JP6132523B2 - 金属光造形用の金属粉末、三次元造形物の製造方法および成形品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属粉末に光ビームを照射して得られる焼結層を積層することで所望の三次元形状を造形する金属光造形に用いる金属粉末と、前記金属粉末を用いた金属光造形による射出成形用金型の製造方法と、前記金属粉末からなる射出成形用金型と、前記射出成形用金型を用いて製造した成形品に関するものである。

従来、射出成形用金型は、主に金型用鋼材ブロックを工作機械で除去加工する方法で製作されていた。近年では、射出成形用金型は、金属粉末に光ビームを照射して焼結して得られる焼結層を積層することで所望の三次元形状をつくる金属光造形方法で製作されている。

例えば、金属光造形方法において、クロムモリブデン鋼からなる鉄系粉末を６０から８０重量％含む金属光造形用金属粉末を用いて作製した造形物を射出成形用金型として用いる方法が知られている（特許文献１参照）。

特許第３６８７６６７号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の粉末では、硬度がＨＶ４００程度と低いため、ガラスやカーボンなどの強化材を含有するプラスチックの射出成形用金型に用いると、金型が摩耗損傷してしまう。また熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫ程度と低いため、金型冷却能力が低い。さらには、水に対する耐食性が低いため、射出成形したプラスチックを冷却するために金型内部に形成する水管に水を流すと錆びて詰まってしまうといった課題があった。

本発明は、このような点に鑑みなされたものであり、硬度、熱伝導率、耐食性に優れた造形物を得ることができる金属光造形用金属粉末を提供するものである。また、本発明は、前記金属粉末を用いた射出成形用金型の製造方法、前記金属粉末からなる射出成形用金型および前記射出成形用金型を用いて製造した成形品を提供するものである。

上記の課題を解決する本発明の金属光造形用の金属粉末は、金属光造形用の金属粉末であって、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、およびＴｉを含み、Ｃｏ、Ｓｉ、またはＭｎを含んでもよく、Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ＋Ｃｕ＋Ｔｉ＋Ｃｏ＋Ｓｉ＋Ｍｎを１００重量％とした時、Ｆｅを７０．９重量％以上７６重量％以下、Ｃｒを１０重量％以上１３重量％以下、Ｎｉを４重量％以上９重量％以下、Ｃｕを３．７重量％以上７重量％以下、Ｔｉを１．７重量％以上３重量％以下、Ｃｏを０重量％以上４重量％以下、Ｓｉを０重量％以上０．５重量％以下、Ｍｎを０重量％以上０．５重量％以下であり、且つＣｒ＋Ｎｉが１６重量％以上１９重量％以下、Ｃｕ＋Ｔｉ＋Ｃｏが８重量％以上、Ｓｉ＋Ｍｎが０重量％以上１重量％以下であることを特徴とする。

上記の課題を解決する本発明の金属光造形用の金属粉末は、金属光造形用の金属粉末であって、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、およびＴｉを含み、Ｃｏ、Ｓｉ、またはＭｎを含んでもよく、Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ＋Ｃｕ＋Ｔｉ＋Ｃｏ＋Ｓｉ＋Ｍｎを１００重量％とした時、Ｆｅを７０．９重量％以上７６重量％以下、Ｃｒを１０重量％以上１３重量％以下、Ｎｉを４重量％以上９重量％以下、Ｃｕを３．７重量％以上７重量％以下、Ｔｉを１．７重量％以上３重量％以下、Ｃｏを０重量％以上４重量％以下、Ｓｉを０重量％以上０．５重量％以下、Ｍｎを０重量％以上０．５重量％以下であり、且つＣｒ＋Ｎｉが１６重量％以上１９重量％以下、Ｃｕ＋Ｔｉ＋Ｃｏが８重量％以上、Ｓｉ＋Ｍｎが０重量％以上１重量％以下であることを特徴とする。

本発明の成形品の製造方法は、上記の三次元造形物の製造方法を用いて製造された射出成形用金型を用いて成形されることを特徴とする。

本発明によれば、硬度、熱伝導率、耐食性に優れた造形物を得ることができる金属光造形用金属粉末を提供することができる。また、本発明によれば、前記金属粉末を用いた射出成形用金型の製造方法、前記金属粉末からなる射出成形用金型および前記射出成形用金型を用いて製造した成形品を提供することができる。

