(57)【要約】【課題】金属粉末のレーザ焼結を用いて細孔間の隔壁の厚みを確保しつつ、必要な空孔率を確保できる金属粉末製フィルターおよびその製造方法を提供すること。【解決手段】レーザ焼結された金属粉末製フィルターであって、前記金属粉末の粒子径は篩分けした１μｍ〜４５μｍの範囲にあり、前記金属粉末製フィルターの任意の横断面表面には、断面矩形状の格子状に配置された細孔であって、前記細孔の開口部の一辺の長さは６００μｍ〜２８００μｍであり、前記細孔と隣接する細孔との隔壁が１５０μｍ〜２５０μｍの厚みをなす細孔群が設けられ、前記細孔がそのフィルターの縦断面を貫通していると共に、前記細孔の内壁に前記金属粉末の微粒子が前記細孔を塞がない状態で固着しており、前記フィルターの空孔率が５０〜８７％を有する金属粉末製フィルター。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ焼結された金属粉末製フィルターであって、前記金属粉末の粒子径は篩分けした１μｍ〜４５μｍの範囲にあり、
前記金属粉末製フィルターの任意の横断面表面には、断面矩形状の格子状に配置された細孔であって、前記細孔の開口部の一辺の長さは６００μｍ〜２８００μｍであり、前記細孔と隣接する細孔との隔壁が１５０μｍ〜２５０μｍの厚みをなす細孔群が設けられ、
前記細孔がそのフィルターの縦断面を貫通していると共に、前記細孔の内壁に前記金属粉末の微粒子が前記細孔を塞がない状態で固着しており、
前記フィルターの空孔率が５０〜８７％を有する、
金属粉末製フィルター。
【請求項２】
前記細孔の開口部の一辺の長さは６００μｍ〜１３００μｍであり、
前記フィルターの空孔率が５０〜７５％を有する、
請求項1に記載の金属粉末製フィルター。
【請求項３】
レーザ焼結された金属粉末製フィルターであって、前記金属粉末の粒子径は篩分けした１μｍ〜４５μｍの範囲にあり、
前記金属粉末製フィルターの任意の横断面表面には、断面円形、楕円形又は六角形の細孔であって、前記細孔はハニカム状に配置されており、前記細孔の開口部の直径、長径又は対角線の長さは６００μｍ〜２８００μｍであり、前記細孔と隣接する細孔との隔壁が１５０μｍ〜２５０μｍの厚みをなす細孔群が設けられ、
前記細孔がそのフィルターの縦断面を貫通していると共に、前記細孔の内壁に前記金属粉末の微粒子が前記細孔を塞がない状態で固着しており、
前記フィルターの空孔率が５０〜８７％を有する、
金属粉末製フィルター。
【請求項４】
前記細孔の開口部の直径、長径又は対角線の長さは６００μｍ〜１３００μｍであり、
前記フィルターの空孔率が５０〜７５％を有する、
請求項３に記載の金属粉末製フィルター。
【請求項５】
前記金属粉末の粒子径は篩分けした１０μｍ〜４５μｍの範囲にある請求項１乃至４の何れか１項に記載した金属粉末製フィルター。
【請求項６】
前記金属粉末製フィルターの金属が、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｍｎ及びこれらを１種以上含有する合金のいずれかである請求項１乃至５の何れか１項に記載した金属粉末製フィルター。
【請求項７】
（ａ）篩分けした１μｍ〜４５μｍの粒径の金属粉末製粉末を用意する工程と、
（ｂ）製造する金属粉末製フィルターの厚み方向のＣＡＤデータを読み込む工程であって、前記ＣＡＤデータはフィルターの空孔率として５０〜８７％を確保するように、金属粉末製フィルターの任意の横断面表面に配置された細孔群を有し、
（ｃ）前記金属粉末製粉末を、製造対象の金属粉末製フィルターの表面に前記金属粉末製粉末の一層分又は複数の層分に相当する噴霧する工程と、
（ｄ）前記噴霧された金属粉末製粉末層に対して、前記ＣＡＤデータに基づいて、前記金属粉末を焼結させるレーザ光線を照射する工程と、
（ｅ）前記金属粉末製フィルターの細孔となる開口面を塞がないように、前記レーザ光線の強度を調整する工程と、
を備える金属粉末製フィルターの製造方法。
【請求項８】
（ａ）篩分けした１μｍ〜４５μｍの粒径の金属粉末製粉末を用意する工程と、
（ｂ）製造する金属粉末製フィルターの厚み方向のＣＡＤデータを読み込む工程であって、前記ＣＡＤデータはフィルターの空孔率として５０〜８７％を確保するように、金属粉末製フィルターの任意の横断面表面に配置された細孔群を有し、
（ｃ）製造対象の金属粉末製フィルターであって、予め製造された単層若しくは複数層の前記金属粉末製フィルター（第１フィルター）を用意する工程と、
（ｄ）前記金属粉末製粉末を、前記製造対象の金属粉末製フィルターの表面に前記金属粉末製粉末の一層分又は複数の層分に相当する噴霧または積層する工程と、
