(57)【要約】  造形品を形成する工具が第１の材料から二次加工された支持本体を有する。支持本体の第１の材料は、工具の形成面の第１の部分を構成し、支持本体上には特徴部が支持されている。特徴部は、支持本体の第１の材料上に支持された第２の材料層と、第２の材料層上に支持された第３の材料層と、第３の材料層上に支持された第４の材料層とを含む。第４の材料、例えば工具鋼合金の層は、工具の形成面の第２の部分を構成する。使用の際、形成面の第１の部分と形成面の第２の部分は、造形品の所望の形状を形成するよう協働する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
造形品を形成する工具であって、前記工具は、
第１の材料から二次加工された支持本体を有し、前記支持本体の第１の材料は、前記工具の形成面の第１の部分を構成し、
前記支持本体上に支持された特徴部を有し、前記特徴部は、
前記支持本体の前記第１の材料上に支持された第２の材料層と、
前記第２の材料層上に支持された第３の材料層と、
前記第３の材料層上に支持された第４の材料層とを含み、前記第４の材料層は、前記工具の前記形成面の第２の部分を構成し、
前記形成面の前記第１の部分と前記形成面の前記第２の部分は、前記造形品の所望の形状を形成するよう協働する、工具。
【請求項２】
前記第２の材料層、前記第３の材料層及び前記第４の材料層は、レーザクラッド法によって被着されている、請求項１記載の工具。
【請求項３】
前記第１の材料と前記第４の材料は、適合性がないので融着するときには必ず過度の欠陥を生じる、請求項１又は２記載の工具。
【請求項４】
前記第２の材料層は、結合層を形成し、前記第３の材料層は、移行層を形成し、前記第４の材料層は、機能層を形成し、前記第４の材料は、前記第１の材料の硬度よりも高い硬度を有する、請求項１〜３のうちいずれか一に記載の工具。
【請求項５】
前記第１の材料は、鋳鉄であり、前記第２の材料は、コバルト基合金であり、前記第３の材料は、高い靱性を備えた鉄基合金であり、前記第４の材料は、所定の機械的性質を有する工具鋼合金である、請求項１〜４のうちいずれか一に記載の工具。
【請求項６】
前記工具は、かかるダイ及び金型のうちの一方の一部である、請求項１〜５のうちいずれか一に記載の工具。
【請求項７】
使用中、前記形成面の前記第１の部分と前記形成面の前記第２の部分は、前記造形品内に鮮明なＡ級（Class A ）特徴部の少なくとも一部分を構成するよう協働する、請求項１〜６のうちいずれか一に記載の工具。
【請求項８】
前記形成面の前記第１の部分及び前記形成面の前記第２の部分は、連続して並んだ形成面部分である、請求項１〜７のうちいずれか一に記載の工具。
【請求項９】
前記形成面の前記第１の部分は、前記支持本体の機械加工面である、請求項１〜８のうちいずれか一に記載の工具。
【請求項１０】
前記第１の材料、前記第２の材料、前記第３の材料及び前記第４の材料の各々は、異なる金属又は金属合金である、請求項１〜９のうちいずれか一に記載の工具。
【請求項１１】
造形品を形成する工具であって、前記工具は、
前記工具の形成面の第１の部分を構成する機械加工面を備えた支持本体と、
前記機械加工面に隣接して前記支持本体上に支持されると共に前記形成面の第２の部分を構成する特徴部とを有し、前記特徴部は、前記支持本体の前記機械加工面の材料と冶金学的に不適合性を示す材料で作られた頂部層、前記支持本体の前記機械加工面の前記材料と冶金学的に適合性のある材料で作られた底部層及び前記頂部層の前記材料及び前記底部層の前記材料と冶金学的に適合性のある材料で作られた中間層を含み、使用の際、前記形成面の前記第１の部分と前記形成面の前記第２の部分は、前記造形品の所望の形状を形成するよう協働する、工具。
【請求項１２】
前記特徴部の前記底部層、前記中間層及び前記頂部層は、レーザクラッド法によって順次被着されている、請求項１１記載の工具。
【請求項１３】
前記底部層は、結合層を形成し、前記中間層は、移行層を形成し、前記頂部層は、機能層を形成している、請求項１１又は１２記載の工具。
【請求項１４】
前記頂部層の前記材料は、前記支持本体の前記機械加工面の前記材料の硬度よりも高い硬度を有する、請求項１１〜１３のうちいずれか一に記載の工具。
【請求項１５】
前記工具は、ダイ及び金型のうちの一方の一部である、請求項１１〜１４のうちいずれか一に記載の工具。
【請求項１６】
使用中、前記形成面の前記第１の部分と前記形成面の前記第２の部分は、前記造形品内に鮮明なＡ級（Class A ）特徴部の少なくとも一部分を構成するよう協働する、請求項１１〜１５のうちいずれか一に記載の工具。
【請求項１７】
前記形成面の前記第１の部分及び前記形成面の前記第２の部分は、連続して並んだ形成面部分である、請求項１１〜１６のうちいずれか一に記載の工具。
【請求項１８】
造形品を形成する工具であって、前記工具は、
第１の材料で二次加工されていて支持面を備えた支持本体を有し、
第１の特徴部を有し、前記第１の特徴部は、前記第１の材料上に支持された結合層を構成するよう互いに上下に被着された金属合金の複数の層、前記結合層上に支持された移行層及び前記移行層上に支持された機能層を含み、
第２の特徴部を有し、前記第２の特徴部は、前記第１の材料上に支持された結合層を構成するよう互いに上下に被着された金属合金の複数の層、前記結合層上に支持された移行層及び前記移行層上に支持された機能層を含み、
前記第１の特徴部の前記機能層は、前記第１の材料特性を備えた第１の金属合金から二次加工され、前記第２の特徴部の前記機能層は、第２の材料特性を備えた第２の金属合金から二次加工され、前記第２の材料特性は、前記第１の材料特性とは異なる、工具。
【請求項１９】
前記第１の特徴部及び前記第２の特徴部は、それぞれ、前記工具の形成面の第１及び第２の連続して並んだ表面部分を構成している、請求項１８記載の工具。
【請求項２０】
前記第１の特徴部及び前記第２の特徴部は、それぞれ、前記工具の形成面の第１及び第２の連続して並んでいない表面部分を構成している、請求項１８記載の工具。
