マイクロマシニング：技術、機会、課題

マイクロマシニングは大企業であり、業界がより小さく、より複雑な部品を要求するにつれて、今後数年で成長するように設定されています。しかし、この用語は実際には何を意味し、世界中の機械工場で毎日行われている「マクロマチン」とどのように違うのでしょうか。知っておくべきことは次のとおりです。

医療、航空宇宙電子機器、自動車産業のいずれの場合でも、マイクロマシニングは大きなビジネスです。調査会社TheInsightPartnersによる2019年11月のレポートによると、さらに大きくなりつつあります。

レポートによると、2027年までに54.8億ドルの予測値があり、世界のマイクロマシニング市場は今後数年間で2018年のレベルのほぼ2倍に成長すると予想されています。

業界のほとんどの場合と同様に、KYOCERA SGS Precision ToolsInc.の研究開発エンジニアであるJakeRutherfordは、マイクロマシニングを、直径1/8インチまたは3ミリメートル未満の工具を必要とする部品または部品機能と定義しています。

それは新しいことではない、と彼は説明します。マイクロマシニングの最初の用途は時計製造でしたが、技術が長年にわたってより小さく、より正確なコンポーネントを提供してきたため、この用語は現在、幅広い産業、部品、材料をカバーしています。これには、あらゆる種類のセンサー、心臓ポンプ、呼吸監視装置、航空宇宙および自動車産業向けのコンポーネント、電子顕微鏡アクセサリ、マイクロ流体デバイス、さらにはスマートフォンの多くの部品が含まれます。

これらのコンポーネントの製造に使用される材料は、ステンレス鋼や高温合金、およびPEEK、PTFE、POMなどのポリマーなど、幅広い範囲をカバーしています。

「業界間で材料の重複が非常に多いため、ショップは特定の市場や用途向けに設計されたツールではなく、材料固有のマイクロマシニングツールを探す必要があります」とRutherford氏は言います。

マイクロマシニングの経験則

ただし、ワークピースのサイズに関係なく、機械加工の一般的な原則は同じです。異なるのは、最適とは言えないアプリケーション変数がマイクロマシニングの成功に与える影響の増幅です。

「すべてがより重要になります」と、KYOCERASGSアプリケーションエンジニアのJacobRak氏は言います。 「例として振れを取り上げます。切削工具の直径の最大0.1％をお勧めします。ただし、工具が小さいほど、達成が難しくなり、工具寿命への影響が大きくなります。」

DerekNadingも同意します。 M.A. FordMfg。Co.Inc.のアプリケーションエンジニアは、直径1/8インチを超える工具の経験則を示しています。機械工は、振れの10分の1ごとに、工具寿命が10％短縮されると期待できます。 「しかし、マイクロサイズの切削工具を扱っている場合、工具寿命の損失はさらに大きくなる可能性があります。そのため、ほとんどのフライス盤および穴あけアプリケーション、特にマイクロマシニングには、高品質の焼きばめ、油圧、または精密プレスフィットシステムをお勧めします。」

適切な表面速度を達成することも重要です。どんな機械工でも計算できますが、1/32インチのカッターを300 sfmで実行するには、40,000 rpm近くが必要です。これは、ほとんどのマシニングセンターやすべての旋盤よりもはるかに高い回転数です。このような状況では、Nadingなどがスピーダーヘッドを推奨しています。電気、空気圧、および冷却剤を動力源とするバージョンはすぐに利用できますが、Nadingは、これらの最初のバージョンには電気配線が必要であるため、機械の自動ツールチェンジャーの使用を禁止していることをすぐに指摘します。

高速スピンドル速度とクリーンクーラントフィード

クーラント供給マイクロドリルアプリケーションの場合、Nadingは、ドリルの超小型クーラント穴に対応するために、500〜1,000 PSIの高圧クーラント（HPC）システムを使用する必要があると述べています。彼は、適切なろ過が重要であると警告しています。

「明らかに、これらのドリルの穴は非常に小さいので、ごくわずかなチップやわずかな汚染でも作業を塞ぐのに十分であり、多くの場合、ほぼ瞬時に工具が故障します」と彼は言います。 「だからこそ、最適なパフォーマンスを得るために10ミクロン以上のろ過レベルを見たいのです。」

