JP2018178239A - 銅粉末及びその製造方法並びに立体造形物の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】レーザー照射時の吸収率が高く、効率的に入熱を行うことを可能にすることで低いエネルギーのレーザーで溶融結合できるとともに、取扱いの利便性も高い銅粉末及びその製造方法を提供する。
【解決手段】波長λ＝１０６０ｎｍである光に対する吸収率が１８．９％〜６５．０％であり、波長λ＝１０６０ｎｍである光に対する吸収率／酸素濃度で示される指数が３．０以上である銅粉末。
【選択図】なし
【解決手段】波長λ＝１０６０ｎｍである光に対する吸収率が１８．９％〜６５．０％であり、波長λ＝１０６０ｎｍである光に対する吸収率／酸素濃度で示される指数が３．０以上である銅粉末。
【選択図】なし
Description
本発明は、銅粉末及びその製造方法並びに立体造形物の製造方法に関し、特に、低いエネルギーのレーザーで溶融結合できる３Ｄプリンター用銅粉末及びその製造方法並びに立体造形物の製造方法に関する。
３Ｄプリンターは、積層造形（Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ：ＡＭ）とも呼ばれており、金属製の三次元形状造形物を製造する方法としては、ＥＢ、あるいはレーザーを用いた積層法が良く知られている。これは、焼結用テーブル上に金属粉末層を形成して、この粉末層の所定部にビームを照射して焼結し、その後、上記粉末層の上に新たな粉末層を形成して、その所定部にビームを照射して焼結することで、下層の焼結部と一体となった焼結部を形成する。これを繰り返すことで、粉末から一層ずつ積層的に三次元形状を造形するものであり、従来の加工方法では困難、あるいは不可能であった複雑な形状を造形することが可能である。これらの手法によって、ＣＡＤ等の形状データから所望の３次元立体モデルを直接、金属材料に成形することが可能である（非特許文献１）。
レーザーを用いた積層法により造形物を製造するとき、レーザーの出力時のパワーは、金属粒子が十分に焼結または溶融結合するよう設定される。ここで、金属粉末を焼結または溶融結合する際に必要なレーザーのエネルギー量は、金属材料によって異なる。たとえば、銅やアルミニウムのように、レーザーの反射率が高い金属材料は、レーザーのエネルギーを吸収しづらいため、これらの金属材料を用いてなる金属粒子を焼結または溶融結合するためには、より高いエネルギーのレーザーを照射することが必要となる。そのため、レーザーの高エネルギー化により、製造コストが高くなったり、製造装置の構成が複雑になったり、うまく金属粒子同士を結合できなかったりする等の課題がある。
これに対して、特許文献１には、金属粒子を含む粉末材料の薄層にレーザー光を選択的に照射して、前記金属粒子が焼結または溶融結合してなる造形物層を形成し、前記造形物層を積層することによる立体造形物の製造に使用される粉末材料であって、前記粉末材料は、金属ナノ粒子がバインダーで結合してなる多孔性の金属粒子を含み、前記粉末材料のＢＥＴ比表面積は、５．０×１０6（ｍ2／ｍ3）以上１．１×１０8（ｍ2／ｍ3）以下である粉末材料が開示されている。かかる発明によれば、粉末材料の材料によらず、低いエネルギーのレーザーで粉末材料に含まれる金属粒子の焼結または溶融結合を容易に行える効果が期待される。
『特集２ − ３Ｄプリンタ｜魅せた！編｜「設計・製造ソリューション展」レポート 樹脂、紙、金属など、造形材料が多様化』〔日経ＢＰ社発行「日経ものづくり８月号」（発行日：２０１３年８月１日）第６４〜６８頁〕
