JP7323361B2 - 積層造形用粉末、積層造形用スラリー、3次元積層造形体、焼結体、積層造形用スラリーの製造方法、積層造形方法及び焼結方法 - Google Patents
積層造形用粉末、積層造形用スラリー、3次元積層造形体、焼結体、積層造形用スラリーの製造方法、積層造形方法及び焼結方法 Download PDFInfo
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Description
(1)本発明の一態様に係る積層造形用粉末は、粗粒無機粉末と、平均粒径が前記粗粒無機粉末より小さい微細無機粉末と、からなり、前記粗粒無機粉末と前記微細無機粉末との粒径体積比率が28.0~53.0である。前記粗粒無機粉末のd10とd50との比d10/d50が、0.1~0.7であり、前記粗粒無機粉末のd90とd50との比d90/d50が、1.6~2.9であり、前記粗粒無機粉末がシリカであり、前記微細無機粉末がアルミナであり、前記粗粒無機粉末の平均粒径が2.0~20.0μmであり、前記微細無機粉末の平均粒径が0.10~0.64μmである。
(2)本発明の一態様に係る積層造形用粉末は、粗粒無機粉末と、平均粒径が前記粗粒無機粉末より小さい微細無機粉末と、からなり、前記粗粒無機粉末と前記微細無機粉末との粒径体積比率が28.0~53.0である。前記微細無機粉末のd10とd50との比d10/d50が、0.1~0.6であり、前記微細無機粉末のd90とd50との比d90/d50が、2.0~5.0であり、前記粗粒無機粉末がシリカであり、前記微細無機粉末がアルミナであり、前記粗粒無機粉末の平均粒径が2.0~20.0μmであり、前記微細無機粉末の平均粒径が0.10~0.64μmである。
(3)(1)又は(2)の態様に記載の積層造形用粉末は、前記粒径体積比率が28.0~49.6であるであってもよい。
(4)(1)~(3)のいずれか一態様に記載の積層造形用粉末は、前記粗粒無機粉末の形状が球状であってもよい。
(5)(1)~(4)のいずれか一態様に記載の積層造形用粉末は、前記微細無機粉末の形状が球状であってもよい。
(6)本発明の一態様に係る積層造形用スラリーは、(1)~(5)いずれか一態様に記載の積層造形用粉末と液状樹脂とからなる積層造形用スラリーにおいて、積層造形用粉末の濃度が70.0~80.0vol.%である。
(7)本発明の一態様に係る3次元積層造形体は、(1)~(5)いずれか一態様に記載の積層造形用粉末を用いる。
(8)本発明の一態様に係る焼結体は、(1)~(5)いずれか一態様に記載の積層造形用粉末を用いる。
(9)本発明の一態様に係る積層造形用スラリーの製造方法は、(1)~(5)いずれか一態様に記載の積層造形用粉末と液状樹脂とを混合し、400~600rpmで攪拌する。
(10)本発明の一態様に係る積層造形方法は、(6)に記載の積層造形用スラリーを用いて3次元積層造形体を形成する。
(11)本発明の一態様に係る焼結方法は、(10)に記載の積層造形方法で形成された3次元積層造形体に、脱脂処理、焼結処理を行う。
以下、図面を参照し、本発明の一実施形態に係る積層造形用粉末を説明する。
本実施形態に係る積層造形用粉末10は、図1に示すように粗粒無機粉末1及び粗粒無機粉末1より粒径が小さい微細無機粉末2から構成される。なお、以下の説明で上限値と下限値を「~」で結んで範囲表示する場合、特に注釈しない限り、上限値と下限値を含む範囲を意味する。
本発明に使用する粗粒無機粉末1は、少なくともシリカ又はシリカとアルミナとの化合物のいずれか一方からなる。シリカの例としては、例えば、結晶シリカ、アモルファスシリカ、溶融シリカなどを挙げることができる。また、シリカとアルミナとの化合物としては、例えば、ムライトなどを挙げることができる。粗粒無機粉末1がアルミナである場合、粗粒無機粉末1同士の摩擦が多く、積層造形用スラリー11中の積層造形用粉末10の濃度が高くなると積層造形用スラリー11が固化してしまうため、好ましくない。
本発明に使用する微細無機粉末2は、少なくともシリカ又はアルミナのいずれか一方を用いることができる。アルミナは、例えば、αーアルミナ、γ―アルミナを挙げることができる。特にα―アルミナが熱的に安定であるため、好ましい。また、アルミナは、液状樹脂との間に相互作用が働きやすく、粗粒無機粉末1のベアリング効果を向上することができるため、好ましい。
図2に示すように、積層造形用スラリー11は液状樹脂3と上述の積層造形用粉末10とから構成される。積層造形用スラリー11中の積層造形用粉末10の濃度は70.0~80.0vol.%である。積層造形用スラリー11中の積層造形用粉末の濃度が70vol.%未満の場合、焼結後の無機粉末の焼結体の収縮率が大きく、複雑な形状の焼結体においてひびが入ることがある。80vol.%超の場合、粘度が高くなりすぎて積層造形用スラリー11が固化してしまう。