（ｅ）前記噴霧された金属粉末製粉末層に対して、前記製造対象の金属粉末製フィルターの厚み方向のＣＡＤデータに基づいて、前記金属粉末を焼結させるレーザ光線を照射する工程と、
（ｆ）前記金属粉末製フィルターの細孔となる開口面を塞がないように、前記レーザ光線の強度を調整する工程と、
を備える金属粉末製フィルターの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属粉末製フィルターおよびその製造方法に関し、より詳しくは、円形・楕円形又は多角形の孔形状であって、微細でかつ長い空孔を有する金属粉末製フィルターおよびその製造方法に関するものである。
特に、本発明の金属粉末製フィルターは、熱音響機関の温度差を空気の振動（音響）に替える蓄熱部に用いて好適である。
【背景技術】
【０００２】
濾過フィルターは、種々の工業分野において用いられており、例えば、水処理、冷凍機内の冷媒等の液体、または、ガスを濾過するために用いられている。ここで、金属粉末製フィルターは、例えば濾過度１μｍ以下である金属粉末製フィルターが知られている（特許文献１、２参照）。ここで、例えば濾過度１μｍ以下とは、エタノール水溶液中に粒子径が揃ったＳＴＡＤＥＸ標準粒子（真球状ポリエステル系ラテックス粒子）を分散させ、差圧０．１ｋｇｆ／ｃｍ２程度でフィルターを通過した粒子直径が１μｍ以下であるフィルターをいう。
【０００３】
冷蔵庫、あるいは冷凍機などにおいてはいわゆる冷媒を圧縮し、これを気化させることにより断熱膨張させて冷却効果を得られていることは良く知られている通りである。かかる冷媒を循環している配管は内径が小さいため、配管の組み立て時に配管内に残留したゴミや配管内の付着物が冷媒を循環させている配管内を詰まらせる。そこで、冷媒用の配管内に生じた種々のダストなどを濾過する必要が生じる。
【０００４】
従来、金属粉末を用いて製造した金属粉末製フィルターの製造方法は、金属粉体を圧縮して成形する圧粉成形法、もしくは、金属粉末を型に単に充填する粉末充填法を用い、これらを焼結して金属フィルターを製造する方法が採用されている。
従来の金属粉末製フィルターの製造方法における充填法においては、例えば青銅、ステンレス鋼などのガスアトマイズ法で製造された球状の金属粉末を、まず所定の粒度に篩分けし、例えば６０〜９００μｍの粉末を得て、これを所定の形状の容器に充填し焼結する。
【０００５】
一方、加圧成形法においては、青銅、ステンレス鋼などの水アトマイズ法で製造された不規則な形状の金属粉末を、４０〜５００μｍの粉末に篩分けし、または、球状粉末に、例えばパラフィンワックス等のバインダーを配合し、圧力によって圧縮成形したものを箱状の容器内に充填し、これを焼結する。焼結後において箱からこれらの焼結体を取り出し、必要に応じ所定の形状に加工し、その後酸洗し、あるいは適当な表面処理などを行って金属粉末製フィルターを製造していた。
【０００６】
近年、３Ｄプリンティングという製造方法が注目されており、ＣＡＤで作成された設計データに従って、微細粒径の金属粉末を噴射して、あるいは厚さに敷き詰めた微細粒径の金属粉末を一定のレーザ照射による溶融接合技術によって目的物を製造することが行われている（特許文献３〜６参照）。そこで、３Ｄプリンティングを用いて、空孔が連続している金属粉末製フィルターも提案されている（非特許文献１参照）。
ここで、金属粉末製フィルターにおいては、その断面方向の面積に対して、細孔の開口面積に相当する空孔率がなるべく高いほうが好ましく、他方でフィルターに必要な剛性を確保する必要がある。典型的な空孔率は、例えば５０％〜８５％である。しかし、金属粉末を３Ｄプリンティングで製造する場合には、開口径が金属粉末の数倍程度である細孔に関しては、細孔に金属粉末が目詰まりして、充分な空孔率を確保することが困難になるという課題があった。
【０００７】
また、従来の金属粉末を用いて製造した金属粉末製フィルターによれば、熱音響機関の温度差を空気の振動（音響）に替える蓄熱部の用途に用いる為には、圧力損失が大きく、音響機器としては性能が良くなかった。
熱音響機関の蓄熱部として用いるフィルターの場合は、単に金属粉末を焼結した多孔質体ではなく、連続した細孔のアスペクト比（細孔の長さと開口の代表長さとの比）が大きいものが必要である。他方で、典型的な空孔率として、例えば５０％〜８０％が必要である。でなわち、細孔は内径５００μｍ〜１５００μｍで、フィルターの厚みに相当する細孔の長さが５ｍｍ〜５０ｍｍに相当するから、アスペクト比として１０乃至１００程度が必要となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−３５９５２９号公報
【特許文献２】特開平０８−０８９７３１号公報
【特許文献３】ＷＯ９２／０８５９２
