【もうすぐブレイクするかもしれない！レーザーを用いた圧縮応力付与（レーザーピーニング）の世界】
講師：光加工・プロセス分野 准教授 沖原 伸一朗
業界にてレーザートンカチと呼ばれるレーザーピーニングの肝（押え所）について、解説いたします。
この技術は本学開学当初より様々な形態で取り組んでおり、ブレイクしそうでしない技術です。
非接触で圧縮応力を深い所まで付与することで、注目はされ続けています。
秘密保持契約で話せないお話を省き、活用していただくことを想定しながら、技術メリットや焼入れ工法との比較、取り組むための３点セットなどについてお話いたします。
光産業創成大学院大学 https://www.gpi.ac.jp/
※この動画はWEBキャンパス( https://www.gpi.ac.jp/seminar/webc2022/ )での講演を収録したものです
【書き起こし】(2) レーザーを用いた圧縮応力付与（レーザーピーニング）の世界
(00:13) 光産業大学の置きはございます まずですね本日のですねこのような形で 進めさせていただきますでちょっと内容に つきましてはこのようなですね4つのです ねテーマに即してお話をしたいと思います これで進めてまいります はいまず自己紹介の前にです 個人的に今ですね 業界のですね実際にこのレーザー ピーリング携わってる方へちょっと失礼な ような名前でですね大変申し訳なく思って ますのでここですね最初にお詫び申し上げ ます おちょくるとかそういうことがございませ んのでお願いとしてはですねこの ピンニング技術を広めていきたいと思い ますのでぜひ来てる方いらっしゃいまし たらあのご了解いただければと思います はいそれで自己紹介なんですけども私の ですね研究ベースとしましてはもともと ですね高出力のですね フェムト秒レーザーというものを使った 研究がありましてこれはですね特にその レーザーを使って レーザー誘致プラズマ簡単とレーザーを ですね金属等に当てますと発生する プラズマがありましてそれを使っており ました本のレーザーピングという研究も この辺にですね不足しちゃってください
(01:16) つながる 研究ではありますそしてですね私自身が この2005年からですね本学の改革当時 よりこのレーザーピーリングというところ にですね取り組んでおりました実際ですね ちょっとなかなか芽が出なかったとしてる というところもあったりするんですが最近 ちょっとその傾向が変わっているという ところでこのようなテーマを選んで 話をいたしました好きなんですけどもこの 下の方にございますが私自身はですねあの このようなですねタンパルスレーザーです とかヘルメット秒レーザーピコピョウ レーザーといったちょっと気にならない 名前もあるかもしれませんがそういった レーザーを駆使した 研究ですとかこのCWレーザーという ところを使ったですね 研究をしますちなみに前回のですねこの webキャンパスにおきましてはこの旧 赤外線レーザーをですね用いたですねお話 をちょっといたしまして今回ちょっとです ね様子を変えてこちらのテーマになって おりますやめてるわけじゃないということ です ね本日のですね資料につきましてですが 本学でですねじゃあ加工セミナー正式な 名前をあげますと レーザーによるものづくり中核人材育成 講座という日間ぐらいにわたるですね レーザー技術セミナーというのがありまし
(02:18) てそこにですね塑性加工パートという ちょっとまたこれも聞き慣れない名前かと 思いますがそちらでですねレーザー ピーリングのこのテーマを扱っておりまし てその教科書を参考にしておりますそして そのですね教科書につきましては当時です ね実際に執筆いただきました東芝の有事様 ですとか光産業創生大学の平谷先生のです ね資料ちょっと参考いたしますので一応 これは最初に申し上げておきます 早速1番ですけども本日のテーマレーザー ピーリングの背景になりますそもそもで ちょっと今連呼して申し訳ないんですが レーザーピーリングとはなんぞやという ところからですねお話をしていますでです ねこれまたあのまた 馴染みがないかもしれませんが 学術できません高出力の7秒レーザーと いうものがありましてそれをですねレンズ 等で就航することによって発生する プラズマというのがあるとそれがですね あの 瞬時に発生するため衝撃波をですね発生 するのでこれを利用するというのが そもそもこのレーザーピーリングの最初の メカニズムになりますちょっとあの的に 書きますと右側のちょっと絵で説明いたし ますとちょっとパルスというか時間的に
