removal is more suitable for Factory
automation .

2.Features of Laser Removals(2) High productivity = 1200 hole/ sec
Via –hole;100-200/cm2Polymide
Copper plating

Polymide
Ceramic substrate

Opper foil

2.Features of Laser Removals(3) Low heat input process with less distortion

To make a net in a steel sheet
Width of net = 200 μm

2.Features ofLaserRemovals(5) Non contact
cutting&drilling andmarking process

2.Features of Laser Removals(6) A precision cutting & drilling2.Features of Laser Removals(7) The kerf width can be minimized

Metal Mask for semi-conductor industry

2.Features of Laser Removals(8) to be more suitable for Factory
automation
6kW Laser cutting machine

For CAD/CAM

3. Types ofLaser removal processes• Laser cutting• Laser drilling• Laser ablation• Laser micro machining• Laser marking and engraving• Laser cleaning• Laser wire/paint stripping(1) Laser cutting

Ｌａｓｅｒ ｃｕｔｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍファイバーレーザによる切断

Metal mirror for cutting
aluminium and its alloys

Laser cutting robot with
Optical fiber3D on-line laser cutting system
for making a hole on car bodyLaser presition cutting of stentCutting speed at different powerCutting speed for different materials

Assist gas for laser cutting

High speed cutting of Si steelComparison with other thermal
cutting processes

What is the quality of cut ?

Comparison of cut quality

Effect of Polarity

（２） CFRP製パネルのアブレーション加工
Q-switch YAG (532 nm)の装置

Q-switch YAGレーザ (波長＝532 nm)によるパネルのレーザ加工状況

レーザアブレーション加工の対象物

レーザアブレーション加工により窓がトリミン
グ加工された試験体

アブレーション加工されたＣＦＲＰ製機体パネル

Laser ablation process for CFRP panelアブレーション加工により穴あけされたＣＦＲＰ製ハンドル（板厚：６．７ｍｍ）齋藤工業ーALTREC

(3) レーザー穴あけ
はじめにレーザービームはエネルギー密度（パワー密度）が非常に高いので，瞬時に金属材料などを溶融・蒸発・除去する能力がある．ここではこの加工法の特性を紹介するとともに，産業分野での応用について，紹介する．いかに，うまく光エネルギーを利用しているか学んでほしい重要なポイント• ■レーザー穴あけの種類と基本的な機構を理解する。
• ■レーザー穴あけの品質とは？
• ■レーザー穴あけの品質に影響する因は？
• ■レーザー穴あけ条件の選定• ■レーザー穴あけの応用事例の紹介

1．レーザー穴あけの原理および特性• レーザーによる各種材料の除去加工の1つにレーザー穴あけがある．ここではその機構，特性および応用例について解説する．
• 1960年にルビーレーザーが初めて発振されてから5年後，このルビーレーザーを用いて，線引き用ダイヤモンドダイスの穴あけ加工がなされた．これがレーザー加工の始まりと言われる．
• レーザー穴あけはレーザーの直進性と高パワー密度特性による短パルスレーザーを利用して，材料表面を加熱・穿孔・蒸発させ，照射部位を除去し，物質を飛散・除去させることにより穴を掘って行く加工法である．

レーザー加工と出力密度－照射時間

レーザー加工と出力密度－照射時間

レーザー加工と出力密度－照射時間

１：２００までのアスペクト比

パルス固体（Ｎｄ：ＹＡＧ）レーザによる穴明け方法①

パルス固体（Ｎｄ：ＹＡＧ）レーザによる穴明け方法②

パーカッション穴あけの３段階

照射回数と穴深さの関係

短パルスレーザが望ましい。
•

穴あけ加工ではまず，レーザーが吸収されることが重要である．熱伝導により投入エネルギーが逃げるのを防止し，そのエネルギーのすべてが材料の蒸発・除去に有効に使われるように短パルスレーザーですることが望ましい．その点，最近の短パルスレーザーの穴あけ技術は注目すべきところがある．通常，穴あけにはピーク出力の高いパルス発振のレーザー装置が用いられる．加工深さは穴径の5～10倍（アスペクト比＝5～10）であり，次式により加工深さ（D）は推定できる．

••

D＝E/π(d/2)2･ρ･(L＋C･Tv)

••••
•
•

E：吸収されたレーザーエネルギー
d：スポット径
ρ：金属の密度
L：金属の蒸発潜熱
C：金属の比熱
Tv：金属の沸点・・・・（1）

図2 照射回数と穴深さの関係[1]（記号の説明：□：ｆ＝１５ｍｍ、△：ｆ＝２０ｍｍ○：ｆ＝３０ｍｍ、×：ｆ＝４０ｍｍ ）形状に影響する重要な因子：
焦点はずし距離Control of defocusing distance焦点位置による穴形状の変化

