レーザーを用いた金属細管のフレキシブルなダイレス引抜き加工システムの開発
首都大学東京大学院 理工学研究科 機械工学専攻教授 真鍋 健一(平成 20 年度一般研究開発助成 AF-2008005)
キーワード：ダイレス引抜き，レーザー，マイクロチューブ，変形特性，加熱温度

1．研究の目的と背景

ーミングは多くの製品で構成している小さな金属微細部

金属管の引抜き加工としては，これまでダイスやプラ品を生産するのに今後重要となる塑性加工技術である．

グ，マンドレルなどの金型・工具を用いたダイス引抜き

なかでも金属マイクロチューブはその中でも注目されて加工が縮管法として広く利用されてきた．しかしながら，いる部品の一つであり，マイクロノズル，無痛注射針，マイクロチューブへ本加工法を適用する場合，高精度なマイクロリアクターなどのマイクロ部品に用いられていマイクロ工具の製作や，プラグやマンドレルを微細なチる．
このような背景から，著者は既報 6)～8)においてマイクューブの中に通すなどの作業は極めて困難となる．
このように，従来のダイス引抜き加工法をマイクロサロチューブを作るため，高周波誘導加熱装置を用いたダイズへスケールダウンすることは難しい．したがって，イレス引抜き加工法に着手し，実験ならびに有限要素シダイスやプラグ，マンドレルなどの工具を必要とせずにミュレーションの両面から詳細な変形挙動の調査解明をマイクロチューブを創製する新しいダイレス引抜き技術行った．その結果，Zn-22Al 超塑性材料を用いて外径を開発する必要があると考えられる．

200μm のマイクロチューブのダイレス引抜きに成功した．
1)

ダイレス引抜き加工法は，1969 年に Weiss ら により

しかし，そのダイレス引抜き実験の加熱源は誘導加熱コ超塑性材料に適用したのが始まりであり，種々の丸棒やイルを使用しており，マイクロスケール用の小型で微細角棒の金属材料に対して行われている．我が国では 1973な誘導加熱コイルを作製するには困難さが伴い，また年以降に関口・小畠らが種々の金属材料に対して棒材か個々の要求されるマイクロチューブにあった加熱コイルら管材も含めて適用できることを明らかにした

2)～5)．その設計と製造が必要となり製造プロセスの柔軟性が乏し

こでは管材は直径 8mm のステンレス鋼鋼管および炭素鋼

いこと，が実用化を妨げていた．さらにこれらの問題点管を用いて，ダイレス引抜きが管材にも適用できることが金属マイクロチューブのさらなる縮小化を妨げていた．

3)

そこで注目されるのが加熱源としてのレーザーであり，を実験的に明らかにしている ．
この年代では加熱装置は高周波誘導加熱方式が主流で加熱領域としても高周波誘導加熱よりもさらに局所化があった．この方式では装置出力，周波数，加熱コイル寸可能であり，光学系の制御により適材適所の柔軟な加熱法などの制約から，ダイレス引抜きに適用できる最小素が期待できる．
以上の背景から，本研究では，ダイレス引抜き加工で材寸法にはおのずから限界があった．
近年，マイクロ/ナノテクノロジーの進展により，そのの加熱法として，誘導加熱コイルを用いずに，局所加熱代表的な微小電気機械システム（Micro Electro Mechanical

可能なレーザー加熱に着目し，新たに半導体レーザー加Systems, MEMS）などが注目され，半導体製造技術やレー熱装置を用いたレーザーダイレス引抜き加工機を設計試

ザー加工技術等，各種の微細加工技術を応用し，微小な作した．本報告では，それを用いて外径 0.5mm の SUS304

電気要素と機械要素を一つの基板上に組み込んだ医療機

ステンレス鋼管のダイレス引抜きを行い，引抜き限界や器やセンサ，アクチュエータ等のデバイス/システムが発変形特性に及ぼすレーザー出力および引抜き速度の影響展している．この分野においては製品機器の一層の小型を実験的に調査し，１方向からのレーザー照射において化が要求されている．最近の動きとしては適用素材としもマイクロチューブのダイレス引抜き加工の有効性を実て金属材料の優れた力学的特性，機能特性が見直され，験的に明らかにした．

金属材料を用いた大量生産に適したマイクロフォーミングが注目を浴びるようになっている．このマイクロフォ

２．レーザーダイレス引抜き加工機の開発－ 42 －

図 1 に開発したレーザー加熱方式によるダイレス引抜

ブの変形特性は，加熱温度により変化する変形抵抗に関き装置の外観を示す．局所加熱用の使用したレーザー加係している．また，加熱温度はレーザー出力や引抜き速熱装置として最大出力が 35W の半導体レーザーを用いた．

