JP7567460B2 - 製品の製造方法 - Google Patents

Description

本開示は、製品の製造方法に関する。

製品を製造する技術に関し、特許文献１には、軸部を有する溶製鋼材と、鉄系金属粉末を含む混合粉を圧縮成形した孔部を有する圧粉体とを、軸部表層の炭素量および嵌合寸法をコントロールすることによって、焼結工程において接合する方法が開示されている。

特開平６－３３０１０８号公報

上述した方法では、炭素量と寸法のコントロールが必要になるため、製造の難易度が比較的高い。そのため、より簡易な手法で複数の部品を接合して製品を製造することの技術が望まれている。

本開示の第１の形態によれば、無機粉末とバインダーとを含む第１部品と、無機粉末とバインダーとを含む第２部品とを接合して製品を製造する製造方法が提供される。この製造方法は、三次元造形装置により前記第１部品を生成する第１工程と、前記第２部品を生成する第２工程と、前記第１部品と前記第２部品とを組み立てて組立体を得る第３工程と、前記組立体を第１温度で加熱する第４工程と、前記第４工程の後に、前記組立体を前記第１温度より高い第２温度で加熱する第５工程と、を有し、前記第１部品は、前記第２部品と接触する第１領域と、前記第２部品と接触しない第２領域とを有し、前記第１領域に含まれるバインダーの融点は、前記第２領域に含まれるバインダーの融点に比べて低い。

本開示の第２の形態によれば、無機粉末とバインダーとを含む第１部品と、無機粉末とバインダーとを含む第２部品とを接合して製品を製造する製造方法が提供される。この製造方法は、三次元造形装置により前記第１部品を生成する第１工程と、前記第２部品を生成する第２工程と、前記第１部品と前記第２部品とを組み立てて組立体を得る第３工程と、前記組立体を第１温度で加熱する第４工程と、前記第４工程の後に、前記組立体を前記第１温度より高い第２温度で加熱する第５工程と、を有し、前記第１部品は、前記第２部品と接触する第１領域と、前記第２部品と接触しない第２領域を有し、前記第１領域に含まれる無機粉末の粒径は、前記第２領域に含まれる無機粉末の粒径に比べて小さい。

第１実施形態における製造システムの概略構成を示す図である。 ホッパーおよび吐出部の概略構成を示す図である。 スクリューの構成を示す概略斜視図である。 バレルの構成を示す上面図である。 射出成形機の概略構成を示す断面図である。 第１実施形態における製品の製造方法を示す工程図である。 第１部品の例と第２部品の例とを示す図である。 第１部品と第２部品とが組み立てられた組立体を示す図である。 第４実施形態における製造システムの概略構成を示す図である。 第４実施形態における製品の製造方法を示す工程図である。 第５実施形態における製造システムの概略構成を示す図である。 第５実施形態における製品の製造方法を示す工程図である。 第５実施形態における製品の製造方法の概要を示す説明図である。

Ａ．第１実施形態：
図１は、第１実施形態における製造システム５の概略構成を示す図である。製造システム５は、三次元造形装置１００と、射出成形機２００と、脱脂装置３００と、焼結炉４００とを備える。図１に示したＸ，Ｙ，Ｚ方向は、図２以降に示したＸ，Ｙ，Ｚ方向に対応している。

三次元造形装置１００は、金属やセラミックなどの無機粉末とバインダーとを含む第１部品を付加製造法によって生成する。射出成形機２００は、金属やセラミックなどの無機粉末とバインダーとを含む第２部品を射出成形によって生成する。脱脂装置３００は、第１部品と第２部品とを組み立てることにより得られる組立体を第１温度で加熱して脱脂を行う。焼結炉４００は、組立体を第１温度よりも高い第２温度で加熱することによって焼結させ、製品を完成させる。本明細書において、「製品」とは、製造システム５において製造される物を意味しており、他の製品の一部となる物や、焼結後に後処理や加工が行われる物も含む。

三次元造形装置１００は、第１吐出部１０ａと、第２吐出部１０ｂと、第１ホッパー２０ａと、第２ホッパー２０ｂと、移動機構部７０と、ステージ８０と、制御部９０とを備える。以下では、第１吐出部１０ａと第２吐出部１０ｂとを特に区別することなく説明する場合、単に、吐出部１０と呼ぶこともある。同様に、第１ホッパー２０ａと第２ホッパー２０ｂとを特に区別することなく説明する場合、単に、ホッパー２０と呼ぶこともある。

移動機構部７０は、吐出部１０とステージ８０との相対的な位置を変化させる。本実施形態では、移動機構部７０は、第１吐出部１０ａおよび第２吐出部１０ｂに対して、ステージ８０を移動させる。本実施形態における移動機構部７０は、３つのモーターの駆動力によって、ステージ８０をＸ，Ｙ，Ｚ方向の３軸方向に移動させる３軸ポジショナーによって構成される。各モーターは、制御部９０の制御下にて駆動する。なお、他の実施形態では、移動機構部７０は、ステージ８０を移動させる構成ではなく、例えば、ステージ８０を移動させずに吐出部１０を移動させる構成であってもよい。また、移動機構部７０は、ステージ８０と吐出部１０との両方を移動させる構成であってもよい。

