JP2017114716A - 粉末積層造形に用いるための造形用材料 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明は、粉末積層造形に用いる造形用材料を提供する。この造形用材料は、セラミックを含む第1粉末と、金属を含む第2粉末と、を含む。そして第1粉末と、第2粉末とは、造粒粒子を構成している。第1粉末と第2粉末との合計に対し、第2粉末は、10質量%超過90質量%未満の割合で含まれることが好ましい。
【選択図】図1
Description
このような問題は、一般に金属よりも融点の高いセラミックを含む部材の造形においてより一層顕著となり得る。したがって、例えば、セラミックを含む粉末積層造形物の相対密度については、様々な造形条件や粉末材料の性状を厳格に調整した場合であっても、90%程度に達しないのが現状である。
また、金属を含む第2粒子は、より少ないエネルギーで溶融して、第1粉末の溶融を促し得る。さらに、第1粉末と第2粉末とが造粒されていることにより、造形物において第1粉末に由来する成分と、第2粉末に由来する成分とが分離することが抑制され得る。これにより、ここに開示される造形用材料は、均質な造形物を得ることができるという利点も有する。
また、他の側面において、ここに開示される技術は、上記の造形用材料を用いて三次元造形を行うことを特徴とする三次元造形物の製造方法をも提供する。
ここに開示される「造形用材料」は、粉末積層造形に用いるための粉末状の材料である。粉末積層造形とは、付加製造技術において造形物の材料として粉末状の材料を用いる各種の造形手法を広く包含する。具体的には、例えば、バインダジェット法に代表される結合剤噴射(Binder jetting)法、レーザ肉盛り溶接,電子ビーム肉盛り溶接,アーク溶接等に代表される指向性エネルギー堆積(Directed energy deposition)法、レーザ焼結法,レーザ選択焼結(Selective Laser Sintering:SLS)法,電子ビーム焼結法等に代表される粉末床溶融結合(Powder bed fusion)法等と呼ばれるものが含まれる。この造形用材料は緻密な造形物の造形に好適であるとの観点から、指向性エネルギー堆積法、粉末床溶融結合法を採用することがより好ましい。
第1粉末は本質的にセラミックを含む。第1粉末は、典型的には、主成分としてセラミックを含む。ここでいう主成分とは、第1粉末の70質量%以上を占める成分を意味する。第1粉末は、好ましくは80質量%以上、より好ましくは90質量%以上、特に好ましくは95質量%以上(典型的には98質量%以上)がセラミックからなることが好ましい。第1粉末におけるセラミック以外の成分としては、樹脂やセラミック以外の無機材料、金属が挙げられる。セラミック以外の成分については特に制限されないが、例えば、後述する金属成分であり得る。これらはセラミックと一体化(複合化)されて第1粉末を構成するものと考えられる。
ここで、酸化物系セラミックとしては、特に限定されることなく各種の金属の酸化物とすることができる。かかる酸化物系セラミックを構成する金属元素としては、例えば、B、Si、Ge、Sb、Bi等の半金属元素、Mg、Ca、Sr、Ba、Zn、Al、Ga、In、Sn、Pb等の典型元素、Sc、Y、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Ag、Au等の遷移金属元素、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Er、Lu等のランタノイド元素から選択される1種または2種以上が挙げられる。なかでも、Mg、Y、Ti、Zr、Cr、Mn、Fe、Zn、Al、Erから選択される1種または2種以上の元素であることが好ましい。
第2粉末は本質的に金属を含む。第2粉末は、典型的には、主成分として金属を含む。ここでいう主成分とは、第2粉末の70質量%以上を占める成分を意味する。第2粉末は、好ましくは80質量%以上、より好ましくは90質量%以上、特に好ましくは95質量%以上(典型的には98質量%以上)が金属からなることが好ましい。第2粉末における金属以外の成分としては、樹脂や、セラミックおよびガラス等の無機材料が挙げられる。これらは金属と一体化(複合化)されて第2粉末を構成するものと考えられる。
