JP7249811B2 - METHOD FOR MANUFACTURING METAL POWDER MATERIAL - Google Patents

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Description

本発明は、金属粉末材料の製造方法に関し、さらに詳しくは、積層造形法において、レーザービーム等のエネルギー線を照射して三次元造形物を製造する用途に適した金属粉末材料を製造する方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for producing a metal powder material, and more particularly, to a method for producing a metal powder material suitable for producing a three-dimensional modeled object by irradiating an energy beam such as a laser beam in an additive manufacturing method. .

三次元造形物を製造する新しい技術として、付加製造技術(Additive Manufacturing;AM)の発展が近年著しい。付加製造技術の一種として、粉末材料のエネルギー線照射による固化を利用した積層造形法がある。金属粉末材料を用いた積層造形法としては、粉末積層溶融法と、粉末堆積法の2種が代表的である。 As a new technique for manufacturing a three-dimensional model, additive manufacturing (AM) has developed remarkably in recent years. As one type of additive manufacturing technology, there is an additive manufacturing method that utilizes the solidification of powder materials by irradiation with energy beams. As the layered manufacturing method using metal powder materials, there are two representative methods: a powder layered melting method and a powder deposition method.

粉末積層溶融法の具体例として、選択的レーザー溶融法(Selective Laser Melting;SLM)、電子線溶融法(Electron Beam Melting;EBM)等の方法を挙げることができる。これらの方法においては、金属よりなる粉末材料を、ベースとなる基材上に供給して粉末床を形成し、三次元設計データをもとに、粉末床の所定の位置に、レーザービーム、電子線等のエネルギー線を照射する。すると、照射を受けた部位の粉末材料が、溶融と再凝固によって固化し、造形体が形成される。粉末床への粉末材料の供給とエネルギー線照射による造形を繰り返し、造形体を層状に順次積層して形成していくことで、三次元造形物が得られる。 Specific examples of the powder layered melting method include selective laser melting (SLM) and electron beam melting (EBM). In these methods, a metal powder material is supplied onto a base material to form a powder bed, and based on three-dimensional design data, a laser beam, an electron Irradiate energy rays such as rays. Then, the powder material in the irradiated portion solidifies by melting and re-solidifying to form a shaped body. A three-dimensional model is obtained by repeating the supply of the powder material to the powder bed and the modeling by the irradiation of the energy beam, and successively laminating the modeled body in layers.

一方、粉末堆積法の具体例としては、レーザー金属堆積法(Laser Metal Deposition;LMD)を挙げることができる。この方法においては、三次元造形物を形成したい位置に、ノズルを用いて金属粉末を噴射しながら、同時に、レーザービームの照射を行い、所望の形状を有する三次元造形物を形成する。 On the other hand, a specific example of the powder deposition method is laser metal deposition (LMD). In this method, a metal powder is sprayed from a nozzle onto a position where a three-dimensional structure is to be formed, and a laser beam is simultaneously irradiated to form a three-dimensional structure having a desired shape.

上記のような積層造形法を用いて、金属材料よりなる三次元造形物を製造する際に、得られる三次元造形物に、空隙や欠陥等、構成材料の分布が不均一な構造が生じる場合がある。そのような不均一構造の生成は、極力抑制することが望ましい。例えば、特許文献1においては、SLM法等において、金属粉末層にエネルギー線を照射する際に、金属粉末層の表面に対して垂直に静磁場を作用させることで、溶融プールにおいて生じる現象に起因した欠陥を低減することを図っている。 When manufacturing a three-dimensional modeled object made of metal materials using the additive manufacturing method as described above, the resulting three-dimensional modeled object has a structure in which the distribution of constituent materials is uneven, such as voids and defects. There is It is desirable to suppress the generation of such a non-uniform structure as much as possible. For example, in Patent Document 1, in the SLM method or the like, when a metal powder layer is irradiated with an energy beam, a static magnetic field is applied perpendicularly to the surface of the metal powder layer. We are trying to reduce the defects that have occurred.

特開2017-25401号公報JP 2017-25401 A

金属材料を用いた積層造形法による三次元造形物の製造において、三次元造形物の内部に、構成材料の分布が不均一な構造が生じる原因としては、特許文献1に記載されるようなエネルギー線の照射時に発生する現象だけでなく、さまざまな要素が存在しうる。その中で、エネルギー線照射前の粉末材料の状態も、得られる三次元造形物の状態に大きな影響を与えうる。 In the production of a three-dimensional modeled object by the additive manufacturing method using a metal material, the cause of the uneven distribution of the constituent materials inside the three-dimensional modeled object is the energy described in Patent Document 1. There can be many factors in addition to the phenomenon that occurs when the radiation is applied. Among them, the state of the powder material before irradiation with the energy beam can also have a great influence on the state of the three-dimensional structure to be obtained.

例えば、粉末積層溶融法において、粉末床に粉末材料を円滑に供給し、粉末材料が均一に敷き詰められた粉末床を安定に形成することにより、均質性の高い三次元造形物が得られやすい。また、粉末床において、粉末材料が高密度で充填されているほど、エネルギー線を照射して得られる三次元造形物が凝固収縮を起こしにくい。粉末堆積法においても、ノズルを閉塞させずに粉末材料を円滑に供給することで、三次元造形物を安定に形成することができる。このように、粉末材料を原料とした積層造形において、用いられる粉末材料の特性を制御することが重要となる。 For example, in the powder layered melting method, by smoothly supplying the powder material to the powder bed and stably forming the powder bed in which the powder material is evenly spread, it is easy to obtain a three-dimensional model with high homogeneity. In addition, the higher the density of the powder material in the powder bed, the less likely solidification shrinkage will occur in the three-dimensional structure obtained by irradiating the energy beam. Also in the powder deposition method, a three-dimensional structure can be stably formed by smoothly supplying the powder material without clogging the nozzle. Thus, in layered manufacturing using powder materials as raw materials, it is important to control the properties of the powder materials used.

本発明が解決しようとする課題は、積層造形法において、三次元造形物を製造するのに適した金属粉末材料を製造できる金属粉末材料の製造方法を提供することにある。 The problem to be solved by the present invention is to provide a method for producing a metal powder material that can produce a metal powder material suitable for producing a three-dimensional model in the additive manufacturing method.

上記課題を解決するため、本発明に係る金属粉末材料の製造方法においては、アトマイズ法によって、金属粒子よりなる原料体を製造する原料製造工程と、前記原料体における前記金属粒子の凝集を力学的に解消する解粒工程と、をこの順に行い、前記解粒工程は、気流によって前記金属粒子の凝集体の剪断を行うものであり、強制渦によって前記凝集体に剪断力を印加する。 In order to solve the above problems, the method for producing a metal powder material according to the present invention includes a raw material production step of producing a raw material body composed of metal particles by an atomizing method, and mechanically aggregating the metal particles in the raw material body. and a disaggregation step of dissolving into , are performed in this order, and in the disaggregation step, the agglomerates of the metal particles are sheared by an air flow, and a shearing force is applied to the agglomerates by a forced vortex.

前記金属粒子は、チタン合金、ニッケル合金、コバルト合金、鉄合金のいずれかよりなるとよい。 The metal particles are preferably made of titanium alloy, nickel alloy, cobalt alloy, or iron alloy.

上記発明にかかる金属粉末材料の製造方法においては、アトマイズ法によって原料体を製造しており、原料体中に、金属粒子の凝集体(二次粒子)がある程度含まれる。しかし、解粒工程において、その凝集体における金属粒子の凝集を解消することにより、原料体の構成粒子の円形度を高めることができる。 In the method for producing a metal powder material according to the above invention, the raw material is produced by the atomization method, and the raw material contains a certain amount of aggregates (secondary particles) of metal particles. However, in the pulverization step, by eliminating the agglomeration of the metal particles in the agglomerate, the circularity of the constituent particles of the raw material can be increased.

