2016 Fiscal Year Annual Research Report
レーザ加工と切削加工の統合によるガラス材料加工技術の開発
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16J09248
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
伊藤 佑介 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 特別研究員(DC1)
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2016-04-22 – 2019-03-31
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| Keywords | フェムト秒レーザ / ポンププローブ / レーザ援用切削加工 / 応力波解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
提案手法の有効性を評価するためには，超短パルスレーザをガラスに照射した際の加工現象を鮮明にとらえることのできる光学システムを構築する必要があると考え，Pump-Probe光学システムを構築した．この光学システムでは，レーザ光を加工用のPump光と照明用のProbe光に分岐し，Pump光によって引き起こされる加工現象を，ガラス試料を透過するProbe光によって影絵として撮影する．Pump光とProbe光のガラス試料への到達時刻の差を変化させることで，加工部周辺におけるピコ秒からナノ秒の経時変化を観察した．この結果から，衝撃により空気中及び試料中に疎密波が伝搬していることがわかる．また疎密波の伝搬形状から，その発生位置が加工穴先端であることを明らかにした．
実験で得られた結果をもとに有限要素解析を行い，衝撃による応力分布変化を計算した．その結果，衝撃が加わった後，圧縮応力と引張応力の波が円弧状に材料内部に伝搬する．その速度は実験で観察された粗密波の速度と同程度であった．また，穴先端の表面においては，最大で15 GPa程度の引張応力が発生することを示した．
また，新たに選択的レーザ援用切削加工法を提案した．この手法では材料表面にレーザスポット径よりも小さな黒体材料を塗布し，ガラスを透過し，黒体塗料に吸収される波長のレーザを用いてレーザを照射する．そうすることで，熱影響領域を最小限に抑え，焦点位置がずれてもレーザからのエネルギを材料に吸収させることを可能とした．提案手法により加工溝の表面性状が改善し，表面粗さは従来手法と比べ，74%改善した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
ガラスに超短パルスレーザを照射した際の加工現象の解明と，新たなレーザ援用切削加工法の提案及び有効性の評価に取り組み，おおむね順調に研究が進展した．
超短パルスレーザ照射時の加工現象の解明に関しては，サブピコ秒の現象を捉えることのできる光学システムの構築と材料内部の電子密度及び応力分布を推定できる数値計算システムの構築を行った．
実験に関しては，学外を含む多数の研究室を訪問し，どのような実験系を組むことが有効か，吟味した．計算に関しては，電子の挙動に関する研究を行っている研究者と定期的に打ち合わせを行うことで，随時アドバイスをいただき，誤った計算を行わないように導いていただいた．実験と解析を駆使することで，これまで知られていなかった加工時の物理現象の理解へとつながった．
実験と解析の両面において，自ら勉強するだけではなく，一流の研究者の下へアドバイスを得るために訪問したことが，順調な進捗の助けとなったと考えている．
またレーザ援用切削加工法に関しては，新しく選択的レーザ援用切削加工法を提案しその有効性を示すことができた．
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| Strategy for Future Research Activity |
これまで，超短パルスレーザをガラスに照射したときの現象をPump-Probe光学系を組むことで観察してきた．しかし，Pump-Probe光学系では，原理的に，再現性のある現象しか捉えることができない．一方でガラスのレーザ加工においては，クラック生成のような再現性のない現象が精密加工を妨げる原因となる．そこで今後はそのような再現性のない現象を捉えることのできる光学系の構築に取り組む．
また，提案手法であるフェムト秒レーザ誘起レーザ加工法のための実験システムを構築し，提案手法の有効性を評価する．提案手法による加工時の超高速ダイナミクスは，これまで構築してきた光学系で観察可能なため，その光学系を用いて観察実験を行うことで，提案手法の裏にある仮説を検証する．
実験だけではなく，これまで構築してきたシミュレーションについても改善を行う．現時点では，レーザを1パルス照射した後の電子密度の計算は可能であるが，電子密度の時間変化までは計算できていない．フェムト秒レーザ誘起レーザ加工法では，フェムト秒レーザをガラスに照射したときに時々刻々と変化する電子密度と連続波レーザによる電場の相互作用を利用するため，シミュレーションにおいても電子密度の時間変化を実装する．これにより，電子と電場の相互作用をよりよく理解でき，実験結果に対して充実した考察を与えられるだけでなく，その相互作用を最大限に利用可能な加工条件の導出にもつながると考えられる．
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[Journal Article] Velcro-Inspired SiC Fuzzy Fibers for Aerospace Applications2017
Author(s)
Amelia H.C. Hart, Ryota Koizumi, John T Hamel, Peter Samora Owuor, Yusuke Ito, Sehmus Ozden, Sanjit Bhowmick, Syed Asif Syed Amanulla, Thierry Tsafack, Kunttal Keyshar, Rahul Mital, Janet Hurst, Robert Vajtai, Chandra Sekkhar Tiwary, and Pulickel M Ajayan
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Journal Title
ACS Applied Materials & Interfaces
Volume: 9
Pages: 13742-13750
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Presentation] Precision Cutting of Glass by Laser-assisted Machining2017
Author(s)
Yusuke Ito, Masateru Ueki, Toru Kizaki, Naohiko Sugita, and Mamoru Mitsuishi
Organizer
International Conference on Sustainable Materials Processing and Manufacturing, SMPM 2017
Place of Presentation
Kruger National Park, South Africa
Year and Date
2017-01-23 – 2017-01-25
Int'l Joint Research
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