JP6719231B2 - Carbon fiber composite material processing method and processing apparatus - 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。 The present invention relates to a carbon fiber composite material processing method and processing apparatus.
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。 Carbon fiber composite material, for example, CFRP (Carbon-Fiber-Reinforced Plastic), which is a composite material of carbon fiber and resin, has a high strength with respect to its mass. Its use as a constituent material for aircraft etc.) is expanding. By using CFRP as a constituent material for vehicle parts and aircraft parts, it is possible to reduce the weight of the vehicle and aircraft while maintaining the strength required for the parts, which is expected to improve fuel efficiency.
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。 Here, when CFRP is used as a constituent material of the above-mentioned component, it is necessary to process CFRP into a desired shape, but from a practical point of view, high quality processing is required. As one of CFRP processing methods, there is laser processing using laser light. The laser processing is to irradiate a laser beam on a processing target and cut or punch the processing target by the energy of the laser beam. Laser processing has an advantage that it can be processed in a non-contact manner with a processing target and has a high degree of freedom in processing shape.
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。 Patent Document 1 discloses a method of laser processing a processing material such as fiber reinforced plastic with pulsed laser light.
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。 As described above, it is required to process carbon fiber composite materials such as CFRP with high quality.
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。 The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a carbon fiber composite material processing method and a processing apparatus capable of processing a carbon fiber composite material with high quality.
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。 In order to solve the above problems and achieve the object, a method of processing a carbon fiber composite material according to one embodiment of the present invention includes a step of irradiating one surface of a plate-shaped carbon fiber composite material with a laser beam, Cooling the back surface of the carbon fiber composite material, which is the surface opposite to the surface irradiated with the laser light.
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。 A method for processing a carbon fiber composite material according to an aspect of the present invention is directed toward a portion of the surface of the carbon fiber composite material which is irradiated with the laser beam, at a predetermined angle with respect to the surface of the carbon fiber composite material. The method further comprises the step of spraying a non-oxidizing gas from a direction inclined only by.
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。 The method for processing a carbon fiber composite material according to an aspect of the present invention is characterized in that the non-oxidizing gas includes at least one of a rare gas, a nitrogen gas, a carbon monoxide gas, and a carbon dioxide gas. ..
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。 In the method for processing a carbon fiber composite material according to an aspect of the present invention, the step of cooling the back surface includes a step of spraying a cooling medium toward the back surface.
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。 In the method for processing a carbon fiber composite material according to one aspect of the present invention, the cooling medium is a gas containing at least one of dry air, compressed air, nitrogen gas, a rare gas, and carbon dioxide gas. Characterize.
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。 The method for processing a carbon fiber composite material according to an aspect of the present invention is characterized in that the cooling medium is a gel-like fluid.
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。 The method for processing a carbon fiber composite material according to an aspect of the present invention is characterized in that the cooling medium is a liquid.
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。 The method for processing a carbon fiber composite material according to an aspect of the present invention is characterized in that the cooling medium is a slurry.
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。 In the method for processing a carbon fiber composite material according to one aspect of the present invention, the step of cooling the back surface includes a step of cooling the back surface with an electronic cooling element.
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。 A carbon fiber composite material processing apparatus according to an aspect of the present invention includes a laser light source unit that outputs laser light, and the laser light is input, and one surface of a plate-shaped carbon fiber composite material is irradiated with the laser light. And a cooling mechanism that cools the back surface of the carbon fiber composite material, which is the surface opposite to the surface irradiated with the laser light.
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。 A processing apparatus of a carbon fiber composite material according to an aspect of the present invention is a predetermined angle with respect to the surface of the carbon fiber composite material, toward a portion of the surface of the carbon fiber composite material which is irradiated with the laser beam. It is characterized by further comprising a gas spraying mechanism for spraying a non-oxidizing gas from a direction inclined only by the angle.
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。 According to the present invention, the carbon fiber composite material can be processed with high quality.
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。 Embodiments of a carbon fiber composite material processing method and a processing apparatus according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. The present invention is not limited to this embodiment. Moreover, in each drawing, the same or corresponding elements are appropriately denoted by the same reference numerals.
(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。
(Embodiment)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a processing apparatus according to an embodiment. The processing apparatus 10 includes a laser light source unit 1, reflection mirrors 3a, 3b, 3c and 3d, a galvano scanner 5, an f-θ lens 6, a stage 7, and a plurality of gas nozzles 8a and 8b. .. The stage 7 is mounted with a CFRP 20 which is a plate-shaped carbon fiber composite material.