制御部９０は、１以上のプロセッサーと、主記憶装置と、外部との信号の入出力を行う入出力インターフェイスとを備えるコンピューターによって構成されている。本実施形態では、制御部９０は、主記憶装置上に読み込んだプログラムや命令をプロセッサーが実行することによって、三次元造形物を造形するための三次元造形処理を実行する機能等、種々の機能を発揮する。制御部９０は、第１吐出部１０ａと第２吐出部１０ｂとを選択的に使い分けることにより、２種類の異なる材料を切り替えて三次元造形物を造形することができる。なお、制御部９０は、コンピューターではなく、複数の回路の組み合わせによって構成されてもよい。

図２は、三次元造形装置１００に備えられたホッパー２０および吐出部１０の概略構成を示す図である。吐出部１０は、可塑化部３０とノズル６０とを備えている。吐出部１０には、ホッパー２０に収容されている材料が供給される。吐出部１０は、制御部９０の制御下で、ホッパー２０から供給された材料の少なくとも一部を可塑化部３０によって可塑化して可塑化材料を生成し、生成した可塑化材料をノズル６０からステージ８０上に吐出して積層させる。本実施形態において「可塑化」とは、熱可塑性を有する材料に熱が加わり溶融することを意味する。「溶融」とは、熱可塑性を有する材料が融点以上の温度に加熱されて液状になることのみならず、熱可塑性を有する材料がガラス転移点以上の温度に加熱されることにより軟化し、流動性が発現することをも意味する。

ホッパー２０には、金属やセラミックなどの無機粉末とバインダーとを含むペレット状の材料が収容されている。ホッパー２０に収容された材料は、ホッパー２０と吐出部１０とを接続するようにホッパー２０の下方に設けられた供給路２２を介して、可塑化部３０に供給される。本実施形態では、第１ホッパー２０ａには第１材料が収容されており、第２ホッパー２０ｂには第２材料が収容されている。そのため、第１吐出部１０ａには、第１ホッパー２０ａに収容されている第１材料が供給され、第２吐出部１０ｂには第２ホッパー２０ｂに収容されている第２材料が供給される。第１材料は、第２材料よりも溶融温度が低い。換言すれば、第２材料は、第１材料よりも溶融温度が高い。

可塑化部３０は、スクリューケース３１と、スクリューケース３１内に収容されたスクリュー４１と、スクリュー４１を駆動させる駆動モーター３２と、バレル５０と、ヒーター５８とを備えている。バレル５０には連通孔５６が設けられている。ヒーター５８は、バレル５０に埋設されている。本実施形態のスクリュー４１は、いわゆるフラットスクリューであり、「スクロール」と呼ばれることもある。

スクリュー４１は、その中心軸ＲＸに沿った方向の高さが直径よりも小さい略円柱形状を有している。スクリュー４１は、バレル５０に対向する面に、スクリュー溝４５が形成された溝形成面４２を有している。溝形成面４２は、バレル５０のスクリュー対向面５２と対向する。

駆動モーター３２は、スクリュー４１の溝形成面４２とは反対側の面に接続されている。駆動モーター３２は、制御部９０の制御下で駆動される。スクリュー４１は、駆動モーター３２の回転で生じるトルクによって、中心軸ＲＸを中心に回転する。なお、駆動モーター３２は、直接、スクリュー４１と接続されていなくてもよく、例えば、減速機を介して接続されていてもよい。

バレル５０は、スクリュー４１の溝形成面４２に対向するスクリュー対向面５２を有している。バレル５０に設けられた連通孔５６は、スクリュー４１の中心軸ＲＸに沿うように形成されている。

ノズル６０は、先端にノズル開口６３を有している。ノズル開口６３は、バレル５０に設けられた連通孔５６に連通している。ノズル６０は、ノズル開口６３から、ステージ８０に向けて、可塑化部３０により可塑化された材料を吐出する。

図３は、スクリュー４１の溝形成面４２側の構成を示す概略斜視図である。図３には、スクリュー４１の中心軸ＲＸの位置が一点鎖線で示されている。上述したように、溝形成面４２には、スクリュー溝４５が設けられている。スクリュー４１の溝形成面４２の中央部であるスクリュー中央部４７は、スクリュー溝４５の一端が接続されている窪みとして構成されている。スクリュー中央部４７は、バレル５０の連通孔５６に対向する。スクリュー中央部４７は、中心軸ＲＸと交差する。

スクリュー４１のスクリュー溝４５は、いわゆるスクロール溝を構成する。スクリュー溝４５は、スクリュー中央部４７から、スクリュー４１の外周に向かって弧を描くように渦状に延びている。スクリュー溝４５は、インボリュート曲線状や、螺旋状に延びるように構成されてもよい。溝形成面４２には、スクリュー溝４５の側壁部を構成し、各スクリュー溝４５に沿って延びている凸条部４６が設けられている。スクリュー溝４５は、スクリュー４１の側面４３に形成された材料導入口４４まで連続している。この材料導入口４４は、ホッパー２０から供給路２２を介して供給された材料を受け入れる部分である。

