JP2015098639A - 金属粉末焼結体の製造装置及び金属粉末焼結体製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】初期投資額が低く、運転コスト安価な金属粉末焼結体の製造装置と製造方法を提供する。【解決手段】金属粉末を接着剤でつないで金属箔状に加工したシート材2を、複数のドットヒーターを備えたヒーター基盤1上に供給し、該シート材2をヒーター基盤1面に押圧しながら任意のドットヒーターを加熱してシート材面内の任意の位置に焼結層を形成し、該形成された焼結層上に引き続き金属箔シート材を供給しながら1層ずつ積層・焼結を繰り返して金属粉末焼結体を製造する。【選択図】図3
Description
本発明は、金属粉末焼結体の製造装置及び金属粉末焼結体の製造方法に関わるものである。
近年、3次元構造体を効率よく製造する技術として3Dプリンターが注目されており既に樹脂を素材とする3Dプリンターについては安価な市販機も出現している。
一方3Dプリンターの要領で金属製の3次元構造体を作る場合、金属は樹脂に比して高融点である為熱源は、微少域を急速加熱可能なレーザーや光ビーム等の高出力のものが用いられる。
例えば、特許文献1には、粉末層に光ビーム(レーザー)を照射して該粉末層を焼結または溶融して固化層を形成する技術が開示されている。
一方3Dプリンターの要領で金属製の3次元構造体を作る場合、金属は樹脂に比して高融点である為熱源は、微少域を急速加熱可能なレーザーや光ビーム等の高出力のものが用いられる。
例えば、特許文献1には、粉末層に光ビーム(レーザー)を照射して該粉末層を焼結または溶融して固化層を形成する技術が開示されている。
レーザーや光ビームなどは、数千℃の高熱、高出力で金属粉末を瞬時に溶解し、金属焼結を行える。
しかしこれは、エネルギーが多大な為、装置や使用エネルギーが膨大なものとなり、過大な投資を必要とする。
現在、ヒーター熱源利用のものは、熱可塑性樹脂を素材とする3Dプリンターの熱源等に散見されるが、ヒーター温度は数百℃で簡易、小型化されたものが多くヒーター利用の金属粉末焼結体の製造装置が見られることはない。
熱可塑性樹脂を素材とする3Dプリンターの熱源では、金属粉末を溶融する金属焼結の成果が得られない。
本発明は、安価に金属粉末焼結体を製造することを目的とする。
なお、本発明で言う焼結とは焼き固めるという狭義の焼結に限定されず、溶融固化を含んで粉末から固体を形成することを指す。
しかしこれは、エネルギーが多大な為、装置や使用エネルギーが膨大なものとなり、過大な投資を必要とする。
現在、ヒーター熱源利用のものは、熱可塑性樹脂を素材とする3Dプリンターの熱源等に散見されるが、ヒーター温度は数百℃で簡易、小型化されたものが多くヒーター利用の金属粉末焼結体の製造装置が見られることはない。
熱可塑性樹脂を素材とする3Dプリンターの熱源では、金属粉末を溶融する金属焼結の成果が得られない。
本発明は、安価に金属粉末焼結体を製造することを目的とする。
なお、本発明で言う焼結とは焼き固めるという狭義の焼結に限定されず、溶融固化を含んで粉末から固体を形成することを指す。
本発明は上記を目的としてなされたものであり、第1の発明は、金属粉末を接着剤でつないで金属箔状に加工したシート材を焼結しながら積層して金属粉末焼結体を製造する装置であって、
前記シート材の任意個所を加熱して前記シート材面内に任意形状の焼結層を形成することができるドットヒーターを備えたドットヒーター基盤と、前記ドットヒーター基盤上に前記シート材を断続的に供給できるシート材供給機構と、前記シート材を前記ドットヒーター基盤上に押圧する押圧機構、とを備えたことを特徴とする金属粉末焼結体製造装置、である。
