JP7711032B2

JP7711032B2 - セラミックス粉末とそれによるセラミックス造形物及びその製造方法

Info

Publication number: JP7711032B2
Application number: JP2022109539A
Authority: JP
Inventors: 古川　耕二; 悟北; 昌司釣; 佳和篠田; 修舩橋; 小竹　伸幸
Original assignee: 大平洋ランダム株式会社
Priority date: 2022-07-07
Filing date: 2022-07-07
Publication date: 2025-07-22
Anticipated expiration: 2042-07-07
Also published as: JP2024008037A

Description

特許法第３０条第２項適用第３０条第２項適用、令和３年１２月８日幕張メッセにおいて開催された第６回セラミックスジャパンで発表。第３０条第２項適用、令和４年６月１６日日刊工業新聞１１面に掲載。

本発明は、バインダージェット方式の３Ｄプリンターによる成形に用いられるセラミックス粉末とそれによるセラミックス造形物、及びその製造方法に関する。

従来のＣＩＰ（冷間静水圧プレス）や鋳込成形によるセラミックス粉末の成形では、金型や石膏型に沿った形状が成形できるが、成形体内部の複雑な形状を再現した成形体は得られない。しかも、要求仕様の最終形状や寸法精度を満たすために焼成後に機械加工等による仕上げが必要である。

これに対し、従来の方法では加工が難しい、時間がかかる、部品の接合に手間がかかる等の製品や多品種少量品を極力安価で作製したい製品の場合には、近年３Ｄプリンターによる造形法が有効に利用されている。（非特許文献１）３Ｄプリンターを利用した各種造形方式の内、レーザー光による光造形方式の３Ｄプリンターの場合、セラミックス原料に光硬化樹脂を添加して作製したスラリーを薄く敷いて、紫外線などのレーザー光により硬化させ造形させるため、複雑形状の緻密体の造形ができ、後工程の焼成により高密度の焼成体が得られる。

しかしながら、光造形方式の３Ｄプリンターで造形した場合、造形後の未露光材料の除去作業（特許文献１参照：粒径の異なる２種配合無機粒子スラリー）や、バインダーとして用いられている樹脂の脱脂処理が必要である。

また、光造形方式で用いられるセラミックス粉末を含むスラリーの調整が必要であり、セラミックス粉末の粒径が大きすぎると、スラリー中での安定性が低下し沈降し易くなるため、均一なスラリーが得られないおそれがある。さらに、セラミックス粉末の粒子径が（１００μｍを超えて）大きいと精密な寸法を要求される光造形体の造形が困難となる。（特許文献２：シリカ粉末にシラン化合物を配合）さらに、造形後の未露光材料の除去作業やバインダーとして用いられている樹脂の脱脂処理のプロセスで、割れや変形などが生じることがあるという課題もある。

その他、光造形方式の３Ｄプリンターで用いられる短波長の可視光や紫外光に対して吸収率が非常に高いＳｉＣ（炭化珪素）のようなセラミックスの場合、光がＳｉＣスラリー内で吸収され通過しにくく、造形が困難である。光の吸収率が低い酸化物系のアルミナの場合でも、光造形方式の場合、孔径約φ０．３ｍｍ以下、厚み６ｍｍ以上のサイズは製作困難であり、また、全閉の中空空間形状は製法上不可能であるなどの短所がある。（非特許文献１）

上述した光造形方式の技術的課題に対し、３Ｄプリンターの造形方式の一つであるバインダージェット方式では、光を用いず、薄く塗布して敷き詰めたセラミックス粉末の層に成形用のバインダー樹脂層を噴射して積層し、これを繰り返して造形する為、短波長の可視光や紫外光の吸収率が高いＳｉＣのようなセラミックスについても造形が可能である。さらに、複雑形状の多孔質体や大型形状品の製作に適している等の特長がある。

