レーザによる炭素繊維強化プラスチックの加工
沓名宗春＊、 井上裕喜＊

Laser Materials Processing for CFRP Composites
Muneharu KUTSUNA＊,(ReceivedHiroki INOUE＊

on March 31,2014)

The applications of carbon fiber reinforced plastic (CFRP) composites is now growing in aerospace and automotiveindustry. However, some issues restrict the applications to limited area. The price of CFRP composite is high andmaterial processing is not easy. It makes production cost higher. In the present work, a fundamental investigation indeveloping a new laser machining of CFRP composites has been carried out using a ultra short pulsed
laser(Q-switch YAG laser). Thermoplastic- and thermoplastic matrix CFRP composites was cut by Q-switch
Nd:YAG laser with the wave length of 532nm and the pulse duration of 8ns. The cut surface was observed using alaser microscope. The quality of cut surface was excellent without burning of plastic resin, carbon fiber charringand getting untied. Kurf Width was about 0.21mm, when the beam diameter was 0.2mm. This laser machining
process is not thermal cutting, but is laser ablation process. Laser cutting and drilling carried out by a SM fiberlaser。
Key words : CFRP composite, Q switch YAG laser cutting, drilling, nano-second pulsed laser
1. 緒言

炭素繊維強化プラスチック(以下ＣＦＲＰと略す）
複合材料の適用の分野は航空機、船舶、スポーツ用品、自動車分野など広い応用が期待されている１）。
すでに、ボーイングの B787 旅客機では主翼をはじめ、構造部材の約 50％に CFRP 材が適用されている。自動車産業でも、比重 1.6 で鋼材の 4 分の１で引張強度が 10 倍の CFRP 材を適用する試みが始まっている。
輸送機器産業への CFRP 部材の適用を考えるとき、素材が高価であるばかりでなく、この CFRP 材の加工が困難で、高価なダイヤモンドカッターを用たり、ウオータージェット切断機などを用いるため、CFRP製品が高価になり、その適用が限定されている。そこで、著者らはより簡便な加工方法の１つとしてナノ秒パルスのＱスイッチＹＡＧレーザまたは高輝度のＳＭファイバーレーザを用いた CFRP 材のレーザ加工法（特許第 4734437 号）を提案・開発したので紹介する。
＊(株)最新レーザ技術研究センター

2. 超短パルスレーザの特徴と基礎実験
2.1 超短パルスレーザの特徴
ここでは「超短パルスレーザ」とはパルス幅がナノ秒からフェムト秒のパルスレーザを総称して呼ぶ。これに対して「短パルスレーザ」とはミリ秒からマイクロ秒のレーザを呼ぶ。
Fig.1 はこれらのパルスレーザのパルス幅と各種レーザ加工を示す。なぜこのような分類をしかたか？それは断熱的なレーザ加工現象がほぼ数10 ナノ秒のパルス幅を境に大きく異なるからである。
ご存じのようにレーザ加工は非接触プロセスであり，自動化も容易であるため，CFRPの切断に有効なプロセスである。繊維強化複合材料のレーザ切断に関する研究は，これまではＣＯ2レーザおよびＮｄ：〒４４６－００２６愛知県安城市安城町広美４０－７、,Advanced Laser Technology Research Center Co.,Ltd、
40-7, Hiromi,Anjo-cho,Anjo-shi, Aichi-ken, JAPAN,

Fig. １

Laser Materials processing using a shortpulse laser.

