JP6488216B2 - ハニカム構造体の製造方法、ハニカム構造体の製造装置及びハニカム構造体 - Google Patents
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Description
複数のセルを形成する隔壁を備えたハニカム構造体の製造方法であって、
前記隔壁の気孔を形成する造孔材を配置する造孔材配置工程と、板状粒子と原料粒子とを前記隔壁を形成する原料とし該板状粒子を前記隔壁面に対して所定方向に配列させて該板状粒子と該原料粒子とを配置する原料配置工程と、前記配置された原料を焼結させる焼結工程とを含み、複数回に亘って繰り返し実行される構造体形成工程を含むものである。
複数のセルを形成する隔壁を備えたハニカム構造体の製造装置であって、
前記隔壁の気孔を形成する造孔材を配置する造孔材配置部と、
板状粒子と原料粒子とを前記隔壁を形成する原料とし該板状粒子を前記隔壁面に対して所定方向に配列させて該板状粒子と該原料粒子とを配置する原料配置部と、
前記配置された原料を焼結させる焼結部と、
前記造孔材の配置、前記原料の配置及び前記原料の焼結を複数回に亘って繰り返し実行させる制御部と、
を備えたものである。
原料の板状粒子に基づく結晶粒子が隔壁面に対して垂直方向に配列されたコージェライトを含み、セルを形成する隔壁、を備えたものである。
まず、本実施形態のハニカム構造体40について説明する。本実施形態のハニカム構造体40は、図2に示すように、セル44を形成する隔壁42を有するものであり、その外周に保護部材48が形成されている。このハニカム構造体40は、例えば、本発明のハニカム構造体の製造方法によって作製されたものである。このハニカム構造体40の外形は、特に限定されないが、円柱状、四角柱状、楕円柱状、六角柱状などの形状とすることができる。セル44は、その断面の形状として3角形、4角形、6角形、8角形などの多角形の形状や円形、楕円形などの流線形状、及びそれらの組み合わせとすることができる。なお、図2には、ハニカム構造体40の外形が円柱状に形成され、セル44が矩形状に形成されているものを一例として示した。なお、ハニカム構造体40は、一方の端部が開口され且つ他方の端部が目封止されたセル44と一方の端部が目封止され且つ他方の端部が開口したセル44とが交互に配置されたハニカムフィルタであるものとしてもよい。また、隔壁面45上に捕集層を形成するものとしてもよい。
次に、本実施形態のハニカム構造体の製造方法について説明する。この製造方法は、複数のセルを形成する隔壁を備えたハニカム構造体の製造方法である。この製造方法は、隔壁の気孔を形成する造孔材を配置する造孔材配置工程と、板状粒子と原料粒子とを隔壁を形成する原料とし、この板状粒子を前記隔壁面に対して所定方向に配列させて板状粒子と原料粒子とを配置する原料配置工程と、を少なくとも含む。この造孔材配置工程及び原料配置工程を行うことにより、未焼成のハニカム構造体の成形体(ハニカム成形体)を作製することができる。また、ハニカム構造体の製造方法では、ハニカム成形体を焼結させる焼結工程を更に含むものとしてもよい。あるいは、この製造方法は、造孔材配置工程と、原料配置工程と、焼結工程とを含む構造体形成工程を含み、この構造体形成工程が複数回に亘って繰り返し実行されるものとしてもよい。こうすれば、例えば、形成された造孔材と原料とにより1層づつハニカム構造体を形成していくことができる。また、造孔材配置工程の前に、原料を支持する支持材を配置する支持材配置工程を必要に応じて行うものとしてもよい。この製造方法は、詳しくは後述する三次元造形装置によって実行されるものとしてもよい。
