JP2016216790A - 金属粉末射出成形体の製造方法 - Google Patents

金属粉末射出成形体の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】光造形法や3次元プリンタ等で作られた樹脂製成形型を用いて、成形体を繰り返し製造しても樹脂製成形型が熱変形せずに同形同大の複数の金属粉末射出成形体を簡便にかつ安価に得る。
【解決手段】本発明の金属粉末射出成形体の製造方法は、成形型が光造形法又は3次元プリンタを用いて立体的に造形されかつ加熱されたコンパウンドの温度より低い耐熱温度を有する樹脂製成形型であって、樹脂製成形型のキャビティ内面に近接する内部に流路が形成され、射出成形を成形型が熱変形しない成形サイクルの範囲内で繰り返し行う方法である。好ましくはこの金属粉末射出成形体は、水槽用エアポンプからの加圧エアを流路の入口から流入して流路の出口に排出し続けながらコンパウンドを射出成形し冷却することにより製造される。
【選択図】図1

Description

本発明は、光造形法や3次元(3D)プリンタ等で作られた樹脂製成形型を用いて金属粉末射出成形体を製造する方法に関する。
金属粉末射出成形(MIM)法は、一般的に、複雑な形状をした金属部品をプラスチックと同じ成型感覚で高精度に製造が可能であって、量産性に優れ、部品間の品質のばらつきが小さく、成形後の金属部品に対して切削などの後工程処理を必要とせず、鋳造等で不可能な横穴・竪穴を製造することができ、更に微細粉末を原料とするため、溶解しにくいチタン他、硬質金属・磁石用合金・ステンレス鋼などの難加工材料を利用することができる。
従来、このMIM法に用いられる金属粉末射出成形体の製造方法が開示されている(例えば、特許文献1参照。)。この特許文献に示される製造方法は、金属粉末又は合金粉末を原料粉末とし、この原料粉末に有機バインダーを配合し、混練、粉砕してコンパウンドとし、このコンパウンドを金型に射出成形して、所定の形状の成形体とする方法である。
特開2014−214373号公報(請求項1)
一般に、金属粉末射出成形法は、金属製の成形型を作製するのに多大の製造コストを要するため、量産品を製造する前段階で、この射出成形法により試作品を製造することが製造コストの観点からできなかった。
本発明の第1の目的は、光造形法や3次元プリンタ等で作られた樹脂製成形型を用いて簡便にかつ安価に金属粉末射出成形体を製造する方法を提供することにある。本発明の第2の目的は、成形体を繰り返し製造しても樹脂製成形型が熱変形せずに同形同大の複数の形状の成形体が得られる金属粉末射出成形体の製造方法を提供することにある。
本発明者らは、金属製の成形型に代わって、光造形法又は3次元プリンタを用いて樹脂製成形型を作り、射出成形をこの樹脂製成形型が熱変形しない成形サイクルの範囲内で繰り返し行えば、複数の同形同大の成形体を製造できることに着目し、本発明に到達した。
本発明の第1の観点は、金属粉末又は合金粉末を含む原料粉末に有機バインダーを混練してなるコンパウンドを所定の温度に加熱し、加熱したコンパウンドを成形型により形成されるキャビティ内に射出成形して金属粉末射出成形体を製造する方法において、前記成形型が光造形法又は3次元プリンタを用いて立体的に造形されかつ前記加熱されたコンパウンドの温度より低い耐熱温度を有する樹脂製成形型であって、前記樹脂製成形型の前記キャビティ内面に近接する内部に流路が形成され、前記射出成形を前記成形型が熱変形しない成形サイクルの範囲内で繰り返し行うことを特徴とする。
本発明の第2の観点は、第1の観点に基づく発明であって、水槽用エアポンプからの加圧エアを前記流路の入口から流入して前記流路の出口に排出し続けながら前記コンパウンドを射出成形し冷却するように構成されたことを特徴とする。
