JP3479718B2 - 金属又はセラミックからなる造形品の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、意匠性の高い造形
品や小ロット品は勿論のこと、射出成形する事によって
大量生産が可能であり、大きな形状や構造の複雑な物品
例えば金属製機械部品等の造形物を製造するための素材
として有効なスラリー組成物用いた金属又はセラミック
スからなる造形品の製造方法に関する。 【０００２】 【従来の技術】一般に、複雑な物品例えば機械部品等の
造形物を金属粉末等を用いて成形する方法として、金属
粉末に若干の潤滑剤を混入し、そのまま金型により鍛造
し焼結する粉末鍛造法が知られている。しかし、この方
法は成形に際して密度を均一に保持することが難しく、
また焼結後に得られる成形品の密度も溶製材から得られ
る成型品の９０％程度未満であり、高密度化の成形品を
得ることが困難であり、更には、成形プレス、金型など
の高価な設備を必要とするなどの欠点がある。 【０００３】また、近年、金属粉末に流動性を与えるの
に十分な熱軟化性のバインダーを加えたコンパウンドを
つくり、射出成形して形状を与え、その後、脱脂処理に
よるバインダーの除去、焼結によって成形体を得る、所
謂ＭＩＭ法(Metal InjectionMolding)が提案されてい
る。このＭＩＭ法は焼結後95〜99％の密度の製品を得る
ことができるものの、脱脂処理に時間がかかり、また一
定厚さ以上の脱脂しかできないため成形できる製品の寸
法にも限界がある。 【０００４】このような問題を克服する手法として、中
川、高橋らによる、金属あるいはセラミックスの粉末
を、ポリビニルアルコール水溶液と混練し、そのまま任
意の形状に鋳込んで凍結させ、凍結乾燥法（フリーズド
ライ法）により凍結したまま乾燥させる方法（「粉体お
よび粉末冶金」、第34巻第9号）や水を主成分としたバイ
ンダー樹脂と粉体のコンパウンドを冷却した金型中に射
出成形して凍結し、フリーズドライ、焼結をおこなうQu
icksetと呼ばれる方法が提案されている（C.Quichaud：
The quickset process, Proceedings of PM'94,(1994)1
101-1104.）。しかし、これら二つの方法は従来のＭＩ
Ｍ法 に比較して大寸法或いは複雑な構造の製品の製造
が可能であるが、高価なフリーズドライ装置を必要とす
るといった致命的な欠点がある。 【０００５】更に、寒天の水溶液をバインダーとする方
法（たとえば特開平11-158505、平10-133058、平06-287
601）も提案されているが、この方法はバインダーの凝
固温度が従来のＭＩＭ用バインダーと近いため、取り扱
い易いが、生成するゲルが脆く成形体が壊れ易いため、
成形体を型から取り出す場合に困難を生じる。 【０００６】 【発明が解決しようとする課題】本発明は、意匠性の高
い造形品や小ロット品は勿論のこと、射出成形すること
によって大量生産が可能であり、大きな形状や構造の複
雑な物品例えば高密度の金属製機械部品等の造形物であ
っても高価なフリーズドライ装置を必要することなく簡
単な成形法で作製するための素材として有効な、スラリ
ー組成物を用いた実用的に有利な金属又はセラミックス
からなる造形品の製造方法を提供することを目的とす
る。 【０００７】 【課題を解決するための手段】本発明者は鋭意検討した
結果、金属粉末又はセラミックス粉末にゲル化機能を有
するポリビニルアルコール水溶液を混合したスラリー組
成物が上記課題に対して有効であることを見い出し本発
明を完成するに至った。すなわち、本発明によれば、
（１）分子量５０００〜５０００００、鹸化度９０％以
上の凍結によるゲル化能のあるポリビルニアルコールの
水溶液、（２）金属粉末又はセラミックス粉末、及び
（３）ポリアクリル酸及びポリアリルアミン、からなる
スラリー組成物を氷点下に冷却した型に射出成形して凍
結し、あるいは型に流し込んだ後、凍結してゲル化させ
てその形状を固定化し、ついで解凍し、しかる後、乾燥
・焼結させることを特徴とする金属又はセラミックスか
らなる造形品の製造方法が提供される。 【０００８】 【発明の実施の形態】以下、本発明を更に詳細に説明す
る。 【０００９】本発明の製造方法においては、（１）ポリ
ビニルアルコールとして、ゲル化能を有する、分子量５
０００〜５０００００好ましくは１００００以上で、鹸
化度９０％以上好ましくは９５％以上の、ポリビニルア
ルコールを用いる。上記範囲外の分子量及び鹸化度のポ
リビルニアルコールでは、ゲル化能がなくまたあって
も、あるいはゲル強度が弱いので、本発明の所期の効果
を達成することができない。また、その水溶液濃度は
０．５〜４０wt％好ましくは２〜２０wt％としておくの
