金型およびその製造方法
【課題】加飾部を有する金型の製造に要する時間や費用を低減できる金型の製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】成形材料にレーザ光１５を照射して成形材料を焼結させた焼結体３０を金型本体１３の表面に部分的に形成して、高さと表面粗さが金型本体１３の表面とは異なる加飾部を形成する。
【解決手段】成形材料にレーザ光１５を照射して成形材料を焼結させた焼結体３０を金型本体１３の表面に部分的に形成して、高さと表面粗さが金型本体１３の表面とは異なる加飾部を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、成形品に装飾効果を与える金型およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、金型表面を加飾する金型およびその製造方法としては、文字、記号類や化粧線を入れたり、レーザ、布目模様や木目模様などの特殊な表面状態を施すしぼ加工などがある。
【０００３】
一般に文字、化粧線や記号類などは、金型面に彫り込んで成形品面で突出させるのが普通である。また、しぼ加工を施す方法は、サンドブラストや化学エッチング法が一般的で、最近では写真製版技術を応用したフォトエッチング法、電鋳法や放電加工も行われている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
図１０は、前記特許文献１に記載された食器洗い乾燥機における加飾部の拡大図を示すものである。
内装用樹脂材の天面には、粗い第１凹凸部２２が形成され、その粗い第１凹凸部２２の表面に第１凹凸部２２よりも細かい第２凹凸部２３が形成されている。更に、その凹凸部２３の表面に第２凹凸部２３よりも細かい第３凹凸部２４が形成されている。
【０００５】
このような内装部材を製造するための金型の製造工程としては、金型のキャビティ内面で内装部材の天面に相当する面にエッチング処理を施すことで、上記第１凹凸部２２に対応した第１凹凸を形成する。この第１段階のエッチング処理による凹形状の目標は、穴の径がΦ０．４〜０．７ｍｍ程度、深さが０．０６５〜０．０７５ｍｍ、穴の密度が約２００±１００個／ｃｍ２としている。
【０００６】
続いて、上記第１凹凸を形成した面に対し、再度エッチング処理を施すことによって第２凹凸部２３に対応した第２凹凸を形成する。この第２段階での凹形状の目標は、穴の径がΦ０．１〜０．２ｍｍ程度、深さが０．０２〜０．０３ｍｍ、穴の密度が約１５００±５００個／ｃｍ２としている。
【０００７】
そのあと、上記第１，第２凹凸を形成した面に対しサンドブラスト加工を行い、第３凹凸部２４に対応した第３凹凸を形成する。この第３段階での凹形状の目標は、穴の深さが０．００８±０．００３ｍｍ程度としている。
【特許文献１】特開２００２−１６５７４３号公報（第６頁、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前記従来の金型の加飾部の製造方法では、しぼ等の微細な凹凸はエッチングやサンドブラストで行うため工程数が多く、特にエッチングでは廃液処理などの環境面の対応も必要になる。また、文字や記号の形成は機械彫刻で行うなど、目的によって加工方法が異なるため、加工装置も増えることになる。その結果、製造に要する時間や費用が大きくなるという課題を有していた。
【０００９】
また、予め金型表面に所望の精度を機械加工にて形成した後に、金型表面をエッチングやサンドブラスト等の加工後に精密な表面精度を保つのが困難な加工方法で削るため、特に金型表面に凸形状の加飾部を形成するときは、加飾部を形成した金型の表面を高精度な平面度にすることは困難である。
【００１０】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、加工工程や加工装置の台数を少なくし、また特別な環境対策も不要にすることで、製造に要する時間や費用を小さくし、表面精度の良い金型およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の請求項１記載の金型の製造方法は、成型品を加飾する加飾部を表面に有する金型を製造するに際し、金型本体の表面の成形材料の層にレーザ光を照射して前記成形材料を焼結させた焼結体を金型本体の表面に形成して高さと表面粗さが前記金型本体の表面とは異なる加飾部を形成することを特徴とする。
【００１２】
本発明の請求項２記載の金型の製造方法は、請求項１において、前記成形材料は金属粉末であり、その金属粉末の主成分は前記金型本体の材料の主成分を含有していることを特徴とする。
【００１３】
本発明の請求項３記載の金型の製造方法は、請求項１において、前記焼結体の金型界面部の焼結密度よりも表面側の焼結密度を小さくすることを特徴とする。
本発明の請求項４記載の金型の製造方法は、請求項１において、前記焼結体の平面上の端部の形状を、前記レーザ光のスポット径に対応した円弧の一部を形状とすることを特徴とする。
【００１４】
本発明の請求項５記載の金型の製造方法は、請求項１において、前記焼結体を形成後にレーザ加工でその表面に凹凸を形成することを特徴とする。
本発明の請求項６記載の金型は、成型品を加飾する加飾部を表面に有する金型であって、金型本体の表面に部分的に、高さと表面粗さが前記金型本体の表面とは異なる焼結体が形成され、加飾部としての前記焼結体の表面の焼結密度が、前記金型表面の材料密度以下であることを特徴とする。
