WO2016031279A1 - 積層造形用粉体及び積層造形体の製造方法 - Google Patents

Abstract

　真球度の低い粉体を含んでも粉体の流動性を向上させる。　解決手段は以下の通りである。層状に敷き詰めた粉体にビームを照射して溶融させ、凝固層を形成することを繰り返して積層造形物を製造するために用いられる積層造形用粉体において、平均直径１０μｍ以上２００μｍ以下の第一の金属粉体を体積分率９９％以上含み、前記第一の金属粉体よりも真球度が高く、平均直径が前記第一の金属粉体の１／１０以下である第二の粉体を体積分率１％未満含むことを特徴とする積層造形用粉体。

Description

積層造形用粉体及び積層造形体の製造方法

　本発明は積層造形用粉体及び積層造形体の製造方法に関する。

　金属粉体を原料とする積層造形法は３次元形状を有する部材を直接得られる手法として知られている。その方式は大別すると予め層状に形成した粉末(粉末床)をレーザ、電子線などの熱源により局所溶融・凝固または焼結する事によって形状を得る粉末溶融積層法と、粉末を噴射しながら熱源によって溶融・凝固する溶融堆積法に大別され、何れにおいても粉末の溶融・凝固または焼結により３次元積層造形体を形成する事ができる。

　積層造形法では金属粉体を層状に形成する、または噴射すると言うように粉体の流動性が要求され、例えば特許文献１の積層造形法では、粉体表面を界面活性剤で被覆し、粉体の凝集を防ぐことで粉体の流動性を改善することが開示されている。

特表２００５－５３３８７７号公報

　しかし、粉体は製法によって真球度が大きく異なる。ガスアトマイズ法により形成された粉体は真球に近く流動性に優れるが、水アトマイズ法や電気分解、破砕等により形成された粉体は真球度が低くなりやすい。上記特許文献では、真球度の低い粉体を含む場合の流動性を十分考慮していないという課題がある。

　本発明の目的は、真球度の低い粉体を含んでも粉体の流動性を向上させることである。

　上記目的を達成するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。

　本発明によれば、真球度の低い粉体を含んでも粉体の流動性を向上させることができる。

本実施形態の積層造形用粉体の概念を示す図である。 本実施形態の積層造形用粉体を用いる積層造形法の概念を示す図である。 本実施形態の積層造形用粉体を用いる積層造形法の一連の製造方法を示す図である。

　以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながらより詳細に説明する。なお、本発明はここで取り上げた実施形態に限定されることはなく、要旨を変更しない範囲で適宜組み合わせや改良が可能である。

　本実施形態で用いる積層造形用粉体１００の構成を図１に示す。本実施形態の積層造形用粉体は、平均直径が１０μｍ以上２００μｍ以下である第一の金属粉体と、第一の金属粉体よりも真球度が高く、平均直径が第一の金属粉体の１／１０以下である第二の粉体の混合物であり、第一の金属粉体は全粉体の体積分率９９％以上を占め、第二の粉体は体積分率１％未満である。

　なお、本願では真球度を最も流動性の高い真球からの形状の狂いの指標として用いる。具体的には粉体表面の最小二乗平均球面の中心をその中心とする、最小外接球面半径Ｒｍａｘと最大内接球面半径Ｒｍｉｎの比率Ｒｍｉｎ／Ｒｍａｘにて表わす。完全な球では真球度は１であり、楕円状、扁平状のような形状となり球から歪んでいくと、この値は０と１の間でより低い値となる。

　第一の金属粉体１０１の材質は、積層造形物や後に示す積層造形方法に合わせて選択する。例えば、Ａｌ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｉ等を含む合金等が挙げられ特に限定されない。積層造形用粉体１００のほとんどは第一の金属粉体１０１が占めるため、造形後の造形物の組成は、ほぼ第一の金属粉体１０１の組成となる。

　本実施形態では、積層造形物の主成分として用いられる第一の金属粉体１０１がいびつで真球度が低い場合でも、以下で述べる第二の粉体１０２を混合することで第一の金属粉体１０１の流動性を高めることができ、積層造形に適用できる第一の金属粉体１０１を増やす事が出来る。

