(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料セラミックスの吸入及び放出を行う入出力口を備えた貯留体により複数の原料セラミックススラリーを順次前記貯留体内に取り込んで貯留体内に複数のスラリーを充填した後、あらかじめ極低温冷却しておいた鋳型に前記貯留体の入出力口より前記セラミックススラリーを放出して、鋳型内で瞬間凍結させることにより凍結物を作製し、これを減圧下で水分を昇華させることにより層状の成形体を作製するセラミックス成形体の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の原料セラミックスが酸化金属及びその化合物、またはこれら２種類以上の混合物である請求項１に記載のセラミックス成形体の製造方法。
【請求項３】
前記貯留体が、前記入出力口に接続する筒状の貯留部、前記貯留部内を摺動する摺動体よりなり、前記貯留部内で前記摺動体が移動することで、前記入出力口より原料セラミックススラリーを取り込み又は出力する請求項１に記載のセラミックス成形体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は複雑な形状のセラミックス成形技術に属し、大規模な初期投資を必要としない小規模生産に利用可能である。また、大量生産にも対応可能である。
【０００２】
【従来の技術】
現在セラミックスはいろいろな産業分野で応用されている。その応用形態は様々でそれにあわせた成型法が存在する。  最も簡単な方法としては加圧成型法がある。加圧成形法に利用される製造装置は一般に自動化されており制御された特性を持つ成形体を得ることができる。多くの電子セラミックス、構造用セラミックスが加圧成型法で製造されている。大量生産を必要とする部品では5000個/min程度の高速成形が可能である。しかし、この成形方法は複雑な形状を作製することが極めて困難であり、高速成形する装置は膨大な設備投資を必要とする。  鋳込み成型法は特別な機械装置を必要とせず、鋳型があれば簡単に成形体を得ることが可能である。このため、試験的な製品、小規模生産などに利用される。この方法では複雑な形状を製造することが可能であるが、使用するセラミックス粉末の粒径や種類に制限があり、応用範囲は限られる。また、鋳込み成形には圧力鋳込み、凍結鋳込み、遠心鋳込み、超音波鋳込み成形などがある。
凍結鋳込みとは普通の鋳込みでは困難な粗大粒子を含む原料を鋳込むために考えられた方法である。この方法はゴム型を使って成形した後にこれを凍結させ、凍結乾燥させることにより成形体を得る。この方法では鋳型であるゴム型ごと凍結させるために成型物は凍結時に膨張し拡大する。また、大量に生産する場合には大量の鋳型が必要である。
射出成形はプラスチックの成形に広く利用されている方法であるが、近年セラミックスの分野でも活躍している。複雑で高精度が要求されている製品の製造に適しており、大量生産が可能である。この方法は非可塑性原料に対して15〜50％程度の樹脂が必要であり、場合によっては使用できないセラミックスがある。また、射出成型機は高価であり、大規模な初期投資が必要となる。  多層構造セラミックスの成型法は加圧成形法で行うことが可能である。二種類かそれ以上の粉末を型に入れて圧力を加える方法である。この方法によれば２層以上の複合セラミックを成形することが可能であるが、層と層の界面ではそれぞれの層がはっきりと確認することができてしまうので、滑らかに次の層に変化していくことを要求される製品には向いていない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の技術では少額の初期投資で複雑な形状のセラミックス成形体を得ることは困難である。唯一、可能性がある方法としては鋳込み成型法があげれるが、この方法では大量生産及び多層構造化は困難である。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記事項を鑑み、少額の初期投資で複雑な形状のセラミックス成形体を得ることが可能な成形方法を提供する。また、装置を自動化することが容易であり、大量生産、多層構造化にも対応可能である。
