Manufacture of an Advanced Plastic Injection Mold by Laser Sintering

金属光造形複合加工法による
高機能射出成形金型製作
漆 崎 幸 憲 上 出 義 和
㈱ 松浦機械製作所
金属光造形複合加工機 LUMEX Avance-25 は積層造形と切削加工を備
えたハイブリッド加工装置である。本加工法は金型技術の海外流出に歯
止めをかけるべく、プラスチック射出成形用金型製作を目的として開発
され、金型製作期間・コストの低減を実現している。
1．緒言
近年、モバイル機器に代表されるような製品ライフ
て、ワンマシン・ワンプロセスで試作量産に対応可
サイクルが短く生産ロット数が少ない多品種少量生産
能なプラ金型を製作できる「金属光造形複合加工法」
の製品が続々と開発されており、開発段階からリード
が開発された。マツウラでは金属光造形複合加工機
タイム短縮、品質確保、コスト削減がますます要求さ
『LUMEX Avance-25』
（写真 1）を製品化し製造販売
れている。これに対応するため、短納期・低コストの
を行っている。本稿では金属光造形複合加工法及び
プラスチック射出成形用金型（以降、プラ金型と記す）
加工機と、本加工機にて製作した金型の事例につい
作りを目的として、積層造形技術のひとつである「金
て紹介する。
属光造形法」が使用されるようになったが、造形品の
寸法精度と表面粗さがプラ金型として使用できるレベ
ルではなく、後工程として切削加工や放電加工などが
不可欠となることにより製作期間やコスト等の面でメ
リットが少ないため、普及は進んでいない。
このような背景から、プラ金型の製作において短納
期・低コストとスキルレス化・長時間無人運転の実現
を目的として、レーザで金属粉末を直接溶融・焼結し
てニアネットシェイプに積層造形する「金属光造形法」
と、株式会社松浦機械製作所（以降、マツウラと記す）
のコア技術である「高速・高精度切削加工」を融合し
写真 1 金属光造形複合加工機『LUMEX Avance-25』
2．金属光造形複合加工法とは
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2．1 金属光造形法
に、造形テーブル上に材料となる金属粉末を供給し
金属光造形法は薄い層を重ねて 3 次元形状を造形
て薄い層を作り、レーザビームの照射により所望の
する積層造形技術のひとつである。図 1 に示すよう
断面形状を瞬間的に溶融、凝固させる。さらに造形
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特集 多様なニーズに対応する金型材料と積層金型技術
テーブルを 1 層の厚さ分下げて同様に粉末を供給し
を 行 う。LUMEX Avance-25 で は 通 常 1 層 の 積 層
てレーザビームを照射する。この工程を繰り返して
厚さ：50 m にて造形を行い、10 層分造形した段階
積層することによりレーザビームによる溶融部分が
（0.5 mm）で切削加工を行う。この造形と切削の工程
立体形状となる。レーザビームが照射されていない
を繰り返すことにより、表面が仕上げ加工された 3
部分は粉末のままの状態であり、再利用が可能であ
次元形状の造形物をワンマシン・ワンプロセスで作
る。なお、レーザビームの照射プログラムは 3 次元
製する。その加工精度は±25 m 以内、面粗度は最
モデルから作成される。
大高さ（Rz）で 10 m 以内である。写真 2 に金属光
金属光造形による造形物の特徴としては、アン
造形法の造形物と、本複合加工による造形物の写真
ダーカット形状や中空構造など通常の機械加工では
を示す。
加工できないような形状も含め、比較的自由な形状
この加工法の特徴として、造形の途中で切削加工
の造形が可能であることが挙げられる。しかしなが
することにより従来マシニングセンタでは加工でき
ら、粉末材料を使うという特性上、寸法精度や面粗
なかった深いリブや深穴の加工が、一般的に市販さ
度が数百 m となり（使用する粉末材料による）、プ
れている通常の切削工具を用いて加工することが可
ラ金型として使うためには後加工として機械加工や
能ということが挙げられる。この特徴により、プラ
放電加工がどうしても必要となる。
金型の製作において従来必要としていた放電加工、
放電加工用電極の作製といった工程を削減し、且つ
2．2 金属光造形複合加工
多数個に分割して作製する必要のあった金型を一体
図 2 に金属光造形複合加工法を示す。この複合加
型、または最小の分割数で作製することが可能と
工法では、金属光造形にてある高さまで造形した
なった。
段階で造形物の表面となる部分の切削仕上げ加工
スキージングブレード
レーザ
金属粉末
材料テーブル
