2014, Jul.
No.

316

CONTENTSCFRPの高品質加工を目指して
OPIC2014国際会議報告【光と蔭】STAP 細胞の誤算
主な学会等報告予定【表紙図】1500mm/sで直線加工したPAN系とPITCH系CFRP（厚さ 250μm）のSEM像の比較

CFRPの高品質加工を目指して◆CFRPレーザー加工の課題
次世代エンジニアリング材料として注目されている
CFRP（Carbon Fiber Reinforced Plastic：炭素繊維強化樹脂複合材料）に対するレーザー加工の適用可能性について研究を進めている。C F R Pは炭素繊維を積層し樹脂で固めた構造であるため、樹脂が何らかのダメージを受けると層間剥離が生じて強度が低下してしまう恐れがある。基本的に熱加工であるレーザー加工の場合は、炭素繊維の昇華温度よりも一桁低い融点をもつ樹脂が先に溶融し、炭素繊維と樹脂の間に隙間が生じたり、炭素繊維が露出してしまうことが問題となっている。樹脂が熱的ダメージを受けた領域はH A Z（Heat Affected Zone：熱影響領域）と呼ばれ、10μm〜100μm以下に抑制することが求められている。

◆薄いCFRP加工で基礎特性を明らかに

藤田雅之

主席研究員
存性をクリアにするためには、加工時に起きる複雑な要因を排除した状態で実験データを取得することが望ましい。そこで、C F R Pレーザー加工の基礎特性を明らかにするために、厚さ数100μmの薄い材料を用いた加工実験を行った。

◆炭素繊維の熱的特性も重要
C F R Pに用いられている炭素繊維には大別してP A N系とPITCH系の 2種類がある。PAN系炭素繊維は高強度でしなり易いという特徴から、自動車車体、航空機、ゴルフシャフト、テニスラケット等に広く使われている。
一方、PITCH系炭素繊維は高弾性でしなり難いという特徴に加えて黒鉛結晶に近い性質を有している。熱伝導率は金属の銅と同等か 2倍（800W/mK）
であり、熱膨-6
張係数は黒鉛結晶と同じ-1.3×10 /℃であり絶対値で石英ガラスの 2倍程度である。熱を伝えやすく高温環境下でも変形しにくい材料である。加工結果の解釈には、これらの熱的な特性も考慮する必要がある。

我々は、超短パルスレーザーを用いることでCFRPのレーザー加工に伴うH A Zを最小限に抑制できることを示してきた（レーザークロスN o .267）。一方で、加工品◆UVピコ秒レーザーでCFRPを加工質や加工速度、フォトンコスト等は互いにトレードオ
波 長266 n m、 パ ル ス 幅35 p sの レ ー ザ ー を 用 い てフの関係にある。CFRPの形態も様々であり、レーザーC F R Pの切断実験を行った。加工試料として厚さ約加工の実用化のためには用いるレーザーの波長やパルス幅を最適化していくことが重要となる。
厚さ数m mのC F R Pをレーザーで切断する際に、用いるレーザーに関わらず溝が狭く深くなるほど加工速度が低下するという現象が観測されている。これは、深溝内部に微粒子やプラズマが滞留して溝の底部までP A N系クロスC F R Pを低速（20m m / s）で直線レーザー光がうまく届かないことが原因と考えられ 【図1】
加工した際に観察される熱影響領域（矢印部分）のS E Mる。C F R Pレーザー加工の波長やパルス幅に対する依像。炭素繊維と(a)垂直に (b)平行に加工された部分

次ページへつづくCFRPの高品質加工を目指して250μmのPAN系とPITCH系のCFRPを用いた。レー
ザーパワーを 0.5W〜2W、繰り返し周波数を 25kHz〜100k H zと変化させ、焦点距離100m mのレンズを用いてレーザー光を集光照射した。CFRP試料は直進ステージまたは高速モーター上に固定した。直進ステージを用いた場合は 10mm/s〜40mm/sの掃引速度で試料を直線加工し、高速モーターを用いた場合は 1500m m / sの掃引速度で試料を円形に加工した。

