JP2003013107A

JP2003013107A - 三次元形状焼結部品の製造方法

Info

Publication number: JP2003013107A
Application number: JP2001205515A
Authority: JP
Inventors: Shunsuke Takeguchi; 俊輔竹口; Masahiro Kimura; 正宏木村
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 2001-07-06
Filing date: 2001-07-06
Publication date: 2003-01-15

Abstract

(57)【要約】【課題】高品質でかつ高精度の三次元形状焼結体の製造
方法を提案する。【解決手段】予め、製品である焼結部品の三次元形状か
ら、所定方向の一定厚さごとに製品のスライス図面を作
成するとともに、平均粒径が50μｍ以下の金属粉末又は
セラミックス粉末もしくは金属粉末とセラミックス粉末
の混合粉末とバインダーとを混合し、加熱し、混練して
混合物としたのち、該混合物を加熱し、該混合物を前記
製品のスライス図形に対応してベース上に一定厚さ積層
する積層工程を、目的とする製品の三次元形状を有する
積層体となるまで繰り返し、ついで、得られた積層体
を、加熱しまたは溶剤に浸漬して脱脂したのち、焼結
し、製品とする。製品のスライス図形の外縁にワックス
類でサポート部を形成してもよい。また、積層の厚さを
所定厚さとする加工工程を施してもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、焼結部品に係り、
とくに３次元的に複雑な形状の焼結部品の製造方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、焼結部品は、原料粉末を金型
中に装入し圧縮成形して圧粉体とし、この圧粉体を焼結
して焼結体とし仕上げ加工されて製品とする粉末冶金法
で製造されてきた。しかし、圧粉成形によって造形でき
る形状には加圧方向により制限があり、また焼結体は硬
く加工性が悪いため、単純形状で寸法精度にそれほど高
い要求のない部品に限定されていた。なお、圧粉成形を
精度よく行う方法として多段成形が行われているが、同
様に、加圧方向に制限があり、複雑な形状の部品への適
用には問題を残していた。

【０００３】一方、近年、金属質焼結部品を得る方法と
して、金属粉末射出成形法（ＭＩＭ）が開発された。こ
の金属粉末射出成形法は、原料微粉末に熱可塑性合成樹
脂やワックス等の熱可塑性のバインダーを配合し、溶融
したのち射出成形機で金型に射出成形して所望形状の成
形体とし、ついで射出成形体を加熱してバインダーを溶
融除去したのち、焼結して製品とする。この方法によれ
ば、複雑な形状の製品でも比較的容易に製造できるとさ
れている。

【０００４】しかしながら、金属粉末射出成形法では、
原料粉末である金属粉末を含む流体を射出する金型を必
要とすること、さらにこの金型に金属粉末を含む高温の
流体を射出するため、金型の摩耗が大きく、寿命が短い
という問題があった。また、金属粉末の密度が金型内で
不均一となりやすく、寸法収縮が起こりやすいため、こ
の寸法収縮を考慮した金型を製作することに多大の労力
を要し、金型製作費用、製作納期等に問題があった。

【０００５】このような問題に対し、特開平７-197104
公報には、金属および／またはセラミック粉末からなる
焼結性粉末にバインダーを混合し焼結用原料粉とするバ
インダー混合工程と、この焼結用原料粉を造形し素材形
状造形体とする造形工程と、この素材形状造形体を固化
し粉末固化素材とする固化工程と、この粉末固化素材を
製品形状に精密加工し精密加工体とする精密加工工程
と、この精密加工体からバインダーを除去し脱バインダ
ー体とする脱バインダー工程と、この脱バインダー体を
焼結し焼結体とする焼結工程からなる精密粉末焼結品の
製造方法が提案されている。

【０００６】しかしながら、特開平７-197104 公報に記
載された技術では、精密な金型を作製する必要はない
が、精密加工体を形成するための高価な３次元精密加工
機を必要とし、製造コストの高騰を招くという問題があ
った。これとは別に、精密な金型や高精度の切削加工を
必要としない、三次元構造体の造形方法として、光硬化
性流動樹脂を利用した光造形法がある。この光造形法を
応用し金属またはセラミックスからなる構造物を製造す
る方法が、例えば、特開平６-306407 号公報に提案され
ている。