【００１５】
本発明の請求項７記載の金型は、請求項６において、前記焼結体の焼結密度が８５．０〜９９．５％であることを特徴とする。
本発明の請求項８記載の金型は、請求項６において、前記加飾部表面の空隙の大きさが０．００１〜１．０ｍｍであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
この構成によると、加飾部の形成が金属粉末の塗布とレーザ焼結の２つの工程で済むだけでなく、しぼ加工や文字形成など異なる加飾を同じ加工装置で行え、また特別な環境対策も必要としないので、金型の製造に要する時間や費用を小さくできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の金型の製造方法を具体的な実施の形態に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１は金型本体を光造形で形成する基本工程の模式図を示し、図２は金型本体に加飾部を形成する工程を示している。
【００１８】
まず、金型本体の形成を説明する。
図１（ａ）に示すように昇降テーブル１の上に成形材料としての金属粉末２をスキージー３で所定の厚みに被覆する。昇降テーブル１は基準テーブル４の側面に沿って昇降するものであり、スキージー３は基準テーブル４の上面と同じレベルで水平方向に往復運動するようにしてある。従って、昇降テーブル１の上面と基準テーブル４の上面との間のΔｔの段差に相当する厚みで金属粉末２の層を昇降テーブル１の上に形成できる。金属粉末２は、一例としては、鉄系のクロムモリブデン鋼とニッケルの２種類の粒子からなっている。
【００１９】
この後、図１（ｂ）に示すように、集光レンズ５で集光したレーザ光８を走査して、金属粉末２の層の必要な部分にのみにレーザ光８を照射することによって焼結して焼結体６ａとする。
【００２０】
次に、昇降テーブル１を、レーザ光８を照射した部分の金属粉末２の層Δｔの寸法だけ下降させ、図１（ｃ）に示すように、焼結体６ａの上にスキージー３によって金属粉末２を供給する。
【００２１】
次いで図１（ｄ）に示すように、この金属粉末２の層の必要な部分にのみレーザ光８を照射して焼結し、焼結体６ａの上に焼結体６ｂを一体に積層させる。この作業を繰り返すことで、一例として、図１（ｅ）に示すような所定の厚さと形状の金型本体１３を構成できる。なお、焼結体に高精度な寸法形状が求められる場合には、外周部を機械加工で仕上げても良い。
【００２２】
このようにして形成された金型本体１３が、図２では昇降テーブル１に、ボルト７で締結されている。昇降テーブル１は基準テーブル４の開口４ａに向かって昇降できるように昇降機構１１ｂによって駆動される。基準テーブル４には、金型本体１３が配置されている開口４ａに隣接して開口４ｂが設けられており、昇降テーブル１２は昇降機構１１ａによって開口４ｂに向かって昇降駆動できる。
【００２３】
昇降テーブル１２の上には、成形材料である金属粉末２が充填されており、昇降機構１１ａによって昇降テーブル１２を所定の高さに持ち上げることによって、開口４ｂから基準テーブル４の上面に適量の金属粉末２が押し出される。基準テーブル４の上面に押し出された適量の金属粉末２は、基準テーブル４の開口４ｂから開口４ａに向かって移動するスキージー３によって掻きとって基準テーブル４の開口４ｂから開口４ａに移送させる。
【００２４】
基準テーブル４の開口４ａから金属粉末２の供給を受ける側の昇降テーブル１は、基準テーブル４の上面よりも焼結層の１層の厚み分として０．０５ｍｍだけ下がった位置で停止することで、基準テーブル４の開口４ｂの上面より上に出た金属粉末２が、スキージー３の右側への移動によって基準テーブル４の上面に一致するように昇降テーブル１の上に供給される。
【００２５】
ここで用いる金属粉末２は、金型本体１３の材料として用いられる鉄系のクロムモリブデン鋼とニッケルの２種類の粒子から成り、粒径は０．０２〜０．０４ｍｍで、平均粒径は約０．０３ｍｍである。金属粉末２の主成分は、金型本体１３の主成分を含有した方が、金型本体１３と焼結体が界面部で溶け合って接合強度が強くなり好ましい。
【００２６】
このようにして昇降テーブル１の上に供給された金属粉末２のうちで、さらに、金型本体１３の上に位置している金属粉末２の層のうちの、必要な部分にのみレーザ光１５を照射して焼結する。
【００２７】
パルスＹＡＧレーザ発振器１４から出射したパルス発振のレーザ光１５は、コリメータ１６によってビーム径などを調整され、さらにガルバノ走査装置１７および集光レンズ５によって所定の場所に誘導して照射され、金属粉末２を焼結させる。レーザ発振器は、炭酸ガスレーザ発振器でも良い。
【００２８】
金属粉末２が焼結体の最表面に被覆された状態を、図３に拡大した模式図として示す。金型本体１３の表面に厚さ０．０５ｍｍの焼結体１８が１層形成され、その上に金属粉末２の構成粒子であるクロムモリブデン鋼粒子１９とニッケル粒子２０が被覆されている。被覆の厚さが０．０５ｍｍで、粒子の平均粒径は０．０３ｍｍなので、粒子はおよそ２個ずつ並んでいる。これにレーザ光１５を照射して焼結し、焼結体１８を形成する。そして、この工程を必要な回数だけ繰り返すことによって、所定数の焼結体１８を積層一体化し、加飾部を形成する。金属粉末２の塗布厚さは更に大きくても良いが、実用的なレーザ出力の限界から０．０６ｍｍよりも厚くすると十分な強度の焼結体１８を形成することが困難になる。
【００２９】
