JP2019157217A - バインダジェット法に用いる積層造形用粉末材料 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、バインダジェット法で三次元物体を積層造形し、造形した目的形状の結合体を焼結して焼結体を成形する方法の工程を模式的に示している。
原料粉末は、微細な主原料粉末中に、流動化剤として、超微粒子のSiO2粉末、TiO粉末、Al2O3粉末のうちの一種、または二種以上の混合粉末を微量添加したものとする。
主原料粉末としては、金属粉末またはセラミックス粉末が用いられる。金属粉末としては、ステンレス、高速度鋼、ニッケル基耐熱鋼、低炭素鋼等の粉末冶金や金属射出成形法(MIM:Metal Injection Molding)等で使用されている粉末全般が挙げられる。また、セラミックス粉末としては、アルミナや炭化ケイ素等が挙げられる。
本発明の流動化剤の粒度は、一次粒子径が7〜40nmのものが用いられる。これは、7nm未満では、粒子の凝集が生じて主原料粉末との混合時に均質な分散状態が得られず、40nm超では、製造する上で球状のナノ粒子が不規則化するため主原料粉末に対する潤滑効果が低下するという理由からである。この範囲中では、7〜30nmが好ましく、10〜20nmがさらに好ましい。本発明の流動化剤としては、上記のようにSiO2粉末、TiO粉末、Al2O3粉末のうちの一種、または二種以上の混合粉末が用いられ、これらはいずれのものも同等の効果を示す。
バインダは、エチレングリコールを10〜25%含む混合溶液や、エチレングリコールモノブチルエーテルを2.5〜10%含む混合溶液等が用いられるが、これらに限定はされず、適宜なものが選択される。
実施例1、2および比較例1、2の原料粉末を、JIS−Z8835に準拠する流動性評価装置(粉末層せん断力測定装置NS−S500型、ナノシーズ社製)を用い、粉体動摩擦角、応力伝達率、圧縮率を測定した。粉体動摩擦角はその数値が小さいほど流動性がよく、応力伝達率はその数値が大きいほど流動性がよく、圧縮率はその数値が小さいほど流動性がよい。これらの結果を表1に併記する。なお、実験条件として、実験用セルは内径30mmのSUS製セルを用い、粉体層に負荷する垂直荷重は30N、60N、90Nの3条件とした。応力伝達率は、30Nの荷重試験で得られた数値を用いた。サンプル量は30gとし、特別な前処理は行わず測定に供した。
実施例1、2および比較例1の原料粉末について粒子の付着力の測定を行い、平均粒径が10μm(−22μm)のSUS316Lの粉末に対するSiO2粉末の添加がいかに付着力を低減して流動性を高めるかを調べた。測定方法は、日立工機社製の遠心法付着力測定装置(CS150NX)を用い、平均付着力F50(nN)を算出した。その結果を表1に併記する。なお、当該装置による平均付着力の算出原理は次の通りである。
F50=(π/6)・ρ・d3・r・ω2
実施例1、2および比較例1、2の原料粉末を用いて、図1で模式的に示したようなバインダジェット法により同様形状の三次元結合体を造形し、それら成形体を、真空焼結炉により真空中において1350℃:2時間加熱、という条件で焼結した。
実施例1、2および比較例1、2の焼結体につき、適宜に研磨して鏡面仕上げした後、腐食させて、金属組織を顕微鏡写真で撮影した。図3〜図5は、それぞれ実施例1、比較例1、2の焼結体の金属組織写真である。
実施例1、2および比較例2の焼結体につき、相対密度をアルキメデス法によって調べた。その結果を表1に併記する。
実施例1、2の原料粉末による焼結体は、相対密度が95%と機械的特性として十分な値を示した。また、図3に示すように実施例1の金属組織は微細な結晶が均質な状態で緻密に分布しており、積層の痕跡や欠陥部分もみられない。なお、実施例2の焼結体も相対密度が実施例1と同様であって金属組織も同様に緻密であった。これは、原料粉末の積層工程においてホッパーから供給される原料粉末の流動性が良好で原料粉末が均質に積層されているためであり、粒度が細かいながら緻密かつ均質な金属組織を有する高品質な焼結体が得られている。
実施例1、2および比較例1に用いた平均粒径が10μmのSUS316Lの粉末のように、このレベルの微細な粉末材料は、比較例2の粒度が大きい粉末材料よりも需要が格段に多いため安価である。例えば普及しているMIM(Metal Injection Molding)用の粉末材料がそれに当たる。そしてこのような微細な粉末材料による成形体を焼結する際は、比較例2程度の比較的粒度の大きい粉末材料を用いた場合よりも低い温度で焼結することができ、よって設備にコストをかける必要がないか、あるいは少なくて済む。これらのことから本発明によれば、工業用部品や機能部品となる焼結体を、バインダジェット法で簡便に、かつコストを抑えて製造することができる。
12…ホッパー
13…ローラ
14…インクジェットディスペンサ
P…原料粉末
PL…原料粉末層
B…バインダ
G…結合体
原料粉末は、微細な主原料粉末中に、流動化剤として、超微粒子のSiO2粉末、TiO 2 粉末、Al2O3粉末のうちの一種、または二種以上の混合粉末を微量添加したものとする。
本発明の流動化剤の粒度は、一次粒子径が7〜40nmのものが用いられる。これは、7nm未満では、粒子の凝集が生じて主原料粉末との混合時に均質な分散状態が得られず、40nm超では、製造する上で球状のナノ粒子が不規則化するため主原料粉末に対する潤滑効果が低下するという理由からである。この範囲中では、7〜30nmが好ましく、10〜20nmがさらに好ましい。本発明の流動化剤としては、上記のようにSiO2粉末、TiO 2 粉末、Al2O3粉末のうちの一種、または二種以上の混合粉末が用いられ、これらはいずれのものも同等の効果を示す。
Claims (4)
- 金属粉末またはセラミックス粉末からなる平均粒径が2〜25μmの主原料粉末中に、一次粒子径が7〜40nmの流動化剤が0.01〜0.15wt%の割合で添加されていることを特徴とするバインダジェット法に用いる積層造形用粉末材料。
- 前記流動化剤は、SiO2粉末、TiO粉末、Al2O3粉末のうちの一種、または二種以上の混合粉末であることを特徴とする請求項1に記載のバインダジェット法に用いる積層造形用粉末材料。
- 応力伝達率が70%以上、圧縮率が20%以下、粉体動摩擦角が32°以下であることを特徴とする請求項1または2に記載のバインダジェット法に用いる積層造形用粉末材料。
- 前記主原料粉末は、ステンレス、高速度鋼、ニッケル基耐熱鋼、低炭素鋼、アルミナ、炭化ケイ素のうちの少なくとも一種であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のバインダジェット法に用いる積層造形用粉末材料。
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