JP2011056583A - 複合材料のレーザ加工法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】精密に切断、穴あけ、溶接、曲げなど行う場合には高出力レーザと超短パルスレーザを併用した加工装置で高速処理し、また、複合材料の溶接にはモザイク継手加工をレーザ2重切断法で精密加工したのち、強化繊維を数%から数10%含む熱硬化性・熱可塑性混合樹脂を成分とする溶加材を用いたレーザ溶接法を適用する。
【選択図】図1
Description
本技術はこれらの難加工材であるCFRPやCFRMの複合材料を最新レーザ加工法で解決する手法を提案した。
近年、軽量な輸送機器の開発が急務で、各種複合材料が採用されつつある。
CFRPはすでに航空機産業では 機体の多くの部分に適用されるようになった。その穴あけや切断にはダイヤモンドカッターやウオータジェット切断などが利用されているが、
CFRPやFRMなどの複合材料はマトリックスと強化繊維が異なる材質であるために、その切断、穴あけ、溝加工などの除去加工が困難であるばかりでなく、溶接・接合加工も非常に難しい。たとえば、ダイヤモンド切削時や研削時には炭素繊維が空中に飛散したりすると作業者が吸引し、人体に大きな問題となる。また、加工速度が遅く、加工費が高価ある。航空機以外の自動車、高速列車などの量産品への適用はレジャー品のゴルフクラブや釣り竿以外には十分適用されていないという課題があった。
100ピコ秒から50ナノ秒のパルスでレーザを物体に照射すると、レーザ光が物体の原子構造中の電子と瞬時に作用し、物体の表面を数万度に加熱する。物質の熱拡散時間よりもパルスの時間幅が短いので、熱の蓄積が表面に生じて、材料(物質)の照射面近傍でのみ熱が発生し、その熱により材料は加熱、溶融、蒸発が起こり、イオン化・分解も起こる。この結果、材料内部への熱伝達はほとんどなく、熱歪みも生じないので、この特性をCFRPなどの複合材料に適用すると炭素繊維がまるでダイコンを包丁で輪切りしたように見事に切断できる。このように従来法ではできなかった加工法がピコ秒パルスレーザやナノ秒パルスレーザで可能となる。
また、この除去加工法はレーザの波長が800nmから1080nmの範囲にあるピコ秒またはナノ秒パルス固体レーザで、100ピコ秒から50ナノ秒の範囲の超短パルス幅で、0.1〜20GW/cm2の高出力密度を持ち、繰り返す数の大きい固体レーザを用いて空気中または水中で行うことを特徴としている。
請求項10に示す加工法および部材は複合材料の単層部材または金属母材およびCFRP母材を上板および/または下板に用い、コルゲート板、チャンネル材または/及びコラム材をこれら上下平板の間に挟むコア材として用い、これらの部材を圧接または接合面に熱可塑性または熱硬化性の樹脂を塗布して、それぞれの可塑化温度または硬化温度以上に レーザまたはオーブンで加熱して圧接することを特徴とする軽量サンドイッチ部材の製造方法およびこの方法で製造したサンドイッチ部材を提案している。
波長が532nmから1080nmの高出力連続発振固体レーザ1を用いて、FRP部材及びFRM(繊維強化金属)などの複合材料および複合材料合板6同志または複合材料と金属の異種材料継手の突合せ継手、重ね継手、へり継手、すみ肉継手の接合部に熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、および熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂の混合したものに、強化繊維、強化ガラス、ウイスカーを含む強化材を数%〜80%重量%添加した溶加材17(ワイヤ、棒、粉体、ペースト状のもの)を充填しつつ、複合材料および複合材料合板6とをレーザ溶接する方法である。
複合材料14および複合材料または金属材料15を上板および/または下板に用い、コルゲート板、チャンネル材または/及びコラム材をこれら上下平板の間に挟むコア材として用い、これらの部材を圧接または接合面に熱可塑性または熱硬化性の樹脂を塗布して、それぞれの可塑化温度または硬化温度以上に レーザまたはオーブンで加熱して圧接することで軽量サンドイッチ部材を製造できる。
軽量部材のサンドウイッチパネルを複合材料14および複合材料または金属材料15で構成して製作することにおいて、モザイク継手を持つ多層積層の複合材料14を従来の複合材料と併用して、上面板、中板(コンゲート板)または下面板として用い、この上面板および下面板に所定の切り込み28をレーザ切断法で入れ、その会合面をレーザ溶接で接合し、中板とこれら上面板および下面板の面接合は接着またはレーザ溶着法で溶接してパネルを作成すると 強度的にも高い、軽量の構造用パネルや図8で示すようなH型コラムを製造できる。
Claims (12)
- 10ピコ秒から100ナノ秒の範囲のパルス幅を持つ超短パルスレーザで、そのパルスエネルギーが1mJ〜500Jの範囲のQースイッチ固体レーザを用いて、炭素繊維強化プラスチック(以下CFRPと呼ぶ)を含む繊維強化プラスティック(以下FRPと呼ぶ)材料および複合材料合板(金属や無機材と複合材料の合板)を、数10Hz〜数100kHzの高繰り返す数でアシストガスを用いてまたは用いないで実施するレーザ切断、穴あけ加工、マーキング加工、溝加工、彫刻加工を含むレーザ除去加工法
