JP2019058917A - Method for roughening metal molding surface - Google Patents

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Abstract

To provide a method for roughening a metal molding capable of obtaining a metal molding suitable for producing a composite molding with other materials such as resins.SOLUTION: A method for roughening a metal molding surface includes: a step of irradiating the metal molding surface with a continuous wave laser beam with an irradiation speed of 2,000 mm/sec or more; and a step of irradiating the surface with a pulse wave laser beam, where the method includes irradiating the predetermined region of the metal molding with the continuous wave laser beam to roughen the region, then irradiating the roughened surface with the continuous wave laser beam and irradiating a part of the roughened surface with the pulse wave laser beam.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、各種金属成形体表面を粗面化して多孔構造にするための金属成形体表面の粗面化方法に関する。   The present invention relates to a method of roughening the surface of a metal molding for roughening the surfaces of various metal moldings to form a porous structure.

表面が粗面化にされて多孔構造が形成された金属成形体およびその製造方法が知られている。
特許文献1には、厚さ方向に形成された、表面側に開口部を有する幹孔と、幹孔の内壁面から幹孔とは異なる方向に形成された枝孔からなる開放孔と、厚さ方向に形成された、表面側に開口部を有していない内部空間を有しており、さらに前記開放孔と前記内部空間を接続するトンネル接続路と前記開放孔同士を接続するトンネル接続路を有している、表層部が粗面化された金属成形体の発明が記載されている。
表層部が複雑な多孔構造していることから、例えば樹脂と接合したときには高い接合力で接合させることができる。
特許文献2には、特許文献1の複雑な多孔構造内に樹脂を入り込ませることで、金属成形体と樹脂成形体が高い接合強度で接合された複合成形体の発明が記載されている。
BACKGROUND ART A metal molded body in which a porous structure is formed by roughening the surface and a method for producing the same are known.
In Patent Document 1, a trunk hole having an opening on the surface side, an open hole formed in the thickness direction, and an open hole including branch holes formed in a direction different from the trunk wall from the inner wall surface of the trunk hole It has an internal space formed in the vertical direction and having no opening on the surface side, and further a tunnel connection path connecting the open hole and the internal space and a tunnel connection path connecting the open holes The invention of a metal molded body having a roughened surface layer is described.
Since the surface layer portion has a complicated porous structure, for example, when bonded to a resin, bonding can be performed with high bonding force.
Patent Document 2 describes the invention of a composite molded body in which a metal molded body and a resin molded body are joined with high bonding strength by inserting a resin into the complex porous structure of Patent Document 1.

特許文献3には、クロスする方向にレーザースキャンするとき、複数回重畳的にスキャンする金属表面のレーザー加工方法の発明が記載されている。加工後の金属表面は、図1に示すブリッジ構造を含んでいることが特徴であることが記載されている。   Patent Document 3 describes an invention of a laser processing method of a metal surface which scans a plurality of times in a superimposed manner when performing laser scanning in a cross direction. It is stated that the metal surface after processing is characterized as including the bridge structure shown in FIG.

特許第5998303号公報Patent No. 5998303 特許第5860190号公報Patent No. 5860190 特許第4020957号公報Patent No. 4020957

本発明は、樹脂などの他材料との複合成形体にしたとき、前記他材料との接合強度をより高めることができる、金属成形体表面の粗面化方法を提供することを課題とする。   An object of the present invention is to provide a method of roughening the surface of a metal molded body, which can further increase the bonding strength with the other material when it is formed into a composite molded body with another material such as a resin.

本発明は、金属成形体表面の粗面化方法であって、
金属成形体表面に対して、2000mm/sec以上の照射速度で連続波レーザー光を照射する工程とパルス波レーザー光を照射する工程を有しており、
前記金属成形体の所定領域に対して前記連続波レーザー光を照射して粗面化した後、
前記連続波レーザー光を照射して粗面化された面の一部に対してパルス波レーザー光を照射する、金属成形体表面の粗面化方法を提供する。
また本発明は、金属成形体表面の粗面化方法であって、
金属成形体表面に対して連続波レーザー光を照射する工程とパルス波レーザー光を照射する工程を有しており、
前記金属成形体の所定領域に対してパルス波レーザー光を照射して複数の孔を形成した後、
前記パルス波レーザー光を照射して形成された複数の孔を通る線状に2000mm/sec以上の照射速度で連続波レーザー光を照射する、金属成形体表面の粗面化方法を提供する。
The present invention is a method of roughening the surface of a metal molded body,
Irradiating the surface of the metal molded body with a continuous wave laser beam at an irradiation speed of 2000 mm / sec or more and a step of irradiating a pulse wave laser beam,
After roughening by irradiating the said continuous wave laser beam with respect to the predetermined area | region of the said metal molding,
There is provided a method of roughening the surface of a metal molded body, which comprises irradiating the continuous wave laser light and irradiating a part of the roughened surface with a pulse wave laser light.
The present invention is also a method of roughening the surface of a metal molded body,
It has a process of irradiating a continuous wave laser beam to the surface of a metal molded body and a process of irradiating a pulse wave laser beam,
After a predetermined area of the metal molded body is irradiated with pulse wave laser light to form a plurality of holes,
There is provided a method of roughening the surface of a metal molded product, comprising irradiating a continuous wave laser beam at an irradiation speed of 2000 mm / sec or more in a line passing through a plurality of holes formed by irradiating the pulse wave laser beam.

本発明の金属成形体表面の粗面化方法により得られた金属成形体は、複雑な多孔構造が形成されており、かつ前記多孔構造部分に連絡される大きな開口部を有している。
このため、本発明の金属成形体表面の粗面化方法により得られた金属成形体と樹脂などの他材料からなる複合成形体を製造するとき、前記他材料が前記開口部から前記多孔構造部の内部に侵入し易くなっているため、金属成形体と前記他材料の成形体との接合強度を高めることができる。
The metal molded body obtained by the method of roughening the surface of the metal molded body according to the present invention has a complex porous structure formed therein and has a large opening communicating with the porous structure portion.
For this reason, when manufacturing a composite molded body made of the metal molded body obtained by the surface roughening method of the surface of the metal molded body of the present invention and another material such as resin, the other material is the porous structure portion from the opening. Since it is easy to penetrate | invade inside, the joint strength of a metal molded object and the molded object of said other material can be raised.