図４は、図３のようにして焼結体１８の形成を繰り返して積層することで金型本体１３の表面に部分的に焼結体３０を形成している焼結時の模式図である。
各レーザ照射条件では、焼結体１８がその下の焼結体１８あるいは金型本体１３の表面と十分な強度で接合されていることが必要である。焼結状態はレーザ照射条件により変化させることができ、その因子には、レーザ光パルスの照射エネルギーとスポット径から決まるエネルギー密度、パルス幅、そして走査位置の送り量あるいは走査速度と発振周波数から決まるレーザ・スポットのオーバーラッピング率がある。ビームスポット径０．５ｍｍ、パルス幅３．０ｍｓ、走査速度１８ｍｍ／ｓ、発振周波数９０Ｈｚとし、加工点のエネルギー密度が９Ｊ／ｍｍ２で焼結密度９９％、２Ｊ／ｍｍ２で焼結密度９６％、０．９Ｊ／ｍｍ２で焼結密度９２％がそれぞれ得られた。エネルギー密度を更に小さくすれば焼結密度も小さくなり、加工点のエネルギー密度が０．５Ｊ／ｍｍ２で焼結密度８５．０％が得られたが、あまりエネルギー密度が小さいと焼結個所の結合強度が小さくなり、成形条件によっても異なるが金型として使用に耐えなくなる。また、エネルギー密度９Ｊ／ｍｍ２で走査速度を１５ｍｍ／ｓにすると焼結密度は９９．５％が得られた。
【００３０】
ここまでの説明では金型本体１３を光造形で形成するものだけを説明したが、金型本体１３を切削などで形成した場合も同様に実施できる。
図５（ａ）は通常の鋼材から製作した金型本体１３に加飾用の焼結体を形成した場合の界面状態を示す断面の模式図である。図５（ｂ）は金属光造形で製作した金型本体１３に加飾用の焼結体を形成した場合の界面状態を示す断面の模式図である。
【００３１】
図５（ａ）において、密度１００％の鋼材４０から製作された金型本体１３と焼結体との十分な接合力を確保するために、界面の焼結体４１の焼結密度は９９％とした。また、焼結体４１の上には更に焼結体４２，４３が形成されているが、加飾の仕様により表面を荒らしたければ焼結体４３の焼結密度を小さくすれば良い。
【００３２】
また図５（ｂ）において、金属光造形で製作された金型本体１３は、表面強度を上げるために表面の焼結体４４の焼結密度が９９％、内部側では反り変形を軽減するために焼結体４５，４６の焼結密度はそれぞれ９６％と９２％で順に小さく製作されている。この一体化された焼結体３０の製作過程は図５（ａ）と同じである。
【００３３】
したがって、図５（ａ）と図５（ｂ）では、加飾部表面の焼結密度は加飾部以外の金型本体１３の表面の材料密度以下となる。
図６は金型本体１３の表面上に形成された文字の模式図で、図６（ａ）と図６（ｂ）はそれぞれ上面図と側面図である。ここではスポット径０．５ｍｍ、エネルギー密度９Ｊ／ｍｍ２のレーザ光を一筆書きで走査して「Ｎ」という焼結体文字３１を形成した。焼結体文字３１の表面に空隙が形成されにくいように、レーザ強度を高くし焼結密度が高くなる条件を選択した。また、焼結体文字３１の金型中央側では、スポット径に対応した半円部３１ａが残る。焼結部の幅が大きい場合は、文字の角にスポット径に対応した円弧の一部が残る。円弧の一部を残したくなければ、除去するための代となる部分を形成し、後から機械加工で形状を仕上げれば良い。金型上で凸の文字、すなわち成形品側が凹の文字になるような加工をする場合、焼結体１８を積み上げる工法であれば少ない加工量で済むが、従来のように削り込む工法であれば加工量はかなり多くなり費用や時間を要する。
【００３４】
（実施の形態２）
図７は本発明の実施の形態２を示す。
図７（ａ）と図７（ｂ）は加飾部としてのしぼ加工部が形成された金型本体１３の上面図と側面図で、金型本体１３の表面に塗布した金属粉末２の所定の位置に、スポット径０．５ｍｍ、エネルギー密度９Ｊ／ｍｍ２のレーザ光を照射した。その結果、径が同じ円形焼結体３２を任意の位置や分布で形成できる。加工用のレーザ光は波長や光学系の構成を選定することで、工業的にはスポット径を最小径０．０３ｍｍ程度まで絞ることができ、最大径は１ｍｍ程度までの焼結体３２の形成が可能である。円形以外や更に大きな形状が必要なら面状にレーザ走査をし、高さを高くしたければ金属粉末２の塗布とレーザ焼結を繰り返せば良い。
【００３５】
（実施の形態３）
図８は本発明の実施の形態３を示す。
図８（ａ）と図８（ｂ）は加飾部としてのしぼ加工部が形成された金型本体１３の上面図と側面図で、この実施の形態では、各照射位置に応じてレーザ発振器の出力を電気的に不規則に変更させ、これによってレーザ光１５のエネルギー密度は照射位置に応じて変化する。
【００３６】
これによって、結果的に金型本体１３上に形成された面状の焼結体３３の焼結密度を変えることができる。つまり、形、大きさや分布の異なる空隙３４を形成することで、焼結体３３の表面の凹凸形状を変化させることができる。焼結密度が低いほど、空隙は大きく、数も多くなる。
【００３７】
また、図８に模式的に示したように空隙の形は矩形や細長いものなど一つ一つが異なり、大きさはエネルギー密度９Ｊ／ｍｍ２では０．００１ｍｍから０．０８ｍｍ程度、エネルギー密度０．９Ｊ／ｍｍ２では０．３〜０．６ｍｍ程度である。すなわち、焼結密度の違いによって０．００１〜１．０ｍｍの大きさの空隙が形成される。
【００３８】
この金型を使用して樹脂成形することによって、成型品に０．００１ｍｍ以下の凹凸の転写も可能であり、金型の表面に形成されている焼結体３３の表面のさまざまな凹凸形状が、成型品に転写される。
【００３９】