(03:22) です集約された光がですね出てくるとこの 時間的に幅というのが下の方いきますけど も7秒からだいたい数17秒ぐらいになり ます研究者によってはですねこれを ヘムトレーザとかそういったもので行って おられますけども 実際にあの今回金属をですね相手にする 場合につきましてはだいたいですね7秒 レーザー領域のこういったパーツを使うと いうのが大体効果的であるというのが ちょっと示されていてこういうものを使っ ていきますそしてそれをですね出力につき ましてはだいたい数百ミリ重量からですね 数十 ルそしてアメリカとかそういったところで ですね研究されてるところにつきましては 110以下という巻き方が書き方をしまし て非常に巨大なですねレーザーシステムを 用いて行っているという研究になります それをですねだいたいそのエネルギーを 応じてですね例えばファイ1ミリに1ミリ ぐらいのですね軽で就航するとか1cm ぐらいの家で就航することとかで変わり ますけどだいたいですね消費者強度という のが1ギガワットパースピア センチメートルというですねちょっとこれ 目安となる値なんですけどこの辺の領域 まで就航することによってこういったです ね上にあるプラズマを発生させ勝利者を
(04:21) 立ててそれを落ちるという方向になってき ます実際にですねあの金属に当てますと このようにですねちょっとあまり見せて いいのかあれなんですけど結構激しくです ねあのこれ水をかけながらやってるんです ね水は飛び散ったりですとか光とかですね このアブレーションで飛んだ物質が飛んで いるという様が見えますこういったですね あの当てた時の衝撃というところをですね 使ってやるというのがこういったレーザー ピーリングという話になってきますこれが ちょっと基礎的な話です本学でもですね どうですねちょっと大きさとしましては 1m×2mぐらいのですねサイズのところ に今下にちょっとありますがNDアグ レーザーと呼ばれてるパルスナノビオ レーザーを用いまして使っておりますので 比較的まあコンパクトな研究ではあると ただしやっぱりですね少し厳しいかなと いう話がですねどんどん後々出てきますが こういったことを使って本学でもやって おります はい続いていきますじゃあタイトルに ございますそのレーザーピーリングでです ねあの実際に 付与できるですね力というものは圧縮応力 というものになりましてこれはちょっと なんぞやという話をちょっと今いたします このそもそもですね付与の目的というのは
(05:20) 何かと言いますとこれ金属をちょっと 想定していただきたいと思いまして金属に おきましてですねある部材によってはこう 繰り返しの荷重だとか 応力集中というのがですね起こったところ につきましてやはり経年がそういうものが 繰り返されていくと割れになっていくと これを抑制するためにですねあのこういっ た圧縮力というものをですね加えることに よって金属は割引すると金属を押し固める ような力をですね与えることによって割引 するということをしますこれが言い方に よりましては疲労強度の向上だとかそう いったですねあの言い方をちょっとしたり しますが一応ですね 応力測定とかということは後から使います のでまあこういった圧縮力を加えるという ところがこういったことでですねちょっと 説明させてもらいます実際に対象として ますのがまたの調子も出てきますけれども タービンブレードといったところですね 非常にその負荷がかかるような物質ですと か金型といったですねこういったカードの 部分ですがそういったものにつきますと 非常にその 応力集中が起こりましてやっぱりそこが 割れてしまうとそれをちょっと抑制する ためにこういったですねあのレーザー ピーリングですとかそういった
(06:23) 圧縮力量ということを行っていくことに なりますそしてじゃあ続きましてじゃあ レーザービーニングをですね圧縮応力を どのようにですねあの入れていくかという 話をですねちょっとパパッとですね パラパラ漫画的にちょっとお話をしていき ますと申し上げましたように単パルスの ですね7秒レーザーというものをですね 実際にちょっと絞っていただきましてそれ をレンズですとかミラー等でですねまあ 金属に集合いたしますで今ちょっと模試的 にちょっとですねあの水とかですねこと 書いてありますけどもとりあえず今回は今 水を無視していただきましてちょっとご 説明いただけますまずですねその単発 レーザーを物質で照射しますとそこにその ギガワットパスペアとですね非常に大きな 強度があってますので金属がですねここで 領有期間が一気に起こりますそれによって 衝撃が発生するという話になってきますが それが次のホームページになりますですね そのレーザー強度のだいたいこの1GB ぐらいでですね 照射しますこのようにですね金属表面で プラズマが発生するというところになり ますそれでプラズマがですね 一気にですね 膨れ上がるという状態になりましてそれが ですねちょっと次のページにありますが