図３には、３つのスクリュー溝４５と、３つの凸条部４６と、を有するスクリュー４１の例が示されている。スクリュー４１に設けられるスクリュー溝４５や凸条部４６の数は、３つには限定されず、１つのスクリュー溝４５のみが設けられていてもよいし、２以上の複数のスクリュー溝４５が設けられていてもよい。また、図３には、材料導入口４４が３箇所に形成されているスクリュー４１の例が図示されている。スクリュー４１に設けられる材料導入口４４の数は、３箇所に限定されず、１箇所にのみ設けられていてもよいし、２箇所以上の複数の箇所に設けられていてもよい。

図４は、バレル５０のスクリュー対向面５２側の構成を示す上面図である。上述したとおり、スクリュー対向面５２の中央には、連通孔５６が形成されている。スクリュー対向面５２における連通孔５６の周りには、複数の案内溝５４が形成されている。それぞれの案内溝５４は、一端が連通孔５６に接続され、連通孔５６からスクリュー対向面５２の外周に向かって渦状に延びている。それぞれの案内溝５４は、造形材料を連通孔５６に導く機能を有している。なお、案内溝５４の一端は連通孔５６に接続されていなくてもよい。また、バレル５０には案内溝５４が形成されていなくてもよい。

説明を図１に戻す。射出成形機２００は、可塑化装置２１０と型締装置２３０とを備えている。可塑化装置２１０と型締装置２３０とは、それぞれ、基台２０５に固定されている。基台２０５には、制御部２９０が備えられている。射出成形機２００は、型締装置２３０に装着された成形型２２０内に、可塑化装置２１０から可塑化材料を射出して成形品を成形する。本実施形態では、型締装置２３０には、金属製の成形型２２０が装着されている。型締装置２３０に装着される成形型２２０は、金属製に限られず、樹脂製あるいはセラミック製でもよい。金属製の成形型２２０のことを金型と呼ぶ。

可塑化装置２１０には、成形品の材料が投入される材料供給部２０８が接続されている。成形品の材料としては、金属やセラミックなどの無機粉末とバインダーとを含むペレット状の材料が用いられる。可塑化装置２１０は、材料供給部２０８から供給された材料の少なくとも一部を可塑化して可塑化材料を生成する。

制御部２９０は、１つ、または、複数のプロセッサーと、主記憶装置と、外部との信号の入出力を行う入出力インターフェイスとを備えるコンピューターによって構成されている。プロセッサーが主記憶装置上にプログラムを読み込んで実行することにより、制御部２９０は、可塑化装置２１０と型締装置２３０とを制御し、成形品の製造を行う。

図５は、射出成形機２００の概略構成を示す断面図である。射出成形機２００は、上記の通り、可塑化装置２１０と型締装置２３０と成形型２２０とを備えており、また、射出制御機構２４０を備えている。

可塑化装置２１０は、スクリュー２１１とバレル２１２とヒーター２１３とノズル２１４とを有している。スクリュー２１１は、スクリュー２１１を収容する収容部２１５に収容されている。本実施形態のスクリュー２１１は、いわゆるフラットスクリューであり、「スクロール」とも呼ばれる。スクリュー２１１は、駆動モーターを備えるスクリュー駆動部２１６によって、その中心軸ＲＸを中心に収容部２１５内で回転駆動される。バレル２１２の中心には、連通孔２１７が形成されている。連通孔２１７には、後述する射出シリンダー２４１が接続されている。連通孔２１７には、射出シリンダー２４１よりも上流部に、逆止弁２１８が備えられている。スクリュー駆動部２１６によるスクリュー２１１の回転と、ヒーター２１３による加熱とは、制御部２９０によって制御される。

射出制御機構２４０は、射出シリンダー２４１と、プランジャー２４２と、駆動モーターを備えるプランジャー駆動部２４３とを備えている。射出制御機構２４０は、射出シリンダー２４１内の可塑化材料を、後述するキャビティー２２３に射出注入する機能を有している。射出制御機構２４０は、制御部２９０の制御下で、ノズル２１４からの可塑化材料の射出量を制御する。射出シリンダー２４１は、バレル２１２の連通孔２１７に接続された略円筒状の部材であり、内部にプランジャー２４２を備えている。プランジャー２４２は、射出シリンダー２４１の内部を摺動し、射出シリンダー２４１内の可塑化材料を、可塑化装置２１０に備えられたノズル２１４に圧送する。プランジャー２４２は、プランジャー駆動部２４３により駆動される。

成形型２２０は、可動型２２１と固定型２２２とを備えている。可動型２２１と固定型２２２とは、互いに対面して設けられ、その間に成形品の形状に応じた空間であるキャビティー２２３を有している。キャビティー２２３には、バレル２１２の連通孔２１７から流出した可塑化材料が、射出制御機構２４０によって圧送されてノズル２１４から射出される。

型締装置２３０は、駆動モーターを備える成形型駆動部２３１を備えており、可動型２２１と固定型２２２との開閉を行う機能を有している。型締装置２３０は、制御部２９０の制御下で、モーターによって構成される成形型駆動部２３１を駆動することによってボールネジ２３２を回転させ、ボールネジ２３２に結合された可動型２２１を固定型２２２に対して移動させて成形型２２０を開閉させる。

上述したように、本実施形態では、三次元造形装置１００および射出成形機２００は、いずれも、材料を可塑化するためにフラットスクリューを備えている。これに対して、三次元造形装置１００および射出成形機２００は、材料の可塑化のために、インラインスクリューを備えてもよい。

