JP4861719B2 - 焼結・成形用無機有機結合粉末及びポンプ部品及びポンプ装置 - Google Patents

Description

本発明は、焼結・成形に用いて好適な無機有機結合粉末及びこの粉末を用いて成形したポンプ部品及びポンプ装置に関するものである。

従来、選択レーザー焼結装置（ＳＬＳ）によって成形物を焼成・成形することが行なわれている。即ち例えば図３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、無機化合物よりなる球状或いは塊状の粉末からなる骨材に機械的粉砕法で製作した熱可塑性の有機材料の粉末を混合してなる粉末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発生装置等のレーザ光源１３６からのレーザ光をミラー１３８を介して粒子層１３４に照射し、このレーザ光が照射された部分に位置する前記有機材料を選択的に溶融硬化（焼結）し、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、所定の形状を成形していく。つまり有機材料を骨材のバインダーとして使用することで積層法にて３次元成形物を製作していた。

以上のようにして成形された成形物は多孔質体であり、そのまま構造物として用いる場合もあり、或いはこの多孔質体からなる成形物にウレタン樹脂やエポキシ樹脂等を含浸して固めて用いる場合もあり、或いはこの多孔質体からなる成形物にエチルシリケートを含浸して焼成２次処理を行なうことで前記有機材料とエチルシリケートを無機物化して構造物や精密鋳造用鋳型材料として用いる場合もあり、何れの場合もその用途に応じた物性が要求される。

例えばポンプの羽根車やケーシング等の構造物の場合は、強度、剛性或いは靭性のようなものが必要で、通常、ＳｉＯ₂やＡｌ₂Ｏ₃等の骨材にポリアミドのような有機材料を組み合わせて使用する。また鋳型材料の場合は、粘結材料として使用する有機材料の含有量は、耐熱材料の耐火度を低下させないため極力少なくしなければならない。

しかしながら上記従来例においては、以下のような問題点があった。
（１）骨材に比べ、有機材料が少ない場合は、十分な混合が難しく、十分な強度が得られなかった。

（２）骨材に比べ、有機材料の割合を多くしないと、結合材料として機能しなかった。

（３）骨材に比べ、有機材料が多い場合は、混合した粉末状の骨材と粉末状の有機材料の中で有機材料の多い部分と少ない部分が生じ、有機材料の多い部分において焼結後に十分な剛性が得られなかった。

（４）レーザーによる造形過程で、レーザーを当てた焼結部分のみが熱膨張して熱膨張しない部分を押すことによって焼結部分（薄片１４０）が変形するのを防止するため、粒子層１３４全体を予め加熱（燒結する温度よりも少し低い温度、例えばレーザによる焼結温度が１８７℃の場合に、１７０℃程度）しておくが、機械的粉砕法で作成した有機材料の粉砕粉と骨材を混合したものには前述のように有機材料の多い部分と少ない部分が生じているので、前記加熱によって有機材料の多い部分における隣接する有機材料同士がくっつき易くなっており、このためレーザーの出力が大きくなるとレーザー照射範囲近くのレーザーを照射していない部分の有機材料の多い部分が凝集してレーザーによって焼結しようとする部分にくっついて目的の焼結形状（レーザーを当てた部分の形状）よりも太った構造物になってしまういわゆるグロス欠陥が発生する恐れがあった。

（５）レーザーによる造形過程で、レーザーを当てなかった部分（非焼結部分）は粉末状のままなので粒子層形成用に再使用される。しかしながら前述のように粒子層１３４はその全体が予め焼結温度に近い温度に加熱されているので、有機材料の多い部分においては隣接する有機材料同士がくっついて成長し、成長した有機材料表面の接触面積がくっつく前の複数の有機材料の接触面積よりも減少し、このため再使用に際して焼成するのに必要な温度が高くなり、レーザーパワーを大きくしなければならなくなっていた。

（６）有機材料を機械的粉砕法で粉砕するので、必要とされる範囲の粒径以外の粒径のものが多くなり、特に熱可塑性材料等の軟らかい材料の場合はこの問題が大きくなり、焼結・成形用粉末としての回収率が悪かった。
特開２００４−９００４６号公報

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、少ない有機材料で骨材相互の結合力を強く出来て十分な強度・剛性が得られ、グロス欠陥も発生しにくい焼結・成形用無機有機結合粉末及びポンプ部品及びポンプ装置を提供することにある。

