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基本概念
射出成形は、プラスチックを成形するための生産的で広く使用されている技術である。米国の10,000以上の工場が射出成形を実施しており、その結果、毎年6,000台以上の新しい成形機が購入されている。最近まで、射出成形は加熱溶融ポリマーにのみ適用されていたが、最近、MIMやCIMに展開されている。金属やセラミックは、ポリマーよりも優れた特性を備えており、強度、剛性、動作温度が高く、ポリマーでは不可能な電気的、磁気的、熱的特性を示している。
粉末射出成形（PIM）として知られる新技術は、射出成形の利点を利用し金属やセラミックにも適用したものである。このプロセスでは、少量のポリマーと無機粉末を組み合わせて、成形可能な原料を形成する。成形後、ポリマーバインダーが抽出され、粉末が焼結される。多くの場合、理論密度に近くなる。したがって、PIMは、以前はポリマーに限定されていた成形技術で構造材料を提供することができる。
図1.1は、PIMで利用できる形状の複雑さを示している。これは、動作中に熱を抽出するための焼結コンピュータチップマウントの写真である。窒化アルミニウムとイットリアの混合物から製造され、230W / m /°C以上でアルミニウムに近い熱伝導率を実現している。しかし、熱膨張係数の高いアルミニウムとは異なり、この材料はコンピュータチップの基礎となるシリコンと互換性のある熱膨張係数を持っている。繰り返しの加熱および冷却サイクル中の熱疲労を回避するには、このような膨張率の厳密な一致が必要である。その結果、射出成形された窒化アルミニウムイットリアチップマウントを使用することにより、熱疲労破壊が排除される。以前は、調整されたプロパティを持つ複合材料は、このような複雑な形式では利用できなかった。
PIMプロセスの重要な側面は、焼結する小さな粉末を特定することである。ポリマーバインダーは、これらの小さな粉末を成形するために使用され、焼結炉で結合するまでそれらを所定の位置に保持する。このプロセスは、テープキャスティング、スリップキャスティング、押し出しなど、他の粉末バインダー製造の概念と類似している。図1.2に示すように、PIMには、製造コストの低さ、形状の複雑さ、厳しい公差、複数の材料への適用性、および高い最終特性という5つの主要な機能がある。多くの成功したアプリケーションは、これらの属性の特定の組み合わせに依存している。事例としては、歯を矯正するための矯正ブラケット、熱廃水を処理するための多孔質フィルター、コンピューターディスクドライブを制御するための磁石、電動ハンドツールと歯ブラシ用の小さなギア、スポーツシューズのクリート、メス、電気コネクター、ハンドガンコンポーネントなどの手術器具、高周波マイクロエレクトロニクス回路用のマイクロ波フィルターなどである。
テクノロジーとして、PIMはしばらく前から存在していたが、実際には1980年代に広く商業化された。 1920年代の限られた期間、セラミックスパークプラグボディの製造に適用された。
1950年代後半までに、多くのカーバイドおよびセラミックコンポーネントがエポキシ、ワックス、またはセルロースバインダーを使用して成形されていたが、生産量は少なかった。 1979年に金属製品に2つのデザイン賞が授与されたとき、このプロセスに大きな注目が集まりました。 1つのコンポーネントは、市販のジェット旅客機で使用されているスクリューシールで、 2番目の賞は、液体推進剤ロケットエンジン用のニオブ合金スラストチャンバーとインジェクターに対するものであった。
1980年代には、PIM技術によるセラミック熱機関部品の成形に大きな進歩が見られた。今日、PIMを実践している企業の数は多く、PIMは主要なネットシェーピング技術として認知されている。
その進化の一環として、このプロセスには多くのバリエーションがあり、粉末、バインダー、成形技術、脱バインダールート、および焼結炉のさまざまな組み合わせを反映している。コア生産シーケンスの概要を図1.3に示す。