　第一の金属粉体の平均直径は直径１０μｍ以上２００μｍ以下が好ましい。第一の粉体の平均直径が１０μｍ以上であれば、合金粉末の巻き上がりや浮遊が抑制されたり、金属の酸化反応性が抑えられたりして、粉塵爆発等の恐れが低くなるためである。一方で、第一の粉体の平均直径が２００μｍ以下であれば、積層造形において形成される凝固層の表面が平滑になり易い。凝固層の表面が平滑になると、凝固層上に粉体を敷き詰めやすくなる点で有利である。また、合金粉末を溶融させるための加熱手段の出力を抑えることが可能になり、合金粉末の溶融速度や合金粉末を局所加熱する際の被加熱領域の範囲の制御が容易になるため、合金構造体の造形精度や凝固組織の均一性を確保し易くすることができる。

　第一の金属粉体１０１の平均直径とは、１つの粉体の実測直径（１つの粉体の実際の表面に接する平行二平面間の距離）の最大値と最小値の算術平均値とする。第一の金属粉体の真球度は０．４以上であることが好ましい。

　粉末の製造方法はアトマイズ法、メルトスピニング法、回転電極法、粉砕法、還元法、電解法、化学合成法などがあり、用いる第一の金属粉体１０１の材質や直径、製造量等に応じて適切に選択される。

　第二の粉体１０２の平均直径は第一の金属粉体１０１の１／１０以下とし、真球度は第一の金属粉体１０１よりも高くする。第二の粉体の平均直径も第一の粉体の平均直径と同様に定義する。第二の粉体１０２の平均直径を第一の金属粉体１０１の１／１０以下とすることで、第一の金属粉体１０１間に自然に存在する間隙に入り易くなる。間隙に入り込んだ第二の粉体１０２の真球度が第一の金属粉体１０１よりも高いことで、第二の粉体１０２が第一の金属粉体１０１間の摩擦を軽減し、第一の金属粉体１０１が滑りやすくなり、流動性を改良することができる。

　第二の粉体１０２の真球度は、０．８以上１以下であることが好ましい。真球度が０．８以上であれば、第一の金属粉体１０１の間隙に第二の粉体１０２が侵入した際に真球度の高い第二の粉体１０２の転がりの作用が顕著に現れて摩擦を軽減するために好適である。また、第二の粉体１０２がセラミックスであると、表面が滑らかな粉体を形成しやすいため、第一の金属粉体１０１の流動性の改良には好ましい。

　第二の粉体１０２の添加量は、体積分率０．００１％以上１％以下とする。０．００１％以上であれば、流動性の改良効果が十分であり、１％以下であれば、第二の粉体１０２の巻き上がりや浮遊を抑制することができる。

　このような粉末の製造方法にはアトマイズ法、メルトスピニング法、回転電極法、化学合成法(ゾルゲル法、懸濁重合法など)があり、用いる第二の粉体１０２の材質や直径、製造量等に応じて適切に選択される。第二の粉体１０２の材質としては上記の条件を満たせば、無機物、金属、樹脂材料など、第一の金属粉体１０１と同一の材料を含めて様々な材料を用いることが出来るが、例えば溶融法やゾルゲル法などにより得られる高真球度酸化物、懸濁重合法により得られる高分子微粒子などが好適に用いられる。特に、第一の金属粉体１０１よりも融点の高いアルミナやシリカを用いて第一の金属粉体１０１だけを溶融させて造形物を形成すると、造形物中にも真球度の高い微細分散体として分布して強度や耐熱性を改善する効果も得られるために好適である。

　第一の金属粉体１０１と第二の粉体１０２はミキサ、ホモジェナイザ、ボールミルなどを用いて均一に混合することで積層造形用粉体１００とする。この混合工程は積層造形前の何れかの段階で施せば良い。

　本実施形態における積層造形体１０３の製造方法を、粉末溶融積層法を例として図２に示す。積層造形体１０３は積層造形用粉体１００を加熱手段１０４によって局所溶融して溶融部１０５を形成し、その後に凝固すると言う工程を繰り返すことで形成する。加熱手段１０４を走査して、所望の位置にある積層造形用粉体１００を溶融、凝固することで周囲と一体化し、積層造形体１０３の形状を規定する。この一連の局所溶融、凝固プロセスは積層造形装置１０６を用いて行う。