特開２０２０－０２３０６４号公報特開平８－２５４８６号公報

日本セラミックス協会セラミックス 56 (2021) No.11 P747~P750

上述の通り、従来のＣＩＰや鋳込成形などの成形方法では、型に沿ったニアネット形状は成形できても、成形体内部の複雑な形状を再現した成形体は得られなかった。

また、近年、開発が進みつつある光造形方式の３Ｄプリンターによる造形では厚みのある大型品の成形体は造形し難い。セラミックスの中でもとくに炭化珪素などの短波長の可視光や紫外光などを吸収し、反射・透過しにくい材料については炭化珪素などのスラリー内の光硬化樹脂の硬化深度が浅く、成形体の反りが発生し、厚肉品の造形が困難であった。

一方、造形時に光を使用しないバインダージェット方式の３Ｄプリンターを用いた場合、単粒のセラミックス原料については造形できても、造形品や焼成品の強度が低く、触るだけで容易に破損する等の問題があり、ハンドリングが困難であった。

また、ハンドリングできるように造形品の強度を上げようとして、噴霧するバインダー量を増やすと寸法精度が落ちてしまう。さらに、嵩密度や強度を上げるために粒径の異なる原料を複合化すると流動性が下がり、セラミックス粉末を均一に薄く振りかけて塗布するリコートがしにくくなるといった、互いに相反する課題があった。

本発明は、上記背景技術の課題に鑑みて成されたものであり、バインダージェット方式の３Ｄプリンターによる成形に好適に用いられるセラミックス粉末とそれによるセラミックス造形物、及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、バインダージェット方式の３Ｄプリンターによるセラミックス造形物の形成に用いられるセラミックス粉末であって、少なくとも３つの異なる中心径の粒度からなる粒子で構成されたセラミックス粉末である。前記セラミックス粉末は、炭化珪素、窒化珪素、アルミナ、シリカ、又はジルコニアから成るものである。

前記セラミックス粉末は少なくとも、中心径が３１～６０μｍの粒子を６２％以上（本発明における％は、質量％であり、以下単に％と記す。）中心径が１１～２０μｍの粒子を７％以上、中心径が１．１～３．０μｍの粒子を４％以上含有するものである。さらに、前記セラミックス粉末は、中心径：０．５１～１．０μｍの粒子を０．０１～２．０％、又は中心径：０．０５～０．３０μｍの粒子を０．０１～０．４％、又は中心径：０．３１～０．５０μｍの粒子を０．０１～４．０％添加してあるものが好ましい。

また本発明は、前記セラミックス粉末により焼成されたセラミックス造形物であって、前記セラミックスは炭化珪素から成り、前記セラミックス造形物の３点曲げ強度は、１７０ＭＰａ以上の値を有するセラミックス造形物である。

また本発明は、前記セラミックス粉末を焼成して形成するセラミックス造形物の製造方法であって、前記セラミックスは炭化珪素であり、前記３Ｄプリンターによりバインダー材料が噴射された部分に前記セラミックス粉末をリコートする工程を繰り返して、前記バインダー材料により前記セラミックス造形物の成形体を形成し、その後、前記成形体を焼成して、前記セラミックス造形物を形成するセラミックス造形物の製造方法である。特に、前記バインダー材料の添加率を、３０～４０％にして製造することが好ましい。

本発明は、バインダージェット方式の３Ｄプリンターに適したセラミックス粉末原料の配合割合、そのセラミックス粉末によるセラミックス造形物、及びその製造方法を提供すのもので、これにより、ＣＩＰや鋳込み成形、及び光造形方式の３Ｄプリンターによって得られなかった複雑形状や、厚みのある造形物の成形が可能になる。さらに、本発明は、バインダージェット方式の３Ｄプリンターによる造形に適した流動性の良い原料配合を開発したものであり、ジョブボックスのプリントベッド上にムラなく均一に原料をリコートすることが可能となるものである。

本発明では、造形時の温度と湿度の管理、及び、リコート時のセラミックス粉末の塗布における超音波出力の原料粉末の流動性を向上させる適正な設定が重要であることを見出したもので、これにより安定した一定のリコート速度と均一性を保持できるようになった。

