機械技術2017年11月号

特集 レーザによる加工技術をさぐる
ー穴あけ・切断・微細・難形状加工ー
レーザ加工機編

超短パルスレーザによる金属の微細加工と応用例

㈱リプス・ワークス 代表取締役COO 井ノ原 忠彦(Tadahiko Inohara)
〒144-0033 東京都大田区東糀谷6-4-17 OTAテクノCORE  TEL:03-3745-0330

 

1.はじめに
一般的にレーザ加工は、切削工具による加工に比較して熱影響が大きく高精度の加工には不向きとされてきた。特に微細な加工においては、形状不整が生じ必要な精度の確保は困難であった。そのため、除去加工としてのレーザは、高精度の分野では対象外とされてきたのが現実である。
しかし、超短パルスレーザ(ピコ秒レーザ、フェムト秒レーザ)の出現によって、熱影響による形状不整は大きく改善された。そのため、切削工具では、困難とされてきた形状が、容易に実現可能となってきた。本稿では、加工事例を中心に超短パルスレーザの特徴と応用例を紹介する。

2.超短パルスレーザとは何か
一般的には、レーザは加工用に限定しても、発振媒体(個体、気体、)、発振方式(連続発振・パルス発振)、波長等の種類によって、加工できる材料・分野が限定される。例えば微細加工と厚板切断、溶接などに用いるレーザは、全く違うものである。
微細加工用レーザに限定すると、昨今の技術革新は、図1に示すように、極端にパルス幅を短くすることによって、ピークパワーが高くなり熱加工現象からアブレーション加工現象に替わったことである。このことによって、熱影響による形状不整が無くなり、機械加工と同等の除去面が得られ、なおかつ微細でバリの無い形状創成が可能になった。
図1 パルス幅とピークパワーの関係当社は、2009年、他社に先駆けて超短パルスレーザを導入した。しかし、図1にみるパルス幅を基準にして従来をナノ秒レーザと表現するならピコ秒、フェムト秒レーザなどの超短パルスレーザでの加工プロセスは、物理的に全く違うといっても過言ではない。そのため、ピコ秒レーザを導入した時点では、パルス数を単調に増加させた場合、後述するように所定のアスペクト比で制御不能となり不安定化するなど課題が多く、市販の光学系、制御系では、対応が困難との結論に至り、加工機のすべてを自社開発せざるを得ない状況であった。

暗中模索のなか、図2に示すレーザ加工機を開発し、日々改善を加えながら、加工技術の開発を進めてきた。このレーザ加工機には、孔加工専用光学系、ガルバノスキャナ―、ステージ駆動(400mm×400mm)が、搭載され、あらゆる加工に対応できる構造となっている。現在では、フェムト秒レーザ加工機が加わり、6台の超短パルスレーザが稼働している。

図2 開発したレーザ加工機

その一部を以下の順に加工事例を交えながら報告する。
(1)孔加工
(2)マイクロテクスチュア加工
(3)円筒内外面加工
(4)切断
(5)マイクロテクスチュア応用例

(1)孔加工
超短パルスレーザは、孔加工のようにレーザを、照射し続けるような加工では、図3に示すように、ある時点から制御不能となり、光は熱に替わり折角の超短パルスレーザの特徴を活かすことはできない。
その問題点を解決するために、光の挙動を完全に制御するための高性能のビームローテーターの開発を行い、ストレートで、高精度の孔加工技術を確立した。熱影響による形状不整は全く見られない。壁面の粗度は改善され、機械加工と比較して、数万孔の加工を実施した場合でも、安定した加工が継続して実施可能である。当然ドリルの摩耗、シューティングなどによる不具合は発生せず、工具交換の必要もない。
また、加工時間についても、特にファインセラミックス・超硬合金・タングステン、モリブデン等のような高硬度材加工の時、数倍の加工スピードを実現している。また、フェライトや、ポーラス状の脆い材料への加工性も良好である。
図4は、窒化ケイ素にφ60μmをアスペクト比10倍弱で加工した写真である。また、図5はモリブデンにφ100μmの孔加工を付与した写真である。バリ、溶融などの不整は全く見当たらない。
要約すると、超短パルスレーザの利点は、最適加工条件の確立ができれば、切削抵抗、加工反力が無く、熱影響が少ないために材料を選ばず、高精度で高速加工が可能になることである。
しかし、あくまでも機械加工で創成された材料に部分的に短パルスレーザでの微細加工を付与する使い方こそ、付加価値を向上させ、機械加工とレーザ加工とは両立が可能となる。
 

