コンピューターやテレビの薄型化が進むにつれて、医療技術も進歩し、ますます小型化されたデバイスを人体に埋め込むことができるようになった。
物が小型化するだけでなく、より多くのコンポーネントが装備され、より優れたパワーと機能性が提供されています。マイクロコンポーネントは現在、航空宇宙、自動車、生物医学、エレクトロニクス、情報技術、光学、電気通信などの業界で幅広い用途に使用されています。
これらすべての製品の開発により、より小さな部品やアセンブリに対する需要が高まっています。継続的にコストを削減するために、これらの小型コンポーネントのほとんどは金型を使用して製造されています。これらの傾向は、新しい航空宇宙グレードの材料や特殊な金型コーティングの利用から、直径0.1mmの工具によるフライス加工、サブミクロン精度の達成まで、金型メーカーに新たな多様な課題を突きつけています。
同時に、マイクロコンポーネントの本質的な複雑さも新たな機会を生み出します。単純な金型から中程度の複雑な金型の生産が人件費の低い国に移行する中、米国とヨーロッパの金型メーカーは、マイクロモールディングやマイクロミリングなどの高度な技術に目を向けることで競争力を維持できます。
小型部品製造の課題
小型部品の金型を製造する際の主な課題の 1 つは、これらの小さな部品を実際に加工することです。機能的な金型領域の直接フライス加工と小型放電加工電極の製造の両方で、フライス加工技術に非常に高い要求が課せられます。
マイクロミリングの課題には、最大150,000rpmのスピンドル速度で動作する超小型工具(場合によっては100ミクロン(μm)以下のもの)の使用が含まれます。必要な表面粗さは、多くの場合、Ra 0.2ミクロンに達します。このような小さなフィーチャーを研磨することは通常現実的ではないため、マイクロフライス加工では研磨のない仕上げを達成する必要があります。
0.1 mmの工具でEDM電極をフライス加工する様子(写真提供:Cimatron)。
マイクロミリング技術
経済的に実行可能でありながら、品質と精度の両方の要求を満たすには、製造チェーン全体を最適化し、同期させる必要があります。CNC マシン、ツール、ツール ホルダー、治具、品質管理機器のサプライヤーはすべて、競争力のある正確なソリューションを提供する必要があります。
マイクロミリング環境における重要な考慮事項:
1)工具、ホルダー、スピンドル
小径工具はマイクロフライス加工の基本です。ワークサイズによっては、工具は0.1mmまで小さくなり、将来的には小さくなる可能性があります。このようなツールの入手可能性とコストは、早期に検討する必要があります。
小径工具には高い主軸速度が不可欠です。たとえば、0.1 mm工具を使用した 10,000 rpm では、切削速度(Vc) はわずか 3.3 m/min で、これは低すぎます。
20,000 から 150,000 rpm の間で動作するスピンドルの場合、高精度の熱収縮ツールホルダーを使用して完璧な動的バランスと振れゼロを達成することが重要です。そうしないと、表面仕上げが損なわれ、工具寿命が大幅に短くなります。
2)治具とプロセスの統合
マイクロフライス部品は通常、1回のセットアップで機械加工する必要があります。EDM とフライス加工を別々の操作で組み合わせると、許容できない位置ずれや目に見える工具跡が発生する可能性があります。
3)工作機械と作業場環境
機械は、小数点以下4桁(つまり、ミクロン レベル) まで一貫した精度と分解能を提供する必要があります。
マイクロフライス加工は 5軸機能から大きな恩恵を受け、表面から遠ざかることで工具を短くすることができます。ただし、現在の 5軸精度は 3軸システムに遅れをとることが多いため、マイクロフライス加工の 5軸実装は徹底的に検証する必要があります。
温度制御と防振は重要です。作業場の前を走行する大型トラックでも、機械が適切に断熱されていないと、表面に跡が残る可能性があります。
4) フライス加工戦略
形状によっては、マイクロミリングには単純なスケールダウンを超えた戦略が必要になる場合があります。多くの場合、(従来のフライス加工ではなく)クライムフライス加工が好ましいアプローチです。
金型製造における高精度マイクロフライス加工のためのCAD/CAMソリューションは、使いやすい3Dツールを提供する必要があります。
CAD/CAMの要件