【特許文献４】特開２０１６−５１６８８６号公報
【特許文献５】特開２０１６−５１７３５７号公報
【特許文献６】特開２００２−３３２５０４号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】金属３Ｄプリンターを用いた細孔群の作成』、岸本哲、日本機械学会第２４回機械材料・材料加工技術講演会（Ｍ＆Ｐ２０１６）論文集（２０１６−１１．２５−２６．東京）６１２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述したように、金属粉末を用いて製造した金属粉末製フィルターにおいては、空孔率として５０〜８７％を確保すると共に、細孔間の隔壁も必要な剛性を確保する必要がある。この場合、細孔間の隔壁の厚みは使用する金属粉末の粒径に依存し、極端に薄くすることは困難であり、典型的は１５０μｍ〜２５０μｍの厚みとなる。すると、空孔率を確保する為には、細孔群の形状と配置を充分検討する必要がある。
また、熱音響機関の蓄熱部として用いるフィルターの場合は、細孔のアスペクト比を大きくする必要があり、また空孔率をなるべく高くして、圧力損失を小さくすると共に、必要な剛性を確保する必要があるという課題がある。
本発明は、従来の金属粉末製フィルターにおける上記の問題を解決するためになされたものであり、金属粉末のレーザ焼結を用いて細孔間の隔壁の厚みを確保しつつ、必要な空孔率を確保できる金属粉末製フィルターおよびその製造方法を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の金属粉末製フィルターは、上記の課題を解決するために、以下のことを特徴としている。
（１）レーザ焼結された金属粉末製フィルターであって、前記金属粉末の粒子径は篩分けした１μｍ〜４５μｍの範囲にあり、
前記金属粉末製フィルターの任意の横断面表面には、断面矩形状の格子状に配置された細孔であって、前記細孔の開口部の一辺の長さは６００μｍ〜２８００μｍであり、前記細孔と隣接する細孔との隔壁が１５０μｍ〜２５０μｍの厚みをなす細孔群が設けられ、
前記細孔がそのフィルターの縦断面を貫通していると共に、前記細孔の内壁に前記金属粉末の微粒子が前記細孔を塞がない状態で固着しており、前記フィルターの空孔率が５０〜８７％を有するものである。
（２）前記細孔の開口部の一辺の長さは６００μｍ〜１３００μｍであり、前記フィルターの空孔率が５０〜７５％を有する（１）に記載の金属粉末製フィルター。
【００１２】
（３）レーザ焼結された金属粉末製フィルターであって、前記金属粉末の粒子径は篩分けした１μｍ〜４５μｍの範囲にあり、
前記金属粉末製フィルターの任意の横断面表面には、断面円形、楕円形又は六角形の細孔であって、前記細孔はハニカム状に配置されており、前記細孔の開口部の直径、長径又は対角線の長さは６００μｍ〜２８００μｍであり、前記細孔と隣接する細孔との隔壁が１５０μｍ〜２５０μｍの厚みをなす細孔群が設けられ、
前記細孔がそのフィルターの縦断面を貫通していると共に、前記細孔の内壁に前記金属粉末の微粒子が前記細孔を塞がない状態で固着しており、
前記フィルターの空孔率が５０〜８７％を有するものである。
（４）前記細孔の開口部の直径、長径又は対角線の長さは６００μｍ〜１３００μｍであり、前記フィルターの空孔率が５０〜７５％を有する（３）に記載の金属粉末製フィルター。
（５）前記金属粉末の粒子径は篩分けした１０μｍ〜４５μｍの範囲にある（１）乃至（４）の何れか１項に記載した金属粉末製フィルター。
（６）前記金属粉末製フィルターの金属が、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｍｎ及びこれらを１種以上含有する合金のいずれかである（１）乃至（５）の何れか１項に記載した金属粉末製フィルター。
【００１３】
本発明の金属粉末製フィルターの製造方法は、上記の課題を解決するために、以下のことを特徴としている。
（７）（ａ）篩分けした１μｍ〜４５μｍの粒径の金属粉末製粉末を用意する工程と、
（ｂ）製造する金属粉末製フィルターの厚み方向のＣＡＤデータを読み込む工程であって、前記ＣＡＤデータはフィルターの空孔率として５０〜８７％を確保するように、金属粉末製フィルターの任意の横断面表面に配置された細孔群を有し、
（ｃ）前記金属粉末製粉末を、製造対象の金属粉末製フィルターの表面に前記金属粉末製粉末の一層分又は複数の層分に相当する噴霧する工程と、
（ｄ）前記噴霧された金属粉末製粉末層に対して、前記ＣＡＤデータに基づいて、前記金属粉末を焼結させるレーザ光線を照射する工程と、
（ｅ）前記金属粉末製フィルターの細孔となる開口面を塞がないように、前記レーザ光線の強度を調整する工程とを有するものである。
