複合超精密マイクロマシンニングシステムと中核技術の開発

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13650111
• Research Institution: Ibaraki University
• Principal Investigator: 周 立波 茨城大学, 工学部, 助教授 (90235705)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 清水 淳 茨城大学, 工学部, 助手 (40292479) ; 江田 弘 茨城大学, 工学部, 教授 (60007995)
• Keywords: マイクロ・マシンニング / 非シリコン材料 / マルチ・ファンクション / マイクロ・カッティング / マイクロ・EDM / ECM / デスクトップ・マシン / メゾーマイクロ・メカニカル・マニュファクチャリング

Research Abstract

マイクロマシニング,マイクロファブリケーション技術は,これまでMEMS(シリコン基盤へのリソグラフィー技術)をベースに急速に発展してきた.MEMSの加工原理から対象がSi材に限定され,また創成できる形状が2Dであることから,異なる特性を持つ材料に対応でき,しかも3次元形状創成が可能な機械加工によるマイクロファブリケーションに関する研究が日本,アメリカとヨーロッパで盛んに行われている.
このような非シリコンのマイクロマシニングでは,例えば金属などの,異なる性質を持った様々な材料を加工対象とするため,各々の材料に適した加工法が必要となる.また,複数の工程(例えば,粗,中,仕上げ加工)を要するアプリケーションは,これまでは異なる工作機械を使って行ってきたが,繰返しやチャッキングに伴う誤差がマイクロの寸法領域において無視できなくなり,すべてのプロセスが1台の加工機械で完結するone-stopの性能が求められている.
今回開発したマイクロ多機能加工機は,粗加工から仕上げ加工までを1台の機械で行うため,従来の工作機械のように複数台の機械を必要とせず,エネルギー消費やコスト,スペースの点で優れている.本加工機の構造は,4自由度を持つデスクトップサイズのマシニングセンタであり,0.1μmの高精度の位置決め機構を持っている.さらに,種々の加工ユニットを換装することで,ミーリング・ドリリング・旋削・研削等の機械加工から,放電/電解加工等の電気エネルギー加工,レーザ発振ユニットの使用によるレーザビーム加工・レーザトリートメント加工,及びこれらの加工を組み合わせた複合加工を行うことが可能である.
本報告では,多機能・複合型の加工が可能なマイクロマシニングシステムの設計・開発について述べ,開発したシステムにおけるCAD/CAM/CAE等のITを援用した加工事例を紹介する.さらに,マシニングシステムのアプリケーションとして,マイクロ部品の典型例であるマイクロ球面/非球面レンズ金型の製作を,マイクロEDM (electrical discharge machining)加工により行った.実験では,開発複合加工機能を使ってマイクロ切削により電極先端を球面/非球面に創製し,マイクロEDMにより超硬金型に形状転写した.また,サイズの減少に伴って電極消耗が大きくなるが,本システムの特長である多機能を使うことで,加工物と電極それぞれを加工原点から動かさずに,周期的に電極形状を機上で再生することで解決し,形状を正しく転写させた.

