JP6794100B2 - アルミニウム粒子群およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、アルミニウム粒子群およびその製造方法に関し、特に、粉末床溶融結合方式の３Ｄプリンタに用いられる造形物用原料粉末に適したアルミニウム粒子群およびその製造方法に関する。

金型を必要とせず多様な形状の成形が可能な加工技術として、３Ｄプリンタを用いた造形技術が注目されている。３Ｄプリンタにおいて、原料粉末として金属粉末を用いる場合、粉末床溶融結合方式が好適に利用される。粉末床溶融結合方式においては、造形物は次のようにして形成される。

まず、金属粉末が一定の厚みに敷き詰められる。次に、この積層体（パウダーベッド）に対し、レーザー光または電子線を局所的に照射する。これにより、照射対象となった原料粉末が溶融、焼結して、造形層が形成される。この造形層を幾層にも積層させることにより、所望の造形物が成形される。

上記のような造形方法において欠陥のない成形体を得るためには、適切な原料粉末を選択する必要がある。原料粉末の流動性、溶融時の濡れ性、強度、加工性等の各種特性が、積層体、造形層の形成に大きく作用し、ひいては造形物の完成度に寄与するためである。

たとえば、特許文献１には、ニッケル粉末と、銅粉末と、黒鉛粉末とからなる造形用の金属粉末が開示されている。特許文献１には、この金属粉末が溶融時に高い濡れ性を発揮することができるために、粉末床溶融結合方式における造形性を向上させることができ、かつ造形物におけるマイクロクラックの発生が低減される旨が記載されている。

特開２００４−２７７８７７号公報

しかし、特許文献１の金属粉末を用いて成形される造形物は、必ず炭素分を含むものとなるため、その実用には制限がある。また、特許文献１においては、濡れ性以外の特性の改善は示されていない。このため、３Ｄプリンタに用いられる造形物用原料粉末には、未だ多くの改善の余地が残されている。

本発明は、上記のような現状に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、粉末床溶融結合方式の３Ｄプリンタに用いられる造形物用原料粉末に適したアルミニウム粒子群およびその製造方法を提供することにある。

本発明の一態様に係るアルミニウム粒子群は、アルミニウム粒子からなるアルミニウム粒子群であって、走査型電子顕微鏡を用いてアルミニウム粒子群を観察したときの観察画像において、アルミニウム粒子群の平均円形度は０．７５以上であり、アルミニウム粒子群の平均粒径Ｄ₅₀は、１０μｍ以上１００μｍ未満であり、直径が５μｍ未満のアルミニウム粒子の数をＡとし、直径が１０μｍ以上のアルミニウム粒子の数をＢとし、サテライトを有さないアルミニウム粒子の数をＣとし、サテライトを有するアルミニウム粒子の数をＤとしたとき、Ａ×３≦Ｂを満たすとともに、Ｄ＜Ｃを満たす。

上記アルミニウム粒子群において、平均粒径Ｄ₅₀は、２０μｍ以上６０μｍ未満であることがより好ましい。

上記アルミニウム粒子群は、アルミニウム粒子群を、算術平均粗さＲaが０．３μｍ以上０．４μｍ以下の面上に盛り上げて、直径６．８ｍｍ、高さ３．４ｍｍの半球状の粒子集合体を形成し、面から１ミルの間隔を空けて配置されたドクターブレードを用いて、粒子集合体を一方向に引き伸ばした場合に、アルミニウム粒子群が引き伸ばされた距離が２０ｃｍ未満であることが好ましい。

上記アルミニウム粒子群の安息角は、４０°以下であることが好ましい。
上記アルミニウム粒子群は、粉末床溶融結合方式の３Ｄプリンタにおける造形物用原料粉末として好適に利用できる。

上記アルミニウム粒子群の製造方法であって、大気開放型のガスアトマイズ法により、アトマイズ粒子群を作製する工程と、乾式の空気分級により、アトマイズ粒子群から細粒を除去する工程と、目開き４０μｍ以上７５μｍ以下の篩を用いた篩分けにより、アトマイズ粒子群から粗粒を除去する工程と、をこの順に備える。

