 第 17 回通電焼結研究会（旧称：SPS 研究会）
・平成２４年 12 月 3-4 日
・宮城県仙台市 東北大学金属材料研究所 講堂”第五世代の SPS”
―産業界へ SPS 技術普及のため何が必要か？―
株式会社エヌジェーエス
鴇田 正雄

１．はじめに放電プラズマ焼結（SPS）技術が登場し２４年目に入った。今日では本年 10 月開催された PM2012 国際会議(横浜)に見る如く、先進新材料の合成技術とし学術界での有用性評価は日本・米国・欧州・中国・アジア諸国・ロシアなど広く世界に認知されたと言える。SPS により実用製造された代表事例とし、WC 系バインダレス超硬によるデジタルカメラ用非球面ガラスレンズ金型、WC/Co 系 IC ウェハー切断用ダイヤモンドスライサー（薄刃切断ブレード），サンドブラスト用ファインセラミックスノズルなどが挙げられる。各々長寿命・高耐摩耗性材料の金型・工具分野で販売されてきた。 また、IT 関連ではハードディスクの高性能・高集積･高密度化に適した貴金属系スパッタリングターゲット材料、日用製品用では Ti-Ta 系硬質製品コーティング用ターゲット材料なども実用に供している。 これら市場状況と技術改良の変遷を背景に、近年産業界から SPS による FGM 化・多機能・高機能・大形焼結・三次元ニヤネットシェープ成形および高生産性への要望が日々高まってきている。しかしながら、産業界の製品製造は未だ限定的であり広く普及しているとは言い難い状況にある[1,2]。
SPS プロセスは“加工”とし『焼結加工』・『接合加工』・『表面改質』・『合成』の４分野に拘わる技術である。
ナノ材料、FGM や各種複合系材料への適用範囲が極めて広く、誰でも容易に作製できる。6-7nm の酸化物系
セラミックス原料粉を粒成長抑制し 10-15nm の高密度バルク体へ固化事例、FGM 製造ではセラミックス-金属系FGM、ポリマー/金属系 FGM,WC/Co 系傾斜機能性超硬材料への応用などがあり、更なる実用ナノ、ＦＧＭ製造システムへの発展が期待されている。2008 年にフランス/CNRS の Dr.J.Galy から“SPS Chemistry”という提唱があり、PM2012 でドイツ/マックスプランク研究所 Dr.Y.Grin から同様なアピールがあった。Flash Sintering がロシア MEPHI から発表され、この分野は５年程前から研究者が増え興味深い傾向である。また、SPS 法は難焼結材料のチタン合金の粉末焼結に効果的特徴がありバイオ・航空宇宙関連部材への応用開発が進んでいる。
チタン合金と SiC ファイバーとの複合材料（MMC）、また、カーボンと Al/Cu 複合系超放熱材料、高効率熱電発電素子の製造などにも極めて有望である。一方、SPS 装置ハードウェアは 2010 年に入り第四世代型 SPS から、製造コストを重視した第五世代の「カスタム SPS」時代へ学術研究向けと併せ移行し始めてきている(図１)。
本講演では最近の SPS 技術動向と R&D 型ビジネスへの展開について紹介する。
超微細(ナノ )多孔体・薄膜・反応複合・超高真空SPS Chemistry
Kinetic Window
Electromigration

研
究開発

迅速・高密度体均質・微細組織
低温度・ｱﾓﾙﾌｧｽ

図１ 第五世代のSPSへ“ SPS技術発展過程の概念図”
1２．産業界からのデマンドと実用化例
表１．SPS の代表的な製品化用途例
表 1 は SPS 法を用い実用化を目指し研究開発されてきた代表的な用途事例である。様々な分野で SPS法の応用は検討されている。
①～⑩項は実際に製造され販売された（最終段階/第４段階）製品例である。[11]～[２０]項は開発途上で第３～２段階を進行中あるいは中途断念したもの。また、（２１）～（３０）は近い将来へ向け開発着手し第 1～２段階途上にあるものなどの事例である。ここで留意すべきは、多くの上場企業が物性に優れた良い新材料や製品開発に成功しながら実用化を断念してきている。
なぜだろうか？ここに「第五世代 SPS システム」が必要とされる由縁がある。一方、なぜ実用化に成功した企業がありながら産業界へ幅広く普及していかないのであろうか？ここには新材料・新製品・新技術の縛りがあると考えられている。即ち、前者の要因は“最終製品コストに合わない”からであり、後者の要因は、先行成功企業は自らが開拓した事業を同業他社に渡したくないという極めて現実的実利的な当然の経営戦略と目的が存在するからである。誰にも成功した加工ノウハウを開示したくないという実情があり、一般普及を妨げる要因となっている。SPS 装置メーカーの怠慢が技術発展を遅らせてきたともいえる。企業の生産ライン製造者側はより早くより安くより良いもの（高品質）の大量生産を追求している。「素材からモノづくりを変える!!」・・・SPS 技術の迅速焼結特性はこのデマンドに合致した優れた生産システムの提供と新産業の創出が可能なのである。製品コスト・研究目的に合致した「カスタム SPS＝第五世代システム」の展開が産業界へ SPS 技術普及促進のひとつのターニングポイントになると考えている。
図２に近年の産業界から SPS 技術に対する要望を示した。