【００１４】
（８）（ａ）篩分けした１μｍ〜４５μｍの粒径の金属粉末製粉末を用意する工程と、
（ｂ）製造する金属粉末製フィルターの厚み方向のＣＡＤデータを読み込む工程であって、前記ＣＡＤデータはフィルターの空孔率として５０〜８７％を確保するように、金属粉末製フィルターの任意の横断面表面に配置された細孔群を有し、
（ｃ）製造対象の金属粉末製フィルターであって、予め製造された単層若しくは複数層の前記金属粉末製フィルター（第１フィルター）を用意する工程と、
（ｄ）前記金属粉末製粉末を、前記製造対象の金属粉末製フィルターの表面に前記金属粉末製粉末の一層分又は複数の層分に相当する噴霧する工程と、
（ｅ）前記噴霧された金属粉末製粉末層に対して、前記製造対象の金属粉末製フィルターの厚み方向のＣＡＤデータに基づいて、前記金属粉末を焼結させるレーザ光線を照射する工程と、
（ｆ）前記金属粉末製フィルターの細孔となる開口面を塞がないように、前記レーザ光線の強度を調整する工程とを有するものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の金属粉末製フィルターによれば、金属粉末のレーザ焼結を用いて細孔間の隔壁の厚みを確保しつつ、フィルターとして必要な空孔率を確保できる金属粉末製フィルターが提供できる。
本発明の金属粉末製フィルターの製造方法によれば、上記の金属粉末製フィルターが効率よく製造できる。
本発明の金属粉末製フィルターによれば、細孔のアスペクト比を大きくすると共に、空孔率をなるべく高くして、圧力損失を小さくし、さらに必要な剛性を確保した熱音響機関の蓄熱部として用いるフィルターに適した金属粉末製フィルターが提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１の実施例を示す金属粉末製フィルターの構成斜視図で、正方形の空孔を有する直方体を示している。
【図２】図１に示す実施例でのＸ線ＣＴ写真である。
【図３】本発明の第１の比較例を示す金属粉末製フィルターの構成断面図である。
【図４】本発明の第２の実施例を示す金属粉末製フィルターの構成断面図である。
【図５】本発明の第２の比較例を示す金属粉末製フィルターの構成断面図である。
【図６】本発明の第３の実施例を示す金属粉末製フィルターの構成断面図である。
【図７】本発明の第２及び第３の実施例の金属粉末製フィルターの作用を説明する要部構成断面図である。
【図８】本発明の金属粉末製フィルターが装着される熱音響機関の要部構成図である。
【図９】本発明の第３の比較例を示す３Ｄプリンティングにより製造された金属粉末製フィルターの多孔形成面を示す写真である。３Ｄプリンティングは、微細粒径の金属粉末を噴射してレーザ焼結技術によって目的物を製造するものである。
【図１０】図９に示す実施例でのＸ線ＣＴ写真である。
【図１１】図９に示す実施例での細孔入り口の走査型電子顕微鏡写真である。
【図１２】図９に示す実施例のＸ線ＣＴ写真の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、実施例に基づいて本発明を具体的に説明する。もちろん本発明は、これらの例によって何ら限定されるものではない。
本発明の金属粉末製フィルターは、レーザ焼結された金属粉末製フィルターであって、金属粉末の粒子径は篩分けした１μｍ〜４５μｍの範囲にあるとよい。金属粉末の粒子径が１μｍ未満の場合は、不活性ガスによって飛散したり、ワークの隙間に入り込み、加工作業の作業性を害する。ここで、不活性ガスは、レーザ光線によって加熱された金属粉末が酸化するのを防止するもので、例えばアルゴンガスや窒素ガスが用いられる。金属粉末の粒子径が４５μｍを超す場合は、金属粉末を一層毎に積む厚さが、溶融後で３０μｍを超すため、精密な形状を有する目的物の３Ｄプリンティングが困難になる。
好ましくは、金属粉末の粒子径は篩分けした１０μｍ〜４５μｍの範囲にあるとよい。金属粉末の粒子径が１０μｍ未満の場合は、金属粉末を一層毎に積む厚さと比較して、金属粉末の粒子径が小さくなり、製造コストは微細粉末になるほど高価になることから、製造コストが高くなる。
金属粉末の材料金属は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｍｎ及びこれらを１種以上含有する合金のいずれかであるとよい。
【００１８】
３Ｄプリンティングは、微細粒径の金属粉末を噴射してレーザ焼結技術によって目的物を製造するものである。従って、３Ｄプリンティングにより製造される目的物の寸法精度は、金属粉末の粒径とレーザ光線によるレーザ焼結技術の制限を受ける。
