金属極細線のパルスレーザ曲げメカニズムの解明とＣＮＣマイクロ加工への応用
静岡大学工学部 機械工学科
教授 田中繁一（平成 20 年度一般 研究開発助成 AF-2008204 ）キーワード：レーザフォーミング，金属極細線，マイクロ成形

１．研究の目的と背景 1)-5)

２．金属極細線レーザ曲げの FEM 解析

近年，医療や工学の分野では MEMS 等を実現する微細2・1

計算モデル

加工技術に注目が集まっている．一方，現在の引抜き加工

FEM 解析には，商用ソフトウェア MARC2005R3 を用いによれば直径 10μm オーダーの金属極細線が安定して得らた．図 2 は計算に用いたメッシュモデルである．レーザはれ，その結晶粒径は小さく強度的にも優れている．この極ガウシアンビームとし，これを熱流束境界条件に適用した．

細線を利用すれば，高強度で信頼性の高いマイクロ構造物

斜面への入熱においては面の方向余弦に基づく補正係数が実現できる．また,レーザ成形は非接触かつフレキシブを適用した．その他の計算条件を表 1 に示す．表 2 は，計ルな有望な加工法であるが，金属極細線のレーザ曲げに関算に用いた材料特性値で，それぞれにおいて熱依存性を考する報告は少なく，その変形挙動や正確なメカニズムも明慮したが，ひずみ速度依存性は考慮していない．
図 3 は，パルス形状を示している．強度が照射時間 T確でない．
図 1 は，提案されているレーザフォーミングにおける 3内で一定の Pulse-①を基本としたが，強度が時間的に直線つのメカニズムである．(b)および(c)の座屈メカニズムと的に減少あるいは増加する②と③の場合についても計算すえ込みメカニズムは局所加熱部位が周辺材料により十を実施した．レーザは図 4(a)のように素材中央に照射した分に拘束される必要があり，線材においては利用が困難でが，他に，同図(b)のようにスポットを横断走査する新しある．一方，(a)の温度勾配メカニズムにおいても断面形いプロセスについても検討を行なった．

状が円形で小さい線材では，そのメカニズムを発現させるのは必ずしも容易ではない．
本研究では，最初に，100μｍの金属極細線へレーザをパルス照射して局所加熱したときの素材の変形挙動を，熱連成弾塑性有限要素シミュレーションを用いて詳細に調べた．これにより，板材に比較して，丸棒のレーザ成形が容易でないことを確認するとともに，各加工パラメータが変形挙動に及ぼす影響を調べた．また，スポットを横断走査するプロセスを提案して，その有用性を検討した．さらに，直径 100μｍのステンレス鋼極細線のレーザ成形実験装置を製作して，パルス照射実験およびスポット走査実験を行い，それらにおける変形挙動の詳細と有用性を検討した．
図 2 ． FEM メッシュモデル (d = 0.1 mm, L = 1.0 mm)
表１
Power : P
Spot diameter: aScan velocity : vS
Heat transfer coefficient:

表2
Young’s modulus : E(7)

計算条件

α

材料特性(6),Poisson ratio: ν(6), (7)Thermal expansion :α (8)Heat conductivity :λ(9), (10)Specific heat : c (11), (12)Yield stress : σy (13)．

図 1 ．レーザフォーミングの３つのメカニズム(2)－ 167 －

2.5 – 5 W
0.025 – 0.1 mm
0.100 – 2.000 m/s
10W/m2K

103 – 193
0.29 - 0.362
13.6 - 18.9
8.36 – 13.8
0.50 - 0.64
76 - 270

GPa
K-1
kW/m・skJ/kg・K
MPa

Pulse-①

Pulse-②

Pulse-③

図 5．計算結果 (Spot diameter: a=0.10mm (a/d=1.0),
Irradiation time: T=0.1×10-3 s, Power: P = 2.5W)

