２章
第１節「レーザーアブレーションによるＣＦＲＰ加工技術」
光産業創成大学院大学

沓名宗春＊

１．緒言
炭素繊維強化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 材の成形および加工技術が金属材料などに比べ困難である。 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必要がある。近年、レーザー加工装置の発展により、ＣＦＲＰ複合材料の切断、穴あけ、接合など加工に適用が検討されている、ここではその現状を紹介する。

２． レーザー切断の種類と特性
レーザー加工の中でもっとも工業的に利用されているのがレーザ切断である。対象材料
も金属、木材、繊維、プラスチック、無機材料など多用である。そのために、各種レーザー切断法がある。大別すると、次のように分類される。

溶融切断はレーザーで材料の融点以上に加熱して、それをアシストガスで吹き飛ばして切断する方法である。アシストガスに酸素を用いて、炭素鋼を切断すると酸素と鉄が発熱反応を起こし、切断が容易に行える。これを反応切断と呼んでいる。しかし、他の金属は通常、酸化反応により高融点のか酸化物が生成するので、酸素以外のガス、例えばアルゴン、窒素、などをアシストガスとして溶融切断をする。これを無酸素切断と呼ぶ。レーザー切断特有のアブレーション切断は高出力密度（例えば、１ＧＷ/cm2 以上）でかつ超短パルスのレーザーで材料を切断すると、その表面層の数μｍが約１０、０００℃以上の高温になり、プラズマ化して、図 1 のように飛散して、溝が形成され、これを繰り返すと図 2 のよ

うに切断溝（カーフ）ができ、切断できる。これをアブレーション切断と呼ぶ。この方法によれば、金属のみならず、石類、ゴム、樹脂、ＣＦＲＰなどあらゆるものが切断できる。

図 1 レーザーアブレーション現象（左から照射１０ｎｓ、２０ｎｓ、約５０ｎｓ後）( a)平面図 （１パス後）(b) 切断溝の縦断面（１２０パス後）

図 2 ＣＦＲＰのレーザアブレーション切断の例 （板厚０．８ｍｍ）２）
割断はガラスやシリコンのような熱衝撃に脆い材料に対して適用する切断で、表面をレーザーで加熱し、その熱で材料に割れ目をいれ、切断する方法である。最近はシリコンウエ
ハの切断には表面でなく、材料内面に亀裂をいれて割断する場合もある。

ＣＦＲＰ複合材料のレーザー切断には２種類の方法が検討されている。１つは連続発振（ＣＷ）のレーザーを用いて、高速溶融切断し、熱影響部幅を極小にして切断する方法。
もう１つは超短パルスレーザー（パルス幅がナノ秒、ピコ秒のパルス発振のレーザー）を用いて、材料表面をプラズマ化して、繰り返して切断するアブレーション切断である。よって、用いるレーザー装置も異なる。
ＣＦＲＰの切断品質は用いるレーザー装置の種類によりおよび切断条件に大きく左右される。そこで、まず、加工用のレーザー装置の種類を表 1 に示す。
３．ＣＦＲＰ等複合材料のレーザー加工
３．１ アブレーション加工「超短パルスレーザー」とはパルス幅がフェムト秒からナノ秒のパルスレーザーを総称して呼ぶ。これに

