JP6989328B2

JP6989328B2 - Method of roughening the surface of a metal molded body

Info

Publication number: JP6989328B2
Application number: JP2017183797A
Authority: JP
Inventors: 雅彦板倉; 潔清水; 孝之宇野; 昌広片山
Original assignee: Daicel Polymer Ltd
Current assignee: Daicel Polymer Ltd
Priority date: 2017-09-25
Filing date: 2017-09-25
Publication date: 2022-01-05
Anticipated expiration: 2037-09-25
Also published as: JP2019058917A

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 for roughening the surface of a metal molded body for roughening the surface of various metal molded bodies 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。 A metal molded body having a roughened surface to form a porous structure and a method for producing the same are known.
Patent Document 1 describes a trunk hole formed in the thickness direction having an opening on the surface side, an open hole formed from an inner wall surface of the trunk hole in a direction different from the trunk hole, and a thickness. It has an internal space formed in the vertical direction and does not have an opening on the surface side, and further, a tunnel connecting path connecting the opening hole and the internal space and a tunnel connecting path connecting the opening holes to each other. The invention of a metal molded body having a roughened surface layer portion is described.
Since the surface layer portion has a complicated porous structure, for example, when bonded to a resin, it can be bonded with a high bonding force.
Patent Document 2 describes an invention of a composite molded body in which a metal molded body and a resin molded body are joined with high bonding strength by injecting a resin into the complicated 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 for a metal surface in which laser scanning is performed in a crossing direction in a plurality of superimpositions. It is described that the processed metal surface is characterized by including the bridge structure shown in FIG.

特許第５９９８３０３号公報Japanese Patent No. 5998303 特許第５８６０１９０号公報Japanese Patent No. 5860190 特許第４０２０９５７号公報Japanese 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 for roughening the surface of a metal molded body, which can further increase the bonding strength with the other material when the composite molded body 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 for roughening the surface of a metal molded body.
It has a step of irradiating the surface of the metal molded body with a continuous wave laser beam at an irradiation rate of 2000 mm / sec or more and a step of irradiating the pulse wave laser beam.
After irradiating a predetermined region of the metal molded body with the continuous wave laser beam to roughen the surface,
Provided is a method for roughening a surface of a metal molded body, which irradiates a part of a surface roughened by irradiating the continuous wave laser light with a pulse wave laser light.
Further, the present invention is a method for roughening the surface of a metal molded body.
It has a process of irradiating the surface of the metal molded body with continuous wave laser light and a process of irradiating pulse wave laser light.
After irradiating a predetermined area of the metal molded body with pulse wave laser light to form a plurality of holes,
Provided is a method for roughening a surface of a metal molded body, which irradiates a continuous wave laser beam linearly through a plurality of holes formed by irradiating the pulse wave laser beam at an irradiation rate of 2000 mm / sec or more.

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 for roughening the surface of the metal molded body of the present invention has a complicated porous structure and has a large opening connected to the porous structure portion.
Therefore, when a composite molded body made of a metal molded body obtained by the method for roughening the surface of a metal molded body of the present invention and another material such as a resin is manufactured, the other material is used from the opening to the porous structure portion. Since it is easy to penetrate into the inside of the metal molded body, it is possible to increase the bonding strength between the metal molded body and the molded body of the other material.

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。The cross-sectional view of the metal molded body 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) to (c) are diagrams showing the irradiation pattern of the laser beam in the examples. （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 an SEM photograph of the surface of the titanium plate roughened by irradiating the continuous wave laser light of the first step in Example 1, and (b) is the pulse wave laser of the second step in Example 1. An SEM photograph of the surface of a titanium plate roughened by irradiating with 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 an SEM photograph of the surface of the titanium plate roughened by irradiating the continuous wave laser light of the first step in Example 2, and (b) is the pulse wave laser of the second step in Example 2. An SEM photograph of the surface of a titanium plate roughened by irradiating with 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, an SEM photograph of a surface of a titanium plate roughened by irradiating a pulse wave laser beam of the second step. 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, an SEM photograph of a surface of a titanium plate roughened by irradiating a pulse wave laser beam of the second step. （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 an SEM photograph of the surface of the titanium plate roughened by irradiating the continuous wave laser light of the first step in Example 5, and (b) is the pulse wave laser of the second step in Example 5. An SEM photograph of the surface of a titanium plate roughened by irradiating with 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, an SEM photograph of a surface of a titanium plate roughened by irradiating a pulse wave laser beam of the second step. 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, an SEM photograph of a surface of a titanium plate roughened by irradiating a continuous wave laser beam of the second step. 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, an SEM photograph of a surface of a titanium plate roughened by irradiating a continuous wave laser beam of the second step. 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, an SEM photograph of a surface of a titanium plate roughened by irradiating a continuous wave laser beam of the second step.