図６は、第１実施形態における製品の製造方法を示す工程図である。第１工程Ｓ１０では、三次元造形装置１００により第１部品が造形される。第２工程Ｓ２０では、射出成形機２００により第２部品が成形される。第１工程Ｓ１０と第２工程Ｓ２０との順序は任意であり、同時であってもよい。三次元造形装置１００により造形された第１部品、および、射出成形機２００により成形された第２部品は、それぞれグリーン体と呼ばれる。

図７は、第１部品Ｐ１の例と第２部品Ｐ２の例とを示す図である。図７には、直方体状の第１部品Ｐ１と、２つの円柱が、それぞれの中心軸が交差するように連結した形状を有する第２部品Ｐ２とを示している。第１部品Ｐ１の形状と第２部品Ｐ２の形状とは、図７に示した形状に限られず、様々な形状とすることが可能である。

第１部品Ｐ１は、第１領域Ａ１と第２領域Ａ２とを含んでいる。第１領域Ａ１は、第２部品Ｐ２と接触する領域であり、第１部品Ｐ１の上面に、円形の領域として形成されている。第１領域Ａ１のことを「接合領域」ともいう。第２領域Ａ２は、第２部品Ｐ２と接触しない領域である。

上記第１工程Ｓ１０において、三次元造形装置１００は、第１吐出部１０ａから、ＳＵＳと第１バインダーとを含む第１材料を可塑化して吐出することにより第１領域Ａ１を造形する。三次元造形装置１００は、第２吐出部１０ｂから、ＳＵＳと第２バインダーとを含む第２材料を可塑化して吐出することにより第１領域Ａ１以外の第２領域Ａ２を造形する。本実施形態において、第１領域Ａ１に用いる無機粉末と、第２領域Ａ２に用いる無機粉末とは、同じＳＵＳであり、同じ元素を主成分として含んでいる。主成分とは、無機粉末の主要な元素を意味し、その無機粉末において最も多くの含有率を占める元素を意味する。

本実施形態において、第１バインダーと第２バインダーとは、それぞれ、樹脂とワックスとを含む。ただし、第１バインダーと第２バインダーとでは、異なる種類の樹脂を用いることによって、第１領域Ａ１に含まれる第１バインダーの融点が、第２領域Ａ２に含まれる第２バインダーの融点に比べて低くなっている。より具体的には、第１バインダーの融点は、後述する脱脂処理においてワックス成分を除去する温度よりも低く、第２バインダーの融点は、後述する脱脂処理においてワックス成分を除去する温度よりも高い。第１バインダーのことを低融点バインダー、第２バインダーのことを高融点バインダーと呼ぶこともできる。

第１バインダーに用いられる樹脂および第２バインダーに用いられる樹脂としては、上述した融点を満たすように、ポリスチレン樹脂（ＰＳ）、ポリエチレン樹脂（ＰＥ）、ポリプロピレン樹脂（ＰＰ）、ポリアセタール樹脂（ＰＯＭ）、ポリ塩化ビニル樹脂（ＰＶＣ）、ポリアミド樹脂（ＰＡ）、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン樹脂（ＡＢＳ）、ポリ乳酸樹脂（ＰＬＡ）、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、変性ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレートなどの汎用エンジニアリングプラスチック、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリフェニレンサルファイド、ポリアリレート、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）などの熱可塑性樹脂から採用することができる。

本実施形態では、第１部品Ｐ１を三次元造形装置１００によって造形するため、第１部品Ｐ１を小さく複雑な形状とすることは困難であるものの、比較的大きなサイズの形状とすることができる。

なお、本実施形態では、第１材料および第２材料に無機粉末としてＳＵＳが含まれるものとしたが、ＳＵＳに限らず、マグネシウム（Ｍｇ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）やクロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）の単一の金属、もしくはこれらの金属を１つ以上含む合金や、マルエージング鋼、コバルトクロムモリブデン、チタニウム合金、ニッケル合金、アルミニウム合金、コバルト合金、コバルトクロム合金などの合金を用いてもよい。また、無機粉末としては金属に限らず、二酸化ケイ素、二酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウムなどの酸化物セラミックスや、窒化アルミニウムなどの非酸化物セラミックスなどを用いてもよい。

本実施形態において第２部品Ｐ２は、上記第２工程Ｓ２０において、射出成形機２００により、第１部品Ｐ１の第２領域Ａ２と同じ材料を成形型２２０に射出することによって成形される。なお、第２部品Ｐ２に用いられる無機粉末は、第１部品Ｐ１に用いられる無機粉末と異なる粉末であってもよい。また、第２部品Ｐ２に用いられるバインダーの樹脂は、後述する脱脂処理においてワックス成分を除去する温度よりも融点が高ければ、第１部品Ｐ１の第２領域Ａ２に用いられる樹脂とは異なる種類の樹脂であってもよい。

本実施形態では、第２部品Ｐ２を射出成形機２００によって成形するため、第２部品Ｐ２を大型の形状とすることは困難であるものの、サポート材などを用いることなく小さく複雑な形状とすることができる。