【請求項２１】
前記第１及び前記第２の特徴部の各々の前記結合層は、前記第１の材料と冶金学的に適合性のある金属合金から二次加工されている、請求項１８〜２０のうちいずれか一に記載の工具。
【請求項２２】
前記第１及び前記第２の特徴部の各々の前記移行層は、前記結合層の前記金属合金及び前記機能層の前記金属合金と冶金学的に適合性のある金属合金から二次加工されている、請求項１８〜２０のうちいずれか一に記載の工具。
【請求項２３】
前記第１及び前記第２の特徴部の各々の前記機能層は、前記移行層の前記金属合金と冶金学的に適合性のある金属合金から二次加工されている、請求項１８〜２０のうちいずれか一に記載の工具。
【請求項２４】
前記第１及び前記第２の特徴部のうちの少なくとも一方の前記機能層は、前記第１の材料と冶金学的に不適合性を示し又は前記第１の材料との融着部を形成するときには必ず過度の欠陥を生じる金属合金から二次加工されている、請求項１８〜２０のうちいずれか一に記載の工具。
【請求項２５】
前記第１及び前記第２の特徴部の各々の前記結合層、前記移行層及び前記機能層は、レーザクラッド法によって被着されている、請求項１８〜２４のうちいずれか一に記載の工具。
【請求項２６】
前記第１の材料は、鋳鉄であり、前記第１及び第２の特徴部の前記結合層の前記金属合金は、コバルト基合金であり、前記第１及び前記第２の特徴部の前記移行層の前記金属合金は、高い靱性を備えた鉄基合金であり、前記第１及び前記第２の特徴部の前記機能層の前記金属合金は、所定の機械的性質を備えた工具鋼合金である、請求項１８記載の工具。
【請求項２７】
前記工具は、ダイ及び金型のうちの一方の一部である、請求項１８〜２６のうちいずれか一に記載の工具。
【請求項２８】
工具を製作する方法であって、
第１の材料から二次加工された支持本体を用意するステップと、
前記支持本体から前記第１の材料の一部分を機械加工して前記工具の形成面の第１の部分を構成するステップと、
前記工具の前記形成面の第２の部分を構成する特徴部を前記支持本体上に被着させるステップとを含み、前記被着ステップは、
第２の材料の層を前記支持本体の前記第１の材料上に被着させるステップと、
第３の材料の層を前記第２の材料層に被着させるステップと、
第４の材料の層を前記第３の材料層に被着させるステップとを含み、前記第４の材料層は、前記工具の前記形成面の第２の部分を構成する、方法。
【請求項２９】
前記第２の材料は、前記第１の材料と冶金学的に適合性があり、前記第４の材料は、前記第１の材料と冶金学的に不適合性を示し、前記第３の材料は、前記第２の材料と前記第４の材料の両方と冶金学的に適合性がある、請求項２８記載の方法。
【請求項３０】
前記第１の材料は、鋳鉄である、請求項２８又は２９記載の方法。
【請求項３１】
前記第２の材料は、コバルト基合金であり、前記第３の材料は、高い靱性を備えた鉄基合金であり、第４の材料は、所定の機械的性質を備えた工具鋼合金である、請求項２８〜３０のうちいずれか一に記載の方法。
【請求項３２】
前記特徴部は、造形品の形成中、高度の摩耗及び高度の研磨を受ける前記支持本体の一領域上に被着される、請求項２８〜３１のうちいずれか一に記載の方法。
【請求項３３】
前記第２の材料層、前記第３の材料層及び前記第４の材料層は、レーザクラッド法によって被着される、請求項２８〜３２のうちいずれか一に記載の方法。
【請求項３４】
前記第１の材料、前記第２の材料、前記第３の材料及び前記第４の材料の各々は、異なる金属又は金属合金である、請求項２８〜３３のうちいずれか一に記載の方法。
【請求項３５】
工具を製作する方法であって、
第１の材料から二次加工された支持本体を用意するステップと、
前記支持本体から前記第１の材料の一部分を機械加工して機械加工面を形成するステップと、
前記機械加工面の第１の領域内に、前記第１の材料上に支持される結合層を構成するよう互いに上下に被着させた金属合金の複数の層、前記結合層上に支持される移行層及び前記移行層上に支持される機能層を含む第１の特徴部を形成するステップと、
前記機械加工面の第２の領域内に、前記第１の材料上に支持される結合層を構成するよう互いに上下に被着させた金属合金の複数の層、前記結合層上に支持される移行層及び前記移行層上に支持される機能層を含む第２の特徴部を形成するステップとを含み、
前記第１の特徴部の前記機能層は、所定の第１の材料特性を備えた第１の金属合金を用いて形成され、前記第２の特徴部の前記機能層は、所定の第２の材料特性を備えた第２の金属合金を用いて形成され、前記第１の材料特性は、前記第２の材料特性とは異なる、方法。
【請求項３６】
前記第１の特徴部及び前記第２の特徴部は、それぞれ、前記工具の形成面の第１及び第２の連続して並んでいない表面部分を構成するよう前記機械加工面上に設けられる、請求項３５記載の方法。
【請求項３７】
前記第１の特徴部及び前記第２の特徴部は、それぞれ、前記工具の形成面の第１及び第２の連続して並んだ表面部分を構成するよう前記機械加工面上に設けられる、請求項３５記載の方法。
【請求項３８】
前記第１及び前記第２の特徴部の各々の前記結合層は、前記第１の材料と冶金学的に適合性のある金属合金から二次加工される、請求項３５〜３７のうちいずれか一に記載の方法。
【請求項３９】
前記第１及び前記第２の特徴部の各々の前記移行層は、前記結合層の前記金属合金と冶金学的に適合性のある金属合金から二次加工される、請求項３５〜３８のうちいずれか一に記載の方法。
【請求項４０】
前記第１及び前記第２の特徴部の各々の前記機能層は、前記移行層の前記金属合金と冶金学的に適合性のある金属合金から二次加工される、請求項３５〜３９のうちいずれか一に記載の方法。
【請求項４１】
前記第１及び第２の特徴部のうちの少なくとも一方の前記機能層は、前記第１の材料と冶金学的に不適合性を示し又は前記第１の材料との融着部を形成するときには必ず過度の欠陥を生じる金属合金から二次加工される、請求項３５〜４０のうちいずれか一に記載の方法。
【請求項４２】
