Microsoft PowerPoint - JST新技術説明会2018b29（道総研・戸羽）＿ 提出-1

複合粉末材料による金属３Ｄ積層造形法

北海道立総合研究機構

産業技術研究本部 工業試験場

V P 走査速度 φD 既成層 金属粉末 金属粉末積層造形の原理 既成層の上に配置された金 属粉末に熱線を照射し、金属 粉末を溶融するとともに既成 層表面と溶接して積層する。

金属粉末３Ｄ造形について

３Ｄ積層造形 ⇒ 内部に３Ｄ中空構造を自由に製作可能 内部構造に熱交換流路を設けた金型の例 自由な形状の３Ｄ流路を金型内に配置した金型の製作 冷却過程で局所的な冷却速度制御で品質向上 成形時間の短縮による生産性の向上

金属粉末３Ｄ造形について

導入装置の造形条件 レーザ照射条件を変えるこ とにより、材料の溶接積層 に最適な溶融状態を得る。

金属粉末３Ｄ造形について

①溶融が困難な材料 課題解決の方途 造型目的の粉末材料に低融点の金属粉末を配合し、低融点金属のみ を過熱溶融させて主機能材料を固着して積層造形する技法の実用可 能性を試す。 ・材料の融点が高いため、レーザ光加熱による溶接が難しい 高融点金属、セラミック系材料 など ・高温で溶融すると機能が失われる 磁気作業材料の温度特性変化、炭素鋼の組織変化 など ②造形自体が困難な材料 ・材料が脆いため造形途中で破損し造形不能 工具鋼、金型鋼、高合金鋼 など

従来技術とその問題点

課題 ～ 高合金鋼粉末による造形試験 当初は積層造形ができているように見えるが、1mmを超えると、 クラックが生じて、それ以上の高さの造形が不可。 積層高さ1mmを超えると崩壊 形状によっては積層造形できる 様に見えるが 試料の一部が脆性破壊

技術的課題とその対策

LUMEXによる造形試験 断面の拡大写真 取出した造形試料の外観 試料内部にも一様に 脆性破壊が見られる 課題 ～ 高合金鋼粉末による造形試験

技術的課題とその対策

複合金属粉末による積層 主機能金属粉末に低融点の金属粉末をバインダとして混合し、バインダ金 属を選択的に溶融するレーザ照射条件を設定して積層造形させる技法。 適用材料 ① 高融点金属に対して、低融点のバインダ金属を組み合わせたもの ② セラミック系材料に対して、鉄鋼材バインダで固着させるもの レーザー光 バインダ金属粉末 主機能金属粉末 非合金型複合化成形法の模式図

技術的課題とその対策

アルミ合金をバインダにした造形試験例 試験の様子 レーザー照射条件と溶融造形試験結果の例 P=160W e=0.2mm 造形条件 D=φ0.2 ｖ=650 問題点 硬質のFe-Al金属間化合物の生成 で、目的の非合金を達成できない

考案技法の可能性の検証

e=0.08 v=520 P=100W

考案技法の可能性の検証

v=500 e=0.12v=480 e=0.18v=450 e=0.20v=420

P=160W D=φ0.5mm 造形条件 ・主 材(高融点) ⇒ SUS316L粉末 （松浦機械製作所製） ・バインダ(低融点) ⇒ Sn粉末 （試薬/200メッシュアンダー）

試験造形試料の外観 試験造形物の断面観察 EDS解析(元素Map)

複合金属粉末による造形試験①

Fe 融 点 1,540 物 性 Sn バインダ金属(Sn)の造形条件掌握 [℃] 232 沸 点 [℃] 2,750 2,270 融 解 潜 熱 [kJ/kg] ₂₇₀ 59.6 熱 伝 導 率 [W/m･K] _80.3 66.6 密 度 [kg/m3_] 7,870 5,800 比 熱 [kJ/kg･K] 0.449 0.222 Fe と Sn の物性比較 融解に要するエネルギー比較 Fe; Q_m = 0.449×(1540-20) + 270 ≒ 952.5 kJ/kg Sn; Q_m = 0.222×( 232-20) + 59.6 ≒ 106.7 kJ/kg

