塑性加工学会 東海支部
第８２回塑性加工懇談会
２０１７．１．２７

レーザによる炭素繊維強化プラスチックの加工（株）最新レーザ技術研究センター
沓名 宗春（光産業創成大学院大学 特任教授）

１．はしがき
古代からの生産様式の変化

第１の波：労働集約的社会
第２の波：機械化社会（産業革命後）
第３の波：情報化社会（コンピュータの利用）
第４の波： 光機電脳化社会（電子と光子の利用）

生活・産業革命をもたらす光技術

第４の波
光通信
インターネット
ＣＤ／ＤＶＤ
レーザ治療
レーザ加工
レーザ計測
レーザ検査

４つの波と生産（溶接）技術の変化
第１の波

第２の波

第３の波

第４の波

人力・畜力

機械力

メカトロニクス

オプト・メカトロニクス

Manual welding Mechnized SAW Robotic
Welding

Laser welding２．レーザの特性とその応用
１９６０年７月７日（米国） ルビーレーザの開発
 以後４０年間 レーザの科学的および技術的応用の拡大、
 ２１世紀になり一層、通信、生産、医療、資料作成・事務などに広く利用される。
 ２０６０年：自動車が１８８６年に開発されて１００年後、１９８５年の自動車の普及をみれば、２０６０年のレーザの応用は想像を絶するものがある。
 アルビン・トフラーがその著書「第３の波」の中で、コンピュータを駆使した情報化社会の到来を第３の波として説明しているが、レーザを駆使した「第４の波」の時代が次にくるのではないだろうか？
「レーザでなにができるか」・レーザで人体をやさしく治療する。
・レーザで情報伝達、通信を高速大容量でする。
・レーザで情報処理を高速で正確にする。
・レーザで映像化を多彩に３次元でする。
・レーザで印刷、マーキングを非接触でする。
・レーザで表面処理を制御よくする。
・レーザで各種材料を低歪で溶接する。
・レーザで各種材料を高速で切断・穴明けする。
・レーザで金属を変形、成形する。
・レーザで精密計測、遠隔計測を可能にする・レーザで瞬時に非接触で分析・検査する。

各種レーザ加工技術
レーザー溶接、ろう付
 レーザー切断・穴あけ


切断、穴あけ、微細除去、クリーニング、マーキング、

レーザー表面加工
焼入れ、合金化、肉盛、補修、ラピッドプロトタイプ

レーザーマーキング
 レーザー曲げ加工、成形 レーザー微細加工

リペアリング、スクライビング、ピアシング

レーザ加工法の特徴◆高エネルギー密度熱源である◆高能率で高速度加工が可能になる◆小入熱、低歪加工で高精度化に最適である◆瞬時に移動が可能な加工法である。
◆切削工具不要の非接触の加工である。
◆微細で精密な加工に適した熱源である。
◆電子ビーム溶接に比べ、大気中で利用でき、ビーム偏向もない。
◆クリーンでＦＡ化、高速化に適した熱源である。

高エネルギー密度の熱源である。

質量・慣性をもたない瞬間移動できる熱源である。

微細で、精密な熱加工である。

主な加工用レーザの特性（１９９５年以降の最新レーザ装置）
波長効率

最大出力

1)半導体レーザ(LD) 0.80-094μｍ ５０-７２％6kW2)ＬＤ励起YAGレーザ 1.064μｍ
１２-２０％6kW3)ディスクレーザ
1.03μｍ２0-３0％16kW4)ファイバーレーザ
1.07μｍ
２５-３５％ 100kW5)エキシマレーザ
0.15-0.4μｍ
2-３％ 0.6kW
6)超短パルスレーザ 0.532-1.07μｍ
0.3kW
フェムト秒レーザ、ピコ秒レーザ、ナノ秒レーザ7)波長可変レーザ

200W

1.064,532, 355nm
0.5kW
266nm 212nm
2倍波、 ３倍波、 ４倍波、５倍波レーザ ・・・・・目の治療

３．レーザーによるＣＦＲＰのアブレーション加工
平成２１年～平成２３年の３年間
経済産業省の戦略的基盤技術高度化支援事業（略称：サポイン事業）に「ＣＦＲＰ複合材料部材の新レーザ溶接技術の開発」
として採択された。

３．１


研究開発の背景

地球温暖化などの地球環境問題を解決するとして、輸送機器パネル部材等の超軽量化、製造コストの低減

軽量で高強度な炭素繊維強化プラスティック（ＣＦＲＰ）の利用による排出ＣＯ２ガス量の抑制。
超短パルスレーザ、および高出力シングルモードファイバーレーザを用いて、難加工材であるＣＦＲＰ部材の微細なモザイク状継手の開先加工とその継手の溶接技術を確立すること。
高精度、高速でかつ低コストな新レーザ溶接法を開発する。
精密切断および穴あけ加工技術なども併せて確立する。