本発明の第3の観点は、第2の観点に基づく発明であって、前記樹脂製成形型が固定側樹脂型と可動側樹脂型とを備え、前記固定側樹脂型と前記可動側樹脂型とが型締め時に前記固定側樹脂型と前記可動側樹脂型の間に前記キャビティを形成し得る形状に構成され、前記流路が前記固定側樹脂型の内部に形成される第1流路と前記可動側樹脂型の内部に形成される第2流路とからなり、前記第1流路と前記第2流路に単一の前記水槽用エアポンプから加圧エアを流し続けるように構成されたことを特徴とする。
本発明の第4の観点は、第3の観点に基づく発明であって、単一の前記水槽用エアポンプに1本のエアパイプが接続され、型締め時に前記第1流路の出口と前記第2流路の入口とが対向して接続口が形成されて前記第1流路と前記第2流路が一続きの流路に形成され、射出成形時及び射出成形後に前記1本のエアパイプからの加圧エアを前記第1流路の入口から前記接続口を介して前記第2流路の出口に流し続けるように構成されたことを特徴とする。
本発明の第5の観点は、第3の観点に基づく発明であって、単一の前記水槽用エアポンプに2本のエアパイプが接続され、射出成形時及び射出成形後に前記2本のエアパイプからの加圧エアを前記第1流路及び前記第2流路に各別に流し続けるように構成されたことを特徴とする。
本発明の第6の観点は、第1ないし第5の観点のうち、いずれか1つの観点の方法により製造された成形体である。
本発明の第7の観点は、第1ないし第5の観点のうち、いずれか1つの観点の方法により製造された成形体から有機バインダーを抽出した後、焼結して、所定の形状の焼結体を得る金属部品の製造方法である。
本発明の第8の観点は、第7の観点の方法により製造された金属部品である。
本発明の第1の観点の金属粉末射出成形体の製造方法では、光造形法や3次元プリンタ等で作られた樹脂製成形型を用いて金属粉末射出成形体を製造するため、従来機械加工で製作していた高価な金型と比較して、簡便にかつ安価に成形体を製造できる。特に光造形法や3次元プリンタ等では、キャビティの形状が複雑であっても流路をキャビティに近接して樹脂製成形型の内部に形成できる。この結果、加熱したコンパウンドの温度が樹脂製成形型の耐熱温度より高くても、射出成形を熱変形しない成形サイクルの範囲内で繰り返し行うため、樹脂製成形型が熱変形せずに同形同大の数個以上の数の成形体を得ることができる。これにより玩具、日用雑貨品などの試作品用の金属粉末射出成形法の成形体を手軽に作製することができる。
本発明の第2の観点の金属粉末射出成形体の製造方法では、100V電源で稼働する小型の水槽用エアポンプからの加圧エアを樹脂製成形型のキャビティ内面に近接する内部に排出し続けてキャビティを冷却するため、従来の金型のために水冷、油冷の冷却機構(チラー)を使用しなくても、水槽用エアポンプを用いた空冷によりキャビティに対して十分な冷却効果を得ることができる。また加圧エアを流し続けてかつ循環させずに排出するため、従来の金型のために水冷、油冷の冷却機構(チラー)で用いられる複雑な回収機構を必要としない。この水槽用エアポンプを用いた空冷によれば、加熱したコンパウンドの温度が樹脂製成形型の耐熱温度より高くても、300個程度までの数多くの成形体を製造しても、樹脂製成形型が熱変形せず、同形同大の300個程度までの成形体が得られる。
本発明の第3の観点の金属粉末射出成形体の製造方法では、射出成形時及び射出成形後に第1流路と第2流路に単一の前記水槽用エアポンプから加圧エアを流し続けるため、固定側樹脂型と可動側樹脂型とを均等に冷却することができる。
本発明の第4の観点の金属粉末射出成形体の製造方法では、第1流路と第2流路が一続きの流路に形成されるため、エアパイプを1本にして冷却回路を簡素化できるとともに射出成形時及び射出成形後に第1流路と第2流路に単一の前記水槽用エアポンプから加圧エアを流し続けるため、固定側樹脂型と可動側樹脂型とを均等に冷却することができる。
本発明の第5の観点の金属粉末射出成形体の製造方法では、射出成形時及び射出成形後に単一の水槽用エアポンプに接続された2本のエアパイプからの加圧エアを第1流路及び第2流路に各別に流し続けるため、固定側樹脂型及び可動側樹脂型の空冷効率が高くかつ両方の樹脂型を均等に冷却することができる。