＜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 the first embodiment>
Among the methods for roughening the surface of a metal molded body of the present invention, the roughening method of the first embodiment irradiates a predetermined region of the metal molded body with continuous wave laser light at an irradiation rate of 2000 mm / sec or more. This is a roughening method in which a part of the roughened surface is irradiated with a pulse wave laser beam by irradiating the continuous wave laser beam with the roughened surface.

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 and silver, and alloys of each of the above 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 use 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, a predetermined region of the metal molded body is irradiated with continuous wave laser light at an irradiation speed of 2000 mm / sec or more to roughen the surface.
The predetermined region of the metal molded body may be the entire surface of the metal molded body, a partial surface thereof, and when it is a partial surface, it may be one place or a plurality of places.

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 light irradiation method is described in Japanese Patent No. 5774246, Japanese Patent No. 5701414, Japanese Patent No. 5860190, Japanese Patent No. 5890054, Japanese Patent No. 5959689, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2016-43413, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2016-36884. It can be carried out in the same manner as the continuous wave laser light irradiation method described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 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 preferred irradiation conditions for the continuous wave laser beam are as follows.
The energy density is ^{preferably 1 MW / cm 2} or more. The energy density at the time of laser light irradiation is obtained from the laser light output (W) and the laser light (spot area (cm ² ) (π · [spot diameter / 2] ² ). Energy at the time of laser light irradiation. The density is ^{preferably 2} to 1000 MW / cm ² , more preferably 10 to 800 MW / cm ² , and even more preferably 10 to 700 MW / cm 2.
The irradiation speed of the laser beam is preferably 2,000 to 20,000 mm / sec, more preferably 2,000 to 18,000 mm / sec, and even more preferably 3,000 to 15,000 mm / sec.
The output of the laser light is preferably 4 to 4000 W, more preferably 50 to 2500 W, more preferably 150 to 2000 W, still more preferably 200 to 1000 W.
The wavelength is preferably 500 to 11,000 nm.
The beam diameter (spot diameter) is preferably 5 to 80 μm.
The defocus distance is preferably −5 to +5 mm, more preferably −1 to + 1 mm, and even more preferably −0.5 to +0.1 mm. The defocusing distance may be laser irradiation with a constant set value, or laser irradiation may be performed while changing the defocusing distance. For example, at the time of laser irradiation, the defocusing distance may be reduced, or may be periodically increased or decreased.
The number of repetitions (total number of times of irradiation of laser light for forming one hole) is preferably 1 to 30 times, more preferably 5 to 20 times.
In addition, the spacing between adjacent grooves (spacing of laser beam irradiation marks), irradiation pattern, and the like can also 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 irradiating continuous wave laser light at an irradiation speed of 2000 mm / sec or more by the roughening method of the present invention,
(i) A substrate (for example, a non-irradiated surface of laser light) and a substrate (for example, a material having a thermal conductivity of 100 W / m · k or more) having a higher thermal conductivity than the metal constituting the metal molded body (implant). A method of contacting with a steel plate, a copper plate, or an aluminum plate), or (ii) a substrate (for example, a glass plate) made of a non-irradiated surface of a metal molded body and a material having a lower thermal conductivity than the metal constituting the metal molded body. ) Can be applied.
The method described in JP-A-2016-78090 can be applied to the method (i), and the method described in JP-A-2016-124024 can be applied to the method (ii).
In the method (i), the temperature rise can be suppressed by dissipating heat generated when the metal molded body is irradiated with the laser beam.
The method (ii) can suppress heat dissipation 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 irradiating a continuous wave laser beam at an irradiation rate of 2000 mm / sec or more by the roughening method of the present invention, it is possible to irradiate while supplying an assist gas selected from air, oxygen, nitrogen, argon, and helium.
By irradiating the laser beam while supplying the assist gas, it is possible to assist in controlling the depth, size and orientation of the pores, suppress the formation of carbides, and control the surface texture. Can be done.
For example, selecting argon gas can prevent surface oxidation, selecting oxygen can promote surface oxidation, and selecting 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。 The preferred irradiation conditions of the pulse wave laser beam are as follows.
The output is preferably 1 to 1000 W, more preferably 1 to 500 W, still more preferably 2 to 100 W.
The wavelength is preferably 300 to 1200 nm, more preferably 500 to 1200 nm.