ＹＡＧレーザを中心になされており２），加工条件の最適化３），モデル化４）など様々な研究がなされている。また，近年では短パルスＵＶ固体レーザによるCFRPの切断の研究などもなされている５）６）。
本技術では，Q-Switch ＹＡＧレーザおよびシングルモードファイバーレーザによりCFRPのアブレーション加工を行い，その現象について考察するとともに、切断部の品質をレーザ顕微鏡などで観察し，高品質な切断加工が可能かどうか検討した。
超短パルスレーザのパルス幅が数 10 ナノ秒より短かいパルスレーザでは、高出力密度のレーザが照射された際、レーザ照射された加工面は極めて短時間であるので深さ数μm の部分のみが加熱されるため、表面層のみが約 10,000℃以上にもな 超短パルスレーザのパルス幅が数 10 ナノ秒より短かいパルスレー
ザでは、高出力密度のレーザが照射された際、レーザ照射された加工面は極めて短時間であるので深さ数μｍの部分のみが加熱されるため、表面層のみが約 10,000℃以上にもなり、Fig.2 に示すように,プラズマ化が数 10 ナノ秒に起こり、材料の分解・除去加工が可能となる。これをアブレーション加工と呼ぶ。
よって、フェムト秒パルスレーザ、ピコ秒パルスレーザ、ナノ秒パルスレーザを用いると、金属、ポリマー、無機物、ガラスなどの微細な除去加工が可能になる。の速度でレーザアブレーション加工した断面マクロを Fig.４（ｂ）に示す。このように融点が約 300℃の樹脂と融点も反射率も高い金属箔を同時にレーザ切断できるのもレーザアブレーション加工の特徴である。約 20～30ｎｓとパルス幅が短かいので金属の熱で樹脂が損傷を受けることなく切断できている。まさに、断熱加工が可能である。

Fig.3 Laser ablation processing system（Beam spot diameter：30～45μｍ）
次に、熱硬化性樹脂の CFRP 複合材料にナノ秒パルスレーザを適用したアブレーション加工を紹介する。
供試材として板厚 1.2mm の CFRP 材を用いた。532nmの波長（グリーン色）のパルス繰返し数 5kHz のQ-switch Ｙ Ａ Ｇ レ ー ザ を 用 い た 。

a)polymer ―metal composite b)cross section
図４ Laser cutting of polymer-AL―polymer
Fig.2

Laser pulse and plasma pressure duringnano-pulse laser irradiation2)

2.2 レーザアブレーション加工の基礎実験
まず、定格平均出力 30Ｗ、最大パルスエネルギー5ｍＪ、最大繰返し数 50ｋＨｚ、パルス幅 10～80ｎｓのナノ秒パルスＹＡＧレーザを用いて、Fig.3 に示すようなレーザアブレーション装置による CFRP 部材や複合材料のレーザアブレーション加工を行った。
Fig.４は透明樹脂と不透明樹脂にサンドイッチされた金属フィルムを示すが、 これを 50～100ｍｍ/s

Composite film（thickness：250μm）
6.5ｍｍ径の穴あけを約 200mm/s ～400mm/s の走行速度で、200 パスから 400 パス繰り返して 21秒から 23 秒で 1 個の穴を開けた部材の外観写真をFig.5 に示す。穴あけ部の周辺の樹脂は表面・裏面ともにダメージやバリがないことが確認できた。
また，カーフ幅は約 60μm であった。
さらに板厚 3.5ｍｍ厚の CFRP 材を穴径 6.5ｍｍでレーザアブレーション加工した。平均出力 14Wで、パルス周波数 5kHz で、100m/s のスキャン速度で、500 パスを要した。28 分で 1 個の穴を開け[テキストを入力してください]た。6.5ｍｍ厚の熱可塑性 CFRP 材に 20ｍｍ径の穴あけに約１時間を要した場合と比較するとより長時間を要した。さらに、板厚 11.5ｍｍの CFRP 材に 10ｍｍ径の穴あけをした例を Fig.6 に示す。
1 つの穴あけに約 2 時間を要した。

断面が得られた。このことから熱可塑性 CFRP においても Q-スイッチＹＡＧレーザ切断により高品質な切断が可能であることが確認できた。
以上の基礎実験では、CFRP 材の種類では熱可塑性の複合材料の方が加工し易いこと、ビームのスポット径が 30μｍから 45μｍになり、板厚が厚いと非常に加工時間が長くなることが明らかになった。