この単純な形式では、4つのステップが必要である。つまり、原料の形成、金型への成形、バインダーの除去、および焼結である。通常、原料の配合には、選択した粉末とバインダーを混合して、成形機に容易に流入するペレットを形成することが含まれる。原料ペレットは、希望の形状を含む特大の工具に成形される。加熱されたポリマーは、混合物の粘性流を可能にし、成形を促進する。成形後、バインダーを除去（脱バインダー）し、残りの粉末構造体を焼結する。これらの最後の2つのステップは、単一の熱サイクルに組み合わせることができる。大幅な収縮は焼結緻密化に関連しているため、最終寸法は、厳密な最終公差を維持するために均一な成形に依存する。焼結製品は、製造プロセスを完了するために、さらに緻密化、熱処理、鋳造、メッキ、または機械加工することができる。最も重要なのは、焼結部品は、ポリマーでは達成できない特性を提供する材料のプラスチック射出成形の精度を備えていることである。
粉末射出成形は、他の成形技術、すなわち、プラスチック射出成形、金型およびロストワックス精密鋳造、機械加工、コールドアイソスタティック圧縮、およびスリップキャスティングと競合する。これらのライバルに対するその成功は、組み合わされた属性にある。これは、プラスチックに固有の特性の制限、従来の粉末圧縮の形状の制限、機械加工のコスト、静水圧プレスとスリップキャスティングの生産性の制限、および鋳造の欠陥と許容範囲の制限を克服する。
プロセス概要
図1.4に、PIM成形に関連する個々のステップの概略図を示す。すべては、選択した粉末とバインダーを混合することから始まる。バインダーは通常、ワックスやポリエチレンなどの一般的な熱可塑性プラスチックをベースにしているが、食品グレードのポリマー、セルロース、ゲル、シラン、水、およびさまざまな無機物質も使用されている。通常、バインダーシステムは2つまたは3つのコンポーネントで構成されている。 150°C（302°F）で溶融するバインダーの例は、65％のパラフィンワックス、30％のポリプロピレン、および5％のステアリン酸で構成されている。典型的なバインダー含有量は、混合物の40 vol％近くである。約6wt％バインダーに相当する鋼の場合。粒子は焼結を助けるために小さく、通常、0.1〜20 μmのサイズで、ほぼ球形である。たとえば、MIM用の鉄粉はPIMプロセスで広く使用されている。それは鉄ペンタカルボニルからの化学蒸気分解によって形成され、カルボニル鉄粉CIPと呼ばれる。他の一般的な組成物は、ケイ酸塩、アルミナ、鋼、工具鋼、ジルコニア、窒化ケイ素、およびステンレス鋼である。
フィードストック（成形材）とは、粉末とバインダーの混合物の用語である。成功するフィードストックの配合は、いくつかの考慮事項のバランス設計である。粒子間のすべての空隙を埋め、成形中の粒子の滑りを潤滑するには、十分なバインダーが必要である。練り歯磨きの粘度と同様の粘度が一般的に最も望ましい。実際、粘度はいくつかの要因に依存する。粉末とバインダーの比率が高すぎると、粘度が高くなり、バインダーが不十分になり、粒子間のすべての空隙を埋めることができなくなる。したがって、そのような原料を成形することは困難である。あるいは、結合剤が多すぎると、結合解除中にコンポーネントの形状が失われるため、望ましくない。原料の不均一性は成形の欠陥につながる。したがって、すべての粒子間で結合力を強化するために、混合には高いせん断力が必要である。したがって、ほとんどの用途で原料を配合するには、特別な混合方法が必要である。原料準備の最後工程は、成形機に簡単に輸送できるペレットを成形することである。
一般的な熱可塑性バインダーシステムの場合、ペレット化されたフィードストックは、成形機で加熱し、圧力をかけて金型キャビティに充填・保圧することにより、目的の形状に射出成形される。バインダーのおかげで、原料は粘度が十分に低くなり、圧力下で金型キャビティに流入させることができる。金型の冷却チャネルは熱を除去し、ポリマーを固化して成形形状を維持させる。成形装置は、プラスチック射出成形に使用されるものと同じである。これは、加熱されたバレルからスプルー、ランナー、およびゲートを介して充填された金型で構成されている。最も人気のあるのは、レシプロスクリューマシンでの成形である。ここで、バレルのスクリューは、フィードストックが溶融している間、原料を攪拌し、プランジャーとして機能して、金型を満たすために必要な圧力を生成する。実際の成形ストロークでは、溶融したフィードストックが前方に押し込まれ、1秒で金型へ充填される。成形圧力はいくつかのパラメータに依存するが、60
MPa（600気圧または9000 psi）以上になる場合がある。冷却中、ゲートが固化するまでフィードストックに圧力が印加され、シンクマークと収縮ボイドの形成が減少される。金型内で冷却した後、成形体が排出され、このサイクルが繰り返される。