本願請求項１に記載の発明は、無機化合物よりなる球状或いは塊状の粉末からなる骨材に、溶剤可溶性の熱可塑性有機材料を、混合比率を、重量％で、骨材を５０％以上９５％以下、熱可塑性有機材料を５％以上５０％以下としてコーティングした選択レーザー焼結に用いることを特徴とする焼結・成形用無機有機結合粉末にある。これによって少ない有機材料で粉末相互の結合が容易に行えるようになる。また、骨材と熱可塑性有機材料の混合比率を、その用途に求められる物性に応じて、重量％で、（骨材）：（熱可塑性有機材料）＝９５：５〜５０：５０としたことを特徴とする請求項１に記載の選択レーザー焼結に用いる焼結・成形用無機有機結合粉末にある。熱可塑性有機材料は骨材のバインダーとして使用しているが、熱可塑性有機材料を骨材９５に対して５以上としたのは、この焼結・成形用無機有機結合粉末を選択レーザー焼結により成形できる限界の量が１％であるから、余裕をみて５以上とした。また、熱可塑性有機材料を骨材５０に対して５０以下としたのは、骨材と骨材の間にバインダーである熱可塑性有機材料が埋められるのであるが、この熱可塑性有機材料の混合比率が骨材同士が互いに接する限界の混合比率だからであり、強度を保つためである。もし骨材同士が互いに接しないとバインダーの強度になってしまい、強度が弱くなってしまう。

即ち図１に示すように骨材１の表面に薄く熱可塑性有機材料３をコーティングしておけば、骨材１表面の熱可塑性有機材料３同士が直接触れるので粉末相互の濡れ性が良く、焼成の際、少ない有機材料で、十分な結合強度が得られる。また上記従来例のように有機材料の粉末同士のみが結合することが無くなり、有機材料が結合するときは骨材も結合するので、有機材料の多い部分と少ない部分が生じずに均一化され、十分な剛性が得られる。また同様に有機材料の多い部分と少ない部分が生じないので、レーザーを照射した部分の周囲の部分がレーザーを照射した焼結部分に結合して太った構造物になることはなく、グロス欠陥が生じにくくなる。また同様に有機材料の多い部分と少ない部分が生じないので、レーザーによる造形過程で、粒子層全体の加熱の際に有機材料の多い部分において隣接する有機材料のみの粉末同士がくっついて成長することはなく、従ってこの粉末の再使用に際してレーザーパワーを大きくする必要もなくなる。

前記骨材表面への熱可塑性有機材料のコーティングには液体粉砕法を用いることが好ましい。ここで液体粉砕法（ケミカル粉砕法）とは、前記熱可塑性有機材料を溶剤で溶かし、これに骨材を入れて加圧・加温しながら攪拌することで、溶剤を蒸発させ、これによって骨材表面に熱可塑性有機材料が核生成した粉末を得る製造方法のことである。この方法によれば、例え軟らかい熱可塑性有機材料であっても、これを容易に骨材表面に薄くコーティングすることが可能になる。

前記液体粉砕法による骨材表面への熱可塑性有機材料のコーティングの際、図１に示すように一粒一粒の骨材１表面に独立に熱可塑性有機材料３のコーティングをしていくのではなく、図２に示すように複数個の骨材１を一つの有機材料のブロック３−１内部に取り込むようにしても良い。このようにしてもブロック３−１表面全体を同材の有機材料とすることができるので、粉末相互の濡れ性は良好のままで、結合力が低下することはない。

前記焼結・成形用無機有機結合粉末を焼成して成形する成形品は製品（構造物）でも鋳造用の鋳型でも良く、その利用分野は多岐にわたる。

本願請求項２に記載の発明は、前記無機化合物は、酸化物又は炭化物又は窒化物によって構成され且つその粒径を１０〜１５０μｍとし、さらに熱可塑性有機材料をコーティングした焼結・成形用無機有機結合粉末の粒径を２０〜２００μｍとした選択レーザー焼結に用いることを特徴とする請求項１に記載の焼結・成形用無機有機結合粉末にある。焼結・成形用無機有機結合粉末の粒径を２０μｍ以上にするのは、それ以下にすると前記図３に示す選択レーザー焼結装置１３０において粒子層１３４を設けた際に、選択レーザー焼結装置１３０内は窒素パージしているので窒素ガスの流れによって粒子層１３４を構成する粉末が舞い上がり易くなってフィルターを詰まらせる恐れがあるからである。また焼結・成形用無機有機結合粉末の粒径を２００μｍ以下にするのは、それ以上にすると焼結・成形用無機有機結合粉末の寸法精度が悪くなるからである。