本発明の射出成形用金型の製造方法に用いる金属光造形装置の一例を示す概略断面図である。 図１に示す金属光造形装置の概略上面図である。 造形加工データの作成方法を示す説明図である。 レーザ照射パターンの一例を示す説明図である。 本発明の金属粉末の１例を示す走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。 本発明の金属粉末で製造した金属光造形物の倍率５０倍の断面顕微鏡写真である。 本発明の金属粉末で製造した射出成形用金型の一例を示す説明図である。 金型用鋼材ブロックで製造した射出成形用金型の一例を示す説明図である。

本発明の実施の形態を以下に詳細に説明する。

本発明の金属光造形用金属粉末（「金属粉末」とも略記する。）は、金属の粉末材料に光ビームを照射して得られる焼結層を積層することで、三次元形状を造形する金属光造形に用いる金属粉末であって、Ｆｅを７１重量％以上７６重量％以下、Ｃｒを１０重量％以上１３重量％以下、Ｎｉを４重量％以上９重量％以下、Ｃｕを４重量％以上７重量％以下、Ｔｉを２重量％以上３重量％以下、Ｃｏを０重量％以上４重量％以下、Ｓｉを０重量％以上０．５重量％以下、Ｍｎを０重量％以上０．５重量％以下を含有し、且つＣｒ＋Ｎｉが１６重量％以上１９重量％以下、Ｃｕ＋Ｔｉ＋Ｃｏが８重量％以上９重量％以下、Ｓｉ＋Ｍｎが０重量％以上１重量％以下である組成からなることを特徴とする。

上記の組成からなる本発明の金属粉末において、Ｃｒが１０重量％未満、およびＮｉが４重量％未満、およびＣｒ＋Ｎｉが１６重量％未満では耐食性が低下するので好ましくない。

Ｃｒが１３重量％超、およびＮｉが９重量％超、およびＣｒ＋Ｎｉが１９重量％超では熱伝導率が低下するので好ましくない。

Ｃｕが４重量％未満、およびＴｉが２重量％未満、およびＣｕ＋Ｔｉ＋Ｃｏが８重量％未満では材料硬度が低下するので好ましくない。

Ｃｕが７重量％超、およびＴｉが３重量％超、およびＣｏが４重量％超、およびＣｕ＋Ｔｉ＋Ｃｏが９重量％超、およびＳｉ＋Ｍｎが１重量％超では熱伝導率が低下するので好ましくない。

なお、Ｆｅには粉末製造過程で混入する可能性があるＣなどの不可避不純物が含まれていても良い。

本発明の金属粉末のさらに好ましい組成としては、Ｆｅを７０．９重量％以上７４．５重量％以下、Ｃｒを１１．７重量％以上１２．３重量％以下、Ｎｉを５．７重量％以上６．３重量％以下、Ｃｕを３．７重量％以上４．３重量％以下、Ｔｉを１．７重量％以上２．３重量％以下、Ｃｏを２．７重量％以上３．３重量％以下、Ｓｉを０重量％以上０．３重量％以下、Ｍｎを０重量％以上０．３重量％以下を含有するのが望ましい。

次に、本発明の射出成形用金型の製造方法について説明する。

本発明の射出成形用金型の製造方法は、前記金属粉末に光ビームを照射して第一の焼結層を得る工程、前記第一の焼結層の上に前記金属粉末を形成して光ビームを照射して第二の焼結層を積層する工程を繰り返して三次元形状の造形物からなる金型を得る工程を有することを特徴とする。

図１は、本発明の射出成形用金型の製造方法に用いる金属光造形装置の一例を示す概略断面図である。

図１（ａ）は粉末積層工程、図１（ｂ）は初期造形工程、図１（ｃ）は造形完了間際の状態を示す。図中、１は造形物を創生するためのベースプレート、２は造形物、３は造形物を創生するための空間（チャンバー）、４はチャンバー３に格納した金属粉末、５はチャンバー３内に備えた昇降テーブル、６はチャンバー３に供給する金属粉末、７は金属粉末６を格納した空間（チャンバー）、８はチャンバー７内に備えた昇降テーブル、９は金属粉末６をチャンバー３へ供給するスキージングブレード、１０はチャンバー３内に置かれたベースプレート１の上に所定厚み分敷かれた金属粉末を溶融するためのレーザ光、１１はレーザ光１０を発振するためのレーザ発振器、１２はレーザ光１０をＸおよびＹ方向へ光走査するための走査光学系、１３はレーザ光１０をベースプレート１上に集光するための集光レンズ、１４は走査光学系１２と集光レンズ１３を備え、自身もＸおよびＹ方向へ移動可能な加工ヘッドを示す。