造形テーブル
粉末供給
レーザ焼結
図 1 金属光造形方法
写真 2 金属光造形（上）と複合加工（下）
の造形物比較 図 2 金属光造形複合加工法
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3．金属光造形複合加工機の紹介
3．1 機械の構成
れた酸素は機械後部より機外に排出されるので、
LUMEX Avance-25 の主な構成と特徴を以下に
密閉された部屋で本加工機を稼働しても、オペ
示す。
レータが酸欠になることはなく安全である。
（1）金属光造形機構と高速・高精度切削加工機構を
（6）造形テーブルには予熱ヒーターを装備し、加工
コンパクトにハイブリッド、ワンマシンにまと
開始から終了までの造形部温度を極力一定化す
めた。
ると同時に、その周囲を冷却プレートで冷却し、
（2）切削加工のためにマツウラの持つキーテクノロ
ジーの一つである高速・高剛性主軸を搭載。標
造形・切削加工における機械の熱変位量を最小
とした。
準仕様として主軸テーパ特殊 # 20 仕様（最大回
（7）長時間にわたってレーザ金属光造形と切削加工
転数：45,000 min ）、オプションではφ6 mm の
を繰り返すので、切削工具を 20 本収納できる工
主軸コレット仕様（最大回転数：60,000 min-1）の
具交換装置を標準で装備。切削工具は自動運転
主軸を搭載し、小径工具を用いるに際し、十分
中でも機外の段取ドアから交換が可能となって
な回転数を実現している（写真 3）。また、加工
いる。また工具の破損・摩耗を検出するために
ヘッドの送り駆動軸（X/Y/Z）にはリニアモータ
自動工具長測定装置や工具寿命管理機能も標準
を搭載して軸送り加減速度を高め、微細・複雑
で装備した。
-1
形状の切削における加工時間短縮を実現した。
（3）上下に昇降可能な造形・切削加工テーブルを機
械中央前面に配置し、オペレータからの接近性
（8）造形位置と切削加工位置を自動一致させるため、
CCD カメラと自動補正ソフトを標準で装備して
いる。
と作業性を良くした。また材料粉末供給はその
タンクを操作盤の裏側に、造形部への供給機構
3．2 機械仕様
は造形・切削加工テーブル右横にコンパクトに
LUMEX Avance-25 の主な仕様を表 1 に示す。
配置した。なお材料タンクへの材料粉末補給は、
造形・切削加工中でも機外から可能とした。ま
た切削工具についても造形・切削中の補給・交
換を可能とし、補給・交換による造形・加工室
内への窒素再充填を不要とした。
（4）レーザビームの走査は弊社製のガルバノメータ
を採用したミラー走査である。コントローラは
弊社製のデジタル制御とし、絶対値エンコーダ
を採用し高精度位置決めを実現している。また、
レーザ発振器は最大出力 400W の Yb ファイバー
レーザを採用、本レーザ発振器の冷却用チラー
を標準で装備している。
（5）造形室内を窒素（無酸化）雰囲気にする方式とし
て、付属の窒素分離装置により本機に供給され
る圧縮空気を窒素と酸素に分離して、造形室内
に窒素のみを送り込む方式を採用した。分離さ
表 1 機械仕様
最大造形サイズ
250 × 250 × 185（mm）
最大許容重量
90（kg）
レーザ発振器
Yb ファイバーレーザ
レーザ最大出力
400（W）
加工点ビームスポット径
φ 0.1 ∼ 0.6（mm）
レーザ走査方式
ガルバノメーターミラー
最大レーザ走査速度
5.0（m/s）
主軸回転速度
45,000（min-1）/Op. 60,000（mm-1）
最大軸送り速度 X / Y / Z 60 / 60 / 30（m/min）
最大加速度 X / Y / Z
1.0 / 1.0 / 0.5（G）
工具収納本数
20（本）
最大工具径
φ 10（mm）
3．3 造形テクノロジー
（1）レーザ発振器
金属光造形複合加工機の開発当時は炭酸ガス
レーザを搭載していたが、加工精度の追求と加工
時 間 の 短 縮 と を 実 現 す る た め に、 現 状、LUMEX
Avance-25 には最大出力 400 W の Yb ファイバーレー
ザを搭載している。ファイバーレーザはビーム品質
が高いことにより、ビームスポット径の微細化が可
能 で あ る。LUMEX Avance-25 で は 加 工 点 に お い
-1
-1
写真 3 45,000 min 主軸（左）と 60,000 min 主軸（右）
50
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て 0.1 mm の最小ビームスポット径を実現している。
特集 多様なニーズに対応する金型材料と積層金型技術
Ag
XYミラー
Cu
Zフォーカスレンズ オブジェクトレンズ
Al
吸収率
焦点距離（Z＋ΔZ）