また、合金としては、一例として、Cu−Al合金,Cu−Al−Fe合金,Cu−Ni合金,Cu−Ni−In合金等に代表される銅合金、Ni−Al合金,Ni−Cr合金(例えば、Ni−20Cr合金、Ni−50Cr合金、インコネル),Ni−Cr−Fe合金(例えばインコロイ),Ni−Cr−Al合金,ハステロイ(Ni−Fe−Mo合金,Ni−Cr−Mo合金),Ni−Cu合金(例えば、モネル)等に代表されるニッケル合金、コバルトを主成分とし、Co−Cr−W合金(例えば、ステライト),Co−Cr−Ni−W−C合金,Co−Mo−Cr−Si合金,Co−Cr−Al−Y合金等に代表されるコバルト合金、Ni−Cr−Fe−Si−B−C合金,Ni−Cr−Mo−Cu−Fe−Si−B−C合金等に代表されるNi自溶合金、Co−Ni−Cr−Mo−Fe−Si−B−Cに代表されるCo自溶合金、マルエージング鋼に代表される低炭素鋼、炭素鋼、SUS304,SUS316,SUS410,SUS420J2,SUS431等に代表されるステンレス鋼、Ti−6Al−4Vに代表されるチタン合金等が挙げられる。なお、ここでいう合金とは、上記の金属元素と、他の1種以上の元素からなり、金属的な性質を示す物質を包含する意味であって、その混ざり方は、固溶体、金属間化合物およびそれらの混合のいずれであってもよい。
以上の金属および合金は、いずれか1種が単独で含まれていてもよいし、2種以上が組み合わされて含まれていてもよい。
ここに開示される造形用材料は、上記のとおり二次粒子の形態を有する造粒粒子の集合として構成されている。ここで造粒粒子とは、一次粒子が三次元的に結合され、一体となって一つの粒のように振る舞う粒子状物(粒子の体をなしたもの)をいう。そしてここでいう「結合」とは、直接的または間接的に、2つ以上の一次粒子が結びつくことを意味する。例えば、化学反応による一次粒子同士の結合、単純吸着によって一次粒子同士が引き合う結合、一次粒子表面の凹凸に接着材等を入り込ませるアンカー効果を利用した結合、静電気により引き合う効果を利用した一次粒子同士の結合、一次粒子の表面が融着または焼結して一体化した結合、バインダ(接着剤)による結合等が含まれる。
このような造形用材料は、例えば、顆粒粒子(単に造粒粒子という場合もある。)、顆粒粒子(造粒粒子)を構成する個々の粒子が焼結されている造粒焼結粒子(前記顆粒粒子としての造粒粒子に対し、以下、単に「造粒焼結粒子」という場合がある。)、コア粒子の周りに微粒子が結合されてなる微粒子被覆粒子、等の形態により実現される。なお、特に三次元造形に適した流動性に優れる造形用材料が実現されるとの観点から、造粒粒子または造粒焼結粒子であることが好ましい。さらには、エネルギー源として高強度レーザ等を照射された場合であっても、造形用材料の飛散等が生じ難い、造粒焼結粒子であることがより好ましい。
特に、この造形用材料は、セラミックを含む第1粉末のみではなく、一般にセラミックよりも融点の低い金属を含む第2粉末を含んでいる。このことにより、造形用材料においては第2粉末の溶融が先行し、第2粉末の融液が第1粉末の表面に濡れ広がって、第1粉末の溶融を促進させる。あるいは、第2粉末が溶融してなるマトリックス内に第1粉末を分散状態で取り込み、金属相中にセラミック相が分散された形態の緻密な造形物を得ることができる。
造形用材料の平均粒子径は特に制限されず、例えば、使用する粉末積層造形装置の規格に適した大きさとすることができる。例えば、粉末積層造形における造形用材料の供給に適した大きさであり得る。造形用材料の平均粒子径の上限は、より大きいものとする場合には、例えば、100μm超過とすることができるが、典型的には100μm以下とすることができ、好ましくは75μm以下、より好ましくは50μm以下、さらに好ましくは40μm以下とすることができる。造形用材料は、平均粒子径が小さくなるにつれて、例えば造形エリアにおいて造形用材料の充填率が向上し得る。その結果、造形される三次元造形物の緻密度を好適に増すことができる。また、造形される三次元造形物の表面粗さ(Ra)を小さくできるとともに、寸法精度を向上させるという効果を得ることもできる。さらに、本発明における造形用材料は間隙を備えているため、積層造形において付着させた造形用材料を固化する際の固化効率が向上されるという利点もある。