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。 The laser light source unit 1 includes an optical fiber laser device, and outputs, for example, pulsed laser light PL having a wavelength of 1.1 μm band. The pulsed laser light PL has, for example, a pulse width of sub-nanosecond order, a repetition frequency of megahertz order, and light power of 100 W or more. The characteristics of these pulsed laser beams PL are appropriately set according to the CFRP 20 to be processed so that the CFRP 20 can be processed appropriately.
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。 The reflection mirrors 3 a, 3 b, 3 c, 3 d are arranged so as to reflect the pulsed laser light PL output from the laser light source unit 1 and guide it to the galvano scanner 5.
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。 The galvano scanner 5 as an irradiation unit includes two rotating mirrors that are rotationally driven by an electric motor. The galvano scanner 5 is configured so that the input pulsed laser light PL is reflected by the two rotating mirrors and can be irradiated to an arbitrary position on the surface of the CFRP 20 placed on the stage 7. .. The f-θ lens 6 focuses the pulsed laser light PL reflected by the galvano scanner 5 on the CFRP 20.
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。 In the present embodiment, as shown in FIG. 2, the CFRP 20 placed on the stage 7 (indicated by a broken line in FIG. 2 for explanation) has a linear shape as a planned processing line by the processing device 10. It shall be cut along the planned cutting line CL. The planned cutting line CL is a line indicating a position where the CFRP 20 is cut by being irradiated with the pulsed laser light PL.
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（Ｎ２）ガスが供給される。
The plurality of gas nozzles 8a and 8b will be described with reference to FIG. The plurality of gas nozzles 8a constitutes a gas blowing mechanism.
The plurality of gas nozzles 8a is configured by eight gas nozzles, and these gas nozzles are arranged in series along the planned cutting line CL on the one surface 21 side of the CFRP 20. More specifically, each gas nozzle is arranged so as to be inclined with respect to the surface 21 by a predetermined angle θ, and the tip of each gas nozzle is directed to the planned cutting line CL. A nitrogen (N 2 ) gas, which is a non-oxidizing gas, is supplied to each gas nozzle from a gas supply device.
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Ｎ２ガスが供給される。 The plurality of gas nozzles 8b form a cooling mechanism. The plurality of gas nozzles 8b are configured by eight gas nozzles, and these gas nozzles are arranged in series along the planned cutting line CL on the back surface 22 side that is the surface opposite to the surface 21 of the CFRP 20, The tip of the gas nozzle is directed to the position behind the planned cutting line CL. N 2 gas as a cooling medium is supplied to each gas nozzle from a gas supply device.
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。 The number of gas nozzles forming the plurality of gas nozzles 8a and 8b is not particularly limited and is appropriately set according to the size of the CFRP to be processed and the like. For example, the gas spray mechanism and the cooling mechanism may each be configured by one gas nozzle.
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。 Next, a method of cutting the CFRP 20 using the processing device 10 will be described with reference to FIGS. As shown in FIGS. 2 and 3, the width (length in the direction in which the planned cutting line CL extends) of the CFRP 20 is W, the length is L, and the thickness is T. FIG. 3 is a view of FIG. 2 viewed in the direction of arrow A.
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。 First, the laser light source unit 1 outputs pulsed laser light. Subsequently, the pulsed laser light PL is guided to the galvano scanner 5 by the reflection mirrors 3a, 3b, 3c, 3d. Subsequently, the galvano scanner 5 and the f-θ lens 6 irradiate the planned cutting line CL of the front surface 21 of the CFRP 20 with the pulsed laser light PL, and further, along the planned cutting line CL, a double arrow shown in FIG. Reciprocal scanning is performed in the direction of line B (that is, the direction of scanning direction SD shown in FIG. 3). As a result, the CFRP 20 is processed by the energy of the pulsed laser beam PL, and the groove G is formed at the position of the planned cutting line CL as shown in FIG. The depth of the groove G increases as the scanning of the pulsed laser beam PL is repeated, and the CFRP 20 is finally cut.
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Ｎ２ガスを吹きつける。 Simultaneously with the irradiation of the pulsed laser light PL, the plurality of gas nozzles 8a incline the surface 21 toward the portion irradiated with the pulsed laser light PL (the planned cutting line CL and its vicinity) by an angle θ. Spray N 2 gas from the direction.
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Ｎ２ガスを吹きつけ、裏面２２を冷却する。 Further, simultaneously with the irradiation of the pulsed laser beam PL, N 2 gas is blown toward the position of the back surface 22 which is the back side of the planned cutting line CL by the plurality of gas nozzles 8b to cool the back surface 22.