第1実施形態の粗面化方法で得られた金属成形体の断面図。Sectional drawing of the metal molded object obtained by the roughening method of 1st Embodiment. (a)〜(c)は、実施例におけるレーザー光線の照射パターンを示す図。(A)-(c) is a figure which shows the irradiation pattern of the laser beam in an Example. (a)は、実施例1において、第1工程の連続波レーザー光を照射して粗面化したチタン板表面のSEM写真、(b)は、実施例1において、第2工程のパルス波レーザー光を照射して粗面化したチタン板表面のSEM写真。(A) is a SEM photograph of the surface of the titanium plate roughened by irradiation with the continuous wave laser light in the first step in Example 1, (b) is a pulse wave laser in the second step in Example 1. The SEM photograph of the titanium plate surface roughened by irradiating light. (a)は、実施例2において、第1工程の連続波レーザー光を照射して粗面化したチタン板表面のSEM写真、(b)は、実施例2において、第2工程のパルス波レーザー光を照射して粗面化したチタン板表面のSEM写真。(A) is a SEM photograph of the surface of the titanium plate roughened by irradiating the continuous wave laser beam in the first step in Example 2, (b) is a pulse wave laser in the second step in Example 2. The SEM photograph of the titanium plate surface roughened by irradiating light. 実施例3において、第2工程のパルス波レーザー光を照射して粗面化したチタン板表面のSEM写真。In Example 3, the SEM photograph of the titanium plate surface which roughened by irradiating the pulse wave laser beam of a 2nd process. 実施例4において、第2工程のパルス波レーザー光を照射して粗面化したチタン板表面のSEM写真。In Example 4, the SEM photograph of the titanium plate surface which roughened by irradiating the pulse wave laser beam of a 2nd process. (a)は、実施例5において、第1工程の連続波レーザー光を照射して粗面化したチタン板表面のSEM写真、(b)は、実施例5において、第2工程のパルス波レーザー光を照射して粗面化したチタン板表面のSEM写真。(A) is a SEM photograph of the surface of the titanium plate roughened by irradiating the continuous wave laser beam in the first step in Example 5, (b) is a pulse wave laser in the second step in Example 5. The SEM photograph of the titanium plate surface roughened by irradiating light. 実施例6において、第2工程のパルス波レーザー光を照射して粗面化したチタン板表面のSEM写真。In Example 6, the SEM photograph of the titanium plate surface which roughened by irradiating the pulse wave laser beam of a 2nd process. 実施例7において、第2工程の連続波レーザー光を照射して粗面化したチタン板表面のSEM写真。In Example 7, the SEM photograph of the titanium plate surface which was roughened by irradiating the continuous wave laser beam of the 2nd process. 実施例8において、第2工程の連続波レーザー光を照射して粗面化したチタン板表面のSEM写真。In Example 8, the SEM photograph of the titanium plate surface which was roughened by irradiating the continuous wave laser beam of the 2nd process. 実施例9において、第2工程の連続波レーザー光を照射して粗面化したチタン板表面のSEM写真。In Example 9, the SEM photograph of the titanium plate surface which roughened by irradiating the continuous wave laser beam of a 2nd process.

<第1実施形態の粗面化方法>
本発明の金属成形体表面の粗面化方法のうち、第1実施形態の粗面化方法は、前記金属成形体の所定領域に対して2000mm/sec以上の照射速度で連続波レーザー光を照射して粗面化した後、前記連続波レーザー光を照射して粗面化された面の一部に対してパルス波レーザー光を照射する粗面化方法である。
Roughening Method of First Embodiment
The roughening method of the first embodiment among the roughening methods for the surface of a metal molded body according to the present invention irradiates a predetermined region of the metal molded body with continuous wave laser light at an irradiation speed of 2000 mm / sec or more. The surface roughening method is a surface roughening method in which the continuous wave laser light is irradiated to irradiate a part of the roughened surface with a pulse wave laser light.

金属成形体に使用する金属としては、鉄、ステンレス、アルミニウム、チタン、銅、マグネシウム、ニッケル、亜鉛、クロム、金、銀などの金属、前記各金属と公知の他の金属との合金を使用することができる。
金属成形体の形状や大きさは、金属成形体の用途に応じて選択することができるものであり、前記形状は、例えば、平面、平面同士の角部、曲面およびこれらが組み合わされたものでもよい。
As the metal used for the metal molded body, metals such as iron, stainless steel, aluminum, titanium, copper, magnesium, nickel, zinc, chromium, gold, silver and the like, and alloys of the respective metals with other known metals are used. be able to.
The shape and size of the metal molded body can be selected according to the application of the metal molded body, and the shape may be, for example, a flat surface, corners between flat surfaces, a curved surface, or a combination thereof. Good.

第1工程では、金属成形体の所定領域に対して2000mm/sec以上の照射速度で連続波レーザー光を照射して粗面化する。
金属成形体の所定領域とは、金属成形体の全面でもよいし、一部面でもよく、一部面であるときは1箇所でもよいし、複数箇所でもよい。
In the first step, the predetermined area of the metal molded body is roughened by irradiating a continuous wave laser beam at an irradiation speed of 2000 mm / sec or more.
The predetermined region of the metal molded body may be the entire surface of the metal molded body, a part of the surface, or one part when it is a part of the surface, or a plurality of parts.

レーザー光の照射方法は、特許第5774246号公報、特許第5701414号公報、特許第5860190号公報、特許第5890054号公報、特許第5959689号、特開2016−43413号公報、特開2016−36884号公報、特開2016−44337号公報に記載された連続波レーザー光の照射方法と同様にして実施することができる。   The laser beam irradiation method is disclosed in Japanese Patent No. 5774246, Japanese Patent No. 5701414, Japanese Patent No. 5860190, Japanese Patent No. 5890054, Japanese Patent No. 5959689, Japanese Patent No. 2016-43413, Japanese Patent No. 2016-36884. The invention can be carried out in the same manner as the continuous wave laser light irradiation method described in JP-A-2016-44337.

