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

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。

特開２０１０−６５２５９号公報

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。

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。

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。

本発明の金属粉末焼結体製造装置の構成図。 焼結積層過程を示す図。 焼結積層の完了図。 本発明に係るドットヒーター基盤の平面図。 ドットヒーター基盤の断面図。 ドットヒーターセグメント拡大平面図。 ドットヒーターセグメント拡大断面斜視図。 焼結層が形成されたシート材の平面模式図。 焼結層が形成されたシート材の断面模式図。 積層体各シートの焼結層の構造を模式的に表した分解図。 焼結体製品の完成図。

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。

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。

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。

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／ｃｍ^２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。

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。

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。

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／ｃｍ^２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。

発明の効果

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。

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

Claims (2)

1. 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。
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、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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