知ってると苦労しない!理系卒論の書き方



前回は卒業論文とは何か?という話をしました。

大学生の卒論って何してるの? Er:Yag lazer エルビウムヤグレーザーを例に。

 

今回はその書き方についてお話します。

東京工業大学4類、機械知能システム学科での学部・理系論文を例に話しますので、ほぼすべての学部レベルの卒論は大丈夫だと思います。

はじめにお断りしておきますが、あくまでも学部レベルの卒論です。

今見返すと非常に稚拙な文章ですが原文を載せて説明していきます。


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卒論は書く前の準備段階がすべて

学生の皆さんは卒論を書いて、はやく卒業旅行に行きたい!とお考えだと思います。どうやって書こうか悩んでいる人も多いと思います。

で、実験もろくに行っていないと書くことが出来ません。つまり卒論を書くの95%はその準備段階で決まると言って過言ではありません。

テーマを決め、それに基づく実験が十分に出来ていれば、ただやったことをまとめるだけなので卒論はすぐに完成します。卒論提出間近になって焦ることのないように計画的に卒業論文を書く準備をしましょう。

卒論自体の書き方は心配する必要はない

さっき言ったように、書く内容がそろってないと書けないって話ですが、実際に書くときはどうやって書けばいいのか?

それは研究室によってフォーマットが違ったりするので一概には言えません。

逆に言えばフォーマットがあるのでどうやって書くのかは教えてもらえます。

また、先輩の卒論も研究室にはたくさん保管されているので要領は掴めるはずです。

卒論のスケジュールを知る

ゼミや研究室に配属されて、教授が教えてくれます。先取りして調べる必要はありません。

研究室によってまちまちでしょう。

僕のところは4年生になったあたりでなんとなくのスケジュールを伝えられました。


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卒論のテーマを決める

多くの情報ではいかにテーマ決めが重要か書かれていますが、重要ではありません。なんでもいいです。

自分の所属している研究室に関連したテーマを決めましょう。

僕のところでは教授が興味を持っているテーマをいくつか提示してくれてその中から選ぶ形式でした。

友人たちとどれが大変だ、あれは絶対やめたほうがいい、あれはヤバイやつらしいなど話し合ってましたが、今振り返ればそれは卒論を書く中で誤差程度のものです。

強いてオススメするならば、OBが以前取り組んでいた研究テーマで、その続きをやるものは楽かもしれません。実験道具がそろっていたり、方向性がある程度見えるからです。

今回の例ではエルビウムヤグレーザーの工業利用についての論文テーマに決めました。

虫歯の治療などに使われるエルビウムヤグレーザーですが、このレーザーの特性は水分に反応して熱を発することです。これを利用して水分を含んだ樹脂とそうでない樹脂を合わせた状態でレーザーを発射して水分を含む樹脂境界面で熱が発生して樹脂同士が溶接できるかどうかというものです。

卒論のストーリーを決める

これが一番重要です。

テーマを選んだら、どういう実験をして、どういう期待する結果が出て、どう結ぶのか。を考えるのです。

だいたい、教授の頭の中にはテーマごとに方向性が決まっています。最初から教えてモードだと教えてくれないので、こちらが考えてる風な呈で、さぐりをいれながらアドバイスを求めます。

今回の例ならば、レーザーを発射させて、水分境界面で溶接できることを証明したいのでその素材を探すことがキモだと考えていました。いろいろ試したけど成功しませんでしたというのも意味のある論文ですが、やはり成功する素材や実験条件を見つけることのほうがいいです。

学生の立場からすれば、その実験条件を見つけれればそこで実験は終了できますが、見つからなければ永遠と見つかるまで、卒業するまで、実験をやり続けなければならないので、それだけは避けたいところです。

最初が肝心!実験できるようになるまで聞きまくる。

いきなり、実験してといっても、どんな道具があって、何をすればいいのか分かりません。教授や先輩に積極的に聞きに行きましょう。自分一人で実験を繰り返し行えてデータが取れるようになるまでは一人で悩まずに聞くべきです。

今回の例ではまず水分を含むことができる樹脂は何があるのかを調べるところから始めました。

実は卒論よりも抄録(しょうろく)のほうが厄介

抄録とは、卒論の概要を2ページほどにまとめたものです。

抄録を書かせない研究室もあるので、書かされたらアンラッキーと思ってください。

基本的に卒論ができている前提ですので、文章力の問題です。

つらいですが、これはだまっていても時と教授が解決してくれるのである意味心配しないでいいものです。


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卒論発表会の準備

卒論は書いて終わりじゃないんですね。

他の研究室の生徒や教授が集まる中で発表を行う必要があります。

パワーポイントを用意して、発表します。

これも卒論が書けていれば 辛いですが、時が経てば終わりますから安心してください。

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卒論をやる前にやる意義について

卒論はちゃんとやればやっただけためになると思います。

小学校の自由研究の大人版みたいな感じですよね。

自分でテーマを決めて、仮説を立ててそれを証明する。しかもネットを調べて簡単に答えが出るようなものではないので自分で試行錯誤して正解を探していきます。

それを論文という形で文章でまとめたり、発表したりして、社会人になる前に必要な基礎を教えてもらえます。

社会って問題や課題ばっかりです。それをどうやって乗り越えていくのかその方法を教えてくれるのですから、それなりにやったほうがいいとは思うのです。

 

