JP6719231B2 - 炭素繊維複合材料の加工方法および加工装置 - Google Patents

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Description

本発明は、炭素繊維複合材料の加工方法および加工装置に関するものである。
炭素繊維複合材料、たとえば炭素繊維と樹脂との複合材料であるCFRP(Carbon-Fiber-Reinforced Plastic)は、その質量に対する強度が高いため、たとえば自動車の車両の部品(車体等)や航空機の部品(機体等)の構成材料としての利用が拡大している。CFRPを車両部品や航空機部品の構成材料として利用することで、その部品に必要な強度を維持したまま車両や航空機を軽量化でき、これにより燃費の向上が期待される。
ここで、CFRPを上記部品の構成材料として利用する場合、CFRPを所望の形状に加工する必要があるが、実用上の観点から、高品質の加工を行うことが求められている。CFRPの加工の方法の一つとして、レーザ光を用いたレーザ加工がある。レーザ加工は、加工対象にレーザ光を照射し、レーザ光のエネルギーにより加工対象を切断、穿孔など加工するものである。レーザ加工は、加工対象と非接触で加工が可能であり、加工形状の自由度が高い等の利点を有する。
特許文献1には、繊維強化プラスチックなどの加工材料をパルスレーザ光にてレーザ加工する方法が開示されている。
特開2010−247206号公報
上述したように、CFRPをはじめとする炭素繊維複合材料を高品質で加工することが求められている。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、炭素繊維複合材料を高品質で加工することができる炭素繊維複合材料の加工方法および加工装置を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る炭素繊維複合材料の加工方法は、板状の炭素繊維複合材料の一方の表面にレーザ光を照射する工程と、前記炭素繊維複合材料の前記レーザ光を照射している表面とは反対側の表面である裏面を冷却する工程と、を含むことを特徴とする。
本発明の一態様に係る炭素繊維複合材料の加工方法は、前記炭素繊維複合材料の表面において前記レーザ光を照射している部分に向かって、前記炭素繊維複合材料の表面に対して所定の角度だけ傾斜した方向から非酸化性ガスを吹きつける工程をさらに含むことを特徴とする。
本発明の一態様に係る炭素繊維複合材料の加工方法は、前記非酸化性ガスは希ガス、窒素ガス、一酸化炭素ガス、および二酸化炭素ガスの少なくともいずれか一つを含むことを特徴とする。
本発明の一態様に係る炭素繊維複合材料の加工方法は、前記裏面を冷却する工程は、前記裏面に向かって冷却媒体を吹きつける工程を含むことを特徴とする。
本発明の一態様に係る炭素繊維複合材料の加工方法は、前記冷却媒体は、乾燥空気、圧縮空気、窒素ガス、希ガス、および二酸化炭素ガスの少なくともいずれか一つを含むガスであることを特徴とする。
本発明の一態様に係る炭素繊維複合材料の加工方法は、前記冷却媒体は、ゲル状の流動体であることを特徴とする。
本発明の一態様に係る炭素繊維複合材料の加工方法は、前記冷却媒体は、液体であることを特徴とする。
本発明の一態様に係る炭素繊維複合材料の加工方法は、前記冷却媒体は、スラリーであることを特徴とする。
本発明の一態様に係る炭素繊維複合材料の加工方法は、前記裏面を冷却する工程は、前記裏面を電子冷却素子で冷却する工程を含むことを特徴とする。
本発明の一態様に係る炭素繊維複合材料の加工装置は、レーザ光を出力するレーザ光源部と、前記レーザ光が入力され、板状の炭素繊維複合材料の一方の表面に前記レーザ光を照射する照射部と、前記炭素繊維複合材料の前記レーザ光を照射している表面とは反対側の表面である裏面を冷却する冷却機構と、を備えることを特徴とする。
本発明の一態様に係る炭素繊維複合材料の加工装置は、前記炭素繊維複合材料の表面において前記レーザ光を照射している部分に向かって、前記炭素繊維複合材料の表面に対して所定の角度だけ傾斜した方向から非酸化性ガスを吹きつけるガス吹付機構をさらに備えることを特徴とする。
本発明によれば、炭素繊維複合材料を高品質で加工することができるという効果を奏する。