【０００７】特開平６-306407 号公報に記載された技術
は、光硬化性流動樹脂、無機粉末材料および光透過性材
料を混合した混合物に、光を照射して光硬化性流動樹脂
を硬化させ所望の形状を有する成形体を得て、該成形体
から樹脂分を除去し、所定の温度に加熱し焼結体とす
る、焼結体の製造方法である。この技術によれば、金型
による成形工程、切削工程を必要とすることなく高品質
でかつ高精度の焼結体を容易に製造できるとしている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
６-306407 号公報に記載された技術では、光硬化性流動
樹脂、光透過性材料を多量に使用するため、これら材料
の除去に多大の労力を必要とし、また、残留すると焼結
体の特性が低下するなど、品質上、生産性、製造コスト
等に問題を残していた。

【０００９】本発明は、上記した従来技術の問題を解決
し、金型を用いることなく、また三次元形状の切削工程
を必要とすることなく、さらに特性劣化の恐れが少な
い、高品質でかつ高精度の焼結体を容易に製造できる三
次元形状の焼結体の製造方法を提案することを目的とす
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記した課
題を達成するために、三次元形状の造形方法について鋭
意検討した。その結果、所望の製品形状をもとに三次元
ＣＡＤ機能を利用して、一定厚さのスライス図面を作成
しこのスライス図面に基づいて、金属粉末又はセラミッ
クス粉末もしくは金属粉末とセラミックス粉末の混合粉
末とバインダーからなる混合物を直接ベース上に一定厚
さに積層し、これを繰り返して所望の製品形状を有する
積層体としたのち、焼結することが、最も簡便でかつ高
品質、高精度の焼結体が得られることに想到した。

【００１１】本発明は, 上記した考えに基づきさらに検
討を加えて完成されたものである。すなわち, 本発明の
要旨は下記のとおりである。（１）予め、製品である焼結部品の三次元形状から、所
定方向の一定厚さごとに製品のスライス図面を作成する
とともに、平均粒径が50μｍ以下の金属粉末又はセラミ
ックス粉末もしくは金属粉末とセラミックス粉末の混合
粉末とバインダーとを混合し、加熱し、混練して混合物
としたのち、該混合物を加熱し、該混合物を前記製品の
スライス図形に対応してベース上に一定厚さ積層する積
層工程を、目的とする製品の三次元形状を有する積層体
となるまで繰り返し、ついで、得られた積層体を、加熱
しまたは溶剤に浸漬して脱脂したのち、焼結し、製品と
することを特徴とする三次元形状焼結部品の製造方法。（２）（１）において、前記積層工程で形成される前記
混合物の積層を保持するために、前記積層工程に、前記
製品のスライス図形の外縁にワックス類もしくは前記混
合物に使用しているバインダーと同種のバインダーから
なる一定厚さのサポート部を形成するサポート部形成工
程を付加することを特徴とする三次元形状焼結部品の製
造方法。（３）（１）または（２）において、前記積層工程ある
いはさらにサポート部形成工程を施した後に、前記積層
の厚さを所定厚さとする加工工程を施すことを特徴とす
る三次元形状焼結部品の製造方法。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明では、まず製品の三次元形
状図面を三次元ＣＡＤ機能を有する装置（スライス図面
作成手段３）に入力し、予め、所定方向の一定厚さごと
に製品をスライスしたときの断面形状を示す、製品のス
ライス図面を作成する (図１参照）。スライス図面は、
（所定方向の製品高さ）／（スライス厚さ）枚作成され
る。

【００１３】これとは別に、金属粉末又はセラミックス
粉末もしくは金属粉末とセラミックイス粉末の混合粉末
とバインダーとを混合し、加熱し、混練して混合物とす
る。焼結体を構成する金属粉末としては、鉄、銅、アル
ミ等の粉末を、セラミックス粉末としては、アルミナ、
ジルコニア、窒化珪素等の粉末を用いるのが好ましい。
本発明で使用するこれら粉末は平均粒径が50μｍ以下の
粒子を使用する。粉末粒子の平均粒径が50μｍを超える
と、密度が低下し、更に粒子の流動性が低下するという
問題があり、本発明では金属粉末、セラミックス粉末の
平均粒径を50μｍ以下に限定した。なお、好ましくは20
μｍ以下である。

【００１４】バインダーは、樹脂類、ワックス類および
植物油の１種または２種以上を混合したものとすること
が好ましい。なお、樹脂類としては、ポリエチレン樹
脂、ポリプロピレン樹脂、ポリスチレン樹脂等が例示さ
れる。ワックス類としては、パラフィンワックス、マイ
クロクリスタリンワックス、ステアリン酸等が例示され
る。植物油としては、ピーナツオイル、キャスターオイ
ル等が例示される。