 

それでは実際の卒論と、抄録を恥ずかしいですが公開します。

表紙

 

 

平成18年度学士論文

水分吸着による材料の吸収係数増加を利用したレーザー透過接合

 

 

 

 

 

指導教員   佐藤 勲  教 授

        斎藤卓志 准教授

        川口達也 助 教

東京工業大学 工学部

機械知能システム学科

 学籍番号  05-0343-9

岩本 篤

目次

目次

1 緒言

1.1 研究背景

1.2 レーザー加工技術

1.3 レーザー透過技術

1.4 Er;YAGレーザー

1.5 目的

2 実験

2.1 実験概要

2.2 実験試料と実験装置

2.3 実験方法

2.4 実験結果

3 数値シミュレーション

3.1 数値シミュレーションモデル

3.2 数値シミュレーション結果

4 考察

4.1 ポリカーボネイトを効率良く透過接合する要因について

4.2 試料の物性値の変化に伴うレーザー吸収率の変化について

4.3 試料の物性値の変化に伴う屈折率の変化によるレーザー径の変化について

4.4 試料の透過率の変化に伴うレーザー吸収率の変化について

4.5 まとめ

5 結言

参考文献

緒言

第1章  緒言

 

1 . 1 研究背景

プラスチック(Plastic)の語源は「plasticity(可塑性)」であり,この名前が使われはじめたのは,1920 年頃からと言われている.この可塑性という言葉の意味は,力を加えると変形し,力を取り去ったあとも,その変形した状態がそのまま残る性質のことである.プラスチックの定義は,「人工的に合成された有機高分子物質を主原料として人工的に有用な形状に形づくられた固体である」と言われていて,現在使用されているプラスチックは,ほとんどが石油から合成された高分子化合物である.

このプラスチックは1835 年に塩化ビニルとポリ塩化ビニル粉末を発見したのが最初と

言われる.初めて商業ベースに乗ったのは,1869 年にアメリカで開発されたセルロイドである.

これはニトロセルロースと樟脳を混ぜて作る熱可塑性樹脂だが,植物のセルロースを原料としているので半合成プラスチックと呼ばれることがある.本格的な合成樹脂第一号は,1909 年にアメリカのレオ・ベークランドが工業化に成功したベークライト(商品名)と言われている.フェノールとホルムアルデヒドを原料とした熱硬化性樹脂で,一般にはフェノール樹脂と呼ばれている.

その後,パルプ等のセルロースを原料としてレーヨンが,石炭と石灰石からできるカーバイドを

原料にポリ塩化ビニルなどが工業化された.戦後,石油化学の発達により,主に石油を原料として多様な合成樹脂が作られるようになる.日本では,1960 年代以降,日用品に多く採用されるようになる.1970 年代には工業用部品として使用可能なエンジニアリングプラスチックが開発され,1980 年代には更に高度なスーパーエンジニアリングプラスチックが使用されるようになった.これらの合成樹脂は金属に代わる新たな素材として注目されている.表1-1 にプラスチックの大まかな分類を示す.

このような材料開発に伴い,樹脂の加工方法も発達してきた.しかし,中空成形やデュアル

成形,インモールド成形などと成形加工技術が進歩する一方で,製品の多様化や高性能化の要求はさらに高まりを見せている.こうした製品の品質・納期の信頼性を確保するには,二次加工プロセスの充実が必須条件となる.プラスチックの二次加工法としては表1-2 に示すように,圧入・かしめ・スナップフィット等の機械的結合,超音波溶接・振動溶接・熱板溶接等の溶接および接着剤による接着,また印刷・塗装・メタライジング等の表面加飾がある.特に,成形技術において一度の成形では作成不可な形状にするために,二次加工技術の重要性が注目されている.