その結果として、得られる金属粉末材料を、積層造形に好適に用いることが可能となる。つまり、粉末積層溶融法において用いる粉末床を形成する際に、金属粉末材料の流動性の高さによって、安定して金属粉末材料を供給できるようになる。また、均一性の高い粉末床を形成しやすくなる。粉末床における充填密度も高めやすくなる。粉末堆積法においても、金属粉末材料の流動性の高さによって、ノズルの閉塞を抑制し、造形物の形成を安定して行いやすくなる。 As a result, the obtained metal powder material can be suitably used for layered manufacturing. That is, when forming the powder bed used in the powder layered melting method, the high fluidity of the metal powder material makes it possible to stably supply the metal powder material. Moreover, it becomes easy to form a powder bed with high uniformity. It also facilitates higher packing density in the powder bed. In the powder deposition method as well, the high fluidity of the metal powder material suppresses clogging of the nozzle, making it easier to stably form a model.

ここで、解粒工程が、気流によって金属粒子の凝集体の剪断を行うものであり、強制渦によって凝集体に剪断力を印加することにより、金属粒子の凝集の解消を効率的に行うことができる。また、金属粒子の凝集の解消と同じ装置を用いて、凝集の解消と同時に、またはその後に、金属粒子の分級も行うことができる。 Here, the pulverization step is to shear the aggregates of the metal particles by the air flow, and by applying a shearing force to the aggregates by the forced vortex, the aggregation of the metal particles can be efficiently dissolved. can. In addition, the metal particles can be classified at the same time as or after the agglomeration is eliminated by using the same apparatus as that used for eliminating the agglomeration of the metal particles.

原料体が、チタン合金、ニッケル合金、コバルト合金、鉄合金のいずれかよりなる場合には、本製造方法によって得られる金属粉末材料を、積層造形法を利用した製造の需要が大きいそれらの合金よりなる三次元造形物の原料として、好適に用いることができる。 When the raw material is made of any one of titanium alloy, nickel alloy, cobalt alloy, and iron alloy, the metal powder material obtained by this manufacturing method is preferred over those alloys that are in great demand for manufacturing using the additive manufacturing method. It can be suitably used as a raw material for a three-dimensional structure.

(a),(b)は、ホッパーからの粉末材料の落下を説明する図であり、(a),(b)の順に粉末材料の落下が進行する。(c)は、粉末材料の敷き詰めを説明する図である。(a) and (b) are diagrams for explaining the dropping of the powder material from the hopper, and the dropping of the powder material progresses in the order of (a) and (b). (c) is a diagram for explaining the spreading of the powder material. 強制渦式気流分級機を用いた解粒工程を説明する図である。It is a figure explaining the pulverization process using a forced vortex type air classifier. 解粒前(#1)および解粒後(#2)の金属粒子の粒度分布および円形度を示す試験結果である。It is a test result showing the particle size distribution and circularity of metal particles before pulverization (#1) and after pulverization (#2). 粒子形状の評価のための粒子画像であり、粒径70μmの場合について、(a)は解粒前、(b)は解粒後の状態を示している。It is a particle image for evaluation of particle shape, and (a) shows the state before pulverization and (b) shows the state after pulverization in the case of a particle size of 70 μm. 金属粒子のSEM像であり、(a)は解粒前、(b)は解粒後の状態を示している。It is an SEM image of metal particles, (a) shows the state before pulverization, and (b) shows the state after pulverization. 解粒の効果を示す試験結果であり、(a)は内部摩擦角(φ)、(b)は嵩密度(ρ)の評価結果を示している。It is a test result showing the effect of pulverization, (a) shows the evaluation result of the internal friction angle (φ), and (b) shows the evaluation result of the bulk density (ρ).

以下に、本発明の一実施形態にかかる金属粉末材料の製造方法について詳細に説明する。本発明の一実施形態にかかる金属粉末材料の製造方法は、積層造形法において、エネルギー線の照射によって三次元造形物を製造するための原料として用いることができる粉末材料を製造するものである。 A method for producing a metal powder material according to one embodiment of the present invention will be described in detail below. A method for producing a metal powder material according to an embodiment of the present invention produces a powder material that can be used as a raw material for producing a three-dimensional modeled object by irradiating an energy beam in an additive manufacturing method.

[金属粉末材料の製造方法の概要]
本発明の一実施形態にかかる金属粉末材料の製造方法においては、まず、アトマイズ法によって、金属粒子よりなる原料体を製造する原料製造工程を実施する。製造された原料体には、一次粒子である金属粒子が凝集した凝集体(二次粒子)が含まれていることが多いが、原料体に対して、解粒工程を実施することで、金属粒子の凝集を力学的に解消する。解粒工程における凝集の解消により、もとの原料体よりも円形度の高くなった金属粉末材料を得ることができる。
[Outline of method for producing metal powder material]
In a method for producing a metal powder material according to an embodiment of the present invention, first, a raw material producing step of producing a raw material body composed of metal particles by an atomizing method is carried out. The manufactured raw material often contains agglomerates (secondary particles) in which metal particles, which are primary particles, are agglomerated. Particle agglomeration is mechanically resolved. By eliminating agglomeration in the pulverizing step, a metal powder material having a higher degree of circularity than the original raw material can be obtained.

このようにして製造される、円形度の高い金属粒子よりなる金属粉末材料は、円形度が低い原料体そのものよりなる金属粉末材料と比較して、積層造形法によって三次元造形物を製造するのに適した特性を有するものとなる。そこで、本実施形態にかかる金属粉末材料の製造方法およびそれによって得られる金属粉末材料について詳細に説明する前に、積層造形用の粉末材料に求められる特性について説明する。 A metal powder material composed of metal particles with a high degree of circularity manufactured in this way is more suitable for manufacturing a three-dimensional model by the additive manufacturing method than a metal powder material composed of a raw material itself with a low degree of circularity. It has characteristics suitable for Therefore, before describing in detail the manufacturing method of the metal powder material according to the present embodiment and the metal powder material obtained by the method, the properties required for the powder material for additive manufacturing will be described.

[積層造形用粉末材料に求められる特性]
発明者らは、積層造形法による三次元造形物の製造を安定に行い、また良質な三次元造形物を得るために、粉末材料において、どのような特性が重要となるかを明らかにした。
[Characteristics required for powder materials for additive manufacturing]
The inventors have clarified what characteristics are important in powder materials for stably manufacturing a three-dimensional modeled article by the layered manufacturing method and obtaining a three-dimensional modeled article of good quality.

積層造形法のうち、SLM法やEBM法等の粉末積層溶融法においては、図1に示すように、ホッパー1を用いて粉末材料Pを供給し、基材2の上に敷き詰めることで、粉末床を形成する。得られた粉末床に、レーザービームや電子線等のエネルギー線を所定のパターンで照射して、粉末材料Pの溶融と再凝固を起こし、造形体Aを作製する。粉末材料Pの供給とエネルギー線の照射を交互に繰り返すことで、造形体Aを層状に積層し、三次元造形物を製造することができる。 Among the layered manufacturing methods, in the powder layered melting method such as the SLM method and the EBM method, as shown in FIG. form the floor. The obtained powder bed is irradiated with an energy beam such as a laser beam or an electron beam in a predetermined pattern, causing the powder material P to melt and re-solidify, thereby producing a model A. By alternately repeating the supply of the powder material P and the irradiation of the energy beam, the modeled object A can be laminated in layers to manufacture a three-dimensional modeled object.

図1(a),(b)に示すように、粉末材料Pを供給するホッパー1は、容器10の底部に筒状の粉末供給路11を有しており、容器10に充填した粉末材料Pを、重力によって、粉末供給路11から流出させ、粉末床形成のために供給する。この際、ホッパー1から安定して粉末材料Pを流出させることが、均一性の高い粉末床を安定して形成するうえで、重要である。 As shown in FIGS. 1(a) and 1(b), the hopper 1 for supplying the powder material P has a cylindrical powder supply path 11 at the bottom of the container 10, and the powder material P filled in the container 10. is forced out of the powder feed channel 11 by gravity and fed for powder bed formation. At this time, it is important to stably flow out the powder material P from the hopper 1 in order to stably form a highly uniform powder bed.

ホッパー1からの粉末材料Pの流出には、複数の過程が関与している。まず、流出の初期においては、図1(a)に示すように、斜線で表示した粉末供給路11の直上に位置する粉末材料Pが、粉末材料Pで満たされた容器10から、空の粉末供給路11に向かって落下する(運動M1)。 Several processes are involved in the outflow of the powdered material P from the hopper 1 . First, at the initial stage of outflow, as shown in FIG. 1(a), the powder material P positioned directly above the shaded powder supply path 11 flows from the container 10 filled with the powder material P into the empty powder. It falls toward the supply channel 11 (movement M1).

