(57)【要約】【課題】  初期投資額が低く、運転コスト安価な金属粉末焼結体の製造装置と製造方法を提供する。【解決手段】  金属粉末を熱溶融性帯状フープ材の上に印刷し、印刷部の上から高熱ヒーターで押圧加熱することで、フープ材は溶融し、金属粉末の印刷部模様のみを金属焼結させる工程において、フープ材を基盤面に押圧しながら任意のヒーターを加熱し該フープ材を上面の印刷部模様の位置に焼結層を形成し、フープ材の溶融とフープ材からの切抜きでシートに加工した１層を基盤上に固定し、該形成された焼結層上に引き続きフープ材を供給しその上の金属印刷部を押圧加熱焼結し、フープ材から切り抜いたシートを１層ずつ積層、フープ材を供給し押圧加熱焼結、シート化積層を繰り返して金属粉末焼結体を製造する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属粉末を熱溶融性帯状織物フープ材の上に印刷し、印刷物の上から任意に制御可能な、高熱ヒーターで押圧加熱することで、フープ材は溶融し、金属粉末の印刷模様のみを金属焼結させる、フープ材の金属焼結した一部を含む特定の寸法をシートとして切り抜き基盤に固定、このシートの上に、次に同じ作業で印刷したフープ材を１層重ねて、また上から押圧天板で加熱する、次々と重ねて積層することで、金属焼結体を含む焼結シートの積層体ができ上がる、
焼結したシートを積層して押圧加熱する金属粉末焼結体を製造する装置であって、
フープ材の任意印刷個所を加熱して、印刷形状の焼結層を形成することができるヒーターを備えた押圧天板と、積層厚に合わせた高さレベルを調整できる基盤、その基盤上にシートを断続的に供給できるフープ材供給機構と、フープ材からシートを切り抜き、基盤上にシートを固定、押圧する押圧機構、を備えたことを特徴とする金属粉末焼結体製造装置。
【請求項２】
金属粉末を熱溶融性フープの上に印刷し、印刷物の上から任意に制御可能な、高熱ヒーターで押圧加熱することで、フープ材は溶融、金属粉末の印刷模様のみを金属焼結させる、この金属焼結したフープ材の一部を、シートとして切り抜き、このシートの上に、次に同じ作業で出来上がった印刷済フープを１層ずつ重ねて、上から押圧天板で加熱、シートを切り抜き、次々と重ねて積層することで、金属焼結体を含む焼結シートの積層体ができ上がる、積層焼結して金属粉末焼結体を製造する装置で、前記第１の焼結層を含む基盤の上のシートと押圧天板との間に新たなシートを挿入し、前記第１の焼結層を形成したのと同様の手順で前記第１の焼結層上に第２の焼結層を積層し、
前記積層された焼結層上に同様の手順で新たなシート材を供給して焼結層を積層する、この手順による積層を繰り返すことでシート材の積層体を形成した後、
前記積層体の前記薄織物を溶解除去して未焼結部分を除去することを特徴とする金属粉末焼結体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、金属粉末焼結体の製造装置及び金属粉末焼結体の製造方法に関わるものである。
【背景技術】
【０００２】  近年、３次元構造体を効率よく製造する技術として３Ｄプリンターが注目されており既に樹脂を素材とする３Ｄプリンターについては安価な市販機も出現している。
一方３Ｄプリンターの要領で金属製の３次元構造体を作る場合、金属は樹脂に比して高融点である為熱源は、微少域を急速加熱可能なレーザーや光ビーム等の高出力のものが用いられる。
例えば、特許文献１には、粉末層に光ビーム（レーザー）を照射して該粉末層を焼結または溶融して固化層を形成する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−６５２５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  レーザーや光ビームなどは、数千℃の高熱、高出力で金属粉末を瞬時に溶解し、金属焼結を行える。
しかしこれは、エネルギーが多大な為、装置や使用エネルギーが膨大なものとなり、過大な投資を必要とする。
現在、ヒーター熱源利用のものは、熱可塑性樹脂を素材とする３Ｄプリンターの熱源等に散見されるが、ヒーター温度は数百℃で簡易、小型化されたものが多くヒーター利用の金属粉末焼結体の製造装置が見られることはない。
熱可塑性樹脂を素材とする３Ｄプリンターのヒーター熱源では、金属粉末を溶融する金属焼結の成果が得られない。
本発明は、安価に金属粉末焼結体をヒーター熱源で製造することを目的とする。
なお、本発明で言う焼結とは焼き固めるという狭義の焼結に限定されず、溶融固化を含んで粉末から固体を形成することを指す。
【課題を解決するための手段】
