JP2003534926A - 工具の製造方法 - Google Patents

工具の製造方法

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JP2003534926A JP2001580032A JP2001580032A JP2003534926A JP 2003534926 A JP2003534926 A JP 2003534926A JP 2001580032 A JP2001580032 A JP 2001580032A JP 2001580032 A JP2001580032 A JP 2001580032A JP 2003534926 A JP2003534926 A JP 2003534926A
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Abstract

(57)【要約】 被覆研磨工具の表面は、高速造形技術により製造したマスター工具を用いて得られる製造工具を利用すると、従来よりも融通性のある加工をすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 発明の背景 本発明は、製造作業を行なうための工具の製造方法に関する。この出願が対象
としている工具は、所望のパターンを有する表面を成形、エンボス加工又は印刷
するのに用いる工具である。これら工具（以後、「パターン形成工具」と呼ぶ）
は、表面に所望のパターンが形成されたロールの形態、あるいは表面に所望のパ
ターンが形成された単なるプレート又はベルトの形態でよい。
【０００２】 本発明の主たる目的は、特別な効果を生み出すように加工された表面を有する
被覆研磨工具の製造に使用できる工具を作ることである。主にこの点に焦点を絞
って本発明を説明するが、本発明を、被覆研磨工具とは直接の関係はないものの
、表面に複雑なパターンが形成された工具を製造するための迅速で融通性があり
且つ経済的な方法を同様に求めている印刷、成形、エンボス加工といったさまざ
まな用途におけるニーズに容易に適合させうることは、明確に理解されるべきで
ある。
【０００３】 加工された表面を有する被覆研磨工具は、硬化性結合剤組成物中に分散させた
研磨粒子を含む層を堆積させることによって形成される。この結合剤は照射硬化
性結合剤であることが多いが、必ずしもそうである必要はない。研磨粒子は、被
覆研磨工具で通常用いられている任意のものが可能である。具体的には、溶融ア
ルミナ、焼結アルミナ、炭化ケイ素、アルミナ／ジルコニア、超砥粒（例えば立
方晶窒化ホウ素）、アルミニウム／マグネシウムホウ化物錯体、ダイヤモンドの
ほか、ガラスなどのより柔らかい材料を研磨するためのより柔らかい研磨粒子（
例えばシリカ、αアルミナ前駆体、セリア）などが挙げられる。表面は、成形、
エンボス加工、輪転グラビア堆積技術といった方法で加工することが可能である
。そうした方法は、例えばアメリカ合衆国特許第5,014,468号、第5,152,917号、
第5,840,088号、第5,863,306号に記載されている。
【０００４】 表面が、正確に同じものが規則正しい間隔で配置された繰り返し図形を含んで
いるようにすると望ましいことがしばしばある。しかし他の多くの用途では、同
じでないパターン及び／又は均一でないパターンの図形が成形工具の表面全体を
通じて配置されるようにすることが望ましい。規則的な形からこのようにずれて
いると、研磨する基体の表面に引っ掻きパターン又は刻印が作られるのを避ける
のに効果的であることがわかる。しかしながら連続的な複数の直線からなるパタ
ーンを工具の表面にギザギザに刻んでも所望の不均一なパターンにはならないた
め、不均一な表面の必要性は、表面成形工具を製造すること（通常は、工具の表
面に適切なギザギザパターンを形成することによって製造する）を非常に難しく
、技術的に挑戦しがいがあるようにする。
【０００５】 それに加え、それぞれの用途に合った特別設計の工具を製造するのはコストが
かかるため、工具の表面はしばしば妥協の産物となっている。物事をさらに複雑
にしている１つの因子は、工具が研磨材料と接触するため、摩滅したり変形した
りするまでの工具寿命が非常に制限される可能性があることである。