この工程では、原料を支持する支持材を配置する処理を行う。支持材の配置は、例えば、ハニカム構造体を支持する台座か、すでに配置された支持材か、原料を配置した未焼成成形体か、あるいは原料を焼結させた焼結体の上に行うものとする。なお、後述する造孔材の配置、原料の配置においても材料を配置する対象は、支持材と同様である。この工程では、目的とするハニカム構造体の形状が再現されるように、支持材を配置するものとする。支持材の配置は、例えば、下位層に焼結体が形成されていない領域(例えば、オーバーハング部分)に原料を形成する場合や、セルなどの空間に該当する領域に行うものとする。支持材は、焼結しにくい材料としてもよく、セラミック粒子としてもよい。セラミック粒子としては、例えば、アルミナ、シリカ、砂、SiC、チタン酸アルミニウム、ムライト、窒化珪素、サイアロン、ジルコニア、チタニアなどが挙げられる。セラミック粒子を支持材とする場合は、例えば、ハニカム構造体の原料(板状粒子や原料粒子)を用いてもよい。ハニカム構造体の原料を支持材とする場合は、支持材配置工程と原料配置工程とを並行して、又は1つの工程として行うものとしてもよい。あるいは、支持材は、除去しやすい樹脂などとしてもよい。樹脂を支持材とする場合は、造孔材と同じ樹脂としてもよい。樹脂としては、例えば、熱可塑性樹脂や、光硬化性樹脂、熱硬化性樹脂などが挙げられる。熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリエステル、ポリアミド、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン(ABS)樹脂、ポリカーボネート樹脂及びポリ乳酸(PLA)樹脂などが挙げられる。光硬化性樹脂には、紫外線硬化樹脂などを含む。紫外線硬化樹脂としては、例えば、ウレタンアクリレート、アクリル樹脂アクリレート、エポキシアクリレートなどのアクリレート系樹脂や、エポキシ系樹脂などが挙げられる。熱硬化性樹脂としては、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アルキド樹脂、ポリウレタン、熱硬化性ポリイミドなどが挙げられる。
この工程では、隔壁の気孔を形成する造孔材を配置する処理を行う。造孔材は、例えば、のちの工程で消失させることができる材質で構成されていればよい。造孔材は、例えば、加熱や溶解により消失可能な樹脂や、物理的に除去可能なセラミック粒子としてもよい。樹脂としては、例えば、上記熱可塑性樹脂や光硬化性樹脂、熱硬化性樹脂などが挙げられる。造孔材の配置は、例えば、理想的な細孔構造を構造解析やシミュレーションなどにより経験的に求めておき、その細孔構造を再現するように行うことが好ましい。造孔材の配置は、例えば、隔壁を構成する粒子の大きさに基づいて定められた層ごとに行うものとしてもよく、1層づつ形成するものとしてもよい。造孔材は、粒子状の部材を配置するものとしてもよいし、液状の部材を配置して固化させるものとしてもよい。造孔材が樹脂である場合は、加熱した樹脂を配置したのち冷却固化させる熱溶解積層法(FDM法)を用いてもよいし、硬化前の樹脂を配置したのち光硬化させる光造形法(SLA法)を用いてもよい。
この工程では、配置された造孔材上及び造孔材に形成された空間(隙間)のうちいずれかに原料を配置する処理を行う。また、この工程では、ハニカム構造体の隔壁を形成する原料として板状粒子を隔壁面に対して所定方向に配列させて配置する処理を行う。この工程では、隔壁面に対して所定方向に配置させたスリットから板状粒子を供給して配置するものとしてもよい。こうすれば、スリットを用いて比較的容易に板状粒子を一定の方向に制御することができる。この工程では、ハニカム構造体の原料として、板状粒子と板状ではない原料粒子とを用いるものとしてもよい。板状粒子は、平板面を有する粒子であり、その大きさが0.5μm以上10μm以下の範囲であるものを用いることができる。また、板状粒子は、へき開指数が0.84以上、好ましくは0.93以上、更に好ましくは0.96以上であるものが用いられる。このへき開指数は、特開2006−265034号公報に記載の方法に準じて測定するものとする。また、原料としての板状粒子と原料粒子とを溶媒に混ぜてスラリー又はペーストとしたのち、このスラリー又はペーストを隔壁となる原料として必要な部分に配置するものとしてもよい。溶媒は、例えば、水や、アルコールやアセトンなどの有機溶媒などが挙げられる。あるいは、溶媒を用いずに粉体を吐出して隔壁を形成するものとしてもよい。このとき、粒子を固定させる固定材を用いて各粒子を固定化させるものとしてもよい。ここで、板状粒子の大きさは、電子顕微鏡で観察した画像を用いて測定した各板状粒子の大きさの平均値をいうものとする。また、原料粒子の平均粒径は、レーザー回折/散乱式粒度分布測定装置を用い、水を分散媒として原料粒子を測定したメディアン径(D50)をいうものとする。