第３工程Ｓ３０では、第１部品Ｐ１と第２部品Ｐ２とが組み立てられ、組立体が得られる。第１部品Ｐ１と第２部品Ｐ２の組み立ては、例えば、ロボットによって行うことができる。本実施形態では、図７に示すように、第１部品Ｐ１の第１領域Ａ１に、第２部品Ｐ２を載置することによって組み立てが行われる。図８には、第１部品Ｐ１と第２部品Ｐ２とが組み立てられた組立体ＡＢを示している。

第４工程Ｓ４０では、脱脂装置３００によって、組立体ＡＢを第１温度で加熱して脱脂する脱脂処理を実施する。第１温度は、第１部品Ｐ１および第２部品Ｐ２に含まれるワックス成分を除去するための温度であり、例えば、１１０℃である。第１部品Ｐ１の第１領域Ａ１に含まれる樹脂の融点は、第１温度よりも低い温度である。そのため、脱脂処理によって第１領域Ａ１が軟化し、第１部品Ｐ１と第２部品Ｐ２とが第１領域Ａ１において良好に接触する。第４工程Ｓ４０では、第１温度によるワックス成分の除去後、第１温度を４００～５００℃に上昇させ、組立体ＡＢに含まれるバインダー中の樹脂成分を除去する。

第５工程Ｓ５０では、焼結炉４００によって、脱脂後の組立体ＡＢを第１温度よりも高い第２温度で加熱して焼結する。第２温度は、例えば、１２００℃である。以上で説明した一連の工程によって、第１部品Ｐ１と第２部品Ｐ２とからなる製品が製造される。

以上で説明した第１実施形態における製品の製造方法によれば、複数の吐出部１０を備える三次元造形装置１００によって複数の材料を切り替えることによって、第１部品Ｐ１の第２部品Ｐ２との接合領域である第１領域Ａ１に、融点の低いバインダーを有する材料を選択的に配置することができる。そのため、第１部品Ｐ１と第２部品Ｐ２とを加熱して脱脂する際に、接合領域において第１部品Ｐ１のバインダー成分が溶融し、第１部品Ｐ１と第２部品Ｐ２との間に隙間が生じることを抑制できる。この結果、簡易な手法で複数の部品を良好に接合して製品を製造することができる。

また、本実施形態では、第２部品Ｐ２を射出成形機２００により成形するので、第２部品Ｐ２を短時間で生成でき、また、サポート材を用いることなく複雑な形状の第２部品Ｐ２を製造できる。また、本実施形態では、第１部品Ｐ１を三次元造形装置１００によって造形するため、中空構造や肉抜き構造を容易に形成できるので、大型な第１部品Ｐ１を造形できる。そのため、第１部品Ｐ１と第２部品Ｐ２とを接合することにより、複雑な形状を有し、射出成形機２００の金型の大きさに依存しない大型の製品を製造できる。

また、本実施形態では、第１部品Ｐ１の第１領域Ａ１に含まれる無機粉末は、第２領域Ａ２に含まれる無機粉末と同じ元素を主成分として含むので、接合領域にロウなどを用いることなく、第１部品Ｐ１と第２部品Ｐ２とを接合できる。そのため、接合領域における製品の強度が低下することを抑制できる。

Ｂ．第２実施形態：
第２実施形態では、製造システム５の構成、および、製品の製造方法の一連の工程は、第１実施形態と同じである。第１実施形態では、第１部品Ｐ１の第１領域Ａ１の造形に用いる第１材料と、第２領域Ａ２の造形に用いる第２材料とで、異なる融点を有するバインダーを用いている。これに対して、第２実施形態では、第１部品Ｐ１の第１領域Ａ１の造形に用いる第１材料の無機粉末の粒径を、第２領域Ａ２の造形に用いる第２材料の無機粉末の粒径に比べて小さくする。本実施形態において、粒径とは中心粒径を意味する。

より具体的には、第２実施形態では、第１材料に含まれる無機粉末として中心粒径が５μｍのＳＵＳを用いる。また、第２材料に含まれる無機粉末として中心粒径が１０μｍのＳＵＳを用いる。このように、第１部品Ｐ１と第２部品Ｐ２とが接合される接合領域である第１領域Ａ１において、粒径の小さな粉末を用いることにより、焼結時において、接合領域における拡散接合が促進され、接合領域における焼結開始温度を低下させることができる。例えば、第１材料に含まれる無機粉末として中心粒径が５μｍのＳＵＳを用い、第２材料に含まれる無機粉末として中心粒径が１０μｍのＳＵＳを用いたところ、接合領域における焼結開始温度を１２００℃から１１５０℃に低下させることができた。この結果、第１部品Ｐ１の第１領域Ａ１を起点として、第１部品Ｐ１と第２部品Ｐ２との接合を良好に行うことができた。

以上で説明した第２実施形態によれば、三次元造形装置１００によって、第１部品Ｐ１の第２部品Ｐ２との接合領域に、粒径の小さい無機粉末を有する材料を配置することができる。そのため、第１部品Ｐ１と第２部品Ｐ２とを焼結する際に、接合領域において焼結が早く開始され、これらを良好に接合することができる。この結果、簡易な手法で複数の部品を接合して製品を製造することができる。なお、本実施形態において、第１材料と第２材料とに含まれるバインダーの種類は、同じであってもよいし、異なっていてもよい。ただし、第１実施形態のように、第１材料に含まれる第１バインダーの融点の方が、第２材料に含まれる第２バインダーの融点よりも低いことが好ましい。