【０００６】 したがって、極めて多くの用途があり、迅速で且つ経済的な、表面の形成又は
成形工具の製造方法が必要とされている。本発明は、そのような方法と、そのよ
うな方法で製造された成形工具を提供する。この工具は、成形、エンボス加工、
輪転グラビア堆積及び／又は印刷などのさまざまな方法に適用することができる
。しかし上に指摘したように、この明細書中の本発明の説明における主な興味の
対象は、パターニングされた（又は「加工された」）被覆研磨工具を製造するの
に適した工具を製造することである。
【０００７】 発明の説明 本発明は、パターンが加工された表面を有する被覆研磨工具を製造する方法で
あって、表面のパターンを、高速造形技術により製造された工具で作ることを特
徴とする方法を提供する。
【０００８】 一般に、パターンが加工された表面を有する被覆研磨工具は、基体材料と、そ
の基体上に堆積した研磨層とを有する研磨具である。ここで研磨層には、硬化し
た結合剤の中に分散した研磨粒子が含まれている。研磨層の表面には、この層の
平均厚よりも厚くなった箇所が一般に複数設けられたパターンが形成されている
。このパターンは規則正しい繰り返し単位を含んでいるが、各単位内のパターン
は幾分かランダムになっていてもよい。表面にパターンが加工された被覆研磨工
具の典型例は、例えば、アメリカ合衆国特許第5,152,917号、第5,454,844号、第
5,489,235号、第5,658,184号、第5,672,097号、第5,681,217号、第5,833,724号
、第5,840,088号、第5,863,306号に記載されている。
【０００９】 パターニングされた表面を作るための上記方法としては、輪転グラビア印刷、
エンボス加工、成形などが挙げられる。したがって、例えば鋳型、エンボス加工
用ロール、グラビアロールなどとしてこの工具を使用することができる。
【００１０】 他の技術としては、断面が三角形の複数の溝を互いに平行になるように工具の
表面に掘り、次いでそれらと直角な複数の溝をさらに掘ることにより、工具の表
面に正方形を土台とした多数のピラミッドを作る方法がある。この表面は、成形
工具としてそのまま使用することができる。あるいは、この表面を利用して雌型
の等価物を成形することができる。この方法は、アメリカ合衆国特許第5,300,26
3号に記載されている。ロールにパターンを刻む別の方法としては、アメリカ合
衆国特許第4,478,769号、第5,435,8116号、第5,489,235号、第5,946,991号など
がある。こうした方法では、いずれの場合も切削工具を製造する必要があり、ま
た切削工具は常に一直線に揃っているよう注意しておかねばならず、しかも再現
できるパターンの種類はほんの少数に限られ、そのパターンは、互いに平行な線
の間に並べられた状態のものだけである。
【００１１】 本発明により、パターンが自由に選択できるようになり、しかも制約は、特定
のRP装置によって作ることのできる表面の大きさだけにある。どの方法を利用す
るにせよ、本発明では、高速造形（「RP」）技術によって容易に製造でき、しか
も大したコストもかからずに廃棄又は複製できる工具を用いる必要がある。
【００１２】 好ましい実施態様の説明 高速造形技術には多数の有効な態様があり、それらについて以下に説明する。
しかしそれ以外にも、基本的特徴が同じで本発明に適用できる多数の方法が存在
している可能性のあることを理解されたい。ここで基本的特徴とは、 (１）所望の表面パターンのデザインをコンピュータにより設計すること； (２）順番に積み重ねていった結果として所望のデザインを形成する水平な多
数のスライスを作ることができるコンピュータプログラムに、このデザインを変
換すること； (３）プロトタイプの表面成形工具の形で、このデザインを具現化すること；
及び (４）このプロトタイプを用いて製造工具を製造すること、である。
【００１３】 この製造プロセスのさまざまな技術を以下に詳しく説明する。
【００１４】 高速造形 「高速造形」という用語は、表面が雄型マスターの形をしたプロトタイプを、
高速且つ完全に再現性のあるやり方で製造するさまざまな技術を指すのに用いる
。どの技術も、コンピュータファイルを実際の物体に変換することによって実施