図 3．パルス形状

図 4．レーザ照射条件
2・2

計算結果

2・2・1

スポット径が曲げ変形に及ぼす影響

図 5 は，材料と同径のレーザで局所パルス加熱した例である．パルス幅は 0.1ms で出力は 2.5W である．素材は，加熱とともに上に凸に曲がり，冷却後，わずかに凹向きの曲げが残留する．一方，図 6 は，材料中央の縦中心線上での温度，軸方向応力，塑性ひずみ，および曲げ角の時間変図 6．計算結果(Spot diameter: a = 0.1mm (a/d=1),
Irradiation time: T = 0.1×10-3s, Power: P=2.5W)化を示している．曲げ角は，加熱時には大きく減少するが，冷却後には相対的に非常に正値が残留する．図 7 は，素材中央の横断面における加熱終了時の温度分布と軸方向応力，および冷却後の軸方向塑性ひずみ分布である．温度分
布の等高線はほぼ水平であり，ヒンジ的変形時の下方部位の抵抗のみで表層部に圧縮塑性ひずみが生成している．
図 8 は，スポット径を 0.025mm とした場合の結果である．温度分布の等高線は水平でなくなり，高温部は頂部に局在している．応力分布も加熱表面から少し下方で大きな圧縮応力が生じ，その両側部がそれを拘束している．加熱中は上記結果と同程度の凸変形をしているが，冷却後の残留曲げ角は大きい．

－ 168 －

図 7．計算結果(Spot diameter: a = 0.1mm (a/d=1),
Irradiation time: T = 0.1×10-3s, Power: P=2.5W)

図 8．計算結果(Spot diameter: a = 0.025mm (a/d=0.25),
Irradiation time: T = 0.1×10-3s, Power: P=2.5W)

図 10．計算結果(Spot diameter: a = 0.1mm, Pulse-② in Fig.3,Irradiation time: T = 0.1×10-3s, Power: P=5.0W)

図 9．計算結果(Spot diameter: a = 0.025mm (a/d=0.25),
Irradiation time: T = 0.1×10-3s, Power: P=2.5W)

図 11．計算結果(Spot diameter: a = 0.1mm, Pulse-② in Fig.3,Irradiation time: T = 0.1×10-3s, Power: P=5.0W)

2・2・2

パルス形状が曲げ変形に及ぼす影響

2・2・3

図 10 および 11 は，パルス形状を図 3 中の Pulse-②としスポット走査が曲げ変形に及ぼす影響

図 12 および 13 は，スポットを横断走査したときの結果たときの結果である．加熱表面の温度は照射終了前に下がである．図 13 中で，スポットは左から右へ移動している．

り始める．図 10 最下段の曲げ角のグラフでは 3 つのパル

温度分布は照射位置を中心に広がっており，分布はスポッス形状の結果を重ねて示している．この計算においては，

トの移動に追従している．一方，応力σz の分布は非対称で三者の投入エネルギー量 Q はほぼ同じであるが，Pulse-②かなり複雑であり，曲げひずみを生み出す圧縮応力域はスの最終曲げ角は，Pulse-①の結果よりも若干大きく，Pulse-ポットの移動と共に内部に沈み込んでいる．1m/s のスポ③ではさらに大きい．また,図 11 に示す最終的な中央横断ット走査では，表面層の圧縮応力および圧縮塑性ひずみの面での塑性ひずみ分布は類似しているが，(c)の Pulse-③で最大値はパルス照射の場合よりも小さいが，最終的には，の圧縮ひずみは他者よりも大きい．

ほぼ同じ大きさの曲げ角が生成する．

－ 169 －

３．金属極細線のレーザ曲げ実験
3・1

レーザ曲げ実験装置

金属極細線のレーザ曲げ実験を行なうために，図 14 の実験装置を製作した．レーザ光源は波長 1090nm のファーバーレーザ(SPI 製)で，コリメートされたφ5mm の並行光を 5 倍の対物レンズを通して材料上に集光した．材料は加熱酸化を避けて不活性ガス中実験ができるように，チャンバー内に設置した．したがって，レーザはサファイア窓を通して照射される．また，材料はチャンバー内で XYZ方向に自動位置決めされる．さらに,スポットを 2 軸方向に微小走査するために，光路途中に 2 台のピエゾチルトミラーを設置した．実験には，主に直径 100μm 長さ 50mmのステンレス鋼矯正線材を用いた．その他の実験条件を表3 に示す．

図 12．計算結果(Spot diameter: a = 0.1mm,
Scan velocity: v = 1.0 m/s, Power: P=5.0W)

図 14.金属極細線マイクロレーザ曲げ実験装置
表3

実験条件

Laser: fiber laser (SPI Lasers Ltd.)
Wavelength : λRated Output Power : P
Maximum modulation speed : fDiameter of delivery beam : D0Objective lens:

