JP7296112B2

JP7296112B2 - 凹凸転写方法

Info

Publication number: JP7296112B2
Application number: JP2019161790A
Authority: JP
Inventors: 泰晴吉川
Original assignee: Meijo University
Current assignee: Meijo University
Priority date: 2019-09-05
Filing date: 2019-09-05
Publication date: 2023-06-22
Anticipated expiration: 2039-09-05
Also published as: JP2021037537A

Description

本発明は凹凸転写方法に関するものである。

特許文献１は従来のプレス加工金型が開示されている。このプレス加工金型は圧印加工（コイニング加工）を行うものである。このプレス加工金型は金属製の被加工材に転写したい所望の形状の凹凸が金型の表面に形成されている。金属製の被加工材の加工面に微細な凹凸を圧印加工する際に利用される金型は、一般的に切削、型彫り放電加工、レーザー加工、電子ビーム加工、及びエッチング等によって、微細な凹凸が形成される。

特開２００９－１７２６１２号公報

しかし、金型に微細な凹凸を形成する加工は、加工コストが高く、加工時間を長く要する。このように、微細な凹凸が形成された金型を利用して金属製の被加工材に微細な凹凸を形成しようとすると、金型の加工コストが高くなるため、多品種少量生産には向いていない。一方、微細な凹凸が形成された金型を大量生産に利用した場合、金型の微細な凹凸の摩耗が進行し、定期的に金型を修正、更新しなければならない。

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、金属製の被加工材に高精細、高精度の凹凸を安価に形成することができる凹凸転写方法を提供することを解決すべき課題としている。

本発明の凹凸転写方法は、軟質材の表面に顔料を含む着色剤によって凸部を形成し、前記着色剤によって凸部を形成した前記軟質材の表面と金属製の被加工材の加工面とを重ねて加圧することによって前記被加工材の加工面に凹凸を形成する。

この凹凸転写方法は、顔料を含む着色剤によって軟質材の表面に凸部を容易に形成することができる。特に、顔料を含む着色剤によって凸部を形成するため、微細な凹凸を所望する形状で軟質材の表面に容易に形成することができる。このため、この凹凸転写方法は、多品種少量生産に利用しても製造コストを抑えることができる。また、この凹凸転写方法は、軟質材の凹凸が摩耗すれば、同じ凹凸が形成された軟質材を容易に製造することができる。本発明における顔料を含む着色剤は、トナー等の固体、インク等の液体であり、レーザープリンタやインクジェットプリンタ等に利用して印刷することができる。

したがって、本発明の凹凸転写方法は、金属製の被加工材に高精細、高精度の凹凸を安価に形成することができる。

実施例１のプレス加工に応用した際の概略図である。（ａ）は実施例１の同心円パターンであり、（ｂ）は軟質材に同心円パターンを印刷した写真である。（ａ）はＰＥＴフィルムに印刷した同心円パターンの一部を示す３次元表面画像であり、（ｂ）はその断面形状である。各種軟質材を使用して凹凸を転写した第１試験片の表面写真である。各種軟質材を使用して凹凸を転写した第２試験片の表面写真である。凹凸を転写した第２試験片の測定位置と測定長さを示す表面写真である。各平均圧力で加圧して凹凸が形成された第２試験片の各測定部の断面形状である。各平均圧力で加圧して凹凸が形成された第３試験片の断面形状である。実施例２の圧延加工に応用した際の概略図である。圧延加工によって凹凸が転写された純アルミニウム材を示す写真である。実施例３の転造加工に応用した際の概略図である。

本発明における好ましい実施の形態を説明する。

本発明の凹凸転写方法は、前記着色剤によって凸部を形成した前記軟質材の表面と前記被加工材の加工面とを重ねて前記軟質材と前記被加工材とを金型に挟んで加圧してもよい。このように、本発明の凹凸転写方法はプレス加工に応用することができる。

本発明の凹凸転写方法は、前記着色剤によって凸部を形成した前記軟質材の表面と前記被加工材の加工面とを重ねて前記軟質材と前記被加工材とを一対のロールの間に通過させて加圧してもよい。このように、本発明の凹凸転写方法は圧延加工に応用することができる。