前記第１及び第２の特徴部の各々の前記結合層、前記移行層及び前記機能層は、レーザクラッド法によって被着される、請求項３５〜４１のうちいずれか一に記載の方法。
【請求項４３】
前記第１の材料は鋳鉄であり、前記第１及び前記第２の特徴部の前記結合層の前記金属合金は、コバルト基合金であり、前記第１及び前記第２の特徴部の前記移行層の前記金属合金は、高い靱性を備えた鉄基合金であり、前記第１及び前記第２の特徴部の前記機能層の前記金属合金は、工具鋼合金である、請求項３５〜４２のうちいずれか一に記載の方法。
【請求項４４】
前記工具は、ダイ及び金型のうちの一方の一部である、請求項３５〜４３のうちいずれか一に記載の方法。
【請求項４５】
工具に存在する欠陥を補修する方法であって、前記工具は、第１の材料から二次加工された支持本体と、前記支持本体に被着された第１の金属合金層、前記第１の金属合金層に被着された第２の金属合金層及び前記第２の金属合金層に被着された第３の金属合金層を含む特徴部とを有し、前記欠陥は、第３の金属合金層中に存在する、方法において、前記方法は、
前記欠陥を含む前記第３の金属合金層の少なくとも一部分を除去するステップを含み、
前記第３の金属合金層の前記少なくとも一部分が除去された場合、或る量の前記第３の金属合金を被着させるステップを含み、前記被着は、レーザクラッド法によって実施され、前記被着量は、前記特徴部の設計寸法を超えるに十分であり、
前記被着された第３の金属合金を機械加工して前記特徴部の前記設計寸法を実質的に達成するステップを含む、方法。
【請求項４６】
前記第１の材料は、鋳鉄であり、前記第１の金属合金は、コバルト基合金であり、前記第２の金属合金は、高い靱性を備えた鉄基合金であり、第３の金属合金は、所定の材料特性を備えた工具鋼合金である、請求項４５記載の方法。
【請求項４７】
前記第３の金属合金層の前記少なくとも一部分は、機械加工によって除去される、請求項４５又は４６記載の方法。
【請求項４８】
前記第３の金属合金層の前記少なくとも一部分を除去することにより、前記第２の金属合金層の下に位置する部分が露出され、その後、前記量の前記第３の金属合金が前記露出状態の第２の金属合金に被着される、請求項４５〜４７のうちいずれか一に記載の方法。
【請求項４９】
工具の使用目的を変更する方法であって、
第１の形態を備えた形成面を有する工具を用意するステップを含み、前記工具は、第１の材料から二次加工され、
レーザクラッド法を利用して特徴部を前記移行部の前記形成面に被着させるステップを含み、前記被着ステップは、
第２の材料の層を前記支持本体の前記第１の材料上に被着させるステップと、
第３の材料の層を前記第２の材料層に被着させるステップと、
第４の材料の層を前記第３の材料層に被着させるステップとを含み、前記第４の材料層は、前記工具の前記形成面の第２の部分を構成し、
前記特徴部は、前記形成面の既存の特徴部の場所に相当していない前記形成面の一部分に被着され、その結果、前記形成面は、前記特徴部の被着後、前記第１の形態とは異なる第２の形態を有する、方法。
【請求項５０】
前記工具は、前記形成面のところが第１の金属又は金属合金から成り、前記第２の材料、前記第３の材料及び前記第４の材料の各々は、異なる金属合金である、請求項４９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、工具、例えば自動車及び他の製造業界で用いられるダイ及び金型を製作する方法に関する。特に、本発明は、かかる工具の形成面上に特徴部を形成し又はかかる特徴部を補修するために鋳鉄又は他の低級の鋳造可能な材料で作られたベース構造体上に工具鋼合金をレーザクラッド（laser cladding）する方法及びかかる方法を用いて製作された工具に関する。
【０００２】
〔関連出願の説明〕
本願は、２０１２年４月１６日に出願された米国特許仮出願第６１／６２４，５６２号（発明の名称：PROCESS FOR LASER-ASSISTED TOOL BUILD AND REPAIR）の権益主張出願であり、この米国特許仮出願を参照により引用し、その開示内容全体を本明細書の一部とする。
【背景技術】
【０００３】
ダイ及び金型は、自動車及び他の製造業界で用いられる工具の例である。かかる工具は、所望の形状又は設計を備えた完成品を製作するための特徴部を備えている。例えば、自動車の車体パネルを製造するために用いられるダイは、相補する向かい合った表面特徴部を有する形成面を含むパンチ・ダイブロック組立体を有する場合がある。ダイ部品は、シート板金ブランクが装入されたプレス内に設け、次に作業トン数下で互いに結合し、それによりダイ部品相互間で板金ブランクを変形させる。ダイ部品を互いに結合すると、板金ブランクは引き伸ばされ、そしてダイ部品の形成面上に存在する特徴部の形状に合致する。このように、「竜巻線（Tornado line）」又は他のデザイン上の特徴部を備えた自動車の車体パネルを形成することができる。
【０００４】
ダイ及び金型の製作では、完成品を作るための所望の特徴部を備えた形成面を形成するよう不必要なバルク鍛造又は鋳造材料を除去するために相当な機械加工が必要である。典型的には、バルク鍛造材料は、比較的高価な工具鋼合金又は鉄である。事実、完成品を製造する費用は、主として、材料費及び必要な機械加工作業の量による。残念ながら、板金ブランクを引き伸ばして変形させるプロセスにより、工具の形成面が研磨され、その結果、相当な摩耗及び裂けが生じ、それによりかかる工具の有効寿命が限られる。特に、「竜巻線」又は他の同様なデザインを作るために用いられる鮮明な特徴部は、非常に摩耗しやすい。これは、板金ブランクが工具の他の部分内で起こる程度よりも大きな程度にわたり工具の鮮明な特徴部に対して摺動するからであり、しかも鮮明な特徴部が脆く、かくして工具の他の表面部分と比較して損傷及び摩耗を生じがちだからである。かかる工具の有効寿命を延ばすことを目的として、材料の硬度を増大させ、かくして鮮明な特徴部の耐摩耗性を増大させるために鮮明な特徴部に熱処理プロセスを施すことが知られている。しかしながら、最終的には、工具は、使用できないほど摩耗状態になり、これを補修しなければならず又は考えられる有限数の補修後、相当な費用をかけて交換しなければならない。一般的に言って、かかる工具を修繕することは、費用効果が良くない。