ホッパー1において、粉末供給路11の直上に位置する粉末材料Pが落下すると、図1(b)に示すように、落下した粉末材料Pが占めていた領域に空隙が生じる。すると、その空隙に向かって、周囲の粉末材料Pが崩れ、空隙を埋める(運動M2)。この際、周囲の粉末材料Pが崩れやすい方が、空隙の充填およびそれに続く粉末材料Pの落下が、安定に、また高い均一性をもって進行する。粉末材料Pの崩れやすさを示す指標として、内部摩擦角(φ)を用いることができる。 In the hopper 1, when the powder material P positioned directly above the powder supply path 11 drops, a gap is generated in the area occupied by the dropped powder material P, as shown in FIG. 1(b). Then, the surrounding powder material P crumbles toward the gap and fills the gap (movement M2). At this time, the filling of the voids and subsequent dropping of the powder material P proceeds stably and with high uniformity when the surrounding powder material P is more likely to crumble. An internal friction angle (φ) can be used as an index indicating how easily the powder material P collapses.

内部摩擦角(φ)は、粉末材料Pに圧力を印加した際にその圧力に交差する方向に生じる剪断応力の、印加圧力に対する比例係数を摩擦角で表現したものであり、その値が小さいほど、粉末材料Pの集合体が崩れやすく、また広がりやすいことを示す。つまり、内部摩擦角(φ)が小さいほど、粉末材料Pが崩れてホッパー1内に生じた空隙を埋めやすいことになる。内部摩擦角(φ)は、例えば、粉末材料Pに圧力(σ)を印加した際に発生する剪断応力(τ)を計測し、σを横軸に、τを縦軸にプロットして、横軸に対する近似直線の角度として求めればよい(tanφ=τ/σ)。内部摩擦角(φ)は、例えば、22°以下、さらには18°以下であることが好ましい。なお、内部摩擦角(φ)は、安息角で代用することもできる。 The internal friction angle (φ) is the coefficient of proportionality to the applied pressure of the shear stress generated in the direction that intersects the pressure when pressure is applied to the powder material P, and is expressed by the friction angle. , indicates that the aggregate of the powder material P is likely to crumble and spread. That is, the smaller the internal friction angle (φ), the easier it is for the powder material P to collapse and fill the voids generated in the hopper 1 . The internal friction angle (φ) is obtained by, for example, measuring the shear stress (τ) generated when a pressure (σ) is applied to the powder material P, and plotting σ on the horizontal axis and τ on the vertical axis. It can be obtained as the angle of the approximate straight line with respect to the axis (tan φ=τ/σ). The internal friction angle (φ) is, for example, preferably 22° or less, more preferably 18° or less. The angle of repose can be substituted for the angle of internal friction (φ).

そして、図1(a)に示す粉末供給路11の直上に位置する粉末材料Pの落下(運動M1)や、図1(b)に示す周囲の粉末材料Pの崩れ落ち(運動M2)によって粉末供給路11に粉末材料Pが供給されると、その粉末材料Pが粉末供給路11を通って、ホッパー1の外に流出する(運動M3)。この際の粉末材料Pの流速(FR)が大きいほど、粉末材料Pの流動性が高くなり、粉末材料Pを安定に流出させることができる。粉末材料Pの流速(FR)は、上記で説明した内部摩擦角(φ)との間に強い相関を有する量であり、内部摩擦角(φ)が小さいほど、流速(FR)が大きくなる傾向がある。 Then, powder is supplied by dropping (motion M1) of the powder material P positioned directly above the powder supply path 11 shown in FIG. When the powder material P is supplied to the path 11, the powder material P flows out of the hopper 1 through the powder supply path 11 (movement M3). The higher the flow rate (FR) of the powder material P at this time, the higher the fluidity of the powder material P, and the more the powder material P can flow stably. The flow velocity (FR) of the powder material P is a quantity having a strong correlation with the internal friction angle (φ) described above, and the smaller the internal friction angle (φ), the larger the flow velocity (FR) tends to be. There is

以上のように、粉末材料Pにおいて、内部摩擦角(φ)が小さいほど、粉末材料Pが流動性に優れたものとなり、ホッパー1から粉末床への粉末材料Pの供給を、安定して、また高い均一性をもって進行させることができる。その結果、粉末積層溶融法による積層造形において、粉末床の形成を、安定して行うことができる。 As described above, in the powder material P, the smaller the internal friction angle (φ), the more excellent the fluidity of the powder material P, and the more stable the supply of the powder material P from the hopper 1 to the powder bed. Moreover, it can be advanced with high uniformity. As a result, the powder bed can be stably formed in layered manufacturing by the powder layered melting method.

ホッパー1から基材2の上に供給された粉末材料Pは、リコーター(ブレード)3により、平滑化され、基材2の上、および既に形成されている下層の造形体Aの上に敷き詰められて、粉末床とされる。この際、ホッパー1から落下した粉末材料Pを押し広げるようにして、リコーター3を基材2の面に水平に掃引することで(運動M4)、粉末材料Pの分布を均一化する。ホッパー1から基材2の上、また造形体Aの上に供給された粉末材料を分散させやすくするため、また、その粉末材料Pをリコーター3によって押し広げやすくするためには、粉末材料Pの集合体が崩れやすいものである方がよい(運動M5)。上記で説明したように、内部摩擦角(φ)が小さい場合に、粉末材料Pが崩れやすくなり、均一性の高い粉末床を形成しやすくなる。 The powder material P supplied from the hopper 1 onto the base material 2 is smoothed by a recoater (blade) 3 and spread over the base material 2 and the already formed lower-layer shaped body A. is considered a powder bed. At this time, the distribution of the powder material P is made uniform by sweeping the recoater 3 horizontally over the surface of the substrate 2 (movement M4) so as to spread the powder material P dropped from the hopper 1 . In order to easily disperse the powder material supplied from the hopper 1 onto the base material 2 and onto the model A, and to facilitate spreading of the powder material P by the recoater 3, the powder material P It is preferable that the aggregate is easily collapsed (Movement M5). As explained above, when the internal friction angle (φ) is small, the powder material P is likely to crumble, making it easier to form a highly uniform powder bed.

また、粉末材料Pが敷き詰められた粉末床において、粉末材料Pが高密度に充填されているほど、エネルギー線の照射を経て、均質な三次元造形物を形成しやすい。エネルギー線の照射によって粉末材料Pが溶融し、再凝固する際に、凝固収縮による変形やガスの残存による欠陥の生成を起こしにくくなるからである。粉末材料Pとして、大きな嵩密度(ρ)を有するものを用いるほど、粉末床において、粉末材料Pを高密度に充填することができる。嵩密度(ρ)は、2.5g/cm以上であることが好ましい。嵩密度(ρ)は、例えば、公知の密度測定器を用いて、計測すればよい。なお、本明細書では、嵩密度として、見かけ密度(AD)を想定しているが、代わりに、タップ密度(TD)を指標として用いてもよい。また、別の指標として、粉粒体層における嵩体積内の粒子の割合を示した充填率(%)を用いることもでき、その場合には、充填率55%以上であることが好ましい。 In addition, in the powder bed on which the powder material P is spread, the more densely the powder material P is filled, the easier it is to form a homogeneous three-dimensional model through the irradiation of the energy rays. This is because when the powder material P is melted by the irradiation of the energy beam and re-solidified, deformation due to solidification shrinkage and defects due to residual gas are less likely to occur. As the powder material P, the higher the bulk density (ρ) is used, the more densely the powder material P can be packed in the powder bed. The bulk density (ρ) is preferably 2.5 g/cm 3 or more. The bulk density (ρ) may be measured using, for example, a known density measuring instrument. In this specification, apparent density (AD) is assumed as bulk density, but tap density (TD) may be used as an index instead. As another index, a filling rate (%) that indicates the proportion of particles in the bulk volume of the granular material layer can be used. In this case, the filling rate is preferably 55% or more.