 

 

 

 

 

(2)マイクロテクスチュア加工
表面機能向上のためのマイクロテクスチュア(材料表面に正確で規則正しい微細なパターンを付与し、表面機能の向上を図る)加工技術は、あらゆる分野での応用研究が活発化している。背景には、前途の(1)孔加工の項でも述べた通り、バリの無い表面加工が可能になったことがあげられる。この技術が出現する以前の、熱レーザを含む従来の除去加工では、高精度に加工された表面に発生したバリのために、再研磨加工などの追加工が必要となり、希望のテクスチュアを形成することは困難であった。超短パルスレーザでの表面テクスチュアは、そのような不具合を一掃した。当社では、微細部品金型のような複雑な形状をはじめ、単純な高速溝加工で、図6に示すように、(a)のディンプル加工と同様の寸法での、(b)のエンボス加工も可能である。
また、同様に図7に、四角錘形状の加工例を示す。特筆すべきは、まったくバリ、熱影響による形状不整が見られないと同時に、深さ、高さが指定通りに、制御可能となったことである。また、被加工物の材質を選ばず、たとえ表面硬化処理された材料、あるいは切削工具に用いられるような超硬合金であっても同様の加工形状が得られる。

 

 

 

(3)円筒内外面加工
図8 エンジンシリンダとピストン加工例例えば、機械加工に於けるホーニングのように、円筒内面へのレーザ加工が可能になれば、軸受や、エンジンシリンダなどへの加工が容易になる。しかし、光学系の設計、制御方法など課題も多く、当社は超短パルスレーザが出現する前のエキシマレーザの時代から研究を続けて多くの内面テクスチュア加工を実現した。
また、外周部への加工が可能になれば、ピストン外周への微細加工や高硬度表面を持つローラーに印刷や転造に必要な微細パターンを付与することが可能になる。いわゆるレーザ旋盤の実現である。それらの加工実績として、図8に、エンジンシリンダとピストンの外周にテクスチュアリングを付与した例を紹介する。

(4)切断
超短パルスレーザの切断は、他の熱レーザのように、高速で厚板を切断する作業には不向きであるが、例えば金属箔の精密切断などのように、繊細な切断加工は、エッチングなどのような、多くの工程を経た加工法に比較して、安易に、より高精度の加工が可能になる。
図9には高精度に切断された10μmtのSUS304箔の切断写真を示した。熱歪による変形は一切見当たらず正確な切断が可能なことがわかる。
またCFRPや複合材の切断も容易に行うことができる。当然、フイルム上の金属膜などの選択的な除去、切断も基材を傷つけることなく可能である。
次に図10は、細いパイプに正確な加工を付与した例である。レーザの特徴である、加工の反力が無いのに加えて、超短パルスレーザの特徴が活かされた加工例といえる。
図9 SUS304箔切断図10 小径パイプへの微細加工例

 

 

 

 

 

 

 