しかしながら、３Ｄプリンターの発展及び普及に伴い、さらに低いコストで造形物を製作できるように金属粉末を用意する要求が高まっている。特に、ＹＡＧレーザーを使用する３Ｄプリンターでは、レーザー照射時に、その多くが反射してしまい、効率的に入熱を行うことができず、金属粉末を溶融できず、うまく造形できないという課題があった。
本発明は前記課題に鑑みてなされたものであり、レーザー照射時の吸収率が高く、効率的に入熱を行うことを可能にすることで低いエネルギーのレーザーで溶融結合できる３Ｄプリンター用銅粉末及びその製造方法を提供することを目的とする。
上記の技術課題を解決するために、本発明者らが鋭意研究を行ったところ、銅粉末を酸化処理により表面に特定の酸化皮膜を設けることでレーザーに対する吸収率を向上できるとの知見を見出し、さらなる検討と考察を加えて本発明を完成させた。
上述した知見と結果に基づき、本発明は以下の発明を提供するものである。
（１）波長λ＝１０６０ｎｍである光に対する吸収率が１８．９％〜６５．０％であり、波長λ＝１０６０ｎｍである光に対する吸収率／酸素濃度で示される指数が３．０以上である銅粉末。
（２）酸素濃度が２０００ｗｔｐｐｍ以下である（１）に記載の銅粉末
（３）安息角が２０°以上３２°以下である（１）又は（２）に記載の銅粉末。
（４）平均粒子径Ｄ５０が１０〜１００μｍである（１）〜（３）のいずれかに記載の銅粉末。
（５）３Ｄプリンター用である（１）〜（４）のいずれかに記載の銅粉末。
（６）ディスクアトマイズ法で作製された銅のアトマイズ粉を酸化雰囲気中で加熱したのち、得られた仮焼結体を粉砕し、篩別する工程を含む、銅粉末の製造方法。
（７）酸化雰囲気の温度が、１２０℃〜２００℃である（６）に記載の銅粉末の製造方法。
（８）（６）又は（７）に記載の製造方法で製造される銅粉末の薄層にレーザー光を照射して、前記銅粉末が焼結又は溶融結合してなる造形物層を形成し、前記造形物層を積層することによって立体造形物を製造する方法。
（１）波長λ＝１０６０ｎｍである光に対する吸収率が１８．９％〜６５．０％であり、波長λ＝１０６０ｎｍである光に対する吸収率／酸素濃度で示される指数が３．０以上である銅粉末。
（２）酸素濃度が２０００ｗｔｐｐｍ以下である（１）に記載の銅粉末
（３）安息角が２０°以上３２°以下である（１）又は（２）に記載の銅粉末。
（４）平均粒子径Ｄ５０が１０〜１００μｍである（１）〜（３）のいずれかに記載の銅粉末。
（５）３Ｄプリンター用である（１）〜（４）のいずれかに記載の銅粉末。
（６）ディスクアトマイズ法で作製された銅のアトマイズ粉を酸化雰囲気中で加熱したのち、得られた仮焼結体を粉砕し、篩別する工程を含む、銅粉末の製造方法。
（７）酸化雰囲気の温度が、１２０℃〜２００℃である（６）に記載の銅粉末の製造方法。
（８）（６）又は（７）に記載の製造方法で製造される銅粉末の薄層にレーザー光を照射して、前記銅粉末が焼結又は溶融結合してなる造形物層を形成し、前記造形物層を積層することによって立体造形物を製造する方法。
本発明によれば、レーザー照射時の吸収率が高く、効率的に入熱を行うことを可能にすることで低いエネルギーのレーザーで溶融結合できる。
［銅粉末］