The pulse width of the scan is preferably 1 to 10,000 nsec.
The frequency is preferably 0.001 to 1000 kHz.
The defocus distance is preferably −5 to +5 mm, more preferably −1 to + 1 mm.
The processing speed is preferably 10 to 10,000 mm / sec, more preferably 100 to 10,000 mm / sec.
The number of scans is preferably 1 to 100, 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 light irradiation method can be a known one, for example, YVO ₄ laser, fiber laser (single mode fiber laser, multi mode fiber laser), excima laser, carbon dioxide gas laser, ultraviolet laser, etc. A YAG laser, a semiconductor laser, a glass laser, a ruby laser, a He-Ne laser, a nitrogen laser, a chelate laser, and a dye laser 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 light is irradiated at an irradiation speed of 2000 mm / sec or more in the first step, and the pulse wave laser light is irradiated to a part of the roughened surface.
The treatment of the second step is formed by the roughening treatment when the composite molded body with other materials such as resin, rubber, elastomer, and other metal molded bodies is manufactured using the roughened metal molded body. An opening is formed to facilitate the entry of the other material into the formed porous structure.
As the method of irradiating the pulse wave laser light, in addition to the method of irradiating the usual pulse wave laser light using the above-mentioned known laser, Japanese Patent No. 5884104, Japanese Patent No. 5788836, Japanese Patent No. 5798534, Patent No. It can be carried out in the same manner as the pulse wave laser light irradiation method described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5798535 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2016-203643.
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 the opening of a part of the holes or grooves formed on the surface roughened by the irradiation of the continuous wave laser light in the first step with the pulse wave laser light.
As described in Patent Documents 1 and 2 described above, the surface roughened by irradiation with continuous wave laser light in the first step is "a trunk hole formed in the thickness direction and having an opening on the surface side. It has an open hole consisting of branch holes formed from the inner wall surface of the trunk hole in a direction different from that of the trunk hole, and an internal space formed in the thickness direction and having no opening on the surface side. Further, it has a tunnel connecting path connecting the opening hole and the internal space and a tunnel connecting path connecting the opening holes to each other (hereinafter, referred to as "a specific porous structure having a tunnel connecting path").
In the second step, for example, by irradiating the above-mentioned "stem hole having an opening on the surface side" with a pulse wave laser beam, the opening of the trunk hole is made larger and an expanded opening is formed. However, it is preferable to facilitate the entry of other materials such as resin into the "specific porous structure having a tunnel connecting path" from the expanded opening.
The metal molded body roughened by applying the roughening method of the first embodiment of the present invention preferably 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 roughening method of the first embodiment is as shown in FIG.
The metal molded body 10 shown in FIGS. 1A to 1C has an opening hole 30 having an opening 31 on the roughened surface 12 side, but the roughening method of the present invention is applied. The opening 31 is widened. Therefore, when forming a complex with another material such as a resin, the other material can easily enter the inside through the expanded opening 31.
The opening hole 30 is composed of a trunk hole 32 having an opening 31 formed in the thickness direction and a branch hole 33 formed from the inner wall surface of the trunk hole 32 in a direction different from that of the trunk hole 32. One or a plurality of branch holes 33 may be formed.
Further, the metal molded body 10 has an internal space 40 having no opening on the roughened surface 12 side. The internal space 40 is connected to the opening hole 30 by the tunnel connecting path 50. If the portion where the internal space 40 is formed is irradiated with the pulse wave laser beam 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。 In the method for roughening the surface of a metal molded body of the present invention, the continuous wave laser light and the pulse wave laser light are used in combination to roughen the surface by either the continuous wave laser light or the pulse wave laser light. Compared with the treatment, the vacancy rate (measured by the method described in the examples) can be increased, and the range of the vacancy rate can also be controlled.
For example, if the other conditions are the same, the pore ratio increases as the number of laser beam irradiations increases, and the pore ratio decreases as the laser light irradiation frequency decreases. Similarly, if other conditions are the same, the porosity can be controlled by adjusting other conditions such as an increase / decrease in energy density and an increase / decrease in laser beam irradiation speed.