連続波レーザー光の好ましい照射条件は以下のとおりである。
エネルギー密度は1MW/cm2以上にすることが好ましい。レーザー光の照射時のエネルギー密度は、レーザー光の出力(W)と、レーザー光(スポット面積(cm2)(π・〔スポット径/2〕2)から求められる。レーザー光の照射時のエネルギー密度は、2〜1000MW/cm2が好ましく、10〜800MW/cm2がより好ましく、10〜700MW/cm2がさらに好ましい。
レーザー光の照射速度は2,000〜20,000mm/secが好ましく、2,000〜18,000mm/secがより好ましく、3,000〜15,000mm/secがさらに好ましい。
レーザー光の出力は4〜4000Wが好ましく、50〜2500Wがより好ましく、150〜2000Wがより好ましく、200〜1000Wがさらに好ましい。
波長は500〜11,000nmが好ましい。
ビーム径(スポット径)は5〜80μmが好ましい。
焦点はずし距離は、-5〜+5mmが好ましく、−1〜+1mmがより好ましく、−0.5〜+0.1mmがさらに好ましい。焦点はずし距離は、設定値を一定にしてレーザー照射しても良いし、焦点はずし距離を変化させながらレーザー照射しても良い。例えば、レーザー照射時に、焦点はずし距離を小さくしていくようにしたり、周期的に大きくしたり小さくしたりしても良い。
繰り返し回数(一つの孔を形成するための合計のレーザー光の照射回数)は、1〜30回が好ましく、5〜20回がより好ましい。
その他、隣接する溝同士の間隔(レーザー光の照射痕の間隔)、照射パターンなども選択することができる。
The preferable irradiation conditions of continuous wave laser light are as follows.
The energy density is preferably 1 MW / cm 2 or more. The energy density at the time of laser beam irradiation can be determined from the laser beam output (W) and the laser beam (spot area (cm 2 ) (π · [spot diameter / 2] 2 ). 2 to 1000 MW / cm 2 is preferable, 10 to 800 MW / cm 2 is more preferable, and 10 to 700 MW / cm 2 is more preferable.
The irradiation rate of the laser beam is preferably 2,000 to 20,000 mm / sec, more preferably 2,000 to 18,000 mm / sec, and still more preferably 3,000 to 15,000 mm / sec.
4 to 4000 W is preferable, 50 to 2500 W is more preferable, 150 to 2000 W is more preferable, and 200 to 1000 W is more preferable.
The wavelength is preferably 500 to 11,000 nm.
The beam diameter (spot diameter) is preferably 5 to 80 μm.
The defocusing distance is preferably -5 to +5 mm, more preferably -1 to 1 mm, and still more preferably -0.5 to +0.1 mm. The defocusing distance may be a laser irradiation with a constant set value, or may be a laser irradiation while changing the defocusing distance. For example, at the time of laser irradiation, the defocusing distance may be decreased, or may be periodically increased or decreased.
1 to 30 times are preferable, and 5 to 20 times are more preferable as the number of repetitions (the number of irradiation times of the total laser light for forming one hole).
In addition, the distance between adjacent grooves (the distance between the irradiation marks of the laser beam), the irradiation pattern, and the like can be selected.

本発明の粗面化方法で2000mm/sec以上の照射速度で連続波レーザー光を照射するときには、
(i)レーザー光の非照射面と、金属成形体(インプラント)を構成する金属よりも熱伝導率の大きい材料(熱伝導率が100W/m・k以上である材料)からなる基板(例えば、鋼板、銅板、アルミニウム板)と接触させる方法、あるいは
(ii)金属成形体のレーザー光の非照射面と、金属成形体を構成する金属よりも熱伝導率の小さい材料からなる基板(例えばガラス板)と接触させる方法を適用することができる。
(i)の方法は、特開2016−78090号公報に記載の方法を適用することができ、(ii)の方法は、特開2016−124024号公報に記載の方法を適用することができる。
(i)の方法は、金属成形体にレーザー光を照射するときに生じる熱を放熱させることで、温度の上昇を抑制することができる。
(ii)の方法は、金属成形体にレーザー光を照射するときに生じる熱の放熱を抑制させることができる。
When the continuous wave laser light is irradiated at an irradiation speed of 2000 mm / sec or more by the surface roughening method of the present invention,
(i) A substrate (for example, a non-irradiated surface of laser light and a material having a thermal conductivity higher than that of a metal forming the metal molded body (implant) (a material having a thermal conductivity of 100 W / m · k or more) Or (ii) a non-irradiated surface of a metal compact with a laser beam, and a substrate (for example, a glass sheet) made of a material having a thermal conductivity smaller than that of the metal constituting the metal compact. The method of contacting with can be applied.
The method of (i) can apply the method of Unexamined-Japanese-Patent No. 2016-78090, and the method of (ii) can apply the method of Unexamined-Japanese-Patent No. 2016-124024.
The method (i) can suppress the temperature rise by radiating the heat generated when the metal molded body is irradiated with the laser beam.
The method of (ii) can suppress the heat radiation of the heat generated when the metal molded body is irradiated with the laser beam.

本発明の粗面化方法で2000mm/sec以上の照射速度で連続波レーザー光を照射するときには、空気、酸素、窒素、アルゴン、ヘリウムから選ばれるアシストガスを供給しながら照射することができる。
アシストガスを供給しながらレーザー光を照射することで、孔の深さ、大きさおよび配向性の制御を補助することができるほか、炭化物の生成を抑制したり、表面性状を制御したりすることができる。
例えば、アルゴンガスを選択すると表面の酸化を防止することができ、酸素を選択すると表面の酸化を促進することができ、窒素ガスやアルゴンガスを選択すると酸化を防止することができる。
When the continuous wave laser light is irradiated at an irradiation rate of 2000 mm / sec or more by the surface roughening method of the present invention, the irradiation can be performed while supplying an assist gas selected from air, oxygen, nitrogen, argon and helium.
By supplying laser light while supplying assist gas, it is possible to help control the depth, size and orientation of the holes, and to suppress the formation of carbides and to control the surface properties. Can.
For example, selection of argon gas can prevent surface oxidation, selection of oxygen can promote surface oxidation, and selection of nitrogen gas or argon gas can prevent oxidation.