【０００５】
本発明によれば、まず始めに原料となるセラミックスに水又は結合剤とそれに適した水溶液を混練し、スラリーを形成する。
【０００６】
原料となるセラミックスは特に規定されるものではなく一般的なアルミナ、安定化ジルコニア又は部分安定化ジルコニアなどの各種酸化金属やその化合物、さらにこれらの混合物でよい。好適に使用されるものとしてはアルミナ、安定化ジルコニア、部分安定化ジルコニア、リン酸カルシウム、長石等がある。
【０００７】
結合剤としてはポリビニルアルコール、ポリエチレンオキシド、澱粉、メチルセルロース、アルギン酸ナトリウム、ヒドロキシエチルセルロースなどが挙げられる。
【０００８】
上述したスラリーを冷却した鋳型に注入する際、異なるセラミックスであれば、別々に注入することで足りるのであるが、図１で示す注入手段の使用により、より簡単で、しかも個々の層の界面が適度に結合する様な複合層が得られる注入態様について説明する。尚、図１は、あくまで一例であり、吸引、押し出し構造を有すれば形状、構造、材質等は特に限定されるものではない。
まず、得られたスラリーを注入機に充填する。
充填方法は特に規定されるものではないが、多層構造成形体を製造する場合、排出口より１種類目のスラリーを吸入後、連続して２種類目以降のスラリーを吸入することにより注入機内で適度に混入された状態で注入することが可能である。これら１種及び２種類以上のスラリーが充填されている注入機を使用して鋳型に注入する。
注入機は、筒状の内部を長手方向に交互に摺動する摺動体２と、当該摺動体２の一端と密接して接触し、その他端を外部入出力を行う入出力口３を形成した貯留部１で形成されるような注射器的な構造及び動作を有する。
即ち、摺動体２の一方向の摺動により、入出力口３は、吸引力を発生させ、内部貯留部１の容積が増加すると共に、外部セラミックススラリー等の液体を吸引貯留し、摺動体２が逆方向へ摺動すると拡大した容積を持つ貯留部１を圧迫する為、入出力口３より、貯留部１内の液体を外部へ、放出する動作を行うものであって、以上一連の動作を自動乃至手動で行うものである。注入機の大きさは、一つの成形体が形成される程度の大きさから単一のセラミックススラリーを使用する場合は、複数の成形体が形成される程度の量を貯留する程度の大きさが好ましく、成形体の大きさにより適宜調整される。
【０００９】
鋳型には腐食に強い金属好ましくは各種ステンレス合金、チタン、チタン合金、等を使用して、あらかじめ鋳型自体を液体窒素等の液体冷媒或いは冷蔵庫等の電気的な冷却装置その他の冷却手段で極低温好ましくは-20℃以下で冷却しておく。そして鋳型の上部にはスラリー注入用の注入口を広くあけておく。
【００１０】
この極低温に冷却された鋳型のなかにスラリーをすばやく注入すると、１分以内に鋳型に則した凍結物を得ることが可能である。
従って、注入後、更に鋳型を冷却する必要が必ずしもなく、そのまま、鋳型の冷却状態を解除してもよいが、更に冷媒、冷凍装置による冷却を継続して行っても良い。
また、２種類以上のスラリーを注入機に混在させている場合、一番最後に注入機に吸入したスラリーから順番に鋳型内に注入されていく。その結果、極低温に冷却されているために注入と同時に凍結が開始され、注入した順番に則した多層構造凍結体を得ることが可能である。
この様に予め鋳型を冷やして行うすばやいセラミックスの凍結操作により、成形時間を短縮させることができ、更に成形体を鋳型から容易に取り外し可能とし、次の乾燥工程の時間を短縮させることが可能となる。
それと同時に、注入機内ではスラリー同士が適度に混ざりあっているために、凍結体の層と層は滑らかに連結されている。
【００１１】
次に、得られた凍結体を室温又は高めに調整される温度、好ましくは２０Ｐａ以下の減圧下、好ましくは２４〜４８時間で水分を昇華させることにより、目的とする成形体を得る。  尚、この様な圧力、温度、時間の範囲は、目的とする成形体、結合剤、セラミックスにより、適宜調整されるものであって、上述した値に限定されるものではない。