この工程では、配置された原料を焼結する処理を行う。また、この工程では、原料の焼結と共に造孔材を除去する処理を行うものとしてもよい。原料の焼結と造孔材の除去とは、並行して処理することがより好ましい。焼結処理は、原料に板状粒子と原料粒子とを含む場合は、これらが焼結(反応)する条件で行うものとすればよい。例えば、カオリンとタルクを原料とする場合、焼結は、レーザー焼結法(SLS法)により行うことが好ましい。この方法では、比較的簡便にコージェライトを生成することができ、好ましい。レーザーの種類としては、例えばNd:YAGレーザーなどの固体レーザー、又はCO2レーザーなどのガスレーザーが挙げられる。あるいは、焼結工程は、アーク放電を用いて行うものとしてもよい。
続いて、ハニカム構造体の製造装置である三次元造形装置10を説明する。三次元造形装置10は、図1に示すように、複数のセル44を形成する隔壁42を備えたハニカム構造体40の製造装置である。この三次元造形装置10は、図1に示すように、ヘッド移動部11と、造形ヘッド12と、台座16と、昇降部17と、造形物収容部18と、制御部21と、記憶部22とを備えている。
Claims (12)
- 複数のセルを形成する隔壁を備えたハニカム構造体の製造方法であって、
前記隔壁の気孔を形成する造孔材を配置する造孔材配置工程と、板状粒子と原料粒子とを前記隔壁を形成する原料とし該板状粒子を前記隔壁面に対して所定方向に配列させて該板状粒子と該原料粒子とを配置する原料配置工程と、前記配置された原料を焼結させる焼結工程とを含み、複数回に亘って繰り返し実行される構造体形成工程、を含む、
ハニカム構造体の製造方法。 - 前記原料配置工程では、前記隔壁面に対して所定方向に配置させたスリットから前記板状粒子を供給して配置する、請求項1に記載のハニカム構造体の製造方法。
- 前記原料配置工程では、前記板状粒子の平板面を前記隔壁面に対して垂直方向に配列させる、請求項1又は2に記載のハニカム構造体の製造方法。
- 前記原料配置工程では、前記板状粒子の平板面を前記隔壁面に対して平行方向に配列させる、請求項1又は2に記載のハニカム構造体の製造方法。
- 前記構造体形成工程では、コージェライトを含む前記隔壁を形成し、
前記板状粒子はカオリン粒子を含み、前記原料粒子はタルク粒子を含む、請求項1〜4のいずれか1項に記載のハニカム構造体の製造方法。 - 前記原料配置工程では、前記板状粒子と前記原料粒子とを混合した状態で配置する、請求項1〜5のいずれか1項に記載のハニカム構造体の製造方法。
- 前記構造体形成工程において、前記造孔材配置工程では所定の基材上又は先の前記構造体形成工程で形成した部材上に前記造孔材を配置し、前記原料配置工程では前記配置された造孔材上及び前記造孔材に形成された空間のうちいずれかに前記原料を配置し、前記焼結工程では前記配置された原料を焼結すると共に前記造孔材を除去する、請求項1〜6のいずれか1項に記載のハニカム構造体の製造方法。
- 前記構造体形成工程では、前記隔壁面に沿った方向へ前記ハニカム構造体を形成していく、請求項1〜7のいずれか1項に記載のハニカム構造体の製造方法。
- 前記構造体形成工程では、三次元造形装置によって前記造孔材配置工程及び原料配置工程を行う、請求項1〜8のいずれか1項に記載のハニカム構造体の製造方法。
- 複数のセルを形成する隔壁を備えたハニカム構造体の製造装置であって、
前記隔壁の気孔を形成する造孔材を配置する造孔材配置部と、
板状粒子と原料粒子とを前記隔壁を形成する原料とし該板状粒子を前記隔壁面に対して所定方向に配列させて該板状粒子と該原料粒子とを配置する原料配置部と、
前記配置された原料を焼結させる焼結部と、
前記造孔材の配置、前記原料の配置及び前記原料の焼結を複数回に亘って繰り返し実行させる制御部と、
を備えたハニカム構造体の製造装置。 - 原料の板状粒子に基づく結晶粒子の平板面が隔壁面に対して垂直方向に配列されたコージェライトを含み、セルを形成する隔壁、を備えたハニカム構造体。
- 前記隔壁は、800℃における前記隔壁面方向の熱膨張率が2.5×10-6/℃以下の範囲である、請求項11に記載のハニカム構造体。
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