パルス波レーザー光の好ましい照射条件は以下のとおりである。
出力は、1〜1000Wが好ましく、1〜500Wがより好ましく、2〜100Wがさらに好ましい。
波長は、300〜1200nmが好ましく、500〜1200nmがより好ましい。
スキャンのパルス幅は、1〜10,000nsecが好ましい。
周波数は、0.001〜1000kHzが好ましい。
焦点はずし距離は、−5〜+5mmが好ましく、−1〜+1mmがより好ましい。
加工速度は、10〜10,000mm/secが好ましく、100〜10,000mm/secがより好ましい。
スキャン回数は、1〜100回が好ましく、3〜80回がより好ましい。
Preferred irradiation conditions of the pulse wave laser light are as follows.
1 to 1000 W is preferable, 1 to 500 W is more preferable, and 2 to 100 W is more preferable.
300-1200 nm is preferable and, as for a wavelength, 500-1200 nm is more preferable.
The pulse width of the scan is preferably 1 to 10,000 nsec.
The frequency is preferably 0.001 to 1000 kHz.
The defocusing distance is preferably −5 to +5 mm, more preferably −1 to +1 mm.
The processing speed is preferably 10 to 10,000 mm / sec, and more preferably 100 to 10,000 mm / sec.
The number of scans is preferably 1 to 100 and more preferably 3 to 80.

レーザー光の照射方法で使用するレーザーは公知のものを使用することができ、例えば、YVO4レーザー、ファイバーレーザー(シングルモードファイバーレーザー、マルチモードファイバーレーザー)、エキシマレーザー、炭酸ガスレーザー、紫外線レーザー、YAGレーザー、半導体レーザー、ガラスレーザー、ルビーレーザー、He−Neレーザー、窒素レーザー、キレートレーザー、色素レーザーを使用することができる。 The laser used in the laser irradiation method can be a known one, for example, YVO 4 laser, fiber laser (single mode fiber laser, multi mode fiber laser), excimer laser, carbon dioxide gas laser, ultraviolet laser, YAG lasers, semiconductor lasers, glass lasers, ruby lasers, He-Ne lasers, nitrogen lasers, chelate lasers, and dye lasers can be used.

第2工程では、第1工程にて2000mm/sec以上の照射速度で連続波レーザー光を照射して粗面化された面の一部に対してパルス波レーザー光を照射する。
第2工程の処理は、粗面化された金属成形体を使用して樹脂、ゴム、エラストマー、他の金属成形体などの他材料との複合成形体を製造するとき、粗面化処理により形成された多孔構造内に前記他材料が入り込み易くなるようにするための開口部を形成するものである。
パルス波レーザー光を照射する方法は、上記した公知のレーザーを使用した通常のパルス波レーザー光を照射する方法のほか、特許第5848104号公報、特許第5788836号公報、特許第5798534号公報、特許第5798535号公報、特開2016−203643号公報に記載のパルス波レーザー光の照射方法と同様にして実施することができる。
第2工程においても第1工程と同様に上記(i)の方法または(ii)の方法を適用することができるほか、アシストガスを使用することもできる。
In the second step, the continuous wave laser beam is irradiated at an irradiation speed of 2000 mm / sec or more in the first step to irradiate a part of the roughened surface with the pulse wave laser beam.
The process of the second step is formed by roughening when producing a composite molded body with another material such as a resin, rubber, elastomer, other metal molded body, etc. using the roughened metal molded body An opening is formed to facilitate the entry of the other material into the porous structure.
As a method of irradiating a pulse wave laser beam, in addition to a method of irradiating a normal pulse wave laser beam using the above-mentioned known laser, Japanese Patent No. 5848104, Japanese Patent No. 5788836, Japanese Patent No. 579 8534, Patent It can carry out similarly to the irradiation method of the pulse wave laser beam of the 5798535 gazette and Unexamined-Japanese-Patent No. 2016-203643 gazette.
Also in the second step, the method (i) or the method (ii) can be applied as in the first step, and an assist gas can also be used.

第2工程では、第1工程における連続波レーザー光の照射により粗面化された面に形成された一部の孔または溝の開口部に対してパルス波レーザー光を照射することが好ましい。
第1工程における連続波レーザー光の照射により粗面化された面は、上記した特許文献1、2に記載のとおり、「厚さ方向に形成された、表面側に開口部を有する幹孔と、幹孔の内壁面から幹孔とは異なる方向に形成された枝孔からなる開放孔と、厚さ方向に形成された、表面側に開口部を有していない内部空間を有しており、さらに前記開放孔と前記内部空間を接続するトンネル接続路と前記開放孔同士を接続するトンネル接続路」(以下、「トンネル接続路を有する特定の多孔構造」とする)を有している。
第2工程では、例えば、上記の「表面側に開口部を有する幹孔」に対してパルス波レーザー光を照射することで前記幹孔の開口部をより大きくして拡張された開口部を形成し、前記拡張された開口部から「トンネル接続路を有する特定の多孔構造」内部に樹脂などの他材料が入り込み易くすることが好ましい。
本発明の第1実施形態の粗面化方法を適用して粗面化された金属成形体は、表面から孔深さまでが10〜1000μmの深さ範囲のものであることが好ましい。
In the second step, it is preferable to irradiate pulse wave laser light to the openings of some holes or grooves formed on the surface roughened by the continuous wave laser light irradiation in the first step.
As described in Patent Documents 1 and 2 described above, the surface roughened by the irradiation of continuous wave laser light in the first step is “a trunk hole having an opening on the surface side and formed in the thickness direction And an open hole formed of a branch hole formed in a direction different from the inner wall surface of the trunk hole in a direction different from the trunk hole, and an inner space formed in the thickness direction and having no opening on the surface side And a tunnel connection path connecting the open hole and the internal space, and a tunnel connection path connecting the open holes (hereinafter referred to as "a specific porous structure having a tunnel connection path").
In the second step, for example, the above-mentioned “trunk hole having an opening on the surface side” is irradiated with a pulse wave laser beam to form an enlarged opening by making the opening of the trunk hole larger. Preferably, another material such as a resin is easily introduced into the “specific porous structure having a tunnel connection path” from the expanded opening.
It is preferable that the metal molded body roughened by applying the surface roughening method of the first embodiment of the present invention has a depth range of 10 to 1000 μm from the surface to the hole depth.

