JP2023092232A - 膜形成装置及び膜形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明によれば、平滑な膜を形成できる装置及び方法を提供する。【解決手段】導電性のワークの表面に膜を形成するための電極部材と、形成された前記膜を平滑化するレーザー照射機構と、不活性ガスを前記ワークの表面に噴出するガス噴出機構と、を備え、前記電極部材は、該電極部材を前記ワークに近接させた場合に生じる火花放電により該電極部材が溶融するように、所定の電位に帯電可能であり、前記レーザー照射機構は、噴出された前記不活性ガスの雰囲気内において、前記電極部材により形成された前記膜にレーザーを照射可能である、膜形成装置。所定の電位に帯電した電極部材をワークの表面に近接させることで生じる火花放電により該電極部材を溶融及び積層させて前記ワークに膜を形成する膜形成工程と、不活性ガスの雰囲気内において、形成した前記膜にレーザーを照射して該膜を平滑化する膜平滑化工程と、を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、膜形成装置及び膜形成方法に関する。

本技術分野の背景技術として、特許公報 特許２９３９０８３号公報（特許文献１）がある。この公報には、「補修の手間とコストを著しく低減できる金属部材の肉盛り補修装置」が記載されている。

特許公報 特許２９３９０８３号公報

平滑な膜を容易に形成できないおそれがあった。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、以下のとおりである。

導電性のワークの表面に膜を形成するための電極部材と、
形成された前記膜を平滑化するレーザー照射機構と、
不活性ガスを前記ワークの表面に噴出するガス噴出機構と、を備え、
前記電極部材は、該電極部材を前記ワークに近接させた場合に生じる火花放電により該電極部材が溶融するように、所定の電位に帯電可能であり、
前記レーザー照射機構は、噴出された前記不活性ガスの雰囲気内において、前記電極部材により形成された前記膜にレーザーを照射可能である、
膜形成装置。

所定の電位に帯電した電極部材をワークの表面に近接させることで生じる火花放電により該電極部材を溶融及び積層させて前記ワークに膜を形成する膜形成工程と、
不活性ガスの雰囲気内において、形成した前記膜にレーザーを照射して該膜を平滑化する膜平滑化工程と、を含む、
膜形成方法。

本発明によれば、平滑な膜を容易に形成できる装置及び方法を提供できる。
上述した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

膜形成装置の概要図である。 照射するレーザーがパルス発振レーザーである場合における、時間経過に伴うパルス発振レーザーの強度変化を示す波形を示す図である。 膜形成装置（第１実施形態）の概要図である。 膜形成装置（第１実施形態の変形例）の概要図である。 膜形成装置（第２実施形態）の概要図である。

図１により膜形成装置の概要を説明する。
膜形成装置１は、導電性の対象部材（以下、ワークＷとする場合がある。）の表面に平滑な膜を形成するための装置である。
ワークＷは導電性の部材であればどのような部材であっても良いが、例えば、樹脂の射出成型やアルミニウムダイキャストに用いる、主成分が鉄である金型であってもよい。

膜形成装置１は、電極部材２、レーザー照射機構３、及びガス噴出機構４を少なくとも備える。
電極部材２は、導電性のワークＷの表面に膜Ｃ１を形成するための部材である。
レーザー照射機構３は、電極部材２により形成された膜Ｃ１を平滑化するための機構である。
ガス噴出機構４は、不活性ガスＧをワークＷの表面に噴出するための機構である。

電極部材２は、導電性のワークＷの表面に膜Ｃ１を形成するための部材であり、言い換えれば、ワークＷの表面に形成する膜Ｃ１の材料を供給するための部材である。
電極部材２の材質は、金属であればよいが、本明細書の実施形態におおける電極部材２は、タングステンカーバイド（ＷＣ）を主成分とする。
電極部材２は長尺状（棒状）の部材である。

電極部材２は、該電極部材２をワークＷに近接させた場合に生じる火花放電により該電極部材２が溶融するように、所定の電位に帯電可能である。
すなわち、電極部材２はパルス電圧を発生させるパルス電源に接続されており、２０～１０００ヘルツのパルス電圧が印加された電極部材２をワークＷの表面に近接させると両者の間で火花放電が生じ、火花放電により電極部材２が溶融して導電性のワークＷの表面に積層される。

電極部材２は火花放電の熱で溶融してプラス電位に帯電し、アース電位のワークＷの表面に吸引されワークＷの表面に衝突して電極部材分子により電極部材層（膜Ｃ１）が形成される。電極部材２は、回転可能に構成されており、電極部材２が回転していることで、電極部材２の先端部がワークＷの表面に融着することを抑制できる。

