ステンレス鋼に対する高温真空成形を利用した金型製造技術の開発
福岡県工業技術センター機械電子研究所 生産技術課
専門研究員 谷川義博
（平成 24 年度一般研究開発助成 AF-2012025）
キーワード：金型，真空成形，圧空成形
１．研究の目的と背景
通常、製品の量産には金型が使用される。金型の加工精度は、箔から離型する。
工程 4.SUS 箔をチャンバーから取り出し、裏面にバックアップ材

その金型を使用して製作される製品の要求精度により決まるため、を取り付け、不要箇所を取り除き金型入れ子が完成する。

高精度な製品を製作するには、高精度な金型が必要となる。高精以上 4 工程が今回開発を目指す金型製造技術である。

度金型を製作するには、高い精度の工作機械と技術が必要となる。
SUS 箔

更に、量産性や生産コスト低減から、金型は多数個取り金型となるが、その取り数は年々増加する傾向にある。多数個取り金型は、同工程 1B

一形状を同じ精度で多数個加工する必要があるため、多くの加工A時間と精度維持のためのノウハウが必要となる。中でも、半導体関連製品や医療関連製品等の微細な製品の金型では、微細工具をマスター型使用した加工になるため、これらの金型製造には更に多くの技術やノウハウが必要となる。
一方、量産工場を海外へ移転したメーカーでも、研究開発部門や試作部門は国内に残しているメーカーも多くある。さらに、前述

工程 2

ステンレス箔の加熱
A：真空
B：不活性ガスのような、高い精度を必要とする部品に関しては国内企業へ発注するメーカーも多い。
以上のことから、国内モノ作り企業が今後諸外国に対し、競争力を維持し、発展していくためには、試作及び量産に対応可能で、従来工作機械による機械加工のみでは対応が困難な、高精度金型を短時間で製作する新技術を開発していく必要がある。

工程 3
A、B：大気開放

そこで著者らは、LED 用樹脂レンズ金型を製造する技術として、高温に加熱した金型材にレンズ形状に加工したセラミックスを押し付け高精度な金型入れ子を作製する転写金型製造技術を開発した。1)
しかし、この転写金型製造技術は金型ブロック材にマスター型形状を転写するため、1 度の成形で軸対象形状製品を 1 製品形状SUS 箔の取り出しバックアップ材の取り付け工程 4しか成形できなかった。
そのため本研究では、高温に加熱した SUS 箔を真空・圧空成形を利用することで 4 つの製品形状を成形する技術の開発を試みた。

２．金属箔成形装置の開発

図 1. SUS 箔成形工程

2.1 高温真空成形を利用した金型製造工程
本研究で開発を目指す高温真空成形を利用した金型製造技術の工程を図 1 に示す。

2.2 SUS 箔成形装置の設計・製作
次に、SUS 箔成形装置の設計・製作を行った。装置構成を図 2 に、

工程 1.SUS 箔と製品形状であるマスター型を真空チャンバー内

上下チャンバー部外観を図 3 示す。今回、SUS 箔の加熱は、チャにセットする。この際真空チャンバーは SUS 箔を境に A 層と B 層ンバー内にセットした状態で行う必要がある。また、SUS 箔の成形に分かれた状態となる。

性を向上させるためには、SUS 箔が十分に軟化するまで加熱する

工程 2.A 層を真空、B 層を不活性ガスで加圧した状態で SUS必要があるため、目標加熱温度を 1000℃とした。このため、SUS 箔

箔を軟化温度まで加熱して、A 層側に設置したマスター型を上の昇温には通電加熱方式を用いることとした。通電加熱の電源に昇させ SUS 箔に押し当てマスター型形状を転写する。
工程 3.SUS 箔冷却後、A 層、B 層を大気開放しマスター型を SUS

は、Panasonic 社製直流 TIG 溶接機 YC-300BZ2 を使用した。マスター型を設置した下部ステージの移動には、オリエンタルモータ

ー社製電動シリンダーユニット DRS60SG-05MKA を用いた。

を行った。箔厚 50μm、80μm、100μm の異なる厚さの SUS 箔を電極間距離 75mm で装置にセットし、チャンバーB を取り外した状態で、供給する電流値を 200A～260A まで変化させその時の SUS