第1実施形態の粗面化方法を適用して得られた金属成形体の表面を含む断面構造は、図1に示すようになっている。
図1(a)〜(c)に示す金属成形体10は、粗面化表面12側に開口部31のある開放孔30を有しているが、本発明の粗面化方法を適用することで開口部31が拡げられている。このため、樹脂などの他材料との複合体にするときは、拡張された開口部31から他材料が内部に入り込み易くなっている。
開放孔30は、厚さ方向に形成された開口部31を有する幹孔32と、幹孔32の内壁面から幹孔32とは異なる方向に形成された枝孔33からなる。枝孔33は、1本または複数本形成されていてもよい。
また金属成形体10は、粗面化表面12側に開口部のない内部空間40を有している。内部空間40は、トンネル接続路50により開放孔30と接続されている。なお、第2工程において内部空間40が形成されている部分にパルス波レーザー光が照射されれば、内部空間40は開口部を有する開放孔となる。
The cross-sectional structure including the surface of the metal molded body obtained by applying the surface roughening method of the first embodiment is as shown in FIG.
Although the metal molded body 10 shown in FIGS. 1 (a) to 1 (c) has an open hole 30 having an opening 31 on the roughened surface 12 side, applying the roughening method of the present invention And the opening 31 is expanded. For this reason, when forming a composite with another material such as a resin, the other material easily enters the inside from the expanded opening 31.
The open hole 30 includes a trunk hole 32 having an opening 31 formed in the thickness direction, and a branch hole 33 formed in a direction different from the inner wall surface of the trunk hole 32 from the trunk hole 32. One or more branch holes 33 may be formed.
Further, the metal molded body 10 has an internal space 40 without an opening on the roughened surface 12 side. The interior space 40 is connected to the open hole 30 by a tunnel connection 50. If the pulse wave laser light is irradiated to the portion where the internal space 40 is formed in the second step, the internal space 40 becomes an open hole having an opening.

本発明の金属成形体表面の粗面化方法は、前記連続波レーザー光と前記パルス波レーザー光を併用することで、前記連続波レーザー光と前記パルス波レーザー光のいずれか一方による粗面化処理と比べると、空孔率(実施例に記載の方法により測定)を高めることができるほか、空孔率の範囲も制御することができる。
例えば、他の条件が同じであれば、レーザー光の照射回数が増加すると空孔率が高くなり、レーザー光の照射回数が減少すると空孔率が低くなる。同様に他の条件が同じであれば、エネルギー密度の増減、レーザー光の照射速度の増減などの他の条件を調整することによっても空孔率を制御できる。
さらに連続波レーザー光とパルス波レーザー光を併用することで、連続波レーザー光の照射により上記した複雑な孔構造を形成できると共に、大まかな空孔率も制御することができ、パルス波レーザー光の照射により細かい空孔率も制御できるようになるため、トンネル接続路などの複雑な孔構造を有し、かつ空孔率が制御された、粗面化された金属成形体を製造することができる。
The surface roughening method of the surface of the metal molded body according to the present invention is surface roughening by either one of the continuous wave laser light and the pulse wave laser light by using the continuous wave laser light and the pulse wave laser light in combination. In addition to the treatment, the porosity (measured by the method described in the examples) can be increased, and the porosity range can also be controlled.
For example, if the other conditions are the same, the porosity increases as the number of laser beam irradiations increases, and the porosity decreases as the number of laser beam irradiations decreases. Similarly, if the other conditions are the same, the porosity can also be controlled by adjusting the other conditions such as the increase and decrease of the energy density and the increase and decrease of the irradiation rate of the laser light.
Further, by using the continuous wave laser light and the pulse wave laser light in combination, it is possible to form the above-mentioned complicated pore structure by the irradiation of the continuous wave laser light, and also to control the rough porosity. The fine porosity can also be controlled by the irradiation of the above-mentioned, so it is possible to manufacture a roughened metal molded body having a complex pore structure such as a tunnel connection and having a controlled porosity. it can.

<第2実施形態の粗面化方法>
本発明の金属成形体表面の粗面化方法のうち、第2実施形態の粗面化方法は、第1実施形態とは第1工程と第2工程の順序が逆の粗面化方法である。
第1工程では、第1実施形態の第2工程と同様にして、金属成形体の所定領域に対してパルス波レーザー光を照射して複数の孔を形成する。
例えば、金属成形体の所定領域中の100箇所にパルス波レーザー光を照射して、孔を形成する。この孔が上記した「トンネル接続路を有する特定の多孔構造」内への樹脂などの他材料の導入孔となる。
次の第2工程では、第1実施形態の第1工程と同様にして、第1工程のパルス波レーザー光を照射して形成された複数の孔を通る線状に連続波レーザー光を照射する。
このようにすることで、例えば上記したとおり、「トンネル接続路を有する特定の多孔構造」内部に樹脂などの他材料が導入し易くなるので好ましい。
本発明の第2実施形態の粗面化方法を適用して粗面化された金属成形体は、表面から孔深さまでが10〜1000μmの深さ範囲のものであることが好ましい。
Roughening Method of Second Embodiment
The roughening method of the second embodiment among the roughening methods for the metal molded body surface of the present invention is a roughening method in which the order of the first step and the second step is opposite to that of the first embodiment. .
In the first step, in the same manner as in the second step of the first embodiment, a pulse wave laser beam is irradiated to a predetermined region of the metal molded body to form a plurality of holes.
For example, a pulse wave laser beam is irradiated to 100 places in a predetermined region of the metal molded body to form a hole. This hole is an introduction hole of another material such as a resin into the “specific porous structure having a tunnel connection path” described above.
In the next second step, in the same manner as in the first step of the first embodiment, the continuous wave laser beam is irradiated in a linear shape passing through a plurality of holes formed by irradiating the pulse wave laser beam in the first step. .
By doing this, for example, as described above, other materials such as a resin can be easily introduced into the “specific porous structure having a tunnel connection path”, which is preferable.
It is preferable that the metal molded body roughened by applying the surface roughening method of the second embodiment of the present invention has a depth range of 10 to 1000 μm from the surface to the hole depth.