　本実施形態における積層造形体１０３の製造方法を工程ごとに分けて図３に示す。

　本実施形態に係る積層造形体の製造方法では、図３（ａ）から（ｇ）に順に示す積層造形工程を繰り返し行って積層造形体の立体造形を行う。積層造形工程は、従来から一般的に利用されている金属用の粉末積層造形装置を用いて行うことが可能である。粉末調製工程で調製された第一の金属粉体１０１と第二の粉体１０２の混合物（合金粉末１０）は、このような積層造形工程の原料粉末として用いられる。積層造形装置に備えられる加熱手段としては、例えば、電子線加熱、レーザ加熱、マイクロ波加熱、プラズマ加熱、集光加熱、高周波加熱等の適宜のビームの加熱原理によるものが用いられる。これらの中では電子線加熱又はレーザ加熱による積層造形装置が特に好適である。電子線加熱又はレーザ加熱によると、熱源の出力や、合金粉末１０の被加熱領域の微小化や、積層構造体の造形精度等の制御を比較的容易に行えるためである。

　積層造形工程は、詳細には、粉末展延工程、凝固層造形工程を含んでなる。積層造形工程では、図３（ａ）から（ｇ）に順に示されるような工程を経て、層状の凝固組織（凝固層）を形成し、層状の凝固組織（凝固層）の形成を繰り返すことで、凝固組織の集合からなる積層構造体を造形する。

　積層造形装置には、図３（ａ）に示すように、上端に基材載置台２１を有する昇降可能なピストンが備えられている。この基材載置台２１の周囲には、ピストンに連動しない加工テーブル２２が備えられており、加工テーブル２２上に合金粉末１０を供給する不図示の粉末フィーダ、供給された合金粉末１０を展延するリコータ２３、合金粉末１０を加熱する加熱手段２４が備えられている。加工テーブル２２上の合金粉末１０を除去するエアブラスト、調温器等を備えていてもよい。加工テーブル２２やこれらの機器類は、チャンバに収容されており、チャンバ内の雰囲気は、加熱手段２４の種類に応じて真空雰囲気又はアルゴンガス等の不活性ガス雰囲気とされ、雰囲気圧力や温度が管理されるようになっている。積層造形を行うに際しては、基材載置台２１にあらかじめ基材１５が載置され、基材１５の被造形面（上面）と加工テーブル２２の上面とが面一となるように位置合わせされる。

　基材１５としては、加熱手段２４による加熱に対する耐熱性を備えていれば適宜の材料を用いることができる。この積層構造体の製造方法においては、基材１５の被造形面上に対して積層構造体の積層造形が行われることで、基材１５と積層構造体とが一体化した状態の造形物が得られることになる。そのため、基材１５としては、切断加工等により積層構造体から分離することを想定して、平板状等の適宜の形状の基材１５を用いることができる。或いは、基材１５と積層構造体とを一体化した状態で機能させることを想定して、被造形面を有する任意形状の構造部材、機構部材等を基材１５として用いることもできる。

　粉末展延工程では、調製された合金粉末１０を被造形面上に展延する。すなわち、積層造形における初回の粉末展延工程では、積層造形装置に載置された基材１５に合金粉末１０を展延する。合金粉末１０の展延は、図３（ｂ）に示すように、不図示の粉末フィーダによって加工テーブル２２上に供給された合金粉末１０（図３（ａ）参照）を、リコータ２３が被造形面（基材１５）上を通過するように掃引して、合金粉末１０を薄層状に敷き詰めることによって行うことができる。本実施形態の合金粉末１０は、積層構造体の主成分となる第一の金属粉体の真球度が低くても、この第一の金属粉体を滑りやすくする第二の粉体が混合されているので、第一の金属粉体のみの場合よりも展延し易くなる。形成される合金粉末１０の薄層の厚さは、合金粉末１０を溶融させる加熱手段の出力や、合金粉末１０の平均粒子径等に応じて適宜調節することができるが、好ましくは１０μｍ以上１０００μｍ以下程度の範囲とする。