表 1-1 プラスチックの分類

汎用プラスチック

エンプラ

一般汎用プラスチック

高級汎用プラスチック

エンプラ

スーパーエンプラ

非結晶性プラスチック

透明

・ポリ塩化ビニル
・GPPS
・LDPE

・アクリル樹脂
・AS樹脂

・ポリカーボネート

・ポリスルフォン
・ポリエーテルイミド
・ポリエーテルスルフォシ
・ポリアリレート

不透明

・HIPS

・ABS樹脂

・変性PPE

結晶性プラスチック

・HDPE
・ポリプロピレン

・ポリエステル
・ポリアミド
・ポリアセタール

・ポリエーテルエーテルケトン
・ポリアミドイミド
・ポリイミド
・ポリフェニレンサルファイド

表 1-2 二次加工の長所と短所

接合技術

長所

短所

熱板溶着法

・多くの熱可塑性樹脂に対応
・形状の自由度が高い

・バリが発生し外観が悪い
・生産性が低い

振動溶着法

・生産性が高い
・強度,気密性があり信頼性が高い

・振動のため機密部品にはむかない

超音波接合法

・生産性が高い
・強度,気密性があり信頼性が高い

・振動のため機密部品にはむかない
・形状の自由度が低い

1 . 2 レーザー加工技術

レーザーという言葉は,Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation の頭文

字をとったもので,‘誘導放射による光の増幅’という意味になる.一般のレーザー光は,2 枚の平面鏡の間を2000~3000回往復して,誘導放射によって強められて出てくる指向性の鋭い,位相のそろった同一波長の光である.したがって,スペクトル幅の非常に狭い純粋な光である.また,レーザー光をレンズ等で集光させると非常にエネルギー密度の高い熱源になる.この微小スポットの高エネルギー密度熱源を用いたものがレーザー熱加工であり,従来,加工が困難とされてきた超硬脆材料(超硬合金,ダイヤモンド,セラミックス)も加工可能である.表1-3 に主なレーザー特性を示す.

表 1-3 加工用レーザーの種類

レーザー名

波長(μm)

代表加工例

CO₂

10.6

熱処理,溶接,切断穴あけ

TEA CO₂

10.6

マーキング

CO

±5

切断,穴あけ

Ar+

0.488
0.5145

半導体加工

Nd:YAG

1.06

溶接,熱処理,穴あけ
トリミングマーキング

Nd:Glass

1.06

スポット溶接

Er:YAG

2.94

虫歯の治療

アレキサンドライト

0.7~0.8

穴あけ

自由電子

9~35

SDI 用

銅蒸気

0.511
0.578

ウラン濃縮

色素

0.19~4.5

ウラン濃縮,分光分析

エキシマ

0.193(ArF)
0.249(KrF)
0.308(XeCl)

光化学反応
マーキング
フォトエッチング

レーザー光の波長または周波数は自由電子レーザーを除いては,レーザー媒質を構成する原子や分子のエネルギー準位間の遷移によって定まるので,それぞれの場合に定まった値をもっている.経済性および耐久性からみて,生産ライン導入に向いているのはCO2 レーザーとYAG レーザーである.この両者の差は前者が高効率と大出力において優れ,後者は取り扱いの容易さ(光ファイバ対応),信頼性などで有利である.

レーザーのいくつかある特徴の中で,集光系を用いることで高エネルギー密度の微小スポット(理論的には使用レーザー光の波長程度)になることを利用したレーザー熱加工(高温プロセス)には以下のものがある.

ⅰ 除去加工(穴あけ,切断,トリミング,マーキング等)

ⅱ 溶接

ⅲ 表面改質加工(表面硬化,表面合金化,クラッディング,ドーピング等)

ⅳ アルミの表面等へのセラミックス等の材料の溶射および蒸着による耐摩耗性増加

ⅴ 高速回転素材へのレーザー照射溶融飛散法による金属微粒子の製造

ⅵ セラミックスの単結晶育成

レーザー熱加工ではエネルギー密度とパルス持続時間が重要な役割を果たす.高エネルギー密度の場合,材料内に熱が伝わる前に照射部が蒸発するので,熱影響層が小さく,除去加工等が行われる.低エネルギー密度の場合,照射部が蒸発温度に達する前に内部が溶融し,溶接が行われる.

このように非接触で瞬間的に溶融・蒸発させるため,力を加えると変形しやすい薄板やゴム

等も精密切断加工ができ,型を作るには不経済である多品種少量生産製品等はレーザー加工で作られる.また,焦点をずらすことによってビーム径を変化させ,エネルギー密度を能動的に制御することができる.レーザー照射時間や送り速度等も同時に制御することで,同一機械で除去加工から溶接,焼入れ,トリミング等さまざまな加工が可能である.さらに,加工対象が幅広く,材料に適当なレーザー波長,出力を選定することでさまざまな材料が加工可能である.

1 . 3 レーザー透過技術

図1-1 に示すのはレーザー透過接合技術のイメージである.レーザービームを透過させるプラスチック部品(光透過性樹脂部品)を,レーザービームを吸収させるプラスチック部品(光吸収性樹脂部品)の上に重ねることで接合できる.最初にその2つのプラスチック部品を適度な圧力で押しつけながらレーザービームを照射させると,そのビームは光透過性樹脂部品を透過し,光吸収性樹脂部品の境界面付近で吸収され発熱し溶融する.次にその熱は熱伝導によって光透過性樹脂部品にも伝わって溶融し,溶融プールを形成する.最後に光吸収性樹脂部品と光透過性樹脂部品は接合する.