チャンバーB

加熱用電源

箔温度を測定した。SUS 箔温度の測定は、上面からチノー社製サーモビジョン CPA-8200 を使用し行った。SUS 箔の厚さや電流値により最高温度までの到達時間は異なるが、全ての条件において加熱開始 5 秒以内に安定し最高温度まで到達した。その時の SUS
箔表面温度を図 4 に示す。昇温の際、チャンバーA は 7×10-3Pa

SUS 箔の高真空状態となっている。
セラミックス治具

チャンバーA
電動アクチュエータ

電動アクチュエーター
Ar ガスボンベ

真空排気装置コントローラー

SUS箔表面温度（℃）

1300

50μm-W50mm
80μm-W50mm
100μm-W50mm

1200
1100
1000
900
800
700
100150

200

250

300

電流値（A）

図 2. SUS 箔成形装置構成図

図 4. 電流値と SUS 箔表面積の関係
図 4 に示すように、SUS 箔温度を 1000℃まで上昇させるのに必チャンバーB

要な電流値は、箔厚 50μm で 162A、80μm で 223A、100μm で262A と箔厚が薄い方が低い電流値でも高温に加熱され、グラフの傾きから電流値の変化の影響を受けやすいことが分かる。
板材を高温に加熱してプレス成形を行うホットスタンピングにおいて板材がポンチに接触した際の板材の温度低下が課題となっている。2)本研究においても図 1 に示すように高温に加熱した SUSチャンバーA

箔をガス圧を使いセラミックスマスターに押し付け形状を転写するため、温度低下が生じると予想される。このため加熱した SUS 箔をセラミックスマスターに接触させ、その時の SUS 箔温度の変化をサーモビジョンで測定した。今回通電加熱に使用した電源の仕様は最大 290A となっており、箔厚 100μm の SUS 箔は図 4 に示しように 1098℃までしか昇温できない。このため、セラミックスマスター接触時の温度低下等を考慮すると今回の実験では箔厚 100μmの SUS 箔の使用は厳しいと判断し今度は箔厚 50μm と 80μm の

図 3. SUS 箔成形装置チャンバー部外観SUS 箔を使用することとした。
実験は、50μm と 80μm の SUS 箔表面の温度をサーモビジョンの測定値でそれぞれ 1165℃、1168℃まで加熱した状態でセラミSUS 箔の加熱には通電加熱方式を使用しているため、SUS 箔はセラミックス治具で挟み込み固定しており、このセラミックス治具を上部チャンバーと下部チャンバー間に固定することで SUS 箔を境ックスマスターに接触させ、その時の温度低下について調べた。
その結果を図 5 に示す。
図 5 に示すように室温から 1165℃まで加熱した後セラミックスマに上下チャンバー内を真空状態と加圧状態に維持した状態でスター型が接触すると SUS 箔表面温度は、それぞれ箔厚 80μmSUS 箔を加熱可能な構造としている。

は 696℃、50μm は 698℃に低下する。SUS 箔にセラミックスマスターが接触した状態で加熱を継続すると 25 秒で箔厚 80μm のSUS 箔表面温度は 881℃、50μm の SUS 箔は 770℃まで SUS 箔

３．実験方法表面温度は上昇した。このセラミックスマスター接触後の温度上昇

3.1 SUS 箔加熱実験の差は、加熱している SUS 箔体積の違いによる熱容量の差によっ製作した装置に SUS 箔をセットして、通電加熱による昇温実験て生じていると思われる。

圧での電流値に対する変形高さの影響が大きいため、SUS 箔が破1200れずに大きく変形させるための条件設定範囲が狭くなり、最適条1000件の設定が厳しく取り扱いが難しくなる。

800
600

880μm

40050μm

2000012工345程

変形高さ(mm)SUS箔表面温度（℃）

50μm と 80μm の SUS 箔を比較した場合、50μm の方が各ガス
1400

640.2MPa
0.4MPa2

図 5 SUS 箔厚さの違いによるマスター接触後の温度状況

0140

150160170
電流値(A)

3.2 ガス加圧による SUS 箔変形実験

べる。SUS 箔を固定する上下のセラミックス治具には中央部に□20mm の貫通孔穴が空いており、チャンバーB 側の穴から任意の変形高さ(mm)を加圧した状態で、SUS 箔を加熱し成形させその時の変形量を調1908確認できたため、次にセラミックスマスターを取り付けない状態でし、チャンバーB にアルゴンガスを供給することでチャンバーB 内180a) 箔厚 50μm