銅粉末は、公知の方法によって製造された銅粉を使用することができる。粒径数μｍ以上のサイズであれば、工業的には製造コストに優れるアトマイズ法に代表される乾式法によって製造された銅粉を使用することが一般的ではあるが、還元法などの湿式法によって製造された銅粉を使用することも可能である。純度は、酸素、炭素、窒素、水素、硫黄、塩素のガス成分を除き、９９．９％（３Ｎ）以上であることが望ましく、９９．９９％（４Ｎ）以上であることがより望ましい。また、原料銅粉中の酸素濃度は、５００ｗｔｐｐｍ以下であることが好ましく、３００ｗｔｐｐｍ以下であることがより好ましい。これは、本発明で提案している表面酸化層は、レーザーによる溶融時に造形物表層に浮きやすい、あるいはレーザーの衝撃で造形物から脱離しやすいのに対し、銅粉の内部に酸素が存在する場合、酸素が内包されたまま造形物となる可能性が高く、造形物の物性に悪影響を与える可能性があるためである。この酸素濃度を実現するためには、ディスクアトマイズ法の利用が好ましい。ガスアトマイズ法では、噴霧に使用するガスに含まれる酸素を内包する可能性が高く、酸素濃度が５００ｗｔｐｐｍを上回ることが多い。
銅粉末は、公知の方法によって製造された銅粉を使用することができる。粒径数μｍ以上のサイズであれば、工業的には製造コストに優れるアトマイズ法に代表される乾式法によって製造された銅粉を使用することが一般的ではあるが、還元法などの湿式法によって製造された銅粉を使用することも可能である。純度は、酸素、炭素、窒素、水素、硫黄、塩素のガス成分を除き、９９．９％（３Ｎ）以上であることが望ましく、９９．９９％（４Ｎ）以上であることがより望ましい。また、原料銅粉中の酸素濃度は、５００ｗｔｐｐｍ以下であることが好ましく、３００ｗｔｐｐｍ以下であることがより好ましい。これは、本発明で提案している表面酸化層は、レーザーによる溶融時に造形物表層に浮きやすい、あるいはレーザーの衝撃で造形物から脱離しやすいのに対し、銅粉の内部に酸素が存在する場合、酸素が内包されたまま造形物となる可能性が高く、造形物の物性に悪影響を与える可能性があるためである。この酸素濃度を実現するためには、ディスクアトマイズ法の利用が好ましい。ガスアトマイズ法では、噴霧に使用するガスに含まれる酸素を内包する可能性が高く、酸素濃度が５００ｗｔｐｐｍを上回ることが多い。
銅粉末をより焼結または溶融結合しやすくし、よりエネルギーが低いレーザーでの造形を容易にする観点からは、ＹＡＧレーザーで一般的に用いられる光の波長λ＝１０６０ｎｍである光に対する吸収率が、１８．９％〜６５．０％であることが必要である。吸収率が１８．９％を下回ると造形に多量のエネルギーを用いることが必要となり、製作コストが増加してしまう。一方、６５．０％を上回ると酸化時間による吸収効果の上昇度は小さくなり、酸化に伴うコストの増加や、造形時にスラグが発生するなどの不具合が生じてしまう。
さらに、酸素濃度に対して吸収率が大きいほうが、本発明の課題を解決するにあたり有利であることに鑑み、下記式で定義される、吸収率／酸素濃度で示される指数が３．０以上とする。
吸収率／酸素濃度＝（波長λ＝１０６０ｎｍである光に対する吸収率）／銅粉末中に含まれる酸素濃度×１００
吸収率の単位は％であり、酸素濃度の単位はｗｔｐｐｍである。吸収率／酸素濃度で示される指数が３．０を下回ると、波長λ＝１０６０ｎｍである光に対する吸収率を上げるには酸素濃度を過大に上げる必要があることとなり、造形時に酸化物スラグが発生する可能性がある。
吸収率／酸素濃度＝（波長λ＝１０６０ｎｍである光に対する吸収率）／銅粉末中に含まれる酸素濃度×１００
吸収率の単位は％であり、酸素濃度の単位はｗｔｐｐｍである。吸収率／酸素濃度で示される指数が３．０を下回ると、波長λ＝１０６０ｎｍである光に対する吸収率を上げるには酸素濃度を過大に上げる必要があることとなり、造形時に酸化物スラグが発生する可能性がある。
銅粉末中に含まれる酸素濃度は２０００ｗｔｐｐｍ以下とすることができる。前述のとおり、よりエネルギーが低いレーザーでの造形を容易にするために、波長λ＝１０６０ｎｍである光に対する吸収率を１８．９％〜６５．０％とする必要があるが、通常金属自体より金属酸化物の方の吸収率が高いので、銅粉末の表面に酸化物層を設けることが考えられる。この場合、酸素濃度が２０００ｗｔｐｐｍ以下であれば造形時のスラグ発生など不具合を抑制することができる。
