JP2022501509A - 加圧焼結によりプリフォームから複雑な形を有する部品を製造する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、３Ｄアディティブプリントおよび加圧焼結の技術を活用した連続層堆積によって、複雑な形を有する部品（３）を製造する方法に関する。前記方法は、下記工程を含む。まず、最初の工程として、金属合金、セラミック、複合材や、溶失材をベースとした多孔性材料あるいは粉末材料から選択される材料より、デジタル制御により実施される三次元３Ｄアディティブプリント法を活用して、堆積された連続層の生成によって、型（１）を作製する。続いての工程では、高密度化対象となる多孔あるいは粉末状の材料を、成形型（１）で成形することによって得たプリフォーム（１）を、成形型（２）に入れる。前記成形型（２）は、このプリフォーム（１）に加え、多孔性あるいは粉末状の犠牲材（１３）で満たされる。そして、成形型（２）を一軸高密度化加圧焼結（１０）し、最終的に成形型（２）から取り出すことで、部品（３）が完成する。【選択図】図１

Description

本発明は、アディティブ法によって作製されたプリフォームから、加圧焼結により、複雑な形を有する部品を製造する方法に関する。

本発明は、部品製造分野、特に、多孔性材料あるいは粉末材料を高密度化することで、産業機械部品を製造する分野に関する。当分野は、一軸あるいは多軸、静水圧負荷下での焼結、例えば、特に、熱間等方圧プレス、ＳＰＳ（ｓｐａｒｋ ｐｌａｓｍａ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）として知られる高圧放電焼結、あるいは選択的レーザー焼結による、高密度化に関するあらゆる技術を含む。

より詳しくは、ＳＰＳ焼結技術において、超微細構造を有する高密度材料を素早く得るため、一定の体積を有するセラミック、ポリマー、あるいは金属粉が、導電性成形型内で固められる。こうした圧密は、負荷を同時に与えることによって実現される（例えば、約１００ＭＰａの、成形型にかかる高い一軸圧力、および５００〜１０，０００Ａの、成形型内の高強度パルス直流から発せられる熱により、粉末の焼結は、全体で、たった数分で完了する）。

このＳＰＳ焼結技術における主たる利点としては、高い温度上昇率および、高温下での比較的短い滞留時間により、材料の高密度化を、結晶成長を全く伴うことなく、あるいは、非常に少ない結晶成長で、実現されることが挙げられる。

特に、厚さに実質な違いのある、複雑な形を有する部品の場合、限られた空間および時間内で、厚みが異なる領域間の不均一な材料を取り外すため、ＳＰＳ焼結技術での一軸圧力には、不均質な高密度化を招いてしまうという欠点がある。一般的に、複雑な形とは、厚さにバリエーションを持たせた、あるいは均等な厚みの、種々の湾曲部を有する形、厚さに大きな変化がある一方、湾曲部にバリエーションを持たせた、あるいは一定の湾曲部を有する形、および／または幾何学的欠けがある形を指す。

高密度化の不均質性という欠点を補うため、特許文献１では、粉末状（あるいは多孔性）材料と、その部品を作製するために特注した成形型の対向面との間に、変形境界層を追加することが提案されている。

しかしながら、焼結技術には、成形型からの取り出しが容易ではない、成形型あるいは成形型対向面を使用する際の問題もある。これは、部品が複雑な形を有している場合、特に、取り出しづらいアンダーカットや、部品を一部壊さない限り、成形型から取り外すことが困難なテーパード型を形成する場合に顕著である。

対向面は、対向面を不活性界面で覆い、バインダにより凝集されたセラミック粉末層をプレスすること、あるいは、セラミック粉末をポリマープリフォーム上に固めることで得たプリント版であってもよい。こうした技術は、アンダーカットのような複雑な形、および界面による覆いが必要な対向面の表面の状態といった問題ゆえに、取り出しやすさの形状に、実質的な制限がある。

成形型から取り外せるアンダーカットに合った対向面の作製において、成形型からの取外しの際の問題を回避するため、対向面の数を複数にする必要があった。そのため、対向面のそれぞれに特注したツールの作製が必要となり、その結果、設計、機械工程の手間が増える。また、多くの対向面を組み立てることにより、欠陥（完成部品の形状が一致しない、早期段階での亀裂、材料ロス等）の原因となる。