本装置を使い短時間で SUS 箔を高温まで加熱可能であることがの SUS 箔の変形実験を実施した。チャンバーA を高真空状態に0.3MPa
0.5MPa

圧力で加圧した状態で、SUS 箔を加熱することで SUS 箔は A チャ

6420.2MPa
0.4MPa0

ンバー側（下方向）に図 6 に示すような凸形状に変形する。

210220230240
電流値(A)

0.3MPa0.5MPa250260b) 箔厚 80μm
図 7. SUS 箔変形量に対する電流値とガス圧の影響

測定箇所

図 8 に厚さ 80μm の SUS 箔に対し、ガス圧 0.2MPa と 0.4MPaで加圧した状態で、電流値 220A（955℃）で加熱した時の SUS 箔変形断面形状を示す。

図 6. 変形した SUS 箔測定箇所
この際供給する電流値とガス圧力値を変え SUS 箔の変形量に与える影響を調べた。変形量の評価は三鷹光器社製非接触形状測定装置 NH-3SP を使い、図 6 に示すように変形した SUS 箔凸形状部中央の断面形状を測定しその高さで比較することとした。

変形高さ(mm)

60.2MPa
0.4MPa420-12-8-4-204812

測定位置(mm)

厚さの異なる SUS 箔に対し図 4 の結果を基に SUS 温度が同程度となるように、箔厚 50μm では電流値を 150A～170A、箔厚 80

セラミックス治具ポケット寸法（20ｍｍ）μでは 220A～250A とした。加熱時間は 10 秒とし、ガス圧 0.2MPa～0.5MPa で実験を行った。電流値と変形高さの関係を図 7 に示

図 8. SUS 箔変形実験断面形状（□20mm 治具）す。
同一圧力での変形高さを比較すると、箔厚 50μm の方が材料強度小さい分、変形高さは高くなっており容易に変形できることが

ガス圧 0.2MPa と 0.4MPa とでは変形高さは異なるが、どちらの分かる。50μm、80μm ともに変形高さ 5mm を超えると SUS 箔に場合も図 8 の破線で示すようにセラミックス治具の□20mm ポケット

小さな穴が空いたり破れたりしてしまうため、□20mm ポケットの治エッジ部から 3mm 程度の箇所までとその内側では変形状態に違具を使用して変形させた場合の変形限界高さを 5mm と設定した。

いが生じている。この様に SUS 箔に不均一な変形が生じたのでは高精度な成形は不可能である。この不均一な変形は、図 5 の結果へ放熱され、SUS 箔の温度が中央部に対しセラミックス治具近傍が低くなるためだと考えられる。高精度な金型入れ子を作製するためには、金型入れ子外周寸法である□20mm 範囲内での SUS 箔の変形を均一にしなければならない。そのためには、□20mm 範囲内での SUS 箔の温度分布を低減する必要がある。セラミックス治具への放熱による温度低下が接触部から 3mm 程度であり、□

1400

SUS箔表面温度（℃）

からも分かるようにに SUS 箔の熱が接触しているセラミックス治具

1200
1100
1000
900

800

20mm 範囲内の温度を均一にするためには、治具ポケット寸法を190中央部から片側 3mm 以上大きくすれば良いと考え、セラミックス治具ポケット寸法を図 9 に示すように下側治具□30m、上側治具□
37mm とし変形実験を行った。

□20mmポケット□30mmポケット

1300

210230250270

電流値（A）
図11. セラミックスポケット寸法のSUS 箔温度への影響
3.3 平面マスターを用いた SUS 箔成形実験
これまで得られた SUS 箔変形実験の結果を基に、金型入れ子37mm

外周形状を成形する実験を実施した。入れ子外周形状はコーナSUS 箔ーR3mm の□20mm で高さ 1.5mm 以上とした。この形状を成形するためには、変形高さ 5mm となる変形量が確保できれば十分であ30mmる。SUS 箔成形装置電動アクチュエーター上部にセラミックス平面マスターを固定し、厚さ 80μm の SUS 箔の変形高さが 5mm となるように、でチャンバーB 内を 0.35MPa に加圧した状態で、220A を通電し 1060℃に加熱し SUS 箔成形実験を行った。図 12 に示す
20mm

下治具□20mm ポケットから平面マスター上面までの距離 L を加熱開始前から 1.91mm で固定し、加圧、加熱を行った。断面形状を

図 9. ポケット寸法を拡げたセラミックス治具

図 13 に示す。

図 10 に図 9 の治具をしようして、ガス圧 0.2MPa と 0.4MPa で加圧した状態で、電流値 220A（955℃）で加熱した時の SUS 箔変形37mm