本発明の第6の観点の成形体は、従来の金型により作られた成形体と同様に、繰り返し製造された複数の成形体の間で寸法や形状のばらつきが小さい。
本発明の第7の観点の金属部品の製造方法では、従来の金型により作られた金属部品と同様に、繰り返し製造された複数の成形体の間で寸法や形状のばらつきが小さいため、複数の金属部品を寸法や形状のばらつきを極めて小さくして製造することができる。
本発明の第8の観点の金属部品は、従来の金型により作られた金属部品と同様に、繰り返し製造された複数の金属部品の間で寸法や形状のばらつきが小さい。
本発明の第1の実施形態に係る金属粉末射出成形体を製造する装置の構成図である。 本発明の第2の実施形態に係る金属粉末射出成形を製造する装置の構成図である。 本発明の第1の実施形態に係る可動側樹脂型を製造するための光積層造形法を示す概略断面図である。
次に本発明を実施するための形態を図面を参照して説明する。
<第1の実施形態>
先ず、本発明の第1の実施形態に係る金属粉末射出成形体を製造する装置について説明する。 図1に示すように、本発明の第1の実施形態に係る金属粉末射出成形体を製造する装置10は、成形型として、固定側樹脂型11及び可動側樹脂型12からなる樹脂製成形型13を有する。固定側樹脂型11は図示しない固定側ベースにはめ込まれ、可動側樹脂型12は図示しない可動側ベースにはめ込まれる。可動側樹脂型12は、固定側樹脂型11に対して接近、後退などの移動が可能なように構成される。固定側樹脂型11及び可動側樹脂型12からなる樹脂製成形型13は、光造形法又は3次元プリンタを用いて立体的に造形される。
この実施の形態では、光造形物である樹脂製成形型13は、光積層造形法で代表される光学的立体造形法により製造される。図3(a)〜(c)は、上記可動側樹脂型12を光積層造形法で造形する工程を示す。予め可動側樹脂型12に相当する造形物の3次元データを取得し、そのデータを計算上で等間隔で輪切りにしスライスデータとして記憶しておく。図3(a)に示すように、液状の光硬化性組成物21を収容した容器22液槽内に、液面23からわずかな距離だけ下方の地点に上面が位置するように、鉛直方向に移動可能なテーブル24を配置する。液状の光硬化性組成物は、(メタ)アクリル系モノマーなどのラジカル重合性化合物、エポキシ化合物などのカチオン重合化合物を含む重合性モノマー及び光重合開始剤などを含有する。テーブル24を配置した後、このテーブル24上の液状の光硬化性組成物24の薄層に、紫外線レーザ装置26から紫外線レーザ光27を上記記憶したデータに基づいた所定のパターンで走査して、所定の形状を有する第一の硬化薄層12aを形成させる。次いで、図3(b)に示すように、テーブル24の位置をわずかな距離だけ下方に移動させることによって、第一の硬化薄層12aの上に液状の光硬化性組成物24の薄層を形成させた後、この薄層に紫外線レーザ光27を上記記憶したデータに基づいた所定のパターンで走査して、所定の形状を有する第二の硬化薄層12bを形成させる。以後、同様の操作を繰り返して、最終的に、図3(c)に示すように、複数の硬化薄層12a、12b、・・・、12xの集合体である所定の立体形状を有する光造形物である可動側樹脂型12を得る。図示しないが、固定側樹脂型11も可動側樹脂型12と同様の方法で作製される。
なお、本発明の造形物である樹脂製成形型は、上記の光積層造形法に限らず、3次元プリンタによる、アクリル系光硬化樹脂を使用したインクジェット紫外線硬化方式のものや、ABS樹脂(アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン共重合合成樹脂)を使用した熱溶解積層方式のものや、パウダーを使用した粉末固着方式のもので製造してもよい。また本発明の樹脂製成形型には、金属材料、セラミック材料等の放熱特性を材質の観点から従来の金型に近づける目的の材料は一切含まれていない。そのため本発明の樹脂製成形型の耐熱温度は、原料樹脂の材質に依存するが、70〜100℃の範囲にあり、MIM法の一般的な加熱したコンパウンドの温度130〜180℃よりも低い。本明細書で「樹脂製成形型の耐熱温度」とは、樹脂製成形型を構成する材料が分解、溶解などの変質をせず、室温(25℃)での構造と同等の構造を維持している最高温度をいう。
