JP5819503B1 - ３ｄプリンターで積層造形する粉末冶金用ロストワックス型の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の粉末冶金法では、特に多品種少量の製品について、圧粉体の成形加工にコストと時間が多くかかっていた。また成形加工時の粉塵が職場環境を悪くしていた。【解決手段】保温ヒーターを取り付けたパラフィンを充填できるタンクを有する３Ｄプリンターを用いて、原料粉末を造粒しているパラフィンよりも融点が５℃以上低い溶けたパラフィンを所定の位置に供給しつつ、一層毎に形状断面の形に付着すると同時に、コンプレッサーから供給されるエアないし熱交換して冷却したエアで局所冷却してパラフィンを固め、粉末冶金における圧粉体の成形に用いるためのロストワックス型を、積層造形する。この型に素材の配合粉末を詰めて、プレスして圧粉体にし、焼結して素材を得る。【選択図】なし

Description

本発明は、粉末冶金法で作製される超硬合金、サーメット、セラミックス、粉末高速度鋼、固体潤滑材、ヘビーアロイ、Ｃｕ−Ｗ合金、Ｔｉ合金、Ｃｏ基合金、ヒートシンク用ダイヤモンド−銅焼結素材、焼結機械部品素材、磁性材料、及びその圧粉体成形方法に関する。

粉末冶金法で作製される超硬合金、サーメット、セラミックス、粉末高速度鋼、固体潤滑材、ヘビーアロイ、Ｃｕ−Ｗ合金、Ｔｉ合金、Ｃｏ基合金、ヒートシンク用ダイヤモンド−銅焼結素材、焼結機械部品素材、及び磁性材料は、それぞれの原料粉末を混合・粉砕して得られた配合粉末を、金型で冷間あるいは温間でのプレス成形した後、必要により所定の形に成形加工した後、大気、ガス雰囲気、または真空雰囲気で加熱焼結して所定の固体（合金等）を製作することにより素材を得る。

粉末冶金法で形状を得るには、冷間あるいは温間でプレス成形する必要があるので、初めに必ず型を必要とする。その型の多くは超硬合金またはダイス鋼などの合金製のいわゆる金型である場合が多い。

必然的に、大量生産の場合は、その金型の運用効率はよいが、多品種少量生産では、都度金型を製作したのでは、金型コストの増大により原価割れとなりやすい。

そして、単純形状の金型によりプレス成形したのち、工作機械による機械加工の成形を施して、近似形状にしたものを、大気、ガス雰囲気、または真空雰囲気で加熱焼結して所定の固体（合金等）を製作することにより素材を得る。

しかし、元々が粉末であることから、工作機械による機械加工を施すと、粉塵を生じ、作業環境の劣化を招きやすく、機械加工のコストに加えて、健康障害を防止するための費用が発生している。

他方、近年注目されているもので、ラピッド・プロトタイピング（ＲＰ：Ｒａｐｉｄ Ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ）と呼ばれる技術がある。この技術は、一つの三次元形状の表面を三角形の集まりとして記述したデータ（光造形分野の業界標準形式：ＳＴＬフォーマット）により、積層方向について薄く切った断面形状を計算し、その形状を樹脂などで固めて形成・積層して、形状を造形していく技術である。

日本ＲＰ産業協会の分類に従えば、（１）光造形法、（２）薄板積層法、（３）溶融物堆積法、（４）粉末固着法の四通りの方法がある。これは３Ｄプリンターとして有名になっている。

この方法によれば、金型を用いることなく、機械加工を施すことなく、近似形状の成形が可能であることから、国家規模での開発が行われている。しかし、いずれの方法の３Ｄプリンターも、粉末冶金法で得られる超硬合金、サーメット、セラミックス、粉末高速度鋼、固体潤滑材、ヘビーアロイ、Ｃｕ−Ｗ合金、Ｔｉ合金、Ｃｏ基合金、ヒートシンク用ダイヤモンド−銅焼結素材、焼結機械部品素材、または磁性材料の代替となるような所定の合金等を得られていない。

その理由は、積層するのでは積層界面と積層部分による不均一性があるためであり、これを解決するにはまだ時間を要する。

他方、ロストワックス法と呼ばれる、パラフィン（ろう）などの低融点物質を用いて型を作り、近似形状の成形体を得る方法がある。しかし、ロストワックスするための型を作らなければならず、しかもトライアンドエラーが必要であり、ロストワックス型を得ることに時間とコストがかかるので、あまり広くは用いられていない。