SUS 箔断面形状を示す。
30mm0.2MPa
0.4MPa変形高さ(mm)

64L2平面マスター

20mm0-12-8-4-204812

図 12. 平面マスターまでの距離 L（ｍｍ）

測定位置(mm)

図 10 に示すように、治具ポケット寸法を大きくすることで治具エッジ部から 3mm 程度で生じる形状の変化は図 8 と比較して滑らかになっており、変形高さも大きくなっていることが分かる。これは、治具ポケット寸法を大きくすることで、□20mm 範囲内の温度分布が低減するとともに、同領域内でセラミックス治具への放熱量が低下

43210変形高さ(mm)

図 10. SUS 箔変形実験断面形状（□30mm 治具）-16-12-8-404
測定位置(mm81216

図 13. 平面マスター固定状態での成形実験結果したこととにより、到達温度が高くなったため、□20mm 範囲内でのSUS 箔の変形が□20mm ポケットよりも均一に変形したためだと推

平面マスターは加熱開始前から L=1.91mm で固定した状態で、察できる。図 11 に□20mm ポケット治具及び 30mm ポケット治具を変形高さ 5mm となる成形条件で成形しても SUS 箔は□20mm×使用して厚さ 80μm の SUS 箔を加熱したときの SUS 箔表面温度1.9mm の内側に押し付け成形することができなかった。

を示す。

次に平面マスターを L=4.56mm に固定した状態で加圧、加熱を開始し、平面マスター上昇前に十分な表面積が確保できるようにと異なる条件で成形した時の断面形状を図 16 に示す。

変形させた後、マスターを L=1.91mm まで上昇させて成形を行った。その結果を図 14 に示す。

変形高さ(mm)4321-16-120-404
測定位置(mm)-881216

図 16 .前加圧－後加圧成形形状比較
加熱後加圧することで、□20mm の治具エッジ部から均一に変セラミックス治具ポケット寸法（20ｍｍ）形しており、前加圧とは形状が異なることが確認できる。
図 14 の平面マスターを用いた成形実験と同じ電流値（220A）と図 14. 平面マスター加熱後移動での成形実験結果

ガス圧（0.35MPa）で加熱、加圧の順序を逆にして成形形状を比較
平面マスターを下げた状態で、SUS 箔を変形させた後平面マスした。その結果を図 17 に示す。

ターを上昇させることで、加熱前から平面マスターを上昇させた状態より□20mm×1.9mm の内側に SUS 箔を充填できることが分かる。しかし、図 12 での L=1.91mm の高さは測定位置 0 の位置から破線までの高さであるが、図 14 に示すように□20mm ポケット位置まで十分に成形できておらず、更に深い位置まで押し込まれている。これは、ポケット形状を□30mm とすることで、図 10 に示すように変形形状は滑らかになったが、□20mm 領域内での温度分布が生じているためだと思われる。今回の実験では予めチャンバーBを加圧した状態から SUS 箔を加熱するため、SUS 箔全体が目標温度に到達する前に徐々に変形し、セラミックス治具に接触した時点

図 17. 平面マスター成形実験における加圧順序の影響で放熱を開始し温度分布が生じたためだと思われる。
そのため、SUS 箔を□20mm 範囲内で図 10 より均一に変形させる

今回の実験条件では、前加圧も後加圧も図 17 に示すように□ため、チャンバーB を真空にした状態で SUS 箔の加熱を開始し、20mm×1.91mm 内前面に SUS 箔を押し込むことはできなかったが□20mm 内の SUS 箔温度が目標温度に到達した後（加熱開始 5

その結果には違いが生じた。2 つの工程での成形結果を比較する秒後）加圧する実験を行った。図 15 に電流値 220A で加熱したと、 後加圧は□20mm ポケットのエッジ部から全面がポケット方向

後、ガス圧 0.4MPa で加圧した時の断面形状を示す。に変形しているのに対し、前加圧では図 14 同様エッジ部近傍は逆方向に押し込まれている。これは前加圧の方が□20mm 内の変変形高さ(mm)形量が大きいが、温度分布があるため平面マスターで押し込んだ-126

際、□20mm ポケット内に広がらず、逆方向に押し込まれたためで4ある。しかし、図 16 の結果及び図 17 からも分かるように後加圧で2はポケット内側前面に SUS 箔を押し付けるだけで表面積を確保するのは加熱温度、ガス圧力の関係から困難だと思われる。そこで