本発明の凹凸転写方法は、一対の金型の間に外形が円柱状である前記被加工材を挟み込み、少なくとも一方の前記金型の前記被加工材側の面に前記着色剤によって凸部を形成した前記軟質材が表面を前記被加工材側に向けて保持されており、一対の前記金型を相対的に移動させることによって前記被加工材を回転させつつ加圧してもよい。このように、本発明の凹凸転写方法は転造加工に応用することができる。ここで、外形が円柱状とは、被加工材が円柱状であるだけでなく、被加工材が円筒状であり中心の空間に芯金が挿入された状態の被加工材も含まれる。

次に、本発明の凹凸転写方法を具体化した実施例１～実施例３について、図面を参照しつつ説明する。

＜実施例１＞
実施例１の凹凸転写方法は、図１に示すように、金属製の平行平板型１０を用いたプレス加工に応用したものである。平行平板型１０が一対の金型に相当する。この凹凸転写方法は、先ず、レーザープリンタで軟質材２０の表面に印刷することによって、所望する形状の凸部３０を軟質材２０の表面に形成する。そして、軟質材２０の表面と金属製の被加工材４０の加工面とを重ねて軟質材２０と被加工材４０とを平行平板型１０に挟み、プレス機等で矢印Ｆ方向に加圧して、被加工材に凹凸を転写する。

このようにプレス加工に応用した凹凸転写方法において、軟質材２０の種類の影響、及び加圧力の影響について実験を行った。その内容を以下に説明する。

軟質材２０は、普通紙，ケント紙，コート紙（連量９０ｋｇ、１３５ｋｇ）、及びポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルムの５種類を使用した。レーザープリンタによって、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、最大円の直径が３６ｍｍであり、１．２ｍｍ間隔の同心円パターンを各軟質材の表面に印刷した。レーザープリンタのトナーが顔料を含む着色剤に相当する。図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、レーザープリンタによって印刷された線が凸部３０を形成している。この凸部３０の平均厚さは５．６μｍであり、平均幅は３０５μｍである。

金属製の被加工材４０としての試験片は、初期板厚さが１ｍｍであり、直径が３６ｍｍの純アルミニウム（Ａ１０５０－Ｏ）材である。この試験片の初期表面は圧延痕が残ったままのものを使用した。この試験片の加工面の算術平均粗さＲａは０．２３μｍである。試験片はアセトン中での超音波洗浄した後に使用した。

金型である金属製の平行平板型１０は、直径６０ｍｍ、高さ２５ｍｍであり、鏡面仕上げとし、ＴｉＣＮ（炭窒化チタン）コーティングを施してある。材質は合金工具鋼（ＳＫＤ１１）である。この平行平板型１０をアムスラー型万能試験機によって加圧した。

直径と厚さとの比（直径／厚さ）が２４である第１試験片の加工面に対し、レーザープリンタによって同心円パターンを表面に印刷した各軟質材２０の表面を平均圧力２９５ＭＰａで加圧した。このようにして加工面に凹凸が転写された第１試験片の顕微鏡写真を図４に示す。図４において、左側が第１試験片の中央であり、右側が第１試験片の端部である。いずれの軟質材を利用した場合においても同心円状の模様が確認できる。特に凹凸が顕著に確認できるものは非印刷部の表面が平滑であるＰＥＴフィルムを利用したものである。

また、直径と厚さとの比（直径／厚さ）が３６である第２試験片の加工面に対し、レーザープリンタによって同心円パターンを表面に印刷した各軟質材２０の表面を平均圧力２９５ＭＰａで加圧した。このようにして加工面に凹凸が転写された第２試験片の顕微鏡写真を図５に示す。図５において、左側が第２試験片の中央であり、右側が第２試験片の端部である。いずれの軟質材を利用した場合においても同心円状の模様が確認できる。特に凹凸が顕著に確認できるものは非印刷部の表面が平滑であるＰＥＴフィルムを利用したものである。

次に、直径と厚さとの比（直径／厚さ）が３６である第２試験片の加工面、及び直径と厚さとの比（直径／厚さ）が１２である第３試験片の加工面に対し、レーザープリンタによって同心円パターンを表面に印刷したＰＥＴフィルムの表面を異なる圧力で加圧した。

図６に示すように、第２試験片の転写後の凹凸を中央部（Ａ）、中間部（Ｂ）、端部（Ｃ）の３か所で測定した。中央部（Ａ）は中心から放射方向に３ｍｍ離れた位置まで延びた直線である。中間部（Ｂ）及び端部（Ｃ）は中央部（Ａ）の延長線上に位置している。中央部（Ａ）と中間部（Ｂ）との間隔、及び中間部（Ｂ）との間隔端部（Ｃ）との間隔は４．５ｍｍである。また、中間部（Ｂ）及び端部（Ｃ）の測定幅は３ｍｍである。