【００１５】上記した金属粉末又はセラミックス粉末も
しくは金属粉末とセラミックス粉末の混合粉末と、バイ
ンダーを混合し、好ましくは樹脂類としてポリエチレン
樹脂（ＰＥ）を用いる場合は 130℃以上、ポリプロピレ
ン樹脂（ＰＰ）を用いる場合は 170℃以上に加熱して混
練して混合物とする。これらの混合物を用い積層工程に
より積層体を構成する。積層工程の概要を図２に示す。

【００１６】本発明における積層工程は、この混合物を
直接ベース10上に一定厚さｔだけ積層する工程である。
混合物は、所定方向の一定厚さごとに作成されたスライ
ス図面、すなわち製品の所定方向の一定厚さごとの断面
形状に対応して、その位置での製品の断面形状に合致す
るように、供給ヘッド11によりベース10上に一定厚さに
積層される。なお、一定厚さｔは適宜変更可能である
が、厚さが厚すぎると外形形状の寸法精度が低下するた
め、要求される寸法精度により適宜決定することが好ま
しい。

【００１７】混合物の積層は、パソコン等の積層制御手
段２によりその位置での製品の断面形状に合致するよう
に制御して行われることが好ましい。このため、積層手
段１は、積層制御手段２からの信号により二次元（Ｘ，
Ｙ平面）に可動可能な装置とすることが好ましい。積層
手段１は、供給ヘッド11とベース10とを有することが好
ましい。供給ヘッド11には、混合物と後述するサポート
部用材とを別系統に供給可能とするため、混合物を供給
する噴射ノズル12a 、サポート部用材を供給する噴射ノ
ズル12b を有する。各供給ヘッドとも、積層制御手段２
からの信号により混合物あるいはサポート部用材の供給
を制御する。供給ヘッドとしては、耐熱性ノズルがあ
り、液状の物質を前記一定厚さに積層できる構造とする
ことが好ましい。

【００１８】なお、混合物の積層に際し、混合物は、バ
インダーの融点以上に加熱され、液状状態で噴射ノズル
12a に供給される。なお、上記した積層工程により形成
された混合物の積層を保持するために、一回の積層工程
ごとに、製品のスライス図形の外縁に、混合物の積層厚
さに等しい一定厚さの、サポート部を形成するサポート
部形成工程を付加することができる。サポート部は、加
熱等を施して適正な粘度としたワックス類もしくは混合
物に用いるバインダーと同種のバインダーを混合物とは
別系統の噴射ノズル12b に供給し、積層制御手段２から
の信号により所定の位置に、混合物の積層厚さに等しい
一定厚さに積層して形成される。サポート部用材として
用いるワックス類としては、油性ワックス類もしくは混
合物に用いるバインダーと同種のバインダー等が例示さ
れる。

【００１９】また、積層工程あるいはさらにサポート部
形成工程を施した後に、積層の厚さを所定厚さとする加
工工程を施してもよい。この加工工程を施すことによ
り、一層分の厚さが所定の厚さに精度よく揃えることが
でき、寸法精度に優れた積層体を得ることができ、高精
度の焼結体を製造できることになる。加工手段13はとく
に限定されないが、切削、あるいは研磨とすることが好
ましい。

【００２０】本発明では、上記した積層工程を、あるい
はさらにサポート部形成工程とを、目的とする製品の三
次元形状を有する積層体となるまで繰り返し行う。な
お、繰り返し回数は、一回の積層厚さに依存して変化さ
せることができる。また、繰り返し積層に際しては、ベ
ース10を支持する、例えばテーブル14をＺ軸方向に積層
厚さである一定厚さ分だけ移動することが好ましい。こ
れにより、次回の積層が供給ヘッド11のＸ−Ｙ面での移
動で可能となる。この状況を図３に示す。

【００２１】得られた積層体は、ついで、バインダーお
よびサポート部を除去される。バインダーおよびサポー
ト部の除去は、積層体を加熱するか、または積層体を溶
剤に浸漬することにより行うことが好ましい。加熱除去
の場合は、バインダーを構成する樹脂類あるいはサポー
ト材の沸点（気化する温度）まで加熱し、真空又は還元
雰囲気中において完全に除去することが好ましい。

