(57)【要約】      （修正有）【課題】本発明は、金型の修復、特に、アルミニウム、ステンレス等の特殊鋼からなる金型の修復、製品形状が複雑化した射出成形用金型における微細形状の充填等に適した立体形状物及び３次元回路積層基板の創成方法を提供することを目的とする。【解決手段】本発明の立体形状物の創成方法は、薄板をベース部材に裁置し、必要部分を選択的にレーザ溶接した後、溶接部分の周辺をレーザ切断して不要部分を切り離す工程を順次繰り返すことにより薄板の積層体からなる立体形状物を創成し、その後、切削、研削、研磨などにより所望の形状に仕上げ加工を行うことを特徴とする。また、本発明の立体形状物の創成方法は、薄板を磁力によりベース部材に順次裁置することを特徴とするまた、本発明の立体形状物の創成方法は、薄板をワークの形状創成箇所又は破損箇所へ配置し、該薄板に外部から液体又は気体によるチャンバ内圧力を付加することにより薄板をワークの形状創成箇所又は破損箇所へ順次裁置することを特徴とする。【選択図】図３
2005118997.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄板をベース部材に裁置・押し付け、必要部分を選択的にレーザ溶接した後、溶接部分の周辺をレーザ切断して不要部分を切り離す工程を順次繰り返すことにより薄板の積層体からなる立体形状物を創成し、その後、切削、研削、研磨などにより所望の形状に仕上げ加工を行うことを特徴とする立体形状物の創成方法。
【請求項２】
薄板をベース部材に裁置・押し付け、必要部分を選択的にレーザ溶接した後、溶接部分の周辺をレーザ切断して不要部分を切り離す工程及びレーザ切断された不要部分と溶接部分内の空洞形成部分とをレーザで蒸発除去する工程とを順次繰り返すことにより薄板の積層体からなる立体形状物を創成し、その後、切削、研削、研磨などにより所望の形状に仕上げ加工を行うことを特徴とする立体形状物の創成方法。
【請求項３】
薄板を磁力によりベース部材に裁置・押し付けることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の立体形状物の創成方法。
【請求項４】
薄板をワークの形状創成箇所又は破損箇所へ配置し、該薄板に外部から液体又は気体によるチャンバ内圧力を付加することにより薄板をワークの形状創成箇所又は破損箇所へ順次裁置・押し付け、レーザを照射することにより薄板を変形可能な温度まで昇温し、ワーク形状に倣う形で密着させ、必要部分を選択的にレーザ溶接した後、溶接部分の周辺をレーザ切断して不要部分を切り離す工程を順次繰り返すことにより薄板の積層体からなる立体形状物を創成し、その後、切削、研削、研磨などにより所望の形状に仕上げ加工を行うことを特徴とする立体形状物の創成方法。
【請求項５】
回路用導電材又は基板用絶縁材からなる薄板を交互に基板上の形状創成箇所へ配置し、薄板に液体又は気体によるチャンバ内の圧力で基板側への応力を付加し、レーザを照射することにより薄板を変形可能な温度まで昇温し、基板形状に倣う形で密着させ、必要部分を選択的にレーザ溶接した後、溶接部の周辺をレーザ切断し、不要な部分を切り離す工程を順次繰り返すことにより薄板の積層体からなる所望の３次元回路に近いを立体形状物を創成し、その後、切削、研削、研磨などにより所望の形状に仕上げ加工を行うことを特徴とする３次元回路積層基板の創成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄板を用いて金型等の立体形状物を創成する方法に関し、特に、磁力吸着力あるいは流体圧力等を利用するとともにレーザ溶接及び切断を選択的に行うことにより、立体形状物を創成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属板を積層することにより金型を製作する方法として、３次元ＣＡＤデータから金属板の厚さ毎のスライスデータを求め、複数の金属板を１枚づつレーザ等により精密切断し、切断した金属板を順次積層し、積層した金属板を順次レーザ溶接により接合し、次いで金属板間の段差を除去する方法が知られている（以下「従来技術１」という。）。
