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精密加工

低摩擦、超撥水等の新しい機能表面を創出する高速レーザテクスチャリング加工技術と加工システムの開発

愛知県

株式会社タマリ工業

2021年2月19日更新

プロジェクトの基本情報

プロジェクト名 自動車摺動部品の低摩擦化と生産性を両立する精密加工装置の開発
基盤技術分野 精密加工
対象となる産業分野 医療・健康・介護、環境・エネルギー、航空・宇宙、自動車、ロボット、産業機械、スマート家電、電池、半導体、工作機械、エレクトロニクス、印刷・情報記録、光学機器
産業分野でのニーズ対応 高機能化(新たな機能の付与・追加)、高性能化(既存機能の性能向上)、高性能化(耐久性向上)、高性能化(小型化・軽量化)、高性能化(機能表面創生 摩擦係数低減、耐摩耗性向上、超撥水性付与、放熱性付与、無反射機能付与)、高効率化(同じ生産量に対するリソースの削減)、高効率化(人件費削減)、高効率化(生産性増加)、環境配慮、低コスト化、デザイン性・意匠性の向上
キーワード レーザテクスチャリング、機能表面、低摩擦・摩耗、超撥水・超親水、フェムト秒レーザ
事業化状況 実用化間近
事業実施年度 平成29年度~令和1年度

プロジェクトの詳細

事業概要

自動車エンジンのシリンダボア摺動部の低摩擦損失化のため、表面テクスチャリング加工への要望が非常に大きい。レーザによる微細加工技術が確立されつつあるが、加工時間が遅く量産への適用ができない大きな課題がある。本研究開発ではフェムト秒レーザの超高速走査と同期制御により、量産適用可能な超高速レーザテクスチャリング加工装置と加工技術を開発する。事業化を図ることでエンジン効率向上、CO2排出量削減に貢献する

開発した技術のポイント

■高速レーザテクスチャリング精密加工装置の開発
超高速レーザテクスチャリング加工装置の製作(図1)
・高繰り返し2MHzの高出力超短パルスレーザと超高速走査100m/秒のポリゴンスキャナーを搭載
・ポリゴンミラーの超高速回転とレーザのパルス照射タイミングを同期 ⇒平面加工システム+円筒加工システムを構築
■高速レーザテクスチャリング加工技術の開発
・ポリゴンスキャーによる超高速テクスチャリング加工を実証
・100m/秒の超高速でディンプルパターン(図2)を形成
・100m/秒の超高速でナノ周期構造(図3)を形成

円筒加工システム(図1)
ディンプルパターン(図2)
ナノ周期構造(図3)
具体的な成果

自動車部品の量産に適用可能な生産性と摺動面の低摩擦化の機能を有する「超高速レーザテクスチャリング加工装置・加工技術」を開発しました。
高繰返し(2MHz)の超短パルスレーザをポリゴンスキャナーで高速走査(100m/ 秒)することで、加工時間3分以下で
エンジンのシリンダボアの内面にディンプルパターンを形成することが可能です。摩擦係数を1/2 に低減」し、CO2 の排出量削減に貢献します。
・ディンプルパターンの高速処理技術の開発
-高繰り返し2MHzの超短パルスレーザ(100W、500fs)と100m/秒の超高速走査が可能なポリゴンスキャナーを石定盤に搭載した
 高速レーザテクスチャリング加工システムを製作し、同期調整を完了。
-100m/秒の超高速でのディンプルパターンの形成、100m/秒の超高速でナノ周期構造の形成技術を確立。
⇒高速加工の実証:Φ86mm円筒内面加工(図4)を2.7分/周で完了。従来の10倍以上の高速加工が可能であることを実証。
⇒摩擦係数低減効果を実証:直径φ50μm、深さ5μm、ピッチ200μmで形成したディンプルパターンの機能として、
 摩擦係数が50%低減することを確認(図5)