材料を高密度化することにより、複雑な形を有する部品を作製するにあたり、ＨＩＰ（熱間等方圧プレス）として知られる多軸静水圧負荷技術を使用することが慣行として知られている。こうした技術は、例えば、特許文献２に示されている。特許文献２では、アディティブプリント法により予備成形された対象物の外装を完全に覆う圧力転写材で満たされた高密度化用の炉を使用することが提案されている。これにより、異なる密度を有する外装および内容積を得ることができる。こうした手法は、ＨＩＰ技術においても、省スペースとは言い難く、複雑で、時間がかかるものである。

あるいは、ＨＩＰ技術による部品製造に関する特許文献３の成形型は、セラミックで覆われた、部品成型用犠牲型を利用して作製される。空洞を形成するため、成形型を取り出し、そして、金属層をセラミックに塗布する。それにより、金属粉を充填し、ＨＩＰ技術用容器に載置する成形型を構成する。この手法は、依然として複雑で、ＨＩＰ技術を必要とする。

仏国特許出願３０４２９９２号明細書 国際公開第２０１６／１８９３１２号明細書 国際公開第２０１６／０３０６５４号明細書

本発明は、こうした問題を解決することを目的とし、一軸高密度化と組み合わせた、デジタル制御されたアディティブ技術によって製造された部品のプリフォームを使用することを提案するものである。

より具体的には、本発明の目的は、３Ｄアディティブプリントおよび加圧焼結の技術を活用した連続層堆積によって、複雑な形を有する部品を製造する方法を提供することである。前記方法は、下記工程を含む。まず、最初の工程として、金属合金、セラミック、複合材や、溶失材をベースとした多孔性材料あるいは粉末材料から選択される材料より、型を作製する。デジタル制御により実施される三次元（３Ｄ）アディティブプリント法を活用し、金属合金、セラミック、複合材や、溶失材をベースとした多孔あるいは粉末状の材料から選択される材料で、層を連続堆積し、プリフォームを生成する。続いての工程では、高密度化対象となる多孔あるいは粉末状の材料を、成形型で成形することによって得たプリフォームを、成形型に入れる。前記成形型は、このプリフォームに加え、多孔性あるいは粉末状の犠牲材で満たされる。そして、成形型を一軸高密度化加圧焼結し、最終的に成形型から取り出すことで、部品が完成する。

特に、３Ｄアディティブプリント法は、ステレオリソグラフィ、バインダジェット、制御押出成形、融合フィラメント加工、インクジェットプリント、そしてエアロゾルジェットプリントから選択される。

さらに、一軸高密度化により、物理化学的均質性および部品寸法における正確性を得ながら、ＨＩＰの三次元静水圧高密度化と比べて、高密度化をより容易に実現することがきる。

本発明の効果としては、以下のものが挙げられる。
・犠牲材は、セラミック、シリカ、金属珪酸塩、複合材から選択される材料である。
・セラミックは、粉末状のＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＡＴＺ（アルミナ強化ジルコニア）、ＺＴＡ（ジルコニア強化アルミナ）、４０％〜８０％の範囲の高密度化度合を発揮するアルミナから選択され得る。
・プリフォームと犠牲材との間で反応が起こることを防ぐ目的で、成形型にプリフォームを入れる前に、プリフォームの少なくとも一面に、界面層を配置し得る。
・プリフォーム、界面層、そして犠牲材の材料は、焼結開始・終了時の温度において同様の高密度化挙動を示す。

３Ｄアディティブプリント実行時、対向面の材料に合わせて、２００℃〜６００℃の温度、かつ、０．１℃／分〜１℃／分の温度上昇率で熱処理を行うことによって、プリフォームからバインダを取り出す工程を効果的に実施し得る。前記工程において、対向面の作製中に、材料に含有された有機化合物を取り出すことが可能となる。

さらに、バインダを取り出す工程に続き、予備焼結工程を実施し得る。予備焼結工程では、対向面の材料に合わせて、６００℃〜１，５００℃の高温で対向面を熱処理する。これにより、対向面の高密度化が開始され、機械的強度を高め、界面付与を促進することができる。