Ｃ．第３実施形態：
第３実施形態では、製造システム５の構成、および、製品の製造方法の一連の工程は、第１実施形態と同じである。

第３実施形態では、三次元造形装置１００において用いる第１材料中の無機粉末の粒子密度を、第２材料中の無機粉末の粒子密度よりも高くすることにより、図６に示す第４工程Ｓ４０よりも前、すなわち、脱脂処理前における、第１部品Ｐ１の第１領域Ａ１の粒子密度を、第１部品Ｐ１の第２領域Ａ２の粒子密度に比べて高くする。具体的には、第２領域Ａ２に用いる第２材料のバインダー部数よりも、第１領域Ａ１に用いる第１材料のバインダー部数を少なくすることによって、第１材料の粒子密度を高める。例えば、本実施形態では、第１領域Ａ１に用いる第１材料の組成を、ＳＵＳ１００ｇに対してバインダー７．０ｇとすることで、バインダー部数を７．０とし、第２領域Ａ２に用いる第２材料の組成を、ＳＵＳ１００ｇに対して、バインダー８．５ｇとすることで、バインダー部数を８．５とする。

以上で説明した第３実施形態によれば、第１部品Ｐ１に含まれる第１領域Ａ１の粒子密度を小さくすることで、組立体ＡＢにおいて、第１部品Ｐ１に含まれる無機粒子と第２部品Ｐ２に含まれる無機粒子との間隔を狭くすることができる。そのため、焼結後に、第１部品Ｐ１と第２部品Ｐ２との接合部分が脆弱になることを抑制できる。なお、第１材料および第２材料に含まれる樹脂の種類やバインダーの種類は、第１実施形態と同じである。また、無機粒子の粒径は、第１材料と第２材料とで同一でもよいし、第２実施形態のように、第１材料と第２材料とで異なっていてもよい。

Ｄ．第４実施形態：
図９は、第４実施形態における製造システム５ｄの概略構成を示す図である。製造システム５ｄは、第１の三次元造形装置１０１と、第２の三次元造形装置１０２と、脱脂装置３００と、焼結炉４００とを備える。つまり、第４実施形態では、射出成形機２００の代わりに、第２の三次元造形装置１０２が製造システム５ｄに備えられている。第１の三次元造形装置１０１および第２の三次元造形装置１０２の構成は、第１実施形態における三次元造形装置１００の構成と同じである。第１の三次元造形装置１０１および第２の三次元造形装置１０２には、それぞれ、ホッパー２０と可塑化部３０とノズル６０とが備えられている。第４実施形態において製品の製造に用いる材料は、第１～３実施形態において説明したいずれの材料も採用可能である。

図１０は、第４実施形態における製品の製造方法を示す工程図である。本実施形態では、第１工程Ｓ１０において、第１の三次元造形装置１０１により第１部品Ｐ１が造形される。第２工程Ｓ２０ｄでは、射出成形機２００ではなく、第２の三次元造形装置１０２により第２部品が造形される。第１工程Ｓ１０と第２工程Ｓ２０ｄとの順序は任意であり、同時であってもよい。第３工程Ｓ３０～第５工程Ｓ５０の処理内容は第１実施形態と同じである。以上で説明した一連の工程により、本実施形態では、三次元造形装置によって造形された第１部品および第２部品が接合されることにより製品が製造される。

以上で説明した第４実施形態によれば、三次元造形装置１０１，１０２によって第１部品Ｐ１と第２部品Ｐ２とを造形してそれらを接合するため、三次元造形装置１０１，１０２で一度に造形可能なサイズを超える大きさの製品を製造できる。そのため、製品の設計自由度を高めることができる。

また、本実施形態では、第１の三次元造形装置１０１と第２の三次元造形装置１０２とは、どちらもホッパー２０を備えているので、第１の三次元造形装置１０１と第２の三次元造形装置１０２とで同じ種類のペレットを用いて第１部品Ｐ１および第２部品Ｐ２を造形できる。そのため、第１部品Ｐ１と第２部品Ｐ２とで物性が変化することを抑制でき、製品の品質を高めることができる。

Ｅ．第５実施形態：
図１１は、第５実施形態における製造システム５ｅの概略構成を示す図である。製造システム５ｅは、三次元造形装置１００と、脱脂装置３００と、焼結炉４００とを備える。つまり、第５実施形態の製造システム５ｅは、三次元造形装置１００を１台のみ備えており、射出成形機２００を備えていない。

図１２は、第５実施形態における製品の製造方法を示す工程図である。図１３は、第５実施形態における製品の製造方法の概要を示す説明図である。本実施形態では、第１工程Ｓ１０ｅにおいて、三次元造形装置１００により第１部品Ｐ１と第２部品Ｐ２とが同じステージ８０上で並行して造形される。図１３の左側には、鉛直方向に沿って長尺状の第１部品Ｐ１と第２部品Ｐ２とが造形された様子を示している。本実施形態の第１工程Ｓ１０ｅでは、第１部品Ｐ１を造形するための第１工程と、第２部品Ｐ２を造形するための第２工程とが同時に行われていると言える。