Fig.5

Laser drilling of thin CFRP(t=1.2mm)

Fig.6

Laser drilling of thick CFRP (t=11.5mm)

Fig.7 にビーム径 30μｍの Q-スイッチ YAG レー
ザによる熱可塑性 CFRP 材の切断部の断面顕微鏡
写真を示す。レーザアブレーション加工では樹脂が付着していないきれいな切断面が得られた。切断面における炭素繊維先端の形状も粗大化して

Fig.7

Cross section of thermoplastic CFRP
Cut by Q-swtch YAG laser

おらず，うなぎを包丁でそいだように良好な切

3. シングルモードファイバーレーザによるレーザ切断実験
最近、ファイバーレーザやディスクレーザの開発が進み、そのビーム品質も非常に良くなっている。
そこで、ここでは 3kW のシングルモードファイバーレーザを用いて、1.2mm の熱可塑性樹脂のCFRP の切断実験を行った。レーザ出力 300W,焦点はずし距離 0.5mm,走行速度 20m/min で切断したところ、切断回数８回から１０回で切断できた。その切断面のレーザ顕微鏡写真を. Fig 8 に示す。
この断面には炭素繊維が１本１本輪切りされていることが確認できた。

Fig. 8Micro photograph of ＣＦＲＰ cut byQ-switch YAG laser（x400）
４． レーザアブレーション加工の開発事例

このように高精度でＣＦＲＰ複合材料をレーザアブレーション加工する技術をどのように応用できるか２，３の事例について検討した。
熱可塑性樹脂のＣＦＲＰ製自動車ハンドル（板厚：6.5mm）に Fig.9 に示すように 6.5mm 径の穴と 20mm 径の穴を開ける実験を行った。6.5mmの穴は約 17 分で加工出来たが、20mm の穴は約１時間を要した。穴内面の切断状況をレーザ顕微鏡で観察すると良好な切断面が観察された。
次に、自動車のバッテリーケースの軽量化を図るために、重量 270g の CFRP 製ケースをホットプレスで成形した後、レーザトリミングおよび穴あけ加工した例を Fig.10 に示す。
[テキストを入力してください]

に小型飛行機のスキンパネルの窓枠をトリミングした例を Fig.12 に示す。加工精度は寸法 200mm の窓枠に対して±10μｍの精度であった。取付け用の穴（径 6.0mm）もレーザで穴開けした。
(a) Making windows on skin panel of CFRP

Fig.9

CFRPT Car Handle has 7 holes madeby laser ablation

Fig.10CFRPT Car Battery Case trimmed byCW single mode Fiber laser and drilled byQ-switch YAG laser
この場合、ケースの４辺の直線部分はＳＭのファイバーレーザで切断、４つのコーナー部および穴あけは超短パルスＹＡＧレーザでアブレーション加工を行った。ＳＭファイバーレーザで切断した断面は Fig.7 に示したようにファイバー１本１本が丸く切断されていた。
将来、構造部材も超軽量が要求される部材が現れることを考え、ここではＣＦＲＰ製Ｈ形材を製作し、これをレーザアブレーション加工により穴Fig.11

Laser ablation of CFRP H-beamあけ、切断した。Fig.11 にレーザ加工後のＨ形材を示す。板厚はフランジもウエブも 5mm とした。
連結用の穴（6.5 径）はレーザ加工とした。 さら(b) Laser ablation for skin panel for airplane(thickness : 6.7mm)
Fig.12 Laser ablation for skin panel for airplane