する。コンピュータファイルは、コンピュータ支援設計（通常は「CADプログラ
ム」と呼ばれる）によって生成される。このファイルにより、ある形状を設計し
、その形状を三次元でさまざまな角度から眺めることができる。いろいろな理由
により、このプログラムは、「STLファイル」フォーマットの形式でデザインを
生み出す。「STL」は、ファイルを用いて雄型マスターを製造する１つの技術で
ある「立体リソグラフィー（Stereolithography）」の略号である。しかし、以
下に詳しく説明する別のさまざまな方法でも、このようなSTLファイルを用いて
ファイルを雄型マスターに変換することができる。
【００１５】 CAD設計パッケージの供給者は多数ある。CAD設計パッケージとしては、例えば
、ユニグラフィックス（Unigraphics）社から市販されている「ソリッドエッジ
（Solidedge）」；ソリッドコンセプツ（Solid Concepts）社から市販されてい
る「ソリッドヴュー（SolidView）」；ソリッドワークス（Solidworks）、オー
トキャド（Autocad）2000などが挙げられる。デザインは、STLファイル以外のフ
ォーマットで保存することもできる。例えば、DWG/DXFファイル、IDEASファイル
、IGESファイル、VRMLファイルがある。
【００１６】 高速造形装置は、一般に（とはいえ、以下に見るように常にそうとは限らない
）同じ原理で動作する。すなわちこの装置は、全体の形状が複数の水平スライス
に変換されるようにして、CAD装置が生成した（STLファイルなどの）ファイルを
操作してこの形状全体にわたって一連の水平区画を作成する。次にプログラムが
使用され、適切な技術（そのいくつかについて以下に説明する）でそれぞれのス
ライスの実物が連続的に生み出される。その結果、スライスを順番に積み重ねる
ことによって三次元の所望のパターンができ上がる。
【００１７】 高速造形技術には多数の態様があるが、そのどれもが、「コンピュータ支援設
計」プログラムを利用してコンピュータ内で所望の表面を作るという共通のプロ
セスを有する。このプログラムにより、投影されたデザインのコンピュータ画像
が生成され、これは望みのままにあらゆる角度から眺めることができる。次にこ
のデザインを用い、被覆研磨工具の表面に加工されたパターンを作るための製造
工具を作る。
【００１８】 この製造工具を作るにはいくつかの方法があるが、たいていの場合は、RP法に
よって比較的狭い表面領域にパターンを作る。通常は、その表面領域の面積が１
平方フィートを超えることはない。そのため、パターンを複製し、個々のパター
ンを互いにつなげて適切なサイズの産業的工具にする必要がある。もちろんこの
場合には、様々な個々のパターンを使用して、被覆研磨工具の表面に形成される
パターンを変化させることができる。したがって製造工具は、RPにより生成され
た複数の似た単位又は異なる単位を有することができると理解され、実際にそう
なっていることがしばしばある。
【００１９】 RP法を用いて、構造が雄型又は雌型のパターンを生成することができる。デザ
インによって異なるが、RP法によって生成されたパターンを逆転させた二次成形
工具を製造すると望ましいことがある。すなわち、RP法により雄型パターンを作
る場合には、それを用いて雌型パターンを生成させることが望ましい可能性があ
る。もちろん逆も同様である。この方法の利点は、RP法により生成されたパター
ンを保管しておき、多数の逆レプリカを生成させるために繰り返して使用できる
ことだけでなく、RP装置を用いてこのパターンを再度生成することによって迅速
かつ安価に交換できることである。
【００２０】 RP法には、コンピュータ制御の堆積プログラムを用いて製造工具を直接製造す
る複数の態様がある。このタイプの典型的な方法は、ガス中を運ばれる溶融した
金属滴の流れを積み重ね、その積み重なったものが、プログラムにより生成され
た構造の「スライス」の順番の堆積によって決まる三次元パターンになるように
する「レーザー加工ネットシェイピング」である。
【００２１】 しかしRP法は、それ自体が製造工具の形成に用いる中間体を製造するのに用い
られることのほうが多い。
【００２２】 RP法で中間体を得るのに便利な１つの方法は、基体材料を載せた土台を照射硬