　凝固層造形工程では、展延された合金粉末１０を局所加熱して溶融させた後に凝固させ、局所加熱による被加熱領域を合金粉末１０が展延された平面に対して走査することによって凝固層４０を造形する。後記の凝固層４０（図３（ｅ）参照）の造形は、製造しようとする積層構造体の立体形状を表す３次元形状情報（３Ｄ－ＣＡＤデータ等）から得られる２次元形状情報にしたがって、加熱手段２４による被加熱領域を走査することで行われる。

　合金粉末１０の局所加熱は、図３（ｃ）に示すように、加熱手段２４によって、展延された合金粉末１０上の被加熱領域を限定して行い、展延された合金粉末１０の一部を微小な溶融池（溶融部２０）が形成されるように選択的に溶融させることにより行う。合金粉末１０を溶融させて形成する溶融部２０の大きさは、好ましくは直径１ｍｍ以下とする。溶融部２０をこのような微小な大きさに制限することで、積層構造体の造形精度や、凝固組織における元素組成の均一性が高められるようになる。

　合金粉末１０の局所加熱による被加熱領域は、図３（ｄ）に示すように、被造形面に平行に移動するように走査させる。被加熱領域の走査は、加熱手段２４の本体の走査のほか、ガルバノミラー等による熱源の照射スポットの走査により行うことも可能であり、ラスター走査のような適宜の方式で実施する。このとき、複数の線源によるオーバーラップ走査を行い、照射されるエネルギ密度を平坦化させてもよい。そして、被加熱領域の走査によって、合金粉末１０が未だ溶融していない領域の局所加熱を新たに行うと共に、合金粉末１０が既に溶融して溶融部２０が形成された領域の加熱を止めて、溶融部２０を雰囲気温度の下で冷却して凝固させる。溶融部２０が凝固することで形成される凝固部３０は、基材や既に形成されている凝固部３０と一体化しつつ凝固部３０の緻密な集合を形成することになる。

　加熱手段２４の走査速度、出力、エネルギ密度、走査幅は、合金粉末１０の元素組成、粒度分布、基材１５の材質、溶融部２０と凝固部３０との位置関係、チャンバ温度等から推定される熱伝導や熱放射に基いて適宜調整すればよい。また、溶融部２０を冷却する冷却温度は、積層構造体の元素組成に応じて寸法変化、熱歪等を考慮して設定すればよい。溶融部２０の大きさや、溶融速度や、冷却速度や、溶融及び冷却の時間間隔等を所定の範囲に維持して走査を行うことによって、造形される積層構造体の強度分布を均一化したり、残留応力や表面粗さを低減させたりすることが可能である。

　図３（ｃ）から（ｅ）に示すように、基材載置台２１に載置された基材１５上で、合金粉末１０の溶融と凝固とを繰り返し凝固部３０の集合を形成することで、所定の２次元形状と厚さとを有する凝固層４０が形成される。凝固層４０の形成後、凝固層４０の周囲や上面に残存している未溶融の合金粉末１０をエアブラストによって除去してもよい。図３（ｆ）に示すように、基材載置台２１を、形成された凝固層４０の厚さに相当する高さ下降させて、凝固層４０の上面の新たな被造形面と加工テーブル２２の上面とが面一となるように位置合わせする。

　位置合わせを行った後、図３（ａ）から（ｂ）と同様にして粉末展延工程を行い、図３（ｇ）に示すように、既に形成されている凝固層４０の上面に新たに供給された合金粉末１０を展延する。２回目以降の粉末展延工程は、既に展延された粉末上または凝固層上で行われる。これらは基板よりも表面の凹凸が大きくなるため、真球度が低い第一の金属粉体はその凹凸に引っ掛かり易くなるが、本実施形態では第二の粉体が混合されているので第一の金属粉体は滑りやすくなり、第一の金属粉体のみの場合よりも展延し易くなる。

　その後、図３（ｃ）から（ｅ）と同様にして凝固層造形工程を行い、次層の凝固層４０の積層を行う。積層される凝固部３０は下層の凝固層４０の一部と一体化して緻密に焼結することになる。以降、同様にして、形成された凝固層４０の上面を被造形面とした粉末展延工程及び凝固層造形工程を繰り返すことで、所望の形状寸法の積層構造体を積層造形することができる。