図 13．計算結果(Spot diameter: a = 0.1mm,Scan velocity: v = 1.0 m/s, Power: P=5.0W)－ 170 －

1090±5 nm
20 W
50 kHz
5 mm×53・2

図 15. パルス照射による凸曲げ変形( Power: P=1.7W, Pulse width: T=50×10-3 s,
Number of irradiations: N=500)

図 17. 移動パルス照射による簡易 CNC２次元曲げ( Power: P=4.9W, Pulse width: T=1×10-2 s,
Number of irradiations: N=30)

図 16. 自由端長さが曲げ角に及ぼす影響( Power: P=4.9W, Pulse width: T=1×10-2 s,
Number of irradiations: N=30)

図 18. 移動パルス照射による曲げ形状( Power: P=4.9W, Pulse width: T=1×10-2 s,
Number of irradiations: N=30)

実験結果

3・2・1

3・2・2

スポット走査実験

図 14 中の，ピエゾチルトミラーを用いた微小走査によパルス照射実験

図 15 は，直径 100μm のステンレス鋼(SUS304)線材を，り，図 19 のスケジュールでスポット走査実験を行なった．

出力 1.7W，パルス幅 50ms のレーザで 500 回照射したとスポットは，素材上を横切って繰返し往復するが，反転位きの結果である．明らかに，図 1(a)の温度勾配メカニズム

置を素材上に置くとその時点での入熱が過大となるためとは逆方向に曲がっている．再現性のあるこの現象は他のに，スポットは，素材直径よりも大きな範囲を往復する．

研究者によっても報告されているが，そのメカニズムの詳その結果，レーザが素材にあたらない休止期間 T1 が存在

細は明らかでない．また,この挙動は照射点から自由端側する．の長さに影響を受けるとの報告もあるが，今回の実験では

図 20 は，走査速度を 10〜90mm/s と変化させた場合の図 16 のように，ばらつきは大きくなるが明確な差異はな曲げ角を示している．走査回数は 5000 である．走査速度かった．の増大は加熱時間を小さくし温度勾配を大きくするが，一図 17 は，素材位置を XYZ 自動ステージを制御して，パ方で入熱量が小さくなるので曲げ角が減少する．また，各ルス照射点を移動させながら円弧形状に成形した例であ曲線は，休止期間 T1 を変えた場合の結果である．休止期

る．照射点の軸方向送りピッチは 0.5mm で，各点でのパ間が増大すると曲げ角は減少する．

ルス照射数は 30 である．図 18 はその曲げ角の分布である

図 20 は，走査数が 5000 のときの曲げ変形部位である．

が，ほぼ直線的に曲げ角が増加しており，各部位で再現性

照射部では熱軟化した材料が外へ押出されながら曲げ変よく曲げ成形が行なわれたことを裏付けている．

形が生じている．

－ 171 －

４．まとめ本研究では，金属極細線へレーザをパルス照射して局所加熱したときの素材の変形挙動を，熱連成弾塑性有限要素シミュレーションを用いて調べた．また，微小スポットを横断走査するプロセスを提案して，その有用性を検討した．
さらに，ステンレス鋼極細線のレーザ成形実験装置を製作(a)

して，パルス照射およびスポット走査実験を行い，それらの変形挙動を調べた．
a) スポットサイズが素材径に対して十分小さい場合には，温度上昇域が局所化するとともに両側部の拘束により大きな塑性ひずみを該当部位に導入できる．
b) スポットの横断走査により，パルス照射と同等の塑性ひずみを導入して曲げ成形を行なうことができる．
c) ステンレス鋼極細線へのパルス照射では，温度勾配メカニズムとは逆の曲げ変形が生じるが，照射点を移動制御(b)
図 19．スポット走査スケジュールすることにより曲線形状の曲げが可能である．
d) スポット横断走査プロセスでは，温度勾配メカニズムに従う向きの曲げ変形が生じ，走査回数により曲げ角を制御できる．
また，レーザのパルス幅が数 ns オーダーに単パルス化した場合には素材の慣性は無視できず，動的な効果が曲げ挙動に大きく影響すると思われる．

図 20. スポット走査速度と休止期間が曲げ角に及ぼす影響( Power: P=14W, Number of scans: N=5×103 )

図 21. スポット走査を用いたレーザ曲げ成形部位(Blank: SUS304, Diameter: d = 0.1mm
Power: P=14W, Number of scans: N=5×103 )参考文献
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