化性樹脂浴に浸し、土台が液面のすぐ下に来るようにすることを含む。次に、RP
装置がレーザービームを樹脂浴の表面に照射するが、そのとき、このRP装置によ
って生成された第１のスライスによって決まるパターンになるように照射する。
レーザーは、照射領域の樹脂を硬化及び固化させ、それによって樹脂内に第１の
スライスのレプリカができる。その後、土台を浴の表面のすぐ下に来るように下
げ、レーザーを再び照射して第２のスライスに対応する硬化樹脂形を作る。すべ
てのスライスのレプリカができ、順番に堆積されて互いに融合した層を含む固体
樹脂構造が生成するまで、このプロセスを繰り返す。この固体樹脂構造は、CAD
装置によって設計された形状に正確に対応している。こうして雄型マスターがで
きる。適切な装置は、例えば3-Dシステムズ（3-D Systems）社；アアロフレック
ス（Aaroflex）社；フォッケレ＆シュヴァルツェ（Fockele & Schwartze）社（
ドイツ）；CMET／三菱、三井、帝人製機、デンケン（日本）から入手できる。
【００２３】 別の技術としては、変形インクジェット堆積法がある。この方法では、熱可塑
性ポリマーを融解させ、インクジェットヘッドからそのポリマーを出し、土台に
載せた基体上に堆積させる。滴は、元のCAD出力を一連のスライスに変換したRP
プログラムによって指示されるパターンになるように堆積される。液滴は、堆積
することになる表面と接触したときに固化する。第１のスライスの生成が終了し
た後、土台が１増分だけ下降し、第２のスライスが第１のスライスの上に形成さ
れる。CADの形状が熱可塑性ポリマーで再現されるまで、スライスを順番に直前
のスライスの上に載せていく。適切な装置は、3-Dシステムズ社、サンダースプ
ロトタイプ（Sanders Prototype）社、オプトメトリック（Optometric）社から
供給されている。
【００２４】 同様の別の方法では、溶融したポリマーを金属粉末とともに堆積させる。粒子
同士が焼結してゆくにつれ、堆積された層が徐々に所望の構造になってゆき、粒
子同士を結合させるのに使用するポリマーがなくなって、最終的な形状が形成さ
れる。適切な装置は、例えばZ-コーポレーション（Z-Corp）社（燃焼しないデン
プン−セルロース系を使用）、ソリジェン（Soligen）社、エクストゥルードホ
ーン（Extrude Hone）社、セリックス（Therics）社から入手できる。所望であ
れば、得られた形状をさらに加工してより精度の高い形状にすることができる。
【００２５】 突出した形状が必要な場合には、土台上に仮の支持部を設け、所望の突出形状
ができた後にその支持部を溶かすことによって対応できる。（これは、主として
ポリマーインクジェット装置に当てはまる。それ以外のほとんどの装置では、普
通の構造材料からなる支持部を設け、完成後にその支持部を手で除去する必要が
ある。）
【００２６】 ポリマーの代わりに溶融した金属滴をガス流中懸濁させるという同様の別の方
法が開発されている。しかしこの方法もほぼ同じようなものである。この方法は
、「レーザー加工ネットシェイピング」、すなわち「LENS」と呼ばれることがあ
る。
【００２７】 さらに別の方法として、RP装置を用いて適切な材料、例えばプラスチックシー
トや金属シートから一連のスライスを切り出して指定された順番に積み重ね、最
終的に所望の形状を作る方法がある。これは、上記の連続法の変形例と考えられ
よう。この方法を本発明において利用可能にすることのできる装置の製造業者と
しては、ヘリシスコーポレーション（Helisys Corp.）社、シュロフディヴェロ
ップメントコーポレーション（Schroff Development Corp.）社、キラ社（Kira
KK）（日本）、キナジー（Kinergy）社（シンガポール）などが挙げられる。
【００２８】 さらに別の技術は、レーザーを用いて選択的な溶融又は焼結を起こす方法であ
る。すでに述べたのと同様にして、粉末層を基体材料の上に置き、レーザービー
ムをその粉末層に向けてRP装置で決められたパターンに照射する。すると粉末（
プラスチック、金属、ワックス、被覆されたセラミックが可能）が融解し、レー
ザー照射された領域が連続層になる。次に、基体を下降させ、新しい粉末層を堆