最初の態様として、成形型は、高密度化前に、直接プリフォームを作製し、プリフォームを投入する前後に、成形型を、多孔性あるいは粉末状の犠牲材で満たす。

他の態様として、この方法では、例えば、融点の低いワックスや樹脂といった溶失材から、アディティブプリントにより、成形型を作製する。そして、多孔あるいは粉末状の材料からなる対向面が、型の周囲に生成される。溶失材が除去されると、加圧焼結成形型に入れられ、犠牲材を成形型に追加する前に、対向面は、成形型に合わせたプリフォームをなす、高密度化する材料に満たされる。加圧焼結の実施後、部品が対向面より取り出される。

図面において、同一の要素には、同一の参照符号が付される。参照符号は、それが示す要素が記載される一つ、あるいはそれ以上の箇所で参照される。

本発明の、さらなる情報、特徴、そして効果は、添付の図面を参照して、以下の、制限を意図しない説明を読み進めることによって明らかにされるものである。図面はそれぞれ以下の通りである。

図１は、第１実施形態に係る、プリフォームから複雑な形を有する部品を製造する方法における、主な工程（１Ａ〜１Ｆ）の一例を示す斜視図である。 図２は、第２実施形態に係る、プリフォームから複雑な形を有する部品を製造する方法における、主な工程（２Ａ〜２Ｇ）の一例を簡略的に示す模式断面図である。

本発明に係る、プリフォームから複雑な形を有する部品を製造する方法における、主な工程１Ａ〜１Ｆの例を、断面図として図１に示す。工程１Ａでは、製造部品の多孔性金属型１を、３Ｄアディティブプリント法、本例では、バインダジェットによる連続層へのジェットによって形成する。成形型は、ジェットシステム（不図示）の制御部にあらかじめ保存しておいた構成を再現し、焼結後に得られる部品のプリフォームを構成する。プリフォームにより、本発明に係る製造方法より製造する部品の形状を画定する。

部品の材料は、加工前の段階では、金属合金をベースとした、特に、本例においては、チタン合金、チタン−アルミニウム合金、例えば、ステンレススチールやレネ系に属するニッケル系超合金をベースとした粉末状あるいは多孔性材料である。

有利なことに、２００℃〜６００℃の間、本例では、４００℃の温度で、かつ、０．１℃／分〜１℃／分、本例では、０．５℃／分の温度上昇率で熱処理を行うことで、型１の形状のプリフォームからバインダを取り出す。本工程では、３Ｄプリントで対向面部を作製している間、セラミック粉末内に入り込んだ有機化合物を除去することができる。

好ましくは、バインダを取り出した後、予備焼結を行う。予備焼結とは、より高い温度、例えば、使用する材料に合わせて、６００℃〜１，５００℃、本例では、１，２００℃の温度で、プリフォーム１に処理を施すものである。熱処理により、対向面部の高密度化を開始することが出来る。これにより、機械的強度を高め、後述のように、一つあるいはそれ以上の界面層の付与を容易にする。

有利なことに、工程１Ｂでは、プリフォーム１の外側面１ｅ（工程１Ｃ参照）あるいは内側面１ｉ（工程１Ａ参照）に吹き付けることで、グラファイト界面層１１を均一に積層させる。あるいは、グラファイト層がプリフォーム１の両面１ｉおよび１ｅに吹き付けられる。グラファイト層１１により、成形型１と、粉末状の犠牲材、本例では言えば、セラミックとの間のいかなる反応も防ぐことができる。犠牲材は、成形型からの最終取り出しを容易にする目的で、後工程において積層される。

工程１Ｃでは、グラファイト層１１に覆われたプリフォーム１を、ＳＰＳ加圧焼結成形型２内の、事前に投入されたセラミック粉末の犠牲材（図示せず）の土台上に投入する。次に、犠牲粉末１３を成形型２に投入する。これにより、成形型２が、高密度化する材料群で満たされる（工程１Ｃ）。犠牲粉により、続いて実施する焼結において、高密度化の差を補うことができる。