【０００５】  本発明は上記を目的としてなされたものであり、第１の発明は、熱溶解性の薄織物を基材とする帯状フープ材を準備し、その上に超微粒金属粉末をインクとして、３Ｄプリンターキャドからの信号に同期したＸ−Ｙ２次元ソフトからプロッター模様を金属箔状に前記フープ材の上に印刷加工して、その上を高熱ヒーターで押圧加熱することにより前記印刷部を金属焼結させる。【０００６】  本発明は前記加熱済フープ材から、印刷部を金属焼結させたものを含む定尺のシートとして切り離し、積層体の１層分を作る、
上記シートの上に新しく次のキャド信号で印刷されたフープ材を移動させてキャド信号で位置合わせを行って重ね、前記と同じくフープ材の上からヒーターで押圧加熱、印刷部を金属焼結させ、出来上がったものを同寸法シートに切り離して焼結シートの積層体２層目を作る。
フープ材上の金属箔状印刷模様部分がヒーター天板の加熱で金属焼結して出来た焼結シートの積層体１層分は、印刷インクのバインダー、印刷模様の下部フープ材が熱溶解して金属焼結部分から乖離、該シート材周辺と合体して焼結層をサポートするサポート材になり、焼結層とサポート材の合体したものが焼結シート層の一層となり、これを天板と基盤で上下から夾圧することで、すでに出来上がっている焼結シート層と合体して焼結シートの積層体を形成する。【０００７】  前期Ｘ−Ｙ２次元の金属箔状印刷模様を１層ずつ下のＺから上の方向に積層して、ヒーター天板の加熱、加圧により金属焼結積層した金属箔状印刷模様は、上下間Ｚ軸にも金属粉末焼結をして  ３次元金属粉末焼結体を製造する装置であって、
前記フープ材の上に任意の金属箔状印刷を行い、印刷を含むフープ材を加熱して前記フープ材面内に任意印刷模様形状の焼結層を形成することができるフープ材への印刷、印刷後の次工程  押圧加熱作業へのフープ材送り、位置あわせ、加圧、加熱、フープ材からのシート切り離し、全作業のタクトタイムを同期させて、フープ材を断続的に供給できるフープ材供給機構と、前記フープ材を基盤上に押圧、加熱する押圧機構、フープ材からシートに切り離して基盤上に固定積層する機能を備えたことを特徴とする金属粉末焼結体製造装置、である。【０００８】  第２の発明は、金属粉末を金属箔状に印刷加工したフープ材を、上部より押圧、加熱するヒーターを備えた押圧天板と基盤の間にセットし、前記フープ材面内に第１の焼結層を形成し、引き続き、前記第１の焼結層を含むフープ材と基盤の間に新たなフープ材を挿入し、前記第１の焼結層を形成したのと同様の手順でシート加工を行い、前記第１の焼結層上に第２の焼結層を積層し、
前記積層された第２の焼結層上に同様の手順で新たなフープ材を供給して第３の焼結層を積層し、この手順による積層を繰り返すことで焼結体を内包する焼結シートの積層体を形成した後、
前記積層体の前記フープ材を溶解除去して未焼結部分を除去することを特徴とする金属粉末焼結体の製造方法、である。
前記金属粉末焼結体製造装置及び製造方法の工程を図１・図２・図３に示す。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】  本発明の金属粉末焼結体製造装置の構成。
【図２】  フープ材とシート焼結積層過程を示す図。
【図３】  シート焼結積層の完了図。
【図４】  本発明に係る上部押圧天板断面図。
【図５】  本発明に係る上部押圧天板下からの平面図。
【図６】  基板上に１層目Ｚ層シートの基盤透視図。
【図７】  上記フープ材、シート、基盤Ｂ−Ｂ‘断面図。
【図８】  積層体各シートの焼結層の構造を模式的に表した分解図。
【図９】  焼結体製品の完成図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】  以下、本発明を実施する形態の一例について図に基づいて説明する。
図１は、フープ材上に印刷する第１の工程とヒーター押圧天板で加工する金属粉末焼結加工の第２の工程をシンクロナイズした本発明の金属粉末焼結体製造装置の構成を示す図である。
図２〜図３はフープ材と焼結シートの積層過程と完了を示す図で、本発明の金属粉末焼結体製造装置は、フープ材２上に金属粉末を金属箔状に任意箇所を印刷加工し、フープ材を加熱して任意形状の焼結層を形成、焼結シート積層２１ｚ〜２１ａにすることができるヒーターを備えた押圧天板１と、基盤３の上にフープ材２を前記印刷加工とシンクロナイズして、断続的に供給するフープ材送り出しローラー６とフープ材巻き取りローラー７を備えたフープ材供給機構と、シート材２１ｚ〜２１ａを基盤上に押圧する押圧天板１を備えた押圧機構で構成されている。押圧天板１は天板昇降用支持具４と天板駆動装置５によって、昇降操作可能である。
【００１１】  前記押圧天板１にはフープ材２に接する面に空気噴出し口１ｂを備えていて、該噴出し口１ｂは空気流通路１ａを経由して噴気ダクト９につながっている。
これにより、押圧天板１はフープ材２を押圧するだけでなく、シート材２１ｚ〜２１ａを基盤３上面に押圧させてシート材の位置固定とフープ材２との剥離促進機能を有する。
