JPWO2018235213A1 - 積層造形用銅粉末およびその積層造形体 - Google Patents
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Abstract
Description
本実施形態において使用される銅粉末は、積層造形の材料として使用される、銅粉末を用いた積層造形体が作成可能となれば、電気回路のコネクタ、ヒートシンクや熱交換器などの分野における微細な造形が可能となる。
純銅粉末を使用した場合、電気伝導率の高さから、レーザ照射時にレーザ光が反射し純銅粉末が溶融するために必要な熱エネルギーが得られないため、ファイバレーザを熱源とする積層造形法で高密度な積層造形体が得られなかった。
積層造形が可能な銅粉末としては、以下の条件が必要とされる。
(1) レーザ回折法で測定したときの銅粉末粒子の50%粒径が3μm〜75μmの範囲であること。銅粉末粒子の50%粒径が3μm未満の場合は流動性がなく、積層造形装置において粉末床を形成できない。一方、銅粉末粒子の50%粒径が75μmより大きい場合は、積層造形装置において粉末床の表面が荒れて造形に適切な粉末床を形成できない。
(2) 銅粉末の見掛け密度(AD:apparent density)が3.0g/cm3以上であること。銅粉末の見掛け密度が3.0未満の場合は、積層造形装置において粉末床の粉末充填率が下り適切な粉末床を形成できない。
(3) 銅粉末の流動性(FR:flow rate)が60sec/50g以下であること。銅粉末の流動性が60sec/50g以上の場合は、積層造形装置において供給ホッパーからの粉末供給ができず適切な粉末床を形成できない。
本実施形態の積層造形用銅粉末は、例えば、「回転ディスク法」、「ガスアトマイズ法」、「水アトマイズ法」、「プラズマアトマイズ法」、「プラズマ回転電極法」などにより製造可能である。本実施形態においては、これらの内、「ガスアトマイズ法」を使用し、ガスアトマイズとしてはヘリウム、アルゴン、窒素などのガスを用い、ガスの圧力と流量とを調整し粉末化の制御を行って銅粉末を生成したが、他の製法によっても同様の銅粉末が製造できる。製造した銅粉末は、分級サイズ10〜45μmにより分級された。
製造された積層造形用銅粉末について、以下の特性を測定した。
(1) JIS Z 3264に準じた、リンバナドモリブデン酸吸光光度法により、リン元素が添加された銅粉のリン元素の含有量を測定した。
(2) JIS Z 2504に準じて、リン元素が添加された銅粉末の見掛け密度(g/cm3)を測定した。
(3) JIS Z 2502に準じて、リン元素が添加された銅粉末の流動性(sec/50g)を測定した。
(4) レーザ回折法により50%粒度(μm)を測定した。
(5) 走査電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)により、製造された銅粉末を撮影した。
本実施形態におけるリン元素が添加された積層造形用銅粉末は、積層造形装置で積層造形可能な上記条件である、(1)銅粉末粒子の50%粒径、(2)銅粉末の見掛け密度、(3)銅粉末の流動性のいずれをも満たす粉末であった。
図1は、本実施形態の積層造形装置100の概略構成例を示す図である。積層造形装置100は、電子ビームあるいはファイバレーザ101aの発射機構101と、粉末タンクであるホッパー102と、粉末を一定厚で敷き詰めた粉末床を形成するためのスキージングブレード103と、積層のために一定厚だけ下降を繰り返すテーブル104と、を有する。スキージングブレード103とテーブル104との協働により、均一な一定厚の粉末積層部105が生成される。各層には、3D-CADデータより得られたスライスデータを基にファイバレーザ101aを照射し、金属粉末(本実施形態では銅粉末)を溶融して積層造形体105aが製造される。
本実施形態の有用な積層造形体としては、以下の条件が必要とされる。なお、以下の条件のうち、条件(1)は、積層造形体の強度を得るために必須の条件である。一方、条件(2)は、積層造形体に対して銅の電気伝導性や熱伝導性を求めない場合には必須の条件でなく、銅の電気伝導性や熱伝導性を利用する場合の条件である。
(1) 銅粉末を用いた積層造形体が十分な密度を有すること。例えば、アルキメデス法による測定密度が98.5%以上である。
(2) 銅粉末を用いた積層造形体が、銅製品として十分な電気伝導率を有すること。例えば、電気伝導率が20%IACS以上である。
積層造形用銅粉末について製造された積層造形体について、以下の特性を測定した。