◆ピコ秒パルスでも掃引速度が遅いと図１にPAN系クロスCFRPを 20mm/sの低速で直線加工した際に観察されるH A ZのS E M 像（矢印部分）を示す。ここでは、C F R Pの樹脂が蒸発し炭素繊維が露出した領域をH A Zとして示している。掃引速度が遅い
場合はピコ秒パルスレーザーを用いても熱影響領域が発生する。特に、炭素繊維に対して垂直に加工する場合は局所的な加熱の影響が著しい。PAN系炭素繊維の熱伝導率は鉄と同程度であり繊維内での熱伝導は比較的良好であるが、隣接する繊維間の熱伝導は極めて低い。

◆同じ掃引速度でもPITCH系では図2にレーザーパワー 2W、掃引速度40mm/sで直線加工したP A N 系とP I T C H 系のC F R P 試料のS E M 像を示す。40 m m / sの低速掃引では同じ照射パワーでもP A N系C F R Pでは炭素繊維が露出しているがP I T C H
系CFRPの場合は露出が見られない。PAN系に比べてPITCH系炭素繊維は熱伝導率が数倍高いために、局所的に熱が溜まることなく加工が行われていることが分かる。

垂直に切断した部分を示している。いずれの場合も顕著なHAZが確認できない。レーザーの集光径は約15μmであり、照射スポットは試料上で 50％ずつオーバーラップして掃引されている。パルスは 20 μ sの間隔で照射されており、パルス毎の熱蓄積はほとんど起きていないと考えられる。

◆高品質加工のためには一般的に、短波長、超短パルスのレーザーを用いることで熱影響が少ない加工が実現できるといわれているが、パルスの繰り返し周波数と掃引速度によっては熱影響が生じてしまう。同じ場所を短時間で多重照射すると、試料に熱が蓄積してしまう。近年、超短パルスレーザーの平均出力の向上と共に繰り返し周波数が増大しており、掃引速度が熱影響を支配する局面が増えてきている。
レーザーのパルス幅が短いほど、掃引速度が速いほど、波長が短いほど、熱影響の少ない加工が実現できるのである。
本研究は近畿大学・前田研究室との共同研究で実施し、レーザーの利用にあたってはスペクトロニクス（株）のご協力を得ました。関係者各位に感謝いたします。

◆高速掃引でHAZのない加工
表 紙 図 に レ ー ザ ー パ ワ ー 2 W、 繰 り 返 し 周 波 数50kHz、掃引速度1500mm/sで円形加工したPAN系とP I T C H系のC F R P試料のS E M像を示す。炭素繊維を【図2】40 m m / sで直線加工したP A N系とP I T C H 系
CFRPのSEM像の比較

REPORTOPIC2014国際会議報告

藤田雅之
レーザープロセス研究チーム ハイク コスロービアン
主席研究員

去る 4月22日〜25日、パシフィコ横浜にてO P I C 国際会議（O P T I C S & P H O T O N I C S I n t e r n a t i o n a lCongress）が開催された。OPICは、高エネルギー密度
科学、LED、レーザー点火等、9つの主要分野に関する会議群で構成されており、他にも産業界から大規模な技術展示会（OPIE）が併設される等、日本における光・レーザー技術関連の一大イベントとなっている。本稿
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では、OPIC内で開催された会議の模様を報告する。

◆SLPC 国際会議O P I Cの中でレーザー加工を主テーマとする会議がSLPC（Smart Laser Processing Conference）である。
2012年/2013年にはレーザー加工の対象をC F R P 等の複合材に絞り込んだ会議（LPCC）が開催されたが、今年からレーザー加工一般を対象としたS L P Cに衣替えした。参加者は 12カ国から 86名、口頭発表件数は 11カ国から 51件（うち招待講演16件）であった。C F R Pのレーザー加工に関しては、5件の発表からなるセッションが設けられた。以下にC F R Pのレーザー加工に関するトピックスを報告する。

◆CFRPレーザー加工への要求げて加工時間を短縮しようとすると繰り返し周波数の向上を伴うため、超高速のスキャナーは不可欠であるという結論に至っていた。現状で 6 m m 厚のC F R Pに6m mの孔を空けるのに 20分かかっており、これを 2分に短縮することが求められている。これを実現しH A Zを 10 μ m 以下にするためには数k Wのピコ秒レーザーを 10m / s以上で掃引することが求められるであろうとコメントしていた。