金属粉末製フィルターでは、フィルターの空孔率が５０〜８７％を有する必要がある。そこで、細孔の開口部の面積と、細孔間の隔壁の占有する面積、並びに細孔群の外枠となる外周面の面積を検討する必要がある。ここでは、フィルターの空孔率の計算の便宜上、隔壁の厚さと外枠の厚さは共通とし、レーザ焼結技術の内在的制限により、ＣＡＤデータでの設定値とレーザ焼結後の仕上がり値との差が１００μｍ生ずるものとしている。
【００１９】
金属粉末製フィルターに、断面矩形状の格子状に配置された細孔群が設けられている場合に、フィルターの空孔率として５０〜８７％を確保するには、細孔の開口部の一辺の長さは下限値５００μｍ、上限値１３００μｍとなる。フィルターの空孔率として５０〜８７％を確保するには、細孔の開口部の一辺の長さは下限値５００μｍ、上限値２８００μｍとなる。ここでは、隔壁の厚さと外枠の厚さが、レーザ焼結後の仕上がり値として２００μｍの場合を表１〜表３に示す。ここで、ＣＡＤデータによる設計値は、照射するレーザ光線の直径を考慮しているが、レーザ光線による金属粉末の溶融は考慮していないものである。これに対して、レーザ焼結後は、レーザ光線による金属粉末の溶融の影響が、細孔群に現れている。なお、フィルターの空孔率として５０〜７５％を確保するには、細孔の開口部の一辺の長さは下限値５００μｍ、上限値１３００μｍとなる。
【表１】
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【表２】
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【表３】
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【００２０】
金属粉末をレーザ焼結する製造方法では、例えばＣＡＤデータにおける細孔の設計開口の一辺長さに対して、金属粉末の粒子径の２粒子分ないし５粒子分を控除した値であって、照射するレーザ光線の強度に依存して変動する。従って、ＣＡＤデータにおける細孔の設計開口の一辺長さが６００μｍ〜１４００μｍの細孔であれば、レーザ焼結後の仕上がり値として５００μｍ〜１３００μｍの細孔が存在する金属粉末製フィルターが得られる。
金属粉末製フィルターに、断面矩形状の格子状に配置された細孔群が設けられている場合は、細孔群の形状が断面円形、楕円形又は六角形の場合であって、格子状に配置された場合の空孔率よりも高くなる。細孔群の形状が断面円形、楕円形又は六角形の場合に、空孔率を高めるためには、細孔群をハニカム状に配置するとよい。
【００２１】
＜金属粉末製フィルターの製造方法＞
以下に、本発明の金属粉末製フィルターの製造工程の一実施形態について説明する。
近年、３Ｄプリンティングという製造方法が注目されており、ＣＡＤで作成された設計データに従って、微細粒径の金属粉末を噴射して、レーザ焼結技術によって目的物を製造することが行われている。
【００２２】
３Ｄプリンティングは、製品開発時間を短縮しかつ製品品質を高めるために製品開発において使用される。これは三次元ＣＡＤモデルから直接にプロトタイプを製造することによって可能になる。この３Ｄプリンティングによる製造方法は、例えばＤＥ１９６４９８６５Ｃ１で公知であり、この公知の選択的レーザ溶解方法では、構成要素を市販の鋼または金属から製造することができる。この目的で、材料は、各場合に薄い層として、粉末形態で構築プラットフォームに塗布される。ここで、構築プラットフォームは、製造対象となる金属粉末製フィルターに相当する。
【００２３】
粉末層は、所望の構成要素の幾何学的形状に一致するようにレーザ光線を使用して局所的に溶解される。レーザ光線のエネルギーは、金属粉末がレーザ光線の入射点においてその全層の厚さにわたって完全に溶解されるように選択される。この方法では、レーザ光線は、レーザ光線の各連続するトラック(照射位置)が前のトラックに部分的に重なるように、複数のトラック中でそれぞれの材料粉末層の所定の区域にわたって案内される。同時に、例えば、酸化によって引き起こされることがある欠陥を回避するために、レーザ光線と金属粉末との間の相互作用の領域の上に遮蔽ガス雰囲気が維持される。この方法を使用して製造した鋼構成要素は、製造目的物の密度および強度の点で規定された材料仕様を満足する。選択的レーザ溶解方法を実行するための装置は、例えばＤＥ１９６４９８６５の図１に示されている。
【００２４】
