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光産業創成大学院大学

光技術を中心としたシーズとニーズの融合による新産業の創成 光産業創成大学院大学

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光加工・プロセス分野

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分野紹介

学生派遣による共同研究で新製品開発

 光加工・プロセス分野では地域とのつながりを積極的に進めて参ります。
「これができれば儲かるのだけど…」「レーザー加工装置使えませんか?」
といった現場の声(ニーズ)1つ1つに対してレーザー加工技術の可能性について一緒に検討して行きたいと考えております。
レーザー加工は多くの特長を有しております。その中でも当分野では2つの特長に注目しています。

既存技術とレーザー加工をうまく組み合わせ、競争力の高いものづくり技術や製品づくりに貢献できればと考えております。「本当にいいもの」を作るためには、異分野・異業種の連携・融合が重要であると考えております。当分野では,レーザー加工に関する最新技術シーズの情報発信や保有技術の移転を行っております。レーザー加工技術と他技術との融合・連携を積極的に進めていきたいと考えております。
融合・連携を進めるために、企業からの学生派遣による産学連携(共同研究)を提案させていただいております。当分野では出口(製品化)イメージを明確にした、ニーズ駆動の研究・製品開発モに主眼をおいております。製品開発・新規事業立上を担う派遣社員(学生)と大学が協力して、同じゴールを目指し、共に汗を流して行きたいと考えております。派遣社員(学生)は大学が持つ光技術シーズ・学外ネットワークを活用し、その製品化を主体的に進めることができます。

 
分野が目指す光産業創成
最先端レーザー加工技術によって日本のものづくり産業に国際競争力を、
そして新産業創成へ
当分野では「レーザー加工技術の異分野・異業種への実用化」「日本のものづくり産業の国際競争力化」に寄与できればと考えております。「安くて良いもの=本当によいもの」を製品化・商品化するには
・レーザー装置の普及・コストダウン(設備投資の軽減)
・最先端レーザー加工技術の実用化(高付加価値の材料加工)
の2つが重要であると考えております。

材料加工においては、レーザーが参入できるチャンスが多くあります。2007年のレーザー市場予測によると、レーザー装置(半導体レーザー除く)の総売上高の内、材料加工が全体の7割程度を占めています[1]。レーザー材料加工は年10%という高い成長率で堅調にその売上高を伸ばしており、「全世界」で2000億円程度の売上高であります。特に、半導体レーザーやファイバーレーザーを使った加工技術が急速に普及しつつあります。しかしながら、高度なものづくり技術である金型産業と比較しますと、日本の生産高(日本のみで1.6兆円程度[2])の8分の1程度にすぎません。つまり、レーザー材料加工はレーザー産業の中では主要な位置にあるものの、他の産業と比べるとまだ成長段階であると言えます。

このような現状から、当分野では、既存の機械加工技術と比べてレーザー加工技術がものづくり産業に十分には浸透していないと考えております。我々は、これをビジネスチャンスとして捕らえております。地域の企業・自治体・大学と協調して、他の加工技術(機械加工)との連携・融合を進めていき、高付加価値材料加工を新たに提案・実用化していればと考えております。そして、このような成果を継続的して創出し、それらを縦断的に横断的に融合させ、新産業の創成に貢献できればと考えております。

[1]「2007年版レーザ市場予測」(Laser Focus World Japan 2007年3月)
[2]「日本の金型産業の動向と方向性」(中小公庫レポート2004年3月)
 
微細加工を武器にその他の加工技術と融合させる
当分野では、レーザー加工技術の微細加工とその他の加工技術・計測技術を組み合わせることによって、「レーザー装置普及」と「高付加価値の材料加工技術の実用化」に取り組んでおります。当分野は以下の技術シーズを保有しております。
■高出力パルスレーザーによる材料加工技術
 レーザーピーニング,マイクロ光造形,岩石割断,中赤外レーザー加工
■評価・分析技術
 超高速計測技術,適応型光パルス反応制御,ラマン分光技術

