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前書き
射出成形に使用される粉末とバインダーのペレット化した混合物をフィードストック（Feedstock）と呼ぶ。この品質は5つの因子で決定される。それは、「粉体特性」「バインダー組成」「粉体とバインダー比」「混合方法」「ペレット化技術」である。
この2章では、原料を構成する粉末とバインダーの構成要素について詳しく説明する。 もし市販のフィードストックを使う場合は、この章を飛ばしてもかまわない。
フィードストックの原料設計には「高い射出成形性」と「高い寸法精度管理」の両立が必要である。
このバランスを達成するために、まず成形性を向上させる目的で、低分子ポリマーを使用して粘度を下げることが行われる。
また、原料中の空隙や空孔を存在させないために、すべての粒子間空間をバインダーで満たす必要がある。
さらに、粉末は可能な限り高いタップ密度のものを選択する必要がある。
これは、粒度分布または粒子形状の調整を行うことや、異なる粒子サイズを混合して粒度分布を二山分布にすることで得られる。
多量のバインダーはフィードストックの粘度を下げるので成形は容易になるが、逆に脱脂での変形が大きくなってしまう。したがって脱脂中の形状を保持し変形をさせない条件は、十分な粒子間相互の接触を確実にすることである。そのためには、粉末とバインダーの比率の最適化が必要である。これが射出成形を成功させるための要である。
多くのPIMメーカーは市販のコンパウンドを使っている。 なぜなら、予備配合された市販コンパウンドは、初めから最適な粉末とバインダーの配合になっているからである。したがって、成形工程以降に注力することができる。 しかし、この方法は寸法調整ための新たな材料開発・改善ができないため、最終寸法の制御に支障をきたす問題を内在している。 この章の終わりに、パイロット生産および生産原料のいくつかの例を示す。
粉末に対するバインダーの比率
ＰＩＭのフィードストックは、粉末とバインダーのバランスが最適化された成形材料である。バインダーに対する粉末の比率は、その後のプロセスの成否に大きく左右する。それは図2.1のように、3つの状況が考えられる。バインダーが少なすぎると、粘度が高くなり、気泡（air pockets）が閉じ込められて成形が困難になる。さらにバインダーを減少させると、非常に粘度が高くなり混錬物内にボイド（空隙：Voids）が形成され、やがて臨界粉末量の組成となる。一般的にフィードストックは、臨界粉末量よりわずかに少ない粉末で設計されている。臨界粉末量（critical solids loading）は、粒子が外圧なしにできるだけ密に充填され、粒子間の全空間がバインダーで充填される組成である。 粉末が多すぎると（より少ないバインダー）、ボイドを防ぐことができず成形が困難になる。また、脱バインダー中に、これらのボイドは（体積膨張するため脱脂体に）亀裂を生じさせるので、バインダー不足は許容できない。逆にバインダーの入れすぎも許容できない。 過剰のバインダーは成形中に粉末から分離し、成形部品のバリ発生（バリ：金型の隙間PLに発生するバインダー薄膜）または不均一性をもたらす。最も重要なことは、バインダーが多すぎると脱バインダー中にブラウンパーツに崩れが発生する。なぜなら、バインダーが除去された後、粒子は初期の位置に保持されないからである。臨界粉末量は、バインダー中にボイドがなく、粒子が点接触している状態である。成形は通常、臨界レベルより少し多いバインダー量を採用する。
したがって、バインダー比率は各粉末個々に最良値が存在する。 低粘度を維持するためには、粒子間の全ての空隙を埋めることが必要であるので、バインダーの量は粉末のタップ密度に依存する。
つまり、粒径分布や粒子形状などの要素が最適なバインダー比率を決定することになる。
さらに、粉末表面の化学的性質およびバインダー組成に応じて、粉末とバインダーとの間の空隙を埋めるために適切な界面活性剤が必要となる。
フィードストックを理解するための出発点として、我々は3つの用語（粉末量Φ、混合密度ρM、粉末の重量分率Wp）を定義する必要がある。 粉末量Φは、粉末およびバインダーの全体積に対する固体粉末の体積比である。
ここで、WpとWBはそれぞれ粉末とバインダーの重量、ρpとρBはそれぞれ粉末とバインダーの密度である。
多くの場合、粉末量は重量パーセントベースで表される、これは異なる密度の粉末を調べるときに役立つためでもある。しかし、実際の製造現場では原料配合は重量を計測することになる。例えば、バインダーと粉末の密度が1.0と7.5g/cm3とすると、重量％は、91.8wt%％の粉末と8.2wt%のバインダーが必要である。
第二の概念は、臨界粉末量に関するものである。 これは、粒子がしっかりと詰まっていて、粒子間のすべての空隙がバインダーで満たされている状態である。
それは実験的に決定されるパラメータであり、各粉末 - バインダー系によって変わるものである。 臨界粉末量は互いに擦り合う粒子に対応するので、混合物はボイドを含まないが非常に高い粘度を有する。
