JP4340383B2

JP4340383B2 - Method and apparatus for manufacturing composite shaped body of metal and ceramics

Info

Publication number: JP4340383B2
Application number: JP2000284371A
Authority: JP
Inventors: 順二梅沢; 伸一飯田; 友也鈴木; 克廣前川; 慧小倉
Original assignee: 金属技研株式会社
Priority date: 2000-09-19
Filing date: 2000-09-19
Publication date: 2009-10-07
Anticipated expiration: 2020-09-19
Also published as: JP2002097532A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属とセラミックスの複合造形体の製造方法および装置、詳細にはセラミックス微粉体を成形したテープと金属微粉体を成形したテープをレーザー光を照射しながら交互に重ね、レーザー光により金属微粉体を溶融して金属とセラミックスの複合造形体を製造する方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、金属とセラミックスの複合造形体は、金属微粉体とセラミックス微粉体に潤滑剤を混ぜて混合し、この混合物を金型に入れて成形するなどの各種の方法で成形し、焼結することによって製造されている。
この方法は、金属微粉体とセラミックス微粉体を均一に混合する必要があるが、微粉体の比重が異なるために長時間攪拌する必要があり、また成形するために金型を必要とするが、この金型を製造するために費用と時間がかかるので、少量生産または試作品の製造にはコストが高くなり、また時間が長くなるという欠点があった。
【０００３】
さらに、金型を使用しない方法で造形する方法として、光硬化性流動樹脂またはシリカ粉末を分散させた光硬化性流動樹脂に、レーザー光により硬化するに必要な光エネルギーを供給し、該光エネルギーの供給を位置制御装置などにより選択的に行って所望形状の樹脂造形体またはシリカ粉末入り樹脂造形体を製造する方法が特開昭６０─２４７５１５号公報または特開平８─２５４８６号公報に開示されている。
【０００４】
また、金型を使用しない方法で焼結体を製造する方法として、光硬化性流動樹脂内に焼結可能な（焼結する）無機材料粉末を混合し、この無機材料粉末を混合した光硬化性流動樹脂の層に光像を照射して光硬化層を形成し、この硬化層を順次積み重ねて三次元造形体を造形し、この三次元造形体を燃焼などにより光硬化した樹脂成分を除去し、樹脂成分を除去した無機材料粉末混合造形体をＨＩＰ処理などにより焼結体にすることが特開平８─２５２８６７号公報に開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記公報に開示されている方法は、金型を使用しないで所望形状の樹脂造形体、シリカ粉末入り樹脂造形体または焼結体を製造するための無機材料粉末入り樹脂造形体の製造方法であるが、いずれも２種類のテープを使用して製造する複合体の製造方法ではなく、また焼結体を製造するための無機材料粉末入り樹脂造形体の製造方法においても、造形と焼結を別々に行う方法であって、同時に行う方法ではないので、造形後に別途焼結を行う必要があった。
本発明は、金型を使用することなく、金属とセラミックスの複合体の造形と焼結を同時に行うことができる金属とセラミックスの複合造形体の製造方法および装置を提供することを課題とするものである。
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明の金属とセラミックスの複合造形体の製造方法においては、セラミックス微粉体を成形したテープ、いわゆるグリーンテープを基板上に載置し、その上に金属微粉体を成形したテープ、いわゆるグリーンテープを重ね、必要に応じて両者が密着するように押し付け、該金属微粉体を成形したテープの上面にこれから製造する複合造形体の横断面形状（水平方向に切断した面）になるようにレーザー光を制御、例えばコンピュータエイテッドデザイン（ＣＡＤ）データによりレーザー光を制御して照射することによって、金属微粉体を成形したテープをこれから製造する複合造形体の横断面形状になるように溶融し、セラミックス微粉体を成形したテープのセラミックス微粉体と結合させ、これらを１回または２回以上繰り返すことによって金属中にセラミックスを分散させた複合造形体を造形し、レーザー光が照射されなかった部分のテープの金属微粉体およびセラミックス微粉体を除去して金属とセラミックスの複合造形体とすることである。