一方で、ここに開示される造形用材料において、二次粒子を構成する第1粉末および第2粉末の平均粒子径は、例えば、20μm以下(20μm未満)であることが好ましく、10μm以下(10μm未満)であることがより好ましく、例えば10μm以下とすることができる。このように一次粒子の平均粒子径を微細にすることで、より一層緻密で微細な三次元造形物を作製することが可能となる。また、第1粉末および第2粉末の平均粒子径は、例えば、1nm以上とすることができ、200nm以上であることがより好ましく、例えば500nm以上とすることができる。このように一次粒子の平均粒子径を微細にすることで、より一層緻密で微細な三次元造形物を作製することが可能となる。
なお、造形用材料の比表面積については、特に限定はされないものの、例えば、0.1m2/gより大きいことが好ましい。すなわち、かかる造形用材料は、比表面積が(極めて)大きい二次粒子を主として構成されているほうが好ましい。具体的には、例えば、シリカ(SiO2)の比重が2.2g/mlであることから、半径がrmの真球のシリカ粒子の比表面積は1.36/r×10−6m2/gで表される。したがって、例えば、半径が30μmの真球のシリカ粒子の比表面積は0.045m2/gで表される。また、αアルミナ(Al2O3)の比重が3.98g/mlであることから、半径がrmの真球のアルミナの比表面積は0.75/r×10−6m2/gで表される。したがって、例えば、半径が30μmの真球のアルミナ粒子の比表面積は0.025m2/gで表される。さらには、市販の溶融粉砕し微粉アルミナを、JIS Z 8830:2013(ISO9277:2010)「ガス吸着による粉体(固体)の比表面積測定方法」の規定に準じて測定すると、約0.1m2/g程度となる。これに対し、ここに開示される造形用材料の比表面積は0.1m2/g以上が好ましい。このような比表面積の増大に伴い、ここに開示される造形用材料は、表面形態が三次元的に入り組んだ複雑な形状(構造)を有することになる。すなわち、実質的な寸法(例えば、表面の凹凸部分の厚み等)は、造形用材料自体の平均粒子径に拘束されることなく、大幅に低減され得る。したがって、このような極めて大きな比表面積を有することにより、融点の高いセラミック材料であっても、比較的低温のレーザ等の熱源の熱を効率良く吸収して十分な軟化および溶融が実現され得る。延いては、セラミックを含む三次元造形物を効率良く作製することが可能な造形用材料が提供される。
造形用材料の粒度範囲は、粉末積層造形に使用される装置の種類や条件に応じて適宜設定されることが好ましい。例えば、具体的には、造形用材料の粒度範囲は、5〜20μm、45〜150μm、5〜75μm、32〜75μm、15〜45μm、20〜63μm、あるいは25〜75μmのように適宜調整することができる。
なお、造形用材料の粒度範囲は、その造形用材料を構成する粒子群に、どの様な大きさ(粒子径)の粒子が、どの様な割合(造形用材料の全体を100体積%としたときの相対粒子量)で含まれているかを示す。また「粒度範囲」とは、その造形用材料の粒子径の下限と上限までの幅(広がり)を示す指標である。本明細書における粒度範囲の下限の値は、造形用材料中に占めるその値以下の粒子径を有する粒子の割合が5%以下であることを意味している。また、粒度範囲の上限の値は、造形用材料中に占めるその値以上の粒子径を有する粒子の割合が5%以下であることを意味している。なお、造形用材料の粒度分布については、当該造形用材料の粒度に応じた適切な粒度分布測定装置により測定することができる。例えば、ロータップ試験機(JIS R6002参照)や、レーザ回折/散乱方式を採用する測定器を用いて求められる。また、例えば粒度範囲が5〜75μmである造形用材料であれば、5μm以下の粒子径を有する粒子の割合が5%以下であり、かつ、75μm以上の粒子径を有する粒子の割合は5%以下であることを意味する。