積層造形用スラリー11に用いられる液状樹脂3としては、3次元の積層造形体を高精度で形成することができれば、特に限定されない。積層造形用スラリー11に用いられる液状樹脂としては、例えば、光硬化樹脂、熱硬化樹脂などを挙げることができる。生産性や3次元積層造形体の精度の観点からは、光硬化樹脂が好ましい。
積層造形用スラリー11に用いられる光硬化樹脂としては、例えば、ラジカル重合性の化合物やカチオン重合性の化合物が挙げられる。光硬化樹脂は、光重合開始剤の存在下で光を照射することで硬化する。
積層造形用スラリー11を製造するための方法(図4、S1)は特に限定されない。積層造形用スラリーを製造するための方法としては、積層造形用粉末10と液状樹脂3とを混合後、高速撹拌機、ホモジナイザー、プラネタリ―ミキサーなどを用いて積層造形用粉末10を液状樹脂3中に分散する方法がある。例えば、高速撹拌機の回転数は、400~600rpmが好ましい。この攪拌速度の範囲で攪拌を行うことで、積層造形用粉末10と液状樹脂3とを均一に混合することができる。攪拌時間は、2分以上が好ましい。これらの条件であれば攪拌翼の形状によらず、積層造形用粉末10と液状樹脂3とを均一に混合することができる。
本発明の積層造形方法(図4、S2)の代表的な例を説明する。下記に説明する例は本発明の一例であり、特に限定はされない。
上記の積層造形用スラリー11を容器に収容する。容器の底は、上下に可動することができる。収容された積層造形用スラリー11に対し、ナイフエッジを用い積層造形用スラリー11の薄層を形成する。形成された薄層に、選択的に光を照射して積層造形用スラリー11を硬化させて、任意の2次元形状の硬化物を形成する。
次に、積層造形用スラリー11が収容された底を微小量降下させて、この任意の2次元形状の硬化物が形成された薄層の上に、積層造形用スラリー11を供給し、再度ナイフエッジで積層造形用スラリー11の薄層を形成する。この再度形成された薄層に対して選択的に光を照射し、再度任意の2次元形状の硬化物を形成する。これらの工程を繰り返すことで、複数層の硬化物が積層されて3次元の積層造形体が形成される。得られた3次元の積層造形体は、洗浄剤等を用いて未硬化の樹脂を除去する。
本発明の焼結方法(図4、S3)の代表的な例を説明する。本発明の積層造形方法で得られた3次元の積層造形体を焼結炉に入れ、1℃/時間以上で室温から脱脂処理温度まで炉内の温度を昇温する。脱脂処理温度は、例えば、500~700℃の範囲で適宜設定することができる。脱脂処理温度がこの温度範囲であれば、3次元積層造形中の樹脂を燃焼させることができるので、好ましい。脱脂処理温度まで焼結炉内の温度が到達した後は、0.5~4時間(脱脂時間)、その脱脂処理温度を保持して加熱し、樹脂成分を燃焼させる(脱脂工程)。脱脂時間は、樹脂の種類や積層造形体中の樹脂比率に応じて設定することができる。
次に、50℃/時間以上で焼結処理温度まで焼結炉の炉内の温度を昇温する。焼結処理温度は、例えば900~1300℃の範囲で適宜設定することができる。焼結処理温度がこの温度範囲であれば、積層造形用粉末10をひびなどが入らずに焼結させることができるので、好ましい。焼結処理温度まで炉内の温度が到達した後は、その焼結処理温度を保持して、1~7時間(焼結時間)加熱し、積層造形用粉末10を焼結させることで(焼結工程)、積層造形用粉末10を用いた焼結体が得られる。焼結時間は、無機粉末の種類などに応じて設定することができる。
粗粒無機粉末として、表1の粗粒無機粉末1(SiO2、球状、平均粒径5.0μm)を用い、微細無機粉末として、表1の微細無機粉末1(SiO2、球状、平均粒径0.64μm)を用いた。粗粒無機粉末と微細無機粉末を4:0~0:4の混合比でドライブレンドした。その後、無機粉末の濃度が30~80vol.%になるようにドライブレンド後の無機粉末に液状樹脂を加え、高速撹拌機を用い400~600rpmで25分攪拌し、測定用スラリーを作製した。
上記知見を基に、表1に記載の粗粒無機粉末と微細無機粉末を表2A及び表2Bに記載の体積混合比(粗粒無機粉末/微細無機粉末)でドライブレンドした。なお、表2A中の各無機粉末の体積割合は、液状樹脂と無機粉末の合計体積に対する無機粉末の体積割合を示す。スラリー中の無機粉末の濃度が表2A及び表2Bに記載の濃度になるように液状樹脂である光硬化性アクリル樹脂をドライブレンド後の無機粉末に加え、回転攪拌機を用い400rpm以上で25分攪拌し、積層造形用スラリーを作製した。表中の記載「―」は、添加されていないことを示す。