(07:26) 繰り上がるですねこの プラズマなんですけどもその膨れ上がる エネルギーを例えば空気中とかですねその 水とかそういったものでですねあの抑える ことによってここで発生したですねあの 膨張するエネルギーをですねあの制する ことによって次のページありますが金属の 方向つまりですね当てた方向にその衝撃が 発生しましてこの衝撃波が金属に 与えるとでですねこれによりまして力が 先ほどから右にですねこうあたりましたの でそこをですね最適にあのその力によって この当てたところがですねまあこれは上下 方向とかに行くと 縦方向につきましてはもともとそのですね 金属の 母体がありますのでそこでも受け止められ しますので 比較的ですね 縦方向 常時方向に今のこの図ですと 進展するという風な動きがありますでその レーザーですねその進展させて動きに対し てすごく母材の方ではどうなるかと言い ますとそれを抑え込もうという光が力が 働き込むとそういった形でこの力がですね その 働いた状態で レーザーが止まってしまいますので
(08:29) 圧縮力がそのまま 付与するという形になりますそうしますと 例えばこの辺にですね力が加わってですね これひび割れが生じたとしましてもその上 と下からですね 抑え込むような力が働きましてひび割れと そういったものが抑制できるという方向に まなってくるわけですこれがですね残留 圧縮応力の不用機構という風になります 続いてそれを踏まえましてですねと次の テーマなんですけどじゃあその レーザーを用いたこの圧縮袋ですね何に 使えるかというところをちょっとご説明 いたします今これレーザーを用いている ためということでお気づきなんですけども まず処理面積が小さいと実際ちょっと上げ てみますと例えば我々がです大学で使って いるですね1ジュールぐらいのですね レーザー装置を用いますとFi1mm ぐらいに 絞らないと ギガとバスでぐらいが達成できないという 話になりまして非常にもう点になりますね それでさらにですねアメリカ等で実用化さ れている事例でも数十ジュールとかそう いったものを使ってるんですがそれでも ですねあの1cm程度になってしまうと さらにもうちょっと皆さんの頭にちょっと 皆さんちょっとインプットしたいことし
(09:33) ません抗原コストではありまして先ほどの 一助であってもだいたい1000万とか 数千万程度のまあやっぱりコストがかかる とさらにその数十ジュールレベルだとまあ 1億ぐらいかかるということでですね少し ですねちょっと現実味が 薄れてくるんじゃないかと言われそうな ちょっと値ですけどもこのような状況で なっております 続いて 処理速度を遅いということでじゃあこれも ですね高速でそのマシンガンのですねこう 打っていけばですね大丈夫じゃないかと 考えられるかもしれませんが今回このよう なですねまあ研究等で持っているですね ワンパルスあたりが大きいエネルギーに つきましてはこの繰り返し率というのが ですねまあ非常にちょっと遅くでですね 例えば今本格で使ってもらうとだいたい 10hzからだいたい数10hzぐらいな んですがそしてあのうまく改造したりとか 改良したところでもだいたい100回 レベル1秒から100回レベルという形に なって 繰り返しですが非常に遅いということが ありますこの辺やっぱりですねあの戦略的 に考えて 具体的にじゃあそのどういったものに負荷 をしたらいいかというとこのコストとです ねそれが処理速度に見合うような高付加 価値のですねものに処理をするというのを
(10:32) ですねやっぱり自然的にちょっと導かれて くるわけになりますはいではそれをという ところになりますがその適応性がですね 高い可能性があるですね事例というのが これですね10年そうですね12年13年 ぐらいもう使い古してるんですけどもこう いったですねあのちょっと左の方からいき ますこの板バネですとか歯車それからです ねあのこのピストンのある一部ですとか 溶接構造とかもそういった下もあります 金型とかそういったものがありましてそう いったですね少しお金かかってもいいので 何とかしたいというですねあの交換が高い ものに金属部品に当てるということが 想定されます実際にですねちょっとその 素材としましてもだいたいですね鉄系と だいたいアルミ系にだいたい分かれます 金型とかそういうところを想像して いただきましてアルミというのはですね また後ほどできますから 航空関連でですねまあ使われているそれは ですねRMKをですねにあのターゲットを 絞って対応されているという状況になり ますこういったところがその 付与をどうするどのようなものにすべきか というところから会になりますただしなん