レーザー照射機構３は、電極部材２により形成された膜Ｃ１を平滑化するための機構である。
レーザー照射機構３は、噴出された不活性ガスＧの雰囲気内において、ワークＷの表面に形成された膜Ｃ１にレーザーＬを照射可能である。形成された膜Ｃ１にレーザーＬを照射することで、膜Ｃ１を溶融させて平滑化できる。

照射するレーザーＬは、特に限定されず、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）レーザー等の固体レーザー、炭酸ガスレーザー等の気体レーザー、色素レーザー等の液体レーザー、半導体レーザー、又はファイバーレーザー等を用いることができる。これらは１種のみを用いてもよく２種以上を併用してもよい。また、発振モードも限定されず、連続発振でもよく、パルス発振でもよい。発振されるレーザーの波長も限定されないが、通常、１００～１０８００ｎｍである。

ガス噴出機構４は、不活性ガスＧをワークＷの表面に噴出するための機構である。
不活性ガスＧはアルゴンガスや窒素ガスなどの化学反応を起こしにくい気体である。本明細書の実施形態における不活性ガスＧはアルゴンガスである。
溶融して形成される膜を不活性ガスＧで覆うことで、該膜が酸化することを抑制できる。

平滑な膜を形成する膜形成方法を以下で説明する。
まず、パルス電圧が印加された電極部材２をワークＷの表面に近接させることで生じる火花放電により該電極部材２を溶融及び積層させて前記ワークＷの表面に膜Ｃ１を形成する（膜形成工程）。
電極部材２とワークＷとを近接させた状態で、該電極部材２を移動させることにより、所望の範囲に膜Ｃ１を形成できる。図１においては、電極部材２を右方向に移動させて膜Ｃ１を形成した状態を図示している。
電極部材２により形成された膜Ｃ１の表面は粗く、また、ワークＷの成分と電極部材２の成分の分布が不均一である。

次いで、ガス噴出機構４により、形成した膜Ｃ１に向けて不活性ガスＧを噴出すると共に、噴出された不活性ガスＧの雰囲気内において、レーザー照射機構３により、膜Ｃ１にレーザーＬを照射して膜Ｃ１を平滑化する（膜平滑化工程）。図において、平滑化した膜Ｃ１を膜Ｃ２とする。
当該工程により、電極部材２により形成された膜Ｃ１の表面を平滑化できるとともに、ワークＷの成分と電極部材２の成分の分布を均一化できる。

ガス噴出機構４及びレーザー照射機構３を移動させることにより、所望の範囲の膜Ｃ１を平滑化できる。図１においては、電極部材２に追従して右方向にガス噴出機構４及びレーザー照射機構３を移動させて膜Ｃ１を平滑化した状態を図示している。

なお、他の例として、図１で示す例のようにレーザー照射機構３を電極部材２に追従して移動させずに、電極部材２により形成すべき膜の全てを形成した後に、該膜をレーザー照射機構３により平滑化してもよい。

膜平滑化工程において、照射するレーザーがパルス発振レーザーである場合においては、時間経過に伴うパルス発振レーザーの強度変化を示す波形をレーザー制御機構により所定の波形ＷＦとなるように制御してもよい。
図２は、波形ＷＦを図示している。
図２で示す表における横軸は時間経過（ｍｓ）を示し、縦軸は強度（％）を示している。強度（％）は、レーザー照射機構３が所定時間内で出力することができるパルス発振レーザーの出力割合を示している。
波形ＷＦは、第１強度ピーク値Ｐ１と、第２強度ピーク値Ｐ２と、を含んでいる。

第１強度ピーク値Ｐ１は、膜Ｃ１を溶融させるためのメインのピークである。
波形ＷＦは、第１強度ピーク値Ｐ１に到達するまでは、急加熱により膜Ｃ１に欠陥が生じることを抑制するために、徐々に強度を上昇させる予熱期間Ｔ１を有する。
波形ＷＦは、第１強度ピーク値Ｐ１に到達した後は、急冷却により膜Ｃ２に欠陥が生じることを抑制するために、徐々に強度を低下させる後熱第１期間Ｔ２を有する。
波形ＷＦは、後熱第１期間Ｔ２の後には、急冷却により膜Ｃ２に欠陥が生じることを抑制するために、一定の強度とする後熱第２期間Ｔ３を有する。

第２強度ピーク値Ｐ２は、第１強度ピーク値Ｐ１よりも時間的に後にピークとなり（後熱第２期間Ｔ３の後に強度が上昇する）、かつ第１強度ピーク値以下の強度のピークである。
第２強度ピーク値Ｐ２は、パルス発振レーザーの次のショットで照射される膜Ｃ１の予熱のためのものである。
なお、パルス発振レーザーを移動させるにあたって、１回のショットと次のショットとを一部重ねてオーバーラップさせる割合であるオーバーラップ率を５０％以上とすることが好ましく、より具体的には７５％としてもよい。