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。 Here, when the CFRP 20 is laser-processed, a part of the energy of the laser light is converted into heat, and the heat burns out the resin having a melting point significantly lower than that of the carbon fiber in the CFRP 20, and the laser light irradiation location. A heat affected zone (HAZ) Z is formed in the vicinity of. In the case of this embodiment, the heat-affected zone Z is formed on both sides of the groove G as shown in FIG. It is considered that such a heat-affected zone Z occurs because the resin is heated and reacts with oxygen to burn. Since the pulsed laser light PL is used in the present embodiment, the amount of heat generated by converting a part of the energy of the laser light is smaller per pulse than in the case of using the CW laser light, and the generated heat is pulsed. It is easy to diffuse during the period when the laser beam PL is not irradiated. Therefore, the heat-affected zone Z is relatively small, but it is desirable that the heat-affected zone Z is as small as possible for high quality processing.
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Ｎ２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。 On the other hand, according to the method of cutting the CFRP 20 using the processing apparatus 10, the non-oxidizing gas N 2 gas is blown toward the portion irradiated with the pulsed laser light PL. As a result, oxygen existing around the resin heated by a part of the energy of the pulsed laser beam PL can be largely removed, and combustion is less likely to occur, so that the heat-affected zone Z becomes smaller.
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Ｎ２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。 Further, according to the method of cutting the CFRP 20 using the processing device 10, the back surface 22 is cooled by the N 2 gas as the cooling medium. As a result, the heating of the resin in the CFRP 20 is further suppressed, the heat-affected zone Z is further reduced, and the deterioration of the quality of the cut surface (work surface) is suppressed. Specifically, the cooling from the back surface 22 suppresses the resin from being heated and evaporated or burnt out at the cut surface, so that the resin remaining without burning at the cut surface becomes larger than in the conventional case, and the carbon fiber The state of being covered with resin is maintained more than before. As described above, by using the processing device 10, the CFRP 20 can be cut with higher quality than conventional.
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。 It is to be noted that the present inventors have discovered for the first time that, by cooling the CFRP from the back surface on the side opposite to the surface irradiated with the laser beam, the processing quality at the cut surface can be made higher than before. Is.
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。
Next, the present invention will be described in more detail based on the results of experiments conducted by the present inventors.
First, a processing apparatus was manufactured according to the above embodiment. The laser light source unit was manufactured using an optical fiber laser device. Further, as the reflection mirror and the galvano scanner, commercially available ones were used. An f-θ lens with a focal length of 150 mm was used.
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／ｃｍ２であった。 The power of the pulsed laser light output from the laser light source unit was 120 W, the wavelength was 1064 nm, the polarization state was a circular polarization state, the pulse width was 0.4 ns, and the repetition frequency was 1 MHz. The spot diameter and intensity of the pulsed laser light focused on the surface of CFRP were 60 μm and 1.3×10 10 W/cm 2 , respectively.
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。 For the CFRP to be cut, a carbon fiber is a PAN (polyacrylonitonil)-based carbon fiber, 8 plies of long fibers are laminated at 0°/90°, and a sample obtained by impregnating and curing an epoxy resin is used as a reinforced plastic. The thickness T was 2 mm, the width W was 10 mm, and the length L was 100 mm.
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。 The processing quality of the cut surface was evaluated by a SEM (Scanning Electron Microscope) image of the cut surface. FIG. 4 is a schematic diagram illustrating a cut surface of the CFRP 20. The cut surface CS is formed along the reciprocal scanning direction (the direction of the double arrow B) of the pulsed laser light PL with which the surface 21 is irradiated. A heat affected zone Z is formed in the vicinity of the cut surface CS. The CFRP 20 has a multi-layer structure. Each layer has a structure in which carbon fibers CF are stretched in one direction with resin R as a matrix. The CFRP 20 is formed by stacking a plurality of layers such that the extending directions of the carbon fibers CF are orthogonal to each other in adjacent layers.
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Ｎ２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。 First, as Experiment 1, eight gas nozzles as a gas spraying mechanism were used, the angle θ (gas spraying angle) with respect to the surface of CFRP and the flow rate of N 2 gas to be sprayed were changed, and the CFRP was cut by the fabricated processing apparatus. An experiment for processing was conducted. In this Experiment 1, cooling from the back surface was not performed.