前記シート材の任意個所を加熱して前記シート材面内に任意形状の焼結層を形成することができるドットヒーターを備えたドットヒーター基盤と、前記ドットヒーター基盤上に前記シート材を断続的に供給できるシート材供給機構と、前記シート材を前記ドットヒーター基盤上に押圧する押圧機構、とを備えたことを特徴とする金属粉末焼結体製造装置、である。
第2の発明は、金属粉末を接着剤でつないで金属箔状に加工したシート材を、複数のドットヒーターを備えたドットヒーター基盤上にセットし、前記シート材を前記ドットヒーター基盤上に押圧しながら任意のドットヒーターに通電し、前記シート材面内の前記通電されたドットヒーターに接触する部分を加熱して前記シート材面内に第1の焼結層を形成し、
引き続き、前記第1の焼結層を含むシート材とドットヒーター基盤の間に新たなシート材を挿入し、前記第1の焼結層を形成したのと同様の手順で前記第1の焼結層上に第2の焼結層を積層し、
前記積層された第2の焼結層上に同様の手順で新たなシート材を供給して第3の焼結層を積層し、この手順による積層を繰り返すことで積層焼結体を内包するシート材の積層体を形成した後、
前記積層体の前記接着剤を溶解除去して未焼結部分を除去することを特徴とする金属粉末焼結体の製造方法、である。
前記金属粉末焼結体製造装置及び製造方法の工程を図1・図2・図3に示す。
引き続き、前記第1の焼結層を含むシート材とドットヒーター基盤の間に新たなシート材を挿入し、前記第1の焼結層を形成したのと同様の手順で前記第1の焼結層上に第2の焼結層を積層し、
前記積層された第2の焼結層上に同様の手順で新たなシート材を供給して第3の焼結層を積層し、この手順による積層を繰り返すことで積層焼結体を内包するシート材の積層体を形成した後、
前記積層体の前記接着剤を溶解除去して未焼結部分を除去することを特徴とする金属粉末焼結体の製造方法、である。
前記金属粉末焼結体製造装置及び製造方法の工程を図1・図2・図3に示す。
以下、本発明を実施する形態の一例について図に基づいて説明する。
図1は、本発明の金属粉末焼結体製造装置の構成を示す図である。
本発明の金属粉末焼結体製造装置は、金属粉末を接着剤でつないで金属箔状に加工したシート材2の任意箇所を加熱してシート材面内に任意形状の焼結層を形成することができるドットヒーターを備えたドットヒーター基盤1と、ドットヒーター基盤1上にシート材2を断続的に供給するシート材送り出しローラー6とシート材巻き取りローラー7を備えたシート材供給機構と、シート材2をドットヒーター基盤上に押圧する押圧天板3を備えた押圧機構で構成されている。押圧天板3は天板昇降用支持具4と天板駆動装置5によって、昇降可能である。
図1は、本発明の金属粉末焼結体製造装置の構成を示す図である。
本発明の金属粉末焼結体製造装置は、金属粉末を接着剤でつないで金属箔状に加工したシート材2の任意箇所を加熱してシート材面内に任意形状の焼結層を形成することができるドットヒーターを備えたドットヒーター基盤1と、ドットヒーター基盤1上にシート材2を断続的に供給するシート材送り出しローラー6とシート材巻き取りローラー7を備えたシート材供給機構と、シート材2をドットヒーター基盤上に押圧する押圧天板3を備えた押圧機構で構成されている。押圧天板3は天板昇降用支持具4と天板駆動装置5によって、昇降可能である。
前記押圧天板3にはシート材2に接する面に吸気口3bを備えていて、該吸気口3bは流通路3aを経由して吸気ダクト9につながっている。
これにより、押圧天板3はシート材2を押圧するだけでなく、シート材2を押圧天板下面に吸着させてリフトアップさせる機能を有する。
これにより、押圧天板3はシート材2を押圧するだけでなく、シート材2を押圧天板下面に吸着させてリフトアップさせる機能を有する。
前記ドットヒーター基盤1の構成を図4〜図7を使って少し詳しく説明する。
図4は本発明に係るドットヒーター基盤1の平面図を表すものである。