レーザー透過接合技術の特徴を以下に示す.

<長所>

・ 良外観(非接触溶着)

・ 局部加熱(熱による歪(ひずみ)がほとんどなく,薄肉な精密溶着が可能になる.)

・ 信頼性(溶着強度,気密性,正確なエネルギー制御ができる.)

・ 無振動(例えば,デリケートな構成部品への悪影響がない.)

・ 静音性(例えば超音波のような雑音がない.)

・ 作業性(バリや微粒子ダストがない.)

<短所>

・ 生産性(溶着速度)が悪い.

・ 光透過性樹脂材料と光吸収性樹脂材料の2 種類が必要.

このようにレーザー透過接合技術は他の接合技術に比べ多くの利点があることから,これ

からの高度な二次加工技術が必要となっていく将来において,さらなる有用性を持った技術であると考えられる.

1 . 4 Er:YAGレーザー

レーザーの性質を決める上で発振波長が重要な要因となり,それはレーザー媒質によって決定される.エルビウム:YAG(以下Er:YAG)レーザーの媒質であるEr:YAGとは「Erbium:Yttrium Aluminum Garnet(エルビウム:イットリウム アルミニウム ガーネット)」の略であり,この結晶を励起発振させることによって2.94 μm波長のレーザー光が得られる.

この波長の特徴として水への高い吸収性が挙げられる.これは,70 %が水で構成されているという人体への利用に適している.また,その高い吸収性によりエネルギーのほとんどが組織表面の水分に吸収され,組織深部への影響が少ないということから安全性も高い.そのため,現状では歯科治療などの医療分野においての利用や研究が多数行われている.しかし,医療分野以外での利用は少なく,今後の発展の余地は大きい.
現状のEr:YAGレーザーの利用は,そのほとんどが医療分野に関するものである.しかし,その特徴を活かすことができれば,まだ十分発展の可能性がある.

Er:YAGレーザーのエネルギーは水に非常によく吸収される.瞬間的にエネルギーを吸収した水は高圧の水蒸気を発生させ,周囲にそのエネルギーを伝える.そこで,水蒸気のエネルギーを用いることで材料を間接的に加工することができれば,Er:YAGレーザーの利用の幅は大きく広がる.この手法では材料とレーザーの組み合わせによらず,本来レーザーのエネルギーを吸収しない透明材料の加工をも行える可能性がある.また,水は安価で手に入り,その扱いは容易で安全である.このことから,Er:YAGレーザーの研究価値は非常に大きい.

1 . 5 目的

近年のプラスチックの台頭はめざましく,さまざまな特性を持った樹脂が開発されているため,多くの製品・部品が樹脂にとって代わられている.しかし,その一方で形状の複雑さや小型化といった理由により,加工方法の高度化・精密化等が要求されている.

それに加え,外観重視による透明樹脂の利用が多くなりつつある.前説で述べたようにレーザー加工技術には多くの利点があり,これらの要求を満足させることができる技術である.

しかし,レーザー透過接合技術の短所で述べたように,光透過性樹脂材料と光吸収性樹脂材料の2 種類が必要であることから,例えばレーザーに対し透明な材料同士の接合は不可能である.この場合,光吸収性樹脂に顔料系吸収色素(カーボンブラック等)や染料系吸収色素を混入することでレーザービームを吸収する.もしくはレーザービーム吸収シートを接合面に挟むことによってなされる.しかし,これらの顔料や染料を混ぜることによって樹脂の透明性が失われてしまい,透明材料同士の接合とは言えない.

また,レーザー加工において,複雑な形状や樹脂内部を加工する場合には.加工したい位置にレーザー吸収体を予め入れ加熱することが行われている.これでは加熱位置を三次元的に制御することは難しい上に,生産性が悪い.このように透明材料に対するレーザー加工においてさらなる発展性がある.

そこで本研究では水分吸着による材料の吸収係数変化を利用することで,より効率の良い方法でレーザー透過接合を行うことについて研究する.

実験方法

第2章 実験

 

2 . 1 実験概要

本研究では水分吸着による材料の吸収係数変化を利用することで,材料を1種類しか使わないレーザー透過接合について検討する.

試料には吸水性を示すプラスチックの代表であるポリカーボネイトを選定し,レーザーには水分子に対して高い吸収率を示すEr:YAGレーザーを用いた.

水分を十分に染み込ませたポリカーボネイトと十分に乾燥させたポリカーボネイトを用意し,図2-1に示すようにそれぞれの試料を組み合わせる.図2-2の状態で透過接合実験を行い,溶着までの時間,顕微鏡による溶着部の直径を計測する.

なお,図2-2においてヒートシンクを用いているのは,熱による試験片表面のダメージを避けるためである.