積させ、レーザーで溶融した層を第１の層の上に載せるという操作を、積み重な
った多くの層からなる所望の構造が完成するまで続ける。このタイプの方法にお
いて利用できる装置は、DTMコーポレーション社、EOS社（ドイツ）から入手でき
る。
【００２９】 上記の技術はすべて、「雄型」又は「雌型」の「マスター」を製造するのに利
用できる。
【００３０】 雌型パターンの形成 ここで、雄型マスターを用いて雌型パターンを製造することができる（逆も同
様）。その場合、単純な「キス成形」法を用いることが好ましい。この方法では
、成形可能な材料を雄型マスターと接触させ、この雄型マスターの表面にぴたり
と合わせ、その位置で硬化させた後、この雄型マスターから取り除くことにより
、このこの雄型マスターの表面輪郭線とぴったり一致した雌型レプリカを得る。
雌型パターンを作るための材料は、適切な任意の熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂
でよいが、コスト、成形可能性、分離特性、不活性度などの多くの理由により、
付加硬化性シリコーンポリマーが好ましい。同一の雄型マスターを用いて多数の
雌型パターンを複製することができる。これは、一回ごとの成形操作の間の雄型
マスターへの損傷はほとんどないからである。そのため、同一の雄型マスターか
ら無数の雌型パターンを製造できる可能性がある。また、そのような雄型マスタ
ーのライブラリーを残しておくと、製造ラインの柔軟性が非常に大きくなる。さ
らに、オリジナルと同一の雄型マスターは、RP装置で比較的迅速かつ安価に製造
することができる。
【００３１】 製造工具 雄型製造工具が必要な場合には、寸法と構成が適切な基体の表面に雌型パター
ンを固定することによって、雌型パターンを使用して製造工具を作る。例えば雌
型パターンをエンボス加工用ロールの表面に付着させ、このロールを使用したと
きにこの雌型パターンの表面がエンボス加工を行なう媒体となるようにする。も
ちろん、このときにロールを使用することが本質的ではなく、代わりに平坦なプ
レート状の鋳型を使用することができる。
【００３２】 通常は、製造工具の表面は、雄型マスターから製造される雌型パターンシート
よりも有意に大きい。その場合、（同一のマスター又は複数の異なるマスターか
ら複製できる）複製された複数のマスターを組み合わせたマスターを複製して所
望のサイズの大きな１つのマスターを作り、その大きなマスターを用いて製造工
具を作ることができる。製造工具は、この製造工具を作るための樹脂材料を用い
て従来のキス成形法によって製造するのが非常に都合がよい。また、RP法によっ
て多数の雄型マスターを作って組み合わせることにより大きな１つのマスターに
し、その大きなマスターから、製造工具の表面全体をカバーするのに十分な面積
の雌型シートを製造することもできる。
【００３３】 場合によっては大きな雄型製造工具が必要であるが、それは、何枚かのパター
ンシートをパターンが内側となるようにして付着させた筒を形成することにより
、本発明の範囲で対応することができる。次に、雌型パターンシートを組み合わ
せたこの筒の中に支持用円筒を入れ、この支持用筒と、雌型パターンシートから
なる筒の内面とに挟まれた空間に型が形成されるようにする。次に、硬化性シリ
コーン樹脂などの成形用組成物をこの型の中に入れて硬化させ、筒形の雄型パタ
ーンを作る。雌型パターンシートからなる筒の寸法を選択することにより、エン
ボス加工用ロールの形をした製造工具を作るためのローラーにフィットさせるこ
とができる、継ぎ目のないスリーブを製造することが可能である。
【００３４】 この製造工具は、他の形成プロセスでも使用できるようにすることが可能であ
る。一例として、照射硬化性結合剤を含む組成物が実際に製造工具と接触してい
る間にその組成物を硬化させることにより、加工表面内に特殊な表面形状を作る
というプロセスが挙げられる。これは、製造工具を、照射線に対して透明な材料
、すなわちこの製造工具を構成する材料を通過する照射線によって硬化させるこ
とのできる材料で作ることによって実現できる。また、加工表面が形成される支
持材が透明なフィルムである場合には、その支持材を構成する材料を通して硬化
を起こすことができる。同様に、これを用いて熱可塑性表面を形成し、その熱可