３．２

ＣＦＲＰの応用分野（１） 航空産業等へのＣＦＲＰの適用、 東レ資料
ＣＦＲＰは軽量・比強度が高い。
旅客機の重量を３０％低減できる。
よって、ＣＯ２ガス排出の低減効果あり。
年間１機当たり ２７００トン

Ｂ７８７の構造材比複合材料の適用率 、東レ資料

Ｂｏｅｉｎｇ ７８７

大同大学 平先生

（２） 自動車産業へのＣＦＲＰの適用

レーシングカーへのＣＦＲＰの適用
Dome-Carbon magic

Racing car sheet

Intake manuhold

Car Body panel

Gear box

東レ ＴＥＥＷＡＶＥへの適用例 清水 信彦

トヨタ自動車 レクサス ＬＦＡモデル

レクサスＬＦＡへの適用
トヨタ自動車 K.Mizuta, Y.Kageyama

レクサスＬＦＡへの適用
トヨタ自動車 K.Mizuta, Y.Kageyamaトヨタ自動車でのＣＦＲＰの適用構想
トヨタ自動車 K.Mizuta, Y.Kageyama

ＢＭＷ i3

2014年より発売

（３） エネルギー分野での応用
CFRP blade for Wind power station

（４） ＣＦＲＰの土木分野への応用

４．ＣＦＲＰのレーザ加工
従来技術との比較【従来技術】

・ダイヤモンド工具による切削加工
・研磨材を用いたウォータージェット切断
・レーザ切断問題点
・ダイヤモンド工具は高価でかつ短寿命
・微細な切断・穴あけ加工が困難
・レーザ切断面で繊維が剥離しやすい【新技術】

切断・穴あけ加工
超短パルスレーザおよび高出力シングルモードレーザを組み合わせ、高速、高精度加工を可能にする。
レーザ加工困難であった10mm厚みのパネル材料に対し、レーザ焦点を制御することにより、切断可能となる。
溶接切断面がフラットで切断代が、0.2mmであり、切断面のまま接合できる。またモザイク状継手を採用し、合わせ板との併用で継手効率を８５%以上を狙う。
３次元加工
航空機パネルなどの曲面材料に対し、面に対し直角に切断・穴あけ加工が可能である。

航空機機体パネルのトリミング

ＣＦＲＰ製Ｈ形部材

ＣＦＲＰのレーザ切断および穴あけ加工（１）ＳＭファイバーレーザ切断 (10m/min以下）

供試材；熱可塑性樹脂ＣＦＲＰ複合材料（板厚：０．７ｍｍ）
レーザ装置：シングルモードファイバーレーザ装置
レーザ出力：２００Ｗおよび３００Ｗ
切断速度 ：２．５m/min ～ １０m/min
アシストガス：アルゴンガス

ＡＬＴＲＥＣ

３００Ｗ ＳＭファイバーレーザによる切断(Laser power:200W,
Travel speed:10m/min)Appearance of laser cut CFRP
using a single mode 300W fiber laser
200W300W

2.5m/min5m/min7.5m/min10m/minSeparation of carbon fiber fromthe setting plastics

Using 3kW SM fiber laser cutting of CFRP T700 composites

（２）ファイバーレーザによるリモートレーザ切断
ＬＺＨ Ａｎｎｅｔ Ｋｌｏｔｚｂａｃｈ

板厚： ２ｍｍ

リモートレーザ切断の条件 LZHＣＦＲＰ のリモートレーザ切断
Annet.Klotzbach, Frounhofer Inst. Material
and Beam Tech. IWS

（３）ＳＭファイバーレーザによる高速レーザ切断
ALTREC 沓名

ホットプレス成形のまま

ＳＭファイバーレーザによる切断
バッテリーケースの側面

CFRP battery case for EV(size : ２６５ｘ２１０ｘ５０ｍｍ, weight: 270）

(４)ディスクレーザのよる切断
大阪大学 片山先生

（５）Laser ablation of ＣＦＲＰ
using a 8ns pulsed YAG laser
Materials : Thermohardening CFRP Thickness 0.7mm

Laser :
Tahles laser Q switch YAG laser
max pulse energy : 650mJ
Pusle width:
8ns
Frequency:
20Hz

Condition
Spot diameter

200 μmLaser power

6.5 mJPower density

2.5 GW/cm2

Frequency

20 Hz

Number of pass１20

熱硬化性ＣＦＲＰのレーザアブレーション加工（ＡＬＴＲＥＣ）

Top surface

Crosssection熱可塑性ＣＦＲＰのレーザアブレーション加工（ＡＬＴＲＥＣ）
Materials : Thermoplastic CFRP Thickness :1.2mm
Laser :
Tahles laser Q switch YAG laser
max pulse energy : 650mJ
Pusle width:
8ns
Frequency:
20Hz