2 . 2 実験試料と実験装置

ここでは試料作成方法及び各材料と実験に用いる装置を示す.

<試料作成方法>

・吸水させたポリカーボネイト

ポリカーボネイトを水の中に入れ,質量を計測し変化がなくなるまで繰り返す.

・乾燥させたポリカーボネイト

80℃に保ったヒーターの中にポリカーボネイトを入れ,質量を計測し変化がなくなるまで繰り返す.

<試料>

ポリカーボネイト Polycarbonate

厚さ:1㎜

密度:1.20 g/cm3

可用温度: −100 °C to +135 °C

融点:約250 °C

屈折率: 1.585 ± 0.001

光透過率:90% ± 1%

熱伝導率:0.19 W/mk

透過率(Er:YAGレーザー 2.94μm)

 ・吸水させたポリカーボネイト:27.78%

 ・乾燥させたポリカーボネイト:41.30%

<ヒートシンク>

サファイアウィンドガラス

 外径:φ50.8㎜

 板厚:3.15㎜

 熱伝導率:23.1W/m・℃

<レーザー>

Er:YAGレーザー

 波長:2.94μm

 パルスエネルギー:約1J

 レーザー出力:10W以上

 動作電圧:100~1500V

 繰り返し周波数:0~10Hz

 ビーム直径:4mm

 

 

  

2 . 3 実験方法

図2-3に透過接合実験の概略図を示す.まず,資料の組み合わせをヒートシンクの上に乗せ,重りを乗せて固定する.次にサンプル同士を接合させるために集束レンズを通してEr:YAGレーザーを照射する.Er:YAGレーザーがパルスレーザーということを利用して0.2秒刻みで接合した時の時間を計測する.

図2-4はサンプルのイメージ図と実際のサンプルの写真である.このような形になっているのは接合強度を測るために引張試験機に掛けるためである.

2 . 4 実験結果

 

実験によって溶着された試料の溶着部の直径の平均値を各パターンにおいて求めて,

グラフにまとめたものを示す.

なお,溶着部の直径は下記に示してある顕微鏡を用いて計測した.

VH-Z75

 

 数値シミュレーション

第3章 数値シミュレーション

 

3 . 1 数値シミュレーションモデル

本研究では,実験で得たポリカーボネイトの接合物のレーザー加熱現象を解析するために数値シミュレーションを行った.

ここではシミュレーションに用いたモデル及び現象を支配する非定常熱伝導方程式,レーザ

ーによるふく射加熱の原理を示す.

<モデル>

まず,図3-1 に実験状況を簡単にモデル化したものを示す.この図から判るように,シミュレーションでは円筒座標系を用いた.レーザーはz 方向に集光しながら入射される.

図3-1 数値シミュレーションにおけるモデルの全体像

そしてθ方向の温度分布が一様であると仮定すれば,微小体積同士のr-z 二次元非定常熱伝導現象として扱うことができる.そのモデルを図3-2 に示す.このように,z 方向及びr 方向にメッシュを切り,z 方向にi 個目,r 方向にj 個目の要素を[i][j]と表現することにする.

また,図3-3 に示すように要素[i][j]を要素P としたとき,その周りの要素の添字をN,E,S,W とする.

                 

<非定常二次元熱伝導方程式>

θ方向の温度分布が一様であると仮定した円筒座標系の非定常熱伝導方程式は式(3.1)で

表される.

これを離散化すると式(3.2)のようになる.

 

 ここで式(3.2)におけるf は重み係数である.f=0 の場合は陽解法,f=0.5 の場合はクランク・ニコルソン法,f=1 の場合は完全陰解法である.本研究では陽解法を用いて計算することにする.

さて,ここで式(3.2)にf=0 を代入すると式(3.3)になる.式(3.3)の右辺左の項はPのE,W,S,N との熱伝導における温度の増減を示している.一方,右辺右の項はレーザーふく射加熱によるP での温度上昇Tup もしくは外気との熱伝達Taway を表し,式(3.4)となる.

 

となりごく一般的な二次元円筒座標系の非定常熱伝導方程式となっている. 

各要素に入射するエネルギーをI[i][j](W),吸収係数をβ[i][j](1/m),吸収されるエネルギーをabs[i][j](W)とすると各要素で吸収されるエネルギーは式(3.5)になり,式(3.4)は式(3.6)になる.

レーザーが集光するにあたり,各要素に入射するエネルギーI[i][j]は,その要素を熱するために使われるエネルギーabs[i][j]と透過していくエネルギーI[i+1][j]にわけられる.本来ならばレーザーは集束レンズを通しているので常にスポッド径が変わるのだが,試料の厚さが十分に小さいことからスポッド径が与える影響も小さいと考え,試料に入射した時のスポッド径を固定し,変化しないものとする.これを数式化すると式(3.7)で表される.