本発明によるセラミックス粉末による造形品や焼成品は、従来の配合の造形品では困難だったハンドリング可能な強度を有するものである。例えば炭化珪素の場合、成形強度や焼成強度が１．５ＭＰａ程度であり、ハンドリングが容易に可能で、Ｓｉ含浸品は成形体、焼成体からの寸法変化が非常に少ないため加工精度が良く、耐荷重や耐熱性等が要求される用途でも使用できる強度（約１７０ＭＰａ以上）や耐熱性等も保持したものが得られた。

また本発明においては、バインダージェット方式の３Ｄプリンター造形による炭化珪素成形体の製作を可能にしただけでなく、焼成（及びＳｉ含浸）の最適な条件の選定により、従来の半導体製造装置治具で用いられている製品と同等以上（１７０ＭＰａ以上、好ましくは配合条件を調整することにより２００ＭＰａ以上）のＳｉ含浸後の強度を持つものが得られるようになった。

さらに、所定の比率で３種から６種の中心径の原料の配合を行なったものに、流動性を改善する為、例えば、炭化珪素原料の場合、中心径（Ｄ_５０）がサブミクロン（本発明では０．０５μｍ～１．０μｍ）のものを、一定量加えることにより嵩密度が向上し、流動性がさらに改善された。これにより、バインダージェット方式でリコート時に必要な粉末の流動性が改善され、場所による偏析も少なく、安定して均一なリコートを実現できるようになった。

また本発明では、バインダーの添加率を一定の範囲に保持することで、ハンドリングできる強度を保持しつつ、寸法精度として、狙い値＋１０質量％以内に維持できることを見出した。例えば、炭化珪素の場合、バインダーの添加率は、３０～４０％が適しており、寸法精度を狙い値＋１０％以内に維持でき、成形強度もハンドリングできる程度以上に保持できるものである。

本発明のヒートシンクの造形物の平面図である。本発明のヒートシンクの造形物の斜視図である。本発明のタービンモデルの成形体である本発明のタービンモデルの造形物である

以下、本発明の実施携帯について説明する。本発明は、バインダージェット方式の３Ｄプリンターによるセラミックス造形物の形成に用いられるセラミックス粉末であって、少なくとも３つの異なる中心径の粒度からなる粒子で構成されたセラミックス粉末である。

前記セラミックス粉末は、炭化珪素、窒化珪素、アルミナ、シリカ、又はジルコニアから成るものである。特に、前記セラミックス粉末は、少なくとも、中心径が３１～６０μｍの粒子を６２％以上、中心径が１１～２０μｍの粒子を７％以上、中心径が１．１～３．０μｍの粒子を４％以上含有するものである。さらに、前記セラミックス粉末は、中心径：０．５１～１．０μｍの粒子を０．０１～２．０％、又は中心径：０．０５～０．３０μｍの粒子を０．０１～０．４％、又は中心径：０．３１～０．５０μｍの粒子を０．０１～４．０％添加して成るものが好ましく、少なくとも３種から６種の前記中心径を持つ粉体から成るものである。

本発明のセラミックス粉末を焼成して形成するセラミックス造形物の製造方法は、例えば前記セラミックスは炭化珪素であり、前記３Ｄプリンターによりバインダー材料が噴射された部分に前記セラミックス粉末をリコートする工程を繰り返して、前記バインダー材料により前記セラミックス造形物の成形体を形成し、その後、前記成形体を焼成して、前記セラミックス造形物を形成するものである。ここで、前記バインダー材料の添加率は、３０～４０％が好ましい。尚、バインダージェット方式では、リコート、バインダー噴射、加熱を繰り返し、薄い層を積層して造形する。