【０００５】
国際公開第２００９／０７７５２４号パンフレットでは、安価な材料、例えば高抵抗コンクリートを所望の形状に注型し、次にこれを金属又はセラミック層で被覆することによってかかる安価な材料から工具を作る方法が記載されている。この方式によれば、安価なコンクリートが鉄合金に代えて用いられるので工具の材料費が節減され、しかも形成面を構成するのに被着金属又はセラミックの比較的薄い層だけを除去する必要があるに過ぎないので機械加工の要件が軽減される。残念ながら、この方法を用いて作られた工具は、幾分脆く、これら工具が高い圧縮荷重に対して耐性がある場合でも、引張り応力状態下のこれらの抵抗は低い。工具が非常に長いライフサイクルを備える必要がない場合、安価な工具を製作する方法が適していることが示唆される。
【０００６】
国際公開第２００９／０９０６２２号パンフレットでは、金属キャビティ金型の予想寿命を延ばす方法が記載されている。特に、この方法は、ガラス物品、例えば瓶を製作するために用いられる金型内の欠陥を補修するための方法である。金型が摩耗又は損傷状態になると、金属の層を形成面全体から機械加工により除去し、次に機械加工ステップ中に除去された金属の層よりも厚い充填金属の層を機械加工面に被着させ、最後に、充填材料をガラス物品を形成するための設計上の寸法に合わせて機械加工する。残念ながら、欠陥を補修するためには形成面全体を機械加工しなければならず、これによりコストが増大する。さらに、クラッド層を形成するための充填材料は、金型の鋳鉄と冶金学的に適合性又は両立性がなければならないことが記載されている。この要件により、クラッド層を形成するために用いることができる材料の種類に制約が課される。その結果、形成面の材料特性を変化させる能力が制限される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第２００９／０７７５２４号パンフレット
【特許文献２】国際公開第２００９／０９０６２２号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述の方法はいずれも、量産的Ａ級又はクラスＡ(Class A）自動車用途又は他の類似の製造業界で用いるための工具を製作するには適していない。加うるに、上述の方法はいずれも、工具の材料費の節減を達成せず、しかも工具の有効寿命を延ばすことができない。さらに、上述の方法はいずれも、冶金学的に不適合な材料又は不適合な機械的性質を有する材料から工具を製作するには適していない。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
したがって、先行技術の上述の問題点及び欠点のうちの少なくとも幾つかを解決する工具の製作方法及びこの方法に従って製作された工具を提供することが有益である。
【００１０】
本発明の少なくとも１つの実施形態の観点によれば、造形品を形成する工具であって、この工具は、第１の材料から二次加工された支持本体を有し、支持本体の第１の材料は、工具の形成面の第１の部分を構成し、この工具は、支持本体上に支持された特徴部を更に有し、かかる特徴部は、支持本体の第１の材料上に支持された第２の材料層と、第２の材料層上に支持された第３の材料層と、第３の材料層上に支持された第４の材料層とを含み、第４の材料層は、工具の形成面の第２の部分を構成し、形成面の第１の部分と形成面の第２の部分は、造形品の所望の形状を形成するよう協働することを特徴とする工具が開示される。
【００１１】
本発明の少なくとも１つの実施形態の観点によれば、造形品を形成する工具であって、この工具は、工具の形成面の第１の部分を構成する機械加工面を備えた支持本体と、機械加工面に隣接して支持本体上に支持されると共に形成面の第２の部分を構成する特徴部とを有し、特徴部は、支持本体の機械加工面の材料と冶金学的に不適合性を示す材料で作られた頂部層、支持本体の機械加工面の材料と冶金学的に適合性のある材料で作られた底部層及び頂部層の材料及び底部層の材料と冶金学的に適合性のある材料で作られた中間層を含み、使用の際、形成面の第１の部分と形成面の第２の部分は、造形品の所望の形状を形成するよう協働することを特徴とする工具が開示される。
【００１２】
本発明の少なくとも１つの実施形態の観点によれば、造形品を形成する工具であって、この工具は、第１の材料で二次加工されていて支持面を備えた支持本体と、第１の特徴部とを有し、第１の特徴部は、第１の材料上に支持された結合層を構成するよう互いに上下に被着された金属合金の複数の層、結合層上に支持された移行層及び移行層上に支持された機能層を含み、この工具は、第２の特徴部を更に有し、第２の特徴部は、第１の材料上に支持された結合層を構成するよう互いに上下に被着された金属合金の複数の層、結合層上に支持された移行層及び移行層上に支持された機能層を含み、第１の特徴部の機能層は、第１の材料特性を備えた第１の金属合金から二次加工され、第２の特徴部の機能層は、第２の材料特性を備えた第２の金属合金から二次加工され、第２の材料特性は、第１の材料特性とは異なることを特徴とする工具が開示される。
【００１３】
本発明の少なくとも１つの実施形態の観点によれば、工具を製作する方法であって、第１の材料から二次加工された支持本体を用意するステップと、支持本体から第１の材料の一部分を機械加工して工具の形成面の第１の部分を構成するステップと、工具の形成面の第２の部分を構成する特徴部を支持本体上に被着させるステップとを含み、被着ステップは、第２の材料の層を支持本体の第１の材料上に被着させるステップ、第３の材料の層を第２の材料層に被着させるステップ及び第４の材料の層を第３の材料層に被着させるステップを含み、第４の材料層は、工具の形成面の第２の部分を構成することを特徴とする方法が開示される。
【００１４】