Nadingは、高速のスピンドル速度とクリーンなクーラントよりも、マイクロワーク用に設計された、適切に調整された高精度の工作機械を好んで使用しています。 KYOCERA SGSのRakもそうです。「あまりにも大きな機械でマイクロドリルやエンドミルを実行しようとすると、軸の解像度が十分に細かくないことが多く、ツールが耐えられないほど急激な動きが発生する可能性があります」と彼は言います。 。

EMUGECorp.のフライス盤アプリケーションスペシャリストであるEvanDuncansonは、もう1つの一般的なマイクロマシニングの間違いであるツールの供給不足を指摘しました。

「この種の作業に慣れていない人は、マイクロツールを赤ちゃんにする傾向がありますが、30,000 rpm以上で送り速度を下げると、材料を押すだけでツールが壊れてしまいます」と彼は言います。 「ツールのサイズに関係なく、適切に切削するには、推奨される送り速度を使用する必要があります。」

ツールパス自体も調整が必要な場合があります。ダンカンソンは、トロコイド切断がまだその場所を持っていることを示唆しましたが、マイクロエンドミルはしばしば2つのフルートに制限され、比較的長いリーチを持っているため、異なる粉砕戦略が必要になる場合があります。

「多くのマイクロエンドミルの切断長さは非常に短く、多くの場合、直径の1〜2倍であり、ネックの長さは10倍または20倍に短縮されています」と彼は言います。 「これらのツールを使用すると、非常に浅いアキシャルカットを行い、比較的重いステップオーバー量を使用します。」

最後に、マイクロマシニストになる予定の人は、適切なツールの予算を持っている必要があります。工具を使ったフライス盤や穴あけのように、鉛筆の芯のサイズは気弱な人向けではなく、そのような工具の研削でもありません。ダンカンソンらは、製品に見られる非常に滑らかな仕上がりと鋭いエッジを実現するには、ハイエンドの研削盤と特殊な細粒ホイールが必要であると述べています。それでも、ツールのサイズが小さくなると、スクラップ率は上がります（場合によってはかなり上がります）。その結果、工具コストが高くなります。

「顕微鏡で標準の1/2インチエンドミルの最先端を見てください」と彼は言います。 「ツールがどれほど優れていても、2〜3ミクロンのマイクロチップとエッジの破砕が見られます。これが、ほとんどのメーカーがツールにわずかな磨きをかけて、この破砕を滑らかにし、基本的にツールを事前に着用する理由です。ツールがそのサイズの10分の1の場合、これを行うことはできませんが、同じ5〜10ミクロンの厚さのコーティングを適用できないのと同じです。すべてが可能な限りシャープである必要があります。」

マイクロマシニング技術

鋭利な工具と特殊な研削装置についてのこのような話にもかかわらず、今日の「マイクロマシニング」の多くはここで説明されているものではありません。はい、今説明したように、CNC旋盤とマシニングセンターで従来の切削工具を使用してかなりの量が行われます。しかし、レーザーマイクロマシニング（サイドバーを参照）、マイクロEDM、およびより正確にはマイクロファブリケーションと呼ばれるタイプのマイクロマシニングもあります。

そのような製造プロセスは2つ存在します。これらの最初のバルクマイクロマシニングは、通常、シリコン基板の選択的エッチングによってMEMS（微小電気機械システム）を作成するために使用されます。 MEMSデバイスが家のサイズである場合、そのほとんどは地下にあり、目的の構造と機械的特性が構築されるまで一連の苛性化学物質で掘削されます。

一方、表面マイクロマシニングは、シリコンウェーハの上に堆積された表面層内に「家」を構築します。この結晶層の約25ミクロンの厚さの部分は、同様の化学エッチングプロセスによって選択的に除去されます。どちらのプロセスにも長所と短所があり、どちらも非常に小さなデバイスを幅広く製造するために使用されます。これらには、MEMS、慣性センサー、ジャイロスコープ、圧力検出デバイスが含まれます。これらはすべて、スマートフォン、自動車、航空機、およびさまざまなハイエンドの工業製品に含まれています。

どのマイクロマシニング技術が最も役に立ちましたか？以下のコメントであなたの考えを共有してください。