Manchester大学のLin Liは主に波長355nmのナノ秒レーザーを用いたC F R P加工を行っている。産業界との連携で、熱影響領域（HAZ）を 10μm以下にしなけ◆岐阜大学の取り組みればいけないという要求に対して波長やパルス幅の最岐阜大の吉田准教授らは、Q C Wのファイバーレー適化を検討していた。以前はC Wやミリ秒/マイクロ秒ザーを用いてH A Zの最小化に取り組んでいる。単位面のレーザーでH A Zが 100μ m以上であったのが、ナノ積当たりの投入パワーが同じであれば、H A Zも同じに秒パルスを用いることで 50μ m程度まで抑制され、さなるという実験結らにサブナノ秒レーザーを用いることで 20μm〜30μ
果 を 示 し て い た。
m程度まで小さくすることができたとのことであった。
つまり、レーザーの多重線加工をすることで加工速度の向上が可能である
平均パワーを上げとの実験結果から、レーザースポット径の 3倍程度の間るとそれに比例し隔で多重線加工をすることが最適であるという結論をて掃引速度を上げ得ていた。また、H A Zの抑制に高速掃引が不可欠であ
なければH A Zが増り、サブナノまたはピコ秒レーザーで平均パワーを上 【写真】発表中の藤田主席研究員
大してしまうことSTAP細胞の誤算
ことしの2月3日（OELキャンペーン

……205558）で「天晴れリケジョの活躍」と題して理研の発生・再生科学総合研究センターの小保方晴子研究主任の「STAP細胞」という万能細胞の「Nature」への発表をたたえたが、残念ながらこの論文は科学論文の体をなさず細胞写真がコピペだったり、内容も不備との刻印をおされ孤立無援の仕儀になった。
まことに残念という外はない。そもそも山中伸弥教授のi P S 細胞の発明に関しノーベル生理医学賞受賞があり、この対抗馬として大きな期待がもたれたSTAP 細胞はiPS 細胞と異なり、作製が容易で癌化の心配もないという触込みで売込まれた。
理化学研究所の改革委員会の報告によると研究不正行為を誘発した欠陥がある発生・再生科学総合研究センター（CDB）は解散すべきとの声がある。
笹井芳樹センター長の下でCDBはデータの検証を怠り内部で秘密裏に拙速に論文を作成し、投稿を急いだ。科学論文に求められるデータに基づく確固とした内容がなかった。
また小保方晴子主任の資質や研究を精査することなく採用をすすめ、成果主義に走り、今のような実態を許容した理研のガバナンスが問われている。かつての栄光の理研はどこで迷走を始めたのか。
STAP問題は世界の三大研究不正の一つに設定されているという。何たる恥辱。
文科省はiPS細胞を中心に世界をリードする革新技術の開発を目指し、京大、慶応大、理研、東大の 4ヶ所の研究機関を中核的研究拠点とし、10年間1100億円を準備した。生物医学界からは偏重すぎる、「みんなどけどけ多能性幹細胞様のお通りだ」と揶揄されている。功名争いの下、成果主義に国を挙げて走ると往々にしてこのような誤算、迷走が生まれる。
科学はもっと地道に、もっと冷静に日頃の努力を積み重ねることが肝要である。
拡大と拡張の続いた理研は功をあせりすぎたのか。

【名誉所長】
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になる。彼らはこれらの現象を熱解析と共にA N S Y S
コードを用いたシミュレーションで解析しようと試みている。このような理論的な取り組みは世界的にも数少なく、重要な研究成果ならびに実験の指針をもたらすものと期待される。

発表では、6コアレーザーの近視野および遠視野像が示され、C r : Y A G結晶を過飽和吸収体に用いた結果等を例に挙げてin-phase スーパーモード選択技術、輝度スケーリングのポテンシャル等の詳細が報告された。