(1) 積層造形体の電気伝導率(%IACS)を、渦電流方式の導電率計で測定した。
(2) 積層造形体の密度(%)を、置換媒体としてヘリウムガスを使用したアルキメデス法により測定した。
(3) 走査電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)により、製造された積層造形体の表面を撮影した。
本実施形態におけるリン元素が添加された積層造形用銅粉末を用いて積層造形装置で製造された積層造形体は、上記条件である、(1)密度が98.5%以上を満たす積層造形体が製造された。またさらに、(2)電気伝導率が20%IACS以上を満たす積層造形体が製造された。
本実施形態においては、純銅にリン元素を添加することで、上記積層造形用銅粉末の条件を満たし、かつ、積層造形装置による積層造形後の積層造形体が上記十分な密度、銅製品として十分な電気伝導率を有する銅粉末を提供する。
本実施形態によれば、リン元素を添加した積層造形用銅粉末を提供し、高密度の積層造形体を得ることができた。またさらに、電気伝導率の高い積層造形体を得ることができた。
ガスアトマイズ法を用いて、ガスアトマイズとしてはヘリウム、アルゴン、窒素などのガスを用い、ガスの圧力と流量とを調整し粉末化の制御を行って、リン元素が添加された銅粉末を生成した。
走査電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)により、製造された銅粉末を撮影した(SEM×500)。図2A〜図2Eに、実施例1乃至5における銅粉末のSEM像を示す。また、図3に、比較例1における銅粉末のSEM像を示す。
上記実施例1〜5および比較例1における銅粉末を用いて、3D積層造形機(粉末焼結積層造形/SLM方式)を用いて、積層造形体を製造した。
特性測定用の積層造形体の標本としては、幅10mm×奥行7mm×高さ5mmからなる直方体の積層造形体を製造した。
走査電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)により、製造された積層造形体の表面を撮影した(SEM×100)。図4A〜図4Eに、実施例1乃至5における積層造形体のSEM像を示す。また、図5に、比較例1における積層造形体のSEM像を示す。なお、実施例1〜3、5および比較例1は、800J/mm3で積層造形した積層造形体のSEM像であり、実施例4(図4D)は、積層造形体の密度が目標以上(98.7%)となった、400J/mm3で積層造形した積層造形体のSEM像である。
図6は、本発明に係る実施例1〜5および比較例1における銅粉末を用いた積層造形体の電気伝導率をグラフに示した図である。
Claims (15)
- 純銅にリン元素が添加された積層造形用銅粉末。
- 前記リン元素を0.01重量%以上含有する請求項1に記載の積層造形用銅粉末。
- 前記リン元素を0.04重量%以上含有する請求項2に記載の積層造形用銅粉末。
- 前記リン元素を0.30重量%以下含有する請求項2または3に記載の積層造形用銅粉末。
- 前記リン元素を0.24重量%以下含有する請求項4に記載の積層造形用銅粉末。
- 前記リン元素以外の元素が添加されてない請求項1乃至5のいずれか1項に記載の積層造形用銅粉末。
- レーザ回折法で測定したときの、粒子の50%粒径が3〜75μmの範囲に含まれる請求項1乃至6のいずれか1項に記載の積層造形用銅粉末。
- JIS Z 2504の測定法で測定したときの、粒子の見掛け密度が3.0g/cm3以上である請求項1乃至7のいずれか1項に記載の積層造形用銅粉末。
- JIS Z 2502の測定法で測定したときの、粒子の流動性が60sec/50g以下である請求項1乃至8のいずれか1項に記載の積層造形用銅粉末。
- ガスアトマイズ法により、前記純銅に前記リン元素が添加された請求項1乃至9のいずれか1項に記載の積層造形用銅粉末。
- 請求項1乃至10のいずれか1項に記載の積層造形用銅粉末を用いて、積層造形装置により積層造形された銅を主成分とする積層造形体。
- 前記積層造形体の密度が98.5%以上である請求項11に記載の積層造形体。
- 前記密度が99.0%以上である請求項12に記載の積層造形体。
- 前記積層造形体の電気伝導率が20.0%IACS以上である請求項11乃至13のいずれか1項に記載の積層造形体。
- 前記積層造形体の熱伝導率が、前記電気伝導率の20.0%IACS以上に対応する熱伝導率である請求項14に記載の積層造形体。
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