これは図2.1のｂ）に対応する最大混錬物密度である。
最後に、成形に最適な粉末量は、臨界粉末量よりも少ない粉末に設定する。 このフィードストックの射出成形のために十分に低粘度を有し、しかも脱脂・焼結での形状保存を確実にするための良好な粒子間接触であることを意味している。
臨界粉末量よりもわずかに多いバインダーは射出成形に必要な潤滑性を与えるのである。ここで混合密度ρMと理論粉末密度ρPおよびバインダー密度ρBは次式となる。
もしフィードストックにボイドが存在する場合、ボイドは体積があるが重量は増加しないので、混合密度は式2.2の値よりもその分小さくなる。
実測による密度は、臨界粉末量であるが、射出成形性向上のため僅かにバインダー量を加えられる、また最終寸法の調整の柔軟性も与えている。
先に述べたように、原料は体積ベースではなく重量ベースで処方されている。 したがって、重量と体積の関係では、構成要素の理論密度を使用する。
粉末の重量分率Wpは、次のように計算できる。
ここで、ρpは粉末の理論密度、ρBはバインダーの理論密度である。簡単な計算としてWB = 1 ― Wpとなる。
フィードストックの理論密度を計算することは可能である。 説明のために、表２．１は、４つの粉末 - アルミナ、鋼、モリブデン、およびタングステンを使用した場合の45％、60％、および75％の粉末量に対するバインダーの重量パーセントの比較を示す。
これらの材料が選択されたのは、それらが粉末密度の範囲を表しているのに対し、バインダー密度は様々なシステム間であまり異ならないからである。
バインダーの重量パーセントの他に、表２．１は混合密度をｇ
／
ｃｍ 3で示す。 固体材料の密度が増加するにつれて、一定の粉末量に対してバインダーの重量パーセントがかなり減少する。 したがって、さまざまなシステムを異なる粉末と比較する際には注意が必要である。
粉末バインダー系の臨界粉末量の求め方はいくつかのアプローチがある。 最も一般的な方法は、「密度」「メルトフロー」「混合トルク」または「粘度対組成」の測定である。
密度測定は高度ではないが手間が掛からない。
対照的に、混合トルクと粘度測定では精密機器、通常はキャピラリーレオメーターが必要である。
密度対組成実験で、臨界粉末量を決めることができる。それは、測定された密度が式2.2を使用して計算された密度から逸脱する点であり、つまり粘度が無限大になる密度である。臨界負荷を超える粉末濃度では、ボイドのために密度は理論混合密度を下回る。図2.2は、ワックス - ポリマーバインダーを含むニッケルアルミナイド合金粉末の荷重曲線の例を示している。混合物密度は混合物中の粉末の体積分率に依存する。高いバインダー濃度では、混合物密度は理論密度線に乗る。純粋な粉末の場合、粒子は最大密度まで圧縮されない。従って、中間組成では、混合物密度は臨界粉末量で理論線から離れる。粒子はそれらの最密充填状態にあり、粒子間の空隙を埋めるのに十分なバインダーが存在する。この負荷曲線は実験的な混合密度と理論的密度を比較したものである。理想的な挙動からの逸脱は、バインダー含有量および空隙の形成における欠陥を示す。毛細管現象の力（Capillary forces）は粒子を引き寄せることによってボイド形成に抵抗し、図2.3に示すように粘度が許容できないほど高くなる点まで摩擦を増加させる。無限に高い粘度のため、臨界粉末量で配合されたフィードストックを用いて成形することを不可能である。ニッケルアルミナイドがより高い臨界粉末量になるのは粉末充填特性間の差による。
臨界粉末量を決定するためのもうひとつの方法は、トルクレオメトリー法である。 これは様々な粉体とバインダー組成物についての混合トルクを測定できる。
混合トルクの急激な増加は臨界粉末量で起こり、混合は不安定になる。
粉末量を徐々に変化させながら混合する際のトルク変動の例を図2.4に示す。臨界粉末量を示す2つの特徴は、トルクの「急激な上昇」と「不安定な値」の出現である。 粉末対バインダー比が増加するにつれて、粘度は臨界粉末量で本質的に無限大になる。
粉末の充填密度法は、臨界粉末量を知る初期の予測法である。 高密度に充填された粉末は、成形に必要なバインダーが少なくて済み、そしてより良好な焼結品質を示す。
混合物の内部では、バインダーは粒子間の全ての空孔を満たし、各粒子はバインダーの薄膜によってコーティングされているコーティングの厚さは平均約0.07μmと薄くほとんどの粒子で測定された臨界荷重にほとんど影響を与えない。しかしながら、サブミクロン粉末の場合、このコーティングは臨界荷重に大きく影響する可能性がある。粉末とバインダーとの間には化学吸着結合（chemical adsorption bonds）からなる薄い表面遷移層がある。界面活性剤はバインダーを粉末に密着させるために使う。これらの添加剤は、粒子のすべり移動を助ける働きがある。湿潤剤は、非常に小さい粒子に対する臨界負荷を改善するのに有用である。強化充填のための界面活性剤の識別および組み込みは、バインダー設計の要である。粉末を優先的に濡らすようにするために混合手順は重要で、粉末と界面活性剤で混ぜ湿潤粉末としてから、バインダー粒子と混合する。
