I = P/A - 広島大学 産学官連携推進研究協力会

「レーザ高度応用研究会」説明会
レーザ技術の動向と
応用例について
H26年8月7日
広島大学 産学・地域連携センター
真鍋 幸男
１．本研究会の狙い
• 自動車の軽量化のため用途が拡大しつつある樹脂製品の加工プロ
セス革新や，橋梁・大型構造物などの社会インフラ設備の環境に優し
いメンテナンス技術革新を目指して，レーザ加工技術の高度応用を
図る研究会です。
• これまでの金属のレーザ溶接やレーザクリーニング研究会技術を
シーズとし，種々の加工・メンテナンス用途に適した選択的吸収機能
を有する最新の各種レーザ光源（Tmフアイバーレーザ，YAGレーザ，
パルスCO2レーザ等）を活用します。
• 具体的には,樹脂射出成型金型・プレス金型の非接触クリーニングや
従来困難な透明樹脂間の溶接,また金属・コンクリート表面の塗膜・
錆・汚れ等の非接触除去などの多様な表面加工分野への実用化を
目指します。
１．レーザクリーニングの特徴
・水，薬品，ブラスト材を使用しない
→ 低公害，環境保全性に優れる，消耗品レス
・インライン（オン-マシン）クリーニングが可能
・パラメータ適正化により金属母材へダメージを与えない
・飛散物，2次廃棄物がない
２．想定される用途例
・射出成型・ゴム・鋳造品などの金型，センサ等の
非接触クリーニング
・塗膜の精密剥離
（航空機，自動車部品，大型タンク，橋梁，建築物）
・溶接前後処理（酸化膜，油分・錆除去，着色部除去）
・精密検査，メンテナンス前の酸化膜除去（発電設備）
・医療分野（レーザメス，手術器具）
クリーニング，樹脂溶接用レーザの種類と特徴
種類
固体
レーザ
半導体
レーザ
波長
（μｍ）
発振
形式
出力
特徴と応用分野
Nd-YAG
1.06
P
CW
P:500W（100kW)
CW:10ｋｗ
・ﾌｱｲﾊﾞ伝送
・金属溶接，切断，ｸﾘｰﾆﾝｸﾞ
Yb ﾌｱｲ
ﾊﾞｰﾚｰｻﾞ
0.975
P
CW
P : 500W(80kW)
CW: ～50kW
・ﾌｱｲﾊﾞ伝送，高密度
・金属溶接，切断，微細加工
Tmﾌｱｲ
ﾊﾞｰﾚｰｻﾞ
1.9～2.05
P
CW
P：10W（10kW)
CW: 120W
・ﾌｱｲﾊﾞ伝送，開発途上
・水、樹脂に吸収率大
・通信，樹脂溶接，医療
GaAs
InGaAsP
0.66～0.94
P
CW
CW:～6ｋＷ
・低密度，透明樹脂と着色樹
脂間の溶接等
10.6
P
250～１500W
（4000kW,100Hz)
ﾊﾟﾙｽ幅2μs程度
・高ピーク，短パルス
・樹脂に吸収率大
・ﾌｱｲﾊﾞ伝送不可，大型設備
10.6
P
CW
P:平均出力の3倍
・ﾌｱｲﾊﾞ伝送不可だが，最近
CW:～50kW
TEA-CO2
気体
レーザ
CO2
・樹脂に吸収率大
はﾛﾎﾞｯﾄ搭載可能な小型化
レーザ光の波長と吸収特性（全般）
金属および非金属の吸収率の波長に対する傾向を以下に示す。
これは一般的傾向であり，個々の物質により値は大幅に異なる。
引用：http://www.fintech.co.jp/hikaributuri.htm#1
水の近赤外線吸収特性
http://www.enseki.or.jp/tokusei.php
波長（μm）または波数（cm-1）〔波数＝10,000／波
長 で単位長さ（1cm）当たりの振動数として表す〕
別文献では８～１４μm
波長で概略吸収率＝
0.95（0.1㎜以上にて）
http://www.fintech.co.jp/etcdata/housharitsu.htm
http://www.heattech.biz/technology/far-infraredscience/1181.html
引用：
http://www.beatsensing.com/page5.html
PMMA（アクリル樹脂）の波長透過率
（住友化学スミペックスデータシートより）
光の波長と金属の吸収率
金属基材をできるだけ損傷せず，汚れのみを効率よく加熱・除去するには長波長
が有利。 同一波長でも，金属により吸収率は変化
http://www-it.jwes.or.jp/qa/details.jsp?pg_no=0070060060