◆多波長多重照射の試み
ドイツ・ドレスデンのIWS研究所のKlotzbachからは波長10 μ mの炭酸ガスレーザーと波長1 μ mのファイバーレーザーの重畳照射システムの紹介があった。
C F R Pと共にG F R Pにも対応可能な加工システムである。光学系の波長分散を補償するために 1 μ mの光学系に補償光学素子を導入している。予備的な実験では単一波長照射よりも重畳照射の方が良好な結果が得られていた。今後の実験結果の積み重ねと解析が期待される。
（藤田雅之）

上海光学精密機械研究所（S I O M）のX . L i a n gから、コンパクトな 10 P Wレーザーの開発に関する報告があった。彼らはフロントエンドにチャープパルス増幅（C P A）を、バックエンドに光パラメトリックチャープパルス増幅（O P C P A）を用いたハイブリッドシステムを採用している。C P Aで得られた 1 .9 JのパルスをO P C P A（ポンプエネルギー 102J）に導入し、最終的に出力〜28.7J（パルス幅〜34fs）が得られている。彼らはこのシステムをさらに拡張し、2年以内に出力300J（パルス幅25fs）を目指している。

■ALPS2014国際会議■HiLASEプロジェクトの現状■コンパクト10 PWレーザー

ALPS’14（The 3 Advanced Lasers and Photon
ASCR物理学研究所（プラハ）のA. Lucianettiから、Sources 2014）は、OPICの中で先進的レーザー・光源
チェコで進められている産業応用レーザーH i L A S Eの開発とその応用について議論する場として位置付け （High average power pulsed Laser）開発プロジェクられている。今回は 20件の招待講演、48件の口頭発表、 トの現状報告があった。HiLASEにはYb:YAGマルチ
44件のポスター発表が行われた。以下にレーザー開発
スラブ方式およびH eガス冷却が採用されている。今回に関するトピックスを紹介する。
は、繰り返し10Hz、電力変換効率＞12%の高出力（100J）
条件でのY b : Y A Gの熱光学計算の詳細が報告された。
■マルチコアファイバーレーザーの位相制御
マルチコアフォトニック結晶ファイバーレーザーは
光吸収スラブと利得物質の間に屈折率整合中間層を導複数の利得コアを持ち、次世代高出力レーザー開発の入すれば、増幅レーザービームの非偏光性と光路差を重要要素であるコヒーレントビーム結合技術（C B C）の補償でき、レーザーの発振効率および品質を向上できパワースケーリングのために将来有望なレーザーであるとのことであった。レーザー装置は現在、英国の中る。電気通信大の白川教授から、過飽和吸収体により複央レーザー研究施設（C L F）で構築中であり、2015年5数コアのパッシブQ -スイッチングを同時に行う新しい月までに完成予定とのことである。
（ハイク コスロービ
同位相（in-phase）モード選択法に関する報告があった。 アン）
rd

主な学会等報告予定
7月27日
（日）
〜8月1日
（金） 18th International Symposium on Flavins and Flavoproteins（タイ・バンコク）
ハイク コスロービアン 「Ultrafast Flourescence Spectroscopic Studies on Flavins and Flavoproteins」（招待講演）
9月3日
（水）
〜6日
（土）
電気学会C部門大会（島根大学）
島田 義則 「レーザーを用いた碍子表面塩分計測」
9月10日
（水）
〜12日
（金） 土木学会全国大会（大阪大学豊中キャンパス）島田 義則 「レーザーを用いたコンクリート構造物の健全性評価技術（2）-ケミカルアンカーボルトの接着不良検出」
9月17日
（水）
〜20日
（土） 応用物理学会 秋季大会
（北海道大学）
ハイク コスロービアン 「ナノ秒パルスレーザーの重ねアパーチャコヒーレントビーム結合」
古河 裕之 「レーザーピーニング統合シミュレーションによる塑性圧縮応力の評価」
李 大治 「負の屈折率媒質による電磁波放射の基礎研究」
9月17日
（水）
〜20日
（土） JSAP-OSAジョイントシンポジウム 2014（北海道大学）
藤田 雅之 「Micromachining of CFRP with Ultra-Short Laser Pulses」
9月22日
（月）
〜25日
（木） SPIE Remote Sensing（オランダ、Amsterdam）
染川 智弘 「Raman spectroscopy measurements of CO2 dissolved in water and CO2 bubbles for laser
remote sensing in water」
Laser Cross No.316 2014, Jul.

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