(11:35) ですけども今ですね私はデータの立場なの でレーザーピーリングという言葉でですね その 圧縮力に関するですねお話をですねと進め ていきましたがそもそもですねこの圧縮 応力供養につきましてはそもそも生産技術 として確立されですねショットピーリング というものがちょっとありましてこちらに つきましては既にこの大面積でさらに低 コストで処理というのが可能になっており ますなのでショット ピーリングというのはもうご存知の方も たくさんいらっしゃると思いますけども えっとですね金属に対してレーザーを 打ち込むまあ今のレーザーピーリングに 対しましてショットではショット代と言わ れる 鉄球ですとかそんなですねあの素材のもの をですね硬いものを物理的にぶつけること によってこの右にあるようなですねその 圧縮力を 与えるというような音がでできるものに なりますで簡単に言うと私の立場では ショットビリングできるまで戻るショット ビーディングでなんとかしてしまうのが よろしいんですがなかなかそれでもでき ないものに対して レーザーピーリングというのが 利点が出てくるという話になりますここ からですねなかなかその 文字に書くとちょっと怒られるんでですね
(12:38) あのちょっと言いにくいですが言いたい ところがですねこのショットペインに対し てじゃあレーザーピーリングのですねその 利点はそもそもどういったところかみたい な話になってきますと これもその実証されたりされなかったりも ありますが レーザーピーリングですとですねある程度 そのショットビーンに対してある程度深い ところまでピンニング 処理をすることができると例えばショート ピーリングですと一般的にはですけども 例えば表面でですねやっぱり止まって しまうねなかなか深いところのお呼び にくいところがですねこのレーザー ピーリングを打ちかけることによって深い ところまでいきますじゃあ深いところで どの程度かと言いますとだいたい今まで 示されている例としましてはだいたい1 ミリですとかそういったぐらいのところ まあ深いというふうに笑いを呼んでいるん ですがそこまで 与えることができるというところが メリットになりますそれによってよりです ね不安に対するですね付加価値を上げる ことができるやもしれないというところが ポイントになります はい続いていきますではですね実際に じゃあそのこのレーザーピーリングという ものがですねどんなところにちゃんと利用 されていたかというところでしっかり
(13:37) ちょっとお伝えしていきたいと思います 1970年から2000年代ぐらいという ところにちょっと区切りながらちょっと 説明いたしますとそもそもレーザー ピーリングという レーザープラザも発生させてそれを使うと いう研究はですね1970年頃からですね アメリカにおいてですね 緊急がまあ開始されているというのが発端 になっておりますその頃につきましてあ ごめんなさいやはり価格がですね今のまま 10倍とかもうかなり高いものでもう民間 でもそうですね利用できないような代物で あったとそれがですねだんだんその一般的 に普及したりですとかこうするからする ことによりましてなんとかできるように なってきたと ちょうどこの2000年頃という 題目をちょっとあの出したのがですね実は この2000年というのが本学の改革に ちょっと近い時期にありまして本学もです ねその改革当時はこのですねこのレーザー ピーリングをですね前面に押し出してです ね とかやってこうみたいな話ですね調べたり ですとかあのその皆さんに対してですね アピールをしていたというのがあります ちょっと今なきですね2人のちょっと私の ボス二人いるんですあのこの2人もですね こういったp25なんとかですねこの事業
(14:38) 化したいみたいなところちょっと夢があり ましてその辺も私がちょっと今ちょっと 継いでいるみたいな形にはなっております その当時につきましてそのじゃあその アピールポイントとしてですねであったの がですねこの米国でこの戦闘機ですね戦闘 機に対する タービンブレードのメンテナンス費用に ついてそのですね今までのショット ビギニングからレーザーピーリングに 加えることによって 約ですね1ミリオンダラーというぐらいの 女性の費用対効果がありますので当時 例えば1億円ぐらいでその レーザー装置かシステムを作ったとしても なんとかペイできたりとか非常に効果が あるということで金額 規模的にはですねちょっと押していたん ですがその後ですねこの辺を言う人が周り にいなかったりですとかということで本当 かなとか思いつつですねちょっと流れてと いう話になってきますそしてですねこの 国内の人の話になりますけども1990年 代におきましても 進めております 原子力関連施設におきます 圧力容器の 溶接部ですね溶接部の残留圧力の改善に 適用が開始されておりましてその関係者の 方から私も本人が直接聞いたところでも
