(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属粉末又は合金粉末を含む原料粉末に有機バインダーを混練してなるコンパウンドを所定の温度に加熱し、加熱したコンパウンドを成形型により形成されるキャビティ内に射出成形して金属粉末射出成形体を製造する方法において、
前記成形型が光造形法又は３次元プリンタを用いて立体的に造形されかつ前記加熱されたコンパウンドの温度より低い耐熱温度を有する樹脂製成形型であって、
前記樹脂製成形型の前記キャビティ内面に近接する内部に水又はエアの冷却媒体が加圧されて流れる流路が形成され、
前記射出成形を前記成形型が熱変形しない成形サイクルの範囲内で繰り返し行う
ことを特徴とする金属粉末射出成形体の製造方法。
【請求項２】
水槽用エアポンプからの加圧エアを前記流路の入口から流入して前記流路の出口に排出し続けながら前記コンパウンドを射出成形し冷却するように構成された請求項１記載の金属粉末射出成形体の製造方法。
【請求項３】
前記樹脂製成形型が固定側樹脂型と可動側樹脂型とを備え、
前記固定側樹脂型と前記可動側樹脂型とが型締め時に前記固定側樹脂型と前記可動側樹脂型の間に前記キャビティを形成し得る形状に構成され、
前記流路が前記固定側樹脂型の内部に形成される第１流路と前記可動側樹脂型の内部に形成される第２流路とからなり、
前記第１流路と前記第２流路に単一の前記水槽用エアポンプから加圧エアを流し続けるように構成された請求項２記載の金属粉末射出成形体の製造方法。
【請求項４】
単一の前記水槽用エアポンプに１本のエアパイプが接続され、型締め時に前記第１流路の出口と前記第２流路の入口とが対向して接続口が形成されて前記第１流路と前記第２流路が一続きの流路に形成され、射出成形時及び射出成形後に前記１本のエアパイプからの加圧エアを前記第１流路の入口から前記接続口を介して前記第２流路の出口に流し続けるように構成された請求項３記載の金属粉末射出成形体の製造方法。
【請求項５】
単一の前記水槽用エアポンプに２本のエアパイプが接続され、射出成形時及び射出成形後に前記２本のエアパイプからの加圧エアを前記第１流路及び前記第２流路に各別に流し続けるように構成された請求項３記載の金属粉末射出成形体の製造方法。
【請求項６】
請求項１ないし５いずれか１項に記載の方法により製造された成形体から有機バインダーを抽出した後、焼結して、所定の形状の焼結体を得る金属部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光造形法や３次元（３Ｄ）プリンタ等で作られた樹脂製成形型を用いて金属粉末射出成形体を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属粉末射出成形（ＭＩＭ）法は、一般的に、複雑な形状をした金属部品をプラスチックと同じ成型感覚で高精度に製造が可能であって、量産性に優れ、部品間の品質のばらつきが小さく、成形後の金属部品に対して切削などの後工程処理を必要とせず、鋳造等で不可能な横穴・竪穴を製造することができ、更に微細粉末を原料とするため、溶解しにくいチタン他、硬質金属・磁石用合金・ステンレス鋼などの難加工材料を利用することができる。
【０００３】
従来、このＭＩＭ法に用いられる金属粉末射出成形体の製造方法が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。この特許文献に示される製造方法は、金属粉末又は合金粉末を原料粉末とし、この原料粉末に有機バインダーを配合し、混練、粉砕してコンパウンドとし、このコンパウンドを金型に射出成形して、所定の形状の成形体とする方法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−２１４３７３号公報（請求項１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般に、金属粉末射出成形法は、金属製の成形型を作製するのに多大の製造コストを要するため、量産品を製造する前段階で、この射出成形法により試作品を製造することが製造コストの観点からできなかった。