本発明の少なくとも１つの実施形態の観点によれば、工具を製作する方法であって、第１の材料から二次加工された支持本体を用意するステップと、支持本体から第１の材料の一部分を機械加工して機械加工面を形成するステップと、機械加工面の第１の領域内に、第１の材料上に支持される結合層を構成するよう互いに上下に被着させた金属合金の複数の層、結合層上に支持される移行層及び移行層上に支持される機能層を含む第１の特徴部を形成するステップと、機械加工面の第２の領域内に、第１の材料上に支持される結合層を構成するよう互いに上下に被着させた金属合金の複数の層、結合層上に支持される移行層及び移行層上に支持される機能層を含む第２の特徴部を形成するステップとを含み、第１の特徴部の機能層は、所定の第１の材料特性を備えた第１の金属合金を用いて形成され、第２の特徴部の機能層は、所定の第２の材料特性を備えた第２の金属合金を用いて形成され、第１の材料特性は、第２の材料特性とは異なることを特徴とする方法が開示される。
【００１５】
本発明の少なくとも１つの実施形態の観点によれば、工具に存在する欠陥を補修する方法であって、工具は、第１の材料から二次加工された支持本体と、支持本体に被着された第１の金属合金層、第１の金属合金層に被着された第２の金属合金層及び第２の金属合金層に被着された第３の金属合金層を含む特徴部とを有し、欠陥は、第３の金属合金層中に存在する、方法において、この方法は、欠陥を含む第３の金属合金層の少なくとも一部分を除去するステップと、第３の金属合金層の少なくとも一部分が除去された場合、或る量の第３の金属合金を被着させるステップとを含み、被着は、レーザクラッド法によって実施され、被着量は、特徴部の設計寸法を超えるに十分であり、この方法は、被着された第３の金属合金を機械加工して特徴部の設計寸法を実質的に達成するステップを更に含むことを特徴とする方法が開示される。
【００１６】
本発明の少なくとも１つの実施形態の観点によれば、工具の使用目的を変更する方法であって、この方法は、第１の形態を備えた形成面を有する工具を用意するステップを含み、工具は、第１の材料から二次加工され、この方法は、レーザクラッド法を利用して特徴部を移行部の形成面に被着させるステップを更に含み、被着ステップは、第２の材料の層を支持本体の第１の材料上に被着させるステップ、第３の材料の層を第２の材料層に被着させるステップ及び第４の材料の層を第３の材料層に被着させるステップを含み、第４の材料層は、工具の形成面の第２の部分を構成し、特徴部は、形成面の既存の特徴部の場所に相当していない形成面の一部分に被着され、その結果、形成面は、特徴部の被着後、第１の形態とは異なる第２の形態を有することを特徴とする方法が開示される。
【００１７】
次に、添付の図面を参照して本発明を説明するが、これは例示に過ぎない。なお、図中、同一の参照符号は、幾つかの図全体にわたって同一の要素を示している。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１ａ】工具の形成面内に特徴部を備えた工具の単純化された平面図である。
【図１ｂ】図１ａのＡ‐Ａ線矢視単純化断面図である。
【図１ｃ】図１ｂの破線の円内の特徴部の拡大図である。
【図２ａ】本発明の実施形態としての方法を用いてレーザ支援工具製作に先立って、支持本体の表面領域を示す単純化された断面図である。
【図２ｂ】レーザ支援工具製作中における結合層の被着後の図２ａの表面領域を示す単純化された断面図である。
【図２ｃ】レーザ支援工具製作中における結合層上への移行層の被着後における図２ａの表面領域を示す単純化された断面図である。
【図２ｄ】レーザ支援工具製作中における移行層への機能層の被着後の図２ａの表面領域を示す単純化された断面図である。
【図３ａ】本発明の別の実施形態に従ってレーザクラッド法によって支持本体に被着された第１の特徴部を及び第２の特徴部を示す単純化された断面図である。
【図３ｂ】図３ａの破線の円内の構造体の拡大詳細図である。
【図４】本発明の別の実施形態に従ってレーザクラッド法によって支持本体に被着された第１の特徴部及び第２の特徴部を示す単純化された断面図である。
【図５】本発明の実施形態に従って工具を製作する方法の単純化された流れ図である。
【図６】本発明の実施形態に従って工具中の欠陥を補修する方法の単純化された流れ図である。
【図７】本発明の実施形態に従って工具の使用目的を変更する方法の単純化された流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下の説明は、当業者が本発明を構成して使用することができるようにするために提供されており、以下の説明は、特定の用途及びその要件との関連において提供されている。開示する実施形態の種々の改造例は、当業者には明らかであり、本明細書において開示される一般的原理は、本発明の範囲から逸脱することなく他の実施形態及び用途に利用できる。かくして、本発明は、開示する実施形態に限定されるものではなく、本発明には、本明細書において開示される原理及び特徴と一致した最も広い範囲が与えられるべきである。
【００２０】
図１ａを参照すると、特徴部を備えた工具の単純化された平面図が示されており、特徴部は、工具の形成面内に設けられており、この特徴部は、本発明の実施形態としてのレーザ支援工具製作方法を用いて被着されている。工具１００は、形成面１０４を構成するよう形作られた支持本体１０２を有し、形成面１０４は、所望の形状を有する造形品を形成するよう形作られている。形成面１０４は、第１の部分１０６を有する。さらに、特徴部１０８が形成面１０４内に設けられ、この特徴部１０８は、形成面１０４の第２の部分を構成している。使用の際、特徴部１０８によって定められる形成面１０４の第１の部分１０６と形成面１０４の第２の部分は、所望の形状を備えた造形品を形成するよう協働する。例えば、工具１００は、竜巻線デザイン要素を備えた自動車の車体パネルを形成するためのものである。
【００２１】