金属粉末は、例えば材料粉末の容器および構築空間上のスライドの直線運動を介して、平坦化装置を用いて構築プラットフォームまたは構築空間上に分配される。各層がレーザ光線によって加工された後、スライドは、次に塗布すべき層の厚さに対応する量だけ中間生成物である構築プラットフォーム上に、新しい金属粉末を堆積する。しかしながら、レーザ光線によって加工された層は完全には平滑ではない。層は凹凸があり、場合によっては、塗布すべき層の厚さよりも大きい突出部分を有することもある。これらの点で、スライドの下側は、粉末の新しい層の塗布中にレーザ光線によって最後に加工された層上を研削して平坦化させる。その受動的作用は、スライドがますます損傷し、摩耗を受け、したがって動作時間が増大するにつれて、所望の層の厚さがもはや平面形態で塗布されなくなり、さらには増大することを意味する。
【００２５】
製造目的物が非常に微細なまたは繊細な構造であり、例えば非常に薄い壁厚さをもつカラム形態で形成される場合、形成された成形体がスライドの直線運動によって損傷することがあるという問題も生じる。そこで、これを改良した３Ｄプリンティング用製造装置が提案されており、例えばＤＥ１９８５３９７８Ｃ１は、ローラの形態をした研磨装置が平坦化装置の前に固定され、新しい粉末層で被覆される前にレーザ光線によって加工された各層の表面を平滑化することができる装置が知られている。この研磨装置は平坦化装置と同じ高さに設定され、したがって塗布すべき粉末層の厚さの上に突出する凹凸または突出セクションは研磨装置によって平坦化される。したがって、平坦化装置と構成要素の間の接触および摩耗を回避することができる。
【００２６】
上記の３Ｄプリンティング用製造装置を用いたレーザ光線による金属粉末を溶融固化する製造方法により、ヒートシンクのように、多数の細孔が形成された金属粉末製フィルターを製造することができる。
【００２７】
本実施例においては、金属粉末製フィルターに関する各種物性の測定、評価には、例えばＸ線ＣＴによる解析が行われる。Ｘ線ＣＴ（Computed Tomography）とは、Ｘ線を利用して被検査対象となる物体を走査しコンピュータを用いて画像処理することで、物体の内部画像を構成するもので、コンピュータ断層撮影と呼ばれる。
【００２８】
［実施例１］
図１は、本発明の第１の実施例を示す金属粉末製フィルターの構成斜視図で、断面矩形の空孔を有する直方体を示している。直方体の一辺は、例えば２０ｍｍとなっている。
使用した金属粉末方式の金属３Ｄプリンタは、Ｃｏｎｃｅｐｔ  Ｌａｓｅｒ社製のレーザ３ＤプリンタＭＬａｂである。使用した金属パウダーは同社製Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金粉末（粒径１０−４５μｍ）である。本３Ｄプリンタ装置を用いて図１に示す直方体を製造した。
【００２９】
図２は、図１に示す実施例でのＸ線ＣＴ写真を示している。図２（ａ）は、図１に示す金属粉末製フィルターの平面図で、格子状に細孔が設けられている。細孔は、一辺が１．５ｍｍ角の貫通孔で、ここでは８ｘ８に配列されている。図２（ｂ）は、図１に示す実施例での金属粉末製フィルターの断面図で、図２（ａ）に示す格子状の細孔群を縦断する方向の細孔長手方向の断面を示している。細孔の内径設定値は、一辺が１．５ｍｍ角であるので、金属粉末の粒子径に比較して２０倍〜５０倍程度大きくなっており、相当内径が例えば１．３〜１．４ｍｍ角となっている。
【００３０】
図２（ｃ）は、図１に示す実施例での金属粉末製フィルターの断面図で、格子状に形成された細孔の隔壁に沿った、細孔長手方向の断面を示している。細孔の隔壁に関しては、空隙は存在しておらず、各細孔は完全に独立した細孔となっており、通気性が確保されていると共に、隣接する細孔に漏れることもない。
図２（ｄ）は、図１に示す実施例での金属粉末製フィルターの構成斜視図である。
【００３１】
本発明の第１の実施例においては、金属粉末製フィルターの細孔のアスペクト比が、好ましくは２０以上、更に好ましくは１００以上、最も好ましくは２００以上であるのがよい。ここで、アスペクト比は、細孔の開口部の代表長さ（丸穴形状では直径、楕円形状では長径、六角形の場合は対角線の長さ、多角形の場合は一辺等）と細孔の長手方向の長さとの比をいう。また、空孔率が５０％以上、更に好ましくは７５％以上であるのがよい。
このような大きなアスペクト比の細孔は、ヒートシンク部材等の作製において重要なことである。しかし、切削加工を用いて直径に対して長手方向に長い細孔を作製することは、ドリル等の強度が問題となり非常に困難である。特に直径１ｍｍ以下の穴を多数、金属材料に作製することは多数のドリルを必要とし、経済的にも問題となる。他の多数の微細孔群を有する金属材料作製の作製手法としては、精密鋳造や押出法が考えられるが、どちらにおいても作製できる穴の直径やその長さには限界がある。微細粒径の金属粉末を噴射してレーザ焼結技術によって目的物を製造する３Ｄプリンティングによれば、長手方向に長い細孔を多数有する金属材料を効率的に作製できる。