Carbon steel
Ni
ΔZ補正
造形テーブル
Excimer Laser
Fiber Laser／YAG Laser
CO2 Laser
図 4 ビームスポット径の制御
波　長
図 3 各種金属材料におけるビーム波長と吸収率の関係
において指令値通りのビームスポット径を得ること
また、ビームの安定性の高く、メンテナンスフリー
が可能となっている。
であるため、安定した造形状態を保つことが可能と
なっている。さらに図 3 に示すように、炭酸ガスレー
（3）照射エネルギーの制御
ザと比較して各種材料に対する吸収率が高いことが
図 5 に示すように、レーザパワーやレーザ走査速
ファイバーレーザの特長として挙げられる。このよ
度といった各種造形パラメータを変化させること
うに、ファイバーレーザの採用により、高ビーム品
により粉末材料に照射するエネルギー密度を変化さ
質による集光サイズの小径化、材料に対する吸収率
せ、粗密造形を実現している。この技術を利用して
の向上が可能となり、加工精度の向上と加工時間の
造形する部品の外周部部分は十分に材料を溶かし込
短縮を実現している。
み（相対密度：99.5 % 以上）、内部はポーラス状に造
形することにより、内部応力の緩和と加工時間短縮
（2）ビームスポット径の制御
を実現している。また、後述するが、プラ金型にお
レーザビームの走査は XY ミラーによる走査に Z
いてはポーラス状の構造をガス吸引、ガスアシスト
フォーカスレンズの位置制御を加えた 3 軸制御の構
用としても利用している。
成で行われる。Z フォーカス
レンズの位置により加工点に
おけるビームスポット径を可
中密度
変とし、各種粉末材料に対し
最適なビームスポット径の選
択が可能となっている。また、
図 4 に示すように、XY 方向
の走査と同時に Z フォーカス
レンズの位置を制御すること
により造形テーブル全域にお
いてレーザビームの焦点距離
の補正を行っている。このこ
とにより、造形テーブル全域
図 5 照射エネルギーの制御による粗密造形
4．LUMEX Avance-25 によるプラ金型製作
4．1 プラ金型の設計
きない。このため、型を分割・製作して組み立てるこ
通常の機械加工では複雑な形状を有する金型、例
とや放電加工による後加工を施すことを前提とした
えば深いリブ溝構造をもつ金型は一体として加工で
金型設計を行うことが通常であった。対して金属光
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造形複合加工法では全ての造形が完了した後に切削
る。対して金属光造形法では中空構造の造形が可能
仕上げを行うのではなく、使用する最小径の切削工具
であるため、所望の位置に冷却水管となる空洞部分
刃長（首下長さ）近くの高さまで積層造形後に切削仕
を設けた造形が可能である。図 6 に今回の事例の 3
上げを行う。この加工法により従来の機械加工では刃
次元冷却水管の形状を示す。水管の設計においては
長が不足して加工できなかった深い溝も、刃長の短い
熱解析等を利用して成形品の温度分布のシミュレー
小径エンドミルで加工することができる。そのため、
ションを実施することにより、最適な冷却水管の配
別途放電加工のための電極設計・製作を必要とせず、
置が可能となる。
金型の分割も最小限にすることが可能となる。
写真 4 に示す電気ドライバーのボディ部品の金型
3次元冷却水管
3次元冷却水管
（コア側）は、金属光造形複合加工法を利用して作製
した事例である。通常 20 以上の分割が必要であった
同コア型も金属光造形複合加工法によりワンプロセ
↑IN(1)
スで造形することが可能であった。
また、本事例にて使用した粉末材料はマルエージ
ング鋼材粉末（マツウラマルエージングⅠ）である。
造形物の硬度は HRC 34、時効処理により HRC 50±
↑IN(1)
IN(2)↑
IN(2)↑
OUT(2)↓
OUT(2)↓
↓OUT(1)
↓OUT(1)
熱解析を利用した3次元冷却水管の設計
熱解析を利用した3次元冷却水管の設計
（一般水管）
（一般水管）
2 まで硬化可能で、プラ金型としては十分な硬度を
（3次元冷却水管）
（3次元冷却水管）
達成しており、射出成形 100 万ショット以上の金型
寿命を見込んでいる。
図 6 3 次元冷却水管の配置
（2）ガス抜き構造
プラスチック射出成形は、金型内の空気を溶融し
写真 4 金属光造形複合加工によるコア型と成形品
た樹脂材料に置換することで樹脂製品を成形してい
ると言える。また、溶融した樹脂から発生するガス
4．2 プラ金型の高機能化
による成形品の焼けや金型の腐食が射出成形のひと
プラ金型の製造において金属光造形複合加工法を
つの課題となっている。従って金型内の空気・ガス