本発明のアルミニウム粒子群によれば、流動性に優れるため、粉末床溶融結合方式の３Ｄプリンタに用いられる造形物用原料粉末に適する。

観察画像の一例を示す図である。 図２（ａ）は、アルミニウム粒子群の流動性を確認する方法を説明する模式的な斜視図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）の断面図である。 図３（ａ）は、アルミニウム粒子群の流動性を確認する方法を説明する模式的な斜視図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）の断面図である。 図４（ａ）は、実施例１のアルミニウム粒子群の観察画像の一例であり、図４（ｂ）は図４（ａ）を二値化処理し、かつサテライトを有するアルミニウム粒子と判定されたアルミニウム粒子にハッチングを施した図である。 図５（ａ）は、実施例１のアルミニウム粒子群の観察画像の一例であり、図５（ｂ）は図５（ａ）を二値化処理し、かつサテライトを有するアルミニウム粒子と判定されたアルミニウム粒子にハッチングを施した図である。 図６（ａ）は、実施例１のアルミニウム粒子群の観察画像の一例であり、図６（ｂ）は図６（ａ）を二値化処理し、かつサテライトを有するアルミニウム粒子と判定されたアルミニウム粒子にハッチングを施した図である。 図７（ａ）は、実施例１のアルミニウム粒子群の観察画像の一例であり、図７（ｂ）は図７（ａ）を二値化処理し、かつサテライトを有するアルミニウム粒子と判定されたアルミニウム粒子にハッチングを施した図である。 図８（ａ）は、実施例１のアルミニウム粒子群の観察画像の一例であり、図８（ｂ）は図８（ａ）を二値化処理し、かつサテライトを有するアルミニウム粒子と判定されたアルミニウム粒子にハッチングを施した図である。 図９（ａ）は、実施例１のアルミニウム粒子群の観察画像の一例であり、図９（ｂ）は図９（ａ）を二値化処理し、かつサテライトを有するアルミニウム粒子と判定されたアルミニウム粒子にハッチングを施した図である。 図１０（ａ）は、比較例１のアルミニウム粒子群の観察画像の一例であり、図１０（ｂ）は図１０（ａ）を二値化処理し、かつサテライトを有するアルミニウム粒子と判定されたアルミニウム粒子にハッチングを施した図である。 図１１（ａ）は、比較例１のアルミニウム粒子群の観察画像の一例であり、図１１（ｂ）は図１１（ａ）を二値化処理し、かつサテライトを有するアルミニウム粒子と判定されたアルミニウム粒子にハッチングを施した図である。 図１２（ａ）は、比較例１のアルミニウム粒子群の観察画像の一例であり、図１２（ｂ）は図１２（ａ）を二値化処理し、かつサテライトを有するアルミニウム粒子と判定されたアルミニウム粒子にハッチングを施した図である。 図１３（ａ）は、比較例１のアルミニウム粒子群の観察画像の一例であり、図１３（ｂ）は図１３（ａ）を二値化処理し、かつサテライトを有するアルミニウム粒子と判定されたアルミニウム粒子にハッチングを施した図である。 図１４（ａ）は、比較例１のアルミニウム粒子群の観察画像の一例であり、図１４（ｂ）は図１４（ａ）を二値化処理し、かつサテライトを有するアルミニウム粒子と判定されたアルミニウム粒子にハッチングを施した図である。 図１５（ａ）は、比較例１のアルミニウム粒子群の観察画像の一例であり、図１５（ｂ）は図１５（ａ）を二値化処理し、かつサテライトを有するアルミニウム粒子と判定されたアルミニウム粒子にハッチングを施した図である。 実施例１および比較例１の各アルミニウム粒子群の敷き詰め試験の結果を示す図である。

以下、実施形態について説明する。なお、実施形態の説明に用いられる図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。

[アルミニウム粒子群]
本実施形態に係るアルミニウム粒子群は、アルミニウム粒子からなり、走査型電子顕微鏡を用いてアルミニウム粒子群を観察したときの観察画像において、アルミニウム粒子群の平均円形度は０．７５以上であり、直径が５μｍ未満のアルミニウム粒子の数をＡとし、直径が１０μｍ以上のアルミニウム粒子の数をＢとし、サテライトを有さないアルミニウム粒子の数をＣとし、サテライトを有するアルミニウム粒子の数をＤとしたとき、Ａ×３≦Ｂを満たすとともに、Ｄ＜Ｃを満たすことを特徴とする。

上記の「アルミニウム粒子」は、純度９９．７質量％以上のアルミニウム（いわゆる純アルミニウム）、またはアルミニウム（Ａｌ）を主成分とするアルミニウム合金からなる。アルミニウム合金としては、１０００〜８０００系のアルミニウム合金の他、これらのアルミニウム合金に対してＡｌ以外の他の元素が添加されたアルミニウム合金が挙げられる。好ましい他の元素としては、シリコン（Ｓｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、銅（Ｃｕ）が挙げられる。

アルミニウム合金におけるＡｌ以外の成分の各配合量は、アルミニウム合金１００質量％に対してそれぞれ１０質量％以下であることが好ましい。なかでも、Ｓｉの配合割合は、アルミニウム合金１００質量％に対して４０質量％以下であることが好ましく、Ｍｇの配合割合は１０質量％以下であることが好ましい。

アルミニウム粒子の成分、すなわち純アルミニウムであるか、合金であるか、合金である場合には、各成分の配合割合はどのような値であるかは、高周波誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）発光分光分析法により定量することができる。

上記の「観察画像」は、以下のようにして作製される。まず、１００個以上５００００個以下のアルミニウム粒子が、台座の表面に固定された観察用試料を作製する。台座の表面において、アルミニウム粒子は、互いに重ならないように分散されている。このような観察用試料は、たとえば、台座の表面に両面テープを配置し、露出する両面テープの面上にアルミニウム粒子を落下させ、余分なアルミニウム粒子をエアー等で除去することにより作製することができる。

次に、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて観察用試料を観察し、１つの視野中に１５個以下のアルミニウム粒子が含まれるように倍率を調整して、写真を撮像する。この写真が「観察画像」となる。写真は１つの観察用試料において少なくとも１０枚以上作製し、かつ各写真を繋ぐことにより、観察用試料の全体が観察されることとなる。

なお、１つの視野の縦および横の各大きさは、アルミニウム粒子群の平均粒径Ｄ₅₀（５０％粒子径）の４〜１２倍とする。たとえばアルミニウム粒子のＤ₅₀が５０μｍの場合、１つの視野の縦および横の各大きさは、２００〜６００μｍとなる。上記のＤ₅₀は、レーザー回折法により測定されたアルミニウム粒子群の体積累積粒度分布の結果から算出される。