【００３２】
［実施例２］と［比較例１］
図３は、本発明の第１の比較例を示す金属粉末製フィルターの構成断面図を示している。第１の比較例では、細孔の長手方向の大きさが一定となっている。しかし、細孔の開口部の代表長さが、金属粉末の粒子径と比較して、１０倍よりも小さい場合は、金属粉末の影響が無視できず、細孔の内壁表面を平滑に保持することは困難である。特に、レーザ光線を用いて、金属粉末を溶融させて基材と一体に固着させている場合には、細孔の内壁表面の凸凹を、金属粉末の粒子径よりも小さくすることは、レーザ光線加工を困難とし、また製造効率が低下する。
【００３３】
図４は、本発明の第３の実施例を示す金属粉末製フィルターの構成断面図を示している。細孔の開口部の代表長さが、金属粉末の粒子径と比較して、１０倍よりも小さい場合はであっても、細孔の内壁表面の凸凹について、金属粉末の粒子径の半分程度までは許容することで、レーザ光線による溶融接合が容易になると共に、小さい空孔径、大きな空孔率、大きなアスペクト比を必要とする熱音響機関用のフィルターに必要な通気性が確保できる。
【００３４】
［実施例３］と［比較例２］
本発明の第２の実施例においては、細孔の長手方向の大きさが一定となっているものを示しているが、細孔の長手方向の大きさがテーパ状やホーン状に変化してもよい。即ち、ヒートシンク用フィルターとしては、一方の面の空孔率が他方の面の空孔率と比較して大きいか、又は小さくなっていてもよい。そして、空孔率は、細孔の長手方向の深さに応じて変化するものであってもよい。
【００３５】
図５は、本発明の第２の比較例を示す金属粉末製フィルターの構成断面図を示している。細孔の開口部の大きさが奥に行くにしたがって先細りする形状となっている。第２の比較例では、塵埃などの微粒子が金属粉末製フィルターに目詰まりしやすいという課題がある。
図６は、本発明の第３の実施例を示す金属粉末製フィルターの構成断面図を示している。第３の実施例では、細孔の開口部の大きさが奥に行くにしたがって先細りするが、細孔の内壁に金属粒子に起因する凹凸状の突起面を有する。この凹凸状の突起面は、例えば金属粉末の粒子径の半分程度である。従って、金属粉末の粒子径は篩分けした１０μｍ〜４５μｍの範囲にある場合には、凹凸状の突起面は２０μｍ〜４０μｍの範囲にある起伏を有する。
【００３６】
図７は、本発明の第２及び第３の実施例の金属粉末製フィルターの作用を説明する要部構成断面図である。細孔の内壁に金属粉末に起因する凹凸を有するフィルターであり、細孔の内径とほぼ同じ程度に近い外径の塵埃粒子が詰まった場合でも、内壁の凹凸で大きな外径の塵埃粒子が途中で捕捉されて、細孔が完全に詰まることは防止され、通気性が確保できる。除去できる塵埃粒子の大きさは、凹凸状の突起面が２０μｍ〜４０μｍの範囲にあることを考慮して、断面矩形の一辺が５００μｍ〜１３００μｍの細孔に対応して、外径が４５０μｍ〜１２５０μｍの塵埃であり、例えば糸屑や髪の毛のような各種繊維が除去できる。
【００３７】
［比較例３］
図９は、本発明の比較例を示す金属粉末製フィルターの多孔形成面を示す写真である。ここでは、細孔群の長さは２０ｍｍで、細孔群の内径設定値が０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、０．３ｍｍ、０．５ｍｍの場合を示している。ここで、細孔の内径設定値は３Ｄプリンティング用製造装置であるレーザ金属粒子焼結装置で製造される細孔の内径設定値をいい、概ね、レーザ焼結後の仕上がり値から細孔の内壁に金属粒子に起因する凹凸状の突起面の影響を控除したものに相当する。
使用したレーザ金属粒子焼結装置は、Ｃｏｎｃｅｐｔ  Ｌａｓｅｒ社製のレーザ３ＤプリンタＭＬａｂである。使用した金属パウダーは同社製Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金粉末（粒径１０−４５μｍ）である。本レーザ金属粒子焼結装置を用いて幅５ｍｍ、長さ２０ｍｍ、高さ２０ｍｍの試料を作製し、この材料にレーザ光線を直径０．１から０．５ｍｍまで０．１ｍｍ刻みで円形に照射し、細孔群を作製した。レーザ光線の出力は９５Ｗ、走査速度は９００ｍｍ／分、積層厚は４０μｍである。レーザ光線の照射はアルゴンガス中で、酸素分圧０．５％以下で行われた。作製した試料はサンドブラスト処理を行い、表面の粒子を除去した後、走査型電子顕微鏡を用いて表面や細孔部の観察を行った。
レーザ光線の５種類の直径に対して、レーザ焼結後の細孔の内径設定値は、０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、０．３ｍｍ、０．５ｍｍの４種類が有意となっている。レーザ光線の直径が０．１ｍｍのものは、金属粒子が溶融して、孔が充填されており、細孔が形成されなかった。レーザ光線の直径が０．２ｍｍのものも、金属粒子が溶融して、孔が充填されており、細孔が形成されなかった。