図5はドットヒーター基盤1の断面(図4中A−A’断面)を示す。
この例では、ドットヒーター基盤1は256区画のセグメント1aに分割されており、図6に示すように各セグメント1aには9個の発熱体ドットヒーター1cが備えられている。すなわち、このドットヒーター基盤は全体として2304個のドットヒーター1cを有しており、それぞれのドットヒーターが独立して、加熱制御することが出来る。
これらのドットヒーター1cの径は製造する焼結体のサイズによっても異なるが、精度や仕上がりの美麗さの点から1mmφ以下が望ましい。
図7は図4〜6に示したセグメント1aの拡大斜視断面図である。
個々のドットヒーター1cには、図7に示すように、基板となる共通回路導電板のアースリード1bとの間にリード線1fが配されていて、3D−CAD等(図示せず)の設計信号を受けて、任意のドットヒーター1cのオンオフが可能である。
これらのオンオフ制御によってドットヒーター基盤1面内において任意の形状で加熱パターンを形成することができる。
個々のドットヒーター1cにつながる各リード線1f周囲にはドットヒーター基盤1内でリード線同士がショートしないように絶縁充填剤1gが封入されている。
図4は本発明に係るドットヒーター基盤1の平面図を表すものである。
図5はドットヒーター基盤1の断面(図4中A−A’断面)を示す。
この例では、ドットヒーター基盤1は256区画のセグメント1aに分割されており、図6に示すように各セグメント1aには9個の発熱体ドットヒーター1cが備えられている。すなわち、このドットヒーター基盤は全体として2304個のドットヒーター1cを有しており、それぞれのドットヒーターが独立して、加熱制御することが出来る。
これらのドットヒーター1cの径は製造する焼結体のサイズによっても異なるが、精度や仕上がりの美麗さの点から1mmφ以下が望ましい。
図7は図4〜6に示したセグメント1aの拡大斜視断面図である。
個々のドットヒーター1cには、図7に示すように、基板となる共通回路導電板のアースリード1bとの間にリード線1fが配されていて、3D−CAD等(図示せず)の設計信号を受けて、任意のドットヒーター1cのオンオフが可能である。
これらのオンオフ制御によってドットヒーター基盤1面内において任意の形状で加熱パターンを形成することができる。
個々のドットヒーター1cにつながる各リード線1f周囲にはドットヒーター基盤1内でリード線同士がショートしないように絶縁充填剤1gが封入されている。
本発明に用いられるドットヒーター1cはセラミック焼成ドットヒーターであることが望ましく、例えば、錫・亜鉛等に代表される400℃近辺の比較的低融点合金を材料とする焼結体を製造する場合、窒化アルミニウム焼成ドットヒーターが好適で、例えば、ヒーター出力500W/cm2で、昇温速度100℃/sec、最高温度600℃の加熱能力を有する窒化アルミニウム焼成ドットヒーターが適用可能である。
ドットヒーター基盤1表面の外周部分には気体を噴き出す噴出し口1hが備わっており、流通路1eを通して噴気ダクト8につながっており、噴気によって熱処理後のシート材2をドットヒーター基盤1から容易に離間させることが出来る。
なお、噴気気体としては空気または不活性ガスを使用することができる。
なお、噴気気体としては空気または不活性ガスを使用することができる。
次に、上記の金属粉末焼結体製造装置を使用して金属粉末焼結体を製造するプロセスを説明する。
本発明で用いるシート材2は金属粉末を接着剤でつないで金属箔シート状に加工したものであり、切板のシート材として1枚ずつドットヒーター基盤1上に供給しても良いが、前記製造装置の例では帯状シートに加工されており、シート送り出しローラー6とシート巻き取りローラー7を制御することによって、ドットヒーター基盤1上に断続的にシート材2が供給できる構造になっている。