なお、すでに図４で述べたように、表面の凹凸を大きくするために、しぼ加工面の焼結密度を小さくすると結合強度も小さくなるため、しぼ加工面の使用寿命は短くなるが、面状の焼結体３３を形成後に焼鈍すると焼結層内の結合力が高くなる。例えば、Ｆｅ原子の拡散が盛んになる６００〜８００℃で１時間以上焼鈍すれば、結合力も上がる。また、窒化など表面硬化処理を行えば、表面硬度が高くなって寿命は一層長くなる。
【００４０】
なお、上記の各実施の形態において、図１の工程で使用するエネルギー源としてのレーザー光と図２以降で図８までの工程で使用するエネルギー源としてのレーザー光は、単一のレーザ発振器の出力を調整して使用でき、焼結と加飾を同一の装置で金型の表面に施すことができる。
【００４１】
（実施の形態４）
図９は本発明の実施の形態４を示す。
ここでは、面状の前記焼結体３３にパルス・レーザ光をパルス幅０．１ｍｓ、エネルギー密度１０Ｊ／ｍｍ２で再照射している。
【００４２】
これによると、焼結時よりもパワー密度が高いため除去加工が起こり、レーザ光１５のスポット径の大きさに対応して表面に半球状の凹部３５を形成できる。図７でも述べたように、加工用のレーザ光は最小径０．０３ｍｍ程度まで絞ることが出来、最大径は１ｍｍ程度までの穴形状の形成が可能である。空隙やレーザ・スポット径に依存して形成される凹部３５の最大径は１ｍｍであるが、より大きな径や深い凹部を形成したければ、レーザ光を走査したり、深さ方向の照射時間を長くすれば良い。
【００４３】
図９の再加熱用のエネルギー源としてのレーザ光は、それまでの加工に登場したレーザ発振器の出力を調整して使用でき、焼結と加飾を同一の装置で金型の表面に施すことができる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明の金型およびその製造方法は、表面に加飾するための加飾部を有する金型の製造に要する時間や費用を小さくすることができ、金型以外の金属部品一般の表面装飾等の用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施の形態１に使用する金型本体を金属光造形で製作する場合の工程図
【図２】同実施の形態において金型本体の表面に加飾用の焼結体を形成する焼結体形成装置の構成図
【図３】同実施の形態において金属粉末が焼結体の最表面に被覆された状態を拡大した模式図
【図４】同実施の形態において金型本体の表面に部分的に加飾用の焼結体を形成して焼結中の模式図
【図５】（ａ）鋼材から製作した金型本体に加飾用の焼結体を形成した場合の界面状態を示す断面の模式図と、（ｂ）金属光造形で製作した金型本体に加飾用の焼結体を形成した場合の界面状態を示す断面の模式図
【図６】（ａ）金型本体の表面上に形成された文字の模式図と、（ｂ）その側面図
【図７】本発明の実施の形態２において、（ａ）しぼ加工部が形成された金型本体の上面図と、（ｂ）その側面図
【図８】本発明の実施の形態３において、（ａ）しぼ加工部が形成された金型本体の上面図と、（ｂ）その側面図
【図９】本発明の実施の形態４において形成した焼結体の表面にレーザを再照射して凹凸を形成する模式図
【図１０】従来の加飾部の拡大図
【符号の説明】
【００４６】
１ 昇降テーブル
２ 金属粉末（成形材料）
３ スキージー
４ 基準テーブル
４ａ，４ｂ 基準テーブル４の開口
５ 集光レンズ
８ レーザ光
６ａ，６ｂ 焼結体
７ ボルト
１１ａ，１１ｂ 昇降機構
１２ 昇降テーブル
１３ 金型本体
１４ パルスＹＡＧレーザ発振器
１５ レーザ光
１６ コリメータ
１７ ガルバノ走査装置
１８ 焼結体
１９ クロムモリブデン鋼粒子
２０ ニッケル粒子
３０ 焼結体
３１ 焼結体文字
３１ａ 半円部
３２ 円形焼結体
３３ 面状の焼結体
３４ 空隙
３５ 半球状の凹部
４０ 鋼材
４１，４２，４３ 焼結体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、成形品に装飾効果を与える金型およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、金型表面を加飾する金型およびその製造方法としては、文字、記号類や化粧線を入れたり、レーザ、布目模様や木目模様などの特殊な表面状態を施すしぼ加工などがある。
【０００３】
一般に文字、化粧線や記号類などは、金型面に彫り込んで成形品面で突出させるのが普通である。また、しぼ加工を施す方法は、サンドブラストや化学エッチング法が一般的で、最近では写真製版技術を応用したフォトエッチング法、電鋳法や放電加工も行われている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
図１０は、前記特許文献１に記載された食器洗い乾燥機における加飾部の拡大図を示すものである。
内装用樹脂材の天面には、粗い第１凹凸部２２が形成され、その粗い第１凹凸部２２の表面に第１凹凸部２２よりも細かい第２凹凸部２３が形成されている。更に、その凹凸部２３の表面に第２凹凸部２３よりも細かい第３凹凸部２４が形成されている。
【０００５】
このような内装部材を製造するための金型の製造工程としては、金型のキャビティ内面で内装部材の天面に相当する面にエッチング処理を施すことで、上記第１凹凸部２２に対応した第１凹凸を形成する。この第１段階のエッチング処理による凹形状の目標は、穴の径がΦ０．４〜０．７ｍｍ程度、深さが０．０６５〜０．０７５ｍｍ、穴の密度が約２００±１００個／ｃｍ２としている。
【０００６】