【０００６】
本発明の第１の目的は、光造形法や３次元プリンタ等で作られた樹脂製成形型を用いて簡便にかつ安価に金属粉末射出成形体を製造する方法を提供することにある。本発明の第２の目的は、成形体を繰り返し製造しても樹脂製成形型が熱変形せずに同形同大の複数の形状の成形体が得られる金属粉末射出成形体の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、金属製の成形型に代わって、光造形法又は３次元プリンタを用いて樹脂製成形型を作り、射出成形をこの樹脂製成形型が熱変形しない成形サイクルの範囲内で繰り返し行えば、複数の同形同大の成形体を製造できることに着目し、本発明に到達した。
【０００８】
本発明の第１の観点は、金属粉末又は合金粉末を含む原料粉末に有機バインダーを混練してなるコンパウンドを所定の温度に加熱し、加熱したコンパウンドを成形型により形成されるキャビティ内に射出成形して金属粉末射出成形体を製造する方法において、前記成形型が光造形法又は３次元プリンタを用いて立体的に造形されかつ前記加熱されたコンパウンドの温度より低い耐熱温度を有する樹脂製成形型であって、前記樹脂製成形型の前記キャビティ内面に近接する内部に流路が形成され、前記射出成形を前記成形型が熱変形しない成形サイクルの範囲内で繰り返し行うことを特徴とする。
【０００９】
本発明の第２の観点は、第１の観点に基づく発明であって、水槽用エアポンプからの加圧エアを前記流路の入口から流入して前記流路の出口に排出し続けながら前記コンパウンドを射出成形し冷却するように構成されたことを特徴とする。
【００１０】
本発明の第３の観点は、第２の観点に基づく発明であって、前記樹脂製成形型が固定側樹脂型と可動側樹脂型とを備え、前記固定側樹脂型と前記可動側樹脂型とが型締め時に前記固定側樹脂型と前記可動側樹脂型の間に前記キャビティを形成し得る形状に構成され、前記流路が前記固定側樹脂型の内部に形成される第１流路と前記可動側樹脂型の内部に形成される第２流路とからなり、前記第１流路と前記第２流路に単一の前記水槽用エアポンプから加圧エアを流し続けるように構成されたことを特徴とする。
【００１１】
本発明の第４の観点は、第３の観点に基づく発明であって、単一の前記水槽用エアポンプに１本のエアパイプが接続され、型締め時に前記第１流路の出口と前記第２流路の入口とが対向して接続口が形成されて前記第１流路と前記第２流路が一続きの流路に形成され、射出成形時及び射出成形後に前記１本のエアパイプからの加圧エアを前記第１流路の入口から前記接続口を介して前記第２流路の出口に流し続けるように構成されたことを特徴とする。
【００１２】
本発明の第５の観点は、第３の観点に基づく発明であって、単一の前記水槽用エアポンプに２本のエアパイプが接続され、射出成形時及び射出成形後に前記２本のエアパイプからの加圧エアを前記第１流路及び前記第２流路に各別に流し続けるように構成されたことを特徴とする。
【００１４】
本発明の第６の観点は、第１ないし第５の観点のうち、いずれか１つの観点の方法により製造された成形体から有機バインダーを抽出した後、焼結して、所定の形状の焼結体を得る金属部品の製造方法である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の第１の観点の金属粉末射出成形体の製造方法では、光造形法や３次元プリンタ等で作られた樹脂製成形型を用いて金属粉末射出成形体を製造するため、従来機械加工で製作していた高価な金型と比較して、簡便にかつ安価に成形体を製造できる。特に光造形法や３次元プリンタ等では、キャビティの形状が複雑であっても流路をキャビティに近接して樹脂製成形型の内部に形成できる。この結果、加熱したコンパウンドの温度が樹脂製成形型の耐熱温度より高くても、射出成形を熱変形しない成形サイクルの範囲内で繰り返し行うため、樹脂製成形型が熱変形せずに同形同大の数個以上の数の成形体を得ることができる。これにより玩具、日用雑貨品などの試作品用の金属粉末射出成形法の成形体を手軽に作製することができる。