上記のアルミニウム粒子群の「平均円形度」は、次のようにして算出される。
まず、１つの観察用試料から作製された１０枚以上の観察画像を用いて、１００個以上のアルミニウム粒子をランダムに抽出する。次に、画像解析処理により、抽出された各アルミニウム粒子の面積（μｍ²）と、周囲長（μｍ）とを測定する。測定された各面積および各周囲長の値を、{円形度＝４×π×（面積）／（周囲長）²}の計算式に代入して、１００個以上の各アルミニウム粒子の円形度を算出し、その平均値を「平均円形度」とする。

上記の「直径が５μｍ未満のアルミニウム粒子の数」および「直径が１０μｍ以上のアルミニウム粒子の数」であるＡおよびＢは、次のようにして算出される。

まず、上記において抽出された１００個以上のアルミニウム粒子の各面積の値から、各粒子の円相当径（Ｈｅｙｗｏｏｄ径）を算出する。そして、上記アルミニウム粒子のうち、円相当径が５μｍ未満の数を「直径が５μｍ未満のアルミニウム粒子の数」とし、円相当径が１０μｍ以上の数を「直径が１０μｍ以上のアルミニウム粒子の数」とする。

上記の「サテライトを有さないアルミニウム粒子の数」および「サテライトを有するアルミニウム粒子の数」であるＣおよびＤは、次のようにして決定される。

まず、上記において抽出された１００個以上のアルミニウム粒子の外観を観察画像にて確認する。そして、観察画像において、明確に「１つの粒子からなる」と目視される粒子を「サテライトを有さないアルミニウム粒子」とする。一方、２つ以上の粒子が重なって、または連なってなる粒塊、換言すれば、観察画像において「外郭が連なるように目視される複数のアルミニウム粒子からなる粒塊」は、１つの「サテライトを有するアルミニウム粒子」とみなす。

「サテライトを有さないアルミニウム粒子」を「サテライトを有するアルミニウム粒子」の上記の区別について、図１を用いてさらに詳しく説明する。

図１は、１つの視野からなる観察画像の一例を示す図である。図１に示される観察画像において、Ｘ₁、Ｙ₁〜Ｙ₉、Ｚ₁〜Ｚ₄の符号で示される１４個のアルミニウム粒子が観察される。図１から分かるように、上記の条件で作製される観察画像においては、実際には個別のアルミニウム粒子同士が重なって、あたかも１つの粒塊を形成しているように見えてしまう可能性が十分に低減されている。換言すれば、このような観察画像となるように、観察倍率を調整する。

図１を参照し、Ｘ₁は、２つ以上の粒子が重なっておらず、かつ連なっておらず、明確に１つの粒子からなると認識されるため、「サテライトを有さないアルミニウム粒子」とみなす。一方、Ｙ₁〜Ｙ₉は、２つ以上の粒子が重なっており、または連なっており、かつ該２つ以上の粒子の外郭が連なっているように認識されるため、「サテライトを有するアルミニウム粒子」とみなす。図１から分かるように、この両者は、観察画像を目視することによって容易に区別される。

ここで、２つ以上のアルミニウム粒子からなる粒塊であると判定され、「サテライトを有するアルミニウム粒子」とみなされたアルミニウム粒子であっても、単に２つ以上のアルミニウム粒子が重なって／連なって見えているに過ぎない可能性は残っている。しかし、本明細書においては、このような場合についても、「サテライトを有するアルミニウム粒子」とみなす。

なお、図１のＺ₁〜Ｚ₄は、観察画像において個体の全体像が確認できないため、１つの視野中に１５個以下のアルミニウム粒子が含まれるようにする際の数には含まれるものの、ランダム抽出の対象とはならない。

本実施形態のアルミニウム粒子群は、アルミニウム粒子群の平均円形度が０．７５以上であり、上記Ａ〜Ｄに関し、Ａ×３≦Ｂを満たすとともに、Ｄ＜Ｃを満たすことにより、流動性に優れることができる。

ここでアルミニウム粒子群の「流動性」とは、所望の領域内において、アルミニウム粒子群が高い密度でかつ均一に敷き詰められるかどうかに関係する特性である。つまり、アルミニウム粒子群は、流動性に優れるほど、所望の領域内において高い密度でかつ均一に敷き詰められることとなる。この流動性は、図２（ａ）、図２（ｂ）、図３（ａ）および図３（ｂ）に示す敷き詰め試験により確認することができる。

まず、図２（ａ）および図２（ｂ）に示されるように、算術平均粗さＲaが０．３〜０．４μｍの面１ａを有する基板１を準備する。次に、面１ａに、アルミニウム粒子群を盛り上げて、直径ｄ₁：６．８ｍｍ、高さｈ：３．４ｍｍの半球状の粒子集合体２を形成する。具体的には直径ｄ₁：６．８ｍｍ、高さｈ：３．４ｍｍの半球状の内部空間を有する金属製の型枠内に、アルミニウム粒子群を自然落下させて投入する。そして、型枠外にはみ出た分をすり切って除去し、この型枠を逆さにして（すなわち内部空間に充填されたアルミニウム粒子群が面１ａ上に接するようにして）面１ａ上に静置する。このとき、型枠が面１ａから離れないようにする。その後、この型枠を面１ａの真上側に移動させる。これにより、半球状の粒子集合体２が形成される。

上記の算術平均粗さＲaは、ＪＩＳ Ｂ ００３１・ＪＩＳ Ｂ ００６１に規定される方法により求めることができる。また、上記の「半球状」とは真球の半分のみ意味するものではなく、半球状と称される略半球状を含み意味である。

