マイクロマシニング：先進技術、市場機会、新たな課題

マイクロマシニングは大きなビジネスであり、業界がより小さく複雑な部品を求める中、今後数年間でさらに成長が見込まれています。しかし、この用語の実際の意味は何か、世界中の機械加工現場で日々行われる「マクロマシニング」とはどう違うのか。知っておくべきポイントを解説します。

医療、航空宇宙、エレクトロニクス、自動車のいずれの業界であっても、マイクロマシニングは大きなビジネスです。調査会社The Insight Partnersの2019年11月レポートによると、さらに大きくなる見込みです。

グローバルなマイクロマシニング市場は、2027年までに54.8億ドルに達すると予測され、2018年レベルのほぼ2倍に成長すると同レポートは述べています。

業界の多くと同様に、KYOCERA SGS Precision Toolsの研究開発エンジニア、ジェイク・ラザフォード氏は、マイクロマシニングを「工具径が1/8インチ（約3mm）未満の工具を必要とする部品または部品フィーチャー」と定義しています。

これは新しいことではなく、最初の用途は時計製造だったと同氏は説明します。しかし、技術がより小さく精密なコンポーネントを提供するようになるにつれ、この用語は幅広い業界、部品、材料をカバーするようになりました。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・自動車部品、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まで含まれます。

これらのコンポーネントに使用される材料も幅広く、ステンレス鋼と耐熱合金が一般的であるほか、PEEK、PTFE、POMなどのポリマーも使用されます。

「業界間で材料の重複が大きいため、特定の市場や用途向けではなく、材料特化型のマイクロマシニング工具を探すべきです」とラザフォード氏は述べています。

マイクロマシニングの経験則

ワークピースサイズに関わらず、加工の一般原則は同じです。異なるのは、最適でないアプリケーション変数がマイクロマシニングの成否に与える影響が増幅されることです。

「すべてがよりクリティカルになります」と、KYOCERA SGSのアプリケーションエンジニア、ジェイコブ・ラック氏。「例えばランアウトを例に取ると、切削工具径の0.1%以下を推奨しています。工具が小さくなるほど、この達成は難しく、工具寿命への影響も大きくなります。」

デレク・ネイディング氏も同意見です。M.A. Ford Mfg.のアプリケーションエンジニアとして、工具径1/8インチ以上の経験則を提示しています：ランアウト0.01mmごとに、工具寿命が10%低下すると見込めます。「マイクロサイズの切削工具を扱う場合、工具寿命の低下はさらに大きくなります。そのため、ほとんどのフライス・穴あけ用途、特にマイクロマシニングでは、高品質のシュリンクフィット、油圧、精密プレスフィットシステムを推奨します。」

適切な切削速度の達成も極めて重要です。どの機械技師でも計算はできますが、φ1/32インチカッタを300 sfm（約91 m/min）で回すには約40,000 rpmが必要で、ほとんどのマシニングセンタとすべての旋盤の能力を超えます。このような状況では、ネイディング氏らがスピーダーヘッドの使用を推奨しています。電動、空圧、クーラント駆動タイプが入手可能ですが、電動タイプは電気配線が必要で、機械の自動工具交換装置（ATC）が使えなくなる点に注意が必要です。

高主軸回転数と清浄なクーラント供給

クーラントスルー・マイクロドリリング用途では、ドリルの超微細クーラントホールに対応するため、500〜1,000 PSI（約3.4〜6.9 MPa）の高圧クーラント（HPC）システムを使用すべきだとネイディング氏は指摘します。適切なろ過が不可欠だと警告します。

「これらのドリルの穴は極めて小さいため、わずかな切りくずや汚染物質でも詰まりを引き起こし、ほぼ瞬時に工具破損につながります」と同氏。「そのため、最適な性能を得るには10ミクロン以下のろ過レベルを見たいところです。」

高主軸回転数と清浄クーラント以上に、ネイディング氏が重視するのは、マイクロ加工向けに設計された、よく整列した高精度の工作機械です。KYOCERA SGSのラック氏も同意見です：「マイクロドリルやエンドミルを大型機械で回そうとすると、軸分解能が十分でないことが多く、工具が耐えられないほど急激な動きを生じさせます。」

EMUGE社のフライス加工アプリケーションスペシャリスト、エヴァン・ダンカンソン氏は、もう一つのよくあるマイクロマシニングの誤りを指摘します：工具への過少送り（アンダーフィード）です。

「この種の仕事に慣れていない人は、マイクロ工具を過保護に扱いがちです。しかし30,000 rpm以上で送りを減らすと、材料を押しつけるだけになり工具が折れます」と同氏。「工具サイズに関わらず、その工具に推奨される送り速度で切削させる必要があります。」

工具パス自体の調整も必要かもしれません。ダンカンソン氏は、トロコイダル切削もまだ有効ですが、マイクロエンドミルはしばしば2枚刃に限られ、比較的長い突き出し長を持つため、異なるフライス戦略が必要になる可能性があると提案しています。

「多くのマイクロエンドミルは、切れ長が非常に短く、多くの場合工具径の1〜2倍に過ぎません。一方、逃げ首はその10〜20倍の長さがあります」と同氏。「これらの工具では、非常に浅い軸方向切込みで、比較的大きなステップオーバー量を取ることになります。」

最後に、マイクロマシニングを目指す人は適切な工具予算を持つべきです。鉛筆の芯ほどのサイズの工具でフライス・穴あけをするのは気の弱い人向けではなく、そうした工具の研削も同様です。ダンカンソン氏らによれば、超高精度研削盤と特殊微粒砥石が必要で、彼らの製品に見られる極めて滑らかな仕上げと鋭利なエッジを実現するには、スクラップ率が上昇し、工具サイズが小さくなるほどコストが高くなります。

「標準的なφ1/2インチエンドミルの切れ刃を顕微鏡で見てください」と同氏。「どんなに良い工具でも、2〜3ミクロンのマイクロチッピングと刃先割れが見られます。そのため多くのメーカーはわずかなホーニングを施し、この割れを平滑化し、実質的に工具を『慣らし』ています。しかし、工具がその1/10サイズではこれができません。同様に、5〜10ミクロン厚のコーティングも適用できません。すべてが可能な限り鋭利でなければなりません。」

マイクロマシニング技術

鋭利な工具と特殊研削設備の話が続きましたが、今日の「マイクロマシニング」の多くは、ここで説明したようには行われていません。はい、前述の通り従来型切削工具をCNC旋盤やマシニングセンタで使用する公正な量は存在します。しかし、レーザーマイクロマシニング（サイドバー参照）、マイクロEDM、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。

このようなファブリケーションプロセスは2つ存在します。一つ目はバルクマイクロマシニングで、通常MEMS（マイクロ電気機械システム）の作成に用いられ、シリコン基板を選択的にエッチングします。もしMEMSデバイスが家ほどの大きさなら、その大半は地下にあり、目的の構造と機械的特性が得られるまで、一連の腐食性化学薬品で掘削されます。

一方、表面マイクロマシニングでは、シリコンウェハー上に堆積させた表面層（約25ミクロン厚）の中で「家」を建設します。この結晶層の一部が、同様の化学エッチングプロセスで選択的に除去されます。両プロセスには長所短所があり、極めて小さなデバイスの幅広い製造に使用されています。MEMS、慣性センサ、ジャイロスコープ、圧力センサなどが含まれ、これらはスマートフォン、自動車、航空機、各種ハイエンド工業製品に搭載されています。

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