【００１２】  前記押圧天板１の構成を図４〜図５を使って少し詳しく説明する。図５は本発明に係るヒーター基盤を有する押圧天板１の下からの平面図を表すものである。
中央のヒーター基盤はヒーター１ｃを独立して多数個整列させ、任意のヒーター１ｃがオン、オフ可能である。
本発明に用いられるヒーター１ｃはセラミック焼成ドットヒーターであることが望ましく、例えば、錫・亜鉛等に代表される４００℃近辺の比較的低融点合金を材料とする焼結体を製造する場合、窒化アルミニウム焼成ヒーターが好適で、例えば、ヒーター出力５００Ｗ／ｃｍ２で、昇温速度１００℃／ｓｅｃ、最高温度６００℃の加熱能力を有する窒化アルミニウム焼成ヒーター等は最適である。
ヒーターは印刷模様に合わせ制御可能、独立したヒーター間には空気噴出し口間隙１ｂを有し、シート押圧加熱後のシート剥離作業を行う。
図４は押圧天板１の図５Ａ−Ａ’断面を示すもので、気流は基盤内の空気流通路１ａ内で連絡されており、システムとして噴気ダクト９から噴出し口１ｂの噴き出しが行われ、ヒーター１ｃとフープ材、シートを天板から剥離させ、フープ材からシートを切り取るヒートカッター１ｄの作業とともにシンクロナイズされており、フープ押圧加熱後、フープ材からのシート切り離し、空気噴き出し、フープ材の次工程への移動を順序だてて行ふ。
【００１３】  図６〜図７は上部からフープ材を通して基盤を見た、基盤平面図と基盤の断面図である。
図６の２重鎖線で示したものが基盤本体の透視図で、中の実線が前記ヒートカッター１ｄで切り取られたシート２１ｚとなる。
周辺の２重鎖線の丸い穴は、空気流通路３ａからの空気噴出し口３ｂの透視図で噴気ダクト９からの送風でフープ材を浮き上がらせる。
上部押圧天板との違いは、中央部に吸気ダクト８よりの真空ポンプで３ｃの吸気流通路を経由してシート２１ｚ〜２１ａを吸引固定する上部押圧天板噴出し気口に匹敵する無数の吸気口３ｄを設けた。
【００１４】  前記押圧天板１、下部基盤３いずれも表面の外周部分には気体を噴き出す噴出し口それぞれに１ｂ、３ｂが備わっており、噴気によって熱処理後のフープ材２を作業台から容易に離間させることが出来る。
噴気気体としては、フープ材の加熱時燃焼を防止するためにも不活性ガスを使用することが良く、基盤の素材はセラミック、表面をフッ素加工仕上げをすることで熱溶着による接着面へのシート等の付着を防ぐ。
【００１５】  次に、上記の金属粉末焼結体製造装置を使用して金属粉末焼結体を製造するプロセスを説明する。
本発明で用いるフープ材２の材質は熱溶着性繊維であることが相応しくポリアミド（ナイロン）等の薄織物が妥当で、切板のシートとして１枚ずつ基盤３上に供給しても良いが、前記製造装置の例ではフープ状に加工されており、フープ材送り出しローラー６とフープ材巻き取りローラー７を制御することによって、基盤３上の正規位置に的確に断続的にフープ材２が供給できる構造になっている。
【００１６】  焼結体の形状精度を高めるとともに焼結速度を高めるためにも、フープ材への印刷条件は重要で、本発明で使用するフープ材への印刷方法はインクジェットピエゾ方式の原理を採用し、振動でインクが着実にフープ材に固定するよう、別途製造した水溶性バインド液を使用し、ナノレベルの金属粉末粒子を均一に混合、充填密度５０％以上に成るようにした液体で、金属粉末の印刷作業を行う。
さらにインクの原料となる粉末金属のサイズは０，１〜１０μｍ程度のものが好適であり、金属粉末は、単独の金属でも良いが２種以上の異金属が良く、印刷は同一箇所に数度の重複印刷を行って金属印刷部の厚みを増す、またフープ材２の厚みは２００μｍ以下であることが望ましい。
【００１７】  フープ材２への印刷を行うことで、該金属粉末を前記薄織物の上に均一の密度にする印刷で固定するという方法で製造が可能であり、薄織物の上に０，１〜１０μｍ以下の粉末金属をこのようにすることによって粉末を予めシート上に固定し、粉塵防爆の効果を有している。
【００１８】  フープ材２が基盤３上に供給されると、押圧天板１によりフープ材２は基盤３上に押圧加熱されヒートカッター１ｄにてシートとしてカットされシート２１ｚ〜２１ａまで焼結シートの１層づつが積層されていく。
この押圧力は、焼結を効率良く進めるために１ｇ／ｃｍ２以上が望ましい。上限押圧力は焼結体の形状、構造により破損に至らぬよう設定することが必要である。
押圧に同期して、押圧天板１に備えられたヒータ１ｃのうち任意のヒーター１ｃに３Ｄ−ＣＡＤ等（図示せず）から加熱信号が送られ、例えば第１層目のシート２１ｚ面内の加熱された金属印刷に対応した部分に焼結層２２ｚが形成される。（図６、図７）
【００１９】  このように形成された焼結層２２ｚは最終製品となる焼結体２２の初期１層分を構成するものである。この焼結層２２ｚを含むシート２１ｚは押圧天板１に備えられたヒートカッター１ｄでフープ材から切り抜かれ、押圧天板１の噴出し口１ｂ、基盤３に備えられた吸気口３ｄによって基盤に固定され、フープ材２本体および押圧天板１の表面から離間させられる。