が適当である。水溶液濃度が４０％を超えると粘度が極
めて高くなり、０．５％未満であるとゲル強度が弱くな
るので好ましくない。 【００１０】（２）の金属粉末としては、金、白金、パ
ラジウム、銀等の貴金属粉末やそれらの合金粉末、ニッ
ケル系合金合金、ステンレス鋼粉末、超硬合金粉末、工
具鋼、高速度鋼の他、水と接触させても急激に酸化しな
い金属粉末、などが挙げられる。また、（２）のセラミ
ックス粉末として、アルミナ、ジルコニア、ＰＺＴ、そ
の他のセラミックス粉末が挙げられる。金属粉末および
セラミックス粉末の粒径に特別な制限はなく、平均粒径
が１００μｍからサブミクロンの粉末が好ましく使用さ
れる。 【００１１】（１）のポリビニルアルコールと、（２）
の金属粉末又はセラミックス粉末との使用割合に特別な
制約はないが、容量比で（１）のポリビニルアルコー
ル：（２）の金属粉末又はセラミックス粉末＝１：４〜
５：１好ましくは：１：３〜３：１である。 【００１２】上記スラリー組成物は凍結することにより
ゲル化するが、更に（３）ポリアクリル酸及びポリアリ
ルアミンのゲル強化剤を添加すると、ゲルの品質が向上
すると共に造形品の強度の向上を図ることができる。ポ
リアクリル酸及びポリアリルアミンの添加分量は、ポリ
ビニールアルコールの分子量、水溶液濃度等を考慮する
ことにより適宜定められるが、通常ポリビニールアルコ
ール１００重量部に対して０．１〜１００重量部程度の
間で調製される。 【００１３】本発明のスラリー組成物は上記（１）ポリ
ビニルアルコール水溶液と（２）金属粉末又はセラミッ
クス粉末、更に（３）ポリアクリル酸及びポリアリルア
ミンの成分を含有するするものであるが、必要に応じて
この種のスラリー組成物に添加される慣用成分例えば界
面活性剤、可塑剤、油脂等を含有することもできる。 【００１４】本発明において原料として用いるスラリー
組成物を調製するには、例えば所定量の（１）のポリビ
ニルアルコール水溶液と（２）の金属粉末又はセラミッ
クス粉末との混合物を混練・脱泡し、スラリー（泥状）
化し、更に適宜量の（３）のポリアクリル酸及びポリア
リルアミンからなるゲル強化剤を添加し、更に必要に 応
じて、他の慣用成分を添加すればよい。 【００１５】（１）のポリビニルアルコール水溶液と
（２）の金属粉末又はセラミックス粉末を主成分とす
る、前記スラリー組成物は、凍結することにより品質の
高いゲル化物となるが、解凍後にもそのゲル化能が失わ
れず、造形品の形状保持機能に優れたものであるが、上
記成分に更に（３）のポリアクリル酸及びポリアリルア
ミンからなるゲル強化剤を添加した、本発明のスラリー
組成物は、ゲルの品質を高め、また造形品の強度を更に
向上することができる。 【００１６】従って、本発明のスラリー組成物を利用し
た造形品の製造方法は、従来法のように高価なフリーズ
ドライ装置を必要することなく、簡単な方法により、意
匠性の高い造形品や小ロット品は勿論のこと大きな形状
や構造の複雑な物品例えば高密度の金属製機械部品等の
造形品を製造することが可能となる。 【００１７】本発明において、具体的にその造形品を製
造するには、例えばつぎにようにすればよい。まず、上
記スラリー組成物を、氷点下に冷却した金型中へ射出成
形する方法や型に流し込み凍結させる方法（流動性が不
十分な場合は真空鋳形、あるいは遠心力鋳形等の手法に
より型に流し込む手段を併用する方法）により凍結して
成形体の形状を固定化させる。ついで成形体を型から取
り出し、凍結状態のまま例えば１２時間以上保持する。
こうすることによって、ポリビニルアルコール成分はゲ
ル化し成形体は解凍しても形状を保持する。この成形体
を乾燥した雰囲気、あるいは加温した雰囲気に置く事に
よって乾燥させ、その後、粉体の材質に応じた温度、雰
囲気で焼結すれば、所望の形状を有する造形品が得られ
る。 【００１８】なお、本発明方法によって、凍結、解凍す
ることによって得られる成形体は、ポリビニルアルコー
ル水溶液濃度、該水溶液と金属粉末等の混合割合によっ
て、ゴム、あるいは蒟蒻のように変形する。このため、
解凍後、必要に応じて所望の形状に修正して乾燥させれ
ばその形状がセットされ、そのまま焼結することによっ
て修正された形状の造形品を簡単に作ることもできる。 【００１９】また、あらかじめ、糸、ひも、条、板、シ
ート状の成形体を凍結・解凍により作製し、その成形体
に形状を与えたり張り合わせたまま乾燥し、焼結するこ
とによって、金属、セラミックス性の多様な形状の造形
品の成形も可能となる。 【００２０】更に、本発明のスラリー組成物は氷点下の
雰囲気、あるいは氷点下に冷却した熱伝導率の高い基盤
上に吐出すると直ちに凍結する。特に金属粉末を含む本
発明のスラリー組成物は熱伝導に優れているので、この
