14

あいち産業科学技術総合センター

研究報告2019

研究論文

革新的金型製造技術の開発とその産業応用
加 藤 正 樹 * 1 、 梅 田 隼 史 *2 、 福 田 嘉 和 * 3 、 池 口 達 治 *4 、 加 藤 淳 二 * 1

Dev elopment of I nnovative Mol d Manufa cturing Te chnology
and t he Indust rial Applicatio nMasaki KATO *1 , Junji UMEDA *2 ,Yoshikazu Fukuta *3 , Tatsuharu Ikeguchi *4
and Junji KATO * 1
Research Support Department * 1 *3 *4 , Industrial Research Center * 2
高い形状自由度を実現可能なプロセスである積層造形技術は、「製品の生みの親」である金型の製作において、内部冷却構造の付与等による高品位化に直結する技術として非常に注目されている 。本研究開発
では、積層造形による最適冷却構造の開発、カーボンコーティングによる金型の表面処理技術の開発及び積層造形に適した新規粉末材料の開発について、地域産学行政連携による集中的な研究開発を行った結果、高効率かつ均一な冷却や複合材料による造形 が可能となった。

1 . は じめ にいても、高品位化（高生産性、高精度、高耐久性、短納材料の塑性や流動性を利用した成形加工法は、さま期等）が非常に重要となっている。金属粉末を用いた積ざまな製品の製造工程で広く用いられている。被加工材

層造形技術は、金型製作においても内部冷却構造や複雑の種類に応じて、ダイカスト成形をはじめ多くの方法が形状の造形が可能になる等、高い形状自由度を実現可能実用化されているが、いずれも金型から形状を転写してなプロセスとして大きな注目を集めているが、機械的特製品を得る点では共通している。

性や材料の自由度等における技術的課題も少なくない。

従って、金型は製造業の根幹を支える重要な生産財

本研究開発は、「知の拠点あいち」重点研究プロジェクである。金型は、高度な加工技術を駆使して製造され、ト（Ⅱ）「革新的金型製造技術の開発とその産業応用」

その品質が製品の良否に直接影響するため、「製品の生として、地域産学行政の連携による集中的な研究開発をみの親」とも称されている。愛知県を含む東海地域は、実施したものである。全体の概要を図
図 1 に示す。積層

我が国のものづくりの中心であり、金型産業においても、造形による最適冷却構造の開発、カーボンコーティング国内最大の集積地である。 1)

による金型の表面処理技術の開発及び積層造形に適した金型による成形加工では、1 個の型で大量の成形が可新規粉末材料の開発により、製品の品質向上や価格競争能であり、金型は一点あるいは少数しか製作されない。

力に直結する、革新的かつ高品位な金型の開発とその産一方、寸法精度、強度への要求は厳しいため、高硬度か業応用を推進した。

つ脆性を示す難加工材（特殊鋼）が多用される。
成形性や金型寿命の点からは、金型の成形面の冷却が有効であるが、鋼材を切削加工して作製する金型の内部に複雑な冷却水管等の構造を付与することは、非常に困難である。また、表面の加熱・冷却を反復する環境で使用されるため、金型表面にヒートチェック（熱疲労亀裂）が生ずる場合があり、その補修にも多くの時間と費用を要している。
近年、自動車の電動化や国際的な価格競争の激化等、経済・社会的環境の大きな変化に伴い、成形体も複雑かつ多様化が進むとともに、迅速な製品化が強く求められ

図1

研究の概要ている。そのため、「製品の生みの親」である金型にお*1 共同研究支援部

試作評価室 *2 産業技術センター 化学材料室(現企画連携部評価室(現産業技術センター) *4 共同研究支援部 試作評価室(現企画連携部)企画室)*3 共同研究支援部