次に、図１ｂを参照すると、Ａ‐Ａ線に沿って取った図１ａの工具１００の単純化された断面図が示されている。図１ｂに示されているように、支持本体１０２は、第１の材料、例えば鋳鉄で作られている。支持本体１０２を作るための鋳鉄の使用により、高級材料、例えば工具鋼を用いて製作された工具と比較して、工具１００の全体的材料費が節減される。当然のことながら、鋳鉄に代えて他の適当な材料を使用することができる。図１ｂに更に示されているように、支持本体１０２は、形成面１０４の所要の最終形状に近似した表面２００を作るために機械加工されている。オプションとして、第１の材料は、ほぼ所要の最終形状に合わせて鋳造され、所要の最終形状を達成するために必要に応じて追加の機械加工が行われるに過ぎない。有利には、鋳鉄の硬度は、工具鋼の硬度よりも低く、したがって、支持本体１０２が工具鋼ではなく鋳鉄で作られている場合、表面２００を機械加工するのが容易である。図示の実施形態では、鋳鉄支持本体１０２の機械加工面２００は、形成面１０４の第１の部分１０６を構成する。オプションとして、以下に詳細に説明するように、機械加工面は、所望の材料特性を備えた別の材料で被覆される。
【００２２】
形成面１０４の第２の部分を構成する図１ａの特徴部１０８は、図１ｂに破線の円内に位置した状態で示されている。特徴部１０８の拡大断面図が図１ｃに示されている。次に図１ｂ及び図１ｃを参照すると、特徴部１０８は、第１の材料で作られてはおらず、これとは異なり、特徴部１０８は、金属合金の複数の層から成っている。換言すると、特徴部１０８は、レーザ被着（クラッド）によって機械加工面２００の頂部上に作られている。クラッドは、同種と異種の両方の金属を結合する方法であり、金属を互いに固定する方法として溶接又は接着とは異なっている。レーザクラッド法では、粉末状又はワイヤ供給原料をレーザの使用により溶融して圧密化する。その目的は、基板の一部を被覆し又は素形材（ニヤネットシェイプ）を製作することにある。被着させるべき材料又は材料の組み合わせを正確に選択することによって、レーザクラッド法により作られた特徴部は、所望の機械的性質を有することができる。さらに、種々の合金材料を用いることによって互いに異なる機械的性質を備えた互いに異なる特徴部を作ることができる。
【００２３】
とは言うもの、鋳鉄又は他の工具材料への工具鋼合金のレーザクラッド法は、簡単な方法ではなく、かかるレーザクラッド法の結果として、或る特定の条件下において望ましくない亀裂及び／又は気孔のあるクラッド層が形成される場合がある。クラッド層内における欠陥の形成は、鋳鉄材料と工具鋼合金の機械的及び／又は熱的性質の差並びに２種類の材料を融着させたときのこれら２つの材料相互間の適合性によるものである。本発明の実施形態としての方法では、鋳鉄又は他の適当な支持本体への金属合金の三層被着を利用して所望の機械的性質を備え、しかも望ましくない亀裂及び／又は気孔のない特徴部を作ることができる。図１ｂ及び図１ｃを参照すると、３つの層は、結合層１１０、移行層１１２及び機能層１１４を含む。
【００２４】
次に、図２ａ〜図２ｄを参照すると、本発明の実施形態による工具製作方法を互いに異なる段階を示す単純化された断面図が示されている。上述したように、支持本体１０２を構成するために工具鋼に代えて低級材料、例えば鋳鉄を使用することができる。図２ａは、機械加工面２００を作るために実施された機械加工後における支持本体１０２の一部分を示している。特に、図２ａは、特徴部１０８が被着されるべき機械加工表面２００の一部分を示している。
【００２５】
次に、図２ｂを参照すると、レーザクラッド法を用いた結合層１１０の非着後における支持本体１０２の部分が示されている。特に、結合層を支持本体１０２の鋳鉄又は他の材料と良好な湿潤性を示す材料で作られる。この実施例では、支持本体１０２が鋳鉄で作られる場合、結合層１１０は、例えばコバルト基合金、例えばステライト（Stellite）２１で作られるのが良い。
【００２６】
次に、図２ｃを参照すると、結合層１１０への移行層１１２の被着後における支持本体１０２の部分が示されている。この実施例では、移行層１１２は、中程度の硬度及び高い靱性の鉄基工具鋼合金で作られている。
【００２７】
次に、図２ｄを参照すると、移行層１１２への機能層１１４の被着後における支持本体１０２の部分が示されている。特に、機能層１１４は、工具１００の意図した用途に必要な機械的性質を提供する。この実施例では、機能層１１４は、所要の硬度の工具鋼合金で作られている。機能層１１４の被着後、機械加工が工具１００を用いて製作されるべき造形品の所望の形状に基づいて工具１００の形成面の形態を仕上げるために必要に応じて行われる。オプションとして、機能層１１４の所望の厚さを達成するために追加の機能層材料が被着される。
【００２８】
図２ａ〜図２ｄを参照して示された方法を金属合金層がレーザクラッド法を用いて鋳鉄支持本体１０２に被着される特定の且つ非限定的な実施例に関して説明した。オプションとして、図２ａ〜図２ｄを参照して説明した３つの層を越えて追加の層が工具１００の形成面上の特徴部１０８の形成中に被着されるのが良い。
【００２９】
一般に、３つの金属合金層１１０，１１２，１１４は、支持本体１０２と機能層１１４との間に材料特性の段階的移行をもたらす。図２ａ〜図２ｄを参照して説明した方法を用いると、支持本体１０２の材料の機械的性質とは異なる機械的性質を備えた材料で作られた機能層１１４を有する特徴部を製作することができ、この場合、機能層１１４には亀裂及び気孔が実質的にない。機能層１１４は、例えば、摩耗に対して高い耐性を示す金属合金で作られる。このように、安価な材料を用いて支持本体１０２を形成すると共に造形品の形成中、それほど摩耗及び研磨を受けない形成面１０４の第１の部分１０６を構成することができる。造形品の形成中、相当大きな摩耗又は研磨を受ける特徴部又は領域は、図２ａ〜図２ｄを参照して説明した方法に従って肉盛りされる。かかる肉盛り特徴部の機能層１１４は、耐摩耗性金属合金で作られるのが良い。肉盛り特徴部は、耐摩耗性が非常に高く、しかも形成面１０４の他の部分は、それほど大きな摩耗又は研磨を受けないと言えるので、上述した方法に従って製作される工具の全体的寿命は、全体が高級材料で製作された工具の寿命と同等であると言える。したがって、図２ａ〜図２ｄを参照して説明した方法は、材料費を安くしかも機械加工費を安くした状態での工具の製作を支援するが、工具の寿命を犠牲にすることはなく、しかも工具の寿命中、大がかりな追加の保守を必要としない。