以上のように、粉末材料Pとして、内部摩擦角(φ)が小さく、崩れやすいものを用いることで、ホッパー1から供給された粉末材料Pから、均一性の高い粉末床を形成することができる。また、粉末材料Pとして、大きな嵩密度(ρ)を有するものを用いることで、製造される三次元造形物の均質性を高めることができる。上記のように、ホッパー1から安定して均一性高く流出させることができる粉末材料Pを用いることの効果と併せて、粉末積層溶融法による積層造形において、積層造形全体の工程を、安定して円滑に進めることができる。また、良質な三次元造形物を得やすくなる。 As described above, by using the powder material P that has a small internal friction angle (φ) and is easily crumbled, a highly uniform powder bed can be formed from the powder material P supplied from the hopper 1. . Further, by using a powder material P having a large bulk density (ρ), it is possible to improve the homogeneity of the three-dimensional structure to be manufactured. As described above, in combination with the effect of using the powder material P that can be stably discharged from the hopper 1 with high uniformity, in the layered manufacturing by the powder layered melting method, the entire layered manufacturing process can be stably performed. You can proceed smoothly. In addition, it becomes easier to obtain a three-dimensional model of good quality.

LMD法をはじめとする粉末堆積法による積層造形においても、上記のように、流動性に優れた粉末材料Pを用いることで、ノズルに粉末材料Pを供給する工程を、安定に実行することができる。さらに、ノズルから造形を行う箇所に向かって、気流とともに粉末材料Pを噴射する工程においても、ノズルの閉塞を抑制し、造形を安定して進めることができる。 Even in layered manufacturing by a powder deposition method such as the LMD method, by using the powder material P having excellent fluidity as described above, the step of supplying the powder material P to the nozzle can be stably executed. can. Furthermore, even in the process of injecting the powder material P from the nozzle toward the part to be modeled along with the airflow, blockage of the nozzle can be suppressed and the model can be stably advanced.

[金属粉末材料の特性を向上させるための手段]
次に、上記のように、金属粉末材料の特性を、積層造形に適したものとして向上させるための手段、つまり、金属粉末材料の流動性および嵩密度を高めるための手段について説明する。
[Means for improving properties of metal powder material]
Next, the means for improving the properties of the metal powder material so as to be suitable for additive manufacturing as described above, that is, the means for increasing the fluidity and bulk density of the metal powder material will be described.

金属粉末材料を構成する金属粒子の形状は、金属粉末材料の流動性や充填性に大きな影響を与える。金属粒子が、対称性の高い、球体に近い形状を有する方が、その形状の効果により、金属粉末材料における内部摩擦角(φ)が小さくなる。すると、金属粉末材料の集合体の崩れやすさが向上し、金属粉末材料の流動性が高くなる。その結果、積層造形において、ホッパー等からの金属粉末材料の流出を安定に行えるとともに、金属粉末材料を粉末床として敷き詰めやすくなる。また、金属粒子が球体に近い形状を有する方が、その形状の効果により、金属粒子を密に充填することが可能となり、金属粉末材料の嵩密度(ρ)が大きくなる。その結果、密な粉末床を形成し、三次元造形物の品質の向上につなげることができる。 The shape of the metal particles that make up the metal powder material has a great effect on the fluidity and filling properties of the metal powder material. If the metal particles have a shape close to a sphere with high symmetry, the internal friction angle (φ) in the metal powder material becomes smaller due to the effect of the shape. As a result, the easiness of collapsing of the aggregate of the metal powder material is improved, and the fluidity of the metal powder material is increased. As a result, in layered manufacturing, the metal powder material can be stably discharged from the hopper or the like, and the metal powder material can be easily spread as a powder bed. Moreover, when the metal particles have a shape close to a sphere, the metal particles can be densely packed due to the effect of the shape, and the bulk density (ρ) of the metal powder material increases. As a result, it is possible to form a dense powder bed and improve the quality of the three-dimensional structure.

上記のような効果を十分に得る観点から、金属粒子の円形度は、少なくとも、平均粒径よりも小径の領域で、0.80以上であることが好ましい。その円形度は、0.85以上、さらには0.90以上であると、さらに好ましい。ここで、金属粒子の円形度は、金属粒子の立体形状を平面上に投影した二次元図形(投影図形)の、真円へ近接度を示す指標である。 From the viewpoint of sufficiently obtaining the effects as described above, the circularity of the metal particles is preferably 0.80 or more at least in a region smaller than the average particle diameter. Its circularity is more preferably 0.85 or more, more preferably 0.90 or more. Here, the degree of circularity of a metal particle is an index indicating the degree of proximity to a perfect circle of a two-dimensional figure (projection figure) obtained by projecting the three-dimensional shape of the metal particle onto a plane.

金属粒子の円形度は、[投影図形と同じ面積を有する円の周長]/[投影図形の輪郭の総長]、として算出することができる。金属粒子が真球、つまり投影図形が真円の場合には、円形度が1となる。円形度の解析は、光学顕微鏡、電子顕微鏡(SEM)等の顕微鏡像に基づいて行えばよい。上記のような円形度は、粒径が平均粒径に等しいとみなすことができる金属粒子に対して、統計的に十分な数の金属粒子の平均値として求めることが好ましい。例えば、ある粒径を中心として、±5μmの範囲の粒径を有する金属粒子について、金属粒子の円形度を解析し、それらの平均値を、その粒径における円形度として採用するとよい。金属粒子が、引力によって凝集している場合には、その凝集体(二次粒子)全体として、円形度を評価する。 The circularity of the metal particles can be calculated as [perimeter of a circle having the same area as the projected figure]/[total length of contour of the projected figure]. When the metal particles are perfectly spherical, that is, when the projected figure is a perfect circle, the degree of circularity is 1. Analysis of the degree of circularity may be performed based on microscopic images obtained by an optical microscope, an electron microscope (SEM), or the like. The above circularity is preferably obtained as an average value of a statistically sufficient number of metal particles whose particle diameter can be regarded as equal to the average particle diameter. For example, it is preferable to analyze the circularity of metal particles having a particle size in the range of ±5 μm around a certain particle size, and adopt the average value as the circularity for that particle size. When the metal particles are agglomerated by attractive force, the circularity of the agglomerates (secondary particles) as a whole is evaluated.

金属粒子の円形度を上げることは、円形度の高さそのものの効果に加え、水の吸着量の低減を通しても、金属粉末材料の流動性の向上に寄与する。円形度が高いほど、金属粒子の比表面積が小さくなり、水が吸着可能な面積が相対的に小さくなるからである。すると、水を介した液架橋によって金属粒子の間に働く引力を低減することができ、金属粒子間の剪断付着力を低減できる。 Increasing the circularity of the metal particles contributes to the improvement of the fluidity of the metal powder material not only by the effect of the height of the circularity itself but also by reducing the amount of water adsorption. This is because the higher the degree of circularity, the smaller the specific surface area of the metal particles, and the smaller the area where water can be adsorbed. As a result, the attractive force acting between the metal particles can be reduced by the liquid bridge via water, and the shear adhesion force between the metal particles can be reduced.

[金属粉末材料の製造方法の詳細]
ここで、本発明の一実施形態にかかる金属粉末材料の製造方法の詳細について説明する。上記のように、本実施形態にかかる金属粉末材料の製造方法においては、原料準備工程において製造した原料体に対して、解粒工程を実施することで金属粉末材料の流動性と嵩密度を高めることができる。
[Details of manufacturing method of metal powder material]
Here, the details of the method for producing a metal powder material according to one embodiment of the present invention will be described. As described above, in the method for producing a metal powder material according to the present embodiment, the fluidity and bulk density of the metal powder material are increased by performing the pulverization step on the raw material body produced in the raw material preparation step. be able to.