本発明で用いるシート材2は金属粉末を接着剤でつないで金属箔シート状に加工したものであり、切板のシート材として1枚ずつドットヒーター基盤1上に供給しても良いが、前記製造装置の例では帯状シートに加工されており、シート送り出しローラー6とシート巻き取りローラー7を制御することによって、ドットヒーター基盤1上に断続的にシート材2が供給できる構造になっている。
焼結体の形状精度を高めるとともに焼結速度を高めるためにも、本発明で使用するシート材の原料となる金属粉末のサイズは0,1〜50μm程度のものが好適であり、またシート材2の厚みも200μm以下であることが望ましい。
またシート材2中の金属粉末は、単独の金属でも良いが2種以上の、異金属でも良い、その充填率は50%以上でシート材中に均一に分散していることが望ましい。
またシート材2中の金属粉末は、単独の金属でも良いが2種以上の、異金属でも良い、その充填率は50%以上でシート材中に均一に分散していることが望ましい。
このようなシート材2は、例えば、静電気を利用してポリアミド(ナイロン)の薄織物の上に0,1〜50μm以下の金属粉末を散布し、該金属粉末を前記薄織物の上に均一の密度でシート全体の厚みが50〜200μmに成るようにアクリル系等の接着剤で固定するという方法で製造可能である、このようにすることによって粉末を予めシート状に固定したことにより、粉塵防爆の効果も有している。
シート材2がドットヒーター基盤1上に供給されると、押圧天板によりシート材2はドットヒーター基盤1上に押圧される。この押圧力は、焼結を効率良く進めるために1g/cm2以上が望ましい。上限押圧力は焼結体の形状、構造により破損に至らぬよう設定することが必要である。押圧に同期して、ドットヒーター基盤1に備えられたドットヒータ1cのうち任意のドットヒーター1cに3D−CAD等(図示せず)から加熱信号が送られ、シート材2面内の加熱されたドットヒーターに対応した部分に焼結層22aが形成される。(図8、図9)
このように形成された焼結層22aは最終製品となる焼結体22の1層分を構成するものである。この焼結層22aを含むシート材2はドットヒーター基盤1に備えられたヒートカッター1dで切り抜かれ、焼結シート材21aとして天板3に備えられたリフト機構によって、シート材2本体およびドットヒーター基盤1の表面から離間させられる。前記リフト機構は特に方式を特定するものではないが、図1では吸気方式によるリフト機構を採用している。
焼結シート材21aが押圧天板3とともにリフトアップされると、シート送り出しローラー6とシート巻き取りローラー7が作動して新たなシート材2がドットヒーター基盤1上に供給される。前記新たなシート材2上に先に焼結加工を受けた焼結シート材21aを保持したまま天板3が下降し、シート材2をドットヒーター基盤1上に押圧する。すなわち、焼結シート材21a上に新たなシート材2が積層押圧されるわけである。これと同期して先に説明したのと同じ要領で任意のドットヒーター1cが加熱され、焼結シート材21a上に新たな焼結シート材21bが(実質的には焼結層22a下に新たな焼結層22bが)積層焼結されることになる。
図2はこれらの焼結作業が繰り返されて積層が進む様子を示したものであり、図3は一連の積層焼結が完了した様子を示すものである。焼結作業が繰り返された結果、形成された焼結シート材の積層体21の内部には、焼結体22が内蔵されている。
焼結体22と積層体21を構成する焼結シート材各層21a〜zおよび焼結層22a〜zの関係を模式的に表した分解図が図10である。この例ではa〜zの焼結ステップ(焼結回数)を経たことを模式的に表現した。