また、レーザを利用して立体形状を成形する方法として、加熱加圧液体の入った液層上に熱可塑性樹脂のワークを固定し、その表面を上方よりレーザ光でスキャンすることにより加工ポイントを加熱軟化させ、液体の圧力で液面上へ突出するように変形させる方法が知られている（以下「従来技術２」という。）。  
【０００３】
しかしながら、従来技術１のものは、金型等を新たに製作する場合には比較的適した手法であるが、既に凹凸のある面に対する補修等のように被加工物の形状に倣わせながら板材を所望の形状に変形させ、形状を創成するものには適していない。
又、従来技術２のものは、主として熱可塑性樹脂の成形に用いられるものであり、従来技術１と同様に、既に凹凸のある面に対する補修、形状変更には適用が困難であり、又、被加工物の形状に倣わせながら板材を所望の形状に変形させるものではない。
【特許文献１】特開平９−１５０２２８号公報
【特許文献２】特開２００２−１５４１６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
金型は概して高価であり、長寿命が期待されることから、割れが生じた金型は溶接などで修復して再使用することが多い。ところが、製品の設計変更に伴う金型の再製作、摩耗・割れなどに起因する金型の修復は極めて労働集約的な作業である。
また、製品形状が益々複雑化、微細化していることから、射出成形用金型においても冷却、加熱系の配管などを組み込み、微細形状の充填を可能とする機能性金型の必要性が増している。
一方、切削加工の高速化、金型の軽量化、金型の耐腐食性による保存性などの利点から、金型材をアルミニウム、ステンレス等の特殊鋼へ置き換える動きが進んでいるが、溶接の難しい特殊鋼は補修が問題となっている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の立体形状物の創成方法は、薄板をベース部材に裁置・押し付け、必要部分を選択的にレーザ溶接した後、溶接部分の周辺をレーザ切断して不要部分を切り離す工程を順次繰り返すことにより薄板の積層体からなる立体形状物を創成し、その後、切削、研削、研磨などにより所望の形状に仕上げ加工を行うことを特徴とする。
また、本発明の立体形状物の創成方法は、薄板をベース部材に裁置・押し付け、必要部分を選択的にレーザ溶接した後、溶接部分の周辺をレーザ切断して不要部分を切り離す工程及びレーザ切断された不要部分と溶接部分内の空洞形成部分とをレーザで蒸発除去する工程とを順次繰り返すことにより薄板の積層体からなる立体形状物を創成し、その後、切削、研削、研磨などにより所望の形状に仕上げ加工を行うことを特徴とする。
また、本発明の立体形状物の創成方法は、薄板を磁力によりベース部材に裁置・押し付けることを特徴とする。
また、本発明の立体形状物の創成方法は、薄板をワークの形状創成箇所又は破損箇所へ配置し、該薄板に外部から液体又は気体によるチャンバ内圧力を付加することにより薄板をワークの形状創成箇所又は破損箇所へ順次裁置・押し付け、レーザを照射することにより薄板を変形可能な温度まで昇温し、ワーク形状に倣う形で密着させ、必要部分を選択的にレーザ溶接した後、溶接部分の周辺をレーザ切断して不要部分を切り離す工程を順次繰り返すことにより薄板の積層体からなる立体形状物を創成し、その後、切削、研削、研磨などにより所望の形状に仕上げ加工を行うことを特徴とする。