(1)原料準備工程
最初に、金属粉末材料の原料となる原料体を準備する必要がある。原料体は、金属粒子よりなる。金属粒子の一部は、相互に引力によって凝集し、凝集体(二次粒子)を構成していてもよい。一次粒子たる金属粒子は、ミクロンオーダーの粒径、例えば、10μm以上の平均粒径(D50)を有する粒子を主成分としてなっていることが好ましい。ここで、平均粒径10μm以上との粒径は、積層造形の原料として一般的に採用される金属粒子の粒径に基づくものである。
(1) Raw Material Preparing Step First, it is necessary to prepare a raw material, which is the raw material of the metal powder material. The raw material is made of metal particles. Some of the metal particles may be aggregated by mutual attraction to form aggregates (secondary particles). It is preferable that the metal particles, which are the primary particles, mainly consist of particles having a particle size on the order of microns, for example, an average particle size (D50) of 10 μm or more. Here, the particle size with an average particle size of 10 μm or more is based on the particle size of metal particles generally employed as a raw material for layered manufacturing.

原料体は、三次元造形物の構成材料となるものであり、三次元造形物に所望される成分組成を有する金属材料よりなっている。金属材料の種類は特に限定されるものではないが、好適な例として、チタン合金、ニッケル合金、コバルト合金、鉄合金を例示することができる。これらの合金を原料とする三次元造形物を積層造形法によって製造する需要が大きいからである。特に、他の加工法では製造の難しい特殊な形状を有する部材の需要が大きいのが、チタン合金およびニッケル合金である。チタン合金としては、Ti-6Al-4V合金に代表されるTi-Al系合金等を例示することができる。ニッケル合金としては、インコネル(登録商標)等を例示することができる。また、鉄合金としては、種々の工具鋼を例示することができる。 The raw material body is a constituent material of the three-dimensional modeled article, and is made of a metal material having a component composition desired for the three-dimensional modeled article. The type of metal material is not particularly limited, but suitable examples include titanium alloys, nickel alloys, cobalt alloys, and iron alloys. This is because there is a great demand for manufacturing a three-dimensional modeled object using these alloys as raw materials by the additive manufacturing method. In particular, titanium alloys and nickel alloys are in great demand for members having special shapes that are difficult to manufacture by other processing methods. Examples of titanium alloys include Ti-Al alloys such as Ti-6Al-4V alloy. Examples of nickel alloys include Inconel (registered trademark). Moreover, various tool steels can be exemplified as iron alloys.

原料体の製造は、アトマイズ法によって行う。アトマイズ法は、合金溶湯を微小な液滴とした状態で凝固させることで、金属微粒子を得るものである。具体的には、合金溶湯を真空中に噴射し、噴射された合金溶湯に不活性ガスを吹き付けることによって、微小な液滴を生成するガスアトマイズ法や、高速回転するディスクに液滴を滴下して、遠心力によって微小な液滴を生成するディスクアトマイズ法を適用することができる。アトマイズ法においては、ミクロンオーダーの粒径を有する金属粒子を効率的に得ることができる。また、アトマイズ法は、種々の合金組成に対して適用することができる。特に、ガスアトマイズ法が、金属粒子の製造効率や簡便性等の観点で好適である。 The raw material is manufactured by the atomizing method. In the atomization method, fine metal particles are obtained by solidifying a molten alloy in the form of fine droplets. Specifically, the gas atomization method generates minute droplets by injecting molten alloy into a vacuum and blowing an inert gas onto the injected molten alloy. , a disc atomization method that generates fine droplets by centrifugal force can be applied. In the atomization method, metal particles having a particle size on the order of microns can be efficiently obtained. Also, the atomization method can be applied to various alloy compositions. In particular, the gas atomization method is suitable from the viewpoint of production efficiency of metal particles, simplicity, and the like.

(2)解粒工程
アトマイズ法によって得られる原料体においては、一次粒子としての金属粒子の円形度は、比較的高くなっている。しかし、それら金属粒子は、凝集を起こしやすく、凝集構造を含んだ原料体全体としての円形度は、低くなってしまっている。そこで、アトマイズ法によって得られた原料体に対して、解粒工程を実施することで、凝集を解消し、原料体全体としての円形度を高める。
(2) Cracking Step In the raw material obtained by the atomization method, the circularity of the metal particles as primary particles is relatively high. However, these metal particles tend to agglomerate, and the circularity of the entire raw material containing the agglomerated structure is low. Therefore, by subjecting the raw material obtained by the atomizing method to a pulverizing step, the agglomeration is eliminated and the circularity of the raw material as a whole is increased.

解粒工程においては、原料体中の金属粒子の凝集を、力学的に解消する。つまり、固体物質や流体物質等によって、凝集体に物理的刺激を印加することで、相互に凝集している金属粒子を分離する。解粒工程の詳細は、金属粒子の凝集を十分に解消しつつ、一次粒子たる金属粒子自体への影響、つまり金属粒子自体の粉砕や損傷等が、凝集の解消に対して無視できる程度に抑制できるものであれば、特に限定されるものではない。代表的な解粒方法として、気流による凝集体の剪断と、衝突体への衝突による凝集体の粉砕を挙げることができる。 In the pulverization step, agglomeration of metal particles in the raw material is mechanically dissolved. That is, by applying a physical stimulus to the agglomerate with a solid substance, a fluid substance, or the like, the mutually agglomerated metal particles are separated. The details of the disaggregation process are to sufficiently eliminate the agglomeration of the metal particles, while suppressing the impact on the metal particles themselves as primary particles, that is, the pulverization and damage of the metal particles themselves to the extent that they can be ignored for the elimination of agglomeration. It is not particularly limited as long as it can be used. Typical pulverization methods include shearing of aggregates by air flow and pulverization of aggregates by collision with an impactor.

(気流による凝集体の剪断)
気流による凝集体の剪断を行う場合には、気体物質に剪断流れを発生させ、その中に原料体を導入する。そして、剪断流れにより、金属粒子間の剪断付着を解消する。剪断流れは、例えば、強制渦によって発生させることができる。2つの板材を平行に対向させて配置し、板面に直交する軸を中心として、一方の板材を他方の板材に対して高速で回転させることで、遠心力により、2つの板材の間に存在する流体に、剪断流れが発生する。この状態で、板材の間の空間に、金属粒子の凝集体を含む原料体を、不活性ガス等の気体とともに通過させることで、凝集体に剪断力が印加され、凝集体が剪断を受ける。
(Shearing of aggregates by air flow)
In the case of shearing aggregates by air flow, shear flow is generated in the gaseous substance and the raw material is introduced into it. Then, the shear flow eliminates the shear adhesion between the metal particles. Shear flow can be generated, for example, by forced eddies. By arranging two plates facing each other in parallel and rotating one plate against the other at high speed about an axis perpendicular to the plate surface, centrifugal force creates a gap between the two plates. Shear flow occurs in the flowing fluid. In this state, a raw material containing agglomerates of metal particles is passed through the space between the plate members together with a gas such as an inert gas, whereby a shearing force is applied to the agglomerates and the agglomerates are sheared.

剪断流れを利用した凝集体の剪断を行いうる具体的な装置の例として、強制渦式気流分級機を挙げることができる。強制渦式気流分級機としては、例えば特開2003-145052号公報に開示されるようなものを用いることができる。図2に、そのような強制渦式気流分級機5の構成の概略断面を示す。分級機5は、ケーシング51と、ケーシング51に収容され、回転軸Rを中心として高速で軸回転するロータ52が設けられている。ケーシング51の上板51aの内側面と対向するロータ52の上板52aには、羽根53が設けられている。 A forced vortex type air classifier can be given as a specific example of a device capable of shearing aggregates using shear flow. As the forced vortex type air classifier, for example, the one disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-145052 can be used. FIG. 2 shows a schematic cross section of the configuration of such a forced vortex air classifier 5. As shown in FIG. The classifier 5 is provided with a casing 51 and a rotor 52 which is accommodated in the casing 51 and rotates about the rotation axis R at high speed. Blades 53 are provided on the upper plate 52 a of the rotor 52 facing the inner surface of the upper plate 51 a of the casing 51 .