続いて、上記第１凹凸を形成した面に対し、再度エッチング処理を施すことによって第２凹凸部２３に対応した第２凹凸を形成する。この第２段階での凹形状の目標は、穴の径がΦ０．１〜０．２ｍｍ程度、深さが０．０２〜０．０３ｍｍ、穴の密度が約１５００±５００個／ｃｍ２としている。
【０００７】
そのあと、上記第１，第２凹凸を形成した面に対しサンドブラスト加工を行い、第３凹凸部２４に対応した第３凹凸を形成する。この第３段階での凹形状の目標は、穴の深さが０．００８±０．００３ｍｍ程度としている。
【特許文献１】特開２００２−１６５７４３号公報（第６頁、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前記従来の金型の加飾部の製造方法では、しぼ等の微細な凹凸はエッチングやサンドブラストで行うため工程数が多く、特にエッチングでは廃液処理などの環境面の対応も必要になる。また、文字や記号の形成は機械彫刻で行うなど、目的によって加工方法が異なるため、加工装置も増えることになる。その結果、製造に要する時間や費用が大きくなるという課題を有していた。
【０００９】
また、予め金型表面に所望の精度を機械加工にて形成した後に、金型表面をエッチングやサンドブラスト等の加工後に精密な表面精度を保つのが困難な加工方法で削るため、特に金型表面に凸形状の加飾部を形成するときは、加飾部を形成した金型の表面を高精度な平面度にすることは困難である。
【００１０】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、加工工程や加工装置の台数を少なくし、また特別な環境対策も不要にすることで、製造に要する時間や費用を小さくし、表面精度の良い金型およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の請求項１記載の金型の製造方法は、成型品を加飾する加飾部を表面に有する金型を製造するに際し、金型本体の表面の成形材料の層にレーザ光を照射して前記成形材料を焼結させた焼結体を金型本体の表面に形成して高さと表面粗さが前記金型本体の表面とは異なる加飾部を形成することを特徴とする。
【００１２】
本発明の請求項２記載の金型の製造方法は、請求項１において、前記成形材料は金属粉末であり、その金属粉末の主成分は前記金型本体の材料の主成分を含有していることを特徴とする。
【００１３】
本発明の請求項３記載の金型の製造方法は、請求項１において、前記焼結体の金型界面部の焼結密度よりも表面側の焼結密度を小さくすることを特徴とする。
本発明の請求項４記載の金型の製造方法は、請求項１において、前記焼結体の平面上の端部の形状を、前記レーザ光のスポット径に対応した円弧の一部を形状とすることを特徴とする。
【００１４】
本発明の請求項５記載の金型の製造方法は、請求項１において、前記焼結体を形成後にレーザ加工でその表面に凹凸を形成することを特徴とする。
本発明の請求項６記載の金型は、成型品を加飾する加飾部を表面に有する金型であって、金型本体の表面に部分的に、高さと表面粗さが前記金型本体の表面とは異なる焼結体が形成され、加飾部としての前記焼結体の表面の焼結密度が、前記金型表面の材料密度以下であることを特徴とする。
【００１５】
本発明の請求項７記載の金型は、請求項６において、前記焼結体の焼結密度が８５．０〜９９．５％であることを特徴とする。
本発明の請求項８記載の金型は、請求項６において、前記加飾部表面の空隙の大きさが０．００１〜１．０ｍｍであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
この構成によると、加飾部の形成が金属粉末の塗布とレーザ焼結の２つの工程で済むだけでなく、しぼ加工や文字形成など異なる加飾を同じ加工装置で行え、また特別な環境対策も必要としないので、金型の製造に要する時間や費用を小さくできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の金型の製造方法を具体的な実施の形態に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１は金型本体を光造形で形成する基本工程の模式図を示し、図２は金型本体に加飾部を形成する工程を示している。
【００１８】
まず、金型本体の形成を説明する。
図１（ａ）に示すように昇降テーブル１の上に成形材料としての金属粉末２をスキージー３で所定の厚みに被覆する。昇降テーブル１は基準テーブル４の側面に沿って昇降するものであり、スキージー３は基準テーブル４の上面と同じレベルで水平方向に往復運動するようにしてある。従って、昇降テーブル１の上面と基準テーブル４の上面との間のΔｔの段差に相当する厚みで金属粉末２の層を昇降テーブル１の上に形成できる。金属粉末２は、一例としては、鉄系のクロムモリブデン鋼とニッケルの２種類の粒子からなっている。
【００１９】
この後、図１（ｂ）に示すように、集光レンズ５で集光したレーザ光８を走査して、金属粉末２の層の必要な部分にのみにレーザ光８を照射することによって焼結して焼結体６ａとする。
【００２０】
次に、昇降テーブル１を、レーザ光８を照射した部分の金属粉末２の層Δｔの寸法だけ下降させ、図１（ｃ）に示すように、焼結体６ａの上にスキージー３によって金属粉末２を供給する。
【００２１】
次いで図１（ｄ）に示すように、この金属粉末２の層の必要な部分にのみレーザ光８を照射して焼結し、焼結体６ａの上に焼結体６ｂを一体に積層させる。この作業を繰り返すことで、一例として、図１（ｅ）に示すような所定の厚さと形状の金型本体１３を構成できる。なお、焼結体に高精度な寸法形状が求められる場合には、外周部を機械加工で仕上げても良い。
