JP2008254427A - Ｐｉｍまたはマイクロｐｉｍによって部品を製造する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】射出成形法によって部品を作製する方法において、焼結収縮が均一等方的であり、ゆがみや焼結中の割れがなく、形状の精密な成形部品を与えるとともに、ナノメータレベルの粉末の使用を可能とする粉末射出成形又はマイクロ粉末射出成形により部品を製造する方法を提供する。
【解決手段】溶媒に溶解されたポリマーバインダーと混合された少なくとも一つの粉末を含む供給原料を調製する段階と、圧力下で、前記供給原料を金型内に射出する段階と、脱脂段階と、焼結段階とを含み、前記供給材料は、圧縮の間溶媒の蒸発温度よりも高い温度に維持される。
【選択図】図１

Description

本発明は「粉末射出成形（ＰＩＭ）」または「マイクロ粉末射出成形（マイクロＰＩＭ）」とよばれる技法によって物品を製造する新規の方法に関する。

そのような方法は、焼結における収縮が最小であり、それによって高い形状再現性を有する部品を得るのに役立つ。それは、嵩高い部品を製造するのにも役立つ。

本発明による方法は、供給原料である粉末がセラミックスまたは合金のナノ粉末である場合に特に適する。

粉末射出成形法（ＰＩＭ、または非常に微細な粉末に関してはマイクロＰＩＭ）は様々な物品を製造するのに通常使用される。

そのような方法において、第１の段階は意図する用途に適する供給原料を得ることにある。

供給原料は有機物（またはポリマーバインダー）および無機粉末（金属またはセラミックス）の混合物である。

その後供給原料は熱可塑性樹脂のように射出される。

その後部品はバインダーを除去され、その後焼結される。

しかしながら、現在適用されるＰＩＭ法は制限を有し、欠点さえ有する。

第１の欠点は、そのような方法で製造される部品の精密さの欠如に関し、これらの部品が焼結段階の間に大きく収縮するという事実に関連する。実はこの段階は、粉末を高密度化することによって、約４０％の多孔性を有する部品を見かけ上多孔性を持たないものに転換するのに役立つ。したがって、この段階は約４０％の体積収縮を引き起こす。

多くの場合には、この収縮は完全に均一または等方性ではなく、非常に厳密な形状寸法に応じることを困難にする。したがって、焼結された部品の形状寸法の分散は、最も良好な場合で、所定の形状寸法の０．５％であることが観察された。例えば、厚み２ｍｍの壁は１０ミクロンの厚みの分散を有することが多い。

さらに焼結は部品の実質的なゆがみの原因となる可能性があり、焼結中の割れにつながる可能性がある。

結果的に、ＰＩＭ法およびマイクロＰＩＭ法は部品の形状の精密さが強く要求されるときには使用することができない。

この問題を克服するために解決法が検討されてきた。米国特許第４１１３４８０号明細書は焼結収縮を最小にするよう設計された供給原料組成物のタイプを記述する。このタイプの組成物は、固めたときの粉末密度（理論密度の６５％）に近い脱脂後の密度を得るのに役立つ。この場合、焼結の間の体積収縮は３５％に制限される。

本願では、液体の形態のポリマーおよび水を分離することによって取り出すために、金型を可能な限り最高の温度に加熱するという考えを述べる。この取り出しは、部品が金型から取り出されるのに十分な機械的強度を有するとき、停止する。水の脱脂はプレスの外でも続き、通常は部品の破壊につながる。

さらに、この解決方法は、液体の脱水によって同伴されることがないと思われる、粗い粉末にのみ適する。

供給原料の均一性を改良して焼結収縮を最も均一にすることが可能であるとも考えられてきた。

例えば、欧州特許第０４６８４６７号明細書は、酸素含有量を制御することによって、および均一な組成物を有する供給原料を調製することによって、供給原料の均一性を改良するのに役立つ粉末／ポリマー供給原料組成物を開示する。

現在のＰＩＭ法の第２の制限は、作製される部品のサイズに関する。従来はＰＩＭによって作製される部品は２ｃｍを超えることはできないと考えられてきた。この制限は脱脂に関連する困難性に起因する。脱脂が材料の中心部から有機物質を取り除くことであることが理由である。非常に大きな部品では、脱脂の間に部品は割れ、または破裂する。

他の困難性は、微細で一様なナノメータレベルの粉末を適用することにある。

実際には、非常に微細な粉末の使用は、同じフィラー含有量において供給原料の粘度を増加することが観察されている。これは、粉末の固有の表面積が増加することによって説明され、この増加は、供給原料のレオロジー的挙動において表面の効果を支配的なものとする。

その結果、マイクロＰＩＭ法の下での開発はこの問題に直面する。現在は、ＰＩＭにおいて使用される従来の供給原料を非常に低粘度のワックスに基づく供給原料によって代替することのみが、提案された解決方法である。しかしながら、これらの解決方法には制限があり、ナノ粉末に基づく供給原料を得ることが不可能であることがわかっている。実際には、マイクロ部品（非常に微細な細部）、非常に良好な表面テクスチャー（低Ｒａ）を有する部品、または単に非常に良好な機械的性質（ナノ材料）を有する部品を作製するこの方法の使用は、非常に有望であると思われる。