ロータ52を回転させると、ケーシング51の上板51aとロータ52の上板52aおよび羽根53との間の空隙に、剪断流れが発生する。ここに、粉体投入口54から、原料製造工程でアトマイズ法によって得られた原料体Mを投入すると、原料体Mが、その空隙を通過する間に(運動m1)、解粒を受ける。原料体Mの中には、最終的に金属粉末材料として採取したい粒径を有する金属粒子P1が複数凝集した構造や、そのような金属粒子P1よりも小さい粒径を有し、最終的に除去したい微粒子P2が金属粒子P1に付着した構造が含まれるが、剪断流れによる解粒を受けて、複数凝集した金属粒子P1が相互に分離されるとともに、微粒子P2が金属粒子P1から分離される。このようにして、金属粒子P1が、他の金属粒子P1や微粒子P2から分離された金属粉末材料Pを得ることができる。 When the rotor 52 is rotated, a shear flow is generated in the gap between the upper plate 51 a of the casing 51 and the upper plate 52 a of the rotor 52 and the blades 53 . When the raw material M obtained by the atomizing method in the raw material manufacturing process is introduced from the powder inlet 54, the raw material M undergoes pulverization while passing through the gap (movement m1). The raw material M has a structure in which a plurality of metal particles P1 having a particle size desired to be finally collected as a metal powder material are agglomerated, or has a particle size smaller than such metal particles P1 and is finally removed. It includes a structure in which the desired fine particles P2 are attached to the metal particles P1, but undergoes fragmentation due to shear flow, and the multiple aggregated metal particles P1 are separated from each other, and the fine particles P2 are separated from the metal particles P1. In this manner, a metal powder material P in which the metal particles P1 are separated from other metal particles P1 and fine particles P2 can be obtained.

なお、強制渦式気流分級機5は、その名称が示すとおり、本来は、粉体の分級に用いられるものであり、粉体が、2つの分級羽根55a,55bおよびロータ52の空洞部52bを通過する間に(運動m1’)、分級、つまり粒径による分別を受ける。ロータ52の上板52aに設けられた羽根53は本来、分級の前段階として、粉体投入口54から投入された粉体を空間的に分散させるためのものである。しかし、粉体の導入にかかる気流の速度やロータ52の回転速度等の運転条件を調整することで、上記のように、アトマイズ法によって製造された原料体Mの解粒に利用することができる。 As the name suggests, the forced vortex air classifier 5 is originally used for classifying powder. During the passage (movement m1') it undergoes classification, ie fractionation according to particle size. The blades 53 provided on the upper plate 52a of the rotor 52 are originally intended to spatially disperse the powder introduced from the powder inlet 54 as a pre-classification stage. However, by adjusting the operating conditions such as the speed of the airflow for introducing the powder and the rotation speed of the rotor 52, it can be used for breaking up the raw material M produced by the atomization method as described above. .

さらに、上記のように、強制渦式気流分級機5が、粉体の分級を行いうる装置であることから、原料体Mの解粒と分級を一度の操作で行うこともできる。つまり、ケーシング51の上板51aとロータ52の上板52aおよびそこに設けられた羽根53の間の空間で解粒した粒子を、そのまま気流に乗せて、分級羽根55a,55bを通過させてロータ52の空洞部52bに導入し、分級を行うことができる(運動m1’)。解粒と分級における分級機5の運転条件の違い等により、それらを一度の操作で行わないとしても、同じ装置を用いて行うことができる。 Furthermore, as described above, since the forced vortex type air classifier 5 is a device capable of classifying powder, it is also possible to perform pulverization and classification of the raw material M in a single operation. That is, the particles pulverized in the space between the upper plate 51a of the casing 51 and the upper plate 52a of the rotor 52 and the blades 53 provided thereon are put on the airflow as they are, and passed through the classifying blades 55a and 55b to the rotor. It can be introduced into the cavity 52b of 52 and classified (movement m1'). Due to differences in operating conditions of the classifier 5 between pulverization and classification, even if they are not performed in one operation, they can be performed using the same apparatus.

以上で説明したように、強制渦式気流分級機等を用いた気流による凝集体の剪断等によって、解粒工程を実施した際に、得られる金属粉末材料においては、原料体に含まれていた凝集体の凝集が解消されていることで、原料体よりも構成粒子の円形度が高められている。例えば、解粒によって、解粒後の金属粉末材料の円形度を、解粒前の原料体の1.1倍以上、また1.2倍以上に向上させることができる。ここでは、解粒による凝集の解消を、力学的に行っているので、化学的方法や熱的方法を用いる場合に生じうる金属粒子の変性を避けながら、また、簡素な装置を用いて、円形度の向上を行うことができる。 As described above, when the disaggregation process is carried out by shearing aggregates by air flow using a forced vortex air classifier or the like, the metal powder material obtained contains Since the agglomeration of the agglomerates is eliminated, the circularity of the constituent particles is higher than that of the raw material. For example, by pulverization, the circularity of the metal powder material after pulverization can be improved to 1.1 times or more, or 1.2 times or more, that of the raw material before pulverization. Here, since the elimination of agglomeration by pulverization is performed mechanically, while avoiding the denaturation of metal particles that may occur when using a chemical method or a thermal method, a simple apparatus can be used to obtain circular particles. degree improvement can be made.

解粒工程は、気流による剪断と、衝突による粉砕のいずれによって行ってもよい。気流による剪断が分散機構によるものであることから、解粒装置を分級装置としての用途と共用できるという観点等からは、気流による剪断を用いる方が好ましい。一方、解粒の効率および装置の簡便性等の観点からは、衝突による粉砕を用いる方が好ましい。また、両方の方法による解粒を併用することもできる。併用により、解粒の確実性を高めることができる。その場合、衝突による凝集体の粉砕を行ってから、気流による凝集体の剪断を行うことが好ましい。上記のように、強制渦式気流分級機等、剪断に用いるのと同じ装置によって、分級まで行うことができるからである。 The pulverization process may be carried out by either shearing by air flow or pulverization by impact. Since the shearing by airflow is due to the dispersing mechanism, it is preferable to use the shearing by airflow from the viewpoint that the pulverizing device can be used in common with the classification device. On the other hand, from the viewpoint of the efficiency of pulverization and the simplicity of the apparatus, it is preferable to use pulverization by collision. Both methods of pulverization can also be used together. By using them together, the certainty of pulverization can be enhanced. In that case, it is preferable to crush the aggregates by collision and then shear the aggregates by air flow. This is because, as described above, classification can be performed by the same device as used for shearing, such as a forced vortex type air classifier.

なお、原料製造工程の後、および/または解粒工程の後に、粒子群に対する分級を適宜行ってもよい。分級は、気流分級や篩分級によって行うことができる。分級を行うことで、金属粉末材料として所望される粒径を有する比較的大径の金属粒子P1を、それよりも小径の微粒子P2や、十分な解粒を受けずに残った凝集体等から分離することができる。金属粒子P1の中で、所望の狭い範囲の粒径を有するものを分取することもできる。上記のように、解粒工程の後に分級を行う場合、特に強制渦式気流分級機を用いて解粒を行う場合は、解粒工程と同じ装置を用いて、解粒と同時に、あるいはその後に、分級を行うことができる。また、原料製造工程実施後の原料体、あるいは解粒工程実施後の金属粉末材料に対して、化学処理等を施してもよい。さらに、得られた金属粉末材料に、適宜、別の種類の粉末材料等を混合して、積層造形に用いてもよい。 In addition, after the raw material manufacturing process and/or after the pulverization process, the particle groups may be appropriately classified. Classification can be performed by airflow classification or sieve classification. By performing classification, relatively large-diameter metal particles P1 having a desired particle size as a metal powder material are separated from smaller-diameter fine particles P2 and agglomerates remaining without being sufficiently pulverized. can be separated. Among the metal particles P1, those having a particle size within a desired narrow range can be fractionated. As described above, when the classification is performed after the crushing process, especially when the crushing is performed using a forced vortex air classifier, the same equipment as in the crushing process is used, simultaneously with or after the crushing process. , can be classified. Further, chemical treatment or the like may be applied to the raw material body after the raw material manufacturing process or the metal powder material after the pulverizing process. Further, the obtained metal powder material may be appropriately mixed with another kind of powder material or the like and used for lamination molding.