そこで、本発明者らは、多品種少量生産での効率的な型についての新技術を開発することとした。まず、３Ｄプリンターのうち溶融物体積法に着目した。

３Ｄプリンターで行おうとしている従来技術は、いずれの技術も最終造形物を作ることにある。これは先に述べたように、その技術開発には時間を要する。

そこで、本発明者らは３Ｄプリンターで型を作ることを思いついた。しかし、比較的安価な３Ｄプリンターで型を作る場合、強度が低い樹脂製しか作れない。ここで、本発明者らは、３Ｄプリンターでロストワックス型を作ることを考えた。

ロストワックス用に用いるパラフィンは、低融点であるため数十℃で溶けるが室温では容易に固化するので３Ｄプリンターでのプリントスピードは効率的である。しかも、パラフィンは安価である。

また、３Ｄプリンターはコンピューターによる制御でできることと、パラフィンは溶かして、また粉末は溶かして再造粒すれば再利用できるので、トライアンドエラーが容易であり、プレス後の成形体を予測した精密な近似形状（ニアネットシェイプ）を得ることができる。そしてパラフィンは、生産においても焼結時に回収できる。

すなわち、３Ｄプリンターでロストワックス型をつくることで、人類は史上初めてフレキシブルでリサイクル可能な低コストの型を手に入れることができる。

３Ｄプリンターで作られたロストワックス型は、粉末を流し込むなどの方法で粉末を充填した後、冷間静水圧プレスで等方加圧することで、プレス成形体を得る。なお、冷間静水圧プレスでなくても、形状によれば、一軸圧縮のプレスなど他の方法を用いて加圧してもよい。

ロストワックス型は基本的にそのまま型として用いることができるが、強度を必要とする場合は、ステンレスやカーボンの定型の外型を用意して補強してもよい。

プレス後、パラフィンも同時に加圧されるので、そのままでは粉末成形体と容易には分離できないが、加温することで容易に分離できる。

パラフィンの種類は、日本精▲蝋▼株式会社製Ｐａｒａｆｆｉｎ Ｗａｘ−１１５、Ｐａｒａｆｆｉｎ Ｗａｘ−１２０、Ｐａｒａｆｆｉｎ Ｗａｘ−１２５、Ｐａｒａｆｆｉｎ Ｗａｘ−１３０、Ｐａｒａｆｆｉｎ Ｗａｘ−１３５、Ｐａｒａｆｆｉｎ Ｗａｘ−１４０、Ｐａｒａｆｆｉｎ Ｗａｘ−１５０、Ｐａｒａｆｆｉｎ Ｗａｘ−１５５が好適であるが、同等の融点、針入度（硬さ測定の尺度の一つ）を有するものであれば、これらに限定されるものではない。

また、パラフィンは分離してから焼結しても良いし、焼結する過程で分離回収しても良い。

ここで、用いる粉末は、基本的に従来の粉末冶金法で作られた粉末を用いることができるので、この方法は、すぐに応用でき、通常の金型プレス等の方法で得られたものと同じ特性を有するものを作ることができる。

本発明の方法を行うことで、従来の粉末冶金法に比べて、圧粉体の成形加工にかかるコストと時間を大幅に減ずることができ、また職場環境における粉塵の発生も低減することができる。

保温ヒーターを取り付けたパラフィン（Ｐａｒａｆｆｉｎ Ｗａｘ−１１５）を充填できるタンクを有する３Ｄプリンターを用いて、溶けたパラフィンを所定の位置に供給しつつ、一層毎に形状断面の形に付着すると同時に、コンプレッサーから供給されるエアで局所冷却してパラフィンを固め、ロストワックス型を積層造形した。

保温ヒーターを取り付けたパラフィン（Ｐａｒａｆｆｉｎ Ｗａｘ−１１５）を充填できるタンクを有する３Ｄプリンターを用いて、溶けたパラフィンを所定の位置に、細いノズルから糸状に垂らしながら、一層毎に形状断面の形に付着すると同時に、コンプレッサーから供給されるエアで局所冷却してパラフィンを固め、ロストワックス型を積層造形した。

保温ヒーターを取り付けたパラフィン（Ｐａｒａｆｆｉｎ Ｗａｘ−１１５）を充填できるタンクを有する３Ｄプリンターを用いて、溶けたパラフィンを所定の位置に、細いノズルからインクジェットプリンターのようにヘッドから噴出させながら、一層毎に形状断面の形に付着すると同時に、コンプレッサーから供給され熱交換して冷却したエアで局所冷却してパラフィンを固め、ロストワックス型を積層造形した。