0-8-404-2
測定位置(mm)812

図 15 .加熱後加圧で成形した SUS 箔断面形状

第一工程として前加圧で十分な表面積を確保した後、第二工程として、□20mm の範囲内を均一に加熱した状態でチャンバーB 内にガスを充填し、SUS 箔を均一に変形させながら横方向に広げポケット内側に押し付ける方法を用いることとした。
第一工程として平面マスターを L=5.2mm で固定し 0.5MPa で加加熱後に加圧することで、□20mm の治具ポケットエッジ部から段圧した状態で、210A で 10 秒加熱後 L=3.15 まで上昇して一旦加差無く変形していることが確認できる。変形高さが図 10 の結果と比熱、加圧をストップし、L=4.06 まで下降させる。第二工程で、230A

較して低くなるのは、SUS 箔が加熱された状態でチャンバーB 側で 5 秒加熱した状態で 1.1MPa に加圧し L=1.67 まで上昇させた。にガスが流入することにより SUS 箔が冷却されたためだと思われ断面形状を図 18 に示す。

る。そのため、加熱前の加圧と後加圧で同じ変形高さになるよう、前加圧はガス圧 0.3MPa、電流値 200A、後加圧は 220A、0.4MPa

が 1000℃となる条件を調べた結果 13000℃で 1 分以上の過熱が必要なことが分かった。このため表 1 の最終加熱温度及び継続時間は 1334℃で 1 分 40 秒とした。

20mm

図 18. 2 工程での成形実験断面形状

断面測定位置前加圧成形と後加圧成形を組み合わせることで、図 18 に示すよう

b)成形品外a)マスター外観に□20mm のエッジ部から SUS 箔が変形し凹形状の壁部に沿って成形されることが分かる。測定位置 10mm の箇所で形状が変形高さ 0mm になっているのは側面壁部が垂直であるための測定エラーによるものである。

c)マスター測定結果

3.4 小型電子スイッチ形状成形実験d)成形品測定結果

これまでの実験結果を基に小型電子スイッチ形状 4 個取り金型をモデルとした成形実験を行った。図 19 にモデル形状を示す。
製品形状部の高さは 0.19mm である。

e)製品部断面形状比較
図 20. 小型電子スイッチ成形実験結果

3.6mm

1.5mm

3.3mm3mm

図 20 に示すように、入れ子外周部である凹形状に関しては□20mm で形状転写はできたが、製品部形状である高さ 0.19mmの凸形状部は形状底面隅部まで SUS 箔を押し込めておらず、高精度に転写することができなかった。この様な微細形状細部の転写ができなかったのはガス圧不足が原因だと思われる。

図 19. 小型電子スイッチ金型モデル形状

4．まとめ
今回の研究で以下の結論を得た。

マスター型材料には黒崎播磨㈱社製高純度アルミナセラミッ
クス MA995 を使用した。成形工程を表 1 に示す。

①

通電加熱を利用した金属箔の真空・圧空成形装置を開発した。

②

金属箔の成形には，予め成形に必要な表面積を確保する工程と確保された金属材料をマスター型表面意押し付ける工程

表 1. 小型電子スイッチ成形条件・工程が必要であることが分かった。

工程

SUS温度

圧力

L

020℃

1.1MPa

4.5mm

1938℃

1.1MPa

2.5mm

2300℃

0MPa

3.5mm

31284℃

1.35MPa

2mm

4300℃

0MPa

2.5mm

51334℃

0MPa

1.5mm

本研究は公益財団法人天田財団平成24年度助成事業により実施

61334℃

1.4MPa1.5mm

したものであり，ここに謝意を表す。

③L開発装置を使った成形では凹形状は精度よく転写できるが凸形状は圧力不足のため底面隅部の形状が転写できなかった。

④ 高精度の成形にはSUS箔のセラミック治具及びマスター型接触時のSUS箔温度低下対策が重要であることが分かった。

マスター
謝辞

加熱された SUS 箔がマスター型に接触した時点で放熱によ温

参考文献

度が低下するが、3.1 で述べたように一定時間加熱を継続すれ

1）谷川義博・中村憲和・他 6 名：2008 年度精密工学会秋季大ば再度上昇することが確認できている。平面マスターを使った会学術講演会講演論文集，73-74(2008)

予備実験において、厚さ 80μm の SUS 箔を使用して再上昇温度

2)瀬沼武秀：天田財団受精研究成果報告書，Vol.24，52-56