ピーク出力の非常に高いパルスレーザーが用いられる．
高尖頭値のパルスCO2レーザーを用いた高密度IC（集積回路）用アルミナ基板の穴あけを示す．

銅蒸気レーザー （Copper vapour laser）による穴あけ• ここまで

レーザ穴あけの特徴• 従来のドリル加工などで困難な硬い材料も穴あけできる（セラミックス，硬い材料，CFRP）．
• 加工精度が従来法に比べ高い．18μm－70mmまでの穴径に対応できる.
穴の形状アスペクト比が１００以上も可能である。
• 穴あけ速度が速い．100μm板厚鋼の10mm径の穴を1秒間に100個穴あけできる．太陽電池の穴あけでは毎秒2,000～5,000万個の微細穴あけが可能になっている．
• 加工面に対して80°の入射角度で穴あけが可能である．

(2) 高速穴あけが加工 = 1800 hole/ sec
Via –hole;100-200/cm2
Polymide
Copper plating

Polymide
Ceramic substrate

Opper foil

非接触の穴あけ加工で工具が摩耗しない。

微細な穴あけ加工が可能である。

硬質な脆性な部材の微細穴あけの例

表1 ダイヤモンド穴あけにおける加工時間の比較例

自動車のアンテナ穴のレーザ加工（トヨタ）

ロボットとファイバーで３Ｄ穴あけも可能である。

2．レーザー穴あけの加工品質と影響因子
加工品質に及ぼす因子
穴形状，表面粗度，熱的変質，表面微細割れ，ドロスなどの穴の品質に及ぼす因子はつぎのようなものがある．
ピーク出力
パルス幅
繰返し周波数
焦点はずし距離
焦点深度
ビーム径
入射角度，シールドガスの種類
材質，穴径，アスペクト比 など

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–••
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•

各種材質と穴あけ条件

穴あけの対象部品の材質は多用であり，レーザー切断の前項で説明されたように，材質によりレーザーの吸収率や材料定数がことなるので，つぎのような材料それぞれについて穴あけ条件を選ぶ必要がある．
鋼材
非鉄金属（アルミニウム，チタン合金，ニッケル合金，銅合金など）
非金属（セラミックス，コンクリート，ガラス，ダイヤモンド，樹脂，複合材料，木材，布）その他

3．レーザー穴あけと他の穴あけとの比較
電子ビーム穴あけやドリル穴あけとの比較

4．レーザー穴あけの産業応用事例
超合金製ジェットエンジン部品の穴あけ

ガスタービンエンジンの構造と材料

ステータのレーザ切断
Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ ＩＬＴ

ブレードのレーザ穴あけオーバーヒートしたタービンブレード

タービンブレード冷却の進化

タービンブレードの冷却用穴断面

タービンビレードの穴あけ• ジェットエンジンのタービンブレードのレーザー穴あけの状況を示す．超合金は800～1,000℃という高温に耐える合金で通常ニッケルをベースとし，チタン，タングステン，モリブデン，アルミニウムなどの元素が合金化されており，通常の機械加工で使うドリルではとても刃が断たない．しかも，約0.7mmと穴径も小さく，表面に対して斜めに穴を開ける必要があるので，光の直進性（まっすぐ進む性質）を利用したレーザービームはまさに打って付けである．
穴の深さとしてはピーク出力が40kWのパルスYAGレーザー装置で約70mmの深さまで穴あけができる現状にある．

Application of laser drillingLaser drilling of cigarette paperタバコの巻き紙の穴あけ
アメリカでは20年前から，紙巻きタバコ（シガレット）の巻き紙を図7に示すように，長径約0.36mm，短径0.13mmの楕円形の穴を約1.5mm間隔で毎分200mの速さでレーザー穴あけをしていた．従来はピンを用いて行っていたが，速度が遅くかつ目づまりする問題があったが，レーザーではそれも解決された．この技術は現在，日本タバコ（株）でも採用されており，三保の工場と京都の工場では数台のCO2レーザー加工機により，タバコを巻く前の紙に高速でレーザー穴あけがなされている．

間伐材のレーザインサイジング

灌漑用ホースのレーザ穴あけ単パルス貫通穴あけ例

携帯電話用多層ＬＳＩの穴あけ

太陽電池ウエハのマスクの穴あけ
LD 励起固体UVレーザー(355nm)

HOE (Holographic Optical Element)
アッテネータビームエクスパンダウェハ
移動ステージ

ビーム分岐&集光光学系

Ｎｄ：ＹＡＧレーザの発達
３倍波（３５５ｎｍ）レーザの応用 三菱電機

マスクの超高速穴あけ
毎秒２０００万～５０００万個 （三菱電機）

５倍波によるレーザ穴あけレーザー除去加工の品質確保

Laser drilling by different lasers

エキシマレーザによる穴あけトレパニングによる高精度加工

(4) レーザー微細除去加工

Laser scribing

(5) レーザーマーキング

Remote Laser Processing

リモート溶接の光学系

たまごのレーザマーキング

(6) レーザークリーニングりんごやじゃがいもの
レーザ皮むき