直径30μm、宽高比15、倾斜5度,超小型DEEL复合机实现高精密加工

新产品 · 新服务 2018年06月07日
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日本国立研究开发法人产业技术综合研究所表面功能设计研发小组的主任研究员栗田恒雄与研发组长三宅晃司,开发出了超小型DEEL复合加工机,可以在金属上加工出高深宽比的小直径孔眼和窄沟槽等,这在以前是很难做到的。

该加工机在同一台机器上组合了激光加工和电解加工两种不同原理的加工方法,能在基本不产生碎片的情况下,在金属上加工出小直径孔眼、狭窄沟槽等高深宽比的形状,还能加工出倾斜的孔眼和沟槽(下图右)。另外,该加工机不仅保持了复合加工低能耗的特点,还实现了超小型轻量化——长430mm、宽300mm、高400mm,重16kg。这款加工机可以单人独立搬运(下图左),无需选择设置场所,能随时随地进行加工。利用此次开发的DEEL复合加工机,有望制造出小直径多孔注塑喷嘴和超小型支架等全球独一无二的金属产品。

此次开发的DEEL复合加工机及复合加工示例

此次开发的DEEL复合加工机及复合加工示例

以往开发的激光电解复合加工机虽然能向极细管的希望位置准确照射激光,但激光加工过程中产生的碎片成为工业应用的一大障碍。研发小组为此开发了不会产生碎片的新加工技术。DEEL(Deep Electrochemical Etching with Laser assistance:激光辅助深度电化学蚀刻)复合加工技术将激光加工和电化学蚀刻加工(即电解加工)结合起来,通过电解加工去除材料,因此HAZ(热影响区)较少。利用激光仅去除绝缘膜的底面,再用电解加工仅去除没有绝缘膜的底面周边的材料,所以能在金属上加工出高深宽比的微细形状。

DEEL复合加工的工序如图1所示,具体为:(1)通过电解加工形成电解绝缘膜;(2)在形成电解绝缘膜的材料表面,通过激光加工在电解绝缘膜上打开一个口;(3)通过电解加工仅在开口区域去除部分材料;(4)电解加工,再在开口处形成电解绝缘膜;(5)再次通过激光加工仅去除新形成的电解绝缘膜的底面。如有必要,可重复(3)至(5)的加工工序。

DEEL复合加工工序

图1:DEEL复合加工工序

图2是实施了激光加工和DEEL复合加工的不锈钢细管。对直径为210μm(内径为70μm)的不锈钢细管表面进行加工后,为方便观察细管内面,将其切断。利用以往的激光加工法加工的细管,管的内面有疑似为氧化物的黑色附着物,以及在截面等熔化后重新凝固的金属凝固物等碎片。而利用DEEL复合加工法加工的细管,未产生黑色附着物和截面的凝固物等碎片。

对细管进行加工后

图2:对细管进行加工后

此次,研发小组试制了DEEL复合加工的专用装置。在DEEL复合加工中,电解绝缘膜要利用激光加工去除,由于金属等的表面形成的钝化膜、阳极氧化膜等电解绝缘膜的厚度大多比较薄,所以利用输出功率较小的激光就能完全去除,而电解加工利用几十mW的电力即可完成,因此实现了低能耗。

图3是试制的DEEL复合加工机。加工机实现了超小型轻量化,长度为430mm、高度为400mm、宽度为300mm,重16kg。DEEL复合加工需要不断重复加工工序,因此最好能实现自动且高速地切换工序。这款加工机在加工对象的加工面与装置接地面垂直时进行激光加工,平行时进行电解加工,可以高速切换加工工序。另外,通过专用的控制程序和控制界面,能灵活进行加工条件控制和工序控制,因此,能以指定的次数自动执行自由设定了激光扫描路径及电解加工电压等加工条件的各种工序。

DEEL复合加工机

图3:DEEL复合加工机

图4是利用DEEL复合加工机进行加工的示例。在金属上加工了2500个最小部分的直径约为30μm、宽高比约为15的微细孔眼。此次开发的加工机通过改变激光照射角度,能加工倾斜的孔眼或沟槽,在图4的加工示例中,激光的照射角度设定为倾斜5度,因此获得了倾斜约5度的截面形状。另外,不仅是矩形截面,还能加工截面形状随着深度而变化的孔眼或沟槽。这是因为,激光加工是仅对直线前进的激光照射区域的周边进行加工的各向异性加工,而电解加工是对接触加工液的表面进行均匀去除的各向同性加工,所以,通过改变加工条件,控制两种加工方法的影响,就能控制截面形状。

目前,内燃机使用的注塑喷嘴上加工了十几个直径为数百微米的孔眼,心脏支架是在几毫米直径的细管进行沟槽加工,如果使用DEEL复合加工机,有望制造出全球独一无二的金属产品,例如,拥有数百个直径不到100μm的孔眼的小直径多孔注塑喷嘴,以及以脑血管等末梢血管为对象、直径不到200μm的超小直径支架等。

多孔加工示例及截面形状示例

图4:多孔加工示例及截面形状示例

文 客观日本编辑部

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