実施例１、２、３でそれぞれ得られた、ロストワックス型にＷＣ−１５％Ｃｏ超硬合金の造粒粉末（Ｐａｒａｆｆｉｎ Ｗａｘ−１２５で造粒している）を充填し、パラフィンの蓋を載せ、加温して封をした。これを冷間静水圧プレスでプレスした。

プレスしたロストワックス型を５０℃に加温して、ロストワックス型のパラフィンのみを回収し、ニアネットシェイプの圧粉体を取り出して、それを真空脱バインダー焼結炉に充填し、１３６０℃で１ｈｒの焼結を行い、超硬合金を作成した。

なお、Ｐａｒａｆｆｉｎ Ｗａｘの種類を超硬合金の造粒粉末とロストワックス型で変えたのは、より低温で溶けるロストワックス型とすることで、プレスした圧粉体の形状崩壊を防ぐ狙いがある。

また、これとは別にプレスしたロストワックス型をそのまま、真空脱バインダー焼結炉に充填し、１３６０℃で１ｈｒの焼結を行い、ニアネットシェイプの超硬合金を作成した。

得られたいずれの超硬合金も、従来の製造方法で作られたものと同等の特性を有し、本方法は実用的であることが証明された。

実施例１、２、３のそれぞれと同様にして積層造形したロストワックス型で、サーメット、セラミックス、粉末高速度鋼、固体潤滑材、ヘビーアロイ、Ｃｕ−Ｗ合金、Ｔｉ合金、Ｃｏ基合金、ヒートシンク用ダイヤモンド−銅焼結素材、磁性材料（以下合金等の固体と記す）の粉末を充填し、蓋をしてそのまま、冷間静水圧プレスで成形し、所定の方法で合金等のニアネットシェイプの固体にすることができた。

焼結後、得られた合金等の固体は従来の製造方法で作られたものと同等の特性を有し、本方法は極めて実用的であることが証明された。

本発明による素材作製方法は、多品種少量に適応した低コストのリサイクル型の利用を可能にするもので、省資源、省エネ、新開発の加速化に寄与し、産業の発展を加速させるものである。

Claims (4)

1. 保温ヒーターを取り付けたパラフィンを充填できるタンクを有する３Ｄプリンターを用いて、原料粉末を造粒しているパラフィンよりも融点が５℃以上低い溶けたパラフィンを所定の位置に供給しつつ、一層毎に形状断面の形に付着すると同時に、コンプレッサーから供給されるエアないし熱交換して冷却したエアで局所冷却してパラフィンを固め、粉末冶金における圧粉体の成形に用いるためのロストワックス型を、積層造形する方法により得て、このロストワックス型に粉末を充填した後、冷間静水圧プレスすることにより、粉末冶金のための圧粉体を得て、この圧粉体を含むロストワックス型を、加熱により脱パラフィンしてパラフィンを回収した後に本焼結する、粉末冶金の方法。
2. 保温ヒーターを取り付けたパラフィンを充填できるタンクを有する３Ｄプリンターを用いて、原料粉末を造粒しているパラフィンよりも融点が５℃以上低い溶けたパラフィンを所定の位置に、細いノズルから糸状に垂らしながら、一層毎に形状断面の形に付着すると同時に、コンプレッサーから供給されるエアないし熱交換して冷却したエアで局所冷却してパラフィンを固め、粉末冶金における圧粉体の成形に用いるためのロストワックス型を、積層造形する方法により得て、このロストワックス型に粉末を充填した後、冷間静水圧プレスすることにより、粉末冶金のための圧粉体を得て、この圧粉体を含むロストワックス型を、加熱により脱パラフィンしてパラフィンを回収した後に本焼結する、粉末冶金の方法。
3. 保温ヒーターを取り付けたパラフィンを充填できるタンクを有する３Ｄプリンターを用いて、原料粉末を造粒しているパラフィンよりも融点が５℃以上低い溶けたパラフィンを所定の位置に、細いノズルからインクジェットプリンターのようにヘッドから噴出させながら、一層毎に形状断面の形に付着すると同時に、コンプレッサーから供給されるエアないし熱交換して冷却したエアで局所冷却してパラフィンを固め、粉末冶金における圧粉体の成形に用いるためのロストワックス型を、積層造形する方法により得て、このロストワックス型に粉末を充填した後、冷間静水圧プレスすることにより、粉末冶金のための圧粉体を得て、この圧粉体を含むロストワックス型を、加熱により脱パラフィンしてパラフィンを回収した後に本焼結する、粉末冶金の方法。
4. 請求項１から３のいずれかにより得られた回収パラフィンを再利用して、請求項１から３のいずれかを行う方法。