本発明の第1実施形態および第2実施形態の金属成形体表面の粗面化方法は、前記金属成形体が、チタンまたはチタン合金からなる、骨または歯を含む生体組織と結合させるために使用するインプラント用であることが好ましい。
インプラントは、骨または歯を含む生体組織と結合させるために使用するものである。
インプラントとしては、人工股関節(ステム、カップ)、人工膝関節などの人工関節、骨折固定用(プレート、スクリュー)、人工歯根などを挙げることができる。
インプラントは、チタン(純チタン)またはチタン合金、コバルトクロム合金、タンタルから選ばれるものからなるものである。チタン合金は、医療用チタン合金として使用されているものである。
The method of roughening the surface of a metal molded body according to the first and second embodiments of the present invention is used for bonding the metal molded body to a living tissue including a bone or a tooth, which is made of titanium or a titanium alloy Preferably for implants.
Implants are used to connect with living tissue including bones or teeth.
Examples of the implant include artificial hip joints (stems, cups), artificial joints such as artificial knee joints, for fracture fixation (plates, screws), artificial tooth roots and the like.
The implant is made of titanium (pure titanium) or a titanium alloy, a cobalt chromium alloy, or tantalum. Titanium alloys are used as medical titanium alloys.

本発明の粗面化方法により粗面化されたインプラント(金属成形体)を骨内部に埋設されるように接続したとき、「ナノパルスレーザによる骨組織適合型インプラントの創製(東北大学大学院工学研究科准教授 水谷正義,平成23年度一般研究開発助成AF-2011212)」のP158の左欄に記載されているとおり、まず体液中に過飽和に含まれているリン酸カルシウム類が析出し、同時に骨芽細胞が空間を感知することで活性化し、骨の成分を骨とインプラントの双方の表面上で生産する。最終的に新生骨が骨−インプラント(インプラントの多孔構造部)間を完全に埋め、堅く密な接着状態が得られることになるものと考えられる。
本発明の粗面化方法により粗面化されたインプラント表面に形成された多孔構造は、複雑な構造になっており、かつ一部孔の開口部大きくなっているため、前記開口部から骨または歯を含む生体組織が入り込み易くなっていると共に、複雑な多孔構造が骨または歯を含む生体組織とインプラントの結合力を高めるように作用することが期待される。
When an implant (metal molded body) roughened by the roughening method of the present invention is connected so as to be embedded in a bone, “the creation of a bone tissue compatible implant with a nanopulse laser (Tohoku University Graduate School Engineering Research As described in the left column of P158 of “Faculty Associate Professor Mizutani Masayoshi, FY2011 General Research Development Assistance AF-2011212)”, calcium phosphates contained in supersaturation are first precipitated in the body fluid, and at the same time osteoblasts Activates by sensing space and produces bone constituents on both the bone and the surface of the implant. Finally, it is considered that the new bone completely fills the space between the bone and the implant (the porous structure of the implant) to obtain a tight and tight adhesion state.
The porous structure formed on the surface of the implant roughened by the surface roughening method according to the present invention is a complex structure, and since the opening of the hole is partly enlarged, It is expected that biological tissue including teeth is easily introduced and that a complex porous structure acts to enhance the bonding between the biological tissue including bones or teeth and the implant.

実施例1〜6
純チタンの板または64チタンの板(縦30mm、横30mm、厚み3mm)に対して、下記レーザー装置を使用して、表1に示す条件にて、第1工程で連続波レーザー光を照射し、第2工程でパルス波レーザー光を照射した。なお、焦点はずし距離は、第1工程と第2工程で同じであり、いずれも第1工程の処理前の純チタンの板または64チタンの板の表面に合わせた(焦点はずし距離はゼロ)。
粗面化された純チタンの板または64チタン板表面のSEM写真を図3〜図8(実施例1〜6)に示す。
Examples 1 to 6
Continuous wave laser light was irradiated in the first step under the conditions shown in Table 1 to a plate of pure titanium or a plate of 64 titanium (length 30 mm, width 30 mm, thickness 3 mm) under the conditions shown in Table 1 In the second step, pulse wave laser light was irradiated. The defocusing distance was the same in the first step and the second step, and both were adjusted to the surface of the pure titanium plate or the 64 titanium plate before the treatment in the first step (the defocusing distance is zero).
SEM photographs of roughened pure titanium plate or 64 titanium plate surface are shown in FIGS. 3 to 8 (Examples 1 to 6).

表1の照射パターンの詳細は、次のとおりである。
クロス(クロス照射):0.08mmの間隔をおいて10本の溝(第1群の溝)が形成されるように連続波レーザー光を照射した後、第1群の溝と直交する方向に0.08mmの間隔をおいて10本の溝(第2群の溝)が形成されるように連続波レーザー光を照射した。
双方向照射:一方向に1本の溝が形成されるように連続波レーザー光を直線状に照射した後、0.08mmの間隔をおいて反対方向に同様にして連続波レーザー光を直線状に照射することを繰り返した。0.08mmの間隔は、隣接する溝同士の中心間距離である。
円(図1(c):パルス波レーザー光をスポット径30μm、スキャン速度250mm/secでスポットの中心を直径200μmの円周状にスキャンして、直径が200μm強の円を形成した。前記スキャンを10回繰り返して、直径が約200μmの円を形成した。同様の操作を繰り返して複数の円を形成した。隣接する円同士の中心間距離は0.6mmとした。
穴(一点照射):パルス波レーザー光をスポット径30μmで一点に100回照射して穴を形成した。同様の操作を繰り返して複数の穴を形成した。隣接する穴同士の中心間距離は200μmとした。
The details of the irradiation patterns in Table 1 are as follows.
Cross (cross irradiation): After irradiating the continuous wave laser light so that 10 grooves (grooves of the first group) are formed at intervals of 0.08 mm, in the direction orthogonal to the grooves of the first group The continuous wave laser light was irradiated so that 10 grooves (grooves of the second group) were formed at intervals of 0.08 mm.
Two-way irradiation: After linearly irradiating a continuous wave laser beam so that one groove is formed in one direction, a continuous wave laser beam is linearly formed similarly in the opposite direction at intervals of 0.08 mm. Repeated irradiation to. The spacing of 0.08 mm is the center-to-center distance between adjacent grooves.
Circles (FIG. 1 (c): Pulse wave laser light was scanned at a spot diameter of 30 μm, scan speed at 250 mm / sec circumferentially at a spot speed of 200 mm, and a circle with a diameter of 200 μm or more was formed. The same operation was repeated to form a plurality of circles, and the distance between the centers of adjacent circles was 0.6 mm.
Hole (one point irradiation): A point was irradiated 100 times with a pulse wave laser beam at a spot diameter of 30 μm to form a hole. The same operation was repeated to form a plurality of holes. The distance between the centers of adjacent holes was 200 μm.