表1
レーザーの種類

加工用のレーザ装置の種類

発振のタイ 波長（ｎｍ）

パルス幅

パルス周波数

最大平均出力０．１～２０ｍｓ

１～数百Ｈｚ～６ｋＷ－－～ ３０ｋＷプ
ＹＡＧレーザー

パルス

半導体レーザーＣＷ

９４０

ファイバーレーザ

ＣＷ

１０７０

パルス

１０７０ＣＷ

１０３０

パルス

１０３０

0.1～」００ｎｓ

１～数ｋＨｚパルス

１０６４

１～１００ｎｓ１～数ｋＨｚ

ディスクレーザ
ナノ秒Ｑ－スイッチ
ＹＡＧレーザー

１０６４－－
１～１００ｎｓ１～数ｋＨｚ－－

５３２

ピコ秒パルスレーザ

パルス

ー

１０６４

１０～７００ｐｓ

９４０

１ｋＷ～ １６ｋＷ～

１ｋＷ～４００Ｗ

１～数百ｋＨ～ｚ～ ５００Ｗ

３５５パルス～～２００Ｗ

５３２

フェムト秒パルス～１００ｋＷ

１ｋＷ～ １００Ｗ
１０～数百ｆｓ

１～数ＭＨｚ～１ｋＷレーザー

対して「短パルスレーザー」とはミリ秒からマイクロ秒オーダーのレーザーを呼ぶ。図３ はこれらのパルスレーザー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というと、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。レーザー加工は非接触プロセスであり，レーザービームと材料の相互作用時間が短時間であると、加工現象が変化する。レーザーの出力密度が数ＧＷ/cm2 と非常に高いレーザーを材料表面に照射すると、材料表面の数μｍが断熱的に急激に加熱され、１００００℃以上に加熱され、プラズマ化（イオン化）して、除去される。この現象をアブレーションと呼び、ＣＦＲＰ材料の切断・穴あけなどの除去加工に有効である。

図３

パルスレーザーを用いた材料加工.

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レーザーおよび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た。しかし、その切断結果は工業的に満足できるものではなかった。 そこで、近年では短パルスＵＶ固体レーザーによるＣＦＲＰの切断の研究などもなされた５）６）。
ここで紹介する加工技術では，ＱスイッチＹＡＧレーザーによりＣＦＲＰ複合材料をアブレーション加工する方法であり、従来の方法と大きな違いがある。その加工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。
超短パルスレーザーのパルス幅が数 10 ナノ秒より短かいパルスレーザーでは、高出力密度のレーザーが照射された際、レーザー照射された加工面は極めて短時間であるので深さ数μm の部分のみが断熱的に加熱されるため、表面層のみが約 10,000℃以上にもなり、図４に示すように,プラズマ化が起こり、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ー、ピコ秒パルスレーザー、ナノ秒パルスレーザーを用いると、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。

強度

図４ 射後のレーザーのパルスおよびプラズマのパルスの変化２）３．２

レーザー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レーザーを用いて、図５に示すようなレーザーアブレーション装置によるＣＦＲＰ等複合材料のレーザアブレーション加工を行った。
図６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 の速度でレーザーアブレーション加工した断面マクロを図６（ｂ）に示す。このように融点が３００℃の樹脂と金属の複合材料のレーザ切断に関する研究は，これまではＣＯ2 レーザーでは困難であった樹脂と反射率の高い金属箔を同時にレーザー切断できるのもレーザーアブ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。

図５ ＱスイッチパルスＹＡＧレーザー装置とその加工光学系（ビームスポット径： ３０～４５μｍ）(a) アブレーション加工された小片図６(b) 切断面のマクロ写真

アルミ合金をサンドイッチした複合材料（板厚：３００μｍ）のレーザー加工

次に、熱硬化性樹脂のＣＦＲＰ複合材料にナノ秒パルスレーザ－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。５３２ｍｍの波長（グリーン色）のパルス繰返し数５kHz の Q-switch ＹＡＧレーザ－を用いて行った。

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図７(a)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。

の場合である。ただ００フェムト秒（１０１５分の１秒）のパルスレーザ
及び１００ピコ秒（１０１２分の１秒）のパルスレーザでＣＦＲＰを切断した時の断面および表面写真を示す。上部がフェムト秒レーザ下部がピコ秒レーザの場合である。ただ、切断品質は非常に良いが、これらの切断には長時間を要するので切断速度の向上が問題となっている。