本発明における製造工程は、昇降テーブル５が所定厚みΔｔだけ下がり、昇降テーブル８が所定厚みΔｔ’（Δｔ＜Δｔ’）分上昇した後、スキージングブレード９によってチャンバー７よりチャンバー３へ金属粉末が供給される（図１（ａ））。その後レーザ光１０を必要部分のみに照射すれば、ベースプレート１の上に敷かれた金属粉末を選択的に溶融・固化することができる（図１（ｂ））。この作業を繰返し行うことで、所望の三次元形状物（造形物２）を創生できる（図１（ｃ））。

図２は、図１に示す金属光造形装置の概略上面図である。チャンバー３およびチャンバー７はＸＹ方向に閉じた空間となっており、金属粉末４および金属粉末６を格納できる仕様となっている。

なお、上記は本発明に用いる金属光造形装置の一例を示すに過ぎず、金属粉末を所定厚み分敷く手段と、金属粉末を溶融、固化するための光ビーム等の手段を備えていれば、本発明に適用することができる。

本発明の射出成形用金型の製造方法は、さらに焼結層を積層する方法において焼結層に光ビームを照射しない部分を形成し、前記光ビームを照射しない焼結しなかった部分の金属粉末を取り除き、射出成形用金型内部に媒体を通すための通路を形成する工程を有することを特徴とする。図１および図２に示した金属光造形装置を用いれば、射出成形したプラスチックを冷却するために金型内部に形成する水管を成形品に限りなく近づけることができるため、冷却能力の高い射出成形用金型を製作できる。また、前記射出成形用金型は射出成形品の温度分布を均一化できるため、変形が極めて少ない成形品を得ることができる。

図３は、造形加工データの作成方法を示す説明図である。１５は３Ｄ−ＣＡＤモデル、１６は３Ｄ−ＣＡＤモデル１５から生成したＳＴＬファイルを所定厚みΔｔずつＮ層分スライスした断面形状モデルを示す。

図４は、レーザ照射パターンの一例を示す説明図である。１７は、レーザ光１０の光走査経路を示す。

レーザ光１０の照射経路は、３Ｄ−ＣＡＤモデル１５をもとに作成する。３Ｄ−ＣＡＤモデル１５から生成したＳＴＬファイルを所定厚みΔｔずつＮ層分スライスし、各断面形状モデル１６を照射範囲とする。照射範囲内におけるレーザ光１０の光走査パターンには平行線状や格子状などあらゆる走査経路１７が考えられるが、そのどれを用いてもよい。光走査手段には加工ヘッド１４内に備えたガルバノミラーなどの光学系を用いるか、加工ヘッド１４自体を移動させるか、もしくはこれらを同時に行うか選択すればよい。

図５は、本発明の金属粉末の１例を示す走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。前記のような金属光造形装置で金型を製造するにあたり、金属粉末にどのようなものを用いるかが金型の特性に大きく関わる。

図６は、本発明の金属粉末で製造した金属光造形物の倍率５０倍の断面顕微鏡写真である。本発明の金属粉末を用いて、図１に示すような金属光造形装置でレーザ焼結して製造した２０ｍｍ□の金属ブロックを研磨した面を倍率５０倍で観察した拡大写真である。

本発明の金属粉末の平均粒子径は、１０μｍ以上５０μｍ以下、好ましくは１０μｍ以上３８μｍ以下である。平均粒子径は、粉末粒子の体積に基づく平均粒子径、すなわち粒度分布が求められている一つの粉体の集合体において平均体積をもつ粒子の直径が１０μｍ以上５０μｍ以下のものを示す。なお、粒度分布および粒子径は、粉末粒子群にレーザ光を照射し、そこから発せられる回折・散乱光の強度分布パターンを評価するレーザ回折・散乱法を用いて算出する。平均粒子径が１０μｍ未満では凝集による粉末積層不具合が生じ、５０μｍ超では造形密度低下の不具合が生じる。

本発明の射出成形用金型の製造方法は、三次元形状の造形物からなる金型を得る工程の後に、さらに固溶化熱処理および時効硬化熱処理の少なくとも一方を施す工程を有することを特徴とする。造形加工後の製造物に固溶化熱処理と時効硬化熱処理を施すことにより、高硬度、高熱伝導率を得ることができる。なお、固溶化熱処理とは、材料の合金成分を固溶させることのできる温度に加熱保持した後、冷却中に析出物がでないように急冷する処理のことである。時効硬化熱処理とは、固溶化熱処理を施した鋼をある一定の温度で加熱保持することで、鋼中に溶け込んでいる合金元素を微細な金属間化合物として析出させる処理のことを示す。