５１．１ＭＰａ、９８．７ＭＰａ、１４７．９ＭＰａ、１９７．０ＭＰａ、２４６．６ＭＰａ、及び２９９．６ＭＰａの各平均圧力で加圧した際の第２試験片の上記３カ所の凹凸形状を図７に示す。平均圧力が５１．１ＭＰａにおいて、中央部の凹凸は明瞭ではないものの、端部へ近づくに従い凹凸が確認できるようになる。平均圧力が大きくなっても概ね端部（Ｃ）の凹凸は中央部（Ａ）よりも比較的明瞭に転写できる傾向がみられるが、１９７．０ＭＰａ以上の平均圧力ではそれぞれの位置において凹凸の深さはほとんど変わらない。

３６．０ＭＰａ、７１．０ＭＰａ、１０６．４ＭＰａ、及び１３８．７ＭＰａの各平均圧力で加圧した際の第３試験片の凹凸形状を図８に示す。上述した第２試験片と同様に、中央部よりも端部の方が凹凸を明瞭に転写できていることがわかる。また、平均圧力が大きくなるに従い、明瞭に凹凸を転写できる傾向にあることがわかる。１０６．４ＭＰａ以上では比較的均一に凹凸が分布している。

全体的に凹凸が転写できるようになる平均圧力は上述した第２試験片では２００ＭＰａ程度、第３試験片では１００ＭＰａ程度であり、直径と厚さとの比（直径／厚さ）が小さい方が必要な平均圧力は小さくなる。一般的な圧印加工と同様に、この凹凸転写方法においても被加工材が塑性流動し得る応力状態とすれば、凹凸の転写が可能である。塑性流動は金型との摩擦の影響を受けるため、金型と被加工材あるいは軟質材の界面に潤滑剤を導入することで、被加工材の塑性流動を容易にさせ、低い平均圧力においても凹凸を転写できると考える。

＜実施例２＞
実施例２の凹凸転写方法は、図９に示すように、圧延加工に応用したものである。この凹凸転写方法は、先ず、レーザープリンタで軟質材であるＰＥＴフィルム１２０の表面に印刷することによって、所望する形状の凸部１３０をＰＥＴフィルム１２０の表面に形成する。そして、ＰＥＴフィルム１２０の表面と金属製の被加工材１４０の加工面とを重ねてＰＥＴフィルム１２０と被加工材１４０とを一対のロール１１０の間に通過させて加圧して被加工材１４０を塑性変形させ、被加工材１４０に凹凸を転写する。

レーザープリンタによって、１ｍｍピッチの格子状のパターンをＰＥＴフィルム１２０の表面に印刷した。レーザープリンタのトナーが顔料を含む着色剤に相当する。金属製の被加工材１４０は、幅が約３０ｍｍ、長さが約８０ｍｍの純アルミニウム（Ａ１０５０－Ｏ）材である。各ロール１１０はクロムモリブデン鋼で直径４３ｍｍであり、研削仕上げされたものである。圧下率５％程度で圧延した被加工材１４０の表面の外観を図１０に示す。被加工材１４０の表面の全領域において格子状のパターンを転写できていることがわかる。

＜実施例３＞
実施例３の凹凸転写方法は、図１１に示すように、転造加工に応用したものである。この凹凸転写方法は、先ず、レーザープリンタで軟質材２２０の表面に印刷することによって、所望する形状の凸部２３０を軟質材の表面に形成する。レーザープリンタのトナーが顔料を含む着色剤に相当する。平行平板型２１０の間に外形が円柱状である金属製の被加工材２４０を挟み込む。平行平板型２１０が一対の平板状の金型に相当する。平行平板型２１０の対向する面の夫々に、凸部２３０を形成した軟質材２２０が表面を被加工材２４０側に向けて保持されている。そして、平行平板型２１０の夫々を相対的に矢印Ｍ１，Ｍ２方向に移動させることによって被加工材を回転させつつ矢印Ｆ１，Ｆ２方向から加圧して、被加工材２４０の外周面に凹凸を転写する。