試作15

2. 実 験 方 法

同様に、アルミ重力鋳造成形、プラスチック射出成

2 .1 積層 造形 金型の 評価形及び深絞りプレス成形においても、金型の成形面を冷2.1.1 金 型 の 設 計 及 び 試 作却するための内部構造を設計した。ゴム成形金型では、アルミダイカスト成形、アルミ重力鋳造成形、ゴムアンダーカット形状を有する成形品の金型を設計した。

成形、プラスチック射出成形及び深絞りプレス成形の各それぞれの設計データに基づき、粉末床溶融結合型

成 形 法 に つ い て 、 参 画 機 関 に お い て 金 型 を 3D-CADの金属積層造形装置（3D Systems 社 ProX DMP 200）

（Dassault Systèmes 社 SOLIDWORKS 等）により設を用いて、金型を作製した。

計した後、編集ソフトウェア（Materialize 社 Magics
RP）積層造形用のデータとして変換した。
例えば、アルミダイカスト成形用金型の場合、金型は構造的に固定型と可動型に大別され、固定型には溶湯

本装置は、金属製ベースプレートの上に、粉末床と呼ばれる原料粉末の薄層を形成した後、対応する断面図をレーザで描画して溶融・緻密化させ、これを上下方向に繰り返すとにより、造形物を得るものである。

を注入する鋳込口、可動型にはキャビティ（溶湯が充原料は、造形装置のメーカから購入したマルエージ填・固化される空間）を構成するための入れ子等が設けング鋼粉末（LaserForm Maraging Steel）を用いた。

られる。入れ子の表面冷却効果に対する内部冷却の効果

造形時の一層当たりの厚さは 30μm とした。レーザ照射を検討するため、まずモデルとする成形体の形状に合わ

条件は、出力：255W、走査速度：2,500mm/s、ビームせた入れ子の形状を作成した後、その内部に異なる 3 種間距離：50μm とした。ベースプレートは、造形装置の類の冷却構造（U 字型水管、一様なインフィル構造、最メーカから購入した SUS430 板（140×140×15mm）を適化計算によるインフィル構造）を組み入れた。外形寸用いた。

法には、機械加工に必要な加工代を加えた。

積層造形した金型は、ベースプレートから切断分離

金型の全体図を図
図 2 に示す。また、金型の内部冷却構した後、内部の空隙に充填された粉末を除去した。除去造の例として、一様なラティス構造による冷却構造を内後の状態は、工業用内視鏡（（株）SPI エンジニアリン蔵した入れ子の断面図を図
図 3 に示す。

グ HNL-1.8CAM120）を用いて確認した。
その後、必要に応じて、参画機関において熱処理に可動型固定型よる硬さの調整（HRC45 程度）を行うとともに、外周全面に機械加工を行った。アルミダイカスト金型については、機械加工後、参画機関において成形面に気相反応によるカーボンコーティング処理を行った。
2.1.2 製 造 工 程 で の 成 形 試 験 に よ る 実 証
作製した各種の金型を、参画機関の製造プロセス装置に装着して成形工程における実証試験を行い、冷却性

湯口
図2

成形体

入れ子

アルミダイカスト試験金型の全体図

能や成形性等に及ぼす効果について検討した。
アルミダイカスト成形の場合、従来法のドリル加工
穴冷却による入れ子を比較対象として、U 字冷却管またはインフィル構造を内蔵した入れ子について、それぞれダイカスト成形試験を実施し、金型表面での冷却効果を評価した。同様に、アルミ重力鋳造成形、深絞りプレス成形においても、金型の成形面を冷却するための内部構造を設計した。プラスチック射出成形においては、冷却が成形体の寸法に与える影響について検討した。
ゴム成形では、アンダーカット形状を有する金型の成形性と金型製作コストへの影響について検討した。