本発明の実施例を以下より詳細に説明する。

（実施例１）
図１に示す金属光造形装置を用いて、加工実験を行った。図中、レーザ光１０にはＦｉｂｅｒレーザを用いた。波長は１０７０ｎｍ、ＣＷ発振、レーザ出力は４００Ｗ、ベースプレート１上に集光する際のビームスポット径は０．１５ｍｍである。走査光学系１２にはＸ方向、Ｙ方向ともにガルバノミラーを用いた。ガルバノミラーによる光走査範囲はＸ２５０ｍｍ、Ｙ２５０ｍｍである。

ベースプレート１上に敷く金属粉末の積層厚みは０．０４ｍｍとした。スキージングブレード９によりベースプレート１上に金属粉末を０．０４ｍｍ敷いた後、レーザ光１０を照射した。照射経路は図４（ａ）のようにし、ガルバノミラーによる光走査速度（＝レーザスキャン速度）は９００ｍｍ／ｓｅｃとした。

使用した金属粉末は、Ｃｒ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｔｉ，Ｃｏ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｆｅからなる金属光造形用粉末である。金属粉末の平均粒子径は２０μｍ（０．０２ｍｍ）である。金属粉末は、粉末１から粉末１３を使用した。なお、各成分の含有量（重量％）は以下の表１に示すとおりである。

上記金属粉末とＳ５０Ｃ材を使用した１５０ｍｍ×１５０ｍｍ×２５ｍｍのベースプレートを用いて、６０ｍｍ×６０ｍｍ×２０ｍｍのテストモデルを製作した。造形加工終了後、造形物に５００℃時効硬化熱処理を施して、硬度、熱伝導率、耐食性の各物性値を評価した。ガラスやカーボンなどの強化材を含有するプラスチックの射出成形用金型に用いるためには、型耐久性を考慮して材料硬度５０ＨＲＣ以上であることが求められる。また、射出成形した金型を効率的に冷却するためには、熱伝導率１５Ｗ／ｍＫ以上、且つ、金型内部に形成する水管に水を流しても水管壁が錆びないことが求められる。

そこで評価基準として、材料硬度は、ロックウェル硬さ試験機もしくはビッカース硬度試験機により測定し、硬度が５０ＨＲＣ以上を○、未満を×とした。熱伝導率は、レーザフラッシュ法により測定し、熱伝導率が１５Ｗ／ｍＫ以上を○、未満を×とした。耐食性は、金型内部に形成する媒体を通すための通路を想定して造形物内部に形成した通路に一般的な工業用水を１ヶ月間連続で流し、錆びが確認できなかったものを○、確認できたものを×とした。実験結果を下記の表２に示す。

表２の結果から、本発明の金属粉末からなる造形物は、硬度、熱伝導率、耐食性全てが設定値を上回った。一方、ＣｒおよびＮｉが本発明の成分範囲より少ない場合は、耐食性が劣り、Ｃｕ、ＴｉおよびＣｏが本発明の成分範囲より少ない場合は、硬度が低く、また、Ｆｅ以外の合金成分の量が本発明の成分範囲より多い場合は熱伝導率が低い結果となった。以上より、本発明の成分範囲の金属粉末を用いることで、硬度、熱伝導率、耐食性に優れた造形物を得ることができる本発明の効果が得られる。

（実施例２）
実施例１に示すような装置、加工方法、加工条件を用いて、加工実験を行った。使用した金属粉末は、実施例１に示す粉末１、粉末２および粉末３と同じ成分からなる金属造形用粉末である。本実施例では、平均粒子径を変えてそれぞれ４種ずつ使用した。

造形加工終了後、造形物の密度を評価した。造形密度が９５重量％を下回ると射出成形品にボイドと呼ばれる空孔が転写して外観不良を引き起こす恐れがあるため、造形密度が９５重量％以上を○、未満を△とした。実験結果を以下の表３に示す。

表２の結果から、平均粒子径が１０μｍ以上５０μｍ以下の金属粉末から成る造形物は、造形密度が設定値を上回った。一方、平均粒子径が小さい粉末、もしくは大きい粉末から成る造形物は、造形密度が低い結果となった。