　このような積層造形工程を繰り返し行って立体造形を行う積層構造体の製造方法によれば、積層構造体を微小な凝固組織の集合によって所望の形状寸法で製造することができる。また、微小な凝固組織（凝固部３０）のそれぞれの元素組成は、用いた合金粉末の元素組成を良好に反映しているため、元素組成分布の均一性及び機械的強度の分布の均一性が高い固溶相を形成することができる。さらには、一方向からの加熱によって凝固組織（凝固部３０）を形成し、結晶成長方向が略一方向に配向した凝固組織（凝固層４０）を積層することができるため、異方性が高い積層構造体を形成することができる。

　本実施形態にて開示する積層造形体１０３は積層造形用粉体１００の流動性が改善されるために造形精度に優れる。また、第二の粉体１０２の少なくとも一部が第一の金属粉体１０１が溶解・焼結されて生成する金属組織中の微細分散体として存在するため、高温強度や疲労強度に優れた造形体とすることができる。このような特性は各種機械部品、金型、医療用インプラントなど様々な用途に好適であり、各部材の寸法精度や強度の改善に寄与することができる。

　以下、図面を用いて実施例及び比較例を説明する。
（実施例）
　実施例１～５は、第一の金属粉体にアトマイズ法で形成したステンレス粉(ＳＵＳ３１６Ｌ粉末、ヘガネスジャパン)を用いた。粒径が５０μｍから１００μｍに分布するものに限定し、平均直径が約７０μｍのものを使用した。第二の粉体には平均直径約０．０３μｍのシリカ微粒子（日本アエロジル）を用いた。真球度は第一の金属粉体の平均値が約０．７、第二の粉体が約０．８であり、第二の粉体の平均直径は第一の金属粉体の１／１０よりも小さく、真球度は優れていることを確認した。第一の金属粉体と第二の粉体を表１に示す体積分率で混合し、Ｖミキサによって１時間攪拌することで積層造形用粉体とした。

　レーザ溶融積層造形装置（ＥＯＳ社　Ｍ２７０）に積層造形用粉体と基材（１００ｍｍ×１００ｍｍ×１０ｍｍの炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）板材）を組み込み、積層造形用粉体の供給、窒素雰囲気下でレーザからなる加熱手段１０４による局所溶融と凝固、冷却を繰り返すことで円筒状(直径１０ｍｍ、高さ５０ｍｍ)の積層造形体を形成した。その後、基材から積層造形体を切断した。
（比較例）
　比較例１は第二の粉体を混合しておらず、比較例２～４は、第二の粉体の平均直径と第二の粉体の体積分率（混合比）が実施例１と異なる。その他の条件は実施例１と同一とした。なお、比較例３，４で用いた平均直径１２μｍのシリカ微粒子（電気化学工業）の真球度は実施例１に示したシリカ微粒子と同じく０．９以上であった。
（実施例）
　実施例６～１０では第一の金属粉体に電解法で形成した銅粉末(へガネスジャパン)を用いた。粒径が５０μｍから１００μｍに分布するものに限定し、平均直径が約６０μｍのものを使用した。第二の粉体には平均直径０．３μｍのアルミナ粒子(電気化学工業)を用いた。真球度は第一の金属粉体の平均値が約０．４、第二の粉体が約０．９であり、第二の粉体の直径は第一の金属粉体の１／１０よりも小さく、真球度は優れていることを確認した。第一の金属粉体と第二の粉体を表２に示す体積分率で混合し、Ｖミキサによって１時間攪拌することで積層造形用粉体とした。