また、本発明の３次元回路積層基板の創成方法は、回路用導電材又は基板用絶縁材からなる薄板を交互に基板上の形状創成箇所へ配置し、薄板に液体又は気体によるチャンバ内の圧力で基板側への応力を付加し、レーザを照射することにより薄板を変形可能な温度まで昇温し、基板形状に倣う形で密着させ、必要部分を選択的にレーザ溶接した後、溶接部の周辺をレーザ切断し、不要な部分を切り離す工程を順次繰り返すことにより薄板の積層体からなる所望の３次元回路に近いを立体形状物を創成し、その後、切削、研削、研磨などにより所望の形状に仕上げ加工を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明は、以下のような優れた効果を奏する。
（１）レーザ加熱で直接成形・溶接する新しいプロセスを複合化することにより、従来プロセスで製作することができない複雑形状の立体形状物の製作が可能となる。
（２）従来では製作することが困難な、構成される材料種、材料分布を自由に選択することのできる微細３次元形状を創成することができる。
（３）薄板を積層しながら溶接、切断するため、薄板の位置決めの必要がない。
（４）レーザ溶接を利用して各層を接合するため、接着剤、剥離剤を必要とせず、加工速度が速く、接合部位を自由に選択することができる。
（５）レーザ蒸発除去工程を組み込むことにより、切断後の不要部分の回収を不要にできる。これにより、成形形状の中で空洞が含まれる形状の加工が従来に比べ容易になる。
（６）オンマシンでの修復も可能であり、また、近年注目されている特殊鋼金型材料への適用も可能である。
（７）マイナーな設計変更が予想される射出成形金型において、設計変更があった場合でも、金型を最初から再製作するのではなく、付加的に材料溶接、切削する方法で再利用可能となる。
（８）材料を薄板で供給し各層を溶接することで入熱を分割して供給するため、加工物の熱変形を小さくすることができる。この効果は、加工物が小さい場合に特に顕著である。
（９）積層する材料種を適宜変化させることにより、立体形状３次元回路積層基板の作成が可能になる。また、製品形状に合わせた高密度配線が可能になり、ほとんどの製品で製品組立工程の合理化、省スペース化が期待できる。さらに、傾斜機能を持つ材料、複合材料の形状部品の加工が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明に係る立体形状物の創成方法を実施するための最良の形態を図面を参照して以下に説明する。  
【実施の形態１】
【０００８】
図１は、薄板を積層し、各層を選択的に溶接した後、溶接部分の周辺を切断することにより所望する形状に近い立体形状を創成し、その後、切削、研削、研磨などにより所望の形状に仕上げ加工を行う複合加工プロセスの加工工程の第１の例を説明する概略図である。
工程順に作業内容を説明すると以下のとおりである。
（ａ）薄板１をベース部材２に磁力によって裁置・押し付ける。薄板１をベース部材２に押し付ける応力は、溶接・切断時のレーザ加熱で薄板の変形を防ぐのに十分な応力とする。
（ｂ）ベース部材２に押し付けられた状態の薄板１の必要部分をレーザ溶接３によりベース部材２に溶接する。このとき溶接品位、精度を向上させるために薄板１はベース部材２に押し付けられながら溶接が行われる。
（ｃ）レーザ照射条件を切断が可能な条件に変化させ不要な部分をレーザ切断４する。
（ｄ）薄板１の不要な部分をベース部材２から切り離す。
（ｅ）次の薄板１を先の薄板上に裁置する。
（ｆ）上記（ｂ）〜（ｅ）の工程を繰り返す。この作業を繰り返すことにより薄板を積層し、所望の形状に近い形状を創成する。
（ｇ）切削、研削及び研磨加工することにより、所望形状の立体形状物からなる製品５を得る。