（実施例３）
実施例１に示すような装置、加工方法、加工条件を用いて、図７および図８に示すような射出成形用金型を製作した。

図７は、本発明の金属粉末で製造した射出成形用金型の一例を示す説明図である。図７において、１８は射出成形品、１９は金属光造形方法で製作した射出成形用金型、２０は金属光造形方法で製作した射出成形用金型の内部に形成した冷却水管である。

図８は、金型用鋼材ブロックで製造した射出成形用金型の一例を示す説明図である。図８において、１８は射出成形品、２１は金型用鋼材ブロックで製作した射出成形用金型、２２は金型用鋼材ブロックで製作した射出成形用金型内部に形成した冷却水管である。

図７および図８に示す射出成形用金型を用いて射出成形の実験を行った。実験結果を以下の表４に示す。

表４に示す結果によれば、本発明の金属光造形方法で製作した、図７に示す射出成形用金型は、射出成形したプラスチックを冷却するための水管を成形品形状に沿って配置できるので、図８に示す金型用鋼材ブロックで製作した射出成形用金型に比較して成形品冷却時間を５０重量％短縮できた。

本発明の金属光造形用金属粉末は、硬度、熱伝導率、耐食性に優れた造形物を得ることができるので、射出成形用金型、自動車部品等に利用することができる。

１ ベースプレート
２ 造形物
３ 造形チャンバー
４ 造形チャンバー内の金属粉末
５ 造形側昇降テーブル
６ 粉末供給チャンバー内の金属粉末
７ 粉末供給チャンバー
８ 粉末側昇降テーブル
９ スキージングブレード
１０ レーザ光
１１ レーザ発振器
１２ 走査光学系
１３ 集光レンズ
１４ レーザ加工ヘッド
１５ ３Ｄ−ＣＡＤモデル
１６ 断面形状モデル
１７ レーザ光の走査経路
１８ 射出成形品
１９ 金属光造形方法で製作した射出成形用金型
２０ 金属光造形方法で製作した射出成形用金型内部に形成した冷却水管
２１ 金型用鋼材ブロックで製作した射出成形用金型
２２ 金型用鋼材ブロックで製作した射出成形用金型内部に形成した冷却水管

Claims (6)

1. 金属光造形用の金属粉末であって、
   Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、およびＴｉを含み、Ｃｏ、Ｓｉ、またはＭｎを含んでもよく、
   Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ＋Ｃｕ＋Ｔｉ＋Ｃｏ＋Ｓｉ＋Ｍｎを１００重量％とした時、
   Ｆｅを７０．９重量％以上７６重量％以下、Ｃｒを１０重量％以上１３重量％以下、Ｎｉを４重量％以上９重量％以下、Ｃｕを３．７重量％以上７重量％以下、Ｔｉを１．７重量％以上３重量％以下、Ｃｏを０重量％以上４重量％以下、Ｓｉを０重量％以上０．５重量％以下、Ｍｎを０重量％以上０．５重量％以下であり、且つＣｒ＋Ｎｉが１６重量％以上１９重量％以下、Ｃｕ＋Ｔｉ＋Ｃｏが８重量％以上、Ｓｉ＋Ｍｎが０重量％以上１重量％以下であることを特徴とする金属光造形用の金属粉末。
2. 前記金属粉末の平均粒子径が１０μｍ以上５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の金属光造形用の金属粉末。
3. 請求項１または２に記載の金属光造形用の金属粉末に光ビームを照射して第一の焼結層を得る工程、前記第一の焼結層の上に前記金属粉末を形成して光ビームを照射して第二の焼結層を積層する工程を繰り返して三次元形状の造形物を得る工程を有することを特徴とする金属光造形による三次元造形物の製造方法。
4. 前記三次元造形物は射出成形用金型であって、前記焼結層を積層する方法において焼結層に光ビームを照射しない部分を形成し、前記光ビームを照射しない焼結しなかった部分の金属粉末を取り除き、射出成形用金型内部に媒体を通すための通路を形成する工程を有することを特徴とする請求項３に記載の三次元造形物の製造方法。
5. 前記三次元形状の造形物を得る工程の後に、さらに固溶化熱処理および時効硬化熱処理の少なくとも一方を施す工程を有することを特徴とする請求項３または４に記載の三次元造形物の製造方法。
6. 請求項４または５に記載の三次元造形物の製造方法を用いて製造された射出成形用金型を用いて成形されることを特徴とする成形品の製造方法。