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明の金属とセラミックスの複合造形体の製造方法においては、上記方法で金属微粉体を成形したテープを製造する複合造形体の横断面形状に溶融してセラミックス微粉体を成形したテープのセラミックス微粉体と結合させ、さらにこれらを行ううちに金属微粉体が溶融して体積が減少した場合にセラミックス微粉体または金属微粉体を供給し、該金属微粉体にレーザー光を制御して照射することによって金属微粉体を溶融し、これらを繰り返繰り返すことにより金属中にセラミックスを分散させた複合造形体を製造することである。
【０００８】
さらに、本発明の金属とセラミックスの複合造形体の製造方法においては、上記セラミックス微粉体を成形したテープを、セラミックス微粉体に珪酸のアルカリ塩などの有機バインダーを混合し、必要に応じて紙などの補強テープを使用し、有機バインダーを混合した混合物または該混合物と補強テープを圧縮ロールで圧延し、補強テープを使用した場合には補強テープを剥離することにより製作したものとし、また上記金属微粉体を成形したテープを、金属微粉体に珪酸のアルカリ塩などの有機バインダーを混合し、必要に応じて紙など補強テープを使用し、有機バインダーを混合した混合物または該混合物と補強テープを圧縮ロールで圧延し、補強テープを使用した場合には補強テープを剥離することにより製作したものとすることである。
【０００９】
また、本発明の金属とセラミックスの複合造形体の製造方法においては、上記セラミックス微粉体を、Ａｌ₂Ｏ₃などの金属酸化物、ｃＢＮなどの金属窒化物、ＴｉＣなどの金属炭化物およびダイヤモンドなどの炭素同位体の微粉末のうちから選ばれた１種または２種以上のものとし、また上記金属微粉体を、周期律表のＦｅなどのVIII属およびＣｕなどのＩｂ属の金属ならびにそれらの金属に合金成分として他の金属が合金されたものの微粉末のうちから選ばれた１種または２種以上のものとすることである。
【００１０】
また、本発明の金属とセラミックスの複合造形体を製造する装置においては、コンピュータエイテッドデザイン（ＣＡＤ）データに基づいて制御する制御部と電気的に接続したレーザー光照射装置と、レーザー光照射装置にレーザー光を供給するレーザー光発生装置と、基板駆動装置と、セラミックス微粉体を成形したテープおよび金属微粉体を成形したテープの両方を間欠的に供給するテープ供給装置とからなるものとすることである。
【００１１】
また、本発明の金属とセラミックスの複合造形体を製造する装置においては、セラミックス微粉体を成形したテープおよび金属微粉体を成形したテープを支持し、かつ上下動することができる基板７と、該基板７の上に上記セラミックス微粉体を成形したテープおよび金属微粉体を成形したテープを間欠的供給するテープ供給装置９と、該基板７を上記セラミックス微粉体を成形したテープ１または金属微粉体を成形したテープ２の厚さに応じて下降させると共に、上昇させることができる移動台８と、上記基板７の上に載置された金属微粉体を成形したテープを製造する複合造形体の横断面形状になるように溶融するカルバノミラーなどからなるものなどのレーザー光照射装置11と、レーザー光照射装置にレーザー光を供給するためのレーザー光発生装置10a 、10b と、少なくともレーザー光照射装置をコンピュータエイテッドデザイン（ＣＡＤ）データなどによって制御するコンピュータ12と、必要に応じて雰囲気調整装置26、レベルローラ19、セラミックス微粉体または金属微粉体供給装置などを設けたものとすることである。
【００１２】
【作用】