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、Ｎ２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。 FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the gas spraying angle from the surface and the processing speed. As shown in FIG. 5, it was confirmed that the processing speed varied depending on the gas pressure, the flow rate of N 2 gas, and the gas spraying angle. The gas pressure was 0.5 MPa. From the viewpoint of increasing the processing speed, the gas spraying angle is preferably 15° to 75° when the flow rate is 25 L/min, and the gas spraying angle is preferably 15° to 45° when the flow rate is 50 L/min. It was confirmed that the gas spraying angle is preferably 15° when the flow rate is 100 L/min. In addition, it was confirmed that a processing speed of 0.12 m/min can be realized and the width of the HAZ can be set to a sufficiently small value of 10 μm or less particularly when the flow rate is 25 L/min and the gas spray angle (θ) is 45°. It was
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Ｎ２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。 Next, as Experiment 2, an experiment was carried out in which the CFRP was cut and processed by the produced processing apparatus using N 2 gas or compressed air as a cooling medium that was blown onto the back surface of the CFRP from eight gas nozzles as a cooling mechanism. In Experiment 2, no gas was blown from the surface. The distance from the tip of the gas nozzle to the back surface of the CFRP was 15 mm.
図６は、Ｎ２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。 FIG. 6 is a diagram showing an SEM image of a cut surface when the back surface is cooled by blowing N 2 gas. 6(a), (b), (c), (d), and (e), the gas flow rate (injection amount) is 0 L/min, 25 L/min, 50 L/min, 100 L/min, 150 L/min, respectively. The gas pressure is 0 MPa when 0 L/min, and 0.5 MPa in all other cases. Further, FIG. 7 is a view showing an SEM image of a cut surface when the back surface is cooled by blowing compressed air. 7(a), (b), (c), (d), and (e), the gas flow rate (injection amount) is 0 L/min, 25 L/min, 50 L/min, 100 L/min, 150 L/min, respectively. The gas pressure is 0 MPa when 0 L/min, and 0.5 MPa in all other cases. That is, FIG. 6A and FIG. 7A show the case where the back surface cooling is not performed.
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。 In the SEM images shown in FIGS. 6 and 7, the clearer the carbon fibers are, the more the resin is evaporated on the cut surface. Since carbon fibers can be seen more clearly in FIGS. 6(a) and 7(a) where backside cooling is not performed, and carbon fibers are seen more unclearly in other figures, it is possible to evaporate the resin by performing backside cooling. It was confirmed that the above was suppressed and high quality processing could be carried out.
図８は、Ｎ２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Ｎ２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。 FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the injection amount of N 2 gas or compressed air and the processing speed. As shown in FIG. 8, there was no great difference in the processing speed between the case where the cooling medium was N 2 gas and the case where the cooling medium was compressed air. Further, when the gas injection amount was 100 L/min, the processing speed was the lowest.
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Ｎ２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Ｎ２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。 Next, as Experiment 3, the gas sprayed from the eight gas nozzles as the gas spraying mechanism on the surface of the CFRP was N 2 gas, the gas spraying angle θ was 45°, and the gas sprayed on the back surface of the CFRP from the eight gas nozzles as the cooling mechanism. An experiment of cutting the CFRP with the produced processing apparatus was conducted using N 2 as the N 2 gas. The distance from the tip of the gas nozzle to the back surface of the CFRP was 15 mm.
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。 FIG. 9 is a diagram showing an SEM image for explaining the effects of blowing gas from the front surface and cooling the back surface. In FIG. 9A, the flow rate of gas sprayed from the front surface was 25 L/min, the gas pressure was 0.5 MPa, and the spraying from the back surface was not performed. FIG. 9B shows a gas flow rate of 25 L/min and a gas pressure of 0.5 MPa for both the gas sprayed from the front surface and the gas sprayed from the back surface. FIG. 9C shows a gas flow rate of 75 L/min and a gas pressure of 0.5 MPa for both the gas sprayed from the front surface and the gas sprayed from the back surface.
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。 In Fig. 9(a) where the back surface is not cooled, the carbon fibers can be seen more clearly, and the carbon fibers are more unclear as the gas flow rate blown to the back surface is increased as in Figs. 9(b) and 9(c). Looked like. From this, it was confirmed that by cooling the back surface, evaporation of the resin on the cut surface was suppressed, and high quality processing could be performed.
なお、上記実施形態または実験では、非酸化性ガスとしてＮ２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。 Although N 2 gas was used as the non-oxidizing gas in the above-described embodiment or experiment, the non-oxidizing gas may be at least a rare gas such as argon gas or helium gas, carbon monoxide gas, and carbon dioxide gas. It is possible to use one including any one of them.