図1は、実施形態に係る加工装置の模式的な構成図である。 図2は、ガスノズルと、図1に示す加工装置を用いた切断方法と、を説明する模式図である。 図3は、図1に示す加工装置を用いた切断方法を説明する模式図である。 図4は、CFRPの切断面を説明する模式図である。 図5は、表面からのガス吹き付け角度と加工速度との関係を示す図である。 図6は、Nガス吹き付けによる裏面冷却を行った場合の切断面のSEM像を示す図である。 図7は、圧縮空気吹き付けによる裏面冷却を行った場合の切断面のSEM像を示す図である。 図8は、Nガスまたは圧縮空気の噴射量と加工速度との関係を示す図である。 図9は、表面からのガス吹き付けおよび裏面冷却の効果を説明するSEM像を示す図である。 図10は、裏面をペルチェ素子で冷却する構成を示す図である。
以下に、図面を参照して本発明に係る炭素繊維複合材料の加工方法および加工装置の実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。
(実施形態)
図1は、実施形態に係る加工装置の模式的な構成図である。加工装置10は、レーザ光源部1と、反射ミラー3a、3b、3c、3dと、ガルバノスキャナ5と、f−θレンズ6と、ステージ7と、複数のガスノズル8a、8bと、を備えている。なお、ステージ7は板状の炭素繊維複合材料であるCFRP20を載置している。
レーザ光源部1は、光ファイバレーザ装置を備えており、たとえば1.1μm帯の波長のパルスレーザ光PLを出力する。パルスレーザ光PLの特性は、たとえばパルス幅がサブナノ秒オーダー、繰り返し周波数がメガヘルツオーダー、光のパワーが100W以上である。これらのパルスレーザ光PLの特性は、加工対象であるCFRP20に応じて、CFRP20を適切に加工できるように適宜設定される。
反射ミラー3a、3b、3c、3dは、レーザ光源部1から出力されたパルスレーザ光PLを反射し、ガルバノスキャナ5に導くように配置されている。
照射部としてのガルバノスキャナ5は、電動モータにより回転駆動される2枚の回転ミラーを備えている。ガルバノスキャナ5は、入力されたパルスレーザ光PLを、2枚の回転ミラーにより反射して、ステージ7に載置されたCFRP20の表面の任意の位置に照射することができるように構成されている。f−θレンズ6は、ガルバノスキャナ5により反射されたパルスレーザ光PLをCFRP20に集光させる。
本実施形態では、図2に示すように、ステージ7(図2では説明のために破線で示している)に載置されたCFRP20は、加工装置10によって、加工予定線としての、直線状の切断予定線CLに沿って切断加工されるものとする。切断予定線CLは、パルスレーザ光PLが照射され、CFRP20が切断される位置を示す線である。
図2により複数のガスノズル8a、8bについて説明する。複数のガスノズル8aはガス吹付機構を構成する。
複数のガスノズル8aは、8つのガスノズルで構成されており、これらのガスノズルは、CFRP20の一方の表面21側に、切断予定線CLに沿って直列に配置されている。より具体的には、各ガスノズルは、表面21に対して所定の角度θだけ傾斜して配置されており、かつ各ガスノズルの先端は、切断予定線CLに向けられている。各ガスノズルには、ガス供給装置から非酸化性ガスである窒素(N)ガスが供給される。
複数のガスノズル8bは冷却機構を構成する。複数のガスノズル8bは、8つのガスノズルで構成されており、これらのガスノズルは、CFRP20の表面21とは反対側の表面である裏面22側に、切断予定線CLに沿って直列に配置され、各ガスノズルの先端は、切断予定線CLの裏側の位置に向けられている。各ガスノズルには、ガス供給装置から冷却媒体としてのNガスが供給される。
なお、複数のガスノズル8a、8bを構成するガスノズルの数は、特に限定されず、加工するCFRPのサイズなどに応じて適宜設定される。たとえばガス吹付機構および冷却機構をそれぞれ1つのガスノズルで構成してもよい。
つぎに、図2、3を用いて、加工装置10を用いたCFRP20の切断方法について説明する。なお、図2、3に示すように、CFRP20の幅(切断予定線CLが延びる方向における長さ)はW、長さはL、厚さはTである。図3は図2を矢線Aの方向に見た図である。
まず、レーザ光源部1からパルスレーザ光を出力させる。つづいて、反射ミラー3a、3b、3c、3dとにより、パルスレーザ光PLをガルバノスキャナ5に導く。つづいて、ガルバノスキャナ5とf−θレンズ6とにより、パルスレーザ光PLを、CFRP20の表面21の切断予定線CL上に照射し、さらに切断予定線CLに沿って、図2に示す両矢線Bの方向(すなわち図3に示す走査方向SDの方向)に往復走査する。その結果、パルスレーザ光PLのエネルギーによってCFRP20が加工され、図3に示すように切断予定線CLの位置に溝Gが形成される。溝Gはパルスレーザ光PLの走査を繰り返すにしたがってその深さが大きくなり、最終的にCFRP20は切断される。