【００２２】一方、溶剤浸漬の場合は、溶剤中に積層体
を浸漬しバインダーおよびサポート部の一部を溶解除去
する。この場合、ワックス類あるいはオイル類は溶剤で
溶解除去可能であるが、樹脂類はその後の焼結時に除去
される。このように、バインダー、サポート材を除去さ
れた積層体は、ついで焼結される。焼結条件はとくに限
定する必要はなく、使用する金属粉末、セラミックス粉
末に応じ適宜決定することが好ましい。また、焼結雰囲
気も、真空中、あるいは還元雰囲気中など必要に応じ適
宜決定することができる。

【００２３】このようにして、金型を必要とせずに、ま
た、高精度の切削加工を施す必要もなく、所望の高品
質、高寸法精度の製品（焼結体）を得ることができる。

【００２４】

【実施例】オーステナイト系ステンレス鋼粉 (合金鋼
粉：SCM415、平均粒径：10μｍ）に、バインダーとし
て、ポリエチレン樹脂およびパラフィンワックスを混合
し、 140 ℃に加熱して混練して混合物とした。ついで、
これら混合物を 140℃に加熱し、積層手段１の噴射ノズ
ル12a に供給し、図４に示す形状の製品（ロッカアー
ム）のスライス図面に対応して、ベース10上に一定厚さ
だけ積層する積層工程を行った。一方、サポート部用材
として、パラフィンワックスを70℃に加熱して、積層手
段１の噴射ノズル12b に供給し、一定厚さごとに作成さ
れたスライス図面の外縁に対応した位置に、サポート部
を形成した。このような積層工程、サポート部形成工程
を必要な積層高さとなるまで繰り返した。

【００２５】なお、予め、三次元ＣＡＤ機能を有する装
置（スライス図面作成手段）に製品の三次元形状を入力
し、積層厚さごとに対応したスライス図面を作成した。
このスライス図面に対応した位置信号を積層制御手段２
である、制御用パソコンに入力し、積層手段１を制御し
て、所定の厚さ、形状の三次元の積層体を作製した。得
られた積層体を、800 ℃に加熱し、バインダー、サポー
ト部を除去した。ついで、真空中で1400℃×２ｈの焼結
処理を施し、焼結体とした。得られた焼結体は、所望の
製品形状に対し、優れた寸法精度を有する焼結体となっ
ていた。また、焼結体の特性もとくに性能の劣化は認め
られなった。

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、金型を用いることな
く、また三次元形状の切削工程を必要とすることなく、
さらに特性劣化もなく、高品質でかつ高精度の焼結体
を、安価に製造でき、産業上格段の効果を奏する。ま
た、金型の作製を必要としないため、製造納期の大幅な
短縮が可能となるという効果もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に好適な構成の一例を示す概略説明図で
ある。

【図２】本発明の積層工程の一例を模式的に示す概略説
明図である。

【図３】積層体の形成状況の一例を模式的に示す断面図
である。

【図４】実施例で用いた製品の概略図である。

【符号の説明】

１積層手段２積層制御手段３スライス図面作成手段 10 ベース 11 供給ヘッド 12a 噴射ノズル 12b 噴射ノズル 13 加工手段 14 テーブル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 4G030 CA07 GA14 4K018 BB04 BC08 BC12 CA01 CA09 CA50 DA03 DA11

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】予め、製品である焼結部品の三次元形状
から、所定方向の一定厚さごとに製品のスライス図面を
作成するとともに、平均粒径が50μｍ以下の金属粉末又
はセラミックス粉末もしくは金属粉末とセラミックス粉
末の混合粉末とバインダーとを混合し、加熱し、混練し
て混合物としたのち、該混合物を加熱し、該混合物を前
記製品のスライス図形に対応してベース上に一定厚さ積
層する積層工程を、目的とする製品の三次元形状を有す
る積層体となるまで繰り返し、ついで、得られた積層体を、加熱しまたは溶剤に浸漬し
て脱脂したのち、焼結し、製品とすることを特徴とする
三次元形状焼結部品の製造方法。
【請求項２】前記積層工程で形成される前記混合物の
積層を保持するために、前記積層工程に、前記製品のス
ライス図形の外縁にワックス類もしくは前記混合物に使
用するバインダーと同種のバインダーからなる一定厚さ
のサポート部を形成するサポート部形成工程を付加する
ことを特徴とする請求項１に記載の三次元形状焼結部品
の製造方法。
【請求項３】前記積層工程あるいはさらにサポート部
形成工程を施した後に、前記積層の厚さを所定厚さとす
る加工工程を施すことを特徴とする請求項１または２に
記載の三次元形状焼結部品の製造方法。