なお、上記加工工程におけるベース部材としては、ベース部材２をマグネット材から形成し、最終的に薄板の積層体の一部として用いる場合と、積層体から切り離す場合とがある。また、磁力で吸着しない薄板の上に磁力で吸着する薄板を重ねて同時に溶接・切断を行うことで、磁力に吸着しない薄板を積層することも可能である。
【０００９】
図２は、図１に示した加工を行う際にベース部材２に薄板１を押し付ける手段として磁力吸着以外の押し付け手段の変形例を示したものである。
図２（Ａ）は、薄板１に直接荷重を加えてベース部材２に押し付ける手法を示している。
図２（Ｂ）は、薄板１の上方からエアブローを吹き付けてベース部材２に押し付ける手法を示している。
図２（Ｃ）は、加工に用いるレ−ザ波長に対し透明な材料６で薄板１をベース部材２に押し付ける手法を示している。
上記図２（Ａ）〜図２（Ｃ）における薄板１をベース部材２に押し付ける応力は、溶接・切断時のレーザ加熱で薄板の変形を防ぐのに十分な応力とする。
【実施の形態２】
【００１０】
図３は、薄板を積層し、各層を選択的に溶接した後、溶接部分の周辺を切断することにより所望する形状に近い立体形状を創成し、その後、切削、研削、研磨などにより所望の形状に仕上げ加工を行う複合加工プロセスの加工工程の第２の例を説明する概略図である。
工程順に作業内容を説明すると以下のとおりである。
（ａ）薄板１をベース部材２に磁力によって裁置・押し付ける。薄板１をベース部材２に押し付ける応力は、溶接・切断時のレーザ加熱で薄板の変形を防ぐのに十分な応力とする。
（ｂ）ベース部材２に押し付けられた状態の薄板１の必要部分をレーザ溶接３によりベース部材２に溶接する。このとき溶接品位、精度を向上させるために薄板１はベース部材２に押し付けられながら溶接が行われる。
（ｃ）レーザ照射条件を切断が可能な条件に変化させ、不要な部分をレーザ切断４する。
（ｄ）レーザ照射条件を薄板１の蒸発除去が可能な条件に変化させ、不要な部分をレーザで蒸発除去させる。この際、製品の中に空洞１３が含まれる形状の場合は、空洞部分１３も併せて除去される。
（ｅ）次の薄板１を先の薄板上に裁置する。
（ｆ）上記（ｂ）〜（ｅ）の工程を繰り返す。この作業を繰り返すことにより薄板を積層し、所望の形状に近い形状を創成する。
（ｇ）切削、研削及び研磨加工することにより、所望形状の立体形状物からなる製品５を得る。
このように、レーザ蒸発除去工程を組み込むことにより、従来問題であった切断後の不要部分の回収を不要とできる。また、成形形状の中に空洞が含まれる形状の加工が従来に比べ容易になり、創成可能な空洞の最小体積を飛躍的に小さくできる。さらに、空洞部分の除去作業を機械加工で行おうとすると、加工力が生じるため空洞の形状には制限が生じるが、レーザ加工は非接触加工であるため、制限が少ない。
なお、上記加工工程におけるベース部材としては、ベース部材２をマグネット材から形成し、最終的に薄板の積層体の一部として用いる場合と、積層体から切り離す場合とがある。また、磁力で吸着しない薄板の上に磁力で吸着する薄板を重ねて同時に溶接・切断を行うことで、磁力に吸着しない薄板を積層することも可能である。
【実施の形態３】
【００１１】
図４は、薄板を積層し、各層を選択的に溶接した後、溶接部分の周辺を切断することにより所望する形状に近い立体形状を創成し、その後、切削、研削、研磨などにより所望の形状に仕上げ加工を行う複合加工プロセスの加工工程の第３の例を説明する概略図である。
工程順に作業内容を説明すると以下のとおりである。
（ａ）薄板１を補修を必要とする金型等からなるワーク７上の形状創成箇所又は破損箇所へ配置し、薄板１に液体又は気体によるチャンバ８内の圧力でワーク７側への応力を付加する。この応力は、後述するレーザ照射で高温になった薄板１を変形させ得る力となる。
（ｂ）レーザを照射９することにより薄板１を変形可能な温度まで昇温し、ワーク７形状に倣う形で密着させる。