各要素に照射されたエネルギーI[i][j]はその要素で吸収されるエネルギーabs[i][j]と次の要素I[i+1][j-1]もしくはI[i+1][j]に入射するエネルギーに分けられる.その要素で吸収されたエネルギーabs[i][j]は式(3.6)によりその要素の温度上昇になる.

ここで,材料の各要素における温度は式(3.3)より熱伝導項とレーザーふく射による温度

上昇の項に分けられる.熱伝導とはすなわち熱エネルギーが拡散することを意味するため,局所の温度を上昇させるためには式(3.3)において,レーザーふく射による温度上昇の項が支配的になる必要があることが判るだろう.表3-1 に数値シミュレーションにおける条件を示す.

表3-1

表3-1 数値シミュレーションにおける条件

密度(kg/㎥)

1200

比熱(J/kg/K)

1260

熱伝導率(W/m/K)ポリカーボネイト

0.19

熱伝導率(W/m/K)ヒートシンク

23.1

熱伝導率(W/m/K)重り(鉄)

83

大気温度(℃)

26

r 方向要素数

120

z 方向要素数

40

2*π/360

レーザーの直径(㎜)

0.0012

材料の境界面はヒートシンクと重りに触れており,ヒートシンクと重りについても材料同様に要素に分けて解く,ただしレーザーによるエネルギーは与えられないという条件を加える.

また,水分を含むことによる物性値(密度,比熱)の変化と屈折率の変化は無視するものとする.これは物性値が水の影響を考えても,求めるデータに対してほとんど影響を与えなかったことと,屈折率が変化するということに関しても同様に影響とローレンツ‐ローレンツの式から分かっているためである.

3 . 2 数値シミュレーション結果

 

ここでは前節で説明したモデルを用いて数値シミュレーションを行った結果を示す.結果としての温度分布図は図3-4に示すように,試料下からレーザーが入射直径Rで照射される.

以後示す温度分布図は図3-4の右半分を示すこととする.

  

レーザー出力0.6W 照射時間5secで4つのパターンをシミュレーションした結果を示す.

 

レーザー出力0.6W 照射時間10secで4つのパターンをシミュレーションした結果を示す.

レーザー出力1.0W 照射時間5secで4つのパターンをシミュレーションした結果を示す.

 

レーザー出力1.0W 照射時間10secで4つのパターンをシミュレーションした結果を示す.

数値シミュレーションで得られた試料の溶着部の直径を各パターンごとにグラフにまとめたものを下記に示す.

考察

第4章 考察

 

4 . 1 ポリカーボネイトを効率良く透過接合する要因について

ここではポリカーボネイトを効率良く透過接合するための要因を挙げる.

図4-1に示すように本研究では4つのパターンで透過接合を行い,それぞれのパターンにおける実験値とシミュレーション値を比較したものを図4-2に示した.

図4-2の実験値より,図4-1-D,図4-1-C,図4-1-B,図4-1-Aの順で溶着部の直径が大きく,図4-1-Dが最も効率よく透過接合を行えたことを示している.

このようにパターンの変化よって溶着部の直径が変化する要因として以下に挙げたものが考えられる.

1.試料の物性値(密度,比熱,熱伝導率)の変化に伴うレーザー吸収率の変化

2.試料の物性値(密度)の変化に伴う屈折率の変化によるレーザー径の変化

3.試料の透過率の変化に伴うレーザー吸収率の変化

これら3つの要因がどの程度透過接合に影響しているのか次節述べていく.

 

4 . 2 試料の物性値の変化に伴うレーザー吸収率の変化について

試料の物性値(密度,比熱,熱伝導率)の変化に伴うレーザー吸収率の変化について,

吸水させたポリカーボネイトと乾燥させたポリカーボネイトの物性値を考慮したシミュレーション値と考慮しない(単純なポリカーボネイトの物性値)シミュレーション値を比較しどの程度温度に影響するかを調べることでこの要因の影響を考察していく.

まず,吸水状態と乾燥状態にさせたポリカーボネイトが通常値とどれほど物性値が異なってくるかを求める.

図4-3は通常値に対して変化した重さの割合を示したものである.

ここから密度,比熱,熱伝導率をそれぞれ求め,その値を数値シミュレーションに入力して求める.

その結果数値シミュレーションで求めた温度のうち最も変化した値が0.5℃と少ないことがわかり,溶着部の直径には大きな影響を与えないと考えられる.

これより試料の物性値(密度,比熱,熱伝導率)の変化に伴うレーザー吸収率の変化は透過接合を効率良く行う上で実質的に大きな要因なるとは考えられないことが言える.

4 . 3 試料の物性値の変化に伴う屈折率の変化によるレーザー径の変化について

試料の物性値(密度)の変化に伴う屈折率の変化によるレーザー径の変化については,屈折率の変化を考慮した場合の溶着部におけるスポッド径をLorentz-Lorenzの式を用いて求め,その結果を数値シミュレーションに入力してどの程度温度に影響を与え,溶着部の直径に影響を与えるのかを考察する.