この成形部品は、接着磁石や壊れやすい弾丸など、特定の用途に役立つ。ただし、通常、バインダーは結合を解除することによって成形体から除去される。このバインダー抽出にはさまざまなオプションがある。熱脱バインダーは想像するのが最も簡単である。成形体をゆっくりと加熱して、バインダーを分解していく。多くのバリエーションが存在し、最も一般的な代替手段は、一部のバインダーを溶解する溶媒に成形体を浸し、その後の処理のための強度を保持するために一部のポリマーを残すことである。残りのバインダーは、焼結サイクルの一部として熱的に抽出される。新しいバインダーは水溶性であるため、脱バインダー溶媒は水である。もう1つの一般的なオプションには、バインダーを触媒反応で分解するものが含まれる。バインダーの大部分は触媒蒸気によって攻撃され、残留バインダーは焼結温度まで加熱する間に除去される。他にもいくつかのオプションがあるので、この本の後半で詳しく説明する。
次のステップは焼結である。これは、熱脱バインダーサイクルに直接組み込むことができる。焼結は粒子を互いに結合し、緻密化をもたらす。多くの場合、焼結は緻密化と化学的均質化の2つの役割を果たす。後者のプロセスでは、混合粉末が成形され、焼結によって長距離原子運動によって均質な合金が形成される。通常、焼結収縮は均一で等方性であるため、成形コンポーネントは、目的の最終寸法を実現するためにオーバーサイズになっている。焼結は、保護雰囲気または真空中でピーク温度で行われることが多く、これにより、以前にバインダーで満たされた細孔が急速に除去される。シリカ、アルミナ、ジルコニア、クロミア、イットリアなどの酸化物セラミックは、空気中で1200〜2000°C（2192〜3632°F）の範囲の温度で焼結できる。鋼およびステンレス鋼の場合、焼結温度は1120〜1350°Cの範囲（約2050〜2460°F）×30〜120分間で、収縮率は12〜18％である。
焼結後、コンポーネントは優れた強度を持ち、他の処理ルートで得られる特性よりも優れた特性を備えていることが多い。最終的な緻密化は、熱間静水圧プレスHIP処理を含む、熱間変形と冷間変形の両方によって補完することができる。その他の焼結後のステップには、コイニング、ドリル、リーマ加工、機械加工、メッキ、不動態化、および熱処理が含まれる。熱処理のオプションには、焼入れ、焼戻し、析出硬化、窒化、浸炭などがある。粉末射出成形によって製造される典型的なコンポーネントは、スポーツショットガンのトリガーガードである。これは、銃身のトリガーを囲む湾曲した部品である。それは低合金の鉄ニッケル鋼から製造され、通常は最終重量が40gである。合金を作るために、5μmの鉄と8μmのニッケル粉末の混合物が使用されている。これらをワックスおよびポリエチレンと組み合わせて、58 vol％の固形分で成形できる原料を形成している。成形中、成形機のノズル温度は175°C（約350°F）、金型温度は40°C（約100°F）である。金型充填中に加えられる最大圧力は20MPa（200気圧または3000 psi）であり、冷却中は8 MPa（80気圧または1200
psi）の圧力が成形体に印加される。この部品の製造では、金型の充填時間は短い（約0.5秒）が、金型の冷却時間は18秒で、部品間の合計サイクル時間は37秒である。
基本属性
前に強調したように、PIMは粉末からさまざまなコンポーネントを生成できる。主な魅力は、高性能材料から複雑な部品を経済的に生産することできることである。最終密度が高いため、PIM製品は他の粉末製造ルートで製造される製品よりも優れていることが多い。
PIMのいくつかのアプリケーションを図1.5から1.8に示す。
これらは、さまざまなコンポーネントの写真である。 PIMを介して処理される材料には、鋼、ステンレス鋼、工具鋼、窒化ケイ素、超硬合金、炭化ケイ素、銅、タングステン重合金、ニッケル基合金、アルミナ、コバルト基合金、および以下を含む複合材料など、最も一般的なセラミックおよび合金が含まれる。タングステン-銅とモリブデン-銅。 形状の複雑さ、低コスト、および高性能という主な利点に加えて、他のいくつかの属性は注目に値する。成形部品にめネジとおネジの両方を作成することが可能であり、焼結後の機械加工を省略することができる。また、ワッフルパターンと記章をコンポーネントに直接成形することもできます。さらに、表面仕上げは通常良好である。