- 出力10W以上で20kWまでの範囲の高出力連続発振固体レーザを用いて、FRP材料及びFRM(繊維強化金属)材料を含む複合材料および複合材料合板を切断、穴あけ、溝加工および彫刻加工において粗加工した後に(直後の場合も含む)、その除去加工面の両面または片面をさらに上記請求項1に示す加工法で重ね(2重)加工することを特徴とするレーザ加工法、並びに高出力連続発振固体レーザの直後約1mm〜100mm後方に、1ピコ秒から100ナノ秒の範囲のパルス幅で連続発振固体レーザのビームスポット径より大きなビームスポット径を持つ超短パルスレーザビームを配置し、切断、穴あけ、溝加工面両面を同時に2重に加工する方法、および高出力連続発振固体レーザの直後約1mm〜100mm後方に、1ピコ秒から100ナノ秒の範囲のパルス幅で連続発振固体レーザのビームスポット径より小さいビームスポット径を持つ超短パルスレーザビームを配置し、切断、穴あけ、溝加工面片面を同時に2重に加工する方法。
- 前記請求項1および2の超短パルスレーザは、Q―スイッチYAGレーザ、YVO4レーザ、ピコ秒固体レーザをおよ含む固体レーザであり、その基本波長は約800nm〜
1080nmの範囲にあり、その2倍波(YAGレーザの場合、波長が532nm)、3倍波(YAGレーザの場合、波長が355nm)をも含むレーザを用いることを特徴とする加工法。 - 前記請求項1、2および3において、複合材料および複合材料合板のレーザ除去加工における加工条件としては 100ピコ秒から50ナノ秒の範囲の超短パルス幅で、0.1〜20GW/cm2の範囲の高エネルギー密度のレーザビームを用いて空気中または水中で行う加工法
- 前記請求項1、および2における10W〜20kW高出力連続発振固体レーザとしてファイバーレーザを用い、超短パルスレーザとしてQースイッチYAGレーザを用いて、重ね加工する場合、ファイバーレーザでCFRPなどの複合材料をレーザ除去加工したところを数10μm〜数100μm進行方向に垂直にずらして、再度切断線に沿って切断、穴あけ、溝加工のレーザ除去加工を超短パルス固体レーザのビームスポット径をより大きくまたはより小さくして、両面または片面をそれぞれ仕上げ加工することにより、前の粗加工の切断面に露出した繊維およびマトリックスの樹脂を後加工で除去することを特徴とする両面または片面2重レーザ切断加工法。
- 前記請求項1および3において、板厚の厚い複合材料または複合材料合板を超短パルス固体レーザのみを用いて切断する場合、カスケード状に表面より多層で蒸発・除去させ、深くまで多パスで切断するレーザ切断法
- 複合材料または複合材料合板の溶接継手を加工する方法として、前記請求項1、2、34,および5に示す方法を用いて、開先の形状をジグザグとしたり、モザイク状に精密に開先加工することに製作された複合材料または複合材料合板のモザイク(ファスナー状)継手
- 波長が532nmから1070nmの固体レーザを用いて、FRP部材及びFRM(繊維強化金属)などの複合材料および複合材料合板同志または複合材料と金属の異種材料継手の突合せ継手、重ね継手、へり継手、すみ肉継手の接合部に熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、および熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂の混合したものに、強化繊維、強化ガラス、ウイスカーを含む強化材を数%〜80%重量%添加した溶加材(ワイヤ、棒、粉体、ペースト状のもの)を充填しつつ、複合材料および複合材料合板とをレーザ溶接することを特徴とする接合方法
- 前記請求項8における熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂の混合物が、熱可塑性樹脂に重量%で10%〜99%の範囲の熱硬化性樹脂を混合した樹脂で、高温での樹脂の特性を考慮して配合した混合樹脂で、これにさらに繊維強化材を数重量%から最大50重量%添加したことを特徴とする溶加材。
- 前記請求項7に示しモザイク継手または複合材料を単層のプリプレグとし、これをさらに接着またはレーザ溶着することにより、積層して多層板を作製する方法および作製する高強度複合材料部材
- 軽量部材のサンドウイッチパネルを複合材料および金属材料で構成して製作することにおいて、前記請求項7、8,9及び10に示す技術で製作したモザイク継手を持つ多層積層の複合材料部材として、上面板、中板(コンゲート板)または下面板として用いて、これらの面接合を接着技術またはレーザ透過溶着法で行いパネルを製作する方法および作成された高強度、高じん性および高疲労強度の軽量パネル
- 軽量部材のサンドウイッチパネルを複合材料および金属材料で構成して製作することにおいて、前記請求項7、8,9及び10に示す技術で製作したモザイク継手を持つ多層積層の複合材料部材を従来の複合材料と併用して、上面板、中板(コンゲート板)または下面板として用い、この上面板および下面板に所定の切り込みを前記請求項4,5及び6に示す切断法で入れ、その会合面を前記請求項8および9に示す接合方法で接合し、中板とこれら上面板および下面板の面接合は接着技術またはレーザ透過溶着法で溶接してパネルを作成する方法および作成される軽量パネルおよびH型コラム
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