JP4068349B2 - 工具の製造方法 - Google Patents

Description

【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5,300,263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。さらに上記製造工具が、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ってもよい。
【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。

Claims (13)

1. （ａ）高速造形技術を利用して、１又は複数の層から作られているマスター工具を製造すること；
   （ｂ）このマスター工具を型として使用して、製造工具を構成する複数の部分を製造すること；
   （ｃ）前記複数の部分を組み立てて、パターン化された表面を有する筒状の製造工具を製造すること；
   （ｄ）研磨粒子が分散している硬化性結合剤樹脂の層を、基材上に堆積させること；
   （ｅ）この製造工具を利用して、前記硬化性結合剤樹脂層に、パターンを与えること；及び
   （ｆ）上記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. 上記製造工具が、エンボス加工用のプレート、ロール、ベルト及び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. 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. 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. 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. 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. 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. 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。
9. 三次元堆積技術を使用して、１又は複数の層から作られているマスター工具を製造すること；
   上記マスター工具を型として使用して、製造工具を構成する複数の部分を形成すること；
   前記複数の部分を組み立てて、パターン化された表面を有する製造工具を製造すること；
   研磨粒子及び樹脂を含有する表面層を有する基材を提供すること；
   該製造工具を利用して、前記表面層に、パターンを与えること；及び
   該パターン化された表面層を硬化させて、加工表面を有する被覆研磨工具を製造すること、
   を含む、被覆研磨工具の製造方法。
10. 前記複数の部分を組み立てて、製造工具を製造することが、該複数の部分を組み立てて、筒状の製造工具を製造することを含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記複数の部分を組み立てて、製造工具を製造することが、該複数の部分を組み立てて、平坦な製造工具を製造することを含む、請求項９に記載の方法。
12. 前記複数の部分を組み立てて、筒状の製造工具を製造することが、
    該複数の部分を組み立てて、該パターンが内側となるようにした筒状の形態を形成すること；
    該筒状の形態の中に支持用円筒を設置して、該支持用円筒と該筒状の形態の間に空間を形成すること；
    該空間に硬化性樹脂を導入し、ローラーを形成して、スリーブを形成すること；及び
    該スリーブを任意のローラーに設置して、前記製造工具を形成すること、
    を含む、請求項１０に記載の方法。
13. 三次元堆積技術を使用して、１又は複数の層から作られている複数のマスター工具を製造すること；
    該複数のマスター工具を組み立てることにより、一つの組み立てたマスター工具を形成すること；
    該組み立てたマスター工具を型として使用して、製造工具を形成すること；
    研磨粒子及び樹脂を含有する表面層を有する基材を提供すること；
    該製造工具を利用して、該表面層に、パターンを与えること；及び
    該パターン化された表面層を硬化させて、加工表面を有する被覆研磨工具を製造すること、
    を含む、被覆研磨工具の製造方法。

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