2022年12月31日土曜日

MIMフィードストック設計事例

 複合HA/Ti6Al4VのMIMフィードストック設計とその混合パラメータの研究事例をここに記録しておく。

《粉末》Ti6Al4V/平均25μm、球形、ハイドロキシアバタイトHA/平均サイズ5μm、複合比率/Ti合金:HA=60:40wt% 、プレミックス30分間

《バインダー》パームステアリン(融点54℃)60wt%、ポリエチレン(融点125℃)40wt%

《臨界粉末量と最適粉末量》CSL(CPVP)=69.5vol% 、最適粉末量(補正後)=67vol%

《実験因子と結果》混錬速度(10,30rpm)、混錬温度(130、150℃)、結果:混錬速度30rpm、混錬温度150℃の時に混錬時間が55分間と最短となりフィードストックの密度が最大化した(2.54g/cm3)

資料:”Effect of mixing parameters on the mixing time and density of composite HA/Ti6Al4V feedstock for powder injection molding”Amir Arifin and Abu Bakar SulongMATEC Web of Conferences , 03003 (2017)

【珈琲ブレイ句】このMIMフィードストックは医療用ニーズ目的で造られています。この報告ではCSLが69.5vol%と大きく、たいへん優秀です。これはTi6Al4Vが25μmに対してHAが5μmと小さいため二峰分布になっているためだと推察できます(残念ながらタップ密度は不明)。

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2022年12月30日金曜日

バインダー量を決めるCSLとCPVPとは

 CSLとCPVPはともに「臨界粉末量(最大粉末量)」のことである。臨界粉末量は、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。ジャーマン先生の本では、CSL(critical solids loading)とある。後年の海外論文には、CPVP(critical powder volume percentage)と表記するものが散見される。CPVPの方が実感として分かりやすい。

新しくバインダー量を設計するときにはCSL,CPVPの測定が必要である。

【珈琲ブレイ句】CSL,CPVPの測定にはラボプラストミルという装置で粉末量を累積増加させながら混錬トルクを計測することで求めることができます。(逆にバインダーを累積増加させる方法があり、私はこちらが好きです。*1)また、CSLはタップ密度と強い相関があるのでこの線形式を使えば粉末のタップ密度からCSLをある程度推定することもできます。興味のある方はMIM指南書 3.3章 バインダー量設計の実際 式1 P74 を参照してください。しかし、プロフェッショナルの方は精密にバインダー設計をする必要があり、そのためにはCSL測定はマストです。CSL値はクリティカルなのでこの割合では成形できません。そこで少しバインダーを多めに設計します。その値はジャーマン先生の本で学べます。

*1MIM指南書とは

ジャーマン先生の本「第2章フィードストック」とは

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MIMのバイブル座右の書「Injection Molding Metals and Ceramics」

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2022年12月28日水曜日

MIM成形技術の最適化研究(品質工学)

 品質工学(タグチメソッド)を使った研究報告の概要を記録する。

《実験計画》直交表:L18、制御因子:混錬温度、バインダー割合、金型温度、射出速度、射出圧力、射出筒温度、焼結昇温速度、焼結温度、誤差因子:同一ロット間バラツキ、特性値1:成形体のヒケ(望小特性)、特性値2:引張強度(望大特性)

《コンパウンド仕様》金属粉末:SUS316L、平均10μm、<20μm、水アトマイズ粉末 バインダー:混合ワックス:PMMA=1:1、バインダー量:9,10,11wt%

《結果》特性値1ヒケ:バインダー量だけが有意で、バインダー量が一番少ないものがヒケが少ない。 特性値2引張強度:混錬温度、金型温度、昇温速度、焼結温度の効果が大きい。特に焼結温度が高い程引張強度が高い。(脱脂:ウイッキング大気400℃、焼結:真空1250~1350℃)

《確認実験》最適条件(焼結温度1350℃、昇温速度10℃/h等)の結果、ヒケ18μm、引張強度408MPa

文献:鹿児島県工業技術センター研究報告No.13(1999)、岩本竜一、森田春美、南晃

【珈琲ブレイ句】実験はCIM用の混合ワックス(セルナNE119)とアクリル樹脂PMMA(ダイナールBR105)を140~150℃で脱気しながら攪拌溶解してから金属粉末を3回に分けて混錬しています。一般的なMIMのバインダー量よりかなり多めなのが気になりますが、ヒケに対してバインダー量が少ない方がよいという結論は納得できます。引張強度では焼結温度の一番高い1350℃で最大値を示しています。面白い結果としては、昇温速度5,10,15℃/hの中では中間の10℃/hで引張強度が最大化しているところです。

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