したがって、ＰＩＭまたはマイクロＰＩＭによって部品を作製するための改良された方法を開発することに対する明白な必要性が存在する。
欧州特許第０４６８４６７号明細書

したがって、本発明は射出成形法によって部品を作製する方法に関し、この方法において実行される連続する段階はこの技法の従来の欠点を回避するのに役立つ。

このように、本発明による方法は、サイズまたは精密さに対するどのような制限もなしに、特にナノ粉末から作製されるとき、部品を得るのに役立つ。

通常、本発明による方法は、以下の本質的な段階を含む、
・供給原料の調製
・圧力下における金型への供給原料の射出
・脱脂
・焼結

本発明により、特徴的な方法で、供給原料は溶媒に溶解された少なくとも一つのポリマーバインダーと混合された粉末を含み、前記混合物はプレスの間溶媒の蒸発温度よりも高い温度で保持される。

どのような理論にも束縛されることなく、非常に高温の金型内で、圧力下で供給原料を射出することは、ポリマーおよび、表面近傍での、蒸気としての、溶媒の有意の割合のインサイチュ取り出しを引き起こすと想定される。その結果、溶媒は蒸発し、部品の表面にはポリマーが残る。この方法は、液体法である従来技術の方法と比較して、非常に時間を節約する。

本発明によると、その取り出しの前に、溶媒は完全に部品から除去されるべきである。その結果、部品を加熱するさらなる段階（溶媒の蒸発温度と比較して高く、しかし脱脂段階において採用される温度よりもずっと低い温度に）は、金型からの取り出しの後、不必要である。

前述のように、本発明による方法の本質的な段階は、射出後に、供給原料を圧力下に、および溶媒の蒸発温度と比較して高い温度に維持することにある。この操作の間、溶媒は部品から脱離し、蒸発して、サンプル表面に向かって移動するポリマーを同伴する。溶媒から分離されて、ポリマーは、粉末をプラスチックの殻によって保持する固体の殻を製造する。

圧力を維持することによって、部品は高密度化され続け、溶媒およびポリマーの移動によって残されたボイドは高密度化、すなわち粉末粒子の凝集、によって相殺される。後者の局面は、ナノ粉末で調製された供給原料に関してきわめて重要である。これは、初期のフィラー含有量が低くてよい（約３０から４０％）にも関わらず、本発明による方法において、脱脂の後、焼けた部品（ｂｒｏｗｎ ｐａｒｔｓ）が高い密度に達するのに役立つ。

有利には、本発明の方法は、少なくとも一つのナノ粉末を含む供給原料で実行される。有利には、ナノ粉末は成分粒子が１００ｎｍよりも小さい粉末を意味する。

取り出しの後、次いで部品の乾燥の段階を実施することは、ナノ粒子の場合特に好ましい。実際、従来の方法における脱脂の間、ナノ粉末から作られる成形体は崩壊することが観察されている。ナノ粉末粒子の体積が非常に低いため、この問題を引き起こすのは、非常に高い割合のポリマーであることが推測される。実際、本発明による方法はこの問題を排除するのに役立つ。

第１の段階において、供給原料は調製される。これは少なくとも一つの粉末またはナノ粉末の混合を含み、有利には、セラミックスまたは金属種、溶媒および溶媒に可溶なポリマーである。

射出まで、そのような供給原料はそれが固化するフリーザの中に保存されてよい。

好ましくは溶媒は水性溶媒であり、さらに好ましくは水である。

周囲温度で水に可溶な、適切なポリマーはカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）である。

ポリマーは供給原料の全体積の３％から５０％の比率で存在してよい。

その後供給原料は従来のプレス、例えば２５トンプレス、内部に射出される。最小圧力約１４０ｂａｒが約３０秒間従来どおりに適用される。

圧力が高く、継続時間が長いと、結果はよい。

供給原料溶媒が水である場合、金型は１００℃超、例えば１１０℃、に加熱される。

前記加熱の間、溶媒は装置の間隙を通じて蒸発し、脱離する。その後、金型内において初期の圧力を維持することは重要である。この目的のため、例えば、制御−圧力プレス、または金型の後ろに配置された校正されたばねが使用されてよく、それは乾燥の間供給原料を所望の圧力で保持する。

有利には、例えば８０℃で数時間、金型は冷却される。これは、ポリマーを固化し、部品の殻を硬くするのに役立つ。その後部品は容易に取り出され、取り扱われる。

通常の熱的脱脂操作および予備焼結が、その後、例えば１１００℃において空気中で、実行される。この脱脂段階はその表面上で形成されるポリマーフィルムの成形体を取り除くのに役立つ。同じ熱的脱脂操作の間、予備焼結は部品を予め高密度化し、続く操作の間その取り扱いを容易にするのに役立つ。