【００１７】
本発明の第２の観点の金属粉末射出成形体の製造方法では、１００Ｖ電源で稼働する小型の水槽用エアポンプからの加圧エアを樹脂製成形型のキャビティ内面に近接する内部に排出し続けてキャビティを冷却するため、従来の金型のために水冷、油冷の冷却機構（チラー）を使用しなくても、水槽用エアポンプを用いた空冷によりキャビティに対して十分な冷却効果を得ることができる。また加圧エアを流し続けてかつ循環させずに排出するため、従来の金型のために水冷、油冷の冷却機構（チラー）で用いられる複雑な回収機構を必要としない。この水槽用エアポンプを用いた空冷によれば、加熱したコンパウンドの温度が樹脂製成形型の耐熱温度より高くても、３００個程度までの数多くの成形体を製造しても、樹脂製成形型が熱変形せず、同形同大の３００個程度までの成形体が得られる。
【００１８】
本発明の第３の観点の金属粉末射出成形体の製造方法では、射出成形時及び射出成形後に第１流路と第２流路に単一の前記水槽用エアポンプから加圧エアを流し続けるため、固定側樹脂型と可動側樹脂型とを均等に冷却することができる。
【００１９】
本発明の第４の観点の金属粉末射出成形体の製造方法では、第１流路と第２流路が一続きの流路に形成されるため、エアパイプを１本にして冷却回路を簡素化できるとともに射出成形時及び射出成形後に第１流路と第２流路に単一の前記水槽用エアポンプから加圧エアを流し続けるため、固定側樹脂型と可動側樹脂型とを均等に冷却することができる。
【００２０】
本発明の第５の観点の金属粉末射出成形体の製造方法では、射出成形時及び射出成形後に単一の水槽用エアポンプに接続された２本のエアパイプからの加圧エアを第１流路及び第２流路に各別に流し続けるため、固定側樹脂型及び可動側樹脂型の空冷効率が高くかつ両方の樹脂型を均等に冷却することができる。
【００２２】
本発明の第６の観点の金属部品の製造方法では、従来の金型により作られた金属部品と同様に、繰り返し製造された複数の成形体の間で寸法や形状のばらつきが小さいため、複数の金属部品を寸法や形状のばらつきを極めて小さくして製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る金属粉末射出成形体を製造する装置の構成図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る金属粉末射出成形を製造する装置の構成図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る可動側樹脂型を製造するための光積層造形法を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
次に本発明を実施するための形態を図面を参照して説明する。
【００２６】
＜第１の実施形態＞
先ず、本発明の第１の実施形態に係る金属粉末射出成形体を製造する装置について説明する。 図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る金属粉末射出成形体を製造する装置１０は、成形型として、固定側樹脂型１１及び可動側樹脂型１２からなる樹脂製成形型１３を有する。固定側樹脂型１１は図示しない固定側ベースにはめ込まれ、可動側樹脂型１２は図示しない可動側ベースにはめ込まれる。可動側樹脂型１２は、固定側樹脂型１１に対して接近、後退などの移動が可能なように構成される。固定側樹脂型１１及び可動側樹脂型１２からなる樹脂製成形型１３は、光造形法又は３次元プリンタを用いて立体的に造形される。
【００２７】