そして、成形型２にＳＰＳ焼結（５０ＭＰａの負荷１０、３，０００アンペアの直電流）が施され、これにより、成形型２内の材料群が高密度化される（工程１Ｅ）。続いて、部品３を覆う犠牲材１３の部分を、型抜きして除去することで、高密度化された部品３を成形型２から取り外す（工程１Ｆ）。

他の実施形態によれば、工程２Ａ〜２Ｇを示した図２の模式図の通り、まず、ロストワックス型４がステレオリソグラフィによってプリントされる（工程２Ａ）。成形型は、本例では、円錐形を有している。

そして、図示の例では（工程２Ｂ）、細長い形状の円錐対向面５が、ワックス４の周りに設けられる。あるいは、対向面をなす多孔性材料は、セラミック、シリカ、金属珪酸塩、複合材等であってもよい。

ワックスを液状化させる、好適な熱処理により、ワックス４を対向面５から除去する。液状化したワックスは、対向面錐５の底面に設けた開口部５１から流れ出す（矢印Ｆ１）。これにより、完全な空洞ができる（工程２Ｃ）。

成形型からの取り出しを容易にし、対向面と高密度化する材料との間の、あらゆる反応を防ぐため、有利なことに、対向面５の内側面５ｉは、グラファイト界面層７で覆われている。あるいは、グラファイト層は、対向面５の面５ｉおよび５ｅのうち、少なくとも一つの面に吹き付けられる。

工程２Ｄでは、対向面５は、ワックス型に合わせて製造部品のプリフォーム６を構成する、高密度化する粉末材料で満たされる。そして、対向面５の内側面５ｉのグラファイト層７は、プリフォーム６を覆う。

有利なことに、上述の温度、温度上昇率と同様の条件下で、バインダの取り出し工程および予備焼結工程が実施される。

そして、対向面５およびプリフォーム６は、ＳＰＳ焼結成形型２（工程２Ｅ）に投入され、犠牲材９が、成形型２に追加投入される。犠牲材は、本例において、セラミック、シリカ、金属珪酸塩、複合材等から選択される材料である。

負荷１０と３，０００アンペアの直電流を加えることで、ＳＰＳ高密度化を実行する（工程２Ｆ）。犠牲粉により、焼結において、高密度化の差を補うことができる。

続いて、犠牲材９および対向面５を除去し、型抜きをすることにより、部品８が成形型２から抜き出される（工程２Ｇ）。

本発明は、説明し、例示したものに限定されない。したがって、グラファイト以外の多孔あるいは粉末状の材料、特に、酸化イットリウムや窒化ホウ素等からなる界面層であってもよい。

第１の態様は、特に、凹凸の対面を有する中空部品に適しており、第２の態様は、両凸を有する立体部品に適している。

態様に関わらず、犠牲材、対向面、プリフォーム、そして界面層の材料は、焼結開始・終了時の温度に対して同様の挙動を見せるものであればよい。使用するセラミックは、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＡＴＺ（アルミナ強化ジルコニア）、ＺＴＡ（ジルコニア強化アルミナ）、あるいは４０％〜８０％の範囲の高密度化度合を発揮するアルミナをベースとする粉末状である。

さらに、界面層は、吹き付け、粉末に合わせたバインダ（水溶液やＲｈｏｄｏｖｉｌ（登録商標）液等）により結合した粉末積層、適切な形状を有するシート等から選択された方法で付与される。

さらに、例示した第１実施形態では、プリフォームは直接型取られる。一般的に、プリフォームは、他の３Ｄアディティブプリント法により、および／または他の材料を使用することで、基礎型から形成され得る。これにより、部品の材料の選択に合わせて、プリント技術やプリント材料を変更できる。

Claims (15)