度に依存するため，レーザー出力と引抜き速度によりチその照射スポットは長径 2a，短径 2b からなる楕円形であューブ表面の温度分布が変化する．マイクロチューブ表り，レンズにより，照射スポットは 2a＝0.8mm，2b＝0.4mm

面の上部と底部の加熱温度は実験前にサーモグラフィをとなっている．また金属チューブの供給・引抜き装置が用いて測定を行った．供給速度 V2＝0.5，5，10mm/s，断ダイレス引抜きには必要不可欠であるため，同軸上に二面減少率 R＝0％として実験を行い，チューブ表面の上部つのスライダを有するアクチュエータを利用し，供給速と底部（下部）の温度を比較を行った．図 2 にチューブ度，引抜き速度は独立して制御できる方式とした．

表面の上部と底部の最大温度を示す．加熱領域でのチューブの加熱温度はレーザー出力に比例しており，供給速３．実験および方法度を速くして高速で供給する場合には，レーザー出力を供試材としては外径 D＝0.52mm，肉厚 t＝0.1mm のSUS304 ステンレスチューブを用いた．

上げても加熱温度は高くなりにくく，一方向加熱であるため，どうしても上部と底部の温度差は大きくなること

従来の加熱コイルによるダイレス引抜きでの断面減少がわかる．つまり，均一に加熱するためには供給速度は

率 R は次式に示すよう引抜き速度 V1 に対する供給速度 V2できるだけ遅くすることが大切であることがわかる．もの比により決定される．

しレーザー出力を高くして加熱温度を上げるには，供給R＝1－V2/V1(1)

速度を速くした場合には上部と底部の温度差は避けられ

本研究では，開発したレーザーダイレス引抜き装置のない．特に，供給速度 V2＝10mm/s で 1000 度近く加熱す

性能確認とレーザーによるダイレス引抜きの可能性と有る場合には，チューブの上部・底部の温度差は 400℃近く効性を検証するため実験を行った．レーザー照射は１方あることを認識しておく必要がある．

向からの単純な照射の場合におけるレーザーダイレス引

図 3 に一定供給速度 V2 におけるレーザー照射時のチュ抜きの基本的な特性を調査し，また，レーザーダイレスーブ上部の温度分布を示す．供給速度 V2 の増加に伴い，引抜きにおける変形特性に及ぼす断面減少率，供給速度，加熱領域が拡大している．一般的に，ダイレス引抜き加レーザー出力の影響を調査した．具体的には今回の実験工においては局所加熱が有効である．したがって，供給

では，供給速度 V2＝0.5，5，10mm/s の 3 条件に対して，速度 V2＝0.5，5mm/s と設定しレーザーダイレス引抜き実式(1)に従い断面減少率 R＝10，20，30，40，50％，レー験を行った．

ザー出力を 0～10W の範囲で検討した．

４・２

断面の変形特性

従来のダイレス引抜き加工における理論的断面減少率

４．実験結果及び考察

は，速度比 V2/V1 を用いて式(1)により表される．1 方向レーザー照射ダイレス引抜きの断面における変形特性を調

４・１ レーザー出力と温度の関係
レーザーダイレス引抜き加工におけるマイクロチュー

1400

V2 =0.5mm/s

1200
V2 =5mm/s

Laser heating apparatus

V2V1Tube

Temperature /CoSlider × 21000V2 =10mm/s

800600400200Top side (laser irradiated)
Bottom side00

Multi slide actuator

図1246810121416Laser power /W

図2レーザーダイレス引抜き装置

チューブ表面温度とレーザー出力との関係に及ぼす供給速度 V2 の影響－ 43 －査した．引抜き後の断面積はマイクロスコープを用いて出力の影響を示す．図 7 と図 8 の結果から，１方計測し算出した．

1200の実験値と理論値の関係を示す．図より，実験値の断面減少率は理論値のそれと良く一致していることが確認できる．これより，引抜き後の断面減少率は，1 方向レーザー照射での引抜きにおいても温度分布は周方向に多少の温度分布の乱れがあるものの，式(1)を用いて十分に予測

