直徑30μm、寬高比15、傾斜5度--超小型 DEEL 複合機

日本國立研究開發法人產業技術綜合研究所表面功能設計研發小組的主任研究員栗田恆雄與研發組長三宅晃司，開發出了超小型DEEL複合加工機，可以在金屬上加工出高深寬比的小直徑孔眼和窄溝槽等，這在以前是很難做到的。

該加工機在同一台機器上組合了激光加工和電解加工兩種不同原理的加工方法，能在基本不產生碎片的情況下，在金屬上加工出小直徑孔眼、狹窄溝槽等高深寬比的形狀，還能加工出傾斜的孔眼和溝槽 (下圖右)。另外，該加工機不僅保持了複合加工低能耗的特點，還實現了超小型輕量化—— 長430mm、寬300mm、高400mm，重16kg。這款加工機可以單人獨立搬運(下圖左)，無需選擇設置場所，能隨時隨地進行加工。利用此次開發的 DEEL複合加工機，有望製造出小直徑多孔注塑噴嘴和超小型支架等全球獨一無二的金屬產品。

此次開發的DEEL複合加工機及複合加工示例

以往開發的激光電解複合加工機雖然能向極細管的希望位置準確照射激光，但激光加工過程中產生的碎片成為工業應用的一大障礙。研發小組為此開發了不會產生碎片的新加工技術。DEEL (Deep Electrochemical Etching with Laser assistance：激光輔助深度電化學蝕刻)複合加工技術將激光加工和電化學蝕刻加工（即電解加工）結合起來，通過電解加工去除材料，因此 HAZ（熱影響區）較少。利用激光僅去除絕緣膜的底面，再用電解加工僅去除沒有絕緣膜的底面周邊的材料，所以能在金屬上加工出高深寬比的微細形狀。

DEEL複合加工的工序如圖1所示，具體為：

1. 
   

   通過電解加工形成電解絕緣膜；



2. 
   

   在形成電解絕緣膜的材料表面，通過激光加工在電解絕緣膜上打開一個口；



3. 
   

   通過電解加工僅在開口區域去除部分材料；



4. 
   

   電解加工，再在開口處形成電解絕緣膜；



5. 
   

   再次通過激光加工僅去除新形成的電解絕緣膜的底面。如有必要，可重複3至5的加工工序。

圖1：DEEL複合加工工序

圖2是實施了激光加工和 DEEL 複合加工的不鏽鋼細管。對直徑為 210μm（內徑為70μm）的不鏽鋼細管表面進行加工後，為方便觀察細管內面，將其切斷。利用以往的激光加工法加工的細管，管的內面有疑似為氧化物的黑色附著物，以及在截面等熔化後重新凝固的金屬凝固物等碎片。而利用 DEEL 複合加工法加工的細管，未產生黑色附著物和截面的凝固物等碎片。

圖2：對細管進行加工後

此次，研發小組試製了DEEL複合加工的專用裝置。在 DEEL 複合加工中，電解絕緣膜要利用激光加工去除，由於金屬等的表面形成的鈍化膜、陽極氧化膜等電解絕緣膜的厚度大多比較薄，所以利用輸出功率較小的激光就能完全去除，而電解加工利用幾十mW 的電力即可完成，因此實現了低能耗。

圖3是試製的 DEEL 複合加工機。加工機實現了超小型輕量化，長度為430mm、高度為400mm、寬度為300mm，重16kg。DEEL 複合加工需要不斷重複加工工序，因此最好能實現自動且高速地切換工序。這款加工機在加工對象的加工面與裝置接地面垂直時進行激光加工，平行時進行電解加工，可以高速切換加工工序。另外，通過專用的控制程序和控制界面，能靈活進行加工條件控制和工序控制，因此，能以指定的次數自動執行自由設定了激光掃描路徑及電解加工電壓等加工條件的各種工序。

圖3：DEEL複合加工機

圖4是利用 DEEL 複合加工機進行加工的示例。在金屬上加工了2500個最小部分的直徑約為30μm、寬高比約為15的微細孔眼。此次開發的加工機通過改變激光照射角度，能加工傾斜的孔眼或溝槽，在圖4的加工示例中，激光的照射角度設定為傾斜5度，因此獲得了傾斜約5度的截面形狀。另外，不僅是矩形截面，還能加工截面形狀隨著深度而變化的孔眼或溝槽。這是因為，激光加工是僅對直線前進的激光照射區域的周邊進行加工的各向異性加工，而電解加工是對接觸加工液的表面進行均勻去除的各向同性加工，所以，通過改變加工條件，控制兩種加工方法的影響，就能控制截面形狀。

目前，內燃機使用的注塑噴嘴上加工了十幾個直徑為數百微米的孔眼，心臟支架是在幾毫米直徑的細管進行溝槽加工，如果使用DEEL複合加工機，有望製造出全球獨一無二的金屬產品，例如，擁有數百個直徑不到100μm的孔眼的小直徑多孔注塑噴嘴，以及以腦血管等末梢血管為對象、直徑不到200μm的超小直徑支架等。

圖4：多孔加工示例及截面形狀示例

文 客觀日本編輯部

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