この実施の形態では、光造形物である樹脂製成形型１３は、光積層造形法で代表される光学的立体造形法により製造される。図３（ａ）〜（ｃ）は、上記可動側樹脂型１２を光積層造形法で造形する工程を示す。予め可動側樹脂型１２に相当する造形物の３次元データを取得し、そのデータを計算上で等間隔で輪切りにしスライスデータとして記憶しておく。図３（ａ）に示すように、液状の光硬化性組成物２１を収容した容器２２液槽内に、液面２３からわずかな距離だけ下方の地点に上面が位置するように、鉛直方向に移動可能なテーブル２４を配置する。液状の光硬化性組成物は、（メタ）アクリル系モノマーなどのラジカル重合性化合物、エポキシ化合物などのカチオン重合化合物を含む重合性モノマー及び光重合開始剤などを含有する。テーブル２４を配置した後、このテーブル２４上の液状の光硬化性組成物２４の薄層に、紫外線レーザ装置２６から紫外線レーザ光２７を上記記憶したデータに基づいた所定のパターンで走査して、所定の形状を有する第一の硬化薄層１２ａを形成させる。次いで、図３（ｂ）に示すように、テーブル２４の位置をわずかな距離だけ下方に移動させることによって、第一の硬化薄層１２ａの上に液状の光硬化性組成物２４の薄層を形成させた後、この薄層に紫外線レーザ光２７を上記記憶したデータに基づいた所定のパターンで走査して、所定の形状を有する第二の硬化薄層１２ｂを形成させる。以後、同様の操作を繰り返して、最終的に、図３（ｃ）に示すように、複数の硬化薄層１２ａ、１２ｂ、・・・、１２ｘの集合体である所定の立体形状を有する光造形物である可動側樹脂型１２を得る。図示しないが、固定側樹脂型１１も可動側樹脂型１２と同様の方法で作製される。
【００２８】
なお、本発明の造形物である樹脂製成形型は、上記の光積層造形法に限らず、３次元プリンタによる、アクリル系光硬化樹脂を使用したインクジェット紫外線硬化方式のものや、ＡＢＳ樹脂（アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン共重合合成樹脂）を使用した熱溶解積層方式のものや、パウダーを使用した粉末固着方式のもので製造してもよい。また本発明の樹脂製成形型には、金属材料、セラミック材料等の放熱特性を材質の観点から従来の金型に近づける目的の材料は一切含まれていない。そのため本発明の樹脂製成形型の耐熱温度は、原料樹脂の材質に依存するが、７０〜１００℃の範囲にあり、ＭＩＭ法の一般的な加熱したコンパウンドの温度１３０〜１８０℃よりも低い。本明細書で「樹脂製成形型の耐熱温度」とは、樹脂製成形型を構成する材料が分解、溶解などの変質をせず、室温（２５℃）での構造と同等の構造を維持している最高温度をいう。
【００２９】
図１に戻って、固定側樹脂型１１と可動側樹脂型１２とは、図示する型締め時に固定側樹脂型１１と可動側樹脂型１２の間にキャビティ１４を形成するように構成される。この実施の形態では、キャビティ１４はその容積を１とするときに、樹脂製成形型１３の容積は４０〜２００である。１５はゲートである。固定側樹脂型１１のキャビティ内面に近接する内部には冷却媒体を流すための第１流路１６が形成され、可動側樹脂型１２のキャビティ内面に近接する内部には冷却媒体を流すための第２流路１７が形成される。ここで「キャビティ内面に近接する」とは、キャビティ内面から２〜１５ｍｍの範囲に位置することをいう。第１流路１６及び第２流路１７には水又はエア等の冷却媒体が加圧されて流れるようになっている。樹脂製成形型１３を光造形法や３次元プリンタで製造することにより、第１流路１６及び第２流路１７を、キャビティ１４の形状が複雑であっても、加圧水が通過可能な直径４〜６ｍｍの範囲、又は加圧エアが通過可能な直径１〜６ｍｍの範囲、好ましくは直径２ｍｍ以下に、作ることができる。また第１流路１６及び第２流路１７をキャビティ１４に近接して１〜５ｍｍ間隔で形成することができる。
【００３０】
この実施の形態では、図１に示す型締め時に第１流路１６の出口と第２流路１７の入口とが対向して接続口１８が形成される。これにより、第１流路１６と第２流路１７が一続きの流路に形成される。この実施の形態では、第１流路１６の入口には、１００Ｖ電源で稼働する単一の小型の水槽用エアポンプ１９のエアパイプ１９ａが接続される。この水槽用エアポンプは、金魚、熱帯魚などの観賞魚の水槽にエアレーションを生じさせるポンプである。ゲート１５には、公知の金属粉末射出成形装置２０が接続される。この金属粉末射出成形装置２０には、金属粉末又は合金粉末の原料粉末に有機バインダーを配合して混練されたコンパウンドが装入される。