【００２２】
このようにして形成された金型本体１３が、図２では昇降テーブル１に、ボルト７で締結されている。昇降テーブル１は基準テーブル４の開口４ａに向かって昇降できるように昇降機構１１ｂによって駆動される。基準テーブル４には、金型本体１３が配置されている開口４ａに隣接して開口４ｂが設けられており、昇降テーブル１２は昇降機構１１ａによって開口４ｂに向かって昇降駆動できる。
【００２３】
昇降テーブル１２の上には、成形材料である金属粉末２が充填されており、昇降機構１１ａによって昇降テーブル１２を所定の高さに持ち上げることによって、開口４ｂから基準テーブル４の上面に適量の金属粉末２が押し出される。基準テーブル４の上面に押し出された適量の金属粉末２は、基準テーブル４の開口４ｂから開口４ａに向かって移動するスキージー３によって掻きとって基準テーブル４の開口４ｂから開口４ａに移送させる。
【００２４】
基準テーブル４の開口４ａから金属粉末２の供給を受ける側の昇降テーブル１は、基準テーブル４の上面よりも焼結層の１層の厚み分として０．０５ｍｍだけ下がった位置で停止することで、基準テーブル４の開口４ｂの上面より上に出た金属粉末２が、スキージー３の右側への移動によって基準テーブル４の上面に一致するように昇降テーブル１の上に供給される。
【００２５】
ここで用いる金属粉末２は、金型本体１３の材料として用いられる鉄系のクロムモリブデン鋼とニッケルの２種類の粒子から成り、粒径は０．０２〜０．０４ｍｍで、平均粒径は約０．０３ｍｍである。金属粉末２の主成分は、金型本体１３の主成分を含有した方が、金型本体１３と焼結体が界面部で溶け合って接合強度が強くなり好ましい。
【００２６】
このようにして昇降テーブル１の上に供給された金属粉末２のうちで、さらに、金型本体１３の上に位置している金属粉末２の層のうちの、必要な部分にのみレーザ光１５を照射して焼結する。
【００２７】
パルスＹＡＧレーザ発振器１４から出射したパルス発振のレーザ光１５は、コリメータ１６によってビーム径などを調整され、さらにガルバノ走査装置１７および集光レンズ５によって所定の場所に誘導して照射され、金属粉末２を焼結させる。レーザ発振器は、炭酸ガスレーザ発振器でも良い。
【００２８】
金属粉末２が焼結体の最表面に被覆された状態を、図３に拡大した模式図として示す。金型本体１３の表面に厚さ０．０５ｍｍの焼結体１８が１層形成され、その上に金属粉末２の構成粒子であるクロムモリブデン鋼粒子１９とニッケル粒子２０が被覆されている。被覆の厚さが０．０５ｍｍで、粒子の平均粒径は０．０３ｍｍなので、粒子はおよそ２個ずつ並んでいる。これにレーザ光１５を照射して焼結し、焼結体１８を形成する。そして、この工程を必要な回数だけ繰り返すことによって、所定数の焼結体１８を積層一体化し、加飾部を形成する。金属粉末２の塗布厚さは更に大きくても良いが、実用的なレーザ出力の限界から０．０６ｍｍよりも厚くすると十分な強度の焼結体１８を形成することが困難になる。
【００２９】
図４は、図３のようにして焼結体１８の形成を繰り返して積層することで金型本体１３の表面に部分的に焼結体３０を形成している焼結時の模式図である。
各レーザ照射条件では、焼結体１８がその下の焼結体１８あるいは金型本体１３の表面と十分な強度で接合されていることが必要である。焼結状態はレーザ照射条件により変化させることができ、その因子には、レーザ光パルスの照射エネルギーとスポット径から決まるエネルギー密度、パルス幅、そして走査位置の送り量あるいは走査速度と発振周波数から決まるレーザ・スポットのオーバーラッピング率がある。ビームスポット径０．５ｍｍ、パルス幅３．０ｍｓ、走査速度１８ｍｍ／ｓ、発振周波数９０Ｈｚとし、加工点のエネルギー密度が９Ｊ／ｍｍ２で焼結密度９９％、２Ｊ／ｍｍ２で焼結密度９６％、０．９Ｊ／ｍｍ２で焼結密度９２％がそれぞれ得られた。エネルギー密度を更に小さくすれば焼結密度も小さくなり、加工点のエネルギー密度が０．５Ｊ／ｍｍ２で焼結密度８５．０％が得られたが、あまりエネルギー密度が小さいと焼結個所の結合強度が小さくなり、成形条件によっても異なるが金型として使用に耐えなくなる。また、エネルギー密度９Ｊ／ｍｍ２で走査速度を１５ｍｍ／ｓにすると焼結密度は９９．５％が得られた。
【００３０】
ここまでの説明では金型本体１３を光造形で形成するものだけを説明したが、金型本体１３を切削などで形成した場合も同様に実施できる。
図５（ａ）は通常の鋼材から製作した金型本体１３に加飾用の焼結体を形成した場合の界面状態を示す断面の模式図である。図５（ｂ）は金属光造形で製作した金型本体１３に加飾用の焼結体を形成した場合の界面状態を示す断面の模式図である。
【００３１】
図５（ａ）において、密度１００％の鋼材４０から製作された金型本体１３と焼結体との十分な接合力を確保するために、界面の焼結体４１の焼結密度は９９％とした。また、焼結体４１の上には更に焼結体４２，４３が形成されているが、加飾の仕様により表面を荒らしたければ焼結体４３の焼結密度を小さくすれば良い。
【００３２】
また図５（ｂ）において、金属光造形で製作された金型本体１３は、表面強度を上げるために表面の焼結体４４の焼結密度が９９％、内部側では反り変形を軽減するために焼結体４５，４６の焼結密度はそれぞれ９６％と９２％で順に小さく製作されている。この一体化された焼結体３０の製作過程は図５（ａ）と同じである。