【００３０】
次に、図３ａを参照すると、図２ａ〜図２ｄを参照して説明した方法の変形例に従って製作された工具の形成面の一部分の拡大断面図が示されている。加うるに、図３ｂは、図３ａの破線の円で囲んだ構造体の拡大細部を示している。具体的に言えば、特徴部１０８は、実質的に図２ａ〜図２ｄを参照して上述したように支持本体１０２の機械加工面２００上に形成されている。加うるに、第２の特徴部３００が特徴部１０８に隣接して位置する機械加工面２００の部分に被着されている。この実施例では、第２の特徴部３００は、３つの金属合金層を含む薄い表面被膜の形態で被着され、かかる３つの金属合金層は、支持本体１０２の材料と良好な湿潤性を示す第１の金属合金で作られた結合層３０２、第２の金属合金で作られた軸方向３０４及び所望の機械的性質を有する第３の金属合金で作られた機能層３０６を含む。例えば、第２の特徴部３００は、特徴部１０８に隣接して位置する工具の形成面の部分と比較して高い耐摩耗性を提供するために被着される。オプションとして、第２の特徴部３００は、工具の実質的に形成面全体にわたって延び、又は、第２の特徴部３００は、工具を用いた造形品の形成中、高度の摩耗及び研磨作用を受けることが見込まれる形成面の選択された部分のみについて延びる。この実施例では、特徴部３００及び特徴部１０８は、工具の形成面の連続して並んだ表面部分を構成する。
【００３１】
次に、図４を参照すると、図２ａ〜図２ｄを参照して説明した方法の別の変形例に従って製作された工具の形成面の一部分の拡大断面図が示されている。具体的に言えば、特徴部１０８は、図２ａ〜図２ｄを参照して実質的に上述した支持本体１０２の機械加工面２００上に形成されている。加うるに、第２の特徴部４００が特徴部１０８に隣接し且つこれから間隔を置いた状態で機械加工面２００の一部分に被着されている。第２の特徴部４００は、特徴部１０８と実質的に同じであり、第２の特徴部４００は、支持本体１０２の材料と良好な湿潤性を示す第１の金属合金で作られた結合層４０２、第２の金属合金で作られた移行層４０４及び所望の機械的性質を有する第３の金属合金で作られた機能層４０６を含む。第２の特徴部４００は、工具１０２の形成面の第３の部分を形成する。この実施例では、特徴部１０８及び第２の特徴部４００は、工具１０２の形成面の連続して並んでいない部分を構成する。とは言うものの、形成面１０６の第１の部分は、特徴部１０８と第２の特徴部４００の両方によって構成された形成面と連続して位置している。さらに、この実施例では、第２の特徴部４００の機能層４０６と特徴部１０８の機能層１１４は、互いに異なる合金で作られている。例えば、機能層４０６は、特徴部１０８の機能層を形成するために用いられている材料よりも高い耐摩耗性を有する工具鋼合金で作られている。この実施例では、特徴部１０８，４００のそれぞれの結合層１１０，４０２は、同種の金属合金で作られ、特徴部１０８，４００のそれぞれの移行層１１２，４０４は、同種の金属合金で作られている。オプションとして、特徴部１０８，４００のそれぞれの結合層及び／又は移行層は、互いに異なる合金で作られる。例えば、互いに異なる金属合金は、冶金学的適合性を保証するために選択される。
【００３２】
図１〜図４を参照して説明した実施形態では、機能層の材料は、支持ベースの材料と冶金学的に適合性がある。例えば、機能層の材料は、鉄基工具鋼合金であり、支持ベースの金属は、鋳鉄である。それにもかかわらず、冶金学的に適合性があるとは言え、機能層は、これがレーザクラッド法を用いて支持本体１０２に直接被着された場合亀裂及び望ましくない気孔を含むことになると予想される。この場合における不適合性は、材料特性の差によるものであり、例えば、工具鋼機能層の硬度は、この特定の且つ非限定的な実施例では、鋳鉄支持本体の硬度よりも極めて高い。結合層及び移行層は、支持本体１０２と機能層１１４との間の材料特性の段階的移行を提供し、それにより亀裂及び望ましくない気孔が実質的にない機能層１１４の形成を可能にするよう機能層１１４の被着に先立って支持本体１０２に被着される。
【００３３】
他のシステムでは、機能層の材料は、支持本体の材料と冶金学的に不適合である場合がある。上述した同じ方法は、冶金学的に不適合な材料を含む構造体を形成するのにも利用できる。例えば、結合層の材料は、支持ベースの材料と冶金学的に適合性があるよう選択され、移行層の材料は、結合層の材料と機能層の材料の両方と冶金学的に適合性があるように選択される。このように、レーザクラッド法を利用すると、所望の結合層支持本体に被着させ、次いで所望の移行層を結合層に被着させることができ、次いで機能層を移行層に被着させることができる。互いに異なる層の各々について材料の適切な選択を行うことにより、機能層の材料が支持ベースの材料と冶金学的に不適合である場合であっても実質的に望ましくない亀裂及び望ましくない気孔のない機能層を形成することができる。
【００３４】