次に、図３（ａ）および図３（ｂ）に示されるように、面１ａからの距離ｄ₂が１ミル（Mil：２５．３９９５μｍ）となるように配置されたドクターブレード３を用いて、粒子集合体２を一方向（図２（ａ）および図２（ｂ）の矢印方向）に引き伸ばす。この動作は、１ミルの開放隙間３ａを有するドクターブレードを用いることにより容易に実施できる。上記動作により、粒子集合体２が引き伸ばされて、粒子集合体２０へと変化する。

粒子集合体２０を構成するアルミニウム粒子群の流動性が高いほど、面１ａ上に引き伸ばされたアルミニウム粒子群は、高密度かつ均一に敷き詰められることになる。つまり、図３（ａ）および図３（ｂ）において、粒子集合体２０は、狭い範囲に高密度に引き伸ばされることとなる。このため、アルミニウム粒子群の流動性が高いほど、距離ｄ₃が短くなる。

本実施形態のアルミニウム粒子群は、上記の敷き詰め試験における距離ｄ₃が２０ｃｍ未満となることができる。この距離は従来のアルミニウム粒子群と比較して短いものであり、故に、本実施形態のアルミニウム粒子群は流動性に優れることとなる。本実施形態のアルミニウム粒子群が上述のように流動性に優れる理由について、少なくとも以下の点が考えられる。

アルミニウム粒子群においては、その平均円形度が１．００に近づくほど、アルミニウム粒子の形状が球状に近づく傾向があり、アルミニウム粒子の形状が球状に近づくほど、粒子の流動性が高くなる傾向がある。

また、アルミニウム粒子群は、体積累積粒度分布を有しており、故に、様々な直径（ここでの直径は、上記観察画像において決定される円相当径を意味する）を有するアルミニウム粒子（すなわち、細粒、中粒、粗粒等）が含まれることとなる。このようなアルミニウム粒子群は、上記観察画像において、直径が５μｍ未満と換算されるような細粒が多く存在すると、その流動性が低下する傾向がある。これは、細粒の存在によって体積または質量に比して表面積の割合が増大し、これによって粒子表面の性質が支配的（優位）となり、結果的に、アルミニウム粒子群の付着凝集性が増すからである。

また、従来の製造方法で製造されるアルミニウム粒子群は、上記観察画像において、サテライトを有するアルミニウム粒子と判定されるものを多く含んでいる。サテライトを有するアルミニウム粒子を多く含む場合、アルミニウム粒子群の流動性は低下する傾向がある。何故なら、サテライトを有するアルミニウム粒子とは、２つ以上のアルミニウム粒子が相互に融着したものであり、サテライトを有さないアルミニウム粒子と比較して、その形状は複雑になりやすく、故に、自身の流動性そのものが低いためである。

これに対し、本実施形態のアルミニウム粒子群は、０．７５以上という高い平均円形度を有し、Ａ×３≦Ｂを満たすために、直径が５μｍ未満の細粒の含有割合が特異的に低く、かつＤ＜Ｃを満たすために、サテライトを有するアルミニウム粒子の含有割合が特異的に低い。このため、結果的に、本実施形態のアルミニウム粒子群は、高い流動性を有することができる。

本実施形態のアルミニウム粒子群において、平均円形度は０．８５以上であることが好ましく、０．８７以上であることがより好ましい。この場合、アルミニウム粒子群はさらに流動性に優れる。なお、平均円形度の上限値は理想的には１．００である。

また本実施形態のアルミニウム粒子群は、Ａ×４≦Ｂを満たすことが好ましく、Ａ×５≦Ｂを満たすことがより好ましく、Ａ×６≦Ｂを満たすことがさらに好ましい。この場合、アルミニウム粒子群はさらに流動性に優れる。

また本実施形態のアルミニウム粒子群において、直径が５μｍ以上１０μｍ未満のアルミニウム粒子の数をＥとした場合に、Ａ＜Ｅ＜Ｂを満たすことが好ましい。この場合、アルミニウム粒子群はさらに流動性に優れる。

また本実施形態のアルミニウム粒子群は、Ｄ×２＜Ｃを満たすことが好ましく、Ｄ×３＜Ｃを満たすことがより好ましい。この場合、アルミニウム粒子群はさらに流動性に優れる。

また本実施形態のアルミニウム粒子群は、４０°以下の安息角を有することが好ましく、３８°以下の安息角を有することがより好ましい。この場合、アルミニウム粒子群はさらに流動性に優れる。「安息角」とは、粒子群を積み上げたときに自発的に崩れることなく安定を保つ斜面の最大角度である。なお、安息角の下限値に関し、理論上０°が好ましいが、実際には１０°未満となることはまれである。

以上詳述した本実施形態のアルミニウム粒子群は、粉末床溶融結合方式の３Ｄプリンタにおける造形物用原料粉末として好適に利用できる。何故なら、粉末床溶融結合方式の３Ｄプリンタにおいては、造形物用原料粉末によって形成されるパウダーベッドの緻密性の高さが、成形体の高い完成度（欠陥の低さ）を導くのであり、パウダーベッドの緻密性を高めるためには、造形物用原料粉末の高い流動性が必要とされるためである。

また、本実施形態のアルミニウム粒子群は、細粒の含有割合が少ないため、これを造形物用原料粉末として利用する際に、粉塵の発生が抑制されるため、安全かつ衛生的な作業が可能となる。

特に、本実施形態のアルミニウム粒子群は、産業用金属３Ｄプリンタの造形物用原料粉末に適用することができる。なお、「産業用金属３Ｄプリンタ」はAdditive Manufacturing装置として、ＡＳＴＭ規格に定義されている。