【００３３】
したがって、図５（ａ）と図５（ｂ）では、加飾部表面の焼結密度は加飾部以外の金型本体１３の表面の材料密度以下となる。
図６は金型本体１３の表面上に形成された文字の模式図で、図６（ａ）と図６（ｂ）はそれぞれ上面図と側面図である。ここではスポット径０．５ｍｍ、エネルギー密度９Ｊ／ｍｍ２のレーザ光を一筆書きで走査して「Ｎ」という焼結体文字３１を形成した。焼結体文字３１の表面に空隙が形成されにくいように、レーザ強度を高くし焼結密度が高くなる条件を選択した。また、焼結体文字３１の金型中央側では、スポット径に対応した半円部３１ａが残る。焼結部の幅が大きい場合は、文字の角にスポット径に対応した円弧の一部が残る。円弧の一部を残したくなければ、除去するための代となる部分を形成し、後から機械加工で形状を仕上げれば良い。金型上で凸の文字、すなわち成形品側が凹の文字になるような加工をする場合、焼結体１８を積み上げる工法であれば少ない加工量で済むが、従来のように削り込む工法であれば加工量はかなり多くなり費用や時間を要する。
【００３４】
（実施の形態２）
図７は本発明の実施の形態２を示す。
図７（ａ）と図７（ｂ）は加飾部としてのしぼ加工部が形成された金型本体１３の上面図と側面図で、金型本体１３の表面に塗布した金属粉末２の所定の位置に、スポット径０．５ｍｍ、エネルギー密度９Ｊ／ｍｍ２のレーザ光を照射した。その結果、径が同じ円形焼結体３２を任意の位置や分布で形成できる。加工用のレーザ光は波長や光学系の構成を選定することで、工業的にはスポット径を最小径０．０３ｍｍ程度まで絞ることができ、最大径は１ｍｍ程度までの焼結体３２の形成が可能である。円形以外や更に大きな形状が必要なら面状にレーザ走査をし、高さを高くしたければ金属粉末２の塗布とレーザ焼結を繰り返せば良い。
【００３５】
（実施の形態３）
図８は本発明の実施の形態３を示す。
図８（ａ）と図８（ｂ）は加飾部としてのしぼ加工部が形成された金型本体１３の上面図と側面図で、この実施の形態では、各照射位置に応じてレーザ発振器の出力を電気的に不規則に変更させ、これによってレーザ光１５のエネルギー密度は照射位置に応じて変化する。
【００３６】
これによって、結果的に金型本体１３上に形成された面状の焼結体３３の焼結密度を変えることができる。つまり、形、大きさや分布の異なる空隙３４を形成することで、焼結体３３の表面の凹凸形状を変化させることができる。焼結密度が低いほど、空隙は大きく、数も多くなる。
【００３７】
また、図８に模式的に示したように空隙の形は矩形や細長いものなど一つ一つが異なり、大きさはエネルギー密度９Ｊ／ｍｍ２では０．００１ｍｍから０．０８ｍｍ程度、エネルギー密度０．９Ｊ／ｍｍ２では０．３〜０．６ｍｍ程度である。すなわち、焼結密度の違いによって０．００１〜１．０ｍｍの大きさの空隙が形成される。
【００３８】
この金型を使用して樹脂成形することによって、成型品に０．００１ｍｍ以下の凹凸の転写も可能であり、金型の表面に形成されている焼結体３３の表面のさまざまな凹凸形状が、成型品に転写される。
【００３９】
なお、すでに図４で述べたように、表面の凹凸を大きくするために、しぼ加工面の焼結密度を小さくすると結合強度も小さくなるため、しぼ加工面の使用寿命は短くなるが、面状の焼結体３３を形成後に焼鈍すると焼結層内の結合力が高くなる。例えば、Ｆｅ原子の拡散が盛んになる６００〜８００℃で１時間以上焼鈍すれば、結合力も上がる。また、窒化など表面硬化処理を行えば、表面硬度が高くなって寿命は一層長くなる。
【００４０】
なお、上記の各実施の形態において、図１の工程で使用するエネルギー源としてのレーザー光と図２以降で図８までの工程で使用するエネルギー源としてのレーザー光は、単一のレーザ発振器の出力を調整して使用でき、焼結と加飾を同一の装置で金型の表面に施すことができる。
【００４１】
（実施の形態４）
図９は本発明の実施の形態４を示す。
ここでは、面状の前記焼結体３３にパルス・レーザ光をパルス幅０．１ｍｓ、エネルギー密度１０Ｊ／ｍｍ２で再照射している。
【００４２】
これによると、焼結時よりもパワー密度が高いため除去加工が起こり、レーザ光１５のスポット径の大きさに対応して表面に半球状の凹部３５を形成できる。図７でも述べたように、加工用のレーザ光は最小径０．０３ｍｍ程度まで絞ることが出来、最大径は１ｍｍ程度までの穴形状の形成が可能である。空隙やレーザ・スポット径に依存して形成される凹部３５の最大径は１ｍｍであるが、より大きな径や深い凹部を形成したければ、レーザ光を走査したり、深さ方向の照射時間を長くすれば良い。
【００４３】
図９の再加熱用のエネルギー源としてのレーザ光は、それまでの加工に登場したレーザ発振器の出力を調整して使用でき、焼結と加飾を同一の装置で金型の表面に施すことができる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明の金型およびその製造方法は、表面に加飾するための加飾部を有する金型の製造に要する時間や費用を小さくすることができ、金型以外の金属部品一般の表面装飾等の用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施の形態１に使用する金型本体を金属光造形で製作する場合の工程図
【図２】同実施の形態において金型本体の表面に加飾用の焼結体を形成する焼結体形成装置の構成図
【図３】同実施の形態において金属粉末が焼結体の最表面に被覆された状態を拡大した模式図