第３工程Ｓ３０では、第１部品Ｐ１と第２部品Ｐ２とが組み立てられる。図１３の右側には、第１部品Ｐ１と第２部品Ｐ２とが組み立てられた組立体ＡＢが、脱脂装置３００内に配置された様子を示している。本実施形態では、第１領域Ａ１が、第１部品Ｐ１の端部において、段差を有するように造形されており、第１部品Ｐ１と第２部品Ｐ２とが組み立てられる際には、その段差に対して、第２部品Ｐ２の端部に形成された段差が重なるように配置される。このように組み立てられた組立体ＡＢは、第４工程Ｓ４０により脱脂され、第５工程Ｓ５０により焼結される。なお、第１部品Ｐ１および第２部品Ｐ２の接合部分の形状は図１３に示した形状に限らず、例えば、いずれか一方の接合部を凸状とし、他方の接合部を凹状とすることも可能である。

以上で説明した第５実施形態によれば、第１部品Ｐ１と第２部品Ｐ２とを１台の三次元造形装置１００によって同時並列的に造形できるので、効率的に製品を製造できる。また、第１部品Ｐ１と第２部品Ｐ２とを造形する際のスペース効率を高めることができる。更に、第１部品Ｐ１と第２部品Ｐ２とを同じ湿度や温度といった環境条件で生成できるので、製品の品質が部品毎に不均一になることを抑制できる。また、三次元造形装置１００で造形可能な最大サイズを超えるサイズの製品を製造することができる。

本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、第１部品Ｐ１は、バインダージェット方式や、マテリアルジェット方式などの異なる方式の三次元造形装置で造形されても構わない。

Ｆ．他の形態：
本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、以下に記載する各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

（１）本開示の第１の形態によれば、無機粉末とバインダーとを含む第１部品と、無機粉末とバインダーとを含む第２部品とを接合して製品を製造する製造方法が提供される。この製造方法は、三次元造形装置により前記第１部品を生成する第１工程と、前記第２部品を生成する第２工程と、前記第１部品と前記第２部品とを組み立てて組立体を得る第３工程と、前記組立体を第１温度で加熱する第４工程と、前記第４工程の後に、前記組立体を前記第１温度より高い第２温度で加熱する第５工程と、を有し、前記第１部品は、前記第２部品と接触する第１領域と、前記第２部品と接触しない第２領域とを有し、前記第１領域に含まれるバインダーの融点は、前記第２領域に含まれるバインダーの融点に比べて低い。
このような形態であれば、三次元造形装置によって、第１部品の第２部品との接合領域に、融点の低いバインダーを有する材料を配置することができる。そのため、第４工程において第１部品と第２部品とを加熱して脱脂する際に、接合領域において第１部品のバインダー成分が溶融し、第１部品と第２部品との間に隙間が生じることを抑制できる。この結果、簡易な手法で複数の部品を良好に接合して製品を製造することができる。

（２）本開示の第２の形態によれば、無機粉末とバインダーとを含む第１部品と、無機粉末とバインダーとを含む第２部品とを接合して製品を製造する製造方法が提供される。この製造方法は、三次元造形装置により前記第１部品を生成する第１工程と、前記第２部品を生成する第２工程と、前記第１部品と前記第２部品とを組み立てて組立体を得る第３工程と、前記組立体を第１温度で加熱する第４工程と、前記第４工程の後に、前記組立体を前記第１温度より高い第２温度で加熱する第５工程と、を有し、前記第１部品は、前記第２部品と接触する第１領域と、前記第２部品と接触しない第２領域を有し、前記第１領域に含まれる無機粉末の粒径は、前記第２領域に含まれる無機粉末の粒径に比べて小さい。
このような形態であれば、三次元造形装置によって、第１部品の第２部品との接合領域に、粒径の小さい無機粉末を有する材料を配置することができる。そのため、第５工程において第１部品と第２部品とを焼結する際に、接合領域において早く焼結が開始され、これらを良好に接合することができる。この結果、簡易な手法で複数の部品を良好に接合して製品を製造することができる。

（３）上記形態では、前記第２工程において、前記第２部品を射出成形機により生成してもよい。このような形態であれば、第２部品を射出成形機によって生成するため、サポート材を用いることなく複雑な形状の第２部品を製造できる。また、第１部品を三次元造形装置によって造形するため、大型の第１部品を造形できる。そのため、第１部品と第２部品とを接合することにより、複雑な形状を有する大型の製品を製造できる。

（４）上記形態では、前記第２工程において、前記第２部品を三次元造形装置により生成してもよい。このような形態であれば、三次元造形装置によって第１部品と第２部品とをそれぞれ造形してそれらを接合するため、三次元造形装置で一度に造形可能なサイズを超える大きさの製品を製造できる。

（５）上記形態において、前記第１工程において用いられる前記三次元造形装置、および、前記第２工程において用いられる三次元造形装置は、それぞれ、ペレット状の材料が投入されるホッパーと、前記材料を可塑化する可塑化部と、可塑化された前記材料を吐出するノズルと、を備えてもよい。このような形態であれば、第１の三次元造形装置と第２の三次元造形装置とで同じ種類のペレットを用いて第１部品および第２部品を生成できるので、第１部品と第２部品とで物性が変化することを抑制できる。