利用することにより従来の製作法では実現が困難で
をスムーズに排出することができれば成形における
あった機能を金型に持たせることが可能である。電
樹脂充填時間の短縮や充填ムラ、ガス焼けの解消が
気ドライバーのボディ部品の金型（コア側）の事例
期待できる。
における 3 次元冷却水管とガス抜き構造について以
図 7 ポーラス構造を利用したガス抜きの例を示す。
下に説明する。
本事例ではウエルド発生位置に金属光造形複合加工
で作製したポーラス構造のピンを配置しているが、
（1）3 次元冷却水管
このポーラス構造は前述のようにレーザによる照射
プラスチック射出成形において、金型の冷却
は重要な要素である。成形品全体を効率良く冷却
ガス抜きピンの配置
2点ゲート
することによって成形品の反りの抑止や冷却時
間の短縮につながる。特に冷却時間の短縮は射出
成形のサイクルタイムの短縮に直結し、射出成形
におけるコストダウンの大きな要素となり得る。
通常、金型に冷却用の水管を設ける場合、ド
リル等の機械加工により穴を空けて水管として
利用するため直線的な穴の組合せとなり、任意
の位置に冷却水管を配置することは不可能であ
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ウエルド
発生位置
図 7 ポーラス構造を利用したガス抜きピンの配置
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エネルギーを制御することによって造形することが
可能であり、別部品とせず任意の位置に配置するこ
70
とも可能である。
60
従来工法
（ストレート水管）
冷却時間
型開閉・射出
3次元冷却水管
ガス抜き構造
（1）射出成形サイクルの比較
金属光造形複合加工により 3 次元冷却水管及びガ
時間（秒）
50
4．3 従来工法との比較
40
30
ス抜き構造を配置した金型による射出成形結果につ
20
いて、従来の工法によるストレート冷却水管の金型
10
との比較を行った。良品成形時の成形時間に関して、
0
3 次元冷却水管の最適配置による冷却効率アップとガ
ス抜き構造による効果により、図 8 に示すように冷
30
23
冷却時間
50％短縮
サイクル全体
30％短縮
15
23
図 8 従来工法金型との射出成形サイクル比較
却時間を 30 秒から 15 秒へ 50 % 短縮することができ、
全工程を 13 日で完了している。図 9 に示すように、
サイクル全体としては約 30 % の短縮効果が得られた。
設計時間では約 23 %、加工プログラム等のデータ製
また、ガス抜きの効果により低圧での成形が可能
作時間で約 90 %、放電加工を含む機械加工時間で約
となり、保圧圧力を 20 MPa 下げることができた。
80 % の工数を削減しており、設計から製作までトー
その結果金型への負担が約 16 % 軽減するという効果
タル 61.5 % の工程短縮の効果が得られた。製作にあ
が得られた。
たり、通常の場合は必要な素材の手配や外注作業が
発生するが、本工法の場合、素材は金属粉末のみが
あれば良く、ワンマシン・ワンプロセスのメリット
（2）プラ金型製作工程の比較
従来の製造方法の場合、今回の事例のプラ金型の
から外注作業は、エジェクトピン加工等 2 日となった。
設計から製作まで、30 日以上の工数が見込まれる。
また、金型製作のコストを試算すると、従来工法
金属光造形複合加工を利用した今回の事例の場合、
から約 50 % のコスト削減効果が得られている。
図 9 従来工法との工程比較
5．結言
金属光造形複合加工方法は、積層造形と切削加工
短縮を目的とした機能部品の製作や、整形外科、歯
との複合加工方法であり、粗密構造造形、深リブ・
科用医療機器、眼鏡、装飾類に代表されるカスタム
深穴加工、中空構造の造形、3 次元自由曲面加工を
メイド品の製作など、様々なアプリケーションに対
利用したワンマシン・ワンプロセスでの部品製造が
する製造技術の開発と材料開発、そして、金属光造
可能となる特徴的な方法である。マツウラでは平成
形複合加工方法の認知向上に努めていきたい。
15 年から金型作製用加工装置として製造・販売を
行っており、本稿で示した電気ドライバーの金型の
ように、プロセスイノベーションを可能とする工法
であると考えている。
今後もプラ金型に限らず、試作、機能評価時間の
株式会社 松浦機械製作所 技術本部営業技術
〒 910-8530 福井県福井市漆原町 1-1
TEL. 0776-56-8117 FAX. 0776-56-8154
http://www.matsuura.co.jp/
Vol.53（2012）No.9
SOKEIZAI
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