[製造される金属粉末材料]
上記のように、原料体の解粒を経て製造される金属粉末材料は、実質的に、原料体と同じ成分組成と一次粒径を有する金属粒子よりなっているが、解粒によって、金属粒子の凝集構造が解消され、原料体よりも円形度が高くなっている。つまり、原料体よりも対称性の高い形状と平滑な表面を有する粒子よりなっている。解粒後の金属粒子の平均粒径は、積層造形の原料としての好適性の観点から、10μm以上であると好ましい。さらに、平均粒径は、30μm以上から80μm以下の範囲にあると好ましい。上でも述べたとおり、金属粒子の円形度は、少なくとも、平均粒径よりも小径の領域で、0.80以上、さらには0.85以上、0.90以上であることが好ましい。
[Metal powder material to be manufactured]
As described above, the metal powder material produced through pulverization of the raw material consists essentially of metal particles having the same composition and primary particle size as those of the raw material. The agglomerated structure is eliminated, and the degree of circularity is higher than that of the raw material. That is, it is composed of particles having a more symmetrical shape and a smoother surface than the raw material. The average particle size of the metal particles after pulverization is preferably 10 μm or more from the viewpoint of suitability as a raw material for layered manufacturing. Furthermore, the average particle size is preferably in the range of 30 μm or more to 80 μm or less. As described above, the circularity of the metal particles is preferably 0.80 or more, more preferably 0.85 or more, or 0.90 or more, at least in a region smaller than the average particle diameter.

本実施形態にかかる製造方法において、原料体に対して解粒工程を実施し、円形度の向上した金属粉末材料とすることで、もとの原料体と比べて、内部摩擦角(φ)が小さくなる。また、嵩密度(ρ)が高くなる。それらの結果、金属粉末材料の崩れやすさが向上することで、流動性が向上する。また、金属粉末材料の充填性も向上する。このように、流動性と充填性に優れた金属粉末材料を積層造形法に用いることで、粉末床を形成する際の金属粉末材料の供給および敷き詰めを、均一性高く、また安定して行うことができる。粉末床の充填密度が高められ、得られる三次元造形物の均質性も向上される。例えば、原料体の解粒によって、内部摩擦角(φ)を、tanφで、当初の80%以下に低減することができる。一方、嵩密度(ρ)を、1.2倍以上に上昇させることができる。 In the manufacturing method according to the present embodiment, the raw material body is subjected to a pulverization step to obtain a metal powder material with improved circularity, so that the internal friction angle (φ) is greater than that of the original raw material body. become smaller. Also, the bulk density (ρ) increases. As a result, the ease of crumbling of the metal powder material is improved, thereby improving the fluidity. In addition, the fillability of the metal powder material is also improved. In this way, by using a metal powder material with excellent fluidity and filling properties in the additive manufacturing method, the metal powder material can be uniformly and stably supplied and spread when forming a powder bed. can be done. The packing density of the powder bed is increased, and the homogeneity of the three-dimensional structure obtained is also improved. For example, by pulverizing the raw material body, the internal friction angle (φ) can be reduced to 80% or less of the initial value in terms of tanφ. On the other hand, the bulk density (ρ) can be increased by 1.2 times or more.

以下、実施例を用いて本発明をより具体的に説明する。ここでは、原料体に対して解粒工程を実施することによって得られる金属粉末材料の状態および特性に関する試験を行った。 EXAMPLES The present invention will be described in more detail below using examples. Here, tests were conducted on the state and characteristics of the metal powder material obtained by subjecting the raw material to the pulverization process.

(試料の作製)
Ti-6Al-4V合金(6質量%のAlと4質量%のVを含有し、残部がTiと不可避的不純物よりなる合金;Ti-64)よりなる金属粒子を、ガスアトマイズ法にて作成した。そして、45/105μmにて分級を行い、試料#1を準備した。
(Preparation of sample)
Metal particles made of Ti-6Al-4V alloy (alloy containing 6% by mass of Al and 4% by mass of V, with the balance being Ti and unavoidable impurities; Ti-64) were prepared by gas atomization. Then, classification was performed at 45/105 μm to prepare sample #1.

また、同様にガスアトマイズ法にて作成した金属粒子に対して、強制渦式気流分級機を用いた解粒を実施した。そして、同じ装置を用いて、45/105μmにて分級を行い、試料#2を準備した。 In addition, the metal particles prepared by the gas atomization method were also pulverized using a forced vortex type air classifier. Then, using the same device, classification was performed at 45/105 μm to prepare sample #2.

(金属粒子の状態と特性の評価)
まず、試料#1および試料#2のそれぞれについて、粒子画像分析装置を用いて、粒子形状の評価を行った。そして、粒子形状に基づいて、粒度分布を評価するとともに、粒径10μmごとに、円形度を計測した。
(Evaluation of state and properties of metal particles)
First, each of sample #1 and sample #2 was evaluated for particle shape using a particle image analyzer. Then, based on the particle shape, the particle size distribution was evaluated, and the circularity was measured for each 10 μm particle size.

そして、試料#1および試料#2のそれぞれについて、内部摩擦角(φ)および嵩密度(ρ)の評価を行った。内部摩擦角(φ)の測定は、JIS Z 8835に準拠し、回転セル型の剪断試験装置を用いて、粉末材料に圧力(σ)を印加した際に発生する剪断応力(τ)を計測することで行った。σを横軸に、τを縦軸にプロットし、近似直線の傾きをtanφとして、内部摩擦角(φ)を求めた。また、嵩密度(ρ)は、JIS Z 2504に準拠し、金属粉末用嵩比重測定器を用いて、計測した。各計測は、気温23℃、相対湿度RH26%の条件で行った。 Then, the internal friction angle (φ) and bulk density (ρ) were evaluated for each of sample #1 and sample #2. The internal friction angle (φ) is measured in accordance with JIS Z 8835 using a rotating cell type shear tester to measure the shear stress (τ) generated when pressure (σ) is applied to the powder material. I went by Plotting σ on the horizontal axis and τ on the vertical axis, the slope of the approximation straight line was set to tanφ, and the internal friction angle (φ) was obtained. In addition, the bulk density (ρ) was measured using a metal powder bulk specific gravity meter in accordance with JIS Z 2504. Each measurement was performed under conditions of an air temperature of 23° C. and a relative humidity of 26% RH.

(評価結果)
<金属粒子の状態>
図3に、試料#1(解粒前)および試料#2(解粒後)について、粒度分布を示す(実線および破線にて表示)。これによると、試料#1と試料#2は、中央値や幅において、類似した粒度分布を有している。また、下の表1に、粒度分布にかかるパラメータを示す。これらの各パラメータも、試料#1と試料#2で近い値となっている。つまり、試料#1,#2とも、分級によって所望の粒度分布を得られており、以降の評価において、試料#1と試料#2の間に見られる状態や特性の差は、粒度分布の差によるものではないということが確認される。
(Evaluation results)
<State of metal particles>
FIG. 3 shows the particle size distribution of sample #1 (before pulverization) and sample #2 (after pulverization) (indicated by solid and broken lines). It shows that sample #1 and sample #2 have similar particle size distributions in median and width. In addition, Table 1 below shows parameters related to the particle size distribution. Each of these parameters also has a similar value between sample #1 and sample #2. In other words, the desired particle size distribution was obtained for both samples #1 and #2 by classification. It is confirmed that it is not due to

Figure 0007249811000001
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図4に、粒径70±5μmの場合について、得られた粒子画像の例を示す。(a)が試料#1、(b)が試料#2の観察結果を示している。それらの像を見ると、試料#1では、ほとんどの粒子が、円形から大きく逸脱したいびつな形状を有している。中でも、大径の粒子に小径の粒子が凝着したような粒子形状が多い。これに対して、試料#2では、いずれの粒子も、かなり円形に近い形状を有している。 FIG. 4 shows an example of a particle image obtained for a particle size of 70±5 μm. (a) shows the observation results of the sample #1, and (b) shows the observation results of the sample #2. Looking at those images, most of the particles in sample #1 have distorted shapes that deviate greatly from circular shapes. Among them, there are many particle shapes in which small-diameter particles adhere to large-diameter particles. In contrast, in sample #2, all particles have a shape that is fairly close to circular.

さらに、図4のそれらの粒子画像に基づいて、金属粒子の円形度を算出し、平均をとると、試料#1については、0.71となった。これに対し、試料#2については0.91と、1に近い数値が得られた。 Further, based on the particle images in FIG. 4, the circularity of the metal particles was calculated and averaged to 0.71 for sample #1. On the other hand, a numerical value close to 1, which is 0.91, was obtained for sample #2.