図1に戻って、固定側樹脂型11と可動側樹脂型12とは、図示する型締め時に固定側樹脂型11と可動側樹脂型12の間にキャビティ14を形成するように構成される。この実施の形態では、キャビティ14はその容積を1とするときに、樹脂製成形型13の容積は40〜200である。15はゲートである。固定側樹脂型11のキャビティ内面に近接する内部には冷却媒体を流すための第1流路16が形成され、可動側樹脂型12のキャビティ内面に近接する内部には冷却媒体を流すための第2流路17が形成される。ここで「キャビティ内面に近接する」とは、キャビティ内面から2〜15mmの範囲に位置することをいう。第1流路16及び第2流路17には水又はエア等の冷却媒体が加圧されて流れるようになっている。樹脂製成形型13を光造形法や3次元プリンタで製造することにより、第1流路16及び第2流路17を、キャビティ14の形状が複雑であっても、加圧水が通過可能な直径4〜6mmの範囲、又は加圧エアが通過可能な直径1〜6mmの範囲、好ましくは直径2mm以下に、作ることができる。また第1流路16及び第2流路17をキャビティ14に近接して1〜5mm間隔で形成することができる。
この実施の形態では、図1に示す型締め時に第1流路16の出口と第2流路17の入口とが対向して接続口18が形成される。これにより、第1流路16と第2流路17が一続きの流路に形成される。この実施の形態では、第1流路16の入口には、100V電源で稼働する単一の小型の水槽用エアポンプ19のエアパイプ19aが接続される。この水槽用エアポンプは、金魚、熱帯魚などの観賞魚の水槽にエアレーションを生じさせるポンプである。ゲート15には、公知の金属粉末射出成形装置20が接続される。この金属粉末射出成形装置20には、金属粉末又は合金粉末の原料粉末に有機バインダーを配合して混練されたコンパウンドが装入される。
次に、本発明の金属粉末射出成形体の製造方法について説明する。まず、固定側樹脂型11を図示しない固定側ベースにはめ込み、可動側樹脂型12を図示しない可動側ベースにはめ込む。可動側樹脂型12を固定側樹脂型11に移動して密着させた後、可動側樹脂型12を固定側樹脂型11に型締めする。これによりキャビティ14が形成される。次いで、水槽用エアポンプ19のエアパイプ19aを固定側樹脂型11の入口に接続した後、水槽用エアポンプ19を稼働する。これによりエアパイプ19aから水槽用エアポンプ10の加圧エアが第1流路16の入口から流入し、接続口18を介して第2流路17の出口から排出される。水槽用エアポンプ19が稼働中、加圧エアはこれらの流路16、17に流れ続ける。第2流路17の出口から加圧エアは大気中に排出される。
この状態で、金属粉末射出成形装置20で金属粉末又は合金粉末の原料粉末に有機バインダーを配合して混練され、130〜180℃に加熱されたコンパウンドを樹脂製成形型13のゲート15を介してキャビティ14内に射出し、キャビティ14に充填し所定の形状の成形体とする。コンパウンドを射出した後、所定の圧力で一定時間保持する。この間も水槽用エアポンプ19からの加圧エアを流路16、17に流し続ける。射出成形時及び射出成形後に第1流路と第2流路に単一の前記水槽用エアポンプから加圧エアを流し続けるため、固定側樹脂型11及び可動側樹脂型12を均等に冷却することができる。成形体の温度が低下した時点で、水槽用エアポンプを停止する。可動側樹脂型12を固定側樹脂型11から移動して型開きを行うと、キャビティと同形同大の形状をした成形体が得られる。上記射出成形を固定側樹脂型11及び可動側樹脂型12が熱変形しない成形サイクルの範囲内で繰り返し行う。それぞれの射出成形で得られた成形体から、有機バインダーを抽出し、焼結することにより複数の同形同大の金属部品が製造される。
<第2の実施形態>