【００３８】
図１０は、図９に示す実施例でのＸ線ＣＴ写真である。図１０（ａ）は、金属粉末製フィルターの平面図で、図の上側から下側の順で、細孔の内径設定値が０．５ｍｍ、０．３ｍｍ、０．２ｍｍ、０．１ｍｍの場合を示している。
図１０（ｂ）は、金属粉末製フィルターの断面図で、図１０（ａ）に示す４種類の細孔群を縦断する方向の細孔長手方向の断面を示している。細孔の内径設定値が０．５ｍｍに対して相当内径が０．３８ｍｍとなっている。細孔の内径設定値が０．３ｍｍに対して相当内径が０．２０ｍｍとなっている。細孔の内径設定値が０．２ｍｍに対して、相当内径が０．１４ｍｍとなっており、細孔は部分的に塞がれているが、一部空隙も存在しており、全体的な観察からは細孔の存在を認識できるが、通気性が確保されている。細孔の内径設定値が０．１ｍｍに対して、細孔はほぼ完全的に塞がれている。
【００３９】
図１０（ｃ）は、金属粉末製フィルターの断面図で、図１０（ａ）に示す４種類の細孔群のうち、細孔の内径設定値が０．２ｍｍの細孔群を横断する方向の細孔長手方向の断面を示している。細孔の内径設定値が０．２ｍｍに対して、細孔は部分的に塞がれているが、一部空隙も存在しており、全体的な観察からは細孔の存在を認識できる。
図１０（ｄ）は、金属粉末製フィルターの構成斜視図で、併せて図１０（ｂ）、図１０（ｃ）の断面方向を示している。
【００４０】
図１１は、図９に示す実施例での細孔の表面入り口の走査型電子顕微鏡写真で、（ａ）は細孔の内径設定値が０．１ｍｍ、（ｂ）は０．２ｍｍ、（ｃ）は０．３ｍｍの場合を示している。
図１２は、図９に示す実施例のＸ線ＣＴ写真の拡大図で、図１０（ｂ）を拡大したものに相当している。図中、１番右側は、細孔の内径設定値が０．５ｍｍに対して相当内径が０．３８ｍｍとなっている。図中、右より２番目は、細孔の内径設定値が０．３ｍｍに対して相当内径が０．２ｍｍとなっている。
【００４１】
図９乃至図１２に示すように、細孔の内径が０．１ｍｍの場合は、細孔の内部に金属粉末粒子が充填されており、Ｘ線ＣＴ写真では貫通を確認できなかった。細孔の内径が０．２ｍｍの場合は、細孔の内壁に金属粉末粒子が付着しているように見えるが、細孔は貫通している。細孔の内径が０．３ｍｍ、０．５ｍｍの場合は、細孔の内部の内径は、ＣＡＤで設定した設定値より小さいものの、近い値になっており、完全に貫通している。
【００４２】
［熱音響機関用フィルター］
図８は、本発明の金属粉末製フィルターが装着される熱音響機関の要部構成図である。本発明の金属粉末製フィルターは熱音響機関用のフィルターに用いられる。熱音響機関は温度差のエネルギーを空気の振動（音響）に替え、パイプを通して伝搬し高温部と低音部から離れた部分で空気の振動を再び温度差に替える、あるいは振動を利用して他のエネルギー（電気等）に変換する機関である。
本発明の金属粉末製フィルターは、熱音響機関の温度差を空気の振動（音響）に替える蓄熱部を供給するものである。本蓄熱部は金属製であって、全細孔による空孔率（即ち、開口部の割合）ができるだけ大きく、かつ内径が小さく開口部と長さの比の大きい細長い細孔を有している。細孔の形状は円形あるいは多角形を呈し、細孔の間口の大きさは差し渡し２．５ｍｍ以下であって、細孔の間口と長さの比は１０以上のアスペクト比を有する。蓄熱部両端の温度差を保つため、細孔の間口と長さの比は大きい方が良い。本発明で作製する金属製フィルターはこの熱音響機関のフィルターに最適な要件を満たしている。
【００４３】
本発明の金属粉末製フィルターの実施例においては、レーザ光線で形成される細孔群として、直線状の孔のものを示したが、本発明は直線状の孔に限定されるものではなく、螺旋状や曲線状の孔でもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明の金属粉末製フィルターは、直径１ｍｍ以下の穴を多数、金属材料に設けたものであり、粒子分球や純粋にフィルターとして用いることができる。
また、本発明の金属粉末製フィルターは、細孔の内壁に金属粉末に起因する凹凸を有するフィルターであり、細孔の内径とほぼ同じ程度に近い外径の塵埃粒子が詰まった場合でも、内壁の凹凸で大きな外径の塵埃粒子が途中で捕捉されて、細孔が完全に詰まることは防止され、通気性が確保できる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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