図２における波形ＷＦは、パルス発振のＹＡＧレーザー（波長１０６４ｎｍ 平均出力２００Ｗ）における波形であるが、他の種類のパルス発振レーザーであってもよい。

膜平滑化工程において、照射するレーザーＬがパルス発振レーザーである場合においては、パルス発振レーザーのデフォーカス量を制御可能なレーザー制御機構により、パルス発振レーザーをデフォーカスして照射する。
ここでいうデフォーカスとは、パルス発振レーザーの集光点をワークＷの表面（膜Ｃ１の表面）に位置づけた状態を基準として、集光点を該ワークＷの表面から遠ざけた状態を意味する。

パルス発振レーザーをデフォーカスして照射することにより、比較的広い範囲に均一な強度のレーザーを照射することが可能となるため、高強度のレーザーが局部的に集中して照射されることにより膜Ｃ１に欠陥が生じることを抑制するとともに、作業時間（レーザー移動時間）を短縮することができる。
しかしならが、デフォーカス量を大きくしすぎると、レーザーの強度が低下し、膜Ｃ１を溶融できないため、所定のレーザー強度を維持できる程度にデフォーカスすることが好ましい。

膜平滑化工程において、照射するレーザーＬは連続発振レーザーであってもよく、特に、比較的広い範囲に均一な強度のレーザーを照射することが可能である半導体レーザーが好ましい。
連続発振の半導体レーザーを用いることで効率よく膜Ｃ１を平滑化できる。

上述する構成の膜形成装置１を利用することにより、また上述する膜形成方法により、平滑な膜を容易に形成できる。特に、ワークＷが樹脂の射出成型やアルミニウムダイキャストに用いる金型である場合には、現場で容易に平滑な膜を形成することにより、予防保全による金型の長寿命化と高機能を付与することでの付加価値の創造が可能である。

なお、膜平滑化工程におけるレーザー照射（最終工程における膜の平滑化）を不活性ガス雰囲気中にて行うため、膜形成工程における電極部材２による膜形成を不活性ガス雰囲気中にて行わなくてもよいが、言うまでもなく、膜形成工程も不活性ガス雰囲気中で行ってもよい。

膜形成装置１における、電極部材２、レーザー照射機構３、及びガス噴出機構４の其々は、別体（構造的に分離されている状態）であってもよく、一体（構造的に結合されている状態）となっていてもよい。

図３においては、電極部材２、レーザー照射機構３、及びガス噴出機構４が一体となった膜形成装置１（第１実施形態）を図示している。
膜形成装置１は、本体部材Ｂを有する。
本体部材Ｂは、膜形成装置１の利用者が該膜形成装置１を把持するための把持部Ｂ１を有する。
本体部材Ｂは、電極部材２を保持する電極部材保持部Ｂ２を有する。
本体部材Ｂは、レーザー照射機構３の一部を構成しており、レーザーを照射するレーザー照射部Ｂ３を有する。
本体部材Ｂは、ガス噴出機構４の一部を構成しており、不活性ガスを噴出するガス噴出部Ｂ４を有する。
レーザー照射部Ｂ３とガス噴出部Ｂ４とは同軸上に位置している。

レーザー照射部Ｂ３から照射されるレーザーの進行方向上には電極部材２が位置しないように構成されている。また、照射されるレーザーから離れた位置に、ワークＷと接触する電極部材２の先端部が位置するように構成されている。
第１実施形態においては（図３においては）、照射するレーザーが左側に位置し、電極部材２の先端部が右側に位置しており、其々が左右方向にずれて位置している。
利用者は膜形成装置１の本体部材Ｂを把持し、該膜形成装置１を（図３のｘ軸方向における）右方向に移動させることで、ワークＷに電極部材２により膜Ｃ１を形成（膜形成工程を実行）した後に、レーザーにより膜Ｃ１を平滑化（膜平滑化工程を実行）することができる。

図４においては上述した第１実施形態の膜形成装置１の変形例を図示している。
図４で示す膜形成装置１のガス噴出機構４はガス噴出ノズル４１を有する。
ガス噴出ノズル４１は本体部材Ｂに接続されている。
ガス噴出ノズル４１は不活性ガスを噴出するガス噴出部４１Ａを含む。
ガス噴出ノズル４１はガス噴出部４１Ａを任意の位置に移動できる可動部材であり、かつ移動した位置に該ガス噴出部４１Ａを留めることが可能な構成となっている。