Condition
Spot diameter

200 μmLaser power

6.5 mJPower density

2.5 GW/cm2

Frequency

20 Hz

Number of pass

400

拡大図

（７）フェムト秒レーザによる加工
大阪大学 藤田先生

(８) ナノ秒パルスレーザによるレーザ加工の実用化研究

Q-スイッチ YAG レーザ (波長： 532 nm)

1) 自動車のハンドルの穴あけ
板厚 :6.5 mm

Thermoplastic CFRP handle shaped by Hot Stamping切断面の顕微鏡写真

Macro section of cut surface
x 200

Micro photo of cut surfacex1000２）切断試験片の有孔疲労試験結果
愛知県産業技術研究所 石川、天野

400

レーザ
ドリル（手動）350
応 力 （MPa）

ドリル（マシニングセンタ）

300
250
200
150
100
10,000100,000

1,000,000
10,000,000
繰り返し数（回）100,000,000

3) EV 用バッテリーケースのレーザ加工

Thermoplastic CFRP ，Thickness: 1.2mm

Topレーザ case
レーザトリミング後トリミング前

完成したバッテリーケース(寸法 : ２６５ｘ２１０ｘ５０ｍｍ, 重量: 270）

2) 航空機スキンパネル（板厚 ６．７ｍｍ）のレーザトリミング

Skin panel for airplane made of
CFRP composite

Laser trimming of windows ofskin panel

Laser trimmed windows of skin panel for(thickness:6.7mm)
airplaneレーザトリミングの状況

３）

ナセル（防音壁）の製作
今井航空機器工業ー最新レーザ技研

（１）表面ＣＦＲＰ板の穴あけ（案）ステップ２：ＣＦＲＰ上板とフィルムのレーザ穴あけ加工
レーザ穴あけ後の外観観察結果

8W 100mm/s 100パス

9点並行 表面7kHz
8W100mm/s

7kHz
14.2W
100mm/s

14.2W 100mm/s 50パス

1点 表面(条件7および2)

14.2W 100mm/s 70パス

9点並行 裏面

1点 裏面(条件7および2)

断面観察結果（7kHz、14.2W、100mm/s）
穴あけでくり貫いた部分の切断面を観察した。

１６００個の穴あけ

ＣＦＲＰ上板の同時複数穴明け実験

１．０ｍｍ径の穴 ２５ヶを１３５秒でレーザアブレーション加工

ステップ４：ＣＦＲＰ上板とアラミドハニカムコアの接合

試作された消音パネル

ハニカムパネルの強度（６０ｍｍ ｘ ７０ｍｍ）
試験体
最大圧縮荷重
アルミハニカムパネル
９．８０ｋＮ
アルミハニカムパネル １０．３６ｋＮ（従来品）
アルミハニカムコア
１２．２４ｋＮ
アラミドハニカムコア
７．３５ｋＮ
ＣＦＲＰ－アルミ吸音パネル １３．６３ｋＮ
ＣＦＲＰ－アルミ吸音パネル ９．８０ｋＮ
ＣＦＲＰ－アラミド吸音パネル１０．８１ｋＮ
ＣＦＲＰ－アラミド吸音パネル ８．９６ｋＮ

最大圧縮応力２．８０Ｎ／ｍｍ２
２．９６Ｎ／ｍｍ２
３．４０Ｎ／ｍｍ２
２．１０Ｎ／ｍｍ２
３．８９Ｎ／ｍｍ２
２．８２Ｎ／ｍｍ２
３．０９Ｎ／ｍｍ２
２．５６Ｎ／ｍｍ２

５．ＣＦＲＰのレーザ接合・補修技術

５．１ レーザ切断によるモザイク継手の製作

ＣＦＲＰのモザイク（突合せ）継手Edge preparartion of joint using Q switch YAG laser
Dendrite type mosaic joint(t:1.2mm)

Process time : 245 s

微細なクリスマスツリー状開先の場合

Tensile test result
T300-3257 MPa （４９％）

T300-4274 MPa （５３％）

T300-5399 MPA (78%)

Base plate 520 MPaハイブリッドレーザ加工機の開発 （サポイン研究開発）

超短パルスＹＡＧレーザの発振

５００WSMファイバーレーザ装置

超短パルスレーザとSMファイバーレーザのハイブリッド化（光合成）ハイブリッドレーザ加工システムによるCFRPの加工状況

６．今後の課題
ＣＦＲＰ等の複合材料のレーザ加工の問題点（１）加工速度の向上（２）接合技術の確立（３）各種繊維強化複合材料のレーザ加工データの蓄積、ＣＮＴＦＲＰのレーザ加工など（４）標準化、技術基準の作成（５）低価額なレーザ加工装置の開発（６）安全衛生対策

ご静聴ありがとうございました
Thank you for your kind attention.

ガラスの中にお城を築く