Furthermore, by using continuous wave laser light and pulse wave laser light together, it is possible to form the above-mentioned complicated pore structure by irradiation with continuous wave laser light, and it is also possible to control the rough pore ratio, and pulse wave laser light. Since it becomes possible to control the fine pore ratio by the irradiation of, it is possible to manufacture a roughened metal molded body having a complicated pore structure such as a tunnel connection path and having a controlled pore ratio. 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 the second embodiment>
Among the methods for roughening the surface of a metal molded body of the present invention, the roughening method of the second embodiment is a roughening method in which the order of the first step and the second step is reversed from that of the first embodiment. ..
In the first step, similarly to the second step of the first embodiment, a predetermined region of the metal molded body is irradiated with a pulse wave laser beam to form a plurality of holes.
For example, a pulse wave laser beam is irradiated to 100 points in a predetermined region of a metal molded body to form holes. This hole serves as a hole for introducing another material such as resin into the above-mentioned "specific porous structure having a tunnel connecting path".
In the next second step, similarly to the first step of the first embodiment, the continuous wave laser light is irradiated linearly through a plurality of holes formed by irradiating the pulse wave laser light of the first step. ..
By doing so, for example, as described above, other materials such as resin can be easily introduced into the "specific porous structure having a tunnel connecting path", which is preferable.
The metal molded body roughened by applying the roughening method of the second embodiment of the present invention preferably 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 for roughening the surface of a metal molded body according to the first and second embodiments of the present invention is used to bond the metal molded body to a biological tissue including bone or teeth made of titanium or a titanium alloy. It is preferably for implants.
Implants are used to bond with living tissue, including bone or teeth.
Examples of implants include artificial hip joints (stems, cups), artificial knee joints and the like, fracture fixation (plates, screws), artificial tooth roots and the like.
Implants consist of titanium (pure titanium) or titanium alloys, cobalt-chromium alloys, and 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 the implant (metal molded body) roughened by the roughening method of the present invention is connected so as to be embedded inside the bone, "creation of a bone tissue compatible implant by nanopulse laser (Tohoku University Graduate School of Engineering Research)" As described in the left column of P158 of "Masayoshi Mizutani, 2011 General Research and Development Grant AF-2011212)", calcium phosphates contained in hypersaturation first precipitate in the body fluid, and at the same time osteoblasts. Activates by sensing space and produces bone constituents on both bone and implant surfaces. Eventually, the new bone will completely fill the space between the bone and the implant (the porous structure of the implant), resulting in a tight and tight bond.
The porous structure formed on the surface of the implant roughened by the roughening method of the present invention has a complicated structure and the opening of a part of the hole is large. It is expected that the living tissue including teeth can easily enter, and that the complicated porous structure acts to enhance the binding force between the living 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 1-6
A pure titanium plate or a 64 titanium plate (length 30 mm, width 30 mm, thickness 3 mm) is irradiated with continuous wave laser light in the first step under the conditions shown in Table 1 using the following laser device. , The pulse wave laser beam was irradiated in the second step. 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 was zero).
SEM photographs of the surface of the roughened pure titanium plate or 64 titanium plate 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 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. Continuous wave laser light was irradiated so that 10 grooves (grooves of the second group) were formed at intervals of 0.08 mm.
Bidirectional irradiation: After irradiating the continuous wave laser light linearly so that one groove is formed in one direction, the continuous wave laser light is linearly irradiated in the opposite direction at intervals of 0.08 mm. Repeatedly irradiating. The distance of 0.08 mm is the distance between the centers of adjacent grooves.
Circle (FIG. 1 (c): A pulsed laser beam was scanned at a spot diameter of 30 μm and a scan speed of 250 mm / sec in a circumferential shape with a diameter of 200 μm to form a circle having a diameter of a little over 200 μm. Was repeated 10 times to form a circle having a diameter of about 200 μm. The same operation was repeated to form a plurality of circles. The distance between the centers of adjacent circles was set to 0.6 mm.
Hole (single point irradiation): A hole was formed by irradiating a single point with pulse wave laser light 100 times with a spot diameter of 30 μm. The same operation was repeated to form multiple holes. The distance between the centers of adjacent holes was set to 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 (manufactured by ARGES)
Condensing system: fc = 80mm / fθ = 100mm