焼結体22は積層体21のうちの未焼結部分を除去して取り出すことができる。例えば、ポリアミド(ナイロン)の薄織物(融点79〜121℃)およびアクリル系接着剤(融点100℃)を用いたシート材である場合、200℃温風乾燥炉中で未焼結部分を溶融除去させることにより、積層体21に振動を与えながら焼結体22の取り出しが可能である。このとき、接着剤および薄織物とともに除去された未焼結の金属粉末は、廃棄されることなく、改めてシート材の原材料としてリサイクルされる、このとき粉末の粉塵爆発を誘発しない為に窒素等の不活性ガス内で作業を行うと良い。
ドットヒーターを利用したことにより、従来のレーザー ビームを利用した焼結装置に比較して、装置費用が安価で、ランニングコストも安価となる。また、金属粉末を予めシート材加工しているので、焼結作業時に粉末の飛散や、粉塵爆発などのおそれがなく、作業環境性が良好である。
本発明では経費を重視してヒーター熱源を利用するが、金属粉末を予めシート材加工したことにより、熱源にビーム(レーザー)を利用しての高融点金属加工も可能である。
本発明では経費を重視してヒーター熱源を利用するが、金属粉末を予めシート材加工したことにより、熱源にビーム(レーザー)を利用しての高融点金属加工も可能である。
1 ドットヒーター基盤
1a セグメント
1b 共通回路導電板
1c ドットヒーター
1d ヒートカッター
1e 空気流通路
1f リード線
1g 絶縁充填材
1h 噴出し口
2 シート材
2a シート材進行方向
21 焼結シート材の積層体
21a 焼結シート材1層目
21b〜21y 焼結シート材中間層
21z 焼結シート材最終層
21a〜21z 焼結シート材積層
22 焼結体製品
22a〜22z 焼結層
3 押圧天板
3a 空気流通路
3b 吸気口
4 天板昇降用支持具
5 天板駆動装置
6 シート材送り出しローラー
7 シート材巻き取りローラー
8 噴気ダクト
9 吸気ダクト
1a セグメント
1b 共通回路導電板
1c ドットヒーター
1d ヒートカッター
1e 空気流通路
1f リード線
1g 絶縁充填材
1h 噴出し口
2 シート材
2a シート材進行方向
21 焼結シート材の積層体
21a 焼結シート材1層目
21b〜21y 焼結シート材中間層
21z 焼結シート材最終層
21a〜21z 焼結シート材積層
22 焼結体製品
22a〜22z 焼結層
3 押圧天板
3a 空気流通路
3b 吸気口
4 天板昇降用支持具
5 天板駆動装置
6 シート材送り出しローラー
7 シート材巻き取りローラー
8 噴気ダクト
9 吸気ダクト
Claims (2)
- 金属粉末を接着剤でつないで金属箔状に加工したシート材を積層焼結して金属粉末焼結体を製造する装置であって、
シート材の任意個所を加熱してシート材面内に任意形状の焼結層を形成することができるドットヒーターを備えたドットヒーター基盤と、
ドットヒーター基盤上にシート材を断続的に供給できるシート材供給機構と、シート材をドットヒーター基盤上に押圧する押圧機構、とを備えたことを特徴とする金属粉末焼結体製造装置。 - 金属粉末を接着剤でつないで金属箔状に加工したシート材を、複数のドットヒーターを備えたドットヒーター基盤上にセットし、前記シート材を前記ドットヒーター基盤上に押圧しながら任意のドットヒーターに通電し、前記シート材面内の前記通電されたドットヒーターに接触する部分を加熱して前記シート材面内に第1の焼結層を形成し、
引き続き、前記第1の焼結層を含むシート材とドットヒーター基盤の間に新たなシート材を挿入し、前記第1の焼結層を形成したのと同様の手順で前記第1の焼結層上に第2の焼結層を積層し、
前記積層された焼結層上に同様の手順で新たなシート材を供給して焼結層を積層し、この手順による積層を繰り返すことでシート材の積層体を形成した後、
前記積層体の前記薄織物と接着剤を溶解除去して未焼結部分を除去することを特徴とする金属粉末焼結体の製造方法。
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