2023 Fiscal Year Research-status Report
High-efficiency Deformation Method for Carbon Fiber Reinforced Thermoplastics Using Laser Forming
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21K04725
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| Research Institution | Sojo University |
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Principal Investigator |
北田 良二 崇城大学, 工学部, 教授 (60540276)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | レーザフォーミング / 熱可塑性炭素繊維強化プラスチック / 炭酸ガスレーザ / 熱応力 / パルスエネルギー / 曲げ加工 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
熱可塑性炭素繊維強化プラスチック（CFRTP：Carbon Fiber Reinforced Thermoplastics，マトリクス：ナイロン6）の板材（試験片サイズ：長さ60×幅30×厚み1mm）に対して炭酸ガスレーザを用いたレーザフォーミングに取り組んだ結果，パルスレーザ光を板材表面に走査することで熱応力により曲げ加工が可能であることを実験的に確認した．また，レーザ光を赤外線センサーにて実測することでパルス波形と曲げ加工の相関を検討した結果，パルスエネルギーが曲げ加工に影響を及ぼすことが明らかとなった．したがって，パルスエネルギーにより曲げ加工を制御できるものと考えられる．
また，CFRTP板材の曲げ加工の試みとして，レーザ光の重ね走査とシフト走査を繰り返すことで曲げ加工が可能であることを実験的に確認した．重ね走査においては，CFRTP板材の炭素繊維による復元力が影響するため，板厚1mmでは重ね回数10回以上で変位量が飽和してしまう．したがって，重ね回数10回が最適条件であることがわかった．一方，シフト走査におけるシフト量は，□5mmのレーザ光走査においてはシフト量4mmが最適条件であることがわかった．したがって，重ね走査回数とシフト量を最適化することで，CFRTP板材の高能率曲げ加工が可能であることが明らかとなった．
CFRTP板材のレーザフォーミングにおいて，レーザ光走査による板材への熱的ダメージを抑制するために，パルスレーザのパルス幅およびピークパワーを制御した．そして，レーザ光走査による板材表面の温度変化を評価した．その結果，ハルス幅やピークパワーによらず，パルスエネルギーが板材表面における最高到達温度に影響を及ぼすことがわかった．したがって，板材表面に発生する熱的ダメージは，パルスエネルギーを小さくすることで抑制できるものと考えられる．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
炭酸ガスレーザを用いたCFRTP板材（マトリクス：ナイロン6）のレーザフォーミングの基礎研究において，パルスエネルギーと曲げ加工の相関を実験的に明らかにしてきた．しかしながら，レーザ光走査が板材の機械的特性に及ぼす影響については未評価である．今後，レーザ走査前後のCFRTP板材に対して，引張圧縮試験や曲げ試験を実施して，レーザ光走査が材料の機械的特性に及ぼす影響について評価していく．そして，機械的特性に影響を及ぼさないレーザ光走査条件やパルス波形について検討していく．
レーザ光走査による発生する熱応力と曲げ加工の相関を考察するために，板材表面の温度変化と最高到達温度について評価してきた．そして，パルスエネルギーと最高到達温度には相関があることを実験的に確認することができた．今後は，熱伝導解析および応力解析による理論的な取り組みにより，熱応力発生のメカニズムを解明していく．
これまでの基礎研究により，CFRTP板材の曲げ加工は可能であることを確認してきた．しかしながら，単純な曲げ加工のみであり，今後は形状加工の取り組みも必要となる．更には，板材のみでなくパイプ材の曲げ加工も実用展開のためには重要な取り組みとなる．
以上の進捗状況により，一定の研究成果は得られている．しかしながら，実験結果に対する理論的な考察が不十分であり，パイプ材の曲げ加工といった未着手の課題があるため研究期間を1年間延長するに至った．したがって，“やや遅れている”と判断した．
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| Strategy for Future Research Activity |
炭酸ガスレーザを用いたCFRTP板材（マトリクス：ナイロン6）のレーザフォーミングにおいて，これまでの基礎研究により，パルスエネルギーと曲げ加工の相関を明らかにすることができた．しかしながら，レーザフォーミングが材料の機械的特性に及ぼす影響については未確認である．したがって，レーザ光走査前後の材料強度試験（引張試験，曲げ試験）を行うことで，機械的強度に及ぼす影響が小さなパルス波形やレーザ光走査条件を実験的に検討していく．また，高能率加工を実現するためには，熱応力発生のメカニズムを解明することは重要な取り組みとなる．そこで，熱伝導解析や応力解析を取り入れることで，レーザ光走査と熱応力発生の相関について理論的な考察を検討していく．研究期間を1年間延長した2024年度は，研究成果の総括として，炭酸ガスレーザを用いたCFRTP板材のレーザフォーミングについて，高能率加工法（レーザ光走査法やパルス条件など）を提案していく．
一方，炭酸ガスレーザを用いたCFRTPのレーザフォーミングを実用展開するには，板材の形状加工やパイプ材の曲げ加工などの取り組みが必要となる．そこで，パイプ材に対するレーザ光走査法を検討して，ステージ開発や曲げ加工の基礎研究に取り組む計画である．
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| Causes of Carryover |
炭酸ガスレーザによるCFRTP板材（マトリクス：ナイロン6）のレーザフォーミングの応用展開として，CFRTPパイプ材の曲げ加工実験を計画しているが未着手である．パイプ材のレーザフォーミングを実施するためには，パイプ材を回転させながらレーザ光を照射するシステム開発が必要となる．したがって，パルス炭酸ガスレーザ発振器，光学系，ステージ等の設備導入を行い，パイプ材のレーザフォーミングシステムを開発予定である．
レーザ光照射時に発生する熱応力を考察するにあたり，熱伝導解析と応力解析が未着手であるため解析ソフトの導入を検討していく．また，熱応力を検討するにあたり，材料物性値の実測や強度試験が必要となるため，機器利用料の発生を見込んでいる．
なお，実験・評価に必要となるCFRTP板材・パイプ材，各消耗品や備品類は継続的に購入していく．また，学会参加などの研究活動に必要な出張旅費についても，継続的に予算を使用していく．
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| Remarks |
精密加工学研究室（北田研究室）の研究室紹介（ポスター展示）：2023年度精密工学会秋季大会学術講演会（福岡工業大学），2023.9.13～15
大学・研究室紹介「崇城大学・精密加工学研究室の紹介」：先進加工技術懇話会第105回例会（岡山国際交流センター），2023.4.14
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Research Products
(5 results)