（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 30kHz)
Galvano mirror: LXD30 + SCANLAB's Hurry SCAN10
(Beam expander double / fθ = 100mm)

（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。 (Measurement method of pore ratio)
An X-ray CT observation of a laser beam irradiation sample was carried out using an X-ray CT scanner device (model number MicroXCT-400 manufacturer name Xradia).
An X-ray CT scan photograph of a surface parallel to the surface of the metal molded body and at a predetermined depth from the surface of the metal molded body is taken, and the metal portion and the hole portion are identified from the photograph (photo displayed on the screen). Then, the pore ratio was calculated from the ratio of the area occupied by the pores in the total area of the predetermined depth. The measurement depth was 100 μm and 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 the surface parallel to the metal molded body is gradually deepened from the surface, and the depth of the portion where the hole portion of the photographed photograph (the photograph displayed on the screen) becomes zero (the depth of the portion (the photograph displayed on the screen) becomes zero). The maximum depth was obtained from the distance from the surface of the metal molded body).

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 beam 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 FIGS. 3 to 8, as shown in FIG. 1, after a complicated porous structure is formed by irradiation with continuous wave laser light in the first step, a large opening is formed by irradiation with pulse wave laser light in the second step. It was confirmed that the portion 31 was formed.
When the metal molded body roughened by the method of the present invention is used for an implant, it is considered that the practical effect is large because the living tissue easily enters through the large opening.

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
A 64 titanium plate (length 30 mm, width 30 mm, thickness 3 mm) was irradiated with pulse wave laser light in the first step under the conditions shown in Table 2 using the following laser device, and in the second step. 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 was zero).
SEM photographs of the surface of the roughened 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 a pulse wave laser beam with a spot diameter of 45 μm in a straight line of 150 μm, irradiating it in the same direction at an interval of 0.028 mm (distance between the centers of adjacent grooves) in the same direction, and repeating this operation 5 times. The same operation was repeated 5 times as one time to form a square hole having a maximum depth of 180 μm. Further, the same operation was repeated to form a plurality of square holes having an interval of 150 μm between adjacent square holes.
Meandering: As shown in FIG. 2B, a pulse wave laser beam was irradiated with 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 clear 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 was confirmed that a second rough surface finer than the first rough surface was formed.
Further, from FIGS. 9 to 11, as shown in FIG. 1, a large opening 31 formed by irradiation with the pulse wave laser light of the first step is included, and further complicated by irradiation with the continuous wave laser light of the second step. It can be confirmed that a flexible porous structure was formed.
When the metal molded body roughened by the method of the present invention is used for an implant, it is considered that the practical effect is large because the living tissue easily enters through the large opening.

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 for roughening the surface of a metal molded body of the present invention is used as a method for manufacturing a metal molded body used for a composite molded body of the metal molded body and a resin, rubber, elastomer, other metals, etc., and a method for manufacturing an implant. can do.

Claims

It is a method of roughening the surface of a metal molded body.
It has a step of irradiating the surface of the metal molded body with a continuous wave laser beam at an irradiation rate of 2000 mm / sec or more and a step of irradiating the pulse wave laser beam.
After irradiating a predetermined region of the metal molded body with the continuous wave laser beam to roughen the surface,
A method for roughening the surface of a metal molded body, which irradiates a part of the surface roughened by irradiating the continuous wave laser light with pulse wave laser light.

When a part of the surface roughened by irradiating the continuous wave laser light is irradiated with the pulse wave laser light, the surface formed on the roughened surface by irradiating the continuous wave laser light. The method for roughening the surface of a metal molded body according to claim 1, wherein a pulse wave laser beam is applied to a hole or a groove opening of the portion.

It is a method of roughening the surface of a metal molded body.
It has a process of irradiating the surface of the metal molded body with continuous wave laser light and a process of irradiating pulse wave laser light.
After irradiating a predetermined area of the metal molded body with pulse wave laser light to form a plurality of holes,
A method for roughening the surface of a metal molded body, which irradiates a continuous wave laser beam linearly through a plurality of holes formed by irradiating the pulse wave laser beam at an irradiation rate of 2000 mm / sec or more.

One of claims 1 to 3, wherein the metal molded body is for an implant used for bonding to a biological tissue including bone or teeth, which is made of a metal selected from titanium or a titanium alloy, a cobalt-chromium alloy, and tantalum. The method for roughening the surface of a metal molded body according to item 1.