図５においては電極部材２、レーザー照射機構３、及びガス噴出機構４が一体となった膜形成装置１（第２実施形態）を図示している。
図５で示す膜形成装置１の本体部材Ｂは２つのレーザー照射部Ｂ３１及びＢ３２を備えており、該２つのレーザー照射部Ｂ３１及びＢ３２の間に電極部材２が位置している。また、各レーザー照射部Ｂ３１及びＢ３２と同軸上にガス噴出部Ｂ４１及びＢ４２が位置している。

第１実施形態と同様にレーザー照射部Ｂ３１及びＢ３２から照射されるレーザーの進行方向上には電極部材２が位置しないように構成されている。また、照射されるレーザーから離れた位置に、ワークＷと接触する電極部材２の先端部が位置するように構成されている。
第２実施形態においては、照射されるレーザーが手前側に位置し、電極部材２の先端部が奥側に位置しており、其々が奥行方向にずれて位置している。
利用者は膜形成装置１の本体部材Ｂを把持し、該膜形成装置１を（図５のｘ軸方向における）奥方向に移動させることで、ワークＷに電極部材２により膜Ｃ１を形成（膜形成工程を実行）した後に、レーザーにより膜Ｃ１を平滑化（膜平滑化工程を実行）することができる。

なお、図３乃至図５で示す膜形成装置１の各実施形態は、膜形成装置１が作用する作用部（ヘッド部）を図示したものであり、該ヘッド部は、上述する電極部材２、レーザー照射機構３、及びガス噴出機構４を作用させるために必要な構成要素（例えば、電源、レーザー制御機構、又は不活性ガスボンベなど）と接続されている。

以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。

１ ：膜形成装置
２ ：電極部材
３ ：レーザー照射機構
４ ：ガス噴出機構
Ｃ１ ：膜
Ｃ２ ：（平滑化された）膜
Ｇ ：不活性ガス
Ｌ ：レーザー
Ｐ１ ：第１強度ピーク値
Ｐ２ ：第２強度ピーク値
Ｗ ：ワーク
ＷＦ ：波形

Claims (8)

1. 導電性のワークの表面に膜を形成するための電極部材と、
   形成された前記膜を平滑化するレーザー照射機構と、
   不活性ガスを前記ワークの表面に噴出するガス噴出機構と、を備え、
   前記電極部材は、該電極部材を前記ワークに近接させた場合に生じる火花放電により該電極部材が溶融するように、所定の電位に帯電可能であり、
   前記レーザー照射機構は、噴出された前記不活性ガスの雰囲気内において、前記電極部材により形成された前記膜にレーザーを照射可能である、
   膜形成装置。
2. 前記レーザー照射機構が照射可能なレーザーはパルス発振レーザーであり、
   時間経過に伴う前記パルス発振レーザーの強度変化を示す波形を制御可能なレーザー制御機構をさらに備え、
   前記レーザー制御機構は、
   第１強度ピーク値と、
   前記第１強度ピーク値よりも時間的に後にピークとなり、かつ前記第１強度ピーク値以下である第２強度ピーク値と、を含むように前記波形を制御可能である、
   請求項１に記載の膜形成装置。
3. 前記レーザー照射機構が照射可能なレーザーはパルス発振レーザーであり、
   前記パルス発振レーザーのデフォーカス量を制御可能なレーザー制御機構をさらに備える、
   請求項１または請求項２に記載の膜形成装置。
4. 前記レーザー照射機構が照射可能なレーザーは連続発振レーザーである、
   請求項１に記載の膜形成装置。
5. 所定の電位に帯電した電極部材をワークの表面に近接させることで生じる火花放電により該電極部材を溶融及び積層させて前記ワークに膜を形成する膜形成工程と、
   不活性ガスの雰囲気内において、形成した前記膜にレーザーを照射して該膜を平滑化する膜平滑化工程と、を含む、
   膜形成方法。
6. 前記膜平滑化工程において照射するレーザーはパルス発振レーザーであり、
   前記パルス発振レーザーにおける、時間経過に伴う強度変化を示す波形は、
   第１強度ピーク値と、
   前記第１強度ピーク値よりも時間的に後にピークとなり、かつ前記第１強度ピーク値以下である第２強度ピーク値と、を含む、
   請求項５に記載の膜形成方法。
7. 前記膜平滑化工程において照射するレーザーはパルス発振レーザーであり、
   前記パルス発振レーザーをデフォーカスする、
   請求項５又は請求項６に記載の膜形成方法。
8. 前記膜平滑化工程において照射するレーザーは連続発振レーザーである、
   請求項５に記載の膜形成方法。
   
   

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