次に本発明のセラミックス粉末により形成したセラミックス造形物の実施形態について、図面を基にして説明する。

図１，図２は、鼓状の柱がいくつも立っているヒートシンクのセラミックス造形物１０の例である。セラミックス造形物１０は、従来の型を使用した成形法では脱型ができないため成形できないが、本発明の実施例の配合で調整した炭化珪素原料のセラミックス粉末を用いて、バインダージェット方式の３Ｄプリンターにより、鼓状の柱の凹凸状部１２を持つヒートシンクのセラミックス造形物１０の造形が可能となった。

また、図３、図４にタービンモデルの成形体２０とセラミックス造形物３０の例を示す。図３の成形体２０のように、バインダージェット方式の３Ｄプリンターにより、窓枠２４内に入っているタービン形状の羽根と軸である可動造形部２２を一体で造形することができる。さらに、図４に示すように、Ｓｉが溶解する温度以上でＳｉ含浸を実施し、平面研削を施したセラミックス造形物３０を形成することができる。このセラミックス造形物３０は、成形体２０の可動造形部２２にもＳｉ含浸を実施したもので、窓枠３４内に高強度の可動造形部３２を形成することができる。

本発明は、バインダージェット方式の３Ｄプリンターに好適に用いられるセラミックス原料粉末、造形物及びその製造方法を提供するもので、従来のＣＩＰや鋳込み成形方法ではできなかった成形体内部の複雑な形状を再現した成形体を、バインダージェット方式の３Ｄプリンターで造形することを可能にしたものである。さらに、本発明は、従来の光造形方式の３Ｄプリンターではできなかった成形体内部の複雑形状や厚みのある大型品や、光造形方式で用いる光を吸収して反りを発生してしまうセラミックス材料について、バインダージェット方式３Ｄプリンターを利用可能な、セラミックス粉末と、それによる造形物、及びその製造方法を提供するものである。これにより、反りもなくニアネットで大型品の造形を可能にしたものである。

さらに、本発明では、所定の比率で３種から６種配合を行なった原料に、流動性を改善する為、中心径が１μｍ以下のサブミクロンの微粉を一定量加えることにより、嵩密度が向上し、流動性がさらに改善された。

また本発明では、噴射するバインダーの添加率を所定の範囲に保持することで、バインダージェット方式３Ｄプリンターを利用した成形体について、ハンドリング可能な成形強度を保持しつつ、３ＤＣＡＤで設計された寸法に近い寸法精度を維持できるようになった。

その他、本発明によれば、バインダージェット方式の３Ｄプリンターによる造形に適した流動性の良いセラミックス粉末の配合を開発したものであり、造形時に使用するジョブボックスのプリントベッド上にムラなく均一に、セラミックス粉末を薄い層でリコートすることが可能となった。

また本発明の製造方法では、造形時の温度と湿度の管理、及び、リコート時の超音波出力の原料粉末の流動性に対応した適正な設定が重要であることを見出しており、これにより安定した一定のリコート速度と均一性を保持できるようになった。

さらに本発明においては、バインダージェット方式の３Ｄプリンター造形によるセラミックス（炭化珪素等）の成形体の製作を可能にしただけでなく、原料の配合条件や、造形後の焼成（及びＳｉ含浸）の最適な条件の選定により、従来の半導体製造装置治具で用いられている製品と同等以上のＳｉ含浸後の強度を持つものが得られるようになった。

次に、本発明のセラミックス粉末の実施例について以下に説明する。セラミックス粉末である原料は、例えば炭化珪素、窒化珪素、アルミナ、ジルコニア等であり、原料配合の例として、例えば、炭化珪素粉末で、平板のテストピース（狙い値：６．６ｘ１２ｘ３３ｍｍ）を造形した実施例と比較例を、表１～表３に示す。

（実施例１～８）
これらの原料粉末については、外部機関において流動性評価を実施した。実施例１～８についてはいずれも流動性の総合評価は、良好（総合評価５６点以上：○良い）であった。総合評価は、５６点以上：○良い、４６～５５点：△普通、４５点以下：×悪いとした。（外部機関評価：せん断力、応力伝達率、応力緩和率、圧縮率の各２５点満点の合計点数１００点満点で評価）