(連続波レーザー装置)
発振器:IPG-Ybファイバー;YLR−300−SM
ガルバノミラー:SQUIREEL(ARGES社製)
集光系:fc=80mm/fθ=100mm
(Continuous wave laser device)
Oscillator: IPG-Yb fiber; YLR-300-SM
Galvano mirror: SQUIREEL (made by ARGES)
Light collecting system: fc = 80 mm / fθ = 100 mm

(パルス波レーザー装置)
発振器:IPG-Ybファイバー;YLP-1-50-30-30-RA
(出力100%,周波数30kHz)
ガルバノミラー:LXD30+SCANLAB社のHurrySCAN10
(ビームエキスパンダ2倍/fθ=100mm)
(Pulse wave laser device)
Oscillator: IPG-Yb fiber; YLP-1-50-30-30-RA
(Output 100%, frequency 30 kHz)
Galvano mirror: Hurdy SCAN10 from LXD30 + SCANLAB
(Beam expander doubled / fθ = 100 mm)

(空孔率の測定方法)
X線CTスキャナー装置(型番 MicroXCT-400 メーカー名 Xradia社)を用いて、レーザー光照射サンプルのX線CT観察を実施した。
金属成形体表面に平行で、かつ金属成形体表面から所定深さにある面のX線CTスキャン写真を撮影して、前記写真(画面に表示された写真)から金属部分と空孔部分を識別し、所定深さの全体面積のなかで空孔部分の占める面積の割合から空孔率を求めた。測定深さは金属成形体の表面から100μmの深さと200μmの深さとした。
(Method of measuring porosity)
The X-ray CT observation of the laser beam-irradiated sample was carried out using an X-ray CT scanner apparatus (model No. MicroXCT-400, manufacturer name: Xradia).
X-ray CT scan photograph of a plane parallel to the metal molding surface and at a predetermined depth from the metal molding surface is taken to identify the metal part and the void part from the photograph (photograph displayed on the screen) The porosity was determined from the ratio of the area occupied by the pores in the entire area of a predetermined depth. The measurement depth was set to a depth of 100 μm and a depth of 200 μm from the surface of the metal molded body.

(最大深さ)
金属成形体に平行な面の上記X線スキャン写真を表面から次第に深くして撮影していき、撮影された写真(画面に表示された写真)の空孔部分がゼロとなる部分の深さ(金属成形体の表面からの距離)から最大深さを求めた。
(Maximum depth)
The above X-ray scan photograph of a plane parallel to the metal molding is photographed gradually from the surface, and the depth of the portion where the void portion of the photographed photograph (photograph displayed on the screen) becomes zero ( The maximum depth was determined from the distance from the surface of the metal compact.

図3〜図8から明らかなとおり、第1工程の連続波レーザー光の照射により形成された粗面の中に第2工程のパルス波レーザー光の照射により形成された大きな孔が確認できた。
また、図3〜図8からは、図1に示すとおり、第1工程の連続波レーザー光の照射により複雑な多孔構造が形成された後、第2工程のパルス波レーザー光の照射により大きな開口部31が形成された状態が確認できた。
本発明の方法により粗面化した金属成形体をインプラント用として使用した場合、大きな開口部から生体組織が入り込み易くなるため、実用上の効果が大きいことが考えられる。
As is clear from FIGS. 3 to 8, large holes formed by the irradiation of the pulse wave laser light of the second step can be confirmed in the rough surface formed by the irradiation of the continuous wave laser light of the first step.
Further, from FIG. 3 to FIG. 8, as shown in FIG. 1, after the complex porous structure is formed by the irradiation of the continuous wave laser light in the first step, the large aperture is formed by the irradiation of the pulse wave laser light in the second step. It was confirmed that the part 31 was formed.
When a metal molded body roughened by the method of the present invention is used as an implant, the biological tissue can easily enter from the large opening, so that it is considered that the practical effect is large.

実施例7〜9
64チタンの板(縦30mm、横30mm、厚み3mm)に対して、下記レーザー装置を使用して、表2に示す条件にて、第1工程でパルス波レーザー光を照射し、第2工程で連続波レーザー光を照射した。なお、焦点はずし距離は、第1工程と第2工程で同じであり、いずれも第1工程の処理前の純チタンの板または64チタンの板の表面に合わせた(焦点はずし距離はゼロ)。
粗面化された64チタン板表面のSEM写真を図9〜図11(実施例7〜9)に示す。
Examples 7-9
Pulse wave laser light is irradiated in a first step to a plate of 64 titanium (30 mm long, 30 mm wide, 3 mm thick) using the following laser apparatus under the conditions shown in Table 2, and in a second step It was irradiated with continuous wave laser light. The defocusing distance was the same in the first step and the second step, and both were adjusted to the surface of the pure titanium plate or the 64 titanium plate before the treatment in the first step (the defocusing distance is zero).
SEM photographs of the roughened surface of the 64 titanium plate are shown in FIGS. 9 to 11 (Examples 7 to 9).

