JP3759417B2 - 選択レーザー焼結によって製作される３次元形状物に用いるポリスチレン粉末 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、選択レーザー焼結によって製作される３次元形状物に用いるポリスチレン粉末に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
複雑な形状を持つ構造用金属部品を必要とする産業分野においては、精密鋳造品を多く使用している。そして精密鋳造プロセスにおいては、消失性の高い転写模型が必要である。この転写模型を製造する方法として従来、３次元積層造形技術、いわゆるラピッドプロトタイピング技術を利用することにより、ポンプハイドロ部品などの複雑な形状を３次元ＣＡＤデータより直接造形してこれを精密鋳造品の消失模型としてそのまま利用するという方法が行なわれている。造形材料としてはポリスチレン、エポキシ樹脂、アクリル樹脂などの消失性の材料が用いられる。
【０００３】
具体的には図３に示すように、選択レーザー焼結装置を用いた光造形法によって製作される。即ち同図に示すように選択レーザー焼結装置１３０のチャンバー１３２内に粒子状の素材を供給して、例えば０．１ｍｍの厚さｈの粒子層１３４を形成する。そして炭酸ガスレーザー発生装置等のレーザー光源１３６からのレーザー光をミラー１３８を介して粒子層１３４に照射し、このレーザー光が照射された部分に位置する粒子を選択的に溶融硬化（焼結）させ、一層分の薄片１４０を形成する。以下この工程を繰り返して薄片１４０を順次積層し、所定の形状を形成する。レーザー光の照射パターンは、作製すべき形状を予め記憶した記憶部を有する制御装置によって制御される。この方法によって予め種々の方法で入力されたデータに基づき、複雑な形状が付与された構造体が精密に作製できる。
【０００４】
しかしながら現在市販されている選択レーザー焼結装置用の粒子状の素材として用いられるポリスチレン粉末には、以下のような問題点があった。
▲１▼従来のポリスチレン粉末１００は、図４に示すように塊状で不規則形状であり、このためこのポリスチレン粉末１００を図３に示すような粒子層１３４となるように引き伸ばす際の流動性が悪く、焼結体（３次元形状物）の精密度の向上が図れず、また選択レーザー焼結後の焼結体の充填密度にバラツキを生じていた。
【０００５】
充填密度のバラツキは、焼結後のプロセスで、焼結体の消失性向上と強度強化のために焼結体表面にある微細な孔をワックスで封孔するワックス含浸工程において、ワックス充填深さのバラツキを生じてしまう。ワックス充填深さにバラツキが生じると、焼結体をワックスに浸漬しただけで浮力のバラツキによって焼結体にわれが生じる恐れがある。またこの工程以後の工程である、前記焼結体の外周面にシェルを付けた上で焼結体を高温で消失させる脱ロープロセス（オートクレーブ）時に焼結体の各部の消失温度にバラツキが出てシェル割れや歪の発生原因ともなってしまう。
【０００６】
▲２▼従来のポリスチレン粉末の中には、例えばその平均粒子径を２０〜５０μとしているものがある。しかしながら通常実生産レベルで使用している粒子層１３４の厚み（積層ピッチ）は０．１ｍｍ〜０．３ｍｍ程度なので、図５に示すようにポリスチレン粉末１００の平均粒子径２０〜５０μに対してその厚みが厚すぎ、粒子層１３４形成時にこれを押圧する圧紛プロセスにおいて表層のみが圧紛されて厚み方向の紛体密度が変化し易い。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述の点に鑑みてなされたものでありその目的は、流動性が良く、選択レーザー焼結による焼結体の充填密度を均一で緻密にすることができる、選択レーザー焼結によって製作される３次元形状物に用いるポリスチレン粉末を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するため本発明は、選択レーザー焼結によって製作され且つ精密鋳造用の消失模型となる３次元形状物に用いるポリスチレン粉末において、前記ポリスチレン粉末は球状であり、且つこのポリスチレン粉末には、発泡成分を０．２〜３．０重量％添加していることを特徴とする。
【０００９】
また本発明は、前記ポリスチレン粉末が、７５μを中心粒径として５０μより大きく１００μより小さい粒度分布を有することを特徴とする。
【００１０】
また本発明は、前記ポリスチレン粉末の真球度が、９０％以上であることを特徴とする。
【００１１】
また本発明は、前記ポリスチレン粉末が、選択レーザー焼結によって製作され且つその表面をワックスで封孔する精密鋳造用の消失模型となる３次元形状物に用いるポリスチレン粉末であることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明にかかるポリスチレン粉末（ポリスチレン原料粉末）１を拡大して示す図である。同図に示すようにこのポリスチレン粉末１は、何れも球状に形成されている。そしてその粒径は、７５μを中心粒径として５０μより大きく１００μより小さい粒度分布を有するように構成されている。さらに前記ポリスチレン粉末１はその真球度が９０％以上となるように形成されている。ここで中心粒径とは、正規分布となるポリスチレン粉末１の粒径の中心の粒径をいう。また真球度とは、一つの粉末の球の最小直径と最大直径の比の百分率〔＝（最小直径／最大直径）×１００〕のことを言う。
【００１４】
ここでポリスチレン粉末１を球状にする方法として、懸濁重合法が用いられている。即ちポリスチレンはスチレンを重合して生成されるが、その重合方法として、適当な懸濁安定剤を用いてモノマーを水中に懸濁分散させ、モノマー可溶性触媒で重合させる方法である。この方法を用いれば、生成されたポリスチレン粉末１を真球度９０％以上の球状に生成することが容易に行なえる。