また、パルスレーザ光PLの照射と同時に、複数のガスノズル8aにより、パルスレーザ光PLを照射している部分(切断予定線CLおよびその近傍)に向かって、表面21に対して角度θだけ傾斜した方向からNガスを吹きつける。
さらに、パルスレーザ光PLの照射と同時に、複数のガスノズル8bにより、切断予定線CLの裏側にあたる裏面22の位置に向かってNガスを吹きつけ、裏面22を冷却する。
ここで、CFRP20をレーザ加工する場合、レーザ光のエネルギーの一部が熱に変換され、その熱により、CFRP20において、炭素繊維よりも大幅に低い融点をもつ樹脂が焼損し、レーザ光の照射箇所の近傍に熱影響領域(Heat Affected Zone:HAZ)Zが形成される。本実施形態の場合は図3に示すように熱影響領域Zは溝Gの両側に形成される。このような熱影響領域Zは、樹脂が加熱されて酸素と反応することにより燃焼するために発生すると考えられる。本実施形態ではパルスレーザ光PLを用いているため、CWレーザ光を用いる場合よりも、レーザ光のエネルギーの一部が変換されて発生する熱量が1パルスあたりでは小さく、かつ発生した熱はパルスレーザ光PLが照射されていない期間の間に拡散しやすい。したがって熱影響領域Zは比較的小さいが、高品質の加工のためには、熱影響領域Zはできるだけ小さいことが望ましい。
これに対して、加工装置10を用いたCFRP20の切断方法によれば、パルスレーザ光PLを照射している部分に向かって非酸化性ガスであるNガスを吹きつけている。これにより、パルスレーザ光PLのエネルギーの一部により加熱された樹脂の周囲に存在する酸素を大幅に除去でき、燃焼が起こりづらくなるので、熱影響領域Zは小さくなる。
また、加工装置10を用いたCFRP20の切断方法によれば、冷却媒体としてのNガスにより裏面22を冷却している。これにより、CFRP20における樹脂の加熱がより一層抑制されることとなり、熱影響領域Zがより一層小さくなるとともに、切断面(加工面)の品質の低下が抑制される。具体的には、裏面22からの冷却により、切断面において樹脂が加熱されて蒸発や焼損することが抑制されるため、切断面に焼損することなく残存する樹脂が従来よりも多くなり、炭素繊維が樹脂に覆われた状態が従来よりも維持される。このように、加工装置10を用いることにより、従来よりも高品質にCFRP20の切断を行うことができる。
なお、このように、レーザ光を照射する表面とは反対側の裏面からCFRPを冷却することで、切断面における加工品質を従来よりも高品質とできることは、本発明者らが初めて発見したものである。
つぎに、本発明者らが行った実験結果をもとに、本発明についてより詳細に説明する。
まず、上記実施形態に従い、加工装置を作製した。レーザ光源部は光ファイバレーザ装置を用いて作製した。また、反射ミラー、ガルバノスキャナとしては市販のものを用いた。f−θレンズとしては焦点距離が150mmのものを用いた。
なお、レーザ光源部から出力されるパルスレーザ光のパワーは120W、波長は1064nm、偏光状態は円偏光状態、パルス幅は0.4ns、繰り返し周波数は1MHzであった。また、CFRPの表面へ集光させたパルスレーザ光のスポット直径と強度はそれぞれ60μm、1.3×1010W/cmであった。
また、切断するCFRPは、炭素繊維はPAN(ポリアクリロニトニル)系炭素繊維であり、長繊維を0°/90°で8プライ重ね、強化プラスチックにはエポキシ樹脂を含浸硬化させた試料を用い、厚さTは2mm、幅Wは10mm、長さLは100mmとした。
切断面の加工品質については、切断面のSEM(Scanning Electron Microscope)像により評価を行った。図4は、CFRP20の切断面を説明する模式図である。切断面CSは表面21に照射されるパルスレーザ光PLの往復走査方向(両矢線Bの方向)に沿って形成される。切断面CSの近傍には熱影響領域Zが形成される。CFRP20は、多層構造を有している。各層は、樹脂Rをマトリックスとして炭素繊維CFが一方向に延伸した構造を有している。そして、CFRP20は、複数の層が、炭素繊維CFの延伸方向が隣接する層で直交するように積層して成る。
まず、実験1として、ガス吹付機構としての8つのガスノズルを用い、CFRPの表面に対する角度θ(ガス吹き付け角度)と、吹き付けるNガスの流量を変化させて、作製した加工装置にてCFRPを切断加工する実験を行った。なお、本実験1では、裏面からの冷却は行わなかった。