表2の照射パターンの詳細は、次のとおりである。
四角穴:図2(a)。パルス波レーザー光をスポット径45μmで、直線状に150μm照射した後、0.028mmの間隔(隣接する溝の中心間距離)で反対方向に同様にして照射し、これを5回繰り返した操作を1回として、さらに同様の操作を5回繰り返して、最大深さ180μmの四角穴を形成した。さらに同様の操作を繰り返して、隣接する四角穴同士の間隔150μmである複数の四角穴を形成した。
蛇行:図2(b)に示すようにしてパルス波レーザー光をスポット径45μmで照射して蛇行した線を形成した後、これを60回繰り返した。
円(図1(c):スポット径を45μmとしたこと以外は、上記と同じである。
The details of the irradiation patterns in Table 2 are as follows.
Square hole: Fig. 2 (a). After irradiating 150 μm linearly with a pulse diameter laser beam with a spot diameter of 45 μm, the same irradiation in the opposite direction at a spacing of 0.028 mm (the distance between the centers of adjacent grooves) is repeated five times. The same operation was repeated five times as once to form a square hole with a maximum depth of 180 μm. Further, the same operation was repeated to form a plurality of square holes having a distance of 150 μm between adjacent square holes.
Meandering: As shown in FIG. 2 (b), a pulse wave laser beam was irradiated at a spot diameter of 45 μm to form a meandering line, and this was repeated 60 times.
Circle (FIG. 1 (c): same as above except that the spot diameter is 45 μm.

図9〜図11から明らかなとおり、第1工程のパルス波レーザー光の照射により形成された粗面(第1粗面)の上に、第2工程の連続波レーザー光の照射により形成された第1粗面よりも細かい第2粗面が形成された確認できた。
また、図9〜図11からは、図1に示すとおり、第1工程のパルス波レーザー光の照射により形成された大きな開口部31を含み、さらに第2工程の連続波レーザー光の照射により複雑な多孔構造が形成されたことが確認できる。
本発明の方法により粗面化した金属成形体をインプラント用として使用した場合、大きな開口部から生体組織が入り込み易くなるため、実用上の効果が大きいことが考えられる。
As is apparent from FIGS. 9 to 11, it was formed by the irradiation of the continuous wave laser light of the second step on the rough surface (the first rough surface) formed by the irradiation of the pulse wave laser light of the first step. It could be confirmed that a second rough surface finer than the first rough surface was formed.
Moreover, as shown in FIG. 1, the large opening part 31 formed by irradiation of the pulse wave laser beam of a 1st process is included from FIGS. 9-11, and it is further complicated by irradiation of the continuous wave laser beam of a 2nd process. It can be confirmed that a porous structure was formed.
When a metal molded body roughened by the method of the present invention is used as an implant, the biological tissue can easily enter from the large opening, so that it is considered that the practical effect is large.

本発明の金属成形体表面の粗面化方法は、前記金属成形体と樹脂、ゴム、エラストマー、他の金属などとの複合成形体に使用する金属成形体の製造方法、インプラントの製造方法として利用することができる。   The method of roughening the surface of a metal molded body according to the present invention is used as a method of manufacturing a metal molded body used for a composite molded body of the metal molded body and a resin, a rubber, an elastomer, another metal, etc. can do.

Claims (4)

金属成形体表面の粗面化方法であって、
金属成形体表面に対して、2000mm/sec以上の照射速度で連続波レーザー光を照射する工程とパルス波レーザー光を照射する工程を有しており、
前記金属成形体の所定領域に対して前記連続波レーザー光を照射して粗面化した後、
前記連続波レーザー光を照射して粗面化された面の一部に対してパルス波レーザー光を照射する、金属成形体表面の粗面化方法。
A method of roughening the surface of a metal molded body, comprising
Irradiating the surface of the metal molded body with a continuous wave laser beam at an irradiation speed of 2000 mm / sec or more and a step of irradiating a pulse wave laser beam,
After roughening by irradiating the said continuous wave laser beam with respect to the predetermined area | region of the said metal molding,
A method of roughening the surface of a metal molded body, comprising irradiating a pulse wave laser beam to a part of the surface roughened by irradiating the continuous wave laser beam.
前記連続波レーザー光を照射して粗面化された面の一部に対してパルス波レーザー光を照射するとき、前記連続波レーザー光を照射して粗面化された面に形成された一部の孔または溝の開口部に対してパルス波レーザー光を照射する、請求項1記載の金属成形体表面の粗面化方法。   When the pulse wave laser light is irradiated to a part of the surface roughened by irradiating the continuous wave laser light, the continuous wave laser light is formed to be formed on the surface roughened The surface roughening method for a surface of a metal formed body according to claim 1, wherein pulse wave laser light is irradiated to the opening of the hole or the groove of the part. 金属成形体表面の粗面化方法であって、
金属成形体表面に対して連続波レーザー光を照射する工程とパルス波レーザー光を照射する工程を有しており、
前記金属成形体の所定領域に対してパルス波レーザー光を照射して複数の孔を形成した後、
前記パルス波レーザー光を照射して形成された複数の孔を通る線状に2000mm/sec以上の照射速度で連続波レーザー光を照射する、金属成形体表面の粗面化方法。
A method of roughening the surface of a metal molded body, comprising
It has a process of irradiating a continuous wave laser beam to the surface of a metal molded body and a process of irradiating a pulse wave laser beam,
After a predetermined area of the metal molded body is irradiated with pulse wave laser light to form a plurality of holes,
The surface roughening method of the surface of a metal molded object, comprising irradiating a continuous wave laser beam at an irradiation speed of 2000 mm / sec or more in a line form passing through a plurality of holes formed by irradiating the pulse wave laser beam.
前記金属成形体が、チタンまたはチタン合金、コバルトクロム合金、タンタルから選ばれる金属からなる、骨または歯を含む生体組織と結合させるために使用するインプラント用である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の金属成形体表面の粗面化方法。   The metal molding according to any one of claims 1 to 3, wherein the metal formed body is made of titanium, titanium alloy, cobalt chromium alloy, or a metal selected from tantalum, and used for bonding to a living tissue including bone or teeth. The roughening method of the metal molded body surface of 1 item | term.
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