【００１５】
このようにポリスチレン粉末１を球状に形成すれば、このポリスチレン粉末１を粒子層１３４（図３参照）となるように引き伸ばす際の流動性が良くなり、選択レーザー焼結後の焼結体のポリスチレンの充填密度を均一で緻密にすることができる。焼結体の充填密度の均一化が図れると、焼結体成形後のワックス含浸工程においてワックス充填深さを均一にでき、焼結体をワックスに浸漬しても焼結体にわれが生じることはなくなる。またこの工程以後の工程である、脱ロープロセス（オートクレーブ）時に焼結体の各部の消失温度を均一にできシェル割れや歪の発生を防止できる。
【００１６】
一方ポリスチレン粉末の中心粒径を７５μとしたが、通常実生産レベルで使用している粒子層１３４（図３参照）の厚み（積層ピッチ）は０．１ｍｍ〜０．３ｍｍ程度なので、図２に示すように粒子層１３４の１層当りの厚み方向の粒子の数が１〜４粒子程度となって少なく、このため粒子層１３４を押圧する圧紛プロセスにおいて厚み方向の紛体密度の均一化が図れ、均一な積層が可能になる。従って充填密度の均一化が図れる。
【００１７】
またポリスチレン粉末１の中心粒径を７５μと大きくしたことで粒子１間の各部の隙間３を略均一で大きく取れ、これによって選択レーザー焼結後の焼結体表面の微細な孔を略均一で大きく取れ、ワックスを含浸させやすくすることもできた。
【００１８】
ところで前記選択レーザー焼結の原料となるポリスチレン粉末１には、発泡成分（例えばブタン、ペンタン、ヘキサン）を０．２〜３．０重量％添加することが好ましい。ポリスチレン粉末１に発泡成分を添加したものを選択レーザー焼結すると、発泡成分が発泡する際にポリスチレン粉末１が押されて粉末同士が接触し易くなり、これによって粒子間の密着性が高められて溶着が促され、これによって焼結体のもろさが改善されて強度が増す。なお添加する発泡成分は０．２〜３．０重量％であり、通常体積膨張させるために添加する発泡成分よりも少ない微少混入なので、選択レーザー焼結によって焼結体が体積膨張することはほとんどない。
【００１９】
以上本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。なお直接明細書及び図面に記載がない何れの形状や構造や材質であっても、本願発明の作用・効果を奏する以上、本願発明の技術的思想の範囲内である。
【００２０】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように本発明によれば以下のような優れた効果を有する。▲１▼選択レーザー焼結によって製作され且つ精密鋳造用の消失模型となる３次元形状物に用いるポリスチレン粉末を球状にしたので、ポリスチレン粉末を層状に薄く引き伸ばす際の流動性が良くなり、また選択レーザー焼結後の焼結体（３次元形状物）の充填密度の均一化・緻密化が図れる。このため焼結体表面へのワックス含浸工程（ワックスでの表面封孔処理）において、均一なワックス含有層を形成することが可能になる。そしてこれらのことから健全で寸法精度の高い精密鋳造用の焼結体が製造でき、セラミックシェルへの転写が高精度に行なえる。特にポリスチレン粉末の真球度を９０％以上にするとその効果が大きい。
【００２１】
▲２▼ポリスチレン粉末を７５μを中心粒径として５０μより大きく１００μより小さい粒度分布を有するように構成したが、通常選択レーザー焼結装置において実生産レベルで使用している粒子層の厚み（積層ピッチ）は０．１ｍｍ〜０．３ｍｍなので、粒子層の厚みに対してポリスチレン粉末が大きく、従ってポリスチレン粉末の厚み方向の紛体密度の均一化が図れ、均一な積層が可能になる。
【００２２】
▲３▼ポリスチレン粉末に発泡成分を０．２〜３．０重量％（即ち体積膨張しない程度の微少量）添加したものを選択レーザー焼結したので、粒子間の密着性が高められ、焼結体の強度が増し、現場における作業性（ハンドリング）が改善される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるポリスチレン粉末（ポリスチレン原料粉末）１を拡大して示す図である。
【図２】本発明にかかるポリスチレン粉末１を用いた粒子層１３４を示す拡大断面図である。
【図３】選択レーザー焼結装置の概略構造図である。
【図４】従来のポリスチレン粉末１００を拡大して示す図である。
【図５】従来のポリスチレン粉末１００を用いた粒子層１３４を示す拡大断面図である。
【符号の説明】
１ ポリスチレン粉末
１３０ 選択レーザー焼結装置

Claims (4)

1. 選択レーザー焼結によって製作され且つ精密鋳造用の消失模型となる３次元形状物に用いるポリスチレン粉末において、
   前記ポリスチレン粉末は球状であり、且つこのポリスチレン粉末には、発泡成分を０．２〜３．０重量％添加していることを特徴とする選択レーザー焼結によって製作される３次元形状物に用いるポリスチレン粉末。
2. 前記ポリスチレン粉末は、７５μを中心粒径として５０μより大きく１００μより小さい粒度分布を有することを特徴とする請求項１記載の選択レーザー焼結によって製作される３次元形状物に用いるポリスチレン粉末。
3. 前記ポリスチレン粉末の真球度は、９０％以上であることを特徴とする請求項１又は２記載の選択レーザー焼結によって製作される３次元形状物に用いるポリスチレン粉末。
4. 前記ポリスチレン粉末は、選択レーザー焼結によって製作され且つその表面をワックスで封孔する精密鋳造用の消失模型となる３次元形状物に用いるポリスチレン粉末であることを特徴とする請求項１又は２又は３記載の選択レーザー焼結によって製作される３次元形状物に用いるポリスチレン粉末。

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