ものを積層しながら吐出していっても容易に凍結するの
で、特願平１０−３２６５４２号等に記載の積層法によ
るラピッドプロトタイピング（ＦＤＭ）と同様に凍結し
たスラリーを所望の形状の成形が可能であり、この成形
体をゲル化後、解凍、乾燥、焼結を行うことにより金
属、セラミックスのラピッドプロトタイピングが実現す
る。 【００２１】 【実施例】以下、本発明を実施例により更に詳細に説明
する。 【００２２】参考例１ 金属粉末として、平均粒径６．３μｍのＳＵＳ３０４Ｌ
ステンレス粉（太平洋金属株式会社）を用いた。平均分
子量１０００００、鹸化度９９％のポリビニルアルコー
ルの５％水溶液とこのステンレス粉を体積比６：４で混
合しスラリー組成物とした。このスラリー組成物をシリ
コンゴムによる鋳型に流し込み、そのまま家庭用冷蔵庫
冷凍室（−１０℃）で凍結し、２４時間保持した。解凍
後、成形体はゲル化しており、ゴムの様に弾性変形する
が形状は保持されていた。この成形体を６０℃に保持さ
れた高温槽で乾燥した。乾燥した成形体はきわめて強固
であり、成形過程の取り扱い程度では壊れることはなか
った。この成形体を水素雰囲気、１３５０℃の温度で２
時間焼結することにより焼結品（造形品）を得た。この
焼結品（造形品）の密度は溶製材の９６％まで達する極
めて高密度なものであった。 【００２３】参考例２ 参考例のスラリー組成物を注射器により押し出し、凍結
し、２４時間保持して紐状の成形体を作製した。この紐
状の成形体を解凍して、コイル状に巻き、ついで乾燥す
るとその形状がそのまま保持された。さらに水素雰囲
気、１３５０℃の温度で焼結することにより当該形状の
焼結品（造形品）が得られた。 【００２４】実施例１ 参考例１のスラリー組成物に、更に、ポリビニール水溶
液１００ｇに対してポリアクリル酸を０．５ｇ及びポリ
アリルアミンを０．５ｇ添加した以外は参考例１と同様
にして実施例３のゲル化した焼結品（造形品）をそれぞ
れ得た。ここでのゲル化した成形体の強度は参考例１の
ものに比較して優れていた。 【００２５】 【発明の効果】（１）のポリビニルアルコール水溶液と
（２）の金属粉末又はセラミックス粉末、からなるスラ
リー組成物は、凍結することにより品質の高いゲル化物
となるが、解凍後にもそのゲル化能が失われず、成形体
の形状保持機能に優れたものであるが、上記成分に更に
（３）のポリアクリル酸及びポリアリルアミンからなる
ゲル化強化剤を添加した、本発明の金属又はセラミック
ス造形用スラリー組成物は、そのゲル化物の品質を高め
ることができると共に成形体の強度を更に向上すること
ができる。従って、これらの前駆組成物を利用する本発
明の造形品の製造方法によれば、従来法のような高価な
フリーズドライ装置を必要することなく、簡単な方法に
より、意匠性の高い造形品や小ロット品は勿論のこと大
きな形状や構造の複雑な物品例えば高密度の金属製機械
部品等の造形物を製造することが可能となる。また、本
発明の造形品の製造方法によれば、超硬材料のような難
加工性材料から貴金属、セラミックスを含む幅広い材料
を従来の機械加工や鋳造では不可能な形状に、簡便な手
法で成形することが可能となる。更に、本発明の造形品
の製造方法は、シリコンゴム型等のその制作、転写の容
易な型を用いることができるため、意匠性の高い製品の
成形、あるい小ロットの製品の成形に最適と考えられ
る。さらに、射出成型機による成形を行えば大量生産へ
の対応も可能である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｃ０８Ｋ 3/00 Ｃ０８Ｋ 3/08 3/08 Ｃ０８Ｌ 33/02 Ｃ０８Ｌ 33/02 39/00 39/00 Ｂ２９Ｋ 29:00 // Ｂ２９Ｋ 29:00 Ｃ０４Ｂ 35/00 Ｄ (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C08L 29/04 C04B 35/00 - 35/22 C04B 35/622 - 35/638 C08K 3/00 - 3/08 B22F 3/02 ＣＡ（ＳＴＮ)

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】（１）分子量５０００〜５０００００、鹸
   化度９０％の凍結によるゲル化能のあるポリビルニアル
   コールの水溶液、（２）金属粉末又はセラミックス粉
   末、及び（３）ポリアクリル酸及びポリアリルアミン、
   からなるスラリー組成物を氷点下に冷却した型に射出成
   形して凍結し、あるいは型に鋳込んだ後、凍結保持して
   ゲル化させることによってその形状を固定化し、ついで
   解凍し、しかる後、乾燥・焼結させることを特徴とする
   金属又はセラミックスからなる造形品の製造方法。