屈折率

N

単位体積当り分子数

M

分子量

ρ

密度

NA

アボガドロ数

α

分極率

  

Lorentz-Lorenzの式によって求められた屈折率を考慮した場合のレーザー径とそうでないレーザー径をそれぞれ数値シミュレーションに入力して値を求める.

その結果数値シミュレーションで求めた温度のうち最も変化した値が0.001℃と非常に少ないことがわかり,溶着部の直径には大きな影響を与えないと考えられる.

これより試料の物性値(密度)の変化に伴う屈折率の変化によるレーザー径の変化は透過接合を効率良く行う上で実質的に大きな要因なるとは考えられないことが言える. 

4 . 4 試料の透過率の変化に伴うレーザー吸収率の変化について

試料の透過率の変化に伴うレーザー吸収率の変化については,要因1,2の影響がないようにした状態でポリカーボネイトの透過率変化のみを考慮した数値シミュレーションを行い,各パターンと溶着部の直径の関係を図4-4に示した.

図4-4より,明らかに溶着部の直径に大きな影響を与えていることがわかる.

さらに実験値とシミュレーション値を比較した図の4-5を見てみると,どれも値の傾向が同じであり,透過接合において透過率変化の影響が支配的な要因であると言える.

 

4 . 5 まとめ

以上のことから,ポリカーボネイトの透過接合の効率を決める実質的な要因として,試料の透過率の変化に伴うレーザー吸収率の変化であることがわかった.

その原因を考える上で第3章のシミュレーションによる温度分布図を見る必要があり,以下に再度記した.

通常ポリカーボネイトの透過率が高いほどレーザーのエネルギーは吸収されず温度上昇しないが,透過率が低いほどレーザーのエネルギーは吸収され温度上昇する.

では,水分を含んだ透過率の低いポリカーボネイト同士の組み合わせが良いかと言うと実験値からはそうとは言えない.

実際に図4-6の中でポリカーボネイトの融点を超えている赤い部分範囲が大きいのは

図4-6-2の組み合わせだが,溶着部(厚さ1mmの境界面)で融点を超えている範囲が大きいのは図4-6-4の組み合わせであった.

つまり,効率の良い透過接合を行う上で単純に透過率を低くすれば良いというわけではなく,溶着部で融点を超える温度が広範囲であるということが重要である.

参考文献 

1. 黒﨑 晏夫:高分子材料のレーザー接合技術 レーザー樹脂接合の基礎と特色Seikei-Kakou Vol.19 No.12 2007

2. 黒﨑 晏夫:高分子材料のレーザー接合技術 樹脂のレーザー接合の実用化技術Seikei-Kakou Vol.20 No.1  2008

3. 西 智規、斎藤 卓志、佐藤 勲:材料の光・熱刺激による物性変化を利用した加熱制御手法の検討(2006)

4. 児玉 健次、斎藤 卓志、佐藤 勲:エルビウム:YAGレーザーを用いた透明材料の加工に関する基礎的検討(2007)

ここまでが、論文です。

こっからが、抄録です。

抄録

水分吸着による材料の吸収係数増加を利用したレーザー透過接合

Laser penetration joint using an increase of absorption coefficient of material

by moisture adsorption

 

05-03439 : 岩本 篤(SHIGE IWAMOTO)

指導教員 : 佐藤 勲 教授,斉藤卓志 准教授,川口達也 助教

 


1.緒言

近年のプラスチックの利用展開はめざましく,さまざまな特性を持った樹脂が開発され,多くの製品・部品が樹脂にとって代わられている.一方,複雑な形状を有する製品,あるいは小型化を図るために,加工方法の高度化・精密化等が要求されている ⁽¹⁾.これらの要求を満たす接合技術としてレーザー透過接合技術が注目を集めている.

レーザー透過接合技術は,光透過性樹脂材料と光吸収性樹脂材料の2種類を用意する必要があり,また,照射するレーザー光に対し透明な材料同士の接合は不可能である.この場合,元々は光を透過した樹脂に顔料系吸収色素(カーボンブラック等)や染料系吸収色素を混入することでレーザービームを吸収させる,あるいはレーザービーム吸収シートを接合面に挟むなどの手法が存在する.しかし,顔料や染料を添加した場合には樹脂の意匠性が失われてしまう⁽²⁾⁽³⁾.

このように透明材料に対するレーザー透過接合技術においてはさらなる高度化が求められている現状がある.

そこで本研究では,透明材料に対しレーザー透過接合を可能とするため,水に選択的に吸収されるエルビウムヤグ(以下,Er:YAG)レーザーを熱源とし⁽⁴⁾,水分吸着状況の異なる透明高分子材料(ポリカーボネート,以下PC)を接合することを提案した.また,レーザー透過接合実験の結果と計算機シミュレーションにより得られた接合部近傍の温度分布予測に基づき,提案手法の特徴を明らかにすることを目指した.