本発明の実施例１～８では、３Ｄプリンターによる造形時のジョブボックスのプリントベッド上にムラなく均一に原料をリコートすることが可能となり、４１．３ｋＰａ加圧時の嵩密度が１．７（ｘ１０００ｋｇ／ｍ^３）以上と高いものも得られた。これらの造形品は、ハンドリングにも耐え、焼成炉にて１５００℃以上で焼成しても形状を保持できた。これらを、さらにＳｉが溶解する温度以上でＳｉ含浸を実施し、平面研削を施し、３点曲げ試験を実施した結果、３点曲げ強度が１７０ＭＰａ以上と高く、実施例３及び実施例４のように、２００ＭＰａ以上のものも得られた。

表１～表３に示した本発明の実施例から、嵩密度、及び流動性を向上するセラミックス粉末Ｇ（中心径：０．５１～１．０μｍ）を０～２．０％、セラミックス粉末Ｈ（中心径：０．０５～０．３０μｍ）を０～０．４％、又はセラミックス粉末Ｉ（中心径：０．３１～０．５０μｍ）を０～４．０％添加することがより好ましいことが判明した。

（比較例１）
表１の比較例１の単粒（Ａ１００％）の流動性の総合評価は○（６０点）であり造形ができたが、ハンドリングが困難で、容易に破損し、造形品が破損しない場合でも焼成後に破損しハンドリング不可であった。

（比較例２）
表１の実施例２では、粉末Ａ，Ｃ，Ｄ、Ｆの粉末に、中心径：０．０５～０．３０μｍの粉末Ｈを０．４％添加配合しているが、比較例２では、粉末Ａ，Ｃ，Ｄ、Ｆの粉末の比率を実施例２とほぼ同等レベルに維持しながら、粉末Ｈを５．０％添加し配合した。
比較例２の原料の外部機関の流動性総合評価は△（５１点）で、嵩密度は１．６４（ｘ１０００ｋｇ／ｍ^３）であった。比較例２については粉末Ｈを５．０％添加配合しているが、流動性総合評価が良くなかったため造形は実施しなかった。

（比較例３）
比較例３では、実施例１及び実施例２の粉末Ｇや粉末Ｈを添加せず、シラン剤Ｓを５．０％添加した。比較例３の原料の流動性の総合評価は×（３５点）で悪く、しかも造形不可であった。

比較例４では、粉末Ａと粉末Ｃの２種配合の事例で、流動性の総合評価は○（６５点）と良く、加圧時の嵩密度も１．７０（ｘ１０００ｋｇ．ｍ^３）で造形できた。しかしながら、焼成後の強度が１．７３ＭＰａと低く、ハンドリングが困難であった。

（実施例９～１２）
表２の本発明の実施例９～１２では、添加するバインダー率をそれぞれ、３０％又は４０％とし、６．６ｘ１２ｍｍｘ３３ｍｍのテストピースの造形を行なった。バインダーの添加率が多くなると寸法の狙い値に対しての寸法増加が見られるが、本発明のバインダーの添加率が３０％及び４０％では、増加率αは１０％以下に抑えられる。

（比較例４～７）
比較例４～７では添加するバインダーの添加率をそれぞれ５５％、６０％、６５％とした。バインダーの添加率が５５％になると、加熱乾燥時に狙った寸法外へのバインダーの拡散が見られ、造形されたテストピースの寸法増加が見られた。その結果、寸法精度の指標の厚み増加率αは、１０％を超えて、比較例４～比較例７で、各々の厚み増加率αは１１％、３２％、４１％、３８％となった。

（実施例１３～３２）
Ａ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆから成る５種配合に、中心径がサブミクロンのセラミックス原料Ｇ（中心径：０．５１～１．０μｍ）や、原料Ｉ（中心径：０．３１～０．５０μｍ）の添加率を０％から一定の割合で増やしていった場合の粉末のＪＩＳ嵩密度（加圧無、ＪＩＳＫ５１０１に準拠し、２回測定平均値）の推移を表３の実施例１３～３２に示す。