【００２０】  焼結シート２１ｚが基盤３に固定されると、フープ送り出しローラー６とフープ巻き取りローラー７が作動して新たなフープ材２が基盤３上の焼結シート２１ｚの上に供給される。
フープ材２の上に押圧天板１が下降し、フープ材２を基盤３上の焼結シート２１ｚに押圧する。すなわち、焼結シート２１ｚ上に新たなフープ材２が積層押圧されるわけである。これと同期して先に説明したのと同じ要領で任意のヒーター１ｃ、ヒートカッター１ｄが加熱され、焼結シート２１ｚ上に新たな焼結層２２ｙを含むシート２１ｙが積層されることになる。
【００２１】  図２はこれらの焼結作業が繰り返されて積層が進む様子を示したものであり、図３は一連の積層焼結が完了した様子を示すものである。焼結作業が繰り返された結果、形成された焼結シートの積層体２１の内部には、焼結体２２が内蔵されている。
【００２２】  焼結体２２と積層体２１を構成する焼結シート各層２１ａ〜２１ｚおよび焼結層２２ａ〜２１ｚの関係を模式的に表した分解図が図１０である。この例ではａ〜ｚの焼結ステップ（焼結回数）を経たことを模式的に表現した。
【００２３】  焼結体２２は積層体２１のうちの未焼結部分を除去して取り出すことができる。例えば、ポリアミドの薄織物（融点７９〜１２１℃）を用いたフープ材である場合、２００℃温風乾燥炉中で未焼結部分を溶融除去させることにより、積層体２１に振動を与えながら焼結体２２の取り出しが可能である。このとき、薄織物等の除去された未焼結のサポート材は、廃棄されることなく、改めてフープ材の原材料としてリサイクルされる、このとき未焼結の金属粉末があることも考えられるので粉塵爆発を誘発しない為に窒素等の不活性ガス内で作業を行うと良い。
【発明の効果】
【００２４】  ヒーターを利用したことにより、従来のレーザー  ビームを利用した焼結装置に比較して、装置費用が安価で、ランニングコストも安価となる。また、金属粉末はインク、印刷の加工をしているので、焼結作業時に粉末の飛散や、粉塵爆発などのおそれがなく、作業環境性が良好である。
本発明では経費を重視してヒーター熱源を利用するが、金属粉末を予めシート材加工したことにより、熱源にビーム（レーザー）を利用しての高融点金属加工も可能である。
【符号の説明】
【００２５】１                          押圧天板
１ａ                        空気流通路
１ｂ                        空気噴出し口
１ｃ                        加熱ヒーター
１ｄ                        ヒートカッター
２                          フープ材
２ａ                        フープ材進行方向
２１                        焼結シートの積層体
２１ａ                      焼結シート最終層
２１ｂ〜２１ｙ              焼結シート中間層
２１ｚ                      焼結シート１層目
２１ａ〜２１ｚ              焼結シート積層
２２                        焼結体製品
２２ａ〜２２ｚ              焼結層
３                          基盤
３ａ                        空気流通路
３ｂ                        空気噴出し口
３ｃ                        吸気空気流通路
３ｄ                        吸気口
４                          押圧天板昇降用支持具
５                          押圧天板駆動装置
６                          フープ材送り出しローラー
７                          フープ材巻き取りローラー
８                          基盤吸気ダクト
９                          噴気ダクト
１０                        基盤高さ維持支持具
１１                        基盤高さ維持駆動装置
１２                        金属粉末印刷機
【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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