また、上記実施形態または実験では、冷却媒体としてＮ２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。 Further, in the above-described embodiment or experiment, N 2 gas and compressed air were used as the cooling medium, but as the cooling medium, at least one of dry air, rare gas such as argon gas and helium gas, and carbon dioxide gas is used. A gas containing one can be used. The cooling medium is not limited to gas, but a gel-like fluid, a liquid such as liquid nitrogen, liquid helium, or water, or a slurry can be used. It is preferable that these fluids, liquids and slurries have high heat capacity or thermal conductivity.
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。 Further, as shown in FIG. 10, on the back surface 22 of the CFRP 20, an electronic cooling element 8c such as a Peltier element may be provided as a cooling mechanism, and a current may be passed from the controller C to the electronic cooling element 8c to cool the back surface 22. Good.
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。 The present invention is not limited to CFRP and can be applied to any other carbon fiber composite material. Further, the present invention is applicable not only to the case of using pulsed laser light but also to the case of using CW laser light. Further, the present invention is not limited to the case of cutting the carbon fiber composite material in a straight line, and also in the case of cutting in a curved line, or in the case of forming holes such as point holes, round holes, and elliptical holes. Applicable. In the case of performing the dot-shaped hole forming process, the laser beam is not scanned and is continuously irradiated to a predetermined position on the surface of the object to be processed to form the dot-shaped hole.
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。 Further, the present invention is not limited to the above embodiment. The present invention also includes those configured by appropriately combining the above-described components. Further, further effects and modified examples can be easily derived by those skilled in the art. Therefore, the broader aspects of the present invention are not limited to the above embodiments, and various modifications can be made.
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
1 Laser Light Sources 3a, 3b, 3c, 3d Reflection Mirror 5 Galvano Scanner 6 f-θ Lens 7 Stages 8a, 8b Multiple Gas Nozzles 8c Electronic Cooling Element 10 Processing Device 21 Front Surface 22 Back Surface C Controller CF Carbon Fiber CL Scheduled Cutting Line CS Cut surface G Groove PL Pulsed laser light SD Scanning direction Z Heat affected area
Claims (10)
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。 A method of processing a carbon fiber composite material, comprising:
Irradiating one surface of the plate-shaped carbon fiber composite material with laser light,
See containing and a step of cooling the rear surface is a surface opposite to the surface which is irradiated with the laser beam of the carbon fiber composite material,
The method for processing a carbon fiber composite material, wherein the step of cooling the back surface includes a step of spraying a cooling medium directly and substantially perpendicularly to the back surface .
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。 Towards the part that is irradiated with the laser beam at the surface of the carbon fiber composite material, further the carbon fiber composite material Keru with blowing non-oxidizing gas from a direction inclined by a predetermined angle to the surface of the step The method for processing a carbon fiber composite material according to claim 1, comprising:
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。 The method for processing a carbon fiber composite material according to claim 2 , wherein the non-oxidizing gas contains at least one of a rare gas, a nitrogen gas, a carbon monoxide gas, and a carbon dioxide gas.
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。 The cooling medium is dry air, compressed air, nitrogen gas, rare gas, and carbon dioxide gas according to any one of claims 1-3, characterized in that a gas containing at least any one Carbon fiber composite material processing method.
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。 The method for processing a carbon fiber composite material according to any one of claims 1 to 3, wherein the cooling medium is a gel-like fluid.
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。 The method for processing a carbon fiber composite material according to any one of claims 1 to 3 , wherein the cooling medium is a liquid.
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。 The method for processing a carbon fiber composite material according to any one of claims 1 to 3 , wherein the cooling medium is a slurry.
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の炭素繊維複合材料の加工方法。 Step of cooling the back surface processing method of a carbon fiber composite material according to any one of claims 1 to 7, characterized in that it comprises a step of cooling the rear surface in the electronic cooling element.
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。 A processing device for a carbon fiber composite material,
A laser light source unit that outputs laser light,
The laser light is input, an irradiation unit that irradiates the laser light on one surface of a plate-shaped carbon fiber composite material,
A cooling mechanism that cools the back surface, which is the surface opposite to the surface irradiating the laser light of the carbon fiber composite material ,
The said cooling mechanism is comprised so that a cooling medium may be directly and substantially perpendicularly sprayed with respect to the said back surface, The processing apparatus of the carbon fiber composite material characterized by the above-mentioned .
ことを特徴とする請求項９に記載の炭素繊維複合材料の加工装置。 Wherein toward the part that is irradiated with the laser beam at the surface of the carbon fiber composite material, the carbon fiber composite material surface for a given angle by Keru with the inclined direction blown non-oxidizing gas gas blowing mechanism The apparatus for processing a carbon fiber composite material according to claim 9 , further comprising:
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