凹みと平坦部を周期的に持った表面を機械的に形成 | 理化学研究所
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画像
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図1　Angled-FPPにより創成された表面の様子
(a) ノズル角度を変化させた場合。(b) ノズル距離を変化させた場合。微粒子の投射角などの条件に応じて凹凸の方向性や間隔が調整可能であることを確認した。
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図2　精密研削による平坦化を施した表面の凹凸解析結果
研削量を微細に調節することで、凹みだけを残し凸部の平坦化を施す「プラトー化加工」を実現した。
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図3　表面平坦化の違いによる摩擦係数の相異
平坦化の度合いに応じて摩擦特性が変化している。この作用は各種精密機械における摩擦のコントロールへと応用できる可能性を示唆している。


要旨

理化学研究所（理研）大森素形材工学研究室の大森整主任研究員と、東京都市大学工学部機械工学科の亀山雄高准教授らの共同研究チームは、微粒子を投射して金属表面を改質する微粒子ピーニング（FPP）[1]と精密研削を組み合わせた独自の機械的手法で、凹みと平坦部を周期的に持った金属表面を形成する加工法を開発しました。これまで機械的な加工法だけでは簡便に調整することが難しかった凹みの周期性や深さ、平坦部の面積なども、本加工法を用いることによって一定の範囲内で調整可能になります。

材料の表面にマイクロ～ナノメートルの微細な突起や凹みを作ると、表面にさまざまな機能を持たせることができます。例えば、パソコンなどのハードディスクに利用される軸受の表面には動圧発生のための微細な溝が彫られており、それによって非接触で軸を高速回転させることを可能としています。金属の表面に微細構造を簡単に形成することができれば、その金属自体を直接、機能を持った製品として用いることができます。また、表面の微細構造を樹脂やガラスに転写するための金型として用いることで、製品を量産できる可能性もあります。これまで、金属材料に微細構造を形成する場合には、化学エ◯チングやレーザ加工が用いられていました。しかし、化学エ◯チングでは非加工部分をマスキング（保護）する必要があり、また、レーザ加工ではスキャンする装置とプログラムが必要であることから、より簡便で効率的な微細構造の形成法が求められていました。

共同研究チームは、新たな微細構造形成法として微粒子ピーニングと精密研削を組み合わせた加工法を試みました。その結果、微粒子を材料表面に対して斜めから投射し、その後精密研削を行うことで、凹みと平坦部が周期的に配列された微細構造の形成を実現しました。この加工法は、低摩擦化が要求される電動アクチュエーターのスライド部品、医療用インプラント表面加工、再生医療用の細胞培養プレート、高効率な熱交換器など多様な用途への適用が期待できます。

本研究成果は、CIRP（国際生産工学アカデミー）が発行する生産工学研究雑誌「CIRP Annals - Manufacturing Technology」（Volume 64/1, 2015）に掲載されました。また、CIRP総会において8月25日に報告を行う予定です。

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