さらに、ここに開示される造形用材料は、平均真円度が1.5未満(例えば、1以上1.5未満)であるのが好ましい。なお、かかる平均真円度は、造形用材料を構成する造粒粒子(二次粒子)の平均真球度を間接的に表し得る指標として採用されたものであり、当該二次粒子を任意の方向から平面視した場合の平均真円度を意味している。したがって、かかる平均真円度は、当該二次粒子が、必ずしも二次元的に真円に近い形態であることを意図するものではなく、本質的には、三次元的に真球に近い形態であることを意味するものである。
真円度=(周囲長2)÷(4×π×面積)
なお、造形用材料の外形については、平面視における平均アスペクト比が1.4未満であるとより好ましい。というのは、上記のとおり、平均真円度がより1に近い二次粒子において、真円度は、二次粒子の全体的な形態よりも表面形態をより反映するものであり得る。換言すると、上述の真円度は、真円に近い二次粒子を評価する場合については、二次粒子の平面視における輪郭線がミクロなレベルで複雑になればなるほど、その値は二次粒子の全体の外形の変化の度合いを超えて大きくなりやすい傾向にある。したがって、真円度に加えて、さらにアスペクト比により二次粒子の外形について規定することで、全体としての外形がより真球に近い、すなわち平面視においては真円に近い、二次粒子とすることができる。
かかる平均アスペクト比は、造形用材料の流動性を考慮すると、1.5以下であるのが好ましく、1.3以下であるのがより好ましい。さらには、例えば、1.15以下とすることができ、1あるいは1により近いことが望ましい。
また、この造形用材料については、平均フラクタル次元が1.5未満であることも好ましい態様の一つである。かかる二次粒子は、表面形態がミクロなレベルで複雑なものであり得る。したがって、かかる粒子表面の複雑な形態を更に多様な指標で規定することで、外形がより真球に近い造形用材料とすることができる。フラクタル次元は、個々の粒子表面の複雑な形態を測るために広く一般に利用される指標であり、平均フラクタル次元はここに開示される造形用材料の表面の滑らかさを指し図るには好適な指標であり得る。平均フラクタル次元を1.5未満に規定することで、さらに流動性の向上された造形用材料を実現し得る。かかる平均フラクタル次元は、造形用材料の流動性を考慮すると、1.1以下であるのが好ましく、1.05以下であるのがより好ましい。
加えて、ここに開示される造形用材料については、安息角が39度未満であることも好ましい態様の一つである。安息角は、従来より粉体の流動性を示すために広く採用されてきた指標の一つであり得る。そして、例えば、造形用材料が供給装置内および造形装置内を搬送される際の、自発的な流動性を実際的に反映し得る指標であり得る。したがって、かかる安息角を小さく規定することで、流動性が高い造形用材料を実現することができる。延いては、均質な三次元造形物をより生産性良く作製することができる造形用材料であり得る。
かかる安息角は、造形用材料の流動性を考慮すると、36度以下であるのが好ましく、32度以下であるのがより好ましい。さらには、例えば、30度以下とすることもできる。安息角の下限に特に制限はないが、安息角が小さすぎると造形用材料が飛散し易くなったり、造形用材料の供給量の制御が困難になったりする場合がある。したがって、おおよその目安として、安息角は20度以上とすることが例示される。
なお、特に制限されるものではないが、ここに開示される造形用材料は、フローファンクションが5.5以上であることが好ましい。
上記の安息角は、無荷重状態での造形用材料の流動性を評価し得る指標であった。一方で、このフローファンクションは、造形用材料を圧密した状態でせん断応力を測定することによりその流動特性を評価するものであって、造形用材料のハンドリング性をより実際的に表現し得る指標となり得る。したがって、かかる構成によっても、例えば、平均粒子径が30μm未満の造形用材料について流動性が高いと判断することができ、三次元造形物をより一層生産性良く作製し得る造形用材料を提供することができる。