（ｃ）レーザ照射条件を溶接が可能な条件に変え、倣った薄板１を溶接１０する。このとき、溶接品位、精度を向上させるために薄板１をワーク７に押し付けながら溶接する。
（ｄ）レーザ照射条件を切断が可能な条件に変化させ、溶接部の周辺をレーザ切断１１する。
（ｅ）薄板１の不要な部分をワーク７から切り離す。
（ｆ）次の薄板１を先の薄板上に裁置し、薄板１に液体又は気体によるチャンバ８内の圧力でワーク７側への応力を付加する。
（ｇ）上記（ｂ）〜（ｆ）の工程を繰り返すことにより薄板を積層し、所望の形状に近い形状を創成する。
（ｈ）切削、研削及び研磨加工することにより、所望形状に修復された立体形状物からなる製品１２を得る。
【００１２】
図４に示した加工において、薄板１にワーク７側への応力を付加するための圧力を発生させる気体、液体として、アルゴン、ヘリウム、窒素、酸素、圧縮空気、水等がある。  アルゴン、ヘリウム、窒素、水には薄板１の溶接、切断の際の酸化を抑制する効果があり、水は前記気体よりも大きな圧力差を発生させることができるため、積層する板厚を厚くすることが可能である。
また、溶接、切断の加工条件はレーザ出力、レーザの走査速度、走査経路、加工雰囲気、ワークに照射されるレーザのスポットサイズ等を変化させることにより可能であるが、レーザパルスの照射時間、照射周波数を機械的にシャッタ、又はＱスイッチ等で変化させる方法が有効である。
【実施の形態４】
【００１３】
図５は、金型等のワークを用いることなくベース部材を利用して成型形状の高さ精度を確保しながら薄板から立体形状を創成する場合を説明したものである。
（ａ）において、薄板１に流体による圧力負荷、マグネットによる吸着或いはエアブロー吹き付けにより、応力付加を行う。
（ｂ）において、薄板１の所望の部分にレーザを照射して薄板１を変形可能な温度まで昇温し、前記応力付加によりベース２に倣い変形させる。この工程を繰り返すことにより、段状の形状のものも形成できる。
（ｃ）において、仕上げ成形して、所望形状に創成された立体形状物からなる製品を得る。
【実施の形態５】
【００１４】
図６は、上記実施の形態１乃至３で説明した薄板のレーザ成形、レーザ溶接及びレーザ切断を組合わせた加工工程と機械加工工程とを同一機上で複合化することにより、３次元回路積層基板の形成の例を説明する概略図である。
工程順に作業内容を説明すると以下のとおりである。
（ａ）薄板１を基板１４上の形状創成箇所へ配置し、薄板１に液体又は気体によるチャンバ８内の圧力で基板１４側への応力を付加する。この応力は、後述するレーザ照射で高温になった薄板１変形させ得る力となる。薄板１は、回路用導電材、基板用絶縁材を交互に用いる。
（ｂ）レーザを照射９することにより薄板１を変形可能な温度まで昇温し、基板１４形状に倣う形で密着させる。
（ｃ）レーザ照射条件を溶接が可能な条件に変え、倣った薄板１を溶接１０する。このとき、溶接品位、精度を向上させるために薄板１を基板１４に押し付けながら溶接する。
（ｄ）レーザ照射条件を切断が可能な条件に変化させ、溶接部の周辺をレーザ切断１１する。
（ｅ）薄板１の不要な部分をベース部材２から切り離す。
（ｆ）次の薄板１を先の薄板上に裁置し、薄板１に液体又は気体によるチャンバ８内の圧力で基板１４側への応力を付加する。
上記（ｂ）〜（ｆ）の工程を繰り返すことにより薄板を積層し、所望の３次元回路に近いを立体形状物を創成する。
（ｇ）切削、研削及び研磨加工することにより、使用に適した形状、高品位の３次元回路積層基板１５を得る。
本実施の形態によれば、回路の集積化、すなわち、製品形状に合わせた高密度配線が可能になり、ほとんどの製品で製品組立工程の合理化、省スペース化が可能になる。特に、通常の携帯電話より小型で立体的な構造を要求される腕時計型形態電話への適用が期待される。
【実施例１】
【００１５】