図4の粒子画像をもとに粒径70μmに対応する円形度を評価したのと同様に、他の粒径についても、粒径10μmごとに、円形度を評価した。その評価結果を、粒度分布と併せて図3に示す(プロット点と直線にて表示)。図3によると、全粒径において、試料#2の円形度が、試料#1よりも高くなっている。試料♯1,♯2とも、特に小径側で、円形度が高くなっているが、試料#2の方で、円形度の高い粒径の範囲が、広くなっている。 Similar to the evaluation of the circularity corresponding to the particle size of 70 μm based on the particle image in FIG. The evaluation results are shown in FIG. 3 together with the particle size distribution (indicated by plotted points and straight lines). According to FIG. 3, the circularity of sample #2 is higher than that of sample #1 for all grain sizes. In both samples #1 and #2, the degree of circularity is high, especially on the small diameter side, but sample #2 has a wider range of particle diameters with high degree of circularity.

以上の評価結果より、分級のみを行った試料#1よりも、解粒を経た試料#2において、顕著に高い円形度が得られており、球形に近い金属粒子が得られていることが分かる。つまり、解粒によって、金属粒子の円形度を上げ、球形に近い金属粒子とすることができる。 From the above evaluation results, it can be seen that the circularity of sample #2, which has undergone pulverization, is significantly higher than that of sample #1, which has undergone only classification, and metal particles that are nearly spherical are obtained. . In other words, by pulverization, the circularity of the metal particles can be increased, and the metal particles can be made to have a nearly spherical shape.

さらに、図5に、金属粒子のSEM観察の結果を示す。図5(a)では、試料#1の粒子を示している。直径が数10μmの大径の粒子の表面に、10μm以下程度の径を有する小径の粒子が多数密着しているのが分かる。これら大径の粒子と小径の粒子の集合体が、図4(a)で得られた円形度の低いいびつな粒子画像に対応している。 Furthermore, FIG. 5 shows the results of SEM observation of metal particles. In FIG. 5(a), the particles of sample #1 are shown. It can be seen that a large number of small particles having a diameter of about 10 μm or less adhere to the surface of large particles having a diameter of several tens of μm. Aggregates of these large-diameter particles and small-diameter particles correspond to the distorted particle image with low circularity obtained in FIG. 4(a).

これに対し、同倍率で試料#2の粒子を観察した図5(b)においては、直径が数10μmの粒子の表面にそれよりも小さい粒子が付着しているような凝集体の割合は少なくなっている。つまり、試料#2において、解粒を経ることで、金属粒子の凝集が解消され、粒子全体としての形状の対称性が上がっていることが分かる。これは、図3に示した円形度の解析結果および図6の粒子画像とも合致するものである。 On the other hand, in FIG. 5(b), in which the particles of sample #2 were observed at the same magnification, the proportion of aggregates in which smaller particles adhered to the surface of particles several tens of μm in diameter was small. It's becoming In other words, it can be seen that in sample #2, the agglomeration of the metal particles is eliminated and the symmetry of the shape of the particles as a whole is improved by undergoing pulverization. This agrees with the circularity analysis result shown in FIG. 3 and the particle image in FIG.

<金属粉末材料の特性>
図6(a)に、内部摩擦角(φ)の測定結果を示す。これによると、解粒を経た試料#2において、内部摩擦角(φ)が、分級のみを経た試料#1と比べて、tanφで、80%以下となっている。
<Characteristics of metal powder material>
FIG. 6(a) shows the measurement results of the internal friction angle (φ). According to this, the internal friction angle (φ) in sample #2, which has undergone pulverization, is 80% or less in terms of tanφ compared to sample #1, which has undergone only classification.

さらに、図6(b)に、嵩密度(ρ)の測定結果を示す。これによると、解粒を経た試料#2において、嵩密度(ρ)が、分級のみを経た試料#1と比べて、1.2倍に大きくなっている。 Furthermore, FIG. 6(b) shows the measurement results of the bulk density (ρ). According to this, the bulk density (ρ) of the sample #2 that has undergone pulverization is 1.2 times greater than that of the sample #1 that has undergone only classification.

以上のように、アトマイズ法によって得られた原料体に解粒を施すことで、金属粉末材料の内部摩擦角(φ)が減少するとともに、嵩密度(ρ)が増大している。これらはいずれも、構成粒子の円形度が向上していることの効果によるものである。 As described above, by pulverizing the raw material obtained by the atomization method, the internal friction angle (φ) of the metal powder material is decreased and the bulk density (ρ) is increased. All of these are due to the improved circularity of the constituent particles.

以上、本発明の実施形態および実施例について説明した。本発明は、これらの実施形態および実施例に特に限定されることなく、種々の改変を行うことが可能である。 The embodiments and examples of the present invention have been described above. The present invention is not particularly limited to these embodiments and examples, and various modifications are possible.

1 ホッパー
10 容器
11 粉末供給路
2 基材
3 リコーター
5 強制渦式気流分級機
A 造形体
M 原料体
P 粉末材料
P1 金属粒子
P2 微粒子

1 Hopper 10 Container 11 Powder Supply Path 2 Substrate 3 Recoater 5 Forced Vortex Air Classifier A Modeled Body M Raw Material P Powder Material P1 Metal Particle P2 Fine Particles

Claims (7)

アトマイズ法によって、金属粒子よりなる原料体を製造する原料製造工程と、
前記原料体における前記金属粒子の凝集を力学的に解消する解粒工程と、をこの順に行い、
前記解粒工程は、気流によって前記金属粒子の凝集体の剪断を行うものであり、強制渦によって前記凝集体に剪断力を印加し、
前記解粒工程によって、前記金属粒子の円形度を1.1倍以上に向上させることを特徴とする金属粉末材料の製造方法。
a raw material manufacturing step of manufacturing a raw material body composed of metal particles by an atomizing method;
and a pulverization step of mechanically eliminating agglomeration of the metal particles in the raw material, and
In the pulverization step, the agglomerates of the metal particles are sheared by an air flow, and a shearing force is applied to the agglomerates by a forced vortex ,
A method for producing a metal powder material , wherein the circularity of the metal particles is increased by 1.1 times or more by the pulverizing step .
前記金属粒子は、チタン合金、ニッケル合金、コバルト合金、鉄合金のいずれかよりなることを特徴とする請求項1に記載の金属粉末材料の製造方法。 2. The method of manufacturing a metal powder material according to claim 1, wherein the metal particles are made of one of titanium alloy, nickel alloy, cobalt alloy and iron alloy. 前記解粒工程によって、前記金属粒子よりなる金属粉末材料の嵩密度を1.2倍以上に上昇させることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の金属粉末材料の製造方法。3. The method for producing a metal powder material according to claim 1, wherein the bulk density of the metal powder material composed of the metal particles is increased by 1.2 times or more by the pulverizing step. 前記解粒工程によって、前記金属粒子よりなる金属粉末材料の内部摩擦角φを、tanφで、80%以下に低減することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の金属粉末材料の製造方法。4. The pulverization step reduces the internal friction angle φ of the metal powder material made of the metal particles to 80% or less in tan φ. A method for producing a metal powder material. 前記解粒工程を強制渦式気流分級機によって行った後、After performing the pulverization step with a forced vortex air classifier,
前記解粒工程と同じ前記強制渦式気流分級機を用いて、前記金属粒子の分級を実施することを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の金属粉末材料の製造方法。5. The production of the metal powder material according to any one of claims 1 to 4, wherein the metal particles are classified using the same forced vortex air classifier used in the pulverization step. Method.
前記解粒工程によって、前記金属粒子の円形度を1.2倍以上に向上させることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の金属粉末材料の製造方法。6. The method for producing a metal powder material according to any one of claims 1 to 5, wherein the pulverization step improves the circularity of the metal particles by 1.2 times or more. 前記解粒工程によって、前記金属粒子の円形度が、少なくとも、平均粒径よりも小径の領域で、0.90以上となることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の金属粉末材料の製造方法。7. The method according to any one of claims 1 to 6, wherein the circularity of the metal particles becomes 0.90 or more at least in a region smaller than the average particle diameter by the pulverizing step. A method for producing the described metal powder material.
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