造形用材料を構成する二次粒子の圧縮強度の下限は、厳密には制限されない。熱源としてレーザを用いる粉末積層造形に使用する造形用材料においては、一般的な造形用材料に用いる造粒−焼結セラミック粒子の圧縮強度の範囲であることが好ましい。造形用材料を構成する二次粒子の圧縮強度は、好ましくは1MPa以上であり、より好ましくは10MPa以上であり、さらに好ましくは100MPa以上であり、特に好ましくは1000MPa以上である。二次粒子の圧縮強度が高くなるにつれて、造形用材料を構成する二次粒子の形態の保持力が高まり、二次粒子の崩壊を防止できる。その結果、造形エリアへの材料粉末の供給が安定する。
本実施形態における造形用材料は、一次粒子が三次元的に結合され得る限り、その製造方法は特に制限されない。例えば、好適な例として、以下に、造粒法、および造粒焼結法により造形用材料を製造する場合について説明する。しかしながら、ここに開示される造形用材料の製造方法は、これに限定されるものではない。
造粒法は、原料粒子(第1粉末および第2粉末であり得る)を二次粒子の形態に造粒する手法である。造粒法としては、公知の各種の手法を適宜利用することができる。例えば、造粒法として、乾式造粒あるいは湿式造粒等の造粒方法を利用して実施することができる。具体的には、例えば、転動造粒法、流動層造粒法、撹枠造粒法、破砕造粒法、溶融造粒法、噴霧造粒法、マイクロエマルション造粒法等が挙げられる。なかでも好適な造粒方法として、噴霧造粒法が挙げられる。
造粒焼結法では、原料粒子たる第1粉末および第2粉末を二次粒子の形態に造粒した後、焼結して、原料粒子同士を強固に結合(焼結)させる。この造粒焼結法では、例えば、上記の造粒法において超音波噴霧した液滴を乾燥させた後、さらに気流に載せて連続炉を通過させながら焼結させることが好適である。具体的には、例えば、超音波噴霧した液滴を、連続炉内を搬送させながら、炉内の比較的上流に設けられる低温ゾーンで乾燥させて溶媒成分を除去し、次いで、炉内の比較的下流に設けられる高温ゾーンで焼成する。このとき、造粒された原料粒子は互いの接点で焼結されて、造粒形状を概ね維持して焼結される。焼結に際してバインダは消失する。これにより、一次粒子が結合(焼結)された二次粒子の形態の粒子からなる造形用材料を得ることができる。
以上のようにして得られた造形用材料は、各種の粉末積層造形に適用することができる。そこで、ここに開示される三次元造形物の製造方法の好適例として、レーザ選択焼結法(SLS)を主として採用した場合を例に、粉末積層造形について説明する。
ここに開示される三次元造形物の製造方法は、一般的に、以下の工程を含む。
(1)粉末積層造形装置の造形エリアに造形用材料を供給する
(2)当該供給された造形用材料を、造形エリアに均一に薄く堆積させる。これにより、造形用材料の薄層を形成する。
(3)形成された造形用材料の薄層に、造形用材料を溶融するためのエネルギー手段を与えて、造形用材料を結合する工程
(4)固化した造形用材料の上に、新たな造形用材料を供給し(上記工程(1))、以後、工程(2)〜(4)を繰り返すことで積層し、目的の三次元造形物を得る。
このような積層造形装置では、昇降テーブル14を造形面より所定厚みΔt1だけ下げた状態で造形エリア10へ造形用材料を供給することで、所定厚みΔt1の造形用材料層20を用意することができる。
このとき、造形面にワイパ11を走査させることで、ストック12から押し出された造形用材料を造形エリア10上に供給するとともに、造形用材料の上面を平坦化して、均質な造形用材料層20を形成することができる。
そして、例えば、形成された第1層目の造形用材料層20に対し、第1層目のスライスデータに対応した固化領域にのみ、固化手段13を介してエネルギーを与えることで、造形用材料を所望の断面形状に溶融または焼結させ、第1層目の粉末固化層21を形成することができる。