塑性材料を加熱したりエンボス加工したりすることもできよう。
【００３５】 次に、製造工具を用いて被覆研磨工具の表面を加工する。この表面は硬化性樹
脂からなる。なおこの硬化性樹脂には、研磨粒子が分散されているほか、それ以
外に必要に応じて滑剤、充填剤、研磨補助剤、付着制御添加剤、硬化促進剤など
の添加物やこれらの材料の２種類以上の混合物が分散されている。この硬化性樹
脂は、熱又は水分によって、あるいは化学反応によって硬化させることができる
が、照射線で硬化させることが好ましい。照射硬化とは、必要に応じて硬化開始
又は促進剤（「助剤」）を用い、紫外線、可視光、電子照射線に曝露することよ
って硬化することを意味する。
【００３６】 製造工具は、硬化性結合剤がこの製造工具と接触している間にその結合剤の少
なくとも一部が硬化するような型にすることが可能である。また製造工具は、エ
ンボス加工用ロール又はプレートにして、結合剤の硬化が始まる前にそのロール
又はプレートを除去することもできる。こうした製造工具はすべて、RP法に従っ
て作ることができ、その製造工具を用いて従来技術では不可能なほど複雑な加工
表面を本発明の方法で形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１（ａ）〜（ｃ）】 図１は、RP法で作れるが従来の線彫り法では作ることのできない３つの異なる
タイプの表面を上から見た図である。
【図２】 図２は、本発明の１つの方法を利用して製造工具を作るためのフローダイヤグ
ラムである。
【図３】 図３は、被覆研磨工具を製造するときの３つの段階を上から見た図である。左
から右に向かって順番に、RP法によって製造した“雄型マスター”；この雄型マ
スターから製造したシリコーン製型（雌型）；加工された表面を有する研磨具で
ある。この加工された表面は、研磨粒子が分散した硬化性結合剤を含むスラリー
層に対し、シリコーン製型から製造した製造工具を用いてエンボス加工を施すこ
とによって作った。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ネボレット，ダミアン シー． アメリカ合衆国，ニューヨーク 14228， アムハースト，デルタ ロード 435＃３ Ｆターム(参考） 3C063 AA01 AB01 BB01 BB02 BB03 BC03 CC19 CC20 CC24 CC30

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 (a）高速造形技術を利用してマスター工具を製造すること
    ； (b）このマスター工具を利用して製造工具を製造すること； (c）この製造工具を利用して、研磨粒子が分散した硬化性結合剤樹脂層に所望
    のパターンを与えること； (d）この硬化性結合剤樹脂を硬化させて、加工表面を有する被覆研磨工具を製
    造すること、 を含む、加工表面を有する被覆研磨工具の製造方法。
  2. 【請求項２】 上記製造工具が、エンボス加工用のプレート、ロール、ベル
    ト、ウエブからなる群より選択される形態である、請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】 上記硬化性結合剤樹脂が、上記製造工具との接触の間に硬化
    する、請求項１に記載の方法。
  4. 【請求項４】 上記高速造形技術が立体リソグラフィーを利用している、請
    求項１に記載の方法。
  5. 【請求項５】 上記立体リソグラフィーがインクジェット堆積技術を利用し
    ている、請求項４に記載の方法。
  6. 【請求項６】 上記高速造形技術により雄型マスターを製造する、請求項１
    に記載の方法。
  7. 【請求項７】 上記硬化性結合剤樹脂が照射線硬化性樹脂である、請求項１
    に記載の方法。
  8. 【請求項８】 上記硬化性結合剤樹脂が、分散している上記研磨粒子以外に
    、研磨助剤、滑剤、硬化助剤、充填剤、付着制御添加物、及びこれらの混合から
    なる群より選択される助剤を含んでいる、請求項１に記載の方法。
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