板厚０．３ｍｍの特殊鋼板を積層し、最大平均出力１ｋＷのＹＡＧレーザで行った。
各加工プロセス毎に説明する。
（ａ）特殊鋼板は、磁力により吸着しない物が多いので、チャンバ内流体圧力を利用して応力を加えた。
（ｂ）チャンバ内の気圧を２０気圧とし、レーザ照射によって５６０℃付近まで加熱すると特殊鋼板の加熱部分が変形したので、ワーク形状に倣うまでレーザ照射を繰り返した。
（ｃ）ＹＡＧレーザ平均出力６０Ｗ〜１２０Ｗ、走査速度２００ｍｍ／ｍｉｎで特殊鋼板の所要の部分をワークにレーザ溶接した。
（ｄ）ＹＡＧレーザ平均出力４００Ｗ以下、走査速度２４０ｍｍ／ｍｉｎで特殊鋼板の不要な部分をレーザ切断した。
（ｅ）切削する形状に適した工具、加工条件を用い、仕上げ加工を行った。
【実施例２】
【００１６】
数層の３次元回路積層基板の作成例を工程に沿って説明する。なお、現在の積層基板は、主に０．１〜０．３ｍｍの回路線幅、各層を導通させるための穴径（ビア径）０．１〜０．３ｍｍで量産されている。
（ａ）絶縁基板を高品位レーザで切断を行う。基板には、機械加工で除去可能な範囲であれば熱影響層、微細クラックが存在しても良い。各層の導通を確保する部位に穴あけ加工を施すが、この径は０．５ｍｍ以下を目標とする。
（ｂ）切断、穴あけされた基板上に厚さ０．０１ｍｍ以上の導電材の薄板を押し付け、穴あけされた部分を加熱して穴形状に倣うように成形させる。基板の更に下層にある回路部分と導通させる基板穴径の半分（０．２５ｍｍ以下）の径の領域を接触させる。なお、加熱温度及び押付け圧力は、アルミ合金の場合、それぞれ５６０℃、２ＭＰａ程度である。
（ｃ）高品位レーザ溶接を行う。溶接幅は、０．０３ｍｍ以下とする。
（ｄ）配線部分を溶接幅（０．３ｍｍ以下）に切断する。
（ｅ）希望形状に切削加工する。寸法精度±０．０５ｍｍ以下とする。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態に係る複合加工プロセスの加工工程の第１の例を説明する概略図である。
【図２】図１に示した加工を行う際にベース部材２に薄板１を押し付ける手段として磁力吸着以外の押し付け手段の変形例を説明する概略図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る複合加工プロセスの加工工程の第２の例を説明する概略図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る複合加工プロセスの加工工程の第３の例を説明する概略図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る複合加工プロセスの加工工程において、金型等のワークを用いることなく薄板から立体形状を創成する場合を説明する概略図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る薄板のレーザ成形、レーザ溶接及びレーザ切断を組合わせた加工工程と機械加工工程とを同一機上で複合化することにより、３次元回路積層基板の形成の例を説明する概略図である。
【符号の説明】
【００１８】
１    薄板
２    ベース部材
３    レーザ溶接
４    レーザ切断
５    製品
６    レ−ザ波長に対し透明な材料
７    ワーク
８    チャンバ
９    レーザ照射
１０  レーザ溶接
１１  レーザ切断
１２  製品
１３  空洞
１４  基板
１５  ３次元回路積層基板
【図１】
2005118997.tif 000003
【図２】
2005118997.tif 000004
【図３】
2005118997.tif 000005
【図４】
2005118997.tif 000006
【図５】
2005118997.tif 000007
【図６】
2005118997.tif 000008