（70～100K pieces/month）

図２

SPS 技術に対する最近の産業界からの要望
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３．国内外における SPS メーカーの発展と JASC の登場
現在、パルス通電加圧焼結装置（SPS）メーカー数は全世界 14 社（日本 6 社、米国 3 社、ドイツ・韓国各 1 社、中国 3 社）に広がり、各国で地元ローカルメーカーが販売を伸長させている。ホットプレス、HIP, 常圧真空炉・雰囲気炉、連続炉などを製造している既存焼結炉メーカーが新たに次々参入してくる状況にある。今後は、更に多くの装置メーカーとユーザーが、単独あるいは相互協力により切磋琢磨し、ハード・ソフトウェア技術が洗練され、改良と高度化および用途開発が進み、図２に示した産業界からの要望に応え発展成長していくものと予測されている。表２は平成 24(2012)年 10 月現在の各国パルス通電加圧焼結機メーカー名と所属国一覧表である。
他方、SPS ユーザー支援を旗印に JASC（Japan Associates of SPS Consortium）「日本 SPS コンソーシアム」という企業連合体の“SPS 受託加工センター”ネットワークが構築され、本年 10 月 PM2012 国際会議＆展示会を機に発足した。SPS 装置メーカーを有する世界最大の SPS 加工センターとして民間企業のみならず大学・国公立研究機関とタイアップした SPS 応用の研究開発の受託テスト支援からパイロット生産まで請負実施が可能となった。高額な SPS 設備導入無しでも実用性・生産性や開発実験の検証が行える R&D から製造へ橋渡し役の中間機能である。SPS の技術普及と産学官の R&D 底辺拡大を担って行けるものと期待されている。
表２．世界のパルス通電焼結機メーカー（２０１２年１０月１日現在）

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４．生産システムへの移行「極意書その２」
新材料や新製品の基礎的研究開発の後に生産体制へ移行することになる。
多品種中少量生産や大量生産のためには「焼結技術」とは別に所謂“生産技術”“品質管理”といったトータルなものづくりノウハウが重要である。SPS と既存設備・保有技術との組み合わせも必要となる。この場合、製品コストにあった「ものづくり」には SPS 特性を併慮し R&D 型ビジネス特有の考え方が販売戦略上必要となる。
図３「極意書その２」は生産システムへ移行する手順を検討する基本的な考え方である。

図３ 生産システム移行のフローチャート
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５．第五世代型生産システムと将来SPS をツールとして活用するには①システム技術（ハードウェア）②プロセス技術（ソフトウェア）③粉体技術を「三位一体」のコンセプトで同時並行的に最適化を図る研究開発を行うことである。図４はこれらの開発手順に基づき実用化・製品化に成功した事例である。
第五世代型生産システムとは最終製品コスト重視であることは先に述べた。大量生産には原材料コストの低減は必須条件である。如何にローコストパウダーで所望の性能の焼結体を得るかであり、同時にサイクルタイムを最短化可能な生産システムの採用が製品コストダウンに繋がる。以下に主要な第五世代システム指針を示す。
● ２４時間稼働可能なこと● フレキシブルシステムであること● メンテナンス容易なこと● ソフトウェアをファームウェア化（ハードへ組み込む）可能なこと● ボタンひとつで誰でも高品位焼結体製造が可能となること● 一般製造現場で工作機械と並んで生産稼働できるシステムとなること
後段に掲げた内容は「誰でも容易にかつ安全にボタン一つで様々な高品位焼結ができる」＝「第六世代の SPS システム」指向へのワンステップであり、将来の数値制御化(NC 化)された SPS 加工システムから SPS-FA システムを示唆している。

図４（左上：非球面レンズ金型「三位一体」の SPS 開発コンセプトと実用化例
右上：切断ブレード

左下：スパッタリングターゲット材料

右下：押し出し機スクリュー用 FGM 超硬）5代表的な「第五世代 SPS 装置」例を以下に示す。
それぞれ多軸化、AC サーボモータ化、インバータパルス電源化、チャンバー構造、新発想タッチパネル操作盤など新しい機械構造や省エネ・制御構造が採用されてきている。従来の油圧、サイリスタ型パルス電源に加えて多様化が進みユーザ選択肢が増した。ソフトウェアのファームウェア化が推進されているなど特徴が顕著である。

図５

代表的な「第五世代 SPS システム」装置例

６．まとめ
今後、大電流パルス通電加圧焼結・迅速焼結法の SPS プロセスが、幅広く産業界で生産手段として発展していくためには、生産タクトタイム、ランニングコスト、メンテナンスコストを含め最終製品コストに見合った生産設備であること。連続・安定/安全操業可能で、かつ大型化・自動化・量産化・NC(数値制御)化など一層の「ハードシステム技術開発と確立」が必要である。
【参考文献】[1] Salvatore Grasso, Yoshio Sakka and Giovanni Maizza:”Electric current activated/assisted sintering (ECAS)
a review of patents 1906–2008”, Science and Technology of Advanced Materials, 10 (2009)[2] M. Tokita, “The potential of Spark Plasma Sintering(SPS) method for the fabrication on an industrial scale of
Functionally Graded Materials”, Advances in Science and Technology,Vol.63,P322-331(2010)6