KIa0 キーワード：脆性材料，ガラス，熱応力，き裂誘導，割断加工，応力拡大係数 2c22c222FPkI1z図1 レーザスクライブ加工の概略図 図2 セナルモン法による縦き裂と水平き裂の観察 図3 半無限き裂内面に力FPが作用するクラックモデル １．研究の目的と背景 脆性材料であるガラスは，建物や自動車の窓ガラス，テレビやスマートフォンのディスプレイなど様々な分野で利用されている．現在，ガラスの割断には，図1に示すような，レーザ照射直後を水冷し，表面き裂（スクライブ）を誘導して割断するレーザスクライブ加工が主流である．この加工法は，切りしろがなく，割断面が鏡面となるなどのメリットがある．しかし，水冷を伴わない場合，加工速度が極端に遅く，水冷を用いることで速度は飛躍的に向上するが，電子デバイスと一体になっているものには向かないことや，ウォーターマークが残るなどの欠点が存在する． 一方，本研究室で行っている鏡面溝加工の研究1)において，セナルモン法を用いてき裂先端形状を底面側から観察したところ，図2のように溝を生成する水平き裂よりも前方に，縦き裂が先行している様子2)が確認された．これは，加熱時の引張応力によるものと考えられ，この現象を利用することで，高速で水冷の必要がない新しい割断技術になると考えた． そこで本研究の目的は，この現象の発生メカニズムを解明し，高速で水冷工程のない新しい割断加工技術の開発を行う． ２．理 論 佐世保工業高等専門学校 機械工学科 （平成29年度 一般研究開発助成 AF-2017220） 准教授 森田 英俊 ３．実験と解析 本現象はレーザ誘起熱応力により，き裂を誘導することで発生していると考えられる．そこで，本研究では加工成立時の条件でFEMによる熱応力解析を行い，その後，応力拡大係数KIを求めることで，メカニズム解明を行う．つまり，応力拡大係数KIがガラスの破壊靭性値KICを超える領域が，き裂が開口できる条件であるので，これを満たす領域を求めることで，本加工の成立条件が予測可能である．そのため，ここでは，半無限き裂の内面に力が作用する場合のクラックモデル（図3）を用いてKIを求める．ここで，FPは半無限クラックの内面に作用する集中力，cはき裂先端からFPまでの距離である．ここでdcは，き裂先端から熱源中心までの距離である．この時の応力拡大係数kIは(1)式のようになる3)． ここで，FP=(z)dzとすると，微小長さdzにおける応力拡大係数dKIは，以下の(2)式のようになる． よって，これをき裂長さaで積分すると，(3)式のようになる． この式に，FEMで求めた応力を代入し，台形法によって数値積分することでKIを求めた． ウォータジェットき裂レーザ走査方向冷却領域加熱領域ガラスdKIzdz() zdz()(1) (2) (3) − 332 −脆性材料内部を進展するステルスき裂を利用した 高速非接触ドライ割断加工技術の開発
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