上記で作成した積層造形用スラリーに対して、汎用型の紫外線レーザー走査型の積層造形装置を用い、積層造形体を作製した。レーザの波長は355~405nm、出力は1W以下とした。レーザ照射時の環境温度は25度とした。形成された積層造形体は、エタノールを含有する洗浄剤で未硬化の樹脂を取り除いた。
上記で得られた積層造形体を焼結炉に入れ、1℃/時間以上で室温から脱脂処理温度(400~700℃)まで焼結炉内の温度を昇温し、その脱脂処理温度で2時間保持した。その後、50℃/時間以上で脱脂処理温度から焼結処理温度(900~1300℃)まで焼結炉内の温度を昇温し、その焼結処理温度で2時間保持して、焼結体を得た。
表2に記載の割合で粗粒無機粉末と微細無機粉末とをドライブレンドして作製した積層造形用粉末約1gを容器に入れ、レーザ回折式計測装置:マスターサイザーを用いて、d10、d50、d90を測定した。測定の結果を表3に示す。なお、表2中の粒径2.0μm以上の無機粉末の体積割合は、測定して得られた各粉末の粒度分布から計算して求めた。
敷設性の評価は、ステンレス製スキージングブレードを用いて、敷設速度5mm/sの範囲の一定速度で、厚さ100μmの均一なスラリー層を敷設できるかどうかにて評価した。均一なスラリーができる場合を合格とし、ムラや気泡ができる場合を不合格とした。
コーンプレート型動粘度計を用い、上記積層造形用スラリ―の粘度ηa1を測定した(室温、せん断速度0~25/s)。
コーンプレート型動粘度計において、せん断速度を0/sから25/sと上昇させた場合の、10/sのせん断速度時のせん断応力A(Pa)と、せん断速度を25/sから0/sと減少させた場合の、10/sのせん断速度時のせん断応力B(Pa)とを比較することで、測定用スラリーのチクソトロピー性を評価した。A/B>1のときを合格とし、A/B≦1のときは不合格とした。得られた結果を表3に示す。表中の〇は合格を示し、×は不合格を示す。
焼結体の評価は、脱脂処理前の積層造形体のX、Y、Z軸方向の各寸法及び焼結後の焼結体のX、Y、Z軸方向の各寸法を測定し、脱脂処理前と焼結後での寸法の変化量から収縮率を評価した。
また、焼結体の評価をチクソトロピー性、敷設性に優れ、粉末濃度が75.0%以上である実施例1及び2に対して行った。実施例1及び2ともに5%以下の低い収縮率を示し、特に実施例2は実施例1より低い収縮率を示した。
2 微細無機粉末
3 液状樹脂
10 積層造形用粉末
11 積層造形用スラリー
Claims (11)
- 粗粒無機粉末と、
粒径が前記粗粒無機粉末より小さい微細無機粉末と、
からなり、
前記粗粒無機粉末と前記微細無機粉末との粒径体積比率が28.0~53.0であり、
前記粗粒無機粉末のd10とd50との比d10/d50が、0.1~0.7であり、前記粗粒無機粉末のd90とd50との比d90/d50が、1.6~2.9であり、
前記粗粒無機粉末がシリカであり、
前記微細無機粉末がアルミナであり、
前記粗粒無機粉末の平均粒径が2.0~20.0μmであり、
前記微細無機粉末の平均粒径が0.10~0.64μmである、
積層造形用粉末。 - 粗粒無機粉末と、
粒径が前記粗粒無機粉末より小さい微細無機粉末と、
からなり、
前記粗粒無機粉末と前記微細無機粉末との粒径体積比率が28.0~53.0であり、
前記微細無機粉末のd10とd50との比d10/d50が、0.1~0.6であり、前記微細無機粉末のd90とd50との比d90/d50が、2.0~5.0であり、
前記粗粒無機粉末がシリカであり、
前記微細無機粉末がアルミナであり、
前記粗粒無機粉末の平均粒径が2.0~20.0μmであり、
前記微細無機粉末の平均粒径が0.10~0.64μmである、
積層造形用粉末。 - 前記粒径体積比率が28.0~49.6である請求項1又は2に記載の積層造形用粉末。
- 前記粗粒無機粉末の形状が球状である請求項1乃至3のいずれか1項に記載の積層造形用粉末。
- 前記微細無機粉末の形状が球状である請求項1乃至4のいずれか1項に記載の積層造形用粉末。
- 請求項1~5のいずれか1項に記載の積層造形用粉末と液状樹脂とからなる積層造形用スラリーにおいて、積層造形用粉末の濃度が70.0~80.0vol.%である積層造形用スラリー。
- 請求項1~5のいずれか1項に記載の積層造形用粉末を用いた3次元積層造形体。
- 請求項1~5のいずれか1項に記載の積層造形用粉末を用いた焼結体。
- 請求項1~5のいずれか1項に記載の積層造形用粉末と液状樹脂とを混合し、400~600rpmで攪拌する積層造形用スラリーの製造方法。
- 請求項6に記載の積層造形用スラリーを用いて3次元積層造形体を形成する積層造形方法。
- 請求項10に記載の積層造形方法で形成された3次元積層造形体に、脱脂処理、焼結処理を行う焼結方法。
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