複合金属粉末による造形試験②

純錫粉末による造形試験 D=φ0.50mm 二重照射 D=φ0.40mm D=φ0.35mm D=φ0.30mm D=φ0.25mm D=φ0.20mm D=φ0.10mm q = 0.60 0.50 0.40 0.30 0.40 0.35 0.30 J/mm2 q = 0.3～0.6 の範囲で造形可

複合金属粉末による造形試験②

Fe; Q_R = 0.449×(250-20) ≒ 103.3 kJ/kg Sn; Q_m = 0.222×(250-20) + 59.6 ≒ 110.7 kJ/kg Fe-Mn合金に純スズを10wt%混合させて試験を行う。 昇温温度設定 ⇒ スズの融点直上 … 240～250℃ バインダの配合比 … Fe90wt%：Sn10wt% Q_B = 103.3×0.9 + 110.7×0.1 ≒ 104.0 kJ/kg ※ 純スズの溶融熱量とほぼ同じ

複合金属粉末による造形試験②

Fe-Mn系合金粉末のSnバインダによる造形試験 Fe-Mn合金と純錫粉末による造形試験 D=φ0.50mm D=φ0.40mm D=φ0.35mm D=φ0.30mm D=φ0.25mm D=φ0.20mm D=φ0.10mm q = 0.60 0.50 0.40 0.30 0.40 0.35 0.30 J/mm2 二重照射

複合金属粉末による造形試験②

試験造形物の断面観察 EDS解析による元素マップ D =φ0.20mm, e = 0.20mm, v = 1333mm/s, d = 0.050mm q = 0.30 J/mm2 q_s = 0.30 J/mm2 q_v = 12.0 J/mm3_{(二重照射)} 造形条件 Fe-Mn系合金粉末のSnバインダによる造形試験

複合金属粉末による造形試験②

・従来の金属３Ｄ積層造形法では製作が困難であった 硬質･脆性材に対して、バインダ金属を混合した粉末 のみを溶融し、基材粉末を固着して硬質･脆性粉末を 造形する手法を考案した。 ・造形時の与熱量を抑えることで、過熱･溶融によって 失われる主基材に備わる機能を、造形後も維持する ことができる。 ・金属をバインダとすることで、熱伝導性や電気伝導性 といった金属本来の機能を活用することができる。

新技術の特徴･従来技術との比較

・本技術の特徴から、金属材料の強度への期待を満足 させることはできないが、熱交換器など流体との接触 で機能するような部材に適用することで、熱伝導性や 大きな比表面積を活かした応用分野が考えられる。 ・本技術の特徴から、融点の異なる材料の組み合わせ で造形が可能となることから、金属どうしの組み合わ せに限らず、サーメットやセラミックと金属との組み合 わせによる３Ｄ造形部材の製作や用途への展開が見 込まれる。

想定される用途

・現在、バインダ金属として純錫(Sn)による造形事例に ついては、検証済み。 ・主基材とバインダ金属との接合性_{(ぬれ性)に関する} 課題の克服が必要なケースについては、主基材粉末 の表面処理を検討する必要があるので、今後の検討 を進めたい。 ・バインダとして添加する金属粉末の配合量に関して、 主基材純度と造形材強度とはトレードオフの関係であ るため、バインダ添加量と造形部材の機械的性質と の関係を把握しておく必要がある。

実用化に向けた課題

・本技術の特徴から、バインダ添加量による内部空隙 が残存することや、バインダ金属の融点以上の温度 では使用できないなどの制限がある。 ・しかしながら、_{LBMを利用することで、EBM造形法に} 比較して安価な造形物を得ることができる。 ・想定される制限の中で、３Ｄ造形の特徴を活かした、 複雑な外観形状および内部構造を持つ部材、あるい は多孔質材･格子構造部材への応用例が考えられる ものについて、試作を通じて実用化の可能性を模索し ていきたい。

企業への期待

発明の名称 出 願 番 号 三次元造形方法及び三次元造形物 発 明 者 出 願 人

本技術に関する知的財産権

北海道立総合研究機構 研究企画部 知的財産グループ ＴＥＬ ０１１－７４７－２８０６ ＦＡＸ ０１１－７４７－０２１１ E-mail ｈｑ-ｒｐｓ＠ｈｒｏ.ｏｒ.ｊｐ （担当；梅田）

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