ほとんどのバインダーは粉末と比較して高い熱膨張係数を有するので、温度は粉末量を減少させる。加熱すると、バインダーは粉末よりも膨張し、効果的に粉末量を減少させていく。例えば、ワックスの熱膨張係数は鉄の約20倍であるから、ワックス と鉄ｎお混合物を加熱すると、ワックスの膨張が大きくなり、粉末量が次第に減少する。これは固形物の負荷に影響するだけでなく、成形プロセスにも良い影響を与える。本質的には、温度が上昇するにつれて粉末の相対体積が減少するので、成形がはるかに容易になる。一例として、図2.5に、20〜200℃の温度範囲におけるポリエチレンと鉄の混合物の相対荷重を示す。このグラフは、６０vol.%の公称室温初期粉末量に対するものである。ポリエチレンは約１００℃（２１２°Ｆ）で融解し、融解に伴う熱膨張係数の変化に起因して勾配が変化する。 １５０℃（３０２°Ｆ）では、粉末の体積分率はほぼ５６vol.%である。この減少は成形中に混合物粘度に大きな変化を生じさせ、それは単に温度を有するバインダー粘性剤に基づいて予想される値よりも大きい。
臨界粉末量は粉末充填密度から推定することができる。
実際には、小粒子に固有の粒子特性のロット間変動は、原料が臨界以下の負荷に設計されることを要求する。 その結果、大部分の原料混合物は、粒径分布、粒子形状、および混合物の均一性における通常の変動を可能にするために、臨界量よりも数vol.%少ない粉末を含有する。 粉末特性からの影響のために、ＰＩＭ原料は４５vol.%粉末量から７５vol.%粉末量の高い値まで変動し、そしていくつかの実証は粉末量を８５vol.%に押し上げた。
多くのセラミックは粉末とバインダーに応じて50から55 vol.%の範囲の粉末量で射出成形され、一方鉄と鋼は58から62 vol.%の粉末量範囲、そして超硬合金は56 vol.%の粉末量である。
最適粉末量は臨界含有量より多くのバインダーを含む。初期設定として、最適負荷は臨界よりも約2〜5 vol％低くする。これは、プロセスの柔軟性を得るためで、粉末やバインダーのロット間のばらつきへの対応である。これらの変動には、ポリマーの特性、粒度分布、粒子形状、および混合物の均一性の違いが含まれる。供給原料の配合における小さな誤差が、固形物充填における急激な粘度変化のために成形感度を引き起こす。混合物の粘度は臨界荷重に近い組成で最も急速に変化するので、小さな誤差が大きな粘度シフトに増幅されるのである。体積負荷における粘度と密度の変動のプロットを図2.6に示す。臨界点近くでの大きな粘度変動のために、臨界荷重近傍の組成物で作業をすると、成形に関する問題に遭遇する可能性がある。経験的な結果は、その後の脱バインダーおよび焼結が困難であることから、ＰＩＭ系は約４５％未満の粉体量で使用すべきではないことを示している。
Rheologyレオロジー（流動学） P33～53
金型キャビティへの充填は、射出材料の粘性流に依存する。ここで最も重要な特性のひとつは「粘性viscosity」である。これはせん断応力とせん断ひずみ速度の関数である。高粘性では成形はできない。 もうひとつは「弾性elasticity」である。降伏強度未満の応力を受けた弾性材料は、応力が除去されると元の形状に回復するような形状記憶を有する。弾性は、弾むボールを考えたとき、ボールは変形しても元の形状に戻ろうとする力が働く。応力とひずみは完全に弾性のある材料に比例する。フィードストックは粘性と弾性の両方の特性を持ち「粘弾性」と呼ばれる。この混錬物は、衝撃吸収材のように、加えられた応力に対する遅れた反応として顕著な時間依存特性を持っている。冷却速度が最終応力を決定するので、この特性は成形後の冷却中が最も重要である。高温では、PIMフィードストックは粘性の性質が支配的になる。また室温では弾性体である。
図2.7粘性計算の基礎としてポリマーで満たされた空間によって分離された２つのプレートを考える。 上部プレートが下部プレートに対して動くと、バインダーはその動きに抵抗する。 粘性は、このプレート間の速度差を生み出すために必要な応力値である。
粘性材料は、「ずり流動」である。それは、塗装されたペンキが表面を流れるような現象である。図2.7のように、少し離した平行な2枚のプレートを考える。プレート間に液体があるときに一方のプレートを他方のプレートと相対的に移動させるには、ずり応力が必要である。プレートの相対変位を初期の間隔で割ったものが、せん断ひずみと呼ばれる無次元パラメータである。したがって、ずり応力ｘは、PIMフィードストックをキャビティ表面などの表面上に流動させる単位面積当たりの力である。ずり歪みｙは、表面上の原料の相対運動である。ずり速度（dy / dt）は、ひずみの変化を時間で割ったものである。特性値は、塗料をかき混ぜる速度である。 せん断に対する流動抵抗は、粘性ｒと呼ばれる。
ここで、mは流体を特徴付ける指数である。