（６）上記形態において、前記第１工程において用いられる前記三次元造形装置、および、前記第２工程において用いられる前記三次元造形装置は同じ三次元造形装置であり、前記第１部品と前記第２部品とは、前記三次元造形装置に備えられた同じステージ上で並行して生成されてもよい。このような形態であれば、第１部品および第２部品を生成する際のスペース効率を高めることができ、また、第１部品と第２部品とを同じ湿度や温度といった環境条件で生成できるので、製品の品質が部品毎に不均一になることを抑制できる。

（７）上記形態において、前記第４工程よりも前において、前記第１領域における前記無機粉末の粒子密度は、前記第２領域における前記無機粉末の粒子密度に比べて高くてもよい。このような形態であれば、焼結後に第１部品と第２部品との接合部分が脆弱になることを抑制できる。

（８）上記形態において、前記第１領域に含まれる前記無機粉末は、前記第２領域に含まれる前記無機粉末と同じ元素を主成分として含んでもよい。このような形態であれば、接合領域にロウなどを用いることなく、第１部品と第２部品とを接合できる。そのため、接合領域における製品の強度が低下することを抑制できる。

５…製造システム、１０…吐出部、２０…ホッパー、２２…供給路、３０…可塑化部、３１…スクリューケース、３２…駆動モーター、４１…スクリュー、４２…溝形成面、４３…側面、４４…材料導入口、４５…スクリュー溝、４６…凸条部、４７…スクリュー中央部、５０…バレル、５２…スクリュー対向面、５４…案内溝、５６…連通孔、５８…ヒーター、６０…ノズル、６３…ノズル開口、７０…移動機構部、８０…ステージ、９０…制御部、１００…三次元造形装置、１０１…第１の三次元造形装置、１０２…第２の三次元造形装置、２００…射出成形機、２０５…基台、２０８…材料供給部、２１０…可塑化装置、２１１…スクリュー、２１２…バレル、２１３…ヒーター、２１４…ノズル、２１５…収容部、２１６…スクリュー駆動部、２１７…連通孔、２１８…逆止弁、２２０…成形型、２２１…可動型、２２２…固定型、２２３…キャビティー、２３０…型締装置、２３１…成形型駆動部、２３２…ボールネジ、２４０…射出制御機構、２４１…射出シリンダー、２４２…プランジャー、２４３…プランジャー駆動部、２９０…制御部、３００…脱脂装置、４００…焼結炉

Claims (8)

1. 無機粉末とバインダーとを含む第１部品と、無機粉末とバインダーとを含む第２部品と
   を接合して製品を製造する製造方法であって、
   三次元造形装置により前記第１部品を生成する第１工程と、
   前記第２部品を生成する第２工程と、
   前記第１部品と前記第２部品とを組み立てて組立体を得る第３工程と、
   前記組立体を第１温度で加熱する第４工程と、
   前記第４工程の後に、前記組立体を前記第１温度より高い第２温度で加熱して焼結する
   第５工程と、
   を備え、
   前記第１部品は、前記第２部品と接触する第１領域と、前記第２部品と接触しない第２
   領域とを有し、
   前記第１領域に含まれるバインダーの融点は、前記第２領域に含まれるバインダーの融
   点に比べて低い、製造方法。
2. 無機粉末とバインダーとを含む第１部品と、無機粉末とバインダーとを含む第２部品と
   を接合して製品を製造する製造方法であって、
   三次元造形装置により前記第１部品を生成する第１工程と、
   前記第２部品を生成する第２工程と、
   前記第１部品と前記第２部品とを組み立てて組立体を得る第３工程と、
   前記組立体を第１温度で加熱する第４工程と、
   前記第４工程の後に、前記組立体を前記第１温度より高い第２温度で加熱して焼結する
   第５工程と、
   を備え、
   前記第１部品は、前記第２部品と接触する第１領域と、前記第２部品と接触しない第２
   領域を有し、
   前記第１領域に含まれる無機粉末の粒径は、前記第２領域に含まれる無機粉末の粒径に
   比べて小さい、製造方法。
3. 請求項１または２に記載の製造方法であって、
   前記第２工程において、前記第２部品を射出成形機により生成する、製造方法。
4. 請求項１から３までのいずれか一項に記載の製造方法であって、
   前記第２工程において、前記第２部品を三次元造形装置により生成する、製造方法。
5. 請求項４に記載の製造方法であって、
   前記第１工程において用いられる前記三次元造形装置、および、前記第２工程において
   用いられる前記三次元造形装置は、それぞれ、ペレット状の材料が投入されるホッパーと
   、前記材料を可塑化する可塑化部と、可塑化された前記材料を吐出するノズルと、を備え
   る、製造方法。
6. 請求項５に記載の製造方法であって、
   前記第１工程において用いられる前記三次元造形装置、および、前記第２工程において
   用いられる前記三次元造形装置は同じ三次元造形装置であり、
   前記第１部品と前記第２部品とは、前記三次元造形装置に備えられた同じステージ上で
   並行して生成される、製造方法。
7. 請求項１から６までのいずれか一項に記載の製造方法であって、
   前記第４工程よりも前において、前記第１領域における前記無機粉末の粒子密度は、前
   記第２領域における前記無機粉末の粒子密度に比べて高い、製造方法。
8. 請求項１から７までのいずれか一項に記載の製造方法であって、
   前記第１領域に含まれる前記無機粉末は、前記第２領域に含まれる前記無機粉末と同じ
   元素を主成分として含む、製造方法。

Images