レーザー加工の最大のメリットは、微細加工・高精度加工です。言い換えますと、デメリットは大きな材料を短時間で加工できないことにあります。このデメリットをその他の加工技術で補い、微細加工の特長を活かすことによって、付加価値の高い材料加工技術に繋がると考えております。また、加工の最適化のためには、加工中のその場モニタリングやフィードバック制御が有効となります。これに加え、その場モニタリングによって加工メカニズムを解明できます。メカニズム把握というアプローチは材料加工の高精度化や実用化の近道になると考えております。
 
高出力パルスレーザーを用いることで瞬間的に膨大なエネルギーを微細加工に利用
高出力パルスレーザー加工では、1cm2当たり1億Wを超えるレーザー出力によって材料加工を行います(注1)。ポイントは、「小さなエネルギー」を「小さな領域」に「短時間内」で加工エネルギーとして利用できることであり、レーザー加工の最大のメリットです。これはパルスレーザーを用いることで実現できます。
 レーザー装置はパルス発振と連続波発振(注2)とに大別されます。パルス発振型レーザーはエネルギーを瞬間的(パルス状)に出力し、連続波発振型レーザーは連続的に出力します。パルスレーザーでは、上述の『空間的に・時間的に集中させた光エネルギーの応用』が可能となります。具体的な数値で説明すると、エネルギー0.001J(注3)を1mm角に10億分の1秒間(1ナノ秒)投入した場合、消費電力は1億W/cm2となります。
 このような高強度のエネルギーを材料に照射した(当てた)場合、いかなる物質をも電離(プラズマ化)できます。物質の一部分をプラズマ化させることで、その箇所をアブレーションさせ、加工します。照射面積を光の波長程度(ミクロンオーダー)まで小さくできるため、微細加工が可能となります。

注1:日本の1秒間当たりの総発電電力が約1000億W[3]であるから、百万人が消費する電力を瞬間的に加工に用いるという換算になる。
注2:連続発振型レーザー(半導体レーザーや炭酸ガスレーザーなど)では材料溶融を利用して、レーザー溶接・切断やレーザー肉盛りなどに幅広く実用されている。
注3:1gの水の温度を約0.0002℃だけ上げられる熱量。

[3]「平成17年度供給計画の概要」(「原子力・エネルギー」図面集)

 
加工現場で使用できるパルスレーザー装置が整備されている
高出力パルスレーザーはパルス幅・価格・強度・波長・発振方法によって分類できます。例えば、パルス幅で分類すると以下のようになります。これらのレーザー装置を作る基盤技術は既に確立しています。マイクロ秒レーザー装置やナノ秒レーザー装置は加工現場で使用されており、成熟した技術と言えます。アプリケーション研究という視点から見ても、これらのレーザーを用いた研究は一段落着いた感があり、実用化のフェーズにあると考えております。

一方、ピコ秒レーザー装置やフェムト秒レーザー装置は学術研究用途を中心として利用されています。この場合、光強度は1兆W/cm2を超えるため、多光子吸収によって透明材料の内部を改質したり、100GPaを超える超高圧の衝撃波を発生させたり、高エネルギーの電子線・X線・イオン線を発生させることができます。
マイクロ秒レーザー:穴あけ・合金化処理(200万円弱〜)
ナノ秒レーザー  :微細加工・衝撃作用(レーザーピーニング,除染)・薄膜形成・
          ナノ微粒子生成(数百万円〜)
ピコ秒レーザー  :高効率アブレーション・除染(400万円〜)
フェムト秒レーザー:非熱的微細加工・透明体内部加工・マイクロ光造形・ナノ周期構造・
          超高圧力発生(数千万円〜)
(マイクロ秒=100万分の1秒、ナノ秒=10億分の1秒、ピコ秒=1兆分の1秒、フェムト秒=1000兆分の1秒)

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