水のような低分子量液体の場合、粘性は温度と圧力に依存するが、せん断速度には依存しない。 そのような液体はニュートン流体と呼ばれる。 大部分のPIMフィードストックは、より複雑な挙動を示し、ずり速度ならびに圧力および温度に依存する粘性を生じ、一般にずり減粘のために、より高いずり速度で減少する。
PIMでは、粒子は混錬物の挙動に影響を与える。
上記の式は、せん断速度と応力に対する粘性依存性を表すために広く使用されている。ここで、mは、流体を特徴付けるために使用される指数である。
水はニュートン流体であり、mは1に等しく、20℃での粘性は0.001Pa・s（1センチポアズに等しい）である。一方、オリーブオイルもニュートン流体であり、粘性が0.084
Pa・sであるので同じ速度でせん断させるには84倍の応力が必要である。
純粋なバインダーは、次のように絶対温度Ｔに伴って通常指数関数的に変化する粘性を示す。
ここで、ηBはバインダー粘性、η0は基準温度Ｔ 0における粘性、Ｅは材料固有定数、Ｒは気体定数である。E項は粘性流の活性化エネルギーであり、粘性は温度に対して高い感度を示す。ワックスおよび油は、ポリマーと比較して活性化エネルギーが低い。対照的に、温度に対して高い感受性を有する原料は圧力に対して敏感である。圧力が増加するにつれて、ポリマーはより粘性を増す。最初の概算として、1°C（1.8°F）の温度変化と同じ効果を粘性に引き起こすには、約2 MPa（20気圧）の圧力変化が必要である。低温でのPIMフィードストックは弾性挙動および降伏点を示す。せん断応力は粘性流を開始するために降伏強度を超えなければならないので、そのような系はビンガム流体と呼ばれる。キャビティラタント流体は、せん断速度が増加するにつれて（せん断増粘shear thickening）粘性の増加を示す物質を指す。これは、成形時に粉末とバインダーが分離する可能性があるためPIMでは望ましくない。擬塑性物質の粘性は、せん断速度が増加するにつれて減少する（せん断減粘shear thinning）。
粘性は様々な方法によって測定することができる。 ＰＩＭの場合、簡単な測定法はメルトフローインデックスである。これは１０分間に所定の圧力下で円筒形キャビティから押し出される原料のグラム単位の重量である。
試験の詳細は粘性範囲および材料に依存する。図2.8は、ワックス - ポリマーバインダー中の水アトマイズ・ステンレス鋼のメルトフローインデックス（10分あたりの押出しグラム数）と粉末添加量をプロットしたものである。 粉末量が５９Vol.%で臨界レベルに近づくと、混錬物は流動しなくなる。
ほとんどのPIMフィードストックは擬塑性挙動を示す。
従って、簡単なメルトフローインデックスでは不十分である。そして粘性は、実際の射出成形を想定した条件で測定することが理想である。 この理想に近い方法は、図2.9に示すキャピラリーレオメトリーである。 それは小さな細管を通る強制流速に関連した圧力降下を測定するものである。 壁の摩擦を補正する必要があり、粒子サイズはキャピラリの直径に対して小さくなければならない。
通常ピーク成形剪断速度はレオメーターで得られる範囲を超えるが、それは実際の粘性範囲とよく一致するので、PIMフィードストックの評価尺度として非常に有用である。
原料粘性は粉末の添加と共に増加する。 図2.10に、球に対するこの関係図を示す。 混錬物の粘性を純粋なバインダーの粘性で割って相対粘性を得る。 ６０Vol.%の臨界粉末量では、相対粘性は本質的に無限大になり、混錬物は硬すぎるため成形することができない。 図2.3で先に示したように、粉末量による粘性変化は非常に非線形的で、臨界粉末量の直前では粘性が大きく増加する。
粒子運動は粒子の膨張を伴う。その結果、PIMフィードストックは降伏強度を示す。フィードストックの流動性を議論するには「不動液体immobile liquid」という概念が必要である。図2.11に示すように、界面活性剤は粒子の滑りを可能にするのに重要である。
不動液体のバインダーは、粒子間の空間を埋めるために必要であるが流動プロセスに参加することはできない。 今、界面活性剤と少し加えるバインダーの役割は、粒子の接触部での滑りを可能にし、システムの粘性を大幅に下げることである。
粒子上に表面層がないと、原料粘性が成形には高すぎることになる。
いくつかの測定から、臨界粉末量ΦCに対する比としての粉末量Φに伴う混錬物粘性の変化ηＭに対する適切なモデルは以下の通りである。
一般に、指数nは約2.0である。 係数Ａは粒径に依存し、通常１に近い。 粉末量がゼロに近づくと、相対粘性が1になる。
さらに、粉末量が臨界値に近づくにつれて無限大になる。 図2.12は、異なる臨界粉末量を持ついくつかのシステムへの式2.6の適用を示している。 ここでは、それぞれの粉末量は臨界値に正規化されて式2.6の普遍的な性質を示している。
バインダーと粉末の効果に加えて、原料の粘性はせん断速度を含む他のいくつかの要因の影響を受ける。