【図４】同実施の形態において金型本体の表面に部分的に加飾用の焼結体を形成して焼結中の模式図
【図５】（ａ）鋼材から製作した金型本体に加飾用の焼結体を形成した場合の界面状態を示す断面の模式図と、（ｂ）金属光造形で製作した金型本体に加飾用の焼結体を形成した場合の界面状態を示す断面の模式図
【図６】（ａ）金型本体の表面上に形成された文字の模式図と、（ｂ）その側面図
【図７】本発明の実施の形態２において、（ａ）しぼ加工部が形成された金型本体の上面図と、（ｂ）その側面図
【図８】本発明の実施の形態３において、（ａ）しぼ加工部が形成された金型本体の上面図と、（ｂ）その側面図
【図９】本発明の実施の形態４において形成した焼結体の表面にレーザを再照射して凹凸を形成する模式図
【図１０】従来の加飾部の拡大図
【符号の説明】
【００４６】
１ 昇降テーブル
２ 金属粉末（成形材料）
３ スキージー
４ 基準テーブル
４ａ，４ｂ 基準テーブル４の開口
５ 集光レンズ
８ レーザ光
６ａ，６ｂ 焼結体
７ ボルト
１１ａ，１１ｂ 昇降機構
１２ 昇降テーブル
１３ 金型本体
１４ パルスＹＡＧレーザ発振器
１５ レーザ光
１６ コリメータ
１７ ガルバノ走査装置
１８ 焼結体
１９ クロムモリブデン鋼粒子
２０ ニッケル粒子
３０ 焼結体
３１ 焼結体文字
３１ａ 半円部
３２ 円形焼結体
３３ 面状の焼結体
３４ 空隙
３５ 半球状の凹部
４０ 鋼材
４１，４２，４３ 焼結体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
成型品を加飾する加飾部を表面に有する金型を製造するに際し、
金型本体の表面の成形材料の層にレーザ光を照射して前記成形材料を焼結させた焼結体を金型本体の表面に形成して高さと表面粗さが前記金型本体の表面とは異なる加飾部を形成する
金型の製造方法。
【請求項２】
前記成形材料は金属粉末であり、その金属粉末の主成分は前記金型本体の材料の主成分を含有していることを特徴とする
請求項１記載の金型の製造方法。
【請求項３】
前記焼結体の金型界面部の焼結密度よりも表面側の焼結密度を小さくすることを特徴とする
請求項１記載の金型の製造方法。
【請求項４】
前記焼結体の平面上の端部の形状を、前記レーザ光のスポット径に対応した円弧の一部を形状とすることを特徴とする
請求項１記載の金型の製造方法。
【請求項５】
前記焼結体を形成後にレーザ加工でその表面に凹凸を形成することを特徴とする
請求項１記載の金型の製造方法。
【請求項６】
成型品を加飾する加飾部を表面に有する金型であって、
金型本体の表面に部分的に、高さと表面粗さが前記金型本体の表面とは異なる焼結体が形成され、加飾部としての前記焼結体の表面の焼結密度が、前記金型表面の材料密度以下であることを特徴とする
金型。
【請求項７】
前記焼結体の焼結密度が８５．０〜９９．５％であることを特徴とする
請求項６記載の金型。
【請求項８】
前記加飾部表面の空隙の大きさが０．００１〜１．０ｍｍであることを特徴とする
請求項６記載の金型。
【請求項１】
成型品を加飾する加飾部を表面に有する金型を製造するに際し、
金型本体の表面の成形材料の層にレーザ光を照射して前記成形材料を焼結させた焼結体を金型本体の表面に形成して高さと表面粗さが前記金型本体の表面とは異なる加飾部を形成する
金型の製造方法。
【請求項２】
前記成形材料は金属粉末であり、その金属粉末の主成分は前記金型本体の材料の主成分を含有していることを特徴とする
請求項１記載の金型の製造方法。
【請求項３】
前記焼結体の金型界面部の焼結密度よりも表面側の焼結密度を小さくすることを特徴とする
請求項１記載の金型の製造方法。
【請求項４】
前記焼結体の平面上の端部の形状を、前記レーザ光のスポット径に対応した円弧の一部を形状とすることを特徴とする
請求項１記載の金型の製造方法。
【請求項５】
前記焼結体を形成後にレーザ加工でその表面に凹凸を形成することを特徴とする
請求項１記載の金型の製造方法。
【請求項６】
成型品を加飾する加飾部を表面に有する金型であって、
金型本体の表面に部分的に、高さと表面粗さが前記金型本体の表面とは異なる焼結体が形成され、加飾部としての前記焼結体の表面の焼結密度が、前記金型表面の材料密度以下であることを特徴とする
金型。
【請求項７】
前記焼結体の焼結密度が８５．０〜９９．５％であることを特徴とする
請求項６記載の金型。
【請求項８】
前記加飾部表面の空隙の大きさが０．００１〜１．０ｍｍであることを特徴とする
請求項６記載の金型。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００８−１８９９５６（Ｐ２００８−１８９９５６Ａ）
【公開日】平成２０年８月２１日（２００８．８．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２３６１４（Ｐ２００７−２３６１４）
【出願日】平成１９年２月２日（２００７．２．２）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年８月２１日（２００８．８．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年２月２日（２００７．２．２）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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