ハイブリッドウォータージェット・レーザー加工、CFRP・CMC部品の効率を向上

炭素繊維強化ポリマー（CFRP）とセラミックマトリックス複合材（CMC）が航空機エンジン、宇宙部品、極超音速用途で普及するにつれ、精度と効率がプログラム成否を分ける加工が課題となっています。CFRPとCMCに高信頼性・高精度フィーチャーを加工するのは、硬度と研磨性により困難で、加工速度低下、材料特性への悪影響、部品仕様未達、工具交換コストを含む高運用コストを招きます。

この課題に対処すべく、さまざまなレーザー技術が先進複合材加工向けに開発されてきました。レーザーは効率向上と工具交換コスト削減の可能性を秘めていますが、発生熱が材料に拡散し、微細クラックと材料変質のリスクがあります。またレーザーは光ビーム焦点で切断するため、精密公差に問題となるV字断面切断になります。

シノバ（スイス・デュイリエ）が開発したレーザーマイクロジェット技術は、レーザービームをウォータージェット内に完全に封入します。レーザーは空気-水界面で反射し、光ファイバーと同様の原理で伝播し、水が切断ゾーンを冷却し切り屑を洗い流します。従来レーザー比の利点として、焼損・熱劣化なし、バリが少なく滑らかな表面、ストレート断面、高精度が報告されています。

CWは2017年、GEアビエーションのノースカロライナ州アシュビルCMCエンジン部品生産プラント見学でレーザーマイクロジェットに初めて遭遇しました。ここではLEAP航空機エンジン用CMCシュラウドの穴あけに使用されています。「この技術で穴径の高精度を維持できます」と、GEアビエーションCMC生産マネージャーのライアン・ハス氏。「マイクロジェットなら2分で穴あけ可能ですが、従来加工なら1時間かかります」とハス氏。姉妹誌Modern Machine Shopもレーザーマイクロジェットの有益な記事を掲載しています。

水と光の力

シノバは1997年、ベルノルド・リッヒャーツァーゲン博士がスイス連邦工科大学（EPFL、ローザンヌ）での1990年代研究後、レーザーマイクロジェット技術を特許取得し設立されました。2001年に半導体ウェーハダイシングで広く採用。2003年に米国、日本、インド、韓国に現地法人設立、その後マイクロマシニングセンターに拡大、台湾と中国への近期拡大を計画。2009年、牧野フライス製作所（日本・東京）と協力開発パートナーシップ締結、新マシンシリーズ導入し、医療機器、時計機構、ガス・ジェットエンジンタービンブレード、半導体デバイス、超硬材料切削工具向けに発展させました。

レーザーマイクロジェットシステムでは、レーザービームが加圧水室を通過しノズルに集光されます。レーザーは一般的な工業用タイプ（固体Nd:YAG）、出力10-200ワット、波長1,064（赤外）、532、355ナノメートル。髪の毛ほどのジェット（直径50-70ミクロン）のろ過済み脱イオン水を低圧力200-650バーで使用。水消費量は時間当たり2-3リッター程度、材料への作用力は0.1ニュートン未満と無視できるレベルです。

水中で効率的なレーザーアブレーションが可能なのはなぜか？「レーザーは毎秒約1万回パルス照射されます」と、シノバ米国ビジネスマネージャーのジャック・コドレ氏が説明。「各レーザーパルスでプラズマが生成され水を押し上げ、アブレーションを可能にします。パルス終了でプラズマが収束し、水が表面を洗浄し熱を拡散します。」ウォータージェットにより、ドライレーザーシステムで典型的なレーザー焦点維持の複雑さとプロセス変動が排除されることも指摘。「これにより、厚みや非平面部品でも焦点合わせを心配せず切断可能です」とコドレ氏。「技術は円筒形レーザーを生成し、タイトな切り幅で完全平行壁を実現します。」

複合材向け構成

レーザーマイクロジェットはCMCだけでなく、CFRPと積層ラミネートでも良好な性能を発揮します。テストでは、厚さ2.6mmのカーボンファイバー強化プラスチック（CFRP）ラミネートに直径3mm穴を、最大分速1,440mmで加工可能。「従来レーザーなら熱のため減速必要です」とコドレ氏。「従来フライス盤でも同等速度可能ですが、工具交換必要で運用コストが高くなります。」

レーザーマイクロジェットは1インチ厚CMCラミネート切断可能。「速度は約1mm³/分のほぼ一定アブレーションレートベースです」とコドレ氏。

シノバは複数マシンを展開し、昨年5軸CNC LCS 305システムを発表。「このマシンは高精度3D切断に優れ、小型CMC部品に適しています」とコドレ氏。「しかし大型CFRP部品には不向きです。」为此、シノバはレーザーマイクロジェットをガントリーマシンに統合し、2メートル×3メートル超の部品加工に対応。「ロボット統合とプログラミングも容易です」と同氏。2D切断ではマイクロジェットソフトウェアがCADファイルをマシンコードに変換、検証後ボタン一つで切断ルーチン実行。3D切断では、ポストプロセッサーがCADファイルから必要3Dデータを抽出しレーザーマイクロジェット用にフォーマット。

ファクトリー4.0対応として、レーザー出力計、位置センサー、自動ジェット角度補正をレーザーマイクロジェットシステムに統合。「非常に柔軟で、スタンドアロンシステムとしても、オペレーターフリー大量生産の完全自動ラインの一部としても、部品生産に容易に組み込めます」とコドレ氏。技術はLEAP航空機エンジンCMC部品で実証済み。「複合材では、高速生産、運用コスト削減、高信頼性、高歩留まりによる製造コスト削減を提供します。」新材料、新市場、競合金属技術が進化し続ける中、複合材にまさに必要な効率性です。