造形物用原料粉末への適用に際し、本実施形態のアルミニウム粒子群において、Ｄ₅₀は、１０μｍ以上１００μｍ未満であることが好ましく、２０μｍ以上６０μｍ未満であることがより好ましく、１５μｍ以上４０μｍ未満であることがさらに好ましく、２０μｍ以上２５μｍ未満であることが特に好ましい。アルミニウム粒子群のＤ₅₀が１００μｍ以上の場合、３Ｄプリンタでの造形物の成形において、１つの造形層の高さが１００μｍ以上となり易く、故に、緻密な成形体の形成が困難となる傾向がある。一方、アルミニウム粒子群のＤ₅₀が１０μｍ未満の場合、流動性が低下するため、パウダーベッドの形成が困難となる傾向がある。

[アルミニウム粒子群の製造方法]
本実施形態に係るアルミニウム粒子群は、大気開放型のガスアトマイズ法により、アトマイズ粒子群を作製する工程（粒子作製工程）と、乾式の空気分級により、アトマイズ粒子群から細粒を除去する工程（細粒除去工程）と、目開き４０μｍ以上７５μｍ以下の篩を用いた篩分けにより、アトマイズ粒子から粗粒を除去する工程（粗粒除去工程）とをこの順に備える製造方法により製造することができる。以下、各工程について説明する。

（粒子作製工程）
本工程においては、まず溶解炉内において、アルミニウム粒子群の原料となるアルミニウム、またはアルミニウム合金の溶湯が作製される。

アルミニウムからなる溶湯を作製する場合には、たとえば溶解炉内にアルミニウム地金を投入すればよい。アルミニウム地金としては、純度９９．９質量％以上の高純度アルミニウムを用いても良く、不純物として０．１５質量％以下のシリコン（Ｓｉ）、および／または０．２質量％以下の鉄（Ｆｅ）を含むアルミニウム地金を用いても良い。

アルミニウム合金からなる溶湯を作製する場合には、たとえば溶解炉内にアルミニウム地金を投入すると共に、溶湯内における他の元素の含有割合（質量％）が目的の組成となるように、他の元素を投入すればよい。

また、溶解炉内に目的とする組成を満たすアルミニウム合金を投入しても良い。たとえば、１０００〜８０００系のアルミニウム合金、該アルミニウム合金に対して上記遷移金属または上記希土類元素が添加されたアルミニウム合金などが挙げられる。より具体的には、一般的に「Al-10w%Si-0.4w%Mg」、「ADC12」、「AC4CH」、「Al-12w%Si」、「Al-40w%Si」等で表されるアルミニウム合金を好適に用いることができる。

アルミニウム合金からなる溶湯において、Ａｌ以外の他の成分としてＳｉが含まれる場合、その配合量は４０質量％以下であることが好ましく、Ｍｇが含まれる場合、その配合量は１０質量％以下であることが好ましい。ＳｉまたはＭｇの配合量が各上限値を超える場合、溶湯の流動性が低下したり、溶湯の表面において酸化物が過剰に生成されたりする傾向があり、これによってノズル（後述）の詰まりが発生し易くなるためである。

本工程において、溶解炉内の温度は、アルミニウムの融点、またはアルミニウム合金の組成から導かれるアルミニウム合金の融点よりも１００℃以上高い温度とすることが好ましく、１５０℃以上高い温度とすることが好ましい。これにより、溶湯における意図しない凝固を抑制することができる。なお、溶解炉としては、重油反射炉、高周波誘導炉が挙げられるが、溶湯を均一に撹拌する観点から、高周波誘導炉を用いることが好ましい。

次に、溶解炉内の溶湯に対して、大気開放型のガスアトマイズ法を実施して、アトマイズ粒子群を作製する。

ガスアトマイズ法においては、一方端にノズルが取り付けられた配管の他方端を溶湯に浸し、高圧ガスを用いてノズル近傍に負圧領域を形成し、これによってノズル内に吸い上げた溶湯をノズルの孔から噴霧することにより、粒子（アトマイズ粒子）が作製される。

上記高圧ガスに関し、通常のガスアトマイズ法においては空気が広く使用されているが、本工程においては、アルゴン、ヘリウム、窒素等の不活性ガスを用いることが好ましい。この場合、溶湯が噴霧された後に表面張力が働き、その後溶湯が凝固し、さらにその後、凝固した粒子の表面が酸化されることになるため、空気を使用した場合と比して、より球状の粒子を作製することができる。なお、高圧ガスとして空気を用いた場合には、溶湯が噴霧された直後に表面の酸化が始まるため、球状の粒子が生成されにくい。

また上記高圧ガスに関し、その圧力は、通常１ＭＰａ程度とされるが、本工程においては、１．５ＭＰａ以上であることが好ましく、２．０ＭＰａ以上であることがより好ましい。これにより、粉砕効率を上げることができる。このような高圧ガスは、コンプレッサを用いることにより作製可能である。なお、造形物用原料粉末に適用できる粒径に調製する観点から、高圧ガスの圧力の上限値は、１０ＭＰａである。

ここで、高圧ガスとして不活性ガスを使用する場合には、通常、経済的な理由から、閉回路方式のガスアトマイズ法が実施される。しかし、本発明者らは、高圧ガスとして不活性ガスを用い、かつ閉回路方式のガスアトマイズ法を実施した場合、アトマイズ粒子の形状はより球状に近づく傾向があるものの、サテライトを有する粒子の数が増加する傾向があることを確認した。このため、本工程においては、大気開放型のガスアトマイズ法が採用される。なお、「閉回路方式」とは、溶湯を噴霧して粒子にする際の雰囲気を、窒素等の不活性が満たされた閉鎖系とする方法であり、「大気開放型」とは、上記雰囲気を大気開放系とする構成である。