【００３１】
次に、本発明の金属粉末射出成形体の製造方法について説明する。まず、固定側樹脂型１１を図示しない固定側ベースにはめ込み、可動側樹脂型１２を図示しない可動側ベースにはめ込む。可動側樹脂型１２を固定側樹脂型１１に移動して密着させた後、可動側樹脂型１２を固定側樹脂型１１に型締めする。これによりキャビティ１４が形成される。次いで、水槽用エアポンプ１９のエアパイプ１９ａを固定側樹脂型１１の入口に接続した後、水槽用エアポンプ１９を稼働する。これによりエアパイプ１９ａから水槽用エアポンプ１０の加圧エアが第１流路１６の入口から流入し、接続口１８を介して第２流路１７の出口から排出される。水槽用エアポンプ１９が稼働中、加圧エアはこれらの流路１６、１７に流れ続ける。第２流路１７の出口から加圧エアは大気中に排出される。
【００３２】
この状態で、金属粉末射出成形装置２０で金属粉末又は合金粉末の原料粉末に有機バインダーを配合して混練され、１３０〜１８０℃に加熱されたコンパウンドを樹脂製成形型１３のゲート１５を介してキャビティ１４内に射出し、キャビティ１４に充填し所定の形状の成形体とする。コンパウンドを射出した後、所定の圧力で一定時間保持する。この間も水槽用エアポンプ１９からの加圧エアを流路１６、１７に流し続ける。射出成形時及び射出成形後に第１流路と第２流路に単一の前記水槽用エアポンプから加圧エアを流し続けるため、固定側樹脂型１１及び可動側樹脂型１２を均等に冷却することができる。成形体の温度が低下した時点で、水槽用エアポンプを停止する。可動側樹脂型１２を固定側樹脂型１１から移動して型開きを行うと、キャビティと同形同大の形状をした成形体が得られる。上記射出成形を固定側樹脂型１１及び可動側樹脂型１２が熱変形しない成形サイクルの範囲内で繰り返し行う。それぞれの射出成形で得られた成形体から、有機バインダーを抽出し、焼結することにより複数の同形同大の金属部品が製造される。
【００３３】
＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態に係る金属粉末射出成形体を製造する装置について説明する。 図２に示すように、本発明の第２の実施形態に係る金属粉末射出成形体を製造する装置３０は、成形型として、固定側樹脂型３１及び可動側樹脂型３２からなる樹脂製成形型３３を有する。図２では、図１に示した全ての要素の符号に２０を加えて示している。そのため、第１の実施の形態と異なる要素についてのみ説明し、同じ要素についての説明は省略する。固定側樹脂型３１及び可動側樹脂型３２からなる樹脂製成形型３３は、光造形法又は３次元プリンタを用いて、第１の実施の形態と同様に立体的に造形される。
【００３４】
固定側樹脂型３１のキャビティ内面に近接する内部には冷却媒体を流すための第１流路３６が形成され、可動側樹脂型３２のキャビティ内面に近接する内部には冷却媒体を流すための第２流路３７が形成される。固定側樹脂型３１の第１流路３６は、固定側樹脂型３１にその入口と出口を有し、可動側樹脂型３２の第２の流路３７も、同様に可動側樹脂型３２にその入口と出口を有する。即ち、固定側樹脂型３１と可動側樹脂型３２は、それぞれ独立した流路を有する。この実施の形態では、単一の水槽用エアポンプ３９が図示しない２つのエア吐出管を有し、それらに２本のエアパイプ３９ａ及び３９ｂが接続される。１本のエアパイプ３９ａは固定側樹脂型３１の入口に接続されるようになっており、もう１本のエアパイプ３９ｂは可動側樹脂型３２の入口に接続されるようになっている。第２の実施の形態のその他の構成は、第１の実施の形態の構成と同じであるため、繰り返しの説明は省略する。この実施の形態では、射出成形時及び射出成形後に単一の水槽用エアポンプ３９に接続された２本のエアパイプ３９ａ及び３９ｂからの加圧エアを第１流路３６及び第２流路３７に各別に流し続けるため、固定側樹脂型３１及び可動側樹脂型３２の空冷効率が高くかつ両方の樹脂型を均等に冷却することができる。
【００３５】