図5は、表面からのガス吹き付け角度と加工速度との関係を示す図である。図5に示すように、加工速度はガス圧、Nガスの流量、ガス吹き付け角度により変化することが確認された。なお、ガス圧は0.5MPaとした。また、加工速度を高くする観点からは、流量が25L/minであればガス吹き付け角度が15°〜75°が好ましく、流量が50L/minであればガス吹き付け角度が15°〜45°が好ましく、流量が100L/minであればガス吹き付け角度が15°が好ましいことが確認された。また、特に、流量が25L/min、ガス吹き付け角度(θ)が45°において、0.12m/minの加工速度を実現でき、かつHAZの幅も10μm以下と十分に小さい値にできることが確認された。
つぎに、実験2として、冷却機構としての8つのガスノズルからCFRPの裏面に吹き付ける冷却媒体としてのガスをNガスまたは圧縮空気として、作製した加工装置にてCFRPを切断加工する実験を行った。なお、本実験2では、表面からのガスの吹き付けは行わなかった。また、ガスノズルの先端からCFRPの裏面までの距離は15mmとした。
図6は、Nガス吹き付けによる裏面冷却を行った場合の切断面のSEM像を示す図である。図6(a)、(b)、(c)、(d)、(e)は、それぞれガス流量(噴射量)を0L/min、25L/min、50L/min、100L/min、150L/minとし、ガス圧は0L/minの場合は0MPa、その他の場合はいずれも0.5MPaとしたものである。また、図7は、圧縮空気吹き付けによる裏面冷却を行った場合の切断面のSEM像を示す図である。図7(a)、(b)、(c)、(d)、(e)は、それぞれガス流量(噴射量)を0L/min、25L/min、50L/min、100L/min、150L/minとし、ガス圧は0L/minの場合は0MPa、その他の場合はいずれも0.5MPaとしたものである。すなわち、図6(a)、図7(a)は、裏面冷却を行っていない場合を示している。
図6、7に示すSEM像では、炭素繊維が明瞭に見える程、切断面において樹脂が蒸発していることを意味している。裏面冷却を行っていない図6(a)、図7(a)では炭素繊維がより明瞭に見え、他の図では炭素繊維がより不明瞭に見えることから、裏面冷却を行うことにより樹脂の蒸発が抑制され、高品質の加工を実施することができることが確認された。
図8は、Nガスまたは圧縮空気の噴射量と加工速度との関係を示す図である。図8に示すように、冷却媒体がNガスの場合と圧縮空気の場合とで加工速度に大きな差は無かった。また、ガス噴射量が100L/minの場合には加工速度が最も小さかった。
つぎに、実験3として、ガス吹付機構としての8つのガスノズルからCFRPの表面に吹き付けるガスをNガス、ガス吹き付け角度θを45°とし、冷却機構としての8つのガスノズルからCFRPの裏面に吹き付けるガスをNガスとして、作製した加工装置にてCFRPを切断加工する実験を行った。ガスノズルの先端からCFRPの裏面までの距離は15mmとした。
図9は、表面からのガス吹き付けおよび裏面冷却の効果を説明するSEM像を示す図である。図9(a)は、表面から吹き付けるガス流量を25L/min、ガス圧を0.5MPaとし、裏面からの吹き付けを行わなかったものである。図9(b)は、表面から吹き付けるガスおよび裏面から吹き付けるガスについて、いずれもガス流量を25L/min、ガス圧を0.5MPaとしたものである。図9(c)は、表面から吹き付けるガスおよび裏面から吹き付けるガスについて、いずれもガス流量を75L/min、ガス圧を0.5MPaとしたものである。
裏面冷却を行っていない図9(a)では、炭素繊維がより明瞭に見え、図9(b)、図9(c)のように裏面へ吹き付けるガス流量が増加するにつれて炭素繊維がより不明瞭に見えた。このことから、裏面冷却を行うことにより切断面における樹脂の蒸発が抑制され、高品質の加工を実施することができることが確認された。
なお、上記実施形態または実験では、非酸化性ガスとしてNガスを用いたが、非酸化性ガスとしては、アルゴンガスやヘリウムガスなどの希ガス、一酸化炭素ガス、および二酸化炭素ガスの少なくともいずれか一つを含むものを用いることができる。
また、上記実施形態または実験では、冷却媒体としてNガスおよび圧縮空気を用いたが、冷却媒体としては、乾燥空気、アルゴンガスやヘリウムガスなどの希ガス、および二酸化炭素ガスの少なくともいずれか一つを含むガスを用いることができる。また、冷却媒体としては、ガスに限らず、ゲル状の流動体や、液体窒素、液体ヘリウム、または水などの液体や、スラリーを用いることができる。これらの流動体、液体、スラリーは、熱容量または熱伝導率が高いものが好ましい。