また上記ノズルから溶湯を噴出させる向きに関し、鉛直方向下向きよりも、鉛直方向上向き、または水平方向であることが好ましい。前者よりも後者のほうが、酸化物によるノズルの詰まりを抑制し易く、またノズルの定期的な交換も容易なためである。

また上記ノズルに関し、その形状は環状ノズルであることが好ましい。環状超音速噴流によって、微細な粉末を生成し易いためである。またノズルの孔径は２．０〜２．５ｍｍであることが好ましい。このようなノズルを用いて作製されたアトマイズ粒子を、後述する細粒除去工程および粗粒除去工程に供した場合に、最終的に得られるアルミニウム粒子群のＤ₅₀が１０μｍ以上１００μｍ未満、ひいては２０μｍ以上６０μｍ未満に調整され易いためである。

（細粒除去工程）
本工程においては、粒子作製工程により作製されたアトマイズ粒子群に対し、乾式の空気分級が実施され、これにより、アトマイズ粒子群から細粒が除去される。

乾式の空気分級としては、分離粒子径の制御容易性の点から、遠心力型気流式分級が好適に選択される。遠心力型気流式分級とは、円盤型または羽根車型のロータが回転する分級室内に対し、ロータの半径方向の外周側から内周側に向けてアトマイズ粒子群を含む気流（分級気流）を流すことによって、粒子を分級する方法である。分級室内に送り込まれた粒子は、ロータの回転流による遠心力と、ロータの半径方向に流れる空気の抗力とを受け、大きい粒子はより遠心力に、小さい粒子はより抗力に影響されることによって、分級される。

遠心力型気流分級において、分級点はロータの回転数と、分級気流の流量を適宜調整することによって決定される。本工程においては、分級点が７μｍ以上となるように諸条件を調整する。

ここで分級点とは、レーザー回折法により分級後の粉末を測定したときに、アルミニウム粒子群の体積累積粒度分布のグラフが立ち上がる点の粒径を意味する。すなわち、分級点が７μｍの場合、分級後のアルミニウム粒子群においては、粒径が７μｍより小さい粒子が検出されないこととなる。分級点が７μｍ以上であれば、上記観察画像において「直径が５μｍ未満のアルミニウム粒子」とみなされる程度の小さい粒子が効率的に除去される。本工程を実施することにより、最終的に得られるアルミニウム粒子群において、Ａ×３≦Ｂを満たすことが可能になると考えられる。なお、分級点の上限値は、収率の観点から、２０μｍである。

（粗粒除去工程）
本工程においては、細粒除去工程後のアトマイズ粒子群に対し、目開き４０μｍ以上７５μｍ以下の篩を用いた篩分けが実施され、これにより、アトマイズ粒子群から粗粒が除去される。

篩分けには、振動ふるい機を用いることが好ましい。細粒除去工程後のアトマイズ粒子に対し、目開き４０μｍ以上７５μｍ以下の篩を用いて篩分けを実施することにより、粗粒を適切に除去することができ、最終的に得られるアルミニウム粒子群のＤ₅₀を１０μｍ以上１００μｍ未満とすることができると考えられる。

なお仮に、粒子作製工程後のアトマイズ粒子に対して細粒除去工程を行わずに本工程を実施した場合、本工程における除去を目的とする粒径以外の粒子までもが篩の目に留まってしまい、所望のアルミニウム粒子群を得ることができない。

以上詳述した粒子作製工程、細粒除去工程、および粗粒除去工程をこの順に実施することにより、本実施形態のアルミニウム粒子群が作製される。また、粗粒除去工程後の粒子をブレンダー等により均一化したものをアルミニウム粒子群としてもよい。

以下、実施例を示して本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの例によって限定されるものではない。なお、以下の実施例及び比較例における各物性値の測定方法は次のとおりである。

〔１〕アルミニウム粒子群の体積平均粒子径Ｄ₁₀、Ｄ₅₀、Ｄ₁₀₀
レーザー回折式粒度分布計（日機装株式会社製マイクロトラック MT-3300型）を用い、アルミニウム粒子群を測定系内循環水に投入し、超音波で１８０秒分散させたのち、各粒子径を測定した。

〔２〕アルミニウム粒子群の組成
アルミニウム粒子群を加圧容器内で加熱溶解させ、サーモフィッシャーサイエンティフィック社製のＩＣＰ装置を用いて、高周波誘導結合プラズマ発光分光分析装法により、アルミニウム粒子群の組成を測定した。

〔３〕アルミニウム粒子群の円形度
上述のようにしてアルミニウム粒子群の観察用試料を作製し、これを用いて走査型電子顕微鏡（日本電子社製、ＪＳＭ−６５１０Ａ）にて５００倍の倍率で撮像した。１つのアルミニウム粒子群において、撮像位置をずらしながら２０〜４０枚の観察画像を作成した。なお、１枚の観察画像の縦および横の大きさは、Ｄ₅₀の４〜１２倍とし、１枚の観察画像中には１５個以下のアルミニウム粒子が含まれ、かつ全ての観察画像を繋げることにより、観察用試料の全体像が観察されるようにした。

各アルミニウム粒子群に関し、２０〜４０枚の観察画像から１０２〜１０６個のアルミニウム粒子をランダムに抽出し、キーエンス株式会社のＶＨＸ−１０００の２次元計測機能（Real-time Measurement）を用いて画像解析処理を行い、上述の方法により平均円形度を算出した。