図９

フェムト秒レーザおよびピコ秒レーザ
によるＣＦＲＰの切断例８）４． レーザーアブレーション加工の開発事例
４．１ 自動車用ＣＦＲＰ部材のレーザーアブレーション加工の開発事例
４．１．１ 自動車用ハンドル
このようにＣＦＲＰ複合材料をレーザーアブレーション加工すると、高精度の加工ができることが確認できたので、この技術をどのように産業に応用できるか検討した。
まず、自動車分野として、熱可塑性樹脂のＣＦＲＰ製自動車ハンドル（板厚：6.5mm）に図１０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。レーザアブレー
図１０ 自動車ハンドルのレーザー穴あけ
ション加工では表面および裏面にバリや剥離のない、樹脂の付着も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がなく、良好であった。
４．１．２ バッテリーケース
次に、図１１に示すように、ＥＶ車等のバッテリーケースをＣＦＲＰ製にする場合のトリミング加工および穴あけ加工にレーザーアブレーション加工を用いた。バッテリーケースはホットプレスを用いて、成形し、そのバリを取るトリミングにレーザー加工を適用した。その後、取付用の穴をレーザー加工で明けた。総重量が２７０ 図１１ バッテリーケースのレーザー加工ｇの軽量なケースが製作できた。
４．２ 航空機用ＣＦＲＰ部材のレーザーアブレーション加工の開発事例
４．２．１ スキンパネルへの窓枠加工
さらに飛行機のスキンパネルの窓枠をレーザーアブレーション加工した事例を図１２に示す。スキンパネルの大きさが２０７０ｍｍⅹ６７０ｍｍ、板厚が６．７ｍｍのもので、材質は熱硬化性ＣＦＲＰ部材である。切断面はバリや剥離もなく、熱影響部も観察されない。加工精度は寸法２００mm の窓枠に対して±10μｍの高精度であった。取付け用の穴（径 6.0mm）もレーザーで穴あけ加工できた。
スキャナーを用いることで高精度に加工できることが確認できた。

図１２

航空機スキンパネルへの窓枠のレーザーアブレーション加工

４．２．２ ジェットエンジンの消音パネル
現在、消音パネルはアルミニウム合金製であるが、これをＣＦＲＰ製に改良すると非常に軽量なパネルができる。そこで、図１３に示すように、上板と下板をＣＦＲＰ部材とし、ハニカム部材をアラミドハニカムとして消音パネルを図１４のように製作した。直径１．
０ｍｍの穴、１６００個を約１００分でレーザーアブレーション加工した。その結果、図１５に示すようにバリや熱影響部もなく、穴径精度が±５μｍの穴あけができた。

図１３

消音パネルの構造

図１４

試作したＣＦＲＰ製軽量消音パネル

図１５

消音パネルへのレーザー穴あけ

図１６

ＣＦＲＰ部材のモザイク継手

４．３ ＣＦＲＰ部材の突合せ継手

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開先加工ができることを利用して、熱硬化性 CFRP（板厚：１．２ｍｍ）を用い，図１６に示す突合せモザイク継手（特開２０１１－０５６５８３）を製作した。 この継手引張試験での破断強度は母材強度（520MPa）の７８％である４００ＭＰa であった。
５ ． まとめ
超短パルスレーザーを用いたＣＦＲＰ複合材料のレーザーアブレーション加工について紹介した。さらに、レーザーによるＣＦＲＰの溶接についても紹介した。この技術分野においてもドイツは技術開発を精力的に進めている。日本でも著者らはその後塵を踏むことのないように、研究開発に力を入れている。
謝辞
著者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実施した。本報告はその研究成果も含めている。

参考文献
1)H.Fukagawa: Proc.of LPCC2012, April,26-27(2012),Yokohama,paper#LPCC-2-32)松田、萬澤ほか：Motor Fan, Vol.61(2011), p.60-613)沓名、井上：溶接技術、Vol.59,No.8(2011)、p.85-89
4)M.Naeem ほか；Proc.of LPCC2012,April,26-27(2012),Yokohama, paper#LPCC-2-15)P.Jaeschke,U.Stute ほか；Proc. ofLPCC2012,April.26-27(2012),Yokohama paper#LPCC-4-16)片山、川人ほか；日本溶接協会ＬＭＰ委員会資料、ＬＭＰ－本―０９（Ｈ２４年５月）
7)A.Klotzbach ほか: Proc.of LPCC2012,April.26-27, (2012),Yokohama,paper#LPCC-2-18)M.Fujita ほか；Proc.of LPCC2012, April.26-27、 (2012), Yokohama, paper#LPCC-5-19)Y.Kawata ほか；Proc.of LPCC2012, April.26-27 (2012), Yokohama, paper#LPCC-5-310)H.Niino ほか；Proc.of LPCC2012, April.26-27(2012), Yokohama, paper#LPCC-4-511)M.Kutsuna ほか；Proc.of LPCC2012, April.26-27 (2012), Yokohama, paper#LPCC-4-312)K.-W.Jung, S.Katayama ほか；Proc.of LPCC2012, April.26-27(2012), Yokohama paper#LPCC-3-213) P.Jaeschke,V.Wippo ほか；Proc.of LPCC2012, April.26-27(2012), Yokohama, paper#LPCC-3-1