次に、図５を参照すると、本発明の実施形態に従って工具を製作する方法の単純化された流れ図が示されている。ステップ５００では、第１の材料から二次加工された支持本体を用意する。例えば、第１の材料は、工具鋼よりも低い等級のものであって良く、例えば、鋳鉄である。オプションとして、支持本体を所望の最終形状にほぼ合わせて鋳造され、又は、支持本体は、ブロックの形態で用意される。ステップ５０２では、第１の材料の一部分を支持本体から機械加工して工具の形成面の第１の部分を構成する。必要な機械加工の量は、支持本体がほぼ所望の最終形状に合わせて鋳造されるかどうか又はブロックの形態で提供されるかどうかで決まる。ステップ５０４では、工具の形成面の第２の部分を構成する特徴部を支持本体に被着させる。具体的に説明すると、特徴部の被着では、第２の材料の層を支持本体の第１の材料の層に被着させ、次に第３の材料の層を第２の材料の層に被着させ、最後に第４の材料を第３の材料の層に被着させる。被着されている材料を粉末かワイヤ供給原料かのいずれかの形態で供給し、この材料をレーザを用いて溶融し、そして基材の所望の部分に被着させる。層の各々被着では、オプションとして、それぞれの材料の多数の層を被着させて被着材料の所望の厚さを達成する。オプションとして、結合層、移行層及び機能層は、互いに異なる厚さのものである。ステップ５０６では、必要に応じて追加の機械加工を実施して特徴部の所望の最終形状を得ると共に形成面を仕上げする。使用中、第４の材料の層は、工具の形成面の第２の部分を構成し、この第２の部分は、所望の形状を有する造形品を製作するよう工具の形成面の第１の部分と協働する。
【００３５】
次に、図６を参照すると、本発明の実施形態に従って工具を補修する方法の単純化された流れ図が示されている。具体的に言えば、この方法は、工具中の欠陥を補修するための方法であり、工具は、第１の材料から二次加工された支持本体を有すると共に支持本体に被着された第１の金属合金層、第１の金属合金層に被着された第２の金属合金層及び第２の金属合金層に被着された第３の金属合金層を含む特徴部を有する。この特定の且つ非限定的な実施例では、第３の金属合金の追加の層が三層特徴部の頂部に被着され、その結果、第３の金属合金層の材料の厚さが第３の金属合金層内で欠陥及び／又は摩耗が生じるようにするのに十分であることが想定される。とは言うものの、幾つかの場合、欠陥又は摩耗は、下に位置する層、例えば第２の金属合金層又はそれどころか第１の金属合金層中に及ぶ場合のあることが考えられる。
【００３６】
依然として図６を参照すると、ステップ６００では、欠陥を含む第３の金属合金層の少なくとも一部分を除去する。例えば、第３の金属合金層を機械加工して第３の金属合金のうちの少なくとも何割かを除去する。オプションとして、第３の金属合金層を全て除去する。ステップ６０２では、除去した第３の金属合金層の少なくとも一部分に取って代わるよう或る量の第３の金属合金を被着させる。具体的に言えば、レーザクラッド法を用いて第３の金属合金を被着させ、それにより、第３の金属合金は、粉末かワイヤ供給原料かのいずれかの形態で供給され、レーザを用いて溶融し、そして除去した第３の金属合金層の少なくとも一部分に取って代わるようにする。被着させる第３の金属合金の量は、補修中の特徴部の設計上の寸法を超えるのに十分である。その後、ステップ６０４において、被着させた第３の金属合金を機械加工して特徴部の実質的に設計上の寸法を達成し、設計上の寸法は、工具を用いて製造される造形品の所望の形状に基づいて定められる。
【００３７】
次に図７を参照すると、本発明の実施形態に従って工具の使用目的を変更する方法の単純化された流れ図が示されている。具体的に説明すると、図７の方法は、例えば、形成面内に特徴部を設けることによって既存の工具の形成面の修正に関する。オプションとして、例えば機械加工において１つ又は２つ以上の既存の特徴部を除去し又は修正する。ステップ７００では、工具を用意し、工具は、第１の形態を備えた形成面を有する既存の工具であり、工具は、第１の材料で作られている。例えば、第１の材料は、工具鋼よりも低い等級のものであり、例えば、鋳鉄である。ステップ７０２では、レーザクラッド法を利用して特徴部を工具の形成面に被着させる。特徴部の被着ステップは、第２の材料の層を工具の第１の材料の層に被着させるステップ、第３の材料の層を第２の材料の層に被着させるステップ及び第４の材料の層を第３の材料の層に被着させるステップを含む。ステップ７０４では、追加の機械加工を実施して形成面の所望の第２の形態を達成する。第４の材料の層は、工具の形成面の一部分を構成する。さらに、形成面の既存の特徴部の場所に一致している部分以外の形成面の一部分に特徴部を被着させ、その結果、形成面の第２の形態が特徴部の被着後において第１の形態とは異なるようにする。
【００３８】
支持本体について低級材料、例えば鋳鉄を用いると共にレーザクラッド法を利用して特徴部を製作することによって、初期の工具製作費が先行技術の工具製作プロセスと比較して減少する。特徴部の製作に適当な材料を選択することによって、特定の要素について所望の機械的性質を備えたクラッドを作ることができる。特に、摩耗及び研磨を受ける特徴部の長い有効寿命を保証した状態で工具を製作することができる。欠陥又は摩耗が検出されると、工具を再生利用するのではなく品質を損なわないで補修することができる。かかる補修は、任意の熱処理又は大規模な機械加工を行わないで実施可能であり、それにより時間、エネルギー及び費用が節減される。幾つかの場合、完全に新品の工具を製作するのではなく既存の工具の特徴部を修正することが可能な場合があり、それにより旧式の工具を再生利用するのではなくその使用目的を変更できることが可能な場合がある。
【００３９】
上述の説明は、本発明の複数の実施形態に関するが、理解されるように、本発明は、添付の特許請求の範囲の記載の公正な意味から逸脱することなく別の改造及び変更が可能である。
【図１ａ】
2015517915.tif 000003
【図１ｂ】
2015517915.tif 000004
【図１ｃ】
2015517915.tif 000005
【図２ａ】
2015517915.tif 000006
【図２ｂ】
2015517915.tif 000007
【図２ｃ】
2015517915.tif 000008
【図２ｄ】
2015517915.tif 000009
【図３ａ】
2015517915.tif 000010
【図３ｂ】
2015517915.tif 000011
【図４】
2015517915.tif 000012
【図５】
2015517915.tif 000013
【図６】
2015517915.tif 000014
【図７】
2015517915.tif 000015
【国際調査報告】
2015517915.tif 000016
2015517915.tif 000017