1. ３Ｄアディティブプリントおよび加圧焼結の技術を活用した連続層堆積によって、複雑な形を有する部品（３；８）を製造する方法であって、
   金属合金、セラミック、複合材、及び、溶失材をベースとした多孔性材料あるいは粉末材料から選択される材料より、デジタル制御により実施される三次元（３Ｄ）アディティブプリント法を活用して、堆積された連続層の生成によって、型（１；４）を作製する工程と、
   高密度化対象となる多孔あるいは粉末状の材料を、前記成形型（１；４）で成形することによって得たプリフォーム（１；６）を、成形型（２）に入れる工程と、を備え、
   前記成形型（２）は、前記プリフォーム（１；６）に加え、多孔性あるいは粉末状の犠牲材（１３；９）で満たされ、前記成形型（２）を一軸高密度化加圧焼結（１０）し、最終的に成形型（２）から取り出すことで、部品（３；８）が完成する、ことを特徴とする製造方法。
2. 前記３Ｄアディティブプリント法は、ステレオリソグラフィ、バインダジェット、制御押出成形、融合フィラメント加工、インクジェットプリント、及び、エアロゾルジェットプリントから選択される、ことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
3. 前記成形型（２）への投入前に、境界層（１１；７）が前記プリフォームの少なくとも一面（１ｉ、１ｅ；５ｉ、５ｅ）上に配置される、ことを特徴とする請求項１または２に記載の製造方法。
4. 前記プリフォーム、前記境界層、及び、前記犠牲材の材料は、焼結開始・終了時の温度で、同様の高密度化挙動を示す、ことを特徴とする請求項３に記載の製造方法。
5. 前記犠牲材（１３；９）は、セラミック、シリカ、金属珪酸塩、複合材から選択される、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の製造方法。
6. 前記セラミックは、ＹＳＺ、ＡＴＺ、ＺＴＡ、４０％〜８０％の範囲の高密度化度合を発揮するアルミナから選択される、ことを特徴とする請求項５に記載の製造方法。
7. グラファイト、酸化イットリウム、及び、窒化ホウ素から選択される材料からなる層によって、前記界面層を形成する、ことを特徴とする請求項３または４に記載の製造方法。
8. 前記境界層（１１；７）は、吹き付け、粉末積層、および適切な形状を有するシートの形で付与される、ことを特徴とする請求項３または４に記載の製造方法。
9. 製造部品の金属合金は、チタン合金、ステンレススチール、及び、レネ系に属するニッケル系超合金から選択される、ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の製造方法。
10. ３Ｄアディティブプリント実行時、２００℃〜６００℃の温度、かつ、０．１℃／分〜１℃／分の温度上昇率で熱処理を行うことによって、前記プリフォーム（１；６）からバインダを取り出す工程を実施する、ことを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の製造方法。
11. バインダを取り出す前記工程に続いて、６００℃〜１，５００℃の温度で、前記プリフォーム（１；６）を熱処理する予備焼結工程を実施する、ことを特徴とする請求項１０に記載の製造方法。
12. 多孔性あるいは粉末状の材料からなる前記成形型（１）は、高密度化前に、前記プリフォームを作製し、
    前記プリフォーム（１）を投入する前後に、前記成形型（２）を、多孔性又は粉末状の犠牲材（１３）で満たす、ことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の製造方法。
13. アディティブプリントにより、前記成形型（４）が失材から作製され、多孔性あるいは粉末状の材料からなる対向面（５）が、前記成形型（４）の周囲に形成され、
    前記失材が除去されると、加圧焼結用の前記成形型（２）に投入される前に、前記対向面（５）が、前記成形型（４）に合わせて前記プリフォーム（６）を構成する、高密度化される材料で満たされ、
    前記犠牲材（９）が前記成形型（２）に追加され、
    前記加圧焼結（１０）後、前記部品（８）が前記対向面（５）から取り出される、ことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の製造方法。
14. 前記対向面（５）の材料は、セラミック、シリカ、金属珪酸塩、及び、複合材から選択され、
    前記材料は、前記プリフォーム（１；６）、前記犠牲材（１３；９）、及び、前記境界層（７）の材料と同様に、焼結開始・終了時の温度で、同様の高密度化挙動を示す、ことを特徴とする請求項１３に記載の製造方法。
15. 前記セラミックは、ＹＳＺ、ＡＴＺ、ＺＴＡ、及び、４０％〜８０％の範囲の高密度化度合を発揮するアルミナから選択される、ことを特徴とする請求項１４に記載の製造方法。

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