成果報告書詳細
管理番号20150000000472
タイトル平成22年度-平成26年度成果報告書 次世代素材等レーザー加工技術開発プロジェクト 次世代レーザ加工技術の研究開発(1)
公開日2015/7/18
報告書年度2010 - 2014
委託先名技術研究組合次世代レーザー加工技術研究所
プロジェクト番号P10006
部署名ロボット・機械システム部
和文要約件名:平成22年度-平成26年度 成果報告書 ロボット・新機械イノベーションプログラム 「次世代素材等レーザー加工技術開発プロジェクト」

本プロジェクトの目的は、高品質・高出力のレーザーによって先進材料の高品位で高速の加工を実現し、CO2低排出社会の実現に向けた次世代製品の軽量化、高強度化、高機能化をめざした次世代レーザー加工技術を開発することである。
高出力レーザーの開発とそれを搭載したレーザー加工システムの開発がプロジェクトのテーマである。レーザー技術開発の中心拠点は大阪大学のレーザーエネルギー学研究センターと接合科学研究所であり、レーザー加工技術開発の中心拠点は産業技術総合研究所である。それぞれの拠点には企業が参集して、レーザーとレーザー加工システムの開発を効率的に行う体制とした。
レーザー加工として大きなテーマはCFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics: 炭素繊維強化プラスチック)加工である。CFRPはボーイング787やエアバスA380の構造材として大量に使用されたことで、広く知られるようになった。将来的には自動車にも使用されて、車体の軽量化や燃費向上に寄与することが期待されている。
CFRPに代表される複合材料の切断は、現在ウォータージェット加工やミリング機械加工により行われているが、加工品質の向上や加工時間の短縮が求められている。CFRPを高品位、短時間で加工するための開発が急務であり、CFRPのレーザー切断加工は本プロジェクトの重要テーマである。
我々はCFRP切断加工を高出力パルスレーザーによるレーザーブレーションで行うことにより、高品質のレーザー加工技術を開発した。レーザー切断技術の開発のため、高速掃引リモート加工システム開発と、加工ノズルと加工対象物の距離を一定に保つ高速倣い加工システム開発を行い、切断条件の最適化を行った。高品位・高速加工を実現するためにはインプロセスモニタリング技術や、加工品質の評価技術が必要となる。そのため、電子顕微鏡、X線CTや疲労試験機等を用いて、CFRP切断後の加工品質の評価を行った。レーザー加工において加工品質の重要な検討項目の一つに熱的損傷領域(HAZ:Heat Affected Zone)の評価がある。HAZを含めた総合的な評価を行い、レーザー加工にフィードバックすることで切断速度と加工品質の最適化を図った。
レーザーによる金属粉末の積層成形もプロジェクトの重要なテーマである。金属粉末を一層ずつレーザーで溶融し積み上げていくことで、三次元立体を造形することができる。レーザー粉末成形により部品の自由な設計が可能となり、通常の機械加工では製作不可能な形状も製作することができる。また、試作加工が短期にできるという利点もある。稠密度を制御できる可能性もあり、生体材料等への適用が期待されている。
本研究開発では、真空下におけるレーザー照射によってチタン合金等の粉末成形を可能にする基本プラットフォームを開発し、粉末成形の精度向上と高速度化を図った。また、内部残留応力を軽減するため、材料の予備加熱とレーザー照射を最適化し、成形物の組織や密度、機械物性等を評価する高品質の粉末成形技術を開発した。
英文要約Title : Advanced Laser and Processing Technology for Next-generation Materials Project (FY2010-FY2014) Final Report

The purpose of our project is to establish non-contact, high-quality and high-speed processing of advanced materials with high-power and high-quality lasers, and to develop advanced laser beam machining technologies for manufacturing new products, aiming at the low CO2 emission, with lower weight, higher strength, and higher performance. Our project has two themes of the development of laser and laser processing technologies. For establishing the system which allows efficient and swift research and development, the laser light source technological development center and the laser processing technological development center, as development bases, were established in Osaka University and in National Institute of Advanced Industrial Science and Technology , respectively; The one challenge of laser applications in our project is the development of processing carbon fiber reinforced plastics (CFRP). Recently, CFRP materials are being increasingly used as construction materials in the automotive and aircraft industries. Conventional milling machining and abrasive water-jet machining are no longer able to meet the demands for a higher processing quality and a shorter cutting time. In conventional CW laser cutting based on thermal interaction between laser beam and the composites materials, thermal defects in heat affected zone (HAZ) occurred because of the difference of thermal physical properties between carbon fibers and matrix resins. The aim of this challenge is to develop the CFRP processing system with the developed pulsed laser; A high-speed remote processing scanner and a beam positioning systems which keep the distance of a laser processing nozzle and a CFRP plate constant were developed. In addition, we established monitoring system provided with high-speed and thermo cameras. Furthermore, the evaluation system for static tensile testing and micro X-ray CT analyzing was developed to estimate the internal damage of laser processed CFRP plates; Another challenge is laser sintering with a focused laser to melt metallic powders, to form complex functional components. The laser sintering is a method of fabricating three-dimensional (3D) object using melting powder applied layer by layer with a focusing laser beam. Laser sintering has merits of shortening development timescales and enabling rapid fabrication of complex geometries and structures. The development of laser sintering is expected to lead to energy saving and saving resources; In our research and development, the basic platform of laser sintering was operated under a vacuum condition, and improvements in surface quality and mechanical properties of the products were aimed with fiber lasers developed. In order to reduce inner residual stress of the product, preceding heating and the laser irradiation were optimized. A quasi-CW (QCW) fiber laser was used as the sintering light source.
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