実施例１３では無添加で、無添加のＪＩＳ嵩密度は１．２４（ｘ１０００ｋｇ／ｍ^３）と比較例８～１１のＪＩＳ嵩密度の１．２０～１．２３（ｘ１０００ｋｇ／ｍ^３）に比べて高い。

これに対し、実施例１４～２０では、セラミックス原料Ｇを０．０１～２．０％まで添加することにより、ＪＩＳ嵩密度は１．２４～１．３０（ｘ１０００ｋｇ／ｍ^３）と同等かそれ以上に向上する。また、実施例２１～２９では、セラミックス原料Ｉを０．０１～４．０％まで添加することにより、ＪＩＳ嵩密度は１．２４～１．３１（ｘ１０００ｋｇ／ｍ^３）と同等かそれ以上に向上する。さらに、実施例３０～３２では、炭化珪素の原料Ｈを０．０１～０．４％まで添加することにより、ＪＩＳ嵩密度は１．２４～１．３１（ｘ１０００ｋｇ／ｍ^３）と同等かそれ以上に向上した。

（比較例８～１１）
セラミックス原料Ｇの添加率を３．０～４．０％、又はセラミックス原料Ｈの添加率を０．００１％、又はセラミックス原料Ｉの添加率を５．０％とした場合の粉末のＪＩＳ嵩密度の値を表３の比較例８～１１に示す。セラミックス原料Ｇの添加率を３．０～４．０％とした比較例８～９では、ＪＩＳ嵩密度は、１．２１、１．２０（ｘ１０００ｋｇ／ｍ^３）であった。

一方、比較例１０では、原料Ｉの添加率が５．０％と多く、ＪＩＳ嵩密度は１．２３（ｘ１０００ｋｇ／ｍ^３）と実施例１３の１．２４よりも低く、流動性総合評価は△（５５点）と普通で良くなく、造形には適さなかった。原料Ｈの添加率を０．００１％とした比較例１１では、ＪＩＳ嵩密度は、１．２３（ｘ１０００ｋｇ／ｍ^３）と、実施例１４～実施例３２よりも低く、ＪＩＳ嵩密度が最も低い実施例１３の無添加の１．２４（ｘ１０００ｋｇ／ｍ^３）に比べても低かった。

１０，３０セラミックス造形物
１２凹凸状部
２０成形体
２２，３２可動造形部

Claims

バインダージェット方式の３Ｄプリンターによるセラミックス造形物の形成に用いられるセラミックス粉末であって、
前記セラミックス粉末は炭化珪素から成り、中心径が３１～６０μｍの粒子を６２％以上、中心径が１１～２０μｍの粒子を７％以上、中心径が１．１～３．０μｍの粒子を４％以上含有して、少なくとも３つの異なる中心径の粒度からなる粒子で構成され、
さらに、中心径：０．５１～１．０μｍの粒子を０．０１～２．０％、又は中心径：０．０５～０．３０μｍの粒子を０．０１～０．４％、又は中心径：０．３１～０．５０μｍの粒子を０．０１～４．０％添加して成る粉体であり、前記３Ｄプリンターによるバインダー材料の添加率が３０～４０％であることを特徴とするセラミックス粉末。
請求項１記載のセラミックス粉末により焼成されたセラミックス造形物であって、
前記セラミックス造形物の３点曲げ強度は、１７０ＭＰａ以上の値を有することを特徴とするセラミックス造形物。
請求項１記載のセラミックス粉末を焼成して形成するセラミックス造形物の製造方法において、
前記３Ｄプリンターにより前記バインダー材料を噴射し、前記バインダー材料が噴射された部分に前記セラミックス粉末をリコートする工程を繰り返して、前記セラミックス造形物の成形体を形成するものであって、前記バインダー材料の添加率を３０～４０％にして前記成形体を製造し、その後、前記成形体を焼成して、前記セラミックス造形物を形成することを特徴とするセラミックス造形物の製造方法。