Temperature /Co

図 4 にはレーザーダイレス引抜きにおける断面減少率1000することが可能であるといえる．
４・３800V2=10mm/s600V2=5mm/s

400200引抜き限界

V2=0.5mm/s

0

図 5 はチューブ供給速度 V2＝0.5mm/s の条件でレーザ-20ーダイレス引抜きを行ったあとの縮管したチューブの外020406080100

Distance from center of laser spot /mm

観である．断面減少率 R が大きいほど引抜き後の外径が減少していることが確認できる．
図 3

図 6 にレーザーダイレス引抜き加工におけるレーザーレーザー照射時のチューブ上部での軸方向温度分布に及ぼすチューブの供給速度 V2 の影響

出力と引抜き速度 V1 にプロセスウインドウを示す．ダイレス引抜きが成功する成功領域と破断領域に分けられる．
響を受ける．ダイレス引抜きには適切なレーザー出力が必要であり，レーザー出力を大きくすれば成功領域が得られ,出力の増加に伴い大きな加工度まで一度に加工できるようになる．その後,断面減少率の最大値に達したあとは逆に出力とともに減少するようになる．また，引抜き速度 V1 が遅い場合にはレーザー出力を小さくすれば高い断面減少率まで一度に加工することができる．引抜き速度を高速にすれば必要なレーザー出力も大きくなることがわかる．しかし，その時は大きな断面減少率まで一Experimental reduction in area [%]この成功領域はレーザー出力および引抜き速度 V1 の影

403020100.5mm/s5mm/s

0度に引抜くことは難しい．
４・４500断面形状の幾何学的相似則

10203040Theoritical reduction in area [%]既報において 6)7)，高周波誘導加熱によるダイレス引抜

50きにおいて，加工前後における断面形状は幾何学的相似則を満たしており，つまり，それは変形前後において外

図 4径に対する内径の比，内径/外径比が一定であること示し値の断面減少率の比較

レーザーダイレス引抜き時の実験値と理論た．そこで,この幾何学的相似則について，1 方向レーザー照射の場合にも成り立つかどうかについて検討を行った．
まずダイレス引抜き途中の断面の変形特性を調査するため,引抜き速度 V1 を 0.5 と 5mm/s の 2 条
件，レーザー出力は 3.5W と 7W の 2 条件として,これらの引抜き加工条件から，ダイレス引抜き後の内径/外径比 d/D に及ぼす断面減少率 R と供給速度 V2 の影響を調査した．なお,R は式(1)より引抜き速度 V1 を変化させることによって変えた．
図 7 にその結果を示す．この 1 方向レーザー照射の場合でもダイレス引抜き後のチューブの内径/外径比は常に断面減少率 R によらず一定値であることが確認できる．図 8 にレーザーダイレス引

図 5抜きにおける内径/外径比 d/D に及ぼすレーザー(V2=0.5mm/s)－ 44 －

レーザーダイレス引抜き後のチューブの外観

図6

レーザーダイレス引抜きにおけるプロセスウィンドウ

向からのレーザー照射でのダイレス引抜きにおいても
1５．まとめ本研究では，新たにレーザーダイレス引抜き加工機を開発し,それを用いて１方向照射の場合における SUS304
ステンレス鋼鋼管のマイクロ引抜き加工限界および引抜き変形特性に及ぼすレーザー出力や供給速度の影響を調査した．得られた結果をまとめると以下のとおりでDiameter ratio d/D [-]断面の幾何学的相似則が成り立つことがわかる．

0.80.60.4

initial○ V2=0.5mm/s 3.5W
7W
■ V2= 5mm/s0.2ある．
1）１方向照射においても SUS304 鋼管のマイクロダイレ

00ス引抜き加工が可能であることを実証し,40％の限界断10203040
Reduction in area R [%]

面減少率を再現できた．
2）１方向照射レーザーダイレス引抜き加工においても，図７断面形状の幾何学的相似則は成立する．これは供試管が引抜き速度の影響

50

内径・外径比 d/D に及ぼす断面減少率 R と0.5mm のマイクロチューブであるため 1 方向照射でも周方向にも著しい温度分布が生じないためである．

辞D iam eter ratio d/D [-]謝1

本研究は財団法人天田金属加工機械技術振興財団の一般研究開発助成として採択され行われたものであり，同財団からの研究助成に対し深く感謝の意を表します．

参考文献
1)Weiss, D. & Kot, R.A.: Wire J., 9(1969),182-189.

R=30%

0.8
0.60.5mm/s

5mm/s

0.4
Initial0.22) 関口秀夫・小畠耕二・小坂田宏造：24 回塑性加工連合

0講演会講演論文集，(1973),317.

03) 関口秀夫・小畠耕二・小坂田宏造：塑性と加工，

117-180(1976),67-71.
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3 4 5 6
Laser power [W]789

内径/外径比 d/D に及ぼすレーザー出力の影響

加工，20-224(1979),814-819.
5) 小畠耕二・関口秀夫・小坂田宏造・吉川勝幸：塑性と7) T. Furushima, K. Manabe: J. Mater. Process. Technol., Vol.

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201 (2008) p. 123－ 45 －