この工程は一般的な凍結乾燥における工程を用いる事も可能である。
【００１２】
上記のように本発明では注入機内に複数のセラミックス原料を混在させて成形体を作製することが可能である。この注入機内に複数のセラミックス原料（スラリー状）を入れた場合、注入機に原料を注入後、無振動で鋳型に流し込むことにより注入機に入れた順番とは逆順で中心に向かって層を形成することが可能である。
また、注入機に原料を注入後、注入機に振動、回転等適度に運動を加えた後に鋳型に流し込むことによりランダムな層を形成することも可能である。
さらに、原料セラミックスがスラリー状態であることを活かして、強度強化材及び多孔質化材を均一に混入することが可能である。強度強化材を混入することにより、セラミックス成形体を焼成し、セラミックス焼結体とした際の強度向上が期待できる。強度強化材としてはカーボンファイバー、ガラスファイバー、セラミックスファイバー等が好適に使用される。多孔質化とはセラミックス成形体を焼成した際に多孔質化材が焼失することにより、セラミックス焼成物が適度な気孔性を有することを意味する。多孔質化材としてはスチロール、ラテックス、各種高分子材料が好適に使用される。また、多孔質化材の替わりに各種発泡剤を混入しても同様の効果を期待できる。
当該成形体は、所望により焼成される。当該焼成は、成形体の目的により適宜行われるが、生体材料を成形する場合は、好ましくは大気雰囲気において850〜1500℃の焼成範囲で、例えば長石であれば、1〜30分、リン酸カルシウムであれば24時間前後かそれ以上で行われることが好ましいものであるが、これらの数値、炉内雰囲気、炉内圧力に限定されるものではなく、当該数値、炉内雰囲気、炉内圧力は、原材料の種類、成形体の大きさ、焼成体の使用目的等により適宜設定される。
【００１３】
【実施例】
実施例１
セラミックス原料として長石、結合剤として澱粉水溶液を適度に混練し、スラリーを作成した。そしてあらかじめ約−８０℃の冷凍装置で冷却していたステンレス合金製の鋳型に原料スラーリー３０ｃｃをすばやく注入し、鋳型に則した凍結体を得た。この凍結体に約１０Ｐａの減圧下で２４時間、脱水処理を施して乾燥し、図２で示す成形体を得た。
【００１４】
実施例２
実施例１のセラミックス原料をリン酸カルシウム、結合剤をポリビニルアルコールとして同様の操作をしたところ良好な成形体を得ることができた。
【００１５】
実施例３
セラミックス原料Aとして真空焼成時に乳白色となるように金属を添加した長石、セラミックス原料Bとして真空焼成時に肌色となるように金属を添加した長石、結合剤として澱粉水溶液を適度に混練し、スラリー２種類を作製した。注入機に原料Bを吸入後、連続的に原料Aを吸入し、注入機内に２種類のスラリーを充填した。そしてあらかじめ液体窒素を用いて冷却していたチタン合金製の鋳型に原料スラーリーを無振動で、すばやく注入し、鋳型に則した１０ｇの凍結体を１０個得た。この凍結体は図３で示すように２層に分離しており、内部に原料B、これを覆うように原料Aが層となって現れている。この凍結体を次に１０Ｐａの減圧下で２４時間、脱水処理を施して乾燥させ多層構造成形体を得た。
【００１６】
【発明の効果】
上記のように本発明は基本的に特別な機械装置を用いることなく複雑な形状のセラミックス成形体を得ることが可能である。また、これら成形体を多層構造化することも容易で様々な分野での応用が検討できる。そして、注入機、鋳型冷却装置、凍結乾燥機等の装置を自動化することにより、大量生産にも対応可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】注入機の一例を示す図である。
【図２】本発明で製造された成形体の一例を示す図である。
【図３】本発明で製造された成形体の他の一例を示す図である。
【符号の説明】
１          貯留部
２          摺動部
３          入出力口
【図１】
0004116691.tif 000002
【図２】
0004116691.tif 000003
【図３】
0004116691.tif 000004