　レーザ溶融積層造形装置（ＥＯＳ社　Ｍ２７０）に積層造形用粉体と基材（１００ｍｍ×１００ｍｍ×１０ｍｍの炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）板材）を組み込み、積層造形用粉体の供給、窒素雰囲気下でレーザからなる加熱手段による局所溶融と凝固、冷却を繰り返すことで円筒状(直径１０ｍｍ、高さ５０ｍｍ)の積層造形体を形成した。その後、基材から積層造形体を切断した。
（比較例）
　比較例５は第二の粉体を混合しておらず、比較例６は、実施例６に用いた第一の金属粉体と第二の粉体の混合比を表１に示すように設定し、その他の実施形態は実施例６と同一とした。
（結果の比較）
　各実施例、比較例で得られた各積層造形体を中心線を通る面にて切断し、得られた断面において観察された空隙率と第二の粒子の体積分率とを表１に示す。第二の粉体の体積分率は、第二の粉体が造形体中に均一に分散すると仮定し、前記断面における第二の粉体の面積分率の値を用いた。なお、実施例１－５、比較例２では第二の粉体の平均直径が０．０３μｍと小さく、比較例３，４では第二の粉体が均一には分散しなかったため、積層造形体中の第二の粉体の体積率を評価していない。積層造形体空隙率は５％未満に抑制できた場合を良、それ以外を不良と判定した。

　表１、２に示されたように、本実施例の手法を適用して得た実施例１から１０の積層構造体は、比較例１、５に示した第二の粉体を含まない粉体と比較して粉体の流動性が改善することで造形前の粉体における空隙を低減し、結果として積層造形体における空隙率を低い値に収める事が出来た。また、各材料の組織中には分散した第二の粒子が微量に含まれており、分散強化の効果が期待される。

　一方、比較例２，６に示したように第二の粉体を１％以上含めた条件では空隙率が増加した。第二の粉体の比重が第一の金属粉体よりも低いために、第二の粉体を過剰に用いると、粉体供給時に積層造形粉体の粉体上部に浮き上がり、造形時にまきあげ効果によって欠損部を生じるものと考えられる。また、比較例３，４に示すように第二の粉体が第一の金属粉体の直径の１／１０よりも大きい場合には第一の金属粉体の粉体間に第二の粉体が一様に入らず、空隙率は増加することが判った。以上のように、本実施例に示した積層造形用粉体は積層構造体の造形精度を改善し、積層構造体中に強化層として有効な微粒子分散体を形成できることが確認された

１０　合金粉末
１５　基材
２０　溶融部
２１　基材載置台
２２　加工テーブル
２３　リコータ
２４　加熱手段
３０　凝固部
４０　凝固層
１００　積層造形用粉体
１０１　第一の金属粉体
１０２　第二の粉体
１０３　積層造形体
１０４　加熱手段
１０５　溶融部
１０６　積層造形装置
１０７　凝固部
１０８　基材
１０９　非溶融部

Claims (6)

1. 　層状に敷き詰めた粉体にビームを照射して溶融させ、凝固層を形成することを繰り返して積層造形物を製造するために用いられる積層造形用粉体において、
   　平均直径１０μｍ以上２００μｍ以下の第一の金属粉体を体積分率９９％以上含み、
   　前記第一の金属粉体よりも真球度が高く、平均直径が前記第一の金属粉体の１／１０以下である第二の粉体を体積分率１％未満含むことを特徴とする積層造形用粉体。
2. 　請求項１において、前記第二の粉体の真球度が０．８以上であることを特徴とする積層造形用粉体。
3. 　請求項１において、前記第二の粉体がセラミックスであることを特徴とする積層造形用粉体。
4. 　請求項１において、前記第二の粉体がシリカ又はアルミナであることを特徴とする積層造形用粉体。
5. 　請求項１において、前記第一の金属粉体の真球度が０．４以上であることを特徴とする積層造形用粉体。
6. 　平均直径１０μｍ以上２００μｍ以下の第一の金属粉体を体積分率９９％以上含み、前記第一の金属粉体よりも真球度が高く、平均直径が前記第一の金属粉体の１／１０以下である第二の粉体を体積分率１％未満含む積層造形用粉体を層状に敷き詰める工程と、
   　敷き詰められた前記積層造形用粉体にビームを照射して溶融部を形成し、前記溶融部を凝固させ凝固層を形成する工程と、を備え、
   　前記積層造形用粉体を層状に敷き詰める工程と前記凝固層を形成する工程とを繰り返して複数の層状の凝固層を形成することを特徴とする積層造形物の製造方法。

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