 

2. 実験装置及び実験方法

実験装置の概略図をFig.1に示す.赤外線レーザーとして,本研究ではEr:YAGレーザー(発振波長2.94 μmパルス10),試料としてポリカーボネート(板厚

1 mm)を用いた.試料に対し,上側より一定の圧力(2.34×10 Pa)掛ける構造としたため,Er:YAGレーザーのビームをミラーに反射させて試料の下側から照射した.ミラーで反射させたレーザービームをフッ化カルシウム(CaF₂)製の焦点距離143.4 mmの平凸レンズにより集光し,接合界面においてスポット径が3.1㎜(以下,溶着部の径)になるように光学系を組んだ.

試料のレーザー入社側表面が熱によってダメージを受けるのを避けるためにサファイア(AlO₃)製のヒートシンクが採用されている.

Table 2 simulation condition

 

 

 

 

Fig.2で示した吸収係数を変化させた試料の組み合わせに対してFig.3で示したパルスレートを固定させてパルス出力,照射時間を変化させた組み合わせに対してレーザーを照射し,試料の溶着部の径を顕微鏡で計測した.

Fig.3(a)は実験状況を簡単にモデル化し, 計算機シミュレーションでは円筒座標系を用いた.

Fig.3(a)のθ方向に温度分布が一様であると仮定すれば,Fig.3(b)に示すように微小体積同士のrz 二次元非定常熱伝導現象として扱うことができる.z 方向及びr 方向にメッシュを切り,z 方向にi 個目,r 方向にj 個目の要素を[i][j]と表現することにする.

また,Fig.3(c)に示すように要素[i][j]を要素P としたとき,その周りの要素の添字をNESW とする.

(1.1)の非定常熱伝導方程式が計算機シミュレーションの支配方程式として表される.Table 2は計算機シミュレーションの条件を示す.

 

3.結果及び考察

数値シミュレーション結果は,試料の溶着部の中心から右部分3mmの断面図の温度分布をFig.4で示す.

通常ポリカーボネートは,吸収率が高いほどレーザーの加熱の効果が大きいと考えられるため,水分を含むポリカーボネート同士の組み合わせにおいて,溶着部のスポット径が最も大きくなると事前に予測した.しかしながら,実験より得られた接合部の径は異なり,ケースDでの値が最大となった.これは数値シミュレーションの結果でも同じ傾向が示されており,PCの融点を超える図中で黄色く表示される領域はケースBよりケースDの場合の方が大きくなった.

レーザー照射を行ったときの試料の溶着部のスポット径と数値シミュレーションで求めた界面温度250℃以上領域の値をFig.5に示す.Fig.5は、異なるレーザー照射条件での結果が示されているが,いずれの条件においても実験値とシミュレーション値はABCDの順にスポット径が大きくなった.

次に溶着部のスポット径が変化する要因として吸収係数増加以外にも以下の項目が考えられ,これらが与える影響についても,数値シミュレーションによる検証を行った.

1試料の物性値(密度,比熱,熱伝導率)の変化

2.試料の物性値(密度)の変化に伴う屈折率の変化

数値シミュレーション結果はTable 3に示すように,

界面での温度差が溶着部の径にほとんど影響を及ぼさないことがわかった.

 

 

 

 

4.結言

4.1 結言

 

本研究では,水分吸着による材料の吸収係数増加を利用したレーザー透過接合について検討するために,

水分子に対して高い吸収率を示すEr:YAGレーザーと吸水性を持つプラスチックの代表であるポリカーボネートを用いて照射出力,照射時間,吸収係数を変化させ,試料組み合わせに対しレーザー照射を行い,溶着部のスポット径計測を行った.

その結果,試料の組み合わせにより溶着部のスポット径が変化することが確認することができた.この数値シミュレーションにより,水分吸着が材料の吸収係数増加に影響を与えることで透明高分子同士の透過接合の手法を明らかにすることができた.

 

参考文献

(1) 西智規,佐藤勲,齊藤卓志:材料の光・熱刺激による物性変化を利用した加熱制御手法の検討,東京工業大学,平成十八年度修士論文(2001)

(2) 黒﨑晏夫:高分子材料のレーザー接合技術レーザー樹脂接合の基礎と特色,成型加工,Vol.19,No.12

(2007)

(3) 黒﨑晏夫:高分子材料のレーザー接合技術 樹脂のレーザー接合の実用化技術,成型加工,Vol.20,No.1 (2008)

(4)児玉健次、佐藤勲、齊藤卓志:エルビウム:YAGレーザーを用いた透明材料の加工に関する基礎的検討東京工業大学,平成十九年度学士論文(2007)

 

No. 2191

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