大部分のPIMフィードストックは擬塑性挙動（剪断減粘）を示すことが知られている。 しかしながら、いくつかの系は、剪断速度に依存する薄化および厚化挙動（thinning and thickening behaviors）の組み合わせを示す。 図2.13は、いくつかの温度で鉄とパラフィンワックスの混錬物を使用した場合の複素粘性挙動を示している。 ここで、混錬物の粘性曲線は、中間の剪断で底を示し、より高い剪断速度で増加傾向を示す。
全体傾向の剪断速度の増加に伴う粘性の減少は、粒子（またはバインダー分子）の配向および流動に伴う秩序を示唆している。 しかしながら、成形におけるより高い剪断速度は、流動を妨げる粒子 - 粒子接触の不均衡な増加を引き起こす。 非常に高い剪断速度での試験は困難であることが証明されており、高い剪断速度データの解釈には注意が必要である。
粒子が小さいほど、本質的に表面積と粒子間摩擦が大きくなる。
従って、粉末 - バインダー混錬物の粘性は粒径の逆数に依存する。 高充填密度原料は、大きく異なるサイズの粒子を混錬することによって配合することができる。
粒子は本質的により高い充填密度を有しそして成形に有用な粘性を達成するためにより少ないバインダーを必要とする。 図２．１４は、粉末サイズ比２１の二山分布の混錬物について調べたものであり、粉末量を５５％の一定にしたときの相対粘性と粒子混錬物における小粒子組成比の関係を示している。
この粒径分布の粘性データは、臨界粉末量を合理的に決める手助けになる。
これに基づいて、粘性挙動は相対充填密度の変化によって理解される。 臨界粉末量の配合量が多いほど、有用な粉末配合量での相対粘性は低くなる。 これは、小さい粒子が間隙を埋め、バインダーを放出して粒子の流れを滑らかにできるので、広い粒子サイズ分布または二山分布が粉末量を最大にするために望ましいことを意味している。
粘性は温度と粉末に敏感である。低温では、混錬物の粘性は標準の成形条件に対して高すぎる。高温では、バインダーが薄すぎる可能性があり成形中に分離を引き起こす。したがって、PIM処理が最も実行可能な範囲の条件が存在する。これにより、成形が成功する温度と圧力の範囲が狭くなる。経験的研究により、ＰＩＭフィードストックについて望ましい粘性挙動が示された。日常的に使用されているトルクレオメーターによる混錬中の粘性測定において最大トルク値が求められている。成形中、剪断速度は通常１０２〜１０５ｓ-1の範囲であり、この範囲では、混錬物の最大有用粘性は成形温度で１０３Ｐａ・ｓである。低圧成形技術では、加えられる圧力は０．７ＭＰａ近くであり、それに対応して粘性は１５〜４０Ｐａ
・ ｓの間でより低くなければならない。これらは最大値であるが、より一般的な上限粘性はさらに低い。バインダーに粉末を添加すると、粘性が10〜10,000に上昇する。したがって、純粋なバインダーに必要な粘性は１０Ｐａ・ｓであり得る。この制限のために、非常に低い粘性のワックスまたは他の低分子バインダーが実際に使用されている。
ＰＩＭ加工用の粉末とバインダー系のポテンシャルを引き出すためには、いくつかの要因に関する情報が必要である。
粘性は成形中に予想される温度および剪断速度の範囲にわたって評価されなければならない。 さらに、せん断速度感度の試験は1000s
-1の速度まで実施する必要がある。 成形温度範囲にわたって粘性変化が少ないことが最も望ましい。 粉末 - バインダー混錬物の流動性評価の目的は、流動性が不安定になる条件を特定することである。これは、バインダー、成形温度、粉末量、せん断速度、または金型設計によるものかどうかに関係はない。
流動性評価は、PIM操作の品質管理ツールとしても機能する。
フィードストックの属性（Feedstock
Attributes）
粉末 - バインダー混錬物は、弾性応答と粘性応答の両方を示す粘弾性材料である。
プラスチック成形とPIMの主な違いは粘弾性応答の違いである。 混錬および成形温度では、PIMフィードストックは粘性がある。 冷却すると、挙動は弾性的な反応に変わる。 冷却速度に応じて、成形部品に残留応力が存在する可能性があり、これが脱バインダー時に歪みを引き起こす。高い成形圧力は、ボイドの形成なしに完全な金型充填を保証することができる。
成形後、部品は金型内で加圧されながら冷却される。 成形サイクルの終わりに、この圧力は部品から取り除かれる。 したがって、バインダーと粉末との間の熱的および機械的性質の違いにより、構成要素は応力を含む可能性がある。
成形に伴う温度と圧力のサイクルは歪みを引き起こす可能性がある。 構成要素の歪みを減少させるために、フィードストックは成形中に低い安定した粘性を示す必要があり、さらに冷却すると大きな粘性増加を示さなければならない。
成形後、形状を維持するために高い部品強度が重要である。 これは、脱脂中に重力の影響を受けて崩れ変形しやすい脱バインダー中に特に必要である。通常、強度を得るためには、高い粒子間摩擦を有する小さな粒子が選ばれている。
原料の弾性率は成形と歪みに影響を与える。 粉末と比較して、それはほとんどのバインダーにとって小さい。
フィードストックの弾性率はバインダー組成および粉末量に依存する。 温度はさらに弾性率に影響を与える。 ポリマーは、分子配向および体積膨張として変形エネルギーを蓄えることができる。