図 3

一様なインフィル構造による冷却構造を内蔵したアルミダイカスト成形用入れ子

2 .3 新 規 積層 造形 材料 の 造 形
積層造形が可能かつ金型及び周辺部材に利用可能な新材料として、WC/Co 系複合粉末、多元系金属ガラス

16

あいち産業科学技術総合センター

研究報告2019

粉末及びチタン酸アルミニウム粉末を選択し、金属積層造形装置を用いて造形パラメータの検討を行った。
それぞれレーザ出力、走査速度、ビーム間距離、層厚さの異なるブロック（20mm×20m×5mm）を造形し、それらの外観及び微視組織や硬さを評価した。

3 . 実 験 結 果 及 び考 察

鋳造圧力が加えられカーボンナノファイバー

湯を弾く能力ありアルミ

溶湯が直ちに凝固する

型冷却

金型

金型

3 .1 . 1 金 型の設 計及 び試 作

型冷却アルミダイカスト成形用の入れ子について積層造形後の状態を図
図 4(a)、機械加工後にカーボンコーティング処理を行ったものの外観を図
図 4(b)に示す。造形ままの状

図 5

アルミダイカスト成形金型に対するカーボンコーティング処理の概要及び効果

態における大きな変形は認められず、外周の機械加工を行うことにより金型として利用可能なことが確認された。
ゴム成形では、マルエージング鋼により成形試験用の評価型を作製し、成形試験を実施した。アンダーカッ
ト形状を有する金型を、割り型とすることなく一体として作製可能なことを確認した。作製したゴム成形金型の外観を図
図 6 に示す。成形面の加工が不要な製品も多く、切削加工の場合に必要となる複雑な型設計と多くの工数が省略できるため、金型作製の費用低減と期間短縮が可(a)(b)
図 4 アルミダイカスト成形用入れ子の外観(a) 層造形後の状態(b) カーボンコーティング処理後能なことが分かった。

造形体を工業用内視鏡で観察した結果、金型の内部には設計通りのラティス構造が形成されるとともに、空図6

隙部分の原料粉体もほぼ完全に除去されており、冷却構ゴム成形金型の外観造として利用可能であることが確認された。
外周の機械加工後に行ったカーボンコーティング処

3.1.2 製 造 工 程 で の 成 形 試 験 に よ る 実 証

理についても、マルエージング鋼で積層造形した金型表

アルミダイカスト成形試験における金型表面の冷却面においても、緻密かつ十分な密着強度を有するカーボ効果について、ダイカスト成形後、金型を開いて成形体ン皮膜が形成されたことが確認された。

を取り出した直後の表面温度の分布を図
図 7 に示す。

カーボンコーティング処理は、参画機関が特許を保従来の金型では、金型表面の温度は約 300℃であった

有する金属表面処理技術で、鉄を主成分とする金属材ののに対して、U 字型水管による冷却を行った入れ子では、表層に、気相反応により窒化層を介してナノカーボン類200℃まで低下した。更に、一様なインフィル構造によを含む炭素膜を形成する処理である。アルミ合金溶湯とる冷却構造を内蔵した金型の場合には、表面温度は炭素膜は非濡れ性が高い。そのため、従来は、アルミ溶140℃まで低下し、大きな冷却効果が得られることが分

湯の保温性、湯流れ性、金型の耐溶損性の向上を目的とかった。これは、従来の金型は、ドリルで穿孔した直径してアルミダイカスト金型の表面に適用されてきた。積数 mm 程度の直管にさや管を挿入して水冷するため、層造形で作製した金型の表面に適用することで、冷却にごく局所的にしか冷却効果が得られないのに対し、U 字より低温化した金型表面での溶湯の湯流れ性を向上させ、型水管による冷却では、より多くの排熱が可能になるた成形品の高精度・高品質化、金型の長寿命化に寄与するめと推定された。一様なインフィル構造による冷却では、ことが分かった。アルミダイカスト成形金型に対するカ金型内部の冷却水量の増大に加え、格子表面からの熱伝ーボンコーティング処理の概要及び効果を図
図 5 に示す。