この後、昇降テーブル14を所定厚みΔt1だけ下げて再度造形用材料を供給し、ワイパ11でならすことで第2層目の造形用材料層20を形成する。そしてこの造形用材料層20の第2層目のスライスデータに対応した固化領域にのみ、固化手段13を介して熱源や固化組成物等を与えて造形用材料を固化させて第2層目の粉末固化層21を形成する。このとき、第2層目の粉末固化層21と、下層である第1層目の粉末固化層21とが付着されて一体化されて、第2層目までの積層体を形成する。
・ 造形用材料中およびそれを構成する造粒粒子(二次粒子)、さらには造粒粒子を構成する一次粒子は、不可避不純物あるいは添加剤などの主となる成分以外の成分を含有してもよい。つまり、純度は特に制限されない。しかしながら、例えば、より機能性の高い三次元造形物を形成する用途の場合には、意図しない物質(元素)の混入は避けることが好ましく、造形用材料の純度は高い方が好ましい。かかる観点においては、二次粒子およびそれを構成する一次粒子の純度は高い方が好ましい。例えば、純度が95質量%以上であることが好ましく、さらには99質量%以上、より好ましくは99.9質量%以上、例えば99.99質量%以上とすることができる。
・ これらの造形用材料は、例えば、形成される三次元造形物の色調を調整する目的で他の元素(例えば、セラミックであれば、移金属元素や、Na、K、Rb等の元素)が導入されたり、機能性を高める目的で他の元素が導入されるなどしてもよい。また、上記の造形用材料を構成する元素は、一部がイオンまたは錯体等の形態で含まれていても良い。
以下、本発明に関する実施例を説明するが、本発明を以下の実施例に示すものに限定することを意図したものではない。
金属粉末(第2粉末)としては、コバルト(Co)、ステライト合金(ステライト6)、ニッケルクロム合金(Ni−20Cr)、ステンレス鋼(SUS304)の粉末を用意した。これらの粉末は、表1に示す通り、平均粒子径を2μmまたは9μmの粒度の異なるものを用意した。
なお、造形用の造形用材料の製造に用いた原料粉末の平均粒子径は、レーザ回折/散乱式粒度測定器(株式会社堀場製作所製、LA−300)を用いて測定して得られる体積基準の粒度分布に基づくD50粒径を採用した。なお、レーザ回折/散乱式による平均粒子径が1μm未満の造形用材料については、走査型電子顕微鏡(SEM、株式会社日立ハイテクノロジーズ製、S−3000N)により観察して得た平面視像(倍率1000〜2000倍)について、画像解析ソフト(株式会社日本ローバー製、Image−Pro Plus)を用い、100以上の粒子について測定した円相当径の算術平均値を算出することで平均粒子径を求めた。
なお、得られた造形用材料の平均粒子径と嵩密度とを測定し、その結果を表1に示した。
造形用材料の平均粒子径は、原料粉末の平均粒子径と同様、レーザ回折/散乱式粒度測定器(株式会社堀場製作所製、LA−300)を用いて測定したD50粒径を採用した。造形用材料は、必要に応じて分級(ふるい分け)することで、平均粒子径が30μmとなるように粒度を調整した。
[嵩密度]
嵩密度は、JIS Z2504:2012に規定される金属粉−見掛密度測定方法に準じて測定される値を採用している。具体的には、直径2.5mmのオリフィスから自然に流れ出す粉末により、所定の容量の容器を自然充填の状態で満たしたときの、当該粉末の質量を測定することで、嵩密度を算出する。本明細書においては、嵩密度の測定に、金属粉用のJISカサ比重測定器(筒井理化学器械株式会社製)を用いて測定した値を採用した。
上記で用意した造形材料を、粉末積層造形である選択的レーザ溶融法により積層造形することで三次元造形物を得た。積層造形には、レーザ焼結型粉末積層造形システム(SLM solution社製、SLM125HL)を用いた。具体的には、上記の造形材料を1層あたり50μmの厚みで造形エリアに供給し、装置に付随のワイパで造形材料を平坦化して造形材料の堆積層(薄層)を形成した。その造形材料からなる薄層に対してファイバーレーザを2次元的に照射し、まずは層状の造形物を形成した。そして、造形用材料の供給と平坦化の工程、それに対してレーザ照射する工程を繰り返すことで、三次元造形物(設計:20層(1mm))を得た。なお、加工時の条件として、レーザ焦点は約150φμm、レーザ出力は100W、レーザ走査速度は300mm/sec、温度環境は常温、造形用材料周囲の雰囲気はArガスとした。