(5)マイクロテクスチュア応用例
① 摺動部摩擦抵抗低減応用例

表1 マイクロテクスチュア効果の摺動速度依存性自動車摺動部品などの環境負荷低減の要請からは、最少潤滑油量でのトライボロジーを実現する必要がある。この制約条件では、油膜面が不足状態になる境界潤滑機構においても、低摩擦状態を保持する技術が求められる。
一般に、境界潤滑あるいは混合潤滑では、摺動している2物体が接触し、連続していた油膜面が途切れる可能性が高い。特に低粘度油による潤滑では、摺動速度が遅くなると、2物体が折衝状態となるスティッキング現象が生じ、摩擦係数の急速な増大あるいは2物体の凝着が生じる可能性が高い。この不具合を解消するためには、2物体が接近し、互いにトラクション伝達するときに、薄い油膜面が形成されている必要がある。ここに、マイクロテクスチュアの応用展開がある。すなわち、接触面に微細な油だまりを付与し、油膜の確保が可能になれば、これまでの潤滑油・グリースの大量使用から、最少潤滑油量でのプロセス・トライボロジーが可能になる。それを実現するために、芝浦工業大学相澤教授の指導で最適なマイクロテクスチュアを検討した。具体的には、SUS420試験片に図6(a)にみられるような微小ディンプルパターンを変化させ、パターンなしの通常試験片との摩擦係数特性の比較について、摩擦係数の測定距離に対する測定結果を表1に示す。試料は鏡面仕上げしたnotex(テクスチュアなし)と、φ100μm径でピッチ200μmとφ50μm、ピッチ100μmのディンプルパターンである。同表より、相手材料との接触域内に有効なマイクロディンプル密度が多い50μm径のマイクロ・ディンプル・パターンを用いることで、摩擦係数は半減することが確認できる。
しかし、実際の摺動部品、部材では、種々の速度条件で稼働することが想定されるため、比較的広い摺動速度範囲で、低摩擦状態が保持されるかが課題となり、適したパターンの設計が必要となる。しかし、省資源、省エネルギーを念頭におけば、摩擦や摩耗を制御することによる経済効果が大きいことは、自明の理である。当然あらゆる業界に於いて応用が進んでいる。

②切削工具への応用例
図11 切削海面におけるマイクロテクスチュア効果大阪大学杉原達哉講師の研究では、一般的な考え方である切削工具の表面を可能な限り平滑に仕上げることにこだわらず、従来知見とは全く逆に、工具表面にレーザマイクロテクスチュアを付与することにより、様々な機能を発現する切削工具の開発が進んでいる。
炭素鋼の切削加工実験の一例を図11に示す。
同一加工条件下での通常の工具とディンプル構造を付与した開発工具の摩耗量に及ぼす影響を示したものである。この切削事例においては、マイクロテクスチュアは工具と切りくず界面への切削油剤を保持するオイルプールとしての効果、摩耗を促進する硬質摩耗粒子をトラップするポケットとしての効果を発現することで、工具摩耗を抑制している。工具の最大クレータ摩耗深さを比較すると、開発工具に於いて60%摩耗が抑制されていることがわかる。
切削工具表面に形成されたマイクロテクスチュアは、前述の効果以外にも、切削油剤の微細流路としての効果、凝着物の脱落推進効果、接触面積の低減効果など、切削加工中に様々な効果を発現することが明らかとなっており、それぞれの現象の組み合わせによる切削条件の確立が重要と考えられる。またそのためのマイクロテクスチュアは、目的を満足する形状でなければならない。

3.おわりに
図12 当社の高速加工最新鋭機昨今のレーザの発展は、まさに目を見張るばかりである。特に超短パルスレーザの出現は、機械設計手法の変更を迫るような、まったく新しい世界を切り開いた。その進歩は留まるところを知らず、スペックの向上はめまぐるしいものがある。当初欠点とされた遅い加工速度を改善するには、それらの進歩するレーザを使いこなすためにバイトデザインの自由化とモーションコントロール空間位置の自由化が必要である。
図12は、リプス・ワークスの加工技術を活かし、スループットを大幅に向上させた、出力100W、繰り返し周波数40MHzの能力を持つ最新鋭機である。「加工技術の開発無くして最新鋭のレーザ加工機の開発はできない」受託加工とレーザ加工機製造のビジネスを並行して進めている所存である。

 

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