また、銅粉末の安息角が２０°以上３２°以下であることが好ましい。銅粉末の性質上、安息角が２０°を下回ることは少ないため、３２°を超えた場合について説明する。３２°を超えると、造形時の銅粉末積層時に、均一な積層ができないという問題が発生する。一般的に銅粉末は、積層あるいは充填状態で加熱されると、粒子同士がネッキングを起こしてしまう。ネッキングを起こすと流動性が悪くなってしまう。そのため、本発明においては、ネッキングの度合を低く抑えるためのアニール条件を設定し、かつ、仮焼結体の解砕後、篩別する処理を行い、安息角を２０°以上３２°以下の範囲に収め、流動性を維持している。
銅粉末の平均粒子径Ｄ５０は１０〜１００μｍであることが好ましい。平均粒子径Ｄ５０を１０μｍ以上とすることで、造形時に粉末が舞いにくくなり、粉末の取り扱いが容易になる。また、平均粒子径Ｄ５０を１００μｍ以下とすることで、より高精細な立体造形物を製造することが可能となる。
銅粉末中に不可避的不純物が含まれる場合があるが、銅粉末に必要な性質に影響がない限り不純物を含むことも可能である。この場合、ガス成分を除く不可避的不純物の濃度が０．０１質量％以下とした方が、銅粉末を効率的に溶融結合できる観点から好ましい。
［銅粉末の処理方法］
銅粉末の波長λ＝１０６０ｎｍである光に対する吸収率を１８．９％〜６５．０％とし、吸収率／酸素濃度で示される指数を３．０以上とするには、ディスクアトマイズ法で作製された銅のアトマイズ粉を酸化雰囲気中で加熱することで酸化皮膜を設けることが考えられる。酸化雰囲気とは、酸素が含まれる雰囲気を意味するもので、空気雰囲気であってもよいし、人工的に酸素を供給する状態下であってもよいが、量産コストを考慮すると空気雰囲気であることが好ましい。
銅粉末の波長λ＝１０６０ｎｍである光に対する吸収率を１８．９％〜６５．０％とし、吸収率／酸素濃度で示される指数を３．０以上とするには、ディスクアトマイズ法で作製された銅のアトマイズ粉を酸化雰囲気中で加熱することで酸化皮膜を設けることが考えられる。酸化雰囲気とは、酸素が含まれる雰囲気を意味するもので、空気雰囲気であってもよいし、人工的に酸素を供給する状態下であってもよいが、量産コストを考慮すると空気雰囲気であることが好ましい。
上記処理を行うことで、銅粉末と酸素が反応し、粉末の表面に酸化皮膜が形成される。酸化皮膜の形成の程度は、銅粉末の波長λ＝１０６０ｎｍである光に対する吸収率を１８．９％〜６５．０％となるようにすればよく、銅粉末中の酸素濃度が２０００ｗｔｐｐｍ以下となるようにすることが好ましい。具体的には、空気雰囲気内で加熱処理を行う場合、雰囲気温度を１２０℃〜２００℃に調整し、さらに温度条件に従って加熱時間を調整し、例えば１２０以上１５０℃未満では２〜７４時間加熱し、１５０℃以上２００℃未満では２〜８時間加熱することによって行うことができる。加熱温度が１２０℃を下回ると酸化皮膜の形成が遅すぎるため好ましくない。加熱温度が２００℃を上回ると酸化の度合いの制御が困難となるため好ましくない。一方、加熱の時間が２時間を下回ると酸化皮膜が不十分であり、７４時間を上回ると銅粉同士のネッキングが過度に進むため好ましくない。本発明では、コストを抑えるため大気での酸化をしているが、酸素量が増えた場合は温度、時間を加減するなどの調整をするとよい。