次に、本発明の第2の実施形態に係る金属粉末射出成形体を製造する装置について説明する。 図2に示すように、本発明の第2の実施形態に係る金属粉末射出成形体を製造する装置30は、成形型として、固定側樹脂型31及び可動側樹脂型32からなる樹脂製成形型33を有する。図2では、図1に示した全ての要素の符号に20を加えて示している。そのため、第1の実施の形態と異なる要素についてのみ説明し、同じ要素についての説明は省略する。固定側樹脂型31及び可動側樹脂型32からなる樹脂製成形型33は、光造形法又は3次元プリンタを用いて、第1の実施の形態と同様に立体的に造形される。
固定側樹脂型31のキャビティ内面に近接する内部には冷却媒体を流すための第1流路36が形成され、可動側樹脂型32のキャビティ内面に近接する内部には冷却媒体を流すための第2流路37が形成される。固定側樹脂型31の第1流路36は、固定側樹脂型31にその入口と出口を有し、可動側樹脂型32の第2の流路37も、同様に可動側樹脂型32にその入口と出口を有する。即ち、固定側樹脂型31と可動側樹脂型32は、それぞれ独立した流路を有する。この実施の形態では、単一の水槽用エアポンプ39が図示しない2つのエア吐出管を有し、それらに2本のエアパイプ39a及び39bが接続される。1本のエアパイプ39aは固定側樹脂型31の入口に接続されるようになっており、もう1本のエアパイプ39bは可動側樹脂型32の入口に接続されるようになっている。第2の実施の形態のその他の構成は、第1の実施の形態の構成と同じであるため、繰り返しの説明は省略する。この実施の形態では、射出成形時及び射出成形後に単一の水槽用エアポンプ39に接続された2本のエアパイプ39a及び39bからの加圧エアを第1流路36及び第2流路37に各別に流し続けるため、固定側樹脂型31及び可動側樹脂型32の空冷効率が高くかつ両方の樹脂型を均等に冷却することができる。
なお、第1及び第2の実施の形態では、水槽用エアポンプを用い、かつ冷却媒体として加圧エアを流路に流す例を説明したが、本発明の流路に冷却媒体を流すポンプは水槽用エアポンプに限らず、また冷却媒体は水であってもよい。
3次元プリンタを用いて立体的に造形された、ABS樹脂からなる固定側樹脂型及び可動側樹脂型をそれぞれ得た。固定側樹脂型の内部に形成された第1流路の直径は2mmであり、可動側樹脂型の内部に形成された第2流路の直径は2mmであった。第1流路及び第2流路は、キャビティ内面から2mmの位置にキャビティ内面に沿って樹脂型内部に約3mm間隔で形成された。この固定側樹脂型及び可動側樹脂型からなる樹脂製成形型の耐熱温度は70〜100℃であった。またキャビティの容積を1とすると、固定側樹脂型と可動側樹脂型とを合わせた樹脂製成形型の容積は45であった。固定側樹脂型及び可動側樹脂型を型締めした後、吐出量が2.5リットル/分の100V電源で稼働可能な水槽用エアポンプ(水作株式会社製、型式:水心SSPP−3S)のエアパイプを固定側樹脂型の入口に接続した後、水槽用エアポンプを稼働した。この例では、第1の実施の形態と同様に、第1流路と第2流路が一続きに形成された。一方、原料粉末の金属チタン粉末に有機バインダーのポリアセタールを配合して混練したコンパウンドを金属粉末射出成形装置に装入した。このコンパウンドの組成は金属チタン粉末65vol%、ポリアセタールを含む有機バインダー35vol%であった。
金属粉末射出成形装置でコンパウンドを180℃に加熱し、樹脂製成形型のゲートを介して椀状のキャビティ内に射出し、キャビティに充填し椀状の成形体を作製した。コンパウンドを射出した後、5MPaの圧力で1分間保持した。射出成形時及び射出成形後、水槽用エアポンプからの加圧エアを第1流路から接続口を介して第2流路に流し続けた。成形体の温度が40℃まで低下し、コンパウンドが固化したところで、水槽用エアポンプを停止し、可動側樹脂型を固定側樹脂型から移動して型開きを行い、椀状の成形体を取り出した。型開きした固定側ベースから取り外した固定側樹脂型と、可動側ベースから取り外した可動側樹脂型を精密検査用定盤により検査し、熱変形の有無を調べた。