以上、説明したように実施例１～実施例３の凹凸転写方法は、軟質材２０，１２０，２２０の表面にレーザープリンタを利用してトナーによる凸部３０，１３０，２３０を形成する。トナーによって凸部３０，１３０，２３０を形成した軟質材２０，１２０，２２０の表面と金属製の被加工材４０，１４０，２４０の加工面とを重ねて加圧することによって被加工材４０，１４０，２４０の加工面に凹凸を形成する。

この凹凸転写方法は、トナーによって凸部３０，１３０，２３０を容易に形成することができる。特にトナーによって凸部３０，１３０，２３０を形成するため、微細な凹凸を所望する形状で軟質材２０，１２０，２２０の表面に容易に形成することができる。このため、この凹凸転写方法は、多品種少量生産に利用しても製造コストを抑えることができる。また、軟質材２０，１２０，２２０の凹凸が摩耗すれば、同じ凹凸が形成された軟質材２０，１２０，２２０を容易に製造することができる。

したがって、実施例１～実施例３の凹凸転写方法は、金属製の被加工材４０，１４０，２４０に高精細、高精度の凹凸を安価に形成することができる。

実施例１の凹凸転写方法は、トナーによって凸部３０を形成した軟質材２０の表面と被加工材４０の加工面とを重ねて軟質材２０と被加工材４０とを平行平板型１０に挟んで加圧する。このように、この凹凸転写方法はプレス加工に応用することができる。

実施例２の凹凸転写方法は、トナーによって凸部１３０を形成した軟質材１２０の表面と被加工材１４０の加工面とを重ねて軟質材１２０と被加工材１４０とを一対のローラの間に通過させて加圧する。このように、この凹凸転写方法は圧延加工に応用することができる。

実施例３の凹凸転写方法は、平行平板型２１０の間に外形が円柱状である金属製の被加工材２４０を挟み込み、平行平板型２１０の被加工材２４０側の面にトナーによって凸部２３０を形成した軟質材２２０が表面を被加工材２４０側に向けて保持されており、平行平板型２１０を相対的に移動させることによって、被加工材２４０を回転させつつ加圧する。このように、この凹凸転写方法は転造加工に応用することができる。

本発明は上記記述及び図面によって説明した実施例１～実施例３に限定されるものではなく、例えば次のような実施例も本発明の技術的範囲に含まれる。
（１）実施例１～実施例３の軟質材は普通紙，ケント紙，コート紙、及びＰＥＴフィルム以外であっても、顔料を含む着色剤で凸部が形成することができ、加圧時に凸部の形状を維持することができるものであればよい。
（２）実施例１～実施例３では、着色剤はトナーであったが、顔料を含んだインクであってもよい。この場合、インクジェットプリンタを利用して軟質材に顔料を含んだインクを印刷してもよい。
（３）実施例１及び実施例２では、被加工材の片面に軟質材の凸部が形成された表面を重ねて加圧し、被加工材の片面に凹凸を転写したが、被加工材の両面に軟質材の凸部が形成された表面を重ねて加圧し、一度に被加工材の両面に凹凸を転写してもよい。
（４）実施例３では、平行平板型の対向する面の夫々に被加工材を保持したが、平行平板型の対向する面の少なくとも一方の面に凸部を形成した軟質材の表面が被加工材側を向くようにして被加工材を保持してもよい。

１０，２１０…平行平板型（金型）
２０，１２０，２２０…軟質材
３０，１３０，２３０…凸部
４０，１４０，２４０…被加工材
１１０…ロール

Claims

軟質材の表面に顔料を含む着色剤によって凸部を形成し、
前記着色剤によって凸部を形成した前記軟質材の表面と金属製の被加工材の加工面とを重ねて加圧することによって前記被加工材の加工面に凹凸を形成する凹凸転写方法。
前記着色剤によって凸部を形成した前記軟質材の表面と前記被加工材の加工面とを重ねて前記軟質材と前記被加工材とを一対の金型に挟んで加圧する請求項１に記載の凹凸転写方法。
前記着色剤によって凸部を形成した前記軟質材の表面と前記被加工材の加工面とを重ねて前記軟質材と前記被加工材とを一対のロールの間に通過させて加圧する請求項１に記載の凹凸転写方法。
一対の金型の間に外形が円柱状である前記被加工材を挟み込み、
少なくとも一方の前記金型の前記被加工材側の面に前記着色剤によって凸部を形成した前記軟質材が表面を前記被加工材側に向けて保持されており、
一対の前記金型を相対的に移動させることによって前記被加工材を回転させつつ加圧する請求項１に記載の凹凸転写方法。