アトマイズ粉を酸化雰囲気中で加熱した後、得られた仮焼結体を粉砕し、篩別することで、各種の３Ｄプリンターに所要の銅粉末を得ることができる。そして、この銅粉末の薄層にレーザー光を照射して（ＹＡＧレーザーの場合、波長λ＝１０６０ｎｍのレーザー光を照射して）、銅粉末が焼結又は溶融結合してなる造形物層を形成し、前記造形物層を積層することによって立体造形物を製造することができる。
以下、本発明を実施例、比較例に基づいて具体的に説明する。以下の実施例、比較例の記載は、あくまで本発明の技術的内容の理解を容易とするための具体例であり、本発明の技術的範囲はこれらの具体例によって制限されるものでない。
（実施例１〜７及び比較例１〜１１の作製）
［銅粉末］
実施例１〜７及び比較例１〜１１の銅粉末として、いずれもディスクアトマイズ法で作製した銅粉を用いた。
［銅粉末の処理方法］
このディスクアトマイズ法で作製した銅粉につき、空気雰囲気の中で、表１に示す温度及び時間条件で加熱処理を行った。
［銅粉末］
実施例１〜７及び比較例１〜１１の銅粉末として、いずれもディスクアトマイズ法で作製した銅粉を用いた。
［銅粉末の処理方法］
このディスクアトマイズ法で作製した銅粉につき、空気雰囲気の中で、表１に示す温度及び時間条件で加熱処理を行った。
（実施例１〜７及び比較例１〜１１の評価）
［波長λ＝１０６０ｎｍである光に対する吸収率］
波長λ＝１０６０ｎｍである光に対する吸収率は、ＨＩＴＡＣＨＩハイテクサイエンス製Ｕ−４１００分光光度計で測定した。
［酸素濃度］
酸素濃度は、ＬＥＣＯ社製のＴＣＨ６００にて、不活性ガス融解法で測定した
［安息角］
安息角は、ＪＩＳ Ｒ ９３０１−２−２に記載の方法で測定した。
［平均粒子径Ｄ５０］
平均粒子径Ｄ５０（体積基準）は、以下の装置を使用して測定した。
メーカー：スペクトリス株式会社（マルバーン事業部）
装置名 ：乾式粒子画像分析装置 Ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉ Ｇ３
［波長λ＝１０６０ｎｍである光に対する吸収率］
波長λ＝１０６０ｎｍである光に対する吸収率は、ＨＩＴＡＣＨＩハイテクサイエンス製Ｕ−４１００分光光度計で測定した。
［酸素濃度］
酸素濃度は、ＬＥＣＯ社製のＴＣＨ６００にて、不活性ガス融解法で測定した
［安息角］
安息角は、ＪＩＳ Ｒ ９３０１−２−２に記載の方法で測定した。
［平均粒子径Ｄ５０］
平均粒子径Ｄ５０（体積基準）は、以下の装置を使用して測定した。
メーカー：スペクトリス株式会社（マルバーン事業部）
装置名 ：乾式粒子画像分析装置 Ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉ Ｇ３
実施例１〜７によれば、加熱の温度を上げること、又は加熱時間を延ばすことで、銅粉末表面の酸化膜厚みを増やすことができ、それに伴い波長λ＝１０６０ｎｍである光に対する吸収率も向上させることができる。また、酸素濃度対する吸収率が大きく、かつ酸素濃度も造形時に影響のない範囲である。さらに、安息角も２０°以上３２°以下の範囲内に収まり、取扱いの利便性も高い。
比較例１は加熱処理を行っておらず、波長λ＝１０６０ｎｍである光に対する吸収率は１７．５％にとどまった。
比較例２〜４は加熱処理を行ったが、処理の程度が不十分であるので、波長λ＝１０６０ｎｍである光に対する吸収率の上昇がみられなかった。
比較例５〜８は、波長λ＝１０６０ｎｍである光に対する吸収率が上昇したが、酸素濃度が２０００ｗｔｐｐｍ以上と高く、造形時に酸化物スラグが発生する可能性がある。また、吸収率／酸素濃度で示される指数が３．０を下回っている。