PIMと従来のダイ圧縮（PM圧粉焼結）の違いについては混乱がある。後者のプロセスは、圧縮金型から排出できるスクワット（低高さ）形状に粉末を成形する際に広く使用されている。ダイ圧縮は通常、高い成形圧力を使用するが、複雑な形状は困難である。最も重要なのは、一軸ダイの圧縮により、静水圧であるPIMとは異なり、コンパクトの密度勾配が生じることである。密度勾配により、焼結中に歪みが生じる。その結果、プレストパウダーから製造されたコンポーネントは、焼結収縮が回避される低温で焼結されるか、焼結後に機械加工される。そうしないと、次元のばらつきが許容できないほど大きくなる。形成圧力勾配、焼結温度の違い、および異なる性能レベルのために、PIMと従来の粉末圧縮は通常同じ構造に適用されることはない。 PIMアプローチは、ほぼ完全な密度に焼結された複雑な形状に適しており、金型の圧縮は単純な形状に適しており、低温で焼結されて性能レベルが低くなる。 PIM材料の低気孔率は、高強度、靭性、延性、導電性、磁気応答などに依存する。図1.9および1.10は、PIM処理を使用して形成された全密度の微細構造を示している。
アルミナは1600°C（2912°F）の温度を使用して98％の密度に焼結し、タングステン重合金は1480°C（2696°F）で99.8％の密度に焼結した。
PIMは、従来の材料に加えて、炭化ケイ素、ニッケル超合金、金属間化合物、貴金属、セラミック繊維強化セラミック複合材料などの特殊材料も製造できる。二重成形も可能で、2つの材料を組み合わせて積層構造を作る。このようなコンポーネントは、成形体（グリーン体）で結合できる。このオプションには、腐食バリア、摩耗面、電気的相互接続、または高靭性構造を作成するメリットがある。
生産者にとって、PIMは、プロセス制御、柔軟性、自動化などの製造が容易なため、望ましいオプションである。本質的に、射出成形は大量生産に関連している。さまざまなPIMコンポーネントが1日あたり100,000に近い速度で生産されている。一方、小規模な生産が可能であり、年間5,000個の部品が経済的である。この柔軟性は、製造における迅速な対応に対する現在の要望によく適合している。
すべてのテクノロジーと同様に、本質は経済学は重要である。ここで、PIMは、より複雑な形状に対してコスト面で有利であることが多い。最大の利点は、精密部品に通常必要とされる研削、機械加工、穴あけ、ボーリングなどの二次加工が不要になることである。また、原料（ランナー、スプルー、破損した成形品）はリサイクルできるため、材料の歩留りは、ほぼ100％である。これは、高融点金属、特殊セラミック、貴金属などの高価な原材料にとって特に重要である。
プロセスの制限
前章では、PIMのいくつかの属性について概説した。一般的に、プラスチック射出成形で成形できるすべての形状で実行可能である。それでも、単純な形状または軸対称形状の場合、従来のねじ加工や金型の圧縮および焼結とは競合することはない。ただし、大きさに制限がある。大きな成形体は、より多くの粉末（多額の費用）と大きな成形および焼結デバイスを必要とするため、より高価になり実用化が困難になる。単純な形状の小さな部品は、標準的な機械加工、ダイの圧縮、または鋳造技術によって、より経済的に製造できる。したがって、PIMは通常、価値の高い複雑で小さな形状に適用されている。
バインダー除去（脱脂）の時間は部品・部位の厚さに依存するため、脱脂はPIMの重要な問題である。その結果、さまざまなメーカーが10〜50mmの範囲の部位の厚さに上限を設定している。一方、PIMは0.5mm未満の断面厚さを形成するために使用されてきた。実際には、寸法公差は通常、ターゲットの0.3％以内であるが、限界寸法でより厳しい公差を保持することも可能である。より良い寸法制御のために、焼結後に機械加工またはコイニングが必要である。密度勾配は、成形中の不均一な充填、厚さの変動、または方向の変化に起因する可能性があり、多くの場合、焼結時に部品の反りを引き起こす。したがって、メーカーは部位の厚さの変化を最小限に抑え、可能であれば、厚さの変化を2倍以内に抑えている。ただし、10〜100倍の断面厚さの変更は可能である。最大サイズは、ツールのコスト、粉末のコスト、機器の容量など、いくつかの要因によって異なる。通常、最大寸法は100 mm未満で、コンポーネントの総体積は100cm3未満である。ただし、これより大きな部品も生産されている。粉末のコストは、多くのアプリケーションの障壁である。 PIMで使用される小さな粒子は、大きな粉末や鍛造材料よりも高価である。これは、粉末のコストが製造コストのより大きな部分に占めるため、大規模なコンポーネントの製造に対する障壁になっている。一方、特定のセラミックおよび超硬合金の場合、PIM粉末は他の製造ルートで使用されているものと同じように、消費量が増えるにつれ、粉末コストは下がり続ける。