Research Products

• [Publications] Han Huang, Lin Ying, Libo Zhou: "High Speed Grinding of Silicon Nitride With Resin Bond Diamond Wheels"Journal of Material Processing Technology. (accepted). (2003)
• [Publications] 谷山久法, 江田弘, 清水淳, 周立波, 中沢由加里, 佐藤潤一: "鋼の微小引っかきに及ぼす第2相合金の影響,第1報:金属粒子適用マイクロファブリケーションの基礎研究"砥粒加工学会誌. 47・5(掲載待ち). (2003)
• [Publications] Libo ZHOU, Kazuhiro SHINOHARA, Jun SHIMIZU, Hiroshi EDA: "Three Dimensional Kinematical Analyses for Surface Grinding of Large Scale Substrate"Precesion Engineering. (accepted). (2003)
• [Publications] H.Huang, Z.M.Gong, X.Q.Chen, L.Zhou: "Smart Robotic System for 3D Profile Turbine Vane Airfoil Repair"Int'l Journal of Advanced Manufacturing Technology. (accepted). (2003)
• [Publications] 江田弘, 周立波, 中野博民, 近藤良, 森輝夫, 清水淳: "巨大重量主軸台の原子レベル超磁歪位置決め/アライメントシステムの開発"精密工学会誌. 69・1. 100-104 (2003)
• [Publications] H.Taniyama, H.Eda, L.Zhou, J.Shimizu, J.Sato: "Experimental Investigation of Micro Scratching on Two-Phase Steel : Plastic Flow Mechanism of the Ferrite and Cementite Phase"Key Engineering Materials. 238-239. 15-18 (2003)
• [Publications] L.Zhou, Y.Yaguchi, T.Fuji, J.Shimizu, H.Eda: "Development of Multifunctional Micro-Mchining System andits Applications"Key Engineering Materials. 238-239. 3-8 (2003)
• [Publications] J.Shimizu, L.ZHOU, H.EDA: "Molecular Dynamics Simulation of Contact Process in AFM Surface Observation"Tribotest Journal. 9・2. 101-115 (2002)
• [Publications] 周立波, 河合真二, 本田将之, 清水淳, 江田弘, 焼田和明: "SiウエハのChemo-Mechanical-Grinding(CMG)に関する研究, 第1報:CMG砥石の開発"精密工学会誌. 68・12. 1559-1563 (2002)
• [Publications] Libo ZHOU, Hiroshi EDA, Jun SHIMIZU: "State-of the art Technologies and Kinematical Analuysis for One-Stop Finishing of φ300mm Si Wafer"Journal of Material Processing Technology. 129・1-3. 34-40 (2002)
• [Publications] jun Shimizu, Libo ZHOU, Hiroshi EDA: "Simulation and Experimental Analysis of Super High-Speed Grinding of Ductile Material"Journal of Material Processing Technology. 129・1-3. 19-24 (2002)
• [Publications] 周立波, 福田勇夫, 清水淳, 江田弘, 加藤明彦: "熱・電・磁場負荷による工具機能の改善に関する研究"砥粒加工学会誌. 46・10. 506-509 (2002)
• [Publications] Libo Zhou, Jun Shimizu, Akihito Muroya, Hiroshi Eda: "Material Removal Mechanism Beyond Plastic Wave Propagation Rate"Precision Engineering. 26・4. 405-412 (2002)
• [Publications] H.Huang, Z.M.Gong, X.Q.Chen, L.Zhou: "Robotic grinding and polishing for turbine-vane overhaul"Journal of Material Processing Technology. 124・2. 140-145 (2002)
• [Publications] Shinzo Enomoto, Toshihiro Ioi, Kazuhiko Kato, Libo Zhou, Xdong, Liu: "Burr Reduction with Fine-Scrape Cutter"Journal of Material Processing Technology. 124・1-2. 255-258 (2002)
• [Publications] Libo Zhou, Han Huang: "Automated Robotic System for Jet Engine Overhaul, -System Design and Development for Honeycomb Repair -"Int'l Journal of Advanced Manufacturing Technology. 19・5. 370-376 (2002)
• [Publications] 周立波, 篠原一宏, 清水淳, 江田弘: "大口径シリコンウエハ研削加工における幾何と運動"精密工学会誌. 68・1. 73-77 (2002)
• [Publications] 佐川克雄, 江田弘, 周立波, 清水淳: "φ300Siウエハ超加工機械創作用仕上げ面粗さシミュレーション"砥粒加工学会誌. 45・12. 579-579 (2001)
• [Publications] 江田弘, 周立波, 中野博民, 近藤 良, 清水淳, 田島 琢二: "大口径φ300Siウエハ用超加工機械の開発"精密工学会誌. 67・10. 1693-1697 (2001)
• [Publications] 周立波, 江田弘, 清水淳, 西村雅也, 佐川克雄: "電子・磁気・光学基盤の脆弱-延性モードの統合仕上げ加工"砥粒加工学会誌. 45・6. 244-249 (2001)
• [Publications] H.Edda, L.Zhou, H.Nakano, R.Kondo, J.Shimizu: "Development of Single step Grinding System for Large Scale φ300 Si Wafer, -A Total Integrated Fixed-abrasive Solution -"CIRP Annals. 50・1. 225-228 (2001)
• [Publications] H.Eda, T.Mori, Y.Okada, L.Zhou, J.Shimizu: "POWDER METALLURGIC GIANT MAGNETOSTRICTION MATERIALS AND APPLICATION IN SPACE STRUCTURE"Int'l Journal for Manufacturing Science and Technology. 12・2. 127-133 (2001)
• [Publications] 江田弘, 周立波, 守屋光永, 川上辰男, 石川友彦, 山本佳男: "電子顕微鏡内マイクロファブリケーションデバイスの技術開発"精密工学会誌. 67・8. 52-56 (2001)
• [Publications] 江田 弘, 周 立波: "ナノ・マイクロマシン技術総覧(分担)"(株)産業技術サービスセンター. 146-160, 455-460, 750-753 (2003)
• [Publications] Chen X.Q, Gong Z, Huang H, Ge S., Zhou L: "Advanced Automation Techniques in Adaptive Material Processing"World Scientific Publishing Co. 19-90 (2002)
• [Publications] Hiroshi Eda, Libo Zhou: "Giant Magnetostrictive Material, "Encyclopedia of Smart Materials""John Wiley & Sons Inc.. 503-509 (2002)