レーザクリーニングの考え方
エ
ネ
ル
ギ
ー
密
度
cm
（
Ｗ
／
Δｆ＝０
Δｆ=a
基材が損傷を受けるレベル
パルス照射，ｶﾞｳｼﾝｱﾝ分布
（焦点はずしΔｆ=a）
従来加工機を転用
パルス照射
フラット分布
ｸﾘｰﾆﾝｸﾞ用ﾚｰｻﾞ
)
2
通常加工用レーザ
ガウシアン分布
（焦点位置）
汚れが蒸発・分解する
レベル
r=0
ビーム径方向位置 ｒ（㎜）
既存レーザ溶接装置を活用したクリーニング実験・実用化
（H24 技術指導例）
予備実験状況
サニタリー仕様の食品加工装置
へ実用化
バリ取り時や組立途中の擦り傷
防止のためフイルム貼り付け
100μｍ厚
ﾌｲﾙﾑ付き
ＳＵＳ板
１ｋＷ パルスＹＡＧ溶接装置
ﾚｰｻﾞｸﾘｰﾆﾝｸﾞ部
（除去幅：8㎜）
（加工条件）
平均出力＝１ｋＷ，パルス値＝20ｋＷ，パルス時間1m
ｓ，42Hz，焦点はずし量Δｆ＝20㎜，加工速度=4.8ｍ/分
取っ手等の部品
接合に支障
＜従来＞
フイルム除去
→部分切取り
→再貼付け
→溶接
＜改善法＞
30φ範囲を
ﾚｰｻﾞで部分
除去
→溶接
70
10 kHz
30 kHz
60
power [kW]
50
40
30
20
High intensity and low
depth of sharpness
10
0
0
100
200
300
400
time [µs]
High depth of sharpness
and reduced intensity
スポット径Ｄ＝４λｆ／πw0 (m)
λ：波長，w0：レンズに入射するビーム径
I = P/A
パワー密度Ｐd＝Ｐ/πＤ2＝ＡＰ/f 2 （W/m2)
Ｐ：ﾚｰｻﾞパワー（Ｗ）
焦点位置ずれ量とビーム分布形態の関係
-2mm
+2mm
-4mm
+4mm
12
海外での実用例
SAMAC社資料より
クリーニング
現象動画
②複雑金型の半自動清掃
ダメージﾚｽ，高速化
①航空機の塗膜精密除去
（浸透探傷検査前処理）
③
タイヤ金型のレーザクリーニング
（狭隘箇所の清掃…半自動，ロボット施工）
海外での実用例
④
SAMAC社資料より
AUDI社： 車体の溶接前クリーニング
油分，酸化膜除去による溶接品質の向上，安定化
⑥ＣＦＲＰの接着・塗装前処理
（表面樹脂除去，活性化）
⑦
ｸﾘｰﾆﾝｸﾞ有
ｸﾘｰﾆﾝｸﾞ無
●溶接結果例
SPH母材の赤錆を局所的に除去
（0.84ｍ２/Hrの処理能力）
海外での実用例
SAMAC社資料より
⑨金型のインラインクリーニング
⑧ガラスコーテイングの除去
⑩塗膜の局部除去
⑪ビル，美術
品の清掃
４．これまでの取組
（平成24年度レーザ表面処理・
清浄化技術研究会での実験成果例）
（１）参加機関：県内企業8社，広島大学，広島県総合研究所，ATACひろしま
（２）使用設備：clean Laser社のバックパック型コンパクトレーザ（平均出力20W）
(a) 全体外観
(b)実験状況
(c) レーザヘッド外観
（３） ゴム金型のクリーニング結果
付着カスをコーナまで良好に除去
レーザ光
（３）樹脂製品の射出成型金型の残渣と浮錆除去例
（自動車部品メーカ殿）
金型合せ面の
錆も除去
５．本事業で使用予定機器の特徴
（１）基礎研究用の新規購入予定装置：２μm波長Tm添加フアイバーレーザ
・波長が1.9～2.0μmのため，樹脂，水への吸収率がYAG等の２０倍以上向上
（YAG等よりアイセーフ型レーザである。）
・これにより超高精度金型（微細シボ，鏡面等）のクリーニング性能向上が期待される。
・従来困難な透明樹脂間の溶接，医療分野への応用なども期待されている。
（２）高能率クリーニング実験用のレンタル予定装置： パルスYAGレーザ
H24年度研究会の参加企業意見では，先端技術の応用性把握のため大出力機での
モデルテスト希望が多かったため，最も多用されている大出力機をレンタル予定。
・平均出力300W
（ピーク出力50kW以上）
・波長：1.064μm
(a)パルスYAG発振器外観（現地用）
(b) クリーニングヘッド外観例（変更の可能性あり）
（３）特殊実験のため，ロボット搭載可能なコンパクトパルスCO2レーザも使用予定
（波長10.6μm）