通常、モジュラスは温度が上昇するにつれて減少するが、粉末とバインダーの間の熱膨張係数の違いによる応力の緩和により、挙動が複雑になる。 その結果、測定された弾性率は、原料の応力 - 温度履歴に依存する。 高熱伝導性粉末と低熱伝導性粉末には大きな違いがある。 低熱伝導性粉末（セラミック）は、金型内での冷却を遅らせ、成形および冷却からの残留応力の蓄積がそれほど困難ではない。
成形後にはいくつかの作業工程があるので、原料の成形強度は極めて重要である。
バインダー組成は強度に影響を与えるが、高いバインダー強度が高い成形強度に変換されることは必ずしも真実ではない。 純粋なパラフィンワックスとポリエチレンの強度を考えると、後者の方が強い。
しかしながら、それぞれが鉄粉と混錬されると、パラフィンワックス混錬物はより高い強度を示す。 粉末とバインダーとの間の接着は、部品のハンドリングによる欠陥を無くすために重要である。
さらに、適切な界面活性剤は良好な接着を確実にして強度に大きな影響を及ぼす。
典型的なPIMフィードストックの仕様は以下のとおりである。
・室温熱伝導率：およそ２Ｗ ／ ｍ ／℃
これは１００℃（２１２°Ｆ）までに１．３Ｗ ／ ｍ ／℃まで低下することである。
・熱膨張係数：400・10-6 / 1°C（720 *
10 -
6 1 /°F）
・熱容量：およそ800
J /°C / kg
・破壊強度：5〜30 MPa（725〜4350 psi）
・グリーンワイブル係数：10〜25、
・衝撃靭性：通常1 J
/ cm 2（0.7 ft-lb）未満、
・弾性率：およそ2
GPa（290 kpsi）
・破壊までの伸び：２％未満
《一般的な鉄原料》
・密度はおよそ5 g /
cm 3
・熱拡散率：およそ18-10-4
m 2 / s
フィードストックの準備
粉末とバインダーが選択されたら、これらの成分を混錬することに注意が必要である。
大部分の不均一性はその後の処理工程で補正することができないので、フィードストックの均一性は重要である。 最良の混錬は高剪断で行われるべきであるが、ポイントは混錬作業で粒子を損傷させないこと、バインダーのオーバーヒートさせないことである。
適切に混錬された材料は、内部空隙または凝集物を含まない、バインダー中の均一な粉末分散物からなるものである。 不均一性は、不均一な粘性、不均一な成形、および焼結における困難をもたらす。
PIMフィードストックの不均一性は、粉末からのバインダーの分離と偏析という２つの主な形態で生じる。
粉末は、サイズ、形状、または密度の違いにより分離する可能性がある。 バインダーからの粒子の分離は最終製品の歪みを招く。 不均一性は、より高い混錬物粘性およびより低い焼結密度を招く。
小さいまたは不規則な形状の粒子は、均質性を達成するためにより長い混錬時間を必要とする。
小さい粒子は凝集し、均質な混錬物を形成するのに必要とされる時間を増加させる一方で、臨界粉末量を減少させる。 凝集の問題は、特に粒子形状が不規則である場合、１μｍ未満の粒径で深刻である。
凝集の存在下では、均一な混錬は困難である。
もうひとつの注意点は、原料品質の迅速な評価にある。 第一レベルの品質確認は「密度」である。
粉末、バインダー、および混錬手順に問題がなければ原料密度は一定になり、均質性の簡単な確認ができる。 理論密度と実際の密度との間に偏差があれば不適合となる。 得られたフィードストックはさらに使用する前に注意深く検査する必要がある。
密度は製造された部品の寸法精度を左右する粉末量の尺度であるため、これが予防策になる。
均一性を評価する際の注意点は、サイズ・スケール・オーバーの問題である。結果として、反復のサンプル分散は、不均一性の第一尺度である。各セグメントが等しい濃度の粉末を有すること、およびこの粉末が同じ粒径分布を有することが望ましい。均質性の最良の尺度は、試験中の粘性とその変動である。例として、図2.15は、よく混錬されたフィードストック（二軸スクリュー押出機）と、あまり混錬されていない（シグマブレードミキサー）フィードストックについて、一定のせん断速度についてキャピラリーレオメーター内の圧力を対比して示している。両方の試験は同等の条件下で行われた。二軸混錬原料が優れた均質性を有することに留意されたい。滑らかな挙動はよく混錬された系と関連しているが、より低い粘性の系ではより高い粘性と不安定性が存在する。本質的に、粉末 - バインダー混錬物は粒度のスケールで不均一性を示すであろう。混錬物の品質を評価する際の注意点は、より大きな規模の精査にある。精査の規模は、均質性を評価するために使用されるサンプルサイズに関連している。大きすぎるサンプルは分離を見逃し、小さすぎるサンプルは意味があるには粒子が少なすぎる。おそらくサンプルサイズは約0.1 cm 3が最適である。
均質混錬物の配合は一連の工程に注意を払う必要がある。 バインダーと混錬する前に界面活性剤を粉末と混錬することが最良である。
混錬中、表面処理された粉末は溶融バインダーに添加され、液体は毛細管作用により粒子の凝集した塊（クラスター）に吸い上げられる。 これは粒子の潤滑性を上げさらに凝集を解く効果がある。