さらに、超短パルスのＱスイッチＹＡＧによる微細なアブレーション加工の特徴を生かして複雑なモザイク形状の切断および穴あけができることを利用して、熱硬化性 CFRP（板厚：１．
２ｍｍ）を用い，突合せモザイク継手（特開２０１１－０５６５８３）の開先加工を行った。
切断及び穴あけ後の外観写真を Fig.13 に示す。
直線部分，曲線部分，角部いずれも正確に加工することが可能であった。引張試験でに破断強度はあて板有りで母材強度（520MPa）の66％であった。現在 90％の目標値を目指している。
Fig.13 レーザアブレーション加工されたモザイク継手[テキストを入力してください]Fig,13 Mosaic Joint of CFRP prepared by laser
Ablation(a) Acoustic liner composed of CFRP andAramid resin(a) Acoustic liner used for Nacelle7)(b) Laser drilling of CFRP panel for acousticliner （dia. of hole：１ｍｍ）
Fig.15Laser drilling of CFRP panel for
acoustic liner(b) Structure of acoustic liner
Fig.14 Laser drilling of acoustic liner of CFRP８）
現在米国ではジェットエンジンのナセルの部分にＣＦＲＰ部材を利用する研究が Fig.14 に示すようになされているが、本技術を使えば、ＣＦＲＰ板の穴あけ加工が容易に行える。
そこで、Fig.15 に示すようにアラミド樹脂製ハニカムパネルの上下に熱硬化性樹脂のＣＦＲＰ材（板厚保８ｍｍ）を配し、上板のみレーザ穴あけをレーザアブレーション加工で実施した。穴径は１．０ｍｍと１．５ｍｍで２５個をあけた。１．
０ｍｍ径の穴あけに例を Fig.15(b)に示す。加工時間は１３５秒と１つの穴加工に５．４秒を要するのみであった。

まとめ5 .
ナノ秒パルス Q-Switch YAG レーザおよび３ｋＷシングルモードファイバーレーザを用いた
CFRP の切断および穴あけ加工の特性とその応用部材について開発事例を紹介した。
1.2mm 以下の薄板のＣＦＲＰの除去加工についてはかなり速い加工が可能であることが確認できた。しかし、3mm 以上の厚板についてはまだ加工時間が長いという問題がある。現在平均出力が15W～20W と小さいので、厚板の切断にはより高出力の装置を用いる必要がある。
非常に高品質な切断、穴あけ加工ができることから、板厚の薄い部材から適用が進むものと思われる。熱硬化性 CFRP と熱可塑性 CFRP のいずれにおいても試験片表面の樹脂がほとんど蒸発せず，炭素繊維先端も粗大化しない高品質な切断が可能であった。また，複雑な形状のモザイク継手の開先加工も容易で、モザイク突合せ継手を製作できることが明らかになった。

[テキストを入力してください]謝 辞
著者らはこの技術をさらに工業的レベルで発展させるため、経済産業省の戦略的基盤技術高度化支援事業に応募し、平成２１～２３年度の開発テーマに「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、名古屋産業科学研究所の管理のもとで名古屋大学田邊研究室、佐宗研究室、大同大学平研究室、愛知県産業技術研究所、（株）齋藤工業、（株）童夢カーボンマジック、今井航空機器工業（株）、（株）最新レーザ技術研究センターが共同研究を行っている。本報告はその研究成果の一部である。
参 考 文 献1) 沓名、井上；溶接技術 Vol.58 No.3(2010),pp96-100
2)G.Caprino,Fabbro ほか Int. J. Mach. ToolManufact.,vol.35(6), pp. 831-840, (1995).
3)E.Uhlmann, G. Spur,ほか；Int. J. Mach. Tool
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4) F.C.Campbell；Manufacturing processes foradvanced composites, Elsevier, UK, pp. 442.
5) B.Denkena, F.Volkermeyer ほか；J. Appl.
Prod.Technol,APT’07,Bremen,Germany,pp.
99-105 (2007).
6) Z.L. Li, P.L. Chu ほか；Proc. of 27th
ICALEO2008,Temecular,CA, USA, 20-23
Oct.2008, pp. 222-230.
7)G.Bielak,A.Hersh ほか；
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8)P.French, M.Naeem ほか；Proc.of ICALEO
2010,Sept.26-30, Anaheim,CA, paper#902,[テキストを入力してください]