達による排熱が寄与し、表面温度が大きく低下したと推定された。

17
従来型技術

改善型ステップ 1

改善型ステップ 2の試作が可能となった。WC/Co30％複合粉末を用いた造形体を図
図 8 に示す。

SKD61 材
積層材

型冷却設計
ドリル穴加工

積層材
型冷却設計
曲がり穴

最高型温度

最高型温度

型冷却設計
3D 積層（革新金型）

最高型温度

図8
図 7

アルミダイカスト成形金型
金型表面の温度分布

WC/Co30%複合粉を用いた造形体

成形直後の高硬度（Hv≧1000）の造形物を得ることができ、深絞りプレス金型（パンチ型）の試作を行った。しかし、最適化計算で得られたインフィル構造による冷却構

造形体の内部にはクラックや微少な空隙が残っており、造を有する金型については、冷却効果は見られたものの、微視組織も不均一であった。試験片に熱処理を加えるこ

表面温度が 200℃を超えている部分があり、温度分布もとにより改善可能であることが分かったが、金型材料とやや不均一で、期待した結果が得られなかった。この構して実用化するためには、微視組織の均質化のための取造は、流路が極めて狭小な部分があるため、そうした部組をさらに進める必要がある。

分に冷却水が十分に流れ込んでいない、あるいは冷却水多元系金属ガラス粉末及びチタン酸アルミニウム粉

量の不足による内部での沸騰等が原因として推定された。

末についても、造形可能なレーザ照射条件を見いだすこアルミ重力鋳造成形、深絞りプレス成形においても、とができた。しかし、クラックが多く入っている等、微内部冷却構造を付与することにより、成形時の金型表面視組織の改善に向けた取組が今後の課題である。

温度を大きく低下させるとともに、微視組織や形状安定性の制御が可能なことを確認した。プラスチック射出成形の場合には、内部冷却構造の設計が成形体の寸法安定

4. 結 び
本研究の結果は、以下のとおりである。

性に大きく影響し、過剰な冷却は寸法精度に悪影響を及(1) 内部に冷却構造を有する金型（入れ子）を開発するぼすことが分かった。樹脂は熱膨張係数が大きく、温度とともに、その表面にカーボン皮膜を形成する処理差に起因する歪みが生じやすいためと推定された。

技術を確立した。参画企業での成形試験により、成ゴム成形では、アンダーカット形状の製品でも、金形時の表面温度が大幅に低下することを確認した。

型からの成形品の取り出し及び仕上げ（バリ除去）が容(2) 複雑形状の金型を一体で作製可能なことを確認した。

易に可能であることが確認された。ゴム製品の場合、弾参画企業での成形試験の結果、特にゴム成形で有用性が大きく金型からの成形体の引き抜きが容易なため、なことが分かった。

金型の一体成形に起因する支障が生じることはなかった。
今後は、実用化に向け、繰り返し安定性や信頼性評価に関する取組を進める必要がある。

(3) 積層造形が可能かつ金型材料として利用可能な新材料として、WC/Co 系複合材、多元系金属ガラス、チタン酸アルミニウムの造形を検討し、それぞれ造形可能なパラメータを見いだした。今後、微視組織

3 .3 新 規 積 層造 形材 料の 造形の均質化に向けた取組を進める必要がある。

WC/Co 系複合粉末、多元系金属ガラス粉末及びチタン酸アルミニウム粉末のいずれも、造形を可能とするパラメータを見いだすことができた。

付記
本研究は、愛知県及び（公財）科学技術交流財団のWC/Co 系では、造形時のレーザ照射条件の調整に加「知の拠点あいち」重点研究プロジェクト（Ⅱ）「革新え、ベースプレートに処理を施すことにより、造形の安的金型製造技術の開発とその産業応用」として実施した。

定性を大幅に向上させ、大型・複雑形状の造形が可能となることを見いだした。これは、造形初期における溶融文献固化反応の安定性が増すためと考えられた。これにより、

1) 愛知県県民文化部統計課: 平成 29 年工業統計調査

WC/Co30％及び 12%粉末を用いて、複雑形状の造形品