焼結段階の最終段階は、例えば温度１７００℃で実行される。

脱脂と焼結の間、任意の廃棄物の除去のさらなる段階が、洗浄によって、特に水に浸漬することによって提供されてよい。

本発明は同時に以下の有利な点を全て有することがわかった。前述された、部品の作製方法は、以下のことに役立つ。
・プレスを保持する圧力に圧縮された乾燥粉末に相当する、最大のグリーン密度を有する部品を作製する。
・収縮が最小化された部品を製造する。実際、射出後に得られた高い密度のため、焼結収縮は最小化される。
・熱的脱脂操作を最も単純な表現に制限する。これは、製造される部品のサイズによらない。実際、部品の脱脂は単にポリマースキンを取り除くことにある。
・表面へのポリマーの移動により、粉末本体の汚染（特に炭素、酸素による汚染）を低くすることを確実にする。
・嵩高い部品を作製する。本体脱脂の殆どはプレスにおける圧力保持操作の間に完了され、それによって部品の破裂／割れのリスクを除去する、
・粉末またはナノ粉末（すなわち微細な粉末、これは一般的にＰＩＭには適切ではない）の供給原料（非球形モルフォロジーの非常に低コストの粉末）から部品を作製する。

実施例
添付された図面と関連する以下の実施例は、本発明を説明することを意図しており、制限的なものでは全くない。

図１は、射出成形法に基づく、本発明による製造方法の様々な段階を示す。

１．アルミナ部品の製造
セラミックスベースの供給原料が調製された。これは、粒子サイズ分布が一方は１５０ｎｍに中心を、他方は３００ｎｍに中心を有する、同一のアルミナ粉末の二つのバッチを含む。

有機部分は、ポリマーとして働く８％のＣＭＣから構成され、残りは水である。全フィラー体積含量は７０％である。

フリーザ内で固化された後、供給原料は１４０ｂａｒの圧力を送達する２５トンプレス内部に射出される。

シリンダが１１０℃に加熱された金型内部に射出される。１４０ｂａｒの圧力が３０秒間維持される。

その後金型は８０℃に冷却され、部品は取り出される。

加熱段階の間圧力の維持に起因して、グリーン密度（射出後の密度）は７５％に近く、または供給原料のフィラー含量を５％超える。

部品は、その後、バインダーを取り除かれ、空気中で１１００℃において予備焼結される。

部品は８０℃の水に５時間浸漬され、その後１７００℃で焼結される。

２．ナノ粉末からのアルミナ部品の製造
セラミックスを原料とする供給原料が調製されるが、今回は５０ｎｍに中心を有する粒子サイズ分布の粉末（ナノ粉末）のバッチからなる。全フィラー含有量は４０％であるが、この技術分野では、これは脱脂サイクルの後正常な部品を製造するには低すぎると考えられる。

フリーザで固化された後、供給原料は２５トンプレスに射出される。

シリンダは１１０℃に加熱された金型内部に射出される。１４０ｂａｒの圧力が３０秒間維持される。

その後金型は８０℃に冷却され、部品は取り出される。

圧力の維持に起因して、グリーン密度は６０％に近く、または供給原料のフィラー含量を２０％超える。

部品は、その後、バインダーを取り除かれ、空気中で１１００℃において予備焼結される。

部品は８０℃の水に５時間浸漬され、その後１７００℃で焼結される。最終的な部品は正常であることがわかった。

射出成形法に基づく、本発明による製造方法の様々な段階を示す。

Claims (8)

1. 溶媒に溶解されたポリマーバインダーと混合された少なくとも一つの粉末を含む供給原料を調製する段階と、
   圧力下で、前記供給原料を金型内に射出する段階と、
   脱脂段階と、
   焼結段階とを含み、
   前記供給材料は、圧縮の間溶媒の蒸発温度よりも高い温度に維持される、射出成形法によって部品を作製する方法。
2. 溶媒の蒸発の間、金型内の初期の圧力は維持される、請求項１に記載の部品を作製する方法。
3. 前記供給原料が少なくとも一つのナノ粉末を含み、前記ナノ粉末の粒子は１００ｎｍより小さい、請求項１または２に記載の部品を作製する方法。
4. 前記溶媒が水性溶媒であり、好ましくは水である、請求項１から３の何れか一項に記載の部品を作製する方法。
5. 前記ポリマーバインダーがカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）である、請求項１から４の何れか一項に記載の部品を作製する方法。
6. 前記ポリマーバインダーが前記供給原料の全体積の３％から５０％の比率で存在する、請求項１から５の何れか一項に記載の部品を作製する方法。
7. 前記金型は脱脂段階の前に部品を取り出すために冷却される、請求項１から６の何れか一項に記載の部品を作製する方法。
8. 焼結段階の前に洗浄段階が実施される、請求項１から７の何れか一項に記載の部品を作製する方法。

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