〔４〕アルミニウム粒子群におけるＡ、ＢおよびＥの値
上記〔３〕の観察画像を用いて、上述の方法により、アルミニウム粒子群におけるＡ（直径が５μｍ未満のアルミニウム粒子の数）、Ｂ（直径が１０μｍ以上のアルミニウム粒子の数）およびＥ（直径が５μｍ以上１０μｍ未満のアルミニウム粒子の数）の値を求めた。

〔５〕アルミニウム粒子群におけるＣおよびＤの値
上記〔３〕の観察画像を用いて、上述の方法により、アルミニウム粒子群におけるＣ（サテライトを有さないアルミニウム粒子の数）およびＤ（サテライトを有するアルミニウム粒子の数）の値を求めた。

（実施例１）
純度９９．７質量％のＡｌ地金に対し、Ｓｉが１０質量％、Ｍｇが０．４質量％となるように各元素を添加したものを加熱して、アルミニウム合金（Al-10w%Si-0.4w%Mg）からなる溶湯を準備した。そして、以下の条件下で、この溶湯からアトマイズ粒子を、アトマイズ部、サイクロン部、バグフィルター部を有するアトマイズラインに供した（粒子作製工程）。これにより、Ｄ₅₀が２１μｍのアトマイズ粒子群を得た。
溶湯温度 ：９００℃
ノズル ：直径２．２ｍｍの環状ノズル
高圧ガスの圧力：２．５ＭＰａ。

次に、上記アトマイズ粒子群を遠心力型気流式分級機（日清エンジニアリング社製、ターボクラシファイア）にかけて、乾式の空気分級を実施した（細粒除去工程）。遠心力型分級機は、分級点が７μｍとなるように制御した。

次に、上記分級後のアトマイズ粒子群を、目開き４５μｍ（３２５メッシュ）の篩にかけて乾式の篩分けを実施し（粗粒除去工程）、篩を通過したアトマイズ粒子群をブレンダーにより均一化した。これにより、実施例１のアルミニウム粒子群が作製された。実施例１のアルミニウム粒子群の組成は、Al-10w%Si-0.4w%Mgで表記されるアルミニウム合金よりなる合金であった。

（実施例２）
純度９９．７質量％のＡｌ地金に対し、Ｓｉが０．６質量％、Ｃｕが０．２７質量％、Ｍｇが１．０質量％、Ｃｒが０．２質量％となるように各元素を添加した以外は、実施例１と同様の方法を実施した。これにより、実施例２のアルミニウム粒子群が作製された。実施例２のアルミニウム粒子群の組成は、ＪＩＳ Ａ６０６１のアルミニウム合金よりなる合金であった。

（実施例３）
純度９９．７質量％のＡｌ地金に対し、Ｓｉが０．７質量％となるように添加した以外は、実施例１と同様の方法を実施した。これにより、実施例３のアルミニウム粒子群が作製された。実施例３のアルミニウム粒子群の組成は、Al-7w%Siで表記されるアルミニウム合金よりなる合金であった。

（比較例１）
ＥＯＳ社のＥＯＳ Ａｌｕｍｉｎｕｍ ＡｌＳｉ１０Ｍｇを比較例１のアルミニウム粒子群とした。比較例１のアルミニウム粒子群の組成は、Al-10w%Si-0.4w%Mgで表記されるアルミニウム合金よりなる合金であった。

（比較例２）
ＥＯＳ社のＥＯＳ Ａｌｕｍｉｎｕｍ ＡｌＳｉ１０Ｍｇに対し、実施例１と同様の乾式の空気分級を実施した。これにより、比較例２のアルミニウム粒子群が作製された。

（比較例３）
乾式の空気分級を実施しなかった以外は、実施例１と同様の方法を実施した。これにより、比較例３のアルミニウム粒子群が作製された。

（比較例４）
乾式の空気分級を実施しなかった以外は、実施例２と同様の方法を実施した。これにより、比較例４のアルミニウム粒子群が作製された。

（比較例５）
乾式の空気分級を実施しなかった以外は、実施例３と同様の方法を実施した。これにより、比較例５のアルミニウム粒子群が作製された。

（各物性の測定）
実施例１〜３および比較例１〜５の各アルミニウム粒子群に関し、上記〔１〕〜〔５〕に記載の方法に従って、各物性を測定した。各結果を表１〜３に示す。なお、表２の「−」は、各成分が検出（検出限界：０．０１質量％）されなかったことを意味する。

また、参考として、実施例１の観察画像を図４（ａ）〜図９（ａ）に、比較例１の観察画像を図１０（ａ）〜図１５（ａ）に示す。図４（ｂ）〜図１５（ｂ）は、図４（ａ）〜図１５（ａ）を二値化処理し、さらにサテライトを有する粒子と判定されたアルミニウム粒子に対し、ハッチングを施した図である。

（敷き詰め試験）
各アルミニウム粒子群を用いて、上述の敷き詰め試験を実施した。ここでは、基板１としてＴＰ技研(株)製の隠蔽率評価用試験紙を用い、ドクターブレード３として、大祐機材（株）製のフィルムアプリケーターを用い、これを２５ｃｍ移動させた。なおこの試験紙は、ＪＩＳ Ｋ５６００に規定される塗料一般試験方法を満たすものであり、かつ表面の算術平均粗さＲaは、０．５μｍであった。