比較例９〜１１は、ガスアトマイズ粉を使用した場合の結果である。ガスアトマイズでは、多量のガスを吹きかけてアトマイズするため、ガス中に含まれる微量酸素を巻き込む形で金属粉が生成され、酸化処理前の段階で、酸素濃度が６００ｗｔｐｐｍと高かった。すなわち、ディスクアトマイズ粉を使用して作られた実施例と比較して、同じ酸素濃度であっても、レーザー光吸収に影響する酸化膜厚みが少ないということになる。そのため、吸収率／酸素濃度で示される指数が３．０を下回っている。また、ディスクアトマイズ法の方が一般的に真球度が高くなることから、ガスアトマイズ法で作製された比較例９〜１１は、同様の条件で製造された比較例１、実施例５及び７より、安息角が大きくなっており、流動性が低くなってしまっている。そのため、ガスアトマイズ粉よりもディスクアトマイズ粉を使用した方が、本発明の条件を満たす銅粉末を製造することが容易となる。
比較例１は加熱処理を行っておらず、波長λ＝１０６０ｎｍである光に対する吸収率は１７．５％にとどまった。
比較例２〜４は加熱処理を行ったが、処理の程度が不十分であるので、波長λ＝１０６０ｎｍである光に対する吸収率の上昇がみられなかった。
比較例５〜８は、波長λ＝１０６０ｎｍである光に対する吸収率が上昇したが、酸素濃度が２０００ｗｔｐｐｍ以上と高く、造形時に酸化物スラグが発生する可能性がある。また、吸収率／酸素濃度で示される指数が３．０を下回っている。
比較例９〜１１は、ガスアトマイズ粉を使用した場合の結果である。ガスアトマイズでは、多量のガスを吹きかけてアトマイズするため、ガス中に含まれる微量酸素を巻き込む形で金属粉が生成され、酸化処理前の段階で、酸素濃度が６００ｗｔｐｐｍと高かった。すなわち、ディスクアトマイズ粉を使用して作られた実施例と比較して、同じ酸素濃度であっても、レーザー光吸収に影響する酸化膜厚みが少ないということになる。そのため、吸収率／酸素濃度で示される指数が３．０を下回っている。また、ディスクアトマイズ法の方が一般的に真球度が高くなることから、ガスアトマイズ法で作製された比較例９〜１１は、同様の条件で製造された比較例１、実施例５及び７より、安息角が大きくなっており、流動性が低くなってしまっている。そのため、ガスアトマイズ粉よりもディスクアトマイズ粉を使用した方が、本発明の条件を満たす銅粉末を製造することが容易となる。
本発明によれば、レーザー照射時の吸収率が高く、効率的に入熱を行うことを可能にすることで低いエネルギーのレーザーで溶融結合できるとともに、取扱いの利便性も高い銅粉末及びその製造方法を提供することができる。そのため、３Ｄプリンターに用いられる場合、造形物の製造コストを低減することも可能である。
Claims (8)
- 波長λ＝１０６０ｎｍである光に対する吸収率が１８．９％〜６５．０％であり、波長λ＝１０６０ｎｍである光に対する吸収率／酸素濃度で示される指数が３．０以上である銅粉末。
- 酸素濃度が２０００ｗｔｐｐｍ以下である請求項１に記載の銅粉末。
- 安息角が２０°以上３２°以下である請求項１又は２に記載の銅粉末。
- 平均粒子径Ｄ５０が１０〜１００μｍである請求項１〜３のいずれかに記載の銅粉末。
- ３Ｄプリンター用である請求項１〜４のいずれかに記載の銅粉末。
- ディスクアトマイズ法で作製された銅のアトマイズ粉を酸化雰囲気中で加熱したのち、得られた仮焼結体を粉砕し、篩別する工程を含む、銅粉末の製造方法。
- 酸化雰囲気の温度が、１２０℃〜２００℃である請求項６に記載の銅粉末の製造方法。
- 請求項６又は７に記載の製造方法で製造される銅粉末の薄層にレーザー光を照射して、前記銅粉末が焼結又は溶融結合してなる造形物層を形成し、前記造形物層を積層することによって立体造形物を製造する方法。
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