その結果、固定側樹脂型及び可動側樹脂型は加圧エアの冷却効果により、全く熱変形していなかった。このことは、得られた成形体が型締め時に形成される椀状のキャビティと同形同大のものが得られたことからも実証された。その後、上記固定側樹脂型及び可動側樹脂型を用いて、上記と同じ方法で、上記射出成形を固定側樹脂型及び可動側樹脂型が熱変形しない成形サイクルの範囲内で繰り返し20回行って、20個の成形体を製造した。型開きした固定側ベースから取り外した固定側樹脂型と、可動側ベースから取り外した可動側樹脂型を同様に検査し、熱変形の有無を調べた。その結果、固定側樹脂型及び可動側樹脂型は、最初の成形後と同様に、加圧エアの冷却効果により、全く熱変形していなかった。このことは同一の樹脂製成形型で繰り返し成形した20個目の成形体が、最初に製造した成形体と同形同大であったことからも実証された。
10、30 金属粉末射出成形体を製造する装置
11、31 固定側樹脂型
12、32 可動側樹脂型
13、33 樹脂製成形型
14、34 キャビティ
15、35 ゲート
16、36 第1流路
17、37 第2流路
18 接続口
19、39 水槽用エアポンプ
20、40 金属粉末射出成形装置
本発明の金属粉末射出成形体の製造方法は、玩具、日用雑貨品などの試作品用の成形体を簡便にかつ安価に製造し、この成形体からMIM法により簡便にかつ安価に玩具、日用雑貨品などの金属部品を得るのに用いられる。

Claims (8)

  1. 金属粉末又は合金粉末を含む原料粉末に有機バインダーを混練してなるコンパウンドを所定の温度に加熱し、加熱したコンパウンドを成形型により形成されるキャビティ内に射出成形して金属粉末射出成形体を製造する方法において、
    前記成形型が光造形法又は3次元プリンタを用いて立体的に造形されかつ前記加熱されたコンパウンドの温度より低い耐熱温度を有する樹脂製成形型であって、
    前記樹脂製成形型の前記キャビティ内面に近接する内部に流路が形成され、
    前記射出成形を前記成形型が熱変形しない成形サイクルの範囲内で繰り返し行う
    ことを特徴とする金属粉末射出成形体の製造方法。
  2. 水槽用エアポンプからの加圧エアを前記流路の入口から流入して前記流路の出口に排出し続けながら前記コンパウンドを射出成形し冷却するように構成された請求項1記載の金属粉末射出成形体の製造方法。
  3. 前記樹脂製成形型が固定側樹脂型と可動側樹脂型とを備え、
    前記固定側樹脂型と前記可動側樹脂型とが型締め時に前記固定側樹脂型と前記可動側樹脂型の間に前記キャビティを形成し得る形状に構成され、
    前記流路が前記固定側樹脂型の内部に形成される第1流路と前記可動側樹脂型の内部に形成される第2流路とからなり、
    前記第1流路と前記第2流路に単一の前記水槽用エアポンプから加圧エアを流し続けるように構成された請求項2記載の金属粉末射出成形体の製造方法。
  4. 単一の前記水槽用エアポンプに1本のエアパイプが接続され、型締め時に前記第1流路の出口と前記第2流路の入口とが対向して接続口が形成されて前記第1流路と前記第2流路が一続きの流路に形成され、射出成形時及び射出成形後に前記1本のエアパイプからの加圧エアを前記第1流路の入口から前記接続口を介して前記第2流路の出口に流し続けるように構成された請求項3記載の金属粉末射出成形体の製造方法。
  5. 単一の前記水槽用エアポンプに2本のエアパイプが接続され、射出成形時及び射出成形後に前記2本のエアパイプからの加圧エアを前記第1流路及び前記第2流路に各別に流し続けるように構成された請求項3記載の金属粉末射出成形体の製造方法。
  6. 請求項1ないし5いずれか1項に記載の方法により製造された成形体。
  7. 請求項1ないし5いずれか1項に記載の方法により製造された成形体から有機バインダーを抽出した後、焼結して、所定の形状の焼結体を得る金属部品の製造方法。
  8. 請求項7記載の方法により製造された金属部品。
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