01
導入
炭素繊維強化ポリマー (CFRP) は、マトリックス相材料として機能する樹脂と、強化相材料として機能する炭素繊維で構成されています。 CFRPは、樹脂マトリックスと炭素繊維強化材の両方の材料特性を組み合わせることで、軽量、耐食性、耐摩耗性、高硬度などの特性を発揮します。そのため、航空宇宙、自動車産業、造船、風力発電、土木など、構造の軽量化が強く求められる分野で広く利用されています。- CFRP材料の主な製造方法には、レジントランスファー成形（RTM）、オートクレーブ成形、真空バッグ成形、フィラメントワインディングなどがあります。これらの方法により、ニア-ネット-形状処理によって CFRP 構造を製造できるようになります。ただし、実際の産業用途では、通常、目的の部品形状-（穴、スロット、組み立て溝などの形状を含む）-を実現し、部品設計で指定された寸法精度と形状公差を満たすために、CFRP の二次加工が必要です。 CFRP 内の強化炭素繊維とマトリックス樹脂の間の熱的および機械的特性には大きな差異があるため、この二次加工には大きな課題があり、さまざまな欠陥が発生しやすく、多くの場合加工品質の低下につながります。したがって、最終コンポーネントの寸法と性能の要件を満たすためには、CFRP 材料の加工技術を調査し、高品質、高効率の加工方法を探索することが最も重要です。-
02
レーザー加工における材料除去メカニズム
複雑な物理的特性を持つ高度なエンジニアリング材料-炭素繊維強化ポリマー (CFRP) など-の出現により、従来の機械加工、ウォータージェット加工、放電加工の競争力は徐々に低下しています。レーザー加工では、材料の除去には基本的に、材料内でのレーザーエネルギーの吸収、応答、伝達が含まれます。このプロセス中に、レーザーが材料表面に照射され、電子が光子エネルギーを吸収します。その後、電子-格子衝突を通じてエネルギー移動が起こり、電子と格子の間に熱平衡が確立されるまで格子温度が上昇し、電子温度が低下します。ただし、炭素繊維の昇華温度 (約 3600 K) は樹脂マトリックス (約 800 K) の昇華温度の約 5 倍であるため、炭素繊維を除去するために必要なエネルギー投入量は樹脂に必要なエネルギー投入量よりも大幅に大きくなります。さらに、炭素繊維の熱伝導率の異方性により、炭素繊維の昇華プロセス中に発生する熱が優先的に樹脂マトリックスに伝わり、樹脂の分解や有害物質の生成につながります。研究者らは、CFRP の 2 段階の除去メカニズム、すなわちレーザー誘起熱分解と熱機械的剥離という 2 段階の除去メカニズムを提案しています。-材料アブレーションの初期段階で生成されたプラズマは熱を吸収し、指向性のある熱衝撃波を生成します。加工中に露出した炭素繊維は半径方向のせん断力を受け、脆性破壊や材料の剥離を引き起こします。
レーザーのパルス持続時間が 10 ps を下回ると、パルス持続時間が電子-格子緩和時間より短くなり、材料除去メカニズムが従来の熱アブレーションとは異なるものになります。処理メカニズムを図 2 に示します。樹脂材料は導電性が低く、自由電子の数が限られており、エネルギーバンドギャップは 2 ～ 4 eV です。逆に、炭素繊維は良好な導電性を有し、一定量の自由電子を含んでいます。レーザー照射中、カーボンファイバー内の自由電子がレーザーエネルギーを直接吸収し、電子系の温度が上昇します。単一光子のエネルギーが樹脂のバンドギャップより低い場合、図 2(b) に示すように、多光子イオン化 (MPI) 機構によって自由電子が生成されます。単一光子のエネルギーがバンドギャップを超えると、単一光子のイオン化が電子励起メカニズムを支配します。-生成された自由電子は束縛電子と衝突し、衝撃イオン化を通じてエネルギーを伝達します。これにより、図 2(c) に示すように、なだれイオン化が引き起こされます-。これにより、自由電子の密度が大幅に増加します。-超短パルス-のレーザー照射段階では、格子温度は熱慣性によりゆっくりと変化しますが、電子系の温度は急速に上昇します。関係する相転移には、非熱相転移と熱相転移の両方が含まれます。-レーザー光子のエネルギーが十分に高い場合、電子は原子核のクーロン結合力に打ち勝つのに十分なエネルギーを吸収し、熱イオン化が起こり、多数の陽イオンが残ります。これらの正イオンはクーロン力によって互いに反発し、図 2(d) に示すように、「クーロン爆発」と静電アブレーション-が「コールド アブレーション」として知られるプロセス-を引き起こします。電子-格子エネルギー散乱が継続的に起こると、格子温度が徐々に上昇し、図2(e)に示すように炭素繊維と樹脂の間で熱伝導が起こります。その結果、温度が特定のしきい値を超えると、蒸発や相爆発などの熱相転移-が発生し、高温、高圧、高密度のプラズマが生成され、表面から放出され、熱と処理デブリが運び去られます。-
熱影響部（HAZ）内の欠陥とは、レーザーによる材料相互作用や、材料固有の不均一性や異方性の結果として局所的な特性変化が発生する CFRP 内の領域を指します。-これらの変化には、炭素繊維の露出だけでなく、マトリックス樹脂の不均一な蒸発や熱劣化も含まれます。{3}}ガウス レーザー ビームは不均一な空間エネルギー分布を生成し、熱拡散効果によって処理ゾーン付近の CFRP 材料が加熱されます。この特定の領域では、熱エネルギーは樹脂マトリックスの分解に必要な閾値を超えていますが、炭素繊維の除去に必要な閾値を下回ったままです。これにより、樹脂の特性が劣化し、炭素繊維が局所的に露出します。このゾーン内では、熱伝導により樹脂とカーボンファイバーの両方が加熱されます。樹脂と炭素繊維の蒸発温度には大きな差があるため、この領域の樹脂は蒸発しますが、炭素繊維は蒸発温度に達せず、炭素繊維が露出します。