前記酸化物としてはＳｉＯ₂，Ａｌ₂Ｏ₃，Ｚｒ₂Ｏ₃等が好ましく、炭化物としてはＳｉＣ，ＴｉＣ等が好ましく、窒化物としてはＳｉ₃Ｎ₄等が好ましい。

前記熱可塑性有機材料としては、ＡＢＳ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリスチレン樹脂、アクリル樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、又はポリカーボネ−ト（ＰＣ）等であることが好ましい。

本願請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の焼結・成形用無機有機結合粉末を選択レーザー焼結により焼成することで成形してなることを特徴とするポンプ部品にある。

本願請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のポンプ部品を用いて構成されることを特徴とするポンプ装置にある。

本願請求項１に記載の発明によれば、少ない有機材料であっても骨材相互の結合力を強く出来て十分な強度・剛性が得られ、安定した物性の造形物を形成できる。また選択レーザー焼結による造形過程で、グロス欠陥が生じにくくなる。また選択レーザー焼結による造形過程でレーザーを当てなかった非焼結部分の粉末の再使用に際してレーザーパワーを大きくする必要もなくなる。また選択レーザー焼結装置用粉末として必要とされる粒径のものが容易に得られてその回収率が良く、安価に選択レーザー焼結装置用粉末が得られる。また、焼結・成形用無機有機結合粉末を焼成して成形する成形品の用途に応じて必要とされる物性が得られる。

本願請求項２に記載の発明によれば、選択レーザー焼結装置の選択レーザー焼結による造形を、容易且つ精度よく行うことができる。

本願請求項３に記載の発明によれば、本発明にかかる選択レーザー焼結に用いる焼結・成形用無機有機結合粉末を用いて、羽根車やケーシング等の各種ポンプ部品を構成できる。

本願請求項４に記載の発明によれば、請求項３に記載の部品を用いてポンプ装置を構成できる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。
〔実施形態１〕骨材としてＳｉＯ₂を使用し、熱可塑性有機材料としてポリアミドを使用して構造物用粉末を作成した例
（１）原料構成
ＳｉＯ₂粉末…粒径範囲：３０〜１００μｍ、形状：球形、混合割合：５０重量％
ポリアミド（ナイロン２２）…混合割合：５０重量％
（２）製造方法
ポリアミドを芳香族系溶剤に溶解し、ＳｉＯ₂粉末を加えてオートクレーブ（加熱・加圧釜）中で加熱・加圧しながら攪拌し、溶剤を蒸発させ実施形態１にかかる粉末を得た。
（３）粉末粒径範囲：５０〜１５０μｍ
（４）実施形態１にかかる粉末を用いた成形品の特性
前記粉末を用いて選択レーザー焼結装置によって構造物（ＪＩＳ試験に使用する、縦×横×高さ＝５５ｍｍ×１０ｍｍ×５ｍｍの直方体形状の構造物）を製造し、その引っ張り強さ試験と伸び（靭性）試験とを行なった。その結果を以下に示す。
引っ張り強さ：６０ＭＰａ
伸び（靭性）：５％

〔比較例１〕骨材としてＳｉＯ₂を使用し、熱可塑性有機材料としてポリアミドを使用して構造物用粉末を作成した例
（１）原料構成
ＳｉＯ₂粉末…粒径範囲：３０〜１００μｍ、形状：球形、混合割合：５０重量％
ポリアミド（ナイロン２２）…混合割合：５０重量％
（２）製造方法
ポリアミドを機械的粉砕法によって粉砕したものをＳｉＯ₂の粉末に混合することで比較例１にかかる粉末を得た。
（３）比較例１にかかる粉末を用いた成形品の特性
前記粉末を用いて選択レーザー焼結装置によって構造物（ＪＩＳ試験に使用する上記寸法と同一寸法の直方体形状の構造物）を製造し、その引っ張り強さ試験と伸び（靭性）試験とを行なった。その結果を以下に示す。
引っ張り強さ：５０ＭＰａ
伸び（靭性）：２％