機械、ホルダー、ツールをマイクロマニュファクチャリングにスケールダウンする際の主な課題と考えるのは直感的ですが、ソフトウェアも同様に複雑です。一見すると、ソフトウェアは 0.0001 や 1.0 などの数値だけでなく、1.0 や 10 も処理できるはずです。しかし実際には、それははるかに微妙な違いです。
CAD システムの重要な機能:
信頼性が高く正確なモデル解釈は非常に重要です。システム間のデータ変換を減らすことで、モデルの忠実度を維持することができます。
非常に厳しい幾何公差(0.1–0.01 ミクロン) は、スライダー、エジェクター ピン、リフターのパーティング ラインまたは形状を作成するために不可欠です。パーティングサーフェス間のギャップをなくし、C1 と C2 の連続性を維持する必要があります。
サンプル部品や複雑なアセンブリを含む、非常に小さなマルチキャビティ金型をサポートします。
マイクロフライス加工の CAM システム要件:
厳しい公差と超高精度加工をサポートします。
操作中の手動介入は不可能であるため、CAMはツールパス全体の切りくず負荷を正確に管理する必要があります。
幾何学的忠実度を維持するための高解像度の数学モデルの使用。統合されたCAD/CAMプラットフォームは、翻訳エラーを排除するため理想的です。
高精度のモデリング機能(サーフェスキャッピング、エクステンションなど)を内蔵し、適切な接線制御を行います。
0.1ミクロンの低いツールパス偏差をサポートし、大型部品の微細なフィーチャーを加工する場合に重要です。
0.1 mm工具、0.005 mm ステップオーバー、0.05 mm工具半径の使用など、マイクロミリング レベルのパラメータを定義する機能。結果のツールパスは小数点以下5桁まで正確である必要があります。
荒加工、中仕上げ、仕上げ加工を1回の連続作業に組み合わせた戦略。
実際の残量ストックに基づくインテリジェントな送り速度制御により、壊れやすい工具を保護し、加工時間を短縮します。
結論
マイクロシステム、マイクロモールド、マイクロフライス加工は、ミニチュア部品を大量生産するためのエキサイティングな技術として台頭しています。サブミクロンの精度と肉眼ではほとんど見えない切削工具を備えたこの急成長分野は、金型メーカーとサプライヤーの両方に多くの課題と機会をもたらします。
新素材、超微細工具、特殊コーティング、高度な CAD/CAM ソフトウェアに関する深い知識が必要です。ただし、マイクロミリングは、低コストの競合他社との差別化を目指すメーカーにとっても競争力をもたらします。
この分野を効果的に開発するには、産業界、研究機関、政府の協力が必要であり、このモデルはヨーロッパですでに進んでいます。フラウンホーファーIPTが主導するEUのCRAFTイニシアチブは、CAD/CAM、CNC機械、工具、治具の大手サプライヤーと提携して、マイクロマニュファクチャリング用の次世代材料、機械、ソフトウェアツールを開発しています。
北米の工具製造業界が参加し、この新興で収益性の高い市場セグメントを活用する時が来ています。
マイクロフライス加工の概要
マイクロシステム技術は、世界で最も急速に成長している産業の1つになっています。生物医学デバイス、光学、マイクロエレクトロニクス (モバイルおよびコンピューター コンポーネントを含む) などの分野では、小型で高精度の部品に対する膨大な需要が生まれています。
マイクロマニュファクチャリングが必要な部品は、多くの場合、5mm以下で、表面仕上げの要求は0.2ミクロン以上で、材料の硬度は45HRC以上に達します。
マイクロフライス加工は、このような小型で超精密なコンポーネントを製造するために特別に設計された最先端の技術です。これには、直径0.1 mm未満の工具が含まれており、標準の NC ソフトウェアの機能をはるかに超える、非常に滑らかな表面とミクロン レベルの公差を実現します。
このレベルの精度を達成するには、メーカーは部品の変形、複雑さの増大、特殊な工具の使用などの課題を克服する必要があります。主なマイクロミリング機能は次のとおりです。
工具径100μm以下
工具のアスペクト比(L/D)は10〜100
主軸回転数150,000rpm以上
加工公差0.1mm以下
ジオメトリ補正と超精密ツールパス
マイクロフライス加工は高速フライス加工の未来を表しています。超精密金型製造を習得する企業は、強力な競争上の優位性を享受できます。