連続的な解凝集および均質化は剪断を必要とする。 非常に強い凝集体の中には、通常のせん断力では破壊されないものがあり、化学的表面処理により敏感に反応することが証明されている。
混錬工程の最初の作用は剪断によって粒子クラスターをバラバラにすることである。
混錬を続けると、クラスターが細分化するにつれて、バインダーが粒子間に分散するのでクラスターのサイズが小さくなる。 混錬中、均質性Ｈは時間と共に指数関数的に変化する。
ここで、H0は初期混錬物均質性、tは混錬時間、そしてα、C、およびkはミキサー、粉末の特性、凝集、および粉末の表面状態に依存する定数である。
混錬トルクは、混錬時の均質性を決定するために使用することができ、ここで、連続剪断に対する抵抗対混錬時間が評価される。 凝集物がバラバラになるにつれて、そしてバインダーが混錬物中に均等に分散するにつれてトルクは減少し一定となる。
それ以上長くしても均質性は向上しないので、汚染が進む前に終了させること。
熱可塑性バインダーの場合、混錬はせん断が支配的である中間温度で行う。 粘性を下げることと混錬物に関連する降伏点を排除することの両方に熱が必要である。
高すぎる温度で混錬すると、バインダーが劣化するか、混錬物の粘性が低いために粉末から分離してしまう。 低粘性による分離は、フィードストック内に密度勾配を生じさせる。
これは、フィードストックの円筒形サンプルを採取し、高さに沿って密度差を観察することによって観察することができる。 上から下への密度勾配発生し不均一性が明確にわかる指標である。
通常、混錬作業には２つの方法がある。 ひとつは粉末とバインダーを乾式混錬した後に混錬機にプレミックスとして入れる方法。もう一つは、配合機内でバインダーを加熱し溶融させ、そこに粉末を加える方法である。バインダー成分が室温で溶融しているときは、乾式混錬は不可能である。バッチ式混錬機では、後者の方法が一般的であり、ここでバインダーは最高溶融温度の成分から始めて加熱下で混錬される。蒸発または劣化を避けるために、融点が低いバインダー成分では、その適温度まで下げてから添加するようにすること。混錬の間、発熱するので、加熱温度を制御する装置が必要である。二軸スクリューミキサーでは、混錬の機械的作業のために設定温度を超えて温度が１５〜２０℃上昇する。追加の粉末を添加し混錬すると、十分に混錬されたフィードストックを得ることができる。粉末が予熱されていないと混錬物は冷却されるので、粉末の添加後の混錬トルクは不均一性と温度の低下のために大きくなる。真空混錬（加圧混錬？）しないと、気泡が粒子に付着して成形部品に欠陥を生じさせる可能性がある。
混錬物の均一性は、トルクまたは出力を監視することによって検知することができる。
均質混錬機は、図2.4に示すように、一定の低トルクを特徴としている。 粉末が加えられると、粉末は冷たく、バインダー中での分布が悪いので、トルクは高いレベルまで増加する。
続いて、剪断力を継続しながら、トルクは均一性を示す定常状態値に達する。 続いて粉末添加していく。より多くの粉末が添加されるたびにトルクが急激に増加する。 不規則なトルクは、臨界値よりも大きい粉末量で発生し、不十分な混錬物均一性の指標となる。
混錬後、原料は装置から排出される。 混錬物は冷却または放出中に分離する可能性があるので、混錬物を均質な状態で硬化させるように注意しなければならない。 可能であれば、混錬物は冷却させながら混錬されるか、またはその後均質性を維持するために押出機を使用して再混錬およびペレット化されるべきである。
ＰＩＭフィードストックは剪断速度に敏感である。混錬機の選定ポイントはふたつ「汚染しないこと」「均一に混錬できること」である。
剪断はミキサー内の間隔と共に変化するので、良好な混錬は全ての領域が等しく剪断されることが必要である。 この目的を達成するために、いくつかの高剪断混錬機がＰＩＭフィードストック製造に使われている。
これらには、二重遊星型、単軸押出機、プランジャー押出機、二軸押出機、ツインカム押出機、剪断ロール配合機、ローターステーター、およびシグマまたはZブレードミキサーが含まれる。 図2.16はいくつかの混錬機のイメージ図であるが、さらに、これらの形状に基づいてさまざまなバリエーションが存在する。
それぞれの場合において、均質性を確保するために混錬物に高剪断を与える必要があるが、同時に最大の摩耗が発生する。これらの様々な混錬機のうち、二軸スクリュー押出機は、高い剪断力と高温での短い滞留時間とを兼ね備えているので最も適している。それは、麺状混錬物を押し出すために加熱された筒（バレル）に沿って混錬物を動かす2つの噛み合う逆回転テーパーねじから構成されている。混錬物の品質は、スクリューのピッチ、動作温度、速度、および混錬物の処理量によって決まる。より長い滞留時間は混錬物を改善するがポリマーを劣化させそして汚染を増大させる。この装置は高価であることが短所であるが、少量から大量混錬に移行させたときに発生する品質問題（スケール問題）が少ない長所がある。一方、シグマブレードミキサーとダブルプラネタリーミキサーはより安価な装置であるが、均質性は低くい問題がある。さらに、混錬物の均一性と汚染との間に相関関係がないことが多い。サブミクロンアルミナ粉末を用いた試験では、シグマミキサーの汚染レベル（鉄含有量の０．１８％の増加）が一番高く、均質性が最低であった。一方、連続ミキサーは、より高い均質性および最低の汚染レベル（鉄含有量の０．１０％の増加）であった。