さらに、図10に示すように、CFRP20の裏面22に、冷却機構として、ペルチェ素子などの電子冷却素子8cを設け、電子冷却素子8cにコントローラCから電流を流して裏面22を冷却する構成としてもよい。
また、本発明は、CFRPに限らず、他のあらゆる炭素繊維複合材料に適用できる。また、本発明は、パルスレーザ光を用いる場合に限らず、CWレーザ光を用いる場合にも適用できる。また、本発明は、炭素繊維複合材料を直線状に切断する場合に限らず、曲線状に切断したり、点状の孔、丸孔、楕円孔等の孔開け加工をしたりする場合にも適用できる。点状の孔開け加工を行う場合には、レーザ光を走査せずに加工対象の表面の所定位置に照射し続け、点状の孔を開ける。
また、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
1 レーザ光源部
3a、3b、3c、3d 反射ミラー
5 ガルバノスキャナ
6 f−θレンズ
7 ステージ
8a、8b 複数のガスノズル
8c 電子冷却素子
10 加工装置
21 表面
22 裏面
C コントローラ
CF 炭素繊維
CL 切断予定線
CS 切断面
G 溝
PL パルスレーザ光
SD 走査方向
Z 熱影響領域

Claims (10)

  1. 炭素繊維複合材料の加工方法であって、
    板状の炭素繊維複合材料の一方の表面にレーザ光を照射する工程と、
    前記炭素繊維複合材料の前記レーザ光を照射している表面とは反対側の表面である裏面を冷却する工程と、を含み、
    前記裏面を冷却する工程は、冷却媒体を前記裏面に対して直接かつ略垂直に吹き付ける工程を含む
    ことを特徴とする炭素繊維複合材料の加工方法。
  2. 前記炭素繊維複合材料の表面において前記レーザ光を照射している部分に向かって、前記炭素繊維複合材料の表面に対して所定の角度だけ傾斜した方向から非酸化性ガスを吹きける工程をさらに含む
    ことを特徴とする請求項1に記載の炭素繊維複合材料の加工方法。
  3. 前記非酸化性ガスは希ガス、窒素ガス、一酸化炭素ガス、および二酸化炭素ガスの少なくともいずれか一つを含む
    ことを特徴とする請求項2に記載の炭素繊維複合材料の加工方法。
  4. 前記冷却媒体は、乾燥空気、圧縮空気、窒素ガス、希ガス、および二酸化炭素ガスの少なくともいずれか一つを含むガスである
    ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の炭素繊維複合材料の加工方法。
  5. 前記冷却媒体は、ゲル状の流動体である
    ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の炭素繊維複合材料の加工方法。
  6. 前記冷却媒体は、液体である
    ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の炭素繊維複合材料の加工方法。
  7. 前記冷却媒体は、スラリーである
    ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の炭素繊維複合材料の加工方法。
  8. 前記裏面を冷却する工程は、前記裏面を電子冷却素子で冷却する工程を含む
    ことを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載の炭素繊維複合材料の加工方法。
  9. 炭素繊維複合材料の加工装置であって、
    レーザ光を出力するレーザ光源部と、
    前記レーザ光が入力され、板状の炭素繊維複合材料の一方の表面に前記レーザ光を照射する照射部と、
    前記炭素繊維複合材料の前記レーザ光を照射している表面とは反対側の表面である裏面を冷却する冷却機構と、を備え
    前記冷却機構は、冷却媒体を前記裏面に対して直接かつ略垂直に吹き付けるように構成されている
    ことを特徴とする炭素繊維複合材料の加工装置。
  10. 前記炭素繊維複合材料の表面において前記レーザ光を照射している部分に向かって、前記炭素繊維複合材料の表面に対して所定の角度だけ傾斜した方向から非酸化性ガスを吹きけるガス吹付機構をさらに備える
    ことを特徴とする請求項に記載の炭素繊維複合材料の加工装置。
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