上記実施形態１と比較例１からわかるように、実施形態１にかかる粉末を用いて製造した構造物の方が、比較例１にかかる粉末を用いて製造した構造物よりもその強度及び靭性の何れにおいても優れることが分かった。従ってポンプの羽根車やケーシング等の各種構造物に用いて好適である。

〔実施形態２〕骨材としてＺｒ₂Ｏ₃を使用し、熱可塑性有機材料としてシリコーン樹脂を使用して鋳型材料用の粉末を作成した例
（１）原料構成
Ｚｒ₂Ｏ₃粉末…粒径範囲：３０〜１００μｍ、形状：球形、混合割合：９５重量％
シリコーン樹脂…混合割合：５重量％
（２）製造方法
シリコーン樹脂ワニスをＭＥＫ（メチルエチルケトン）に溶解し、Ｚｒ₂Ｏ₃粉末を加えてオートクレーブ中で加熱・加圧しながら攪拌し、溶剤を蒸発させ実施形態２にかかる粉末を得た。
（３）粉末粒径範囲：５０〜１５０μｍ
（４）実施形態２にかかる粉末を用いた成形品の特性
前記粉末を用いて選択レーザー焼結装置によって構造物（ＪＩＳ試験に使用する上記寸法と同一寸法の直方体形状の構造物）を製造し、圧縮強さ試験を行なった。その結果を以下に示す。
圧縮強さ：６０ｋｇ／ｃｍ²

〔比較例２〕骨材としてＺｒ₂Ｏ₃を使用し、熱可塑性有機材料としてシリコーン樹脂を使用して鋳型材料用の粉末を作成した例
（１）原料構成
Ｚｒ₂Ｏ₃粉末…粒径範囲：３０〜１００μｍ、形状：球形、混合割合：９５重量％
シリコーン樹脂…混合割合：５重量％
（２）製造方法
シリコーン樹脂を機械的粉砕法によって粉砕したものをＺｒ₂Ｏ₃の粉末に混合することで比較例２にかかる粉末を得た。
（３）比較例２にかかる粉末を用いた成形品の特性
前記粉末を用いて選択レーザー焼結装置によって構造物（ＪＩＳ試験に使用する上記寸法と同一寸法の直方体形状の構造物）を製造し、圧縮強さ試験を行なった。その結果を以下に示す。
圧縮強さ：５０ｋｇ／ｃｍ²

上記実施形態２と比較例２からわかるように、実施形態２にかかる粉末を用いて製造した鋳型の方が、比較例２にかかる粉末を用いて製造した鋳型よりもその強度が優れることが分かった。

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。

骨材１の表面に熱可塑性有機材料３をコーティングした焼結・成形用無機有機結合粉末の拡大概略図である。 骨材１の表面に熱可塑性有機材料３−１をコーティングした焼結・成形用無機有機結合粉末の拡大概略図である。 選択レーザー焼結装置１３０を示す概略図である。

符号の説明

１ 骨材
３ 熱可塑性有機材料
３−１ 熱可塑性有機材料（ブロック）
１３０ 選択レーザ焼結装置
１３２ チャンバー
１３４ 粒子層
１３６ レーザ光源
１３８ ミラー
１４０ 薄片

Claims (4)

1. 無機化合物よりなる球状或いは塊状の粉末からなる骨材に、溶剤可溶性の熱可塑性有機材料を、混合比率を、重量％で、前記骨材を５０％以上９５％以下、前記熱可塑性有機材料を５％以上５０％以下としてコーティングした選択レーザー焼結に用いることを特徴とする焼結・成形用無機有機結合粉末。
2. 前記無機化合物は酸化物又は炭化物又は窒化物によって構成され且つその粒径を１０〜１５０μｍとし、さらに熱可塑性有機材料をコーティングした焼結・成形用無機有機結合粉末の粒径を２０〜２００μｍとした選択レーザー焼結に用いることを特徴とする請求項１に記載の焼結・成形用無機有機結合粉末。
3. 請求項１又は２に記載の焼結・成形用無機有機結合粉末を選択レーザー焼結により焼成することで成形してなることを特徴とするポンプ部品。
4. 請求項３に記載のポンプ部品を用いて構成されることを特徴とするポンプ装置。

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