(15:42) だいたい数奇レベルでですね実際にこの レーザーをして実際商用的に使われている ということをですねお聞きしております こういったところになりますがまず ポイントとしましてはやはりこの先ほどの 戦闘機ですとかこの 原子力関連施設というところも含めまして やはりですねコストが非常にかかるという ところについてある程度お金を出して くれるというところがあったのでこういっ たスウォッチもですね技術もなんとか適用 できてそういうペイできる中にはなってる というところなんですがなかなか 民間レベルにはちょっといけないっていう のがこれぐらいの年代のちょっと状況で ございました続いて近年になったという ところなんですけども この俺も国内国外国内事例を踏まえて ちょっとお伝えしますでえーとですね とりあえず全部出しますすいません 国外におきましてはですね frceというですねいましてはですね この2019年代にですのにですね 600万ドルのですね金を投入しまして この専用のですねレーザーショック ピーリングあのアメリカ等ではこのp25
(16:45) ですねレーザーショックピーリングという 言い方をちょっとしたんですすいません ちょっとこれやってますが レーザーショッピング 施設をですね建設をされましてこのさらに 2020年につきましてはF35というま 戦闘機に対して 処理を行ったものをですね実際に導入した とかという事例がこの機関のホームページ 上がっておりましてこういった事例が ちょっと見えてきておりますでまたですね 国内におきましてもこういった国内でです ねこのスバルさんの方がですね生産した ヘリコプターがですね世界初実況と獲得 みたいな話がありましてこちらのですね ホームページ上におきましてもえっとです ねこのちょっとこの文言がありまして スバル様が独自開発したレーザー ピーリング技術によるという形でここの BGMを使った技術を実際に使ってあのま あそういった製品を送り出してという形に なります ちなみにですねスバルさん自体につきまし てはもう2000ですね2000年代の ショットの方からですねこういった研究等 をされててそれが培った結果という形にも なりますねあのいきなりすぐやってやれた わけではございません というのがございまして国内外的にもです
(17:49) ね近年になって実用的なレベルのその レーザービームの技術が使われている事例 がちょっと出てき始めたというところに なりますはいここまで話しても皆さんと 疑問とあるのがですねこのタイトルにあり ません何がブレイクするかもしれないなの かというところなんですけどこれについて ちょっとお答えというかですねちょっと ちょっと私からの説明したいと思います はい 根拠となる近年のトピックというところで ですねまずあの下まで出しますけども やはりですねこのレーザー装置がですね レーザーピーリングを進める上でとか実用 する上でですね課題となっているのが 解析装置というものとそれからレーザー 装置というところで2つの両輪がちょっと ありましてそれがですねネックになってい たとで先にちょっとこちら出しましたのが やはり応力解説装置というのがですね X線を使ったですね 装置になりまして2000年代前半の時は 総治価格がですねもう簡単3000万とか です下手すると4000万5000万する ような代物となりましてなかなか使え なかったというところがございました さらにレーザー装置も現在でもそもそも 高いんですけどもやっぱりその数千先ほど の1ジュールぐらいの装置でですね
(18:51) やっぱり2000万3000万とかもう 一声もありましたけども非常に高いという ところがありましたしこれをですね利用 できるような環境というのがやはり不足し てたのがというのがございましたこれは 近年になりましてですね2010年代が 後半になりますけども 応力解析装置がですねだって1000万 以下でですね使えるようになりましたこれ もあまりちょっと名前を書くとですね ちょっと語り休みみたいな形なんですが これも浜松市にあるですねパナソニック 工業様という会社がですね総資格で 500万でシステムとしては1000万 ぐらいで販売されてますけどこの持ち運び が可能なですねX線応力改正装置でこの ままですね応力解説できるものというのが ですねできるようになりまして非常にこれ がですね評価をいろいろできるように進ん できたというところがありますもう一つは ですね レーザー装置のですね定格化というのが ちょっとありましてやはり レーザー装置もまあその先程 2000万3000万みたいな話がですね ある意味電荷につきましてはですねあの 1000万以下まで下がってきております し という状況がありますそれでいろんな機関 がですね持てるようになったというのが ございますさらにですね利用期間のが私は