本発明の金属とセラミックスの複合造形体を製造する方法および装置によると、金属微粉体を成形したテープをこれから製造する複合造形体の横断面の形状になるように金属微粉体を溶融するので、金属微粉体が溶融しても形状を保つことができ、また金属微粉体が溶融した溶融金属がセラミックス中に侵入し、図１ａに示すように従来の空隙があるものとは異なり、図１ｂに示すように空隙がない密度の高いセラミックスの複合造形体を製造することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の金属とセラミックスの複合造形体の製造方法について図面２〜４を参照して詳細に説明する。
図２は、本発明の製造方法によって製造されたままの状態の金属とセラミックスの複合造形体ならびに焼結されなかったセラミックス微粉体を成形したテープおよび金属微粉体を成形したテープの状態を示す概念図、図３は、本発明の金属とセラミックスの複合造形体を製造する装置の一実施例の概略正面図、および図４は、本発明の製造方法に用いるセラミックス微粉体を成形したテープおよび金属微粉体を成形したテープを製造するために用いる装置の概念図である。
【００１４】
本発明の金属とセラミックスの複合造形体の製造方法は、セラミックス微粉体を成形したテープを基板（図３の符号７参照）上に載置し、その上部に金属微粉体を成形したテープを重ね、必要に応じて、レベルローラなどで両者を押し付けて密着させ、上記金属微粉体を成形したテープの上面にこれから製造する複合造形体の断面形状になるようにレーザー光を制御して照射することによって金属微粉体を成形したテープを溶融し、これらを１回または２回以上繰り返し、厚さが厚い複合造形体を製造するときには、金属微粉体が溶融して体積が減少した場合にセラミックス微粉体または金属微粉体を供給し、該金属微粉体にレーザー光を制御して照射することによって溶融し、これにより体積が減少した分を補い図２に示すように金属中にセラミックスを分散させた複合造形体を製造する方法であるが、セラミックス微粉体を成形したテープに用いるセラミックスは、Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂、ＺｒＯ₂などの金属酸化物、ｃＢＮ、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＴｉＮなどの金属窒化物、ＴｉＣ、ＷＣ、ＴａＣ、（Ｗ，Ｔｉ）Ｃなどの金属炭化物およびダイヤモンドなどの炭素同位体からなる１種または２種以上である。これらのセラミックスの微粉体の大きささは、４０μｍ以下が好ましい。４０μｍより大きいとテープかするのが難しいからである。
【００１５】
さらに、本発明に用いる金属微粉体の金属は、周期律表のＦｅ、Ｃｏ、ＮｉなどVIII属およびＣｕ、ＡｇなどのＩｂ属の金属ならびにそれらの金属を基とする合金の１種または２種以上である。２種以上の金属を用いる場合には、その１種としてＮｉ−Ｂ合金のような低融点の合金を用いることが好ましい。これらの金属または合金の微粉体の大きささは、４０μｍ以下が好ましい。４０μｍより大きいと金属微粉末が十分溶融しないし、複合造形体の組織が均一にならないからである。
【００１６】
本発明に用いるセラミックス微粉体または金属微粉体を成形したテープ、いわゆるグリーンテープ（図の符号１または２参照）は、厚さが通常２００〜６００μｍのもので、セラミックス微粉体３または金属微粉体４に約１０〜３０容量％の有機バインダー５を混合してホッパー13に入れ、ホッパー13の下に設けた相対する２本の圧縮ロールに上記ホッパー13から上記混合したものを供給して圧延することなどによって製造したものである。
【００１７】
また、セラミックス微粉体または金属微粉体を成形したテープが巻取り、送給中、などに破損する恐れがある場合には、図４に示すように紙、布またはプラスチックテープなどの補強テープ14の上にセラミックス微粉体または金属微粉体に有機バインダーを混合したものを載せ、両者を相対する２本の圧縮ロール15によって同時に圧延して製造し、その後補強テープ14を剥離して製造したものなどである。これらのセラミックス微粉体または金属微粉体を成形したテープは、ロールに巻き取るようにすることもできるし、これから製造する複合造形体の大きさに応じて必要な大きさに切断しておくこともできる。
この補強テープを使用する場合、補強テープを剥がすとセラミックス微粉体または金属微粉体を成形したテープ同士が接着する恐れがある場合は、補強テープを密着したまま保管し、基板上または基板上のセラミックス微粉体または金属微粉体を成形したテープ上に供給する時に補強テープを剥離して供給するようにすることもできる。