Φ86mm円筒内面加工(図4)
摩擦係数50%低減(図5)
知財出願や広報活動等の状況

特許出願
「はっ水処理装置およびはっ水処理方法」 特願2019-039004 特開2020-142252
論文
「Femtosecond-laser-fabricated periodic tapered structures on a silicon substrate for terahertz antireflection」
Applied Optics / Vol. 58, No. 35 / 10 December 2019
新聞
日刊工業新聞 「超短パルスレーザによるレーザテクスチャリング加工」 2020.9.30
・業界誌への投稿
「自動車製造におけるレーザー加工の現状と将来展望」 月刊オプトロニクス 2019年4月号
「ポリゴンスキャナーを活用した超短パルスレーザの高速加工」 レーザ加工技術 Vol.2 2020年10月
「超短パルスレーザ加工適用の現状と将来展開」 スマートプロセス学会誌 Vol.10-No.2 2021年3月号
セミナー、講演会での技術プレゼン
「自動車へのレーザ加工」 第11回光科学フォーラムサミット 2019.11.13
「超短パルスレーザ加工 適用の現状と今後の展開」 レーザー表層加工研究集会 時 2020.9.29
「レーザー加工技術の自動車産業における現状と展望」 電気学会専門委員会 2020.12.8 
展示会への出展
・ぎふ・みえ・あいち新技術展示会inマツダ (2018.12月5日、6日)
・TechBizEXPO2020 (2020年2月4日、5日)
・Nanotech2021(2020年12月9日、10日、11日)
・オートモーティブワールド2021(2021年1月20日、21日、22日 出展予定)
・TechBizEXPO2021(2021年2月24日、25日 出展予定)

研究開発成果の利用シーン

レーザマイクロテクスチャリング加工
・自動車エンジン回りの摩擦抵抗軽減・・シリンダボア、ピストン、ピストンリング、エンジンベアリング等
・自動車部品、産業機械部品の摩擦抵抗軽減
・プレス金型の耐久性向上
・住宅機器、水回り製品への撥水性付与
・高温部品への放熱性付与
・センサーカバーの無反射処理

実用化・事業化の状況

事業化状況の詳細

川下企業様、複数社のから新しい製品適用のニーズをいただき、サンプル加工の検討を進めている。

提携可能な製品・サービス内容

加工・組立・処理、素材・部品製造、試験・分析・評価、共同研究・共同開発、技術コンサルティング

製品・サービスのPRポイント

・レーザテクスチャリング加工は非接触加工なので、数万個ののディンプル加工でも、工具の消耗等がなく、バリ無しの加工が可能
・機械加工では難しいφ50μm以下微細加工が可能
・加工速度が速いので、自動車部品サイズの製品の量産に適用が可能
・レーザテクスチャによる材料表面の機能向上が可能:摩擦・摩耗、撥水、親水、放熱、無反射
・バイオミメティックス モスアイ構造 ロータス構造 の加工が可能
・テクスチャリング加工の生産性の向上および、低コスト化が可能

今後の実用化・事業化の見通し

・実用化サンプルの川下企業へ提示を図り、川下企業からのサンプル加工に対応中である。
・自動車部品へのテクスチャリング加工については、製品としての評価をいただく予定で進めている。受注化が図れれば、今後、事業化につながる。
・もともとの目的であった低摩擦化に加えて、撥水性、放熱性、光反射制御などの機能が付与できるので、展示会などで顧客にアピールしている。
 新たに受けたニーズをもとに、サンプル出荷や評価を進め、事業化につなげていく。
 展示会:Nanotech2021(出展済)、オートモーティブワールド2021、TechBizEXPO2021(出展予定)
・名古屋工業大学や産業技術センターの指導を受けながら開発を継続する。

実用化・事業化にあたっての課題

当初目標としていた加工時間、Φ86mm円筒内面に1分/周のディンプルパターン形成について未達なため、今後も高速化の検討を進める。

事業化に向けた提携や連携の希望

自動車業界、住宅機器業界、医療機器業界等で製品表面への低摩擦、超撥水等の機能付与を必要としている企業との連携を模索中。
補完研究のためバイオミメティクス加工、トライボロジー、材料ミクロ表面構造等の研究部門分野の知見を有する大学等と研究希望。

プロジェクトの実施体制

サポイン事業者 株式会社タマリ工業 レーザ技術部
事業管理機関 公益財団法人科学技術交流財団
研究等実施機関 あいち産業科学技術総合センター 産業技術センター 金属材料室(金属表面加工) 主任研究員 杉本 賢一
国立大学法人名古屋工業大学大学院 工学研究科 しくみ領域 教授 糸魚川 文広
国立大学法人名古屋工業大学大学院 工学研究科 ながれ領域 准教授 小野 晋吾
アドバイザー アイシン精機㈱
㈱興和
㈱三幸
大豊工業㈱

サポイン事業者 企業情報

企業名 株式会社タマリ工業(法人番号:6180301022950)
事業内容 レーザ加工装置の製造・販売、レーザ加工試験・試作の受託
社員数 69 名
生産拠点 本社工場
本社所在地 〒445-0802 愛知県西尾市米津町五郎田1-1
ホームページ http://www.tamari.co.jp/
連絡先窓口 株式会社タマリ工業 レーザ技術部 三瓶 和久
メールアドレス k-mikame@tamari.co.jp
電話番号 0563-57-1171