(19:53) ちょっと利用しているんですがちょっと その国が動いているところでちょっと説明 いたしますと 匠海コンソーシアムというところでですね どうですねこの数十 級のですねレーザー利用がしかもこれ半 導体利益のレーザーなんですもう利用 できるようなんですね環境もちょっと整っ てきましてそれをですねあのそのいろんな ところで基礎研究はこれを弱いところで やったりですが本格的な研究はこういった 数十というのはですねとりあえず利用 しようとかそういったところが本当に やろうと思えばなんとか実用的な資金で できるようになったというところがござい ますさらにですねもう一つちょっと考えて おりますのが利用環境とですねそれが研究 機関がですね全く増えてきたという話に ちょっとなりまして私も 昔ですね レーザーのですね レーザービン研究会みたいなんですねそう いった名前のですね 研究会にちょっとフォローしたとしており ましてこの研究機関がですね拡大傾向に ございましてこれ先月ぐらいで調べた ところによりますとだいたいその研究機関 でもある一定のですねあの数期間しかやっ てなかったですね研究がですね今これざっ と上げたような形で大学ですとか
(20:58) 研究機関の方でですねあの実施されたり するようになってきたこれも学会発表 レベルであのなっていきますさらに企業様 においても元々東芝様がですね 推し進めていたところについて先ほど スバル様ですとかもともとそのショット フィーリングを販売とか 活用されている新都工場様とかありまして さらに今のですねあの浜松オートミックス 様の方でそういった先ほどあった半導体歴 レーザーと開発されてそれをちょっと適用 しようという動きもありましてそういう 動きでだいぶ増えていけるという状況に ございます 本学ひかり産業大学においてもという ところなんですけども本学でもですねまあ 先ほど レーザーですとかこういったレーザー装置 をですねあの伝えるですね 実験できる研究のですねシステムに加え ましてちょっとこれ聞かないで話しても X線 応力解析装置もちょっと導入したりですと かさらにその電解研磨ですねちゃんと評価 できるのですね状態をちょっと作りまして 研究をですね促進しておりますちょっと このちょっと次のページに行きますけども えっとですね本学におきましてはちょっと 今このまとめ的になりますけどもえっと ですね
(22:02) レーザー照射からですね評価応力解析まで 基礎的な捉えるというのは可能になって おります先ほど示したような 図になりますそれでですねやはり装置も一 つであったりちょっとヒリヒリというのが ありますのでフォークではですねこの価値 観との連携によるより実用的なトライアル の支援まで加えますということで 今この本学の近くにはですねその 浜松こういう支援センターですとかこれも うちの装置ですねだいたい5倍ぐらい強い ですねデータ装置があったりですとか さらにもっと強いレーザー装置がですね あのすぐ近くに浜松オートリンクさんも いらっしゃいましてそこの 装置をですねその匠コンソーシアム等を 通じて利用できるとそういったところと ですね連携しながらより実用的な捉えるの ですね 支援も 我々を行っていますそしてですねさらに その先ほど 申し上げました各機関が大学期間におき ましてもですねその金型ですとかそれぞれ 航空機以外のところで 兆候バーとかそういったところでも いろんな応用研究されてるグループがあり ますねそういったところに対しても 橋渡し的なところもできますのでぜひです ねちょっと今回
(23:05) レーザーピングというもので少し興味持っ ていただく方につきましてはですねこう いった本学にできるだけお気軽にご相談 いただければですね今回だけでは解決し ないところでもですねなんとか皆さんの 問題解決できるような方向にちょっと ご提案ができればできるようにしたいと いう風に考えております はい以上でですねちょっと今回のWeb キャンパスはですね30分ぐらいでやり ましょうというちょっと企画に基づいて 以上となりましてもっとですね細かい話は したいところなんですがその辺はまたあの ですねお問い合わせといただきましたら ですね個別でお答えさせていただきたいと 思いますちょっとしたばっかり向いてすい ませんがまずはですね私の 講演については以上となります
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