作製した三次元造形物の仕上がりを評価する指標として、三次元造形物の気孔率を測定した。気孔率は、それぞれの三次元造形物を造形方向(厚み方向)で切断した研磨断面に対して、画像解析法により測定された値を求めた。具体的には、三次元造形物の断面の画像を取得し、画像解析ソフトを用いて三次元造形物の断面を気孔部と固相部(造形された造形物部分)とに分離する2値化を行い、全断面積に占める気孔部の面積の割合を気孔率として算出した。
また、上記の気孔率の測定の際に行ったSEM観察により、造形物の組織の均一性を調べた。具体的には、セラミックと金属とを含む造形物の断面のSEM観察において、微細組織におけるセラミック相と金属相との大きさや分散の程度、さらにはクラック等の有無を確認した。その結果、クラック等が無く、セラミック相と金属相との大きさや分散の程度が概ね均一であると判断できる場合を「○」、クラック等があったり、セラミック相と金属相との大きさや分散の程度が均一とはいえないと判断した場合を「×」として、表1に示した。
それぞれの造形物に対して、JIS Z2244:2009およびJIS R1610:2003に規定されるビッカース硬さ試験方法に基づき測定した。具体的には、硬微小硬度測定器(株式会社島津製作所製、HMV−1)を用い、三次元造形物の表面に対面角136°のダイヤモンド圧子を試験力1.96Nで押圧したときに得られる圧痕から、ビッカース硬さ(Hv0.2)を算出した。その結果を、表1の「硬度」の欄に示した。
例1〜7に示されるように、セラミック粉末(ここではWC)に対して金属粉末(Co)を混合し、造粒粉末とすることで、3次元造形が可能であることがわかった。また、造粒粉末における金属粉末の割合を増大させるにつれて、得られる造形物の気孔率が低減されることがわかった。
例えば、セラミック粉末に10質量%の金属粉末を配合した例1の造形用材料を用いた場合、得られた造形物の気孔率は約30%程度であり、図4(a)に示すような比較的ポーラスな組織の造形物が得られた。この例1の造形物は、例えば非特許文献2において造形された造形物(WC−10%Co粉末および、これにCu−20%Sn粉末を添加した粉末による積層造形物)よりも緻密であることがわかる。しかしながら、例えば、金属のみからなる造形用粉末を用いた場合に比べると、同等か、ややポーラスであり得る。
11 ワイパ
12 ストック
13 造形用材料を固化するための手段
14 昇降テーブル
20 造形用材料層
21 粉末固化層
Claims (8)
- 粉末積層造形に用いる造形用材料であって、
セラミックを含む第1粉末と、金属を含む第2粉末と、を含み、
前記第1粉末と、前記第2粉末とは、造粒粒子を構成し、
前記第1粉末と前記第2粉末との合計に対し、前記第2粉末は、10質量%超過90質量%未満の割合で含まれる、造形用材料。 - 前記造粒粒子の平均粒子径は、1μm以上100μm以下である、請求項1に記載の造形用材料。
- 前記第1粉末および前記第2粉末の平均粒子径は、0.1μm以上20μm以下である、請求項1または2に記載の造形用材料。
- 前記第1粉末は炭化物セラミックである、請求項1〜3のいずれか1項に記載の造形用材料。
- 前記第1粉末と前記第2粉末とは、焼結により一体化されている、請求項1〜4のいずれか1項に記載の造形用材料。
- 前記第1粉末と前記第2粉末とは、バインダにより一体化されている、請求項1〜5のいずれか1項に記載の造形用材料。
- 請求項1〜6のいずれか1項に記載の造形用材料の三次元造形物である、物品。
- 請求項1〜6のいずれか1項に記載の造形用材料を用いて三次元造形を行う、三次元造形物の製造方法。
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