このテクノロジーが直面している大きな問題は、エンドユーザーの知識不足である。これは、設計者による予備知識・情報の不足が原因である。これらの問題は、成形中に誘発される微細構造の欠陥に対する感度が高いため、セラミック材料では深刻である。さらに、設計ガイドラインがないため、PIMを他の生産ルートの代わりとして採用することができない。これらの問題は、セミナーや教育文献を通じて対処されている。ただし、多くのPMとPIMの混同や違いを正しく認識されていない。この問題は、基本的なプロセスで訓練された人員の不足である。このような問題は解決するため、この本はプロセスに関する不確実性を取り除くことによって分野を前進させるように設計されている。
成長展望
PIMの初期の経験から、このプロセスでは寸法公差が小さく、高い生産歩留まりが得られることが確認されている。エンジニアリングコミュニティがこれらの属性をよりよく理解するにつれて、PIMは急速な成長の道を歩み続ける。注目が高まっているにもかかわらず、現在の業界は比較的小さく、標準を形成し、テクノロジーを販売し、サプライヤーとベンダーを認定し、従業員を訓練し、機器をカスタマイズし、顧客を教育する必要性に悩まされている。しかし、成長は目覚ましく、さらに強化の兆しを見せている。 1980年代には、成長率は年間50％と高く、約21か月ごとに売上高が2倍になった。過去10年間、複合成長率は年平均32％である。 1995年には、世界の産業の生産量はおそらく3億ドル未満で、約30〜35％がセラミック、5〜10％が炭化物で、残りは金属である。巨大な成長の機会のために、多くの新しいベンチャーが進行中である。その結果、PIMは、次の世紀で最も用途の広い製造技術の1つに成長している。
PIMは、複雑な形状の高性能コンポーネントの製造に最適であることを認識することが重要である。これらは引き続き主要な成長の機会である。したがって、PIMの市場は、手術器具からマイクロエレクトロニクスパッケージに至るまでの多様な分野をカバーするように拡大する。最近、エアバッグアクチュエータ機構の部品を含む自動車用途が出現した。 PIMの成長と多様性は、医療および歯科機器、事務機器、実験器具、スポーツ機器、化学処理機器、マイクロエレクトロニクスパッケージング、航空機および航空宇宙エンジン、印刷回路、機械加工、金属など、多くの市場で成功を収めているさまざまな製品で明らかである。作業工具、電気および電子パッケージ、自動車、家庭用ハードウェアおよびアプライアンス、コンピューター周辺機器、ジュエリー、カメラ、銃器、およびセラミックエンジン。継続的な成長は、マルエージング鋼、チタン合金、二相ステンレス鋼、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、窒素強化工具鋼など、いくつかの新しい材料によって支えられている。
この本では、材料、特性、用途、基本的な工学原理など、粉末射出成形について詳しく説明している。個々のPIM製造プロセスの詳細を提示することはできないが、業界全体に多くの類似点が存在するはずである。これらの類似性により、基礎となる科学の研究により、すべてのオプションの基本的な理解をつかむことができる。したがって、ここで示した事実と概念の提示は、PIMとその計り知れない可能性を理解する個人の基盤を拡大するのに大いに役立つと信じている。このPIMの理解の拡大は、PIMの継続的な成長と幅広い受け入れに貢献する。
- Chapter One Introduction はじめに P11～24
- Chapter Two Feedstock 成形材料・流動学 P25~54
- Chapter Three Powder 粉末 P55~82
- Chapter Four Binder バインダー P83~98
- Chapter Five Tooling 金型 P99~132
- Chapter Six Molding 成形 P133~174
- Chapter Seven Debinding 脱脂 P175~218
- Chapter Eight Sintering 焼結 P219~264
- Chapter Nine Final Processing 最終仕上 P265~280
- Chapter Ten Design Guide 設計の心得 P281~303