フィードストックの品質評価は、キャピラリーレオメトリーが最もよく使われている。
図2.15は、ワックス - ポリプロピレンバインダー中の鉄粉のキャピラリーレオメーター粘性トレースと時間の比較である。
二軸スクリュー混合物は、より低い粘性およびより低い騒音を示し、より高い均質性を示す。 連続ミキサーまたは半連続ミキサーは、1つの材料のみを含む大規模生産作業に最適である。
ミキサータイプのさまざまなテストにおいて、二軸スクリューミキサーはシグマブレードミキサーと比較して最大5倍の粘性低減能力がある。
汚染を減らすために、ミキサー構成材料は滑らかで高硬度が必要である。
高バナジウム含有工具鋼およびホウ化物サーメットは、耐摩耗性で実証されている。 加熱は、内部加熱器または二重壁混錬容器を使用して、室外を循環する外部加熱油または蒸気を用いて行われる。
１０４ｃｍ３のフィードストックを混合するためには２ＭＪのエネルギーが必要であると推定される。 出口で、混合された供給原料は冷却されそして通常ヌードルプレートを通しての押出しによりペレットが成形される。
図2.17は、成形機へ投入できる状態の典型的なペレットを示している。 いくつかの操作において、混合はペレット化と組み合わされる。
あるいは、成形機の供給ホッパーで利用するために、フィードストックを粉砕機や剪断機を使い小さな破片する。
フィードストックの破片化またはペレット化には2つの目的がある。ひとつは、粉末とバインダー調合した塊とすることで自動的に成形機へ供給すること。 もうひとつは、リサイクル材料を成形プロセスに組み込むことである。リサイクル材は、スプルー、ランナー、および不適合部品（脱バインダー前）由来のものである。非常に小さい部品を含む場合には、部品サイズが成形ショットのわずか２％であるので、ＰＩＭのリサイクルは経済的に必要不可欠である。成形および再粉砕はフィードストックをさらに混合するが、汚染およびバインダーの破壊は最終的に材料を劣化させる。リサイクル原料の研究では品質を損なうことなく最大3回の再生が可能であるとの報告がある。原料がリサイクルされ得る回数はバインダーに依存する。リサイクル使用を増加させる１つの方法は、既知の比率の再生とバージン供給原料とを混合することである。しかしながら、この選択肢は、進行性原料劣化を回避するために慎重な管理が前提である。別の選択肢は、原料をランナー内に保ち、成形ストローク間でスプルーを溶融状態に保つホットランナー方式を採用することである。
リサイクル原料は,容易に混合できるように粒状化または粉砕する必要がある。 図2.18に典型的な造粒機の概略図を示す。 フィードストックは室温で砕けやすいので、ローターに取り付けられた切断ナイフは顆粒を製造するのに有効である。 この装置は、破片が切断室から出るのを防止する供給ホッパーと、供給ホッパーの下にあるローター上のナイフが材料を小片に切断する切断チャンバーとからなる。 断片が十分に小さいとき、それらは寸法選別スクリーンを通って収集チャンバーに落ちる。 粒度はスクリーンの穴サイズによって決まる。 その後、未使用フィードストックをリサイクル材料と混合して、射出成形機に供給するための新しいペレットを作る。 これらのペレットは一貫した形状を持ち、気泡や欠陥がないようにする必要がある。
図2.19に示すように、加熱押出機を使用してペレットを作る。 均一な断面の麺を造り、出口から出た頭を回転カッターで切断すると同時に冷却する。 典型的なペレット長さは4 mmである。 必要ならば、細断する前に麺状混錬物（ストランド）を冷却浴に通すことでバインダーを硬化させることも行われる。 これで、射出成形機の供給ホッパーに入れられるペレットが完成する。 この時点での主な欠陥は、「混合物中の不均一性」と「ペレット中への気泡の混入」である。 表2.2は、造粒とペレット化の属性の比較である。
フィードストックとその性質の例
フィードストックは、製法特許の関係でたいへん種類が多い。 表2.3は、粉末、結合剤、固形分添加量、粘性、成形温度、成形後の強度に関するいくつかのシステムのデータをまとめたものである。
これらの特性は、界面活性剤および混合技術を含む多くの細かい要因の違いである。 それでも、この一覧は現在使用されているシステムを評価するための最初の基礎を提供している。
多くのPIM事業では独自の原料を配合しているため、生産属性はメーカーごとに異なっている。 多くの要因が特性に影響を与える可能性があり、一部のシステムでは、特性はフィードストックに応じて20％程度数値が異なる。
- 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