上記敷き詰め試験を実施し、各アルミニウム粒子群の引き伸ばされる距離を測定した。その結果を表４に示す。なお、表４における「２５．０以上」との記載は、ドクターブレード３を２５ｃｍ移動させた後も、試験紙上に敷き詰められていないアルミニウム粒子がドクターブレード３の側面に存在していることを意味する。

（安息角の測定）
筒井理化学器械株式会社製のＡＢＤ粉体特性測定装置を用いて、各アルミニウム粒子群の安息角を測定した。その結果を表４に示す。安息角が小さいほど、流動性に優れることを意味する。なお、安息角の測定に際し、ロートを介してアルミニウム粒子群を落下させた。

（粉末床溶融結合方式の３Ｄプリンタによる造形物の形成試験）
粉末床溶融結合方式の３Ｄプリンタとして、ＥＯＳ社製のＥＯＳＩＮＴ Ｍ２８０を用い、造形物用原料粉末として各アルミニウム粒子群を用いて、造形物の造形を試みた。このとき、製造される造形物の形状を直径８ｍｍ、高さ１５ｍｍの円柱に設定し、かつ、１つの造形層の高さを３０μｍに設定した。

上記形成試験において、実施例１〜実施例３のアルミニウム粒子群に関しては、パウダーベッドの形成が容易であるのに対し、比較例１〜５のアルミニウム粒子群に関しては、このようなパウダーベッドの形成が困難であった。パウダーベッドを作成すべく、ブレードを移動させた場合に、パウダーベッド用に配置されているアルミニウム粒子のほとんどがブレードによって除去されたためである。この結果を表４に示す。なお、表４中の「ＰＢ」はパウダーベッドを意味する。

（造形物の物性評価）
造形物用原料粉末として実施例１〜３のアルミニウム粒子群を用いて、直径６．４ｍｍ、高さ４５ｍｍの円柱からなる造形物を造形した。なお、１つの造形層の高さを３０μｍに設定した。造形された各造形物に関し、アルキメデス法により、各組成の真密度に対する相対密度を測定した。その結果を表４に示す。

また各造形物を旋削して、断面の直径３．５ｍｍ、厚さ１８ｍｍの丸棒試験片を作製し、インストロン型引張試験機（ＩＮＳＴＲＯＮ社製、ＭＯＤＥＬ ４２０６）を用いて、引張速度１ｍｍ／ｍｉｎで引張試験を行い、各試験片の引張強度を測定した。この結果を表４に示す。

実施例１〜３の各アルミニウム粒子群を用いて形成された各造形物は、相対密度および引張強度の点で、実用に耐え得ることが確認された。

なお、比較例１〜５のアルミニウム粒子群に対し、１００℃で１２時間乾燥処理を行い、再度上記形成試験を行ったところ、比較例２〜５のアルミニウム粒子群に関しては、パウダーベッドの形成は変わらずに困難であったが、比較例１のアルミニウム粒子群に関しては、パウダーベッドの形成が可能となった。これは、乾燥処理により、粉末に含まれる水分が揮発し、流動性が改善されたためと考えられた。

また、乾式の空気分級を実施しなかった以外は、実施例１〜３と同等の処理により作製された比較例３〜５の各アルミニウム粒子群に関し、造形物を作製すべく各種条件を検討したところ、ブレードの移動速度を極めて遅くすることにより、かろうじて造形物の形成が可能となった。しかし、このときのブレードの移動速度は極めて遅いため、製造コストおよび製造タクトの観点から、実用に耐え得ないと考えられた。

また、このような条件で作製された比較例３〜５のアルミニウム粒子群による造形物は、それぞれ、相対密度および引張強度のいずれの物性においても、実施例１〜３のアルミニウム粒子群による造形物よりも劣ることが確認された。

以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施の形態および実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 基板、１ａ 面、２，２０ 粒子集合体、３ ドクターブレード、３ａ 開放隙間。

Claims (4)

1. アルミニウム粒子からなるアルミニウム粒子群であって、
   走査型電子顕微鏡を用いて前記アルミニウム粒子群を観察したときの観察画像において、
   前記アルミニウム粒子群の平均円形度は０．７５以上であり、
   前記アルミニウム粒子群の平均粒径Ｄ₅₀は、１０μｍ以上６０μｍ未満であり、
   直径が５μｍ未満のアルミニウム粒子の数をＡとし、直径が１０μｍ以上のアルミニウム粒子の数をＢとし、サテライトを有さないアルミニウム粒子の数をＣとし、サテライトを有するアルミニウム粒子の数をＤとしたとき、
   Ａ×３≦Ｂを満たすとともに、Ｄ＜Ｃを満たし、
   前記アルミニウム粒子群は、粉末床溶融結合方式の３Ｄプリンタにおける造形物用原料粉末である、アルミニウム粒子群。
2. 前記平均粒径Ｄ₅₀は、２０μｍ以上６０μｍ未満である、請求項１に記載のアルミニウム粒子群。
3. 前記アルミニウム粒子群の安息角は、筒井理化学器械株式会社製のＡＢＤ粉体特性測定装置を用いて測定した場合、４０°以下である、請求項１または請求項２に記載のアルミニウム粒子群。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のアルミニウム粒子群の製造方法であって、
   大気開放型のガスアトマイズ法により、アトマイズ粒子群を作製する工程と、
   乾式の空気分級により、前記アトマイズ粒子群から細粒を除去する工程と、
   目開き４０μｍ以上７５μｍ以下の篩を用いた篩分けにより、前記アトマイズ粒子群から粗粒を除去する工程と、をこの順に備える、アルミニウム粒子群の製造方法。