なお、第１及び第２の実施の形態では、水槽用エアポンプを用い、かつ冷却媒体として加圧エアを流路に流す例を説明したが、本発明の流路に冷却媒体を流すポンプは水槽用エアポンプに限らず、また冷却媒体は水であってもよい。
【実施例】
【００３６】
３次元プリンタを用いて立体的に造形された、ＡＢＳ樹脂からなる固定側樹脂型及び可動側樹脂型をそれぞれ得た。固定側樹脂型の内部に形成された第１流路の直径は２ｍｍであり、可動側樹脂型の内部に形成された第２流路の直径は２ｍｍであった。第１流路及び第２流路は、キャビティ内面から２ｍｍの位置にキャビティ内面に沿って樹脂型内部に約３ｍｍ間隔で形成された。この固定側樹脂型及び可動側樹脂型からなる樹脂製成形型の耐熱温度は７０〜１００℃であった。またキャビティの容積を１とすると、固定側樹脂型と可動側樹脂型とを合わせた樹脂製成形型の容積は４５であった。固定側樹脂型及び可動側樹脂型を型締めした後、吐出量が２．５リットル／分の１００Ｖ電源で稼働可能な水槽用エアポンプ（水作株式会社製、型式：水心ＳＳＰＰ−３Ｓ）のエアパイプを固定側樹脂型の入口に接続した後、水槽用エアポンプを稼働した。この例では、第１の実施の形態と同様に、第１流路と第２流路が一続きに形成された。一方、原料粉末の金属チタン粉末に有機バインダーのポリアセタールを配合して混練したコンパウンドを金属粉末射出成形装置に装入した。このコンパウンドの組成は金属チタン粉末６５ｖｏｌ％、ポリアセタールを含む有機バインダー３５ｖｏｌ％であった。
【００３７】
金属粉末射出成形装置でコンパウンドを１８０℃に加熱し、樹脂製成形型のゲートを介して椀状のキャビティ内に射出し、キャビティに充填し椀状の成形体を作製した。コンパウンドを射出した後、５ＭＰａの圧力で１分間保持した。射出成形時及び射出成形後、水槽用エアポンプからの加圧エアを第１流路から接続口を介して第２流路に流し続けた。成形体の温度が４０℃まで低下し、コンパウンドが固化したところで、水槽用エアポンプを停止し、可動側樹脂型を固定側樹脂型から移動して型開きを行い、椀状の成形体を取り出した。型開きした固定側ベースから取り外した固定側樹脂型と、可動側ベースから取り外した可動側樹脂型を精密検査用定盤により検査し、熱変形の有無を調べた。その結果、固定側樹脂型及び可動側樹脂型は加圧エアの冷却効果により、全く熱変形していなかった。このことは、得られた成形体が型締め時に形成される椀状のキャビティと同形同大のものが得られたことからも実証された。その後、上記固定側樹脂型及び可動側樹脂型を用いて、上記と同じ方法で、上記射出成形を固定側樹脂型及び可動側樹脂型が熱変形しない成形サイクルの範囲内で繰り返し２０回行って、２０個の成形体を製造した。型開きした固定側ベースから取り外した固定側樹脂型と、可動側ベースから取り外した可動側樹脂型を同様に検査し、熱変形の有無を調べた。その結果、固定側樹脂型及び可動側樹脂型は、最初の成形後と同様に、加圧エアの冷却効果により、全く熱変形していなかった。このことは同一の樹脂製成形型で繰り返し成形した２０個目の成形体が、最初に製造した成形体と同形同大であったことからも実証された。
【符号の説明】
【００３８】
１０、３０  金属粉末射出成形体を製造する装置
１１、３１  固定側樹脂型
１２、３２  可動側樹脂型
１３、３３  樹脂製成形型
１４、３４  キャビティ
１５、３５  ゲート
１６、３６  第１流路
１７、３７  第２流路
１８  接続口
１９、３９  水槽用エアポンプ
２０、４０  金属粉末射出成形装置
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明の金属粉末射出成形体の製造方法は、玩具、日用雑貨品などの試作品用の成形体を簡便にかつ安価に製造し、この成形体からＭＩＭ法により簡便にかつ安価に玩具、日用雑貨品などの金属部品を得るのに用いられる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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