なお、図２の符号16は補強テープ案内ロール、また符号17および18はセラミックス微粉体または金属微粉体を成形したテープを巻き取るテープ巻取りロールである。
【００１８】
本発明の金属とセラミックスの複合造形体の製造方法は、金属微粉体が溶融して体積が減少した場合にセラミックス微粉体または金属微粉体、すなわちセラミックス微粉体のみ、金属微粉体のみ、セラミックス微粉体および金属微粉体を微粉体供給ノズル（図３の20、21参照）などから供給し、該金属微粉体をレーザー光を照射して溶融して体積の減少を補っているが、補う回数は、金属微粉体をレーザー光を照射して溶融した後毎回行うこともできるし、金属微粉体をレーザー光を照射して溶融するのを複数回行った後に行うこともできる。供給するセラミックス微粉体および金属微粉体は、これから製造する複合造形体の組成と同じ組成になるように層状になるように供給する。その量は、金属微粉体を溶融した場合に略水平になるような量にするのが好ましい。
【００１９】
上記セラミックス微粉体または金属微粉体を成形したテープを成形するのに使用する有機バインダーは、珪酸のアルカリ塩、タルクホウ酸、アルギン酸のナトリウム塩、グリセリンなどである。
【００２０】
本発明の金属とセラミックスの複合造形体の製造方法において、上記セラミックス微粉体を成形したテープ１および金属微粉体を成形したテープ２を基板上に載置する基板７上に載置( 供給) する方法は、図３に示すようにテープ巻取りロール17、18からセラミックス微粉体を成形したテープ１などを巻き戻してカッター25で切断して基板７上に載置する方法、セラミックス微粉体を成形したテープ１などを所定の長さに切断して重ねて置き、そこから押し出したり、吸引などの方法で運搬する方法などがある。その場合、セラミックス微粉体を成形したテープ１と金属微粉体を成形したテープ２を単独でそれぞれ供給して載置することもできるし、セラミックス微粉体を成形したテープ１の上に金属微粉体を成形したテープ２を重ねて供給して載置することもできる。
【００２１】
本発明の金属とセラミックスの複合造形体の製造方法は、セラミックス微粉体を成形したテープを基板上に載置し、その上部に金属微粉体を成形したテープを重ねているが、基板上または既に載置したセラミックス微粉体または金属微粉体を成形したテープ上に新たなセラミックス微粉体または金属微粉体を成形したテープを載置する場合には、下のものに密着しておくことが必要であるので、レベルローラ（図３の19参照）などで押し付けて密着させるのが好ましい。
【００２２】
上記セラミックスまたは金属微粉体を成形したテープテープを載置する基板７（図３参照）は、金属またはセラミックからなるものである。基板を金属にする場合は、強度、耐熱性、安価であることなどから鋼が好ましいが、形成される複合造形体と接合される場合があるので注意をする必要がある。基板をセラミックスにする場合は、形成される複合造形体と接合されることがないので、容易に分離することができる。
【００２３】
本発明の金属とセラミックスの複合造形体の製造方法は、セラミックス微粉体を成形したテープの上に金属微粉体を成形したテープを載せた後、必要に応じて両者を密着するうに押し付け、製造する複合造形体の断面形状になるようにレーザー光を制御して照射することによって金属微粉体を成形したテープを溶融して金属中をセラミックスを分散させるが、これから製造する複合造形体の横断面形状になるようにレーザー光を照射するには、三次元ＣＡＤにこれから製造する三次元複合造形体の図面を入力し、該三次元複合造形体に対して一定の厚みごと（セラミックス微粉体を成形したテープの厚さ＋金属微粉体を成形したテープの厚さ）の水平方向のスライス図形データ群を作成し、このデータをコンピュータに入力し、このスライス図形データによってレーザー光を照射し、さらにその上にセラミックス微粉体を成形したテープと金属微粉体を成形したテープを載せた後、上記スライス図形データの次のスライス図形データによってレーザー光を照射し、順次これを繰り返すよことなどによって行うことができる。
【００２４】
また、本発明の金属とセラミックスの複合造形体の製造方法において、製造する複合造形体の横断面形状になるようにレーザー光を照射する方法には、セラミックス微粉体を成形したテープと金属微粉体を成形したテープを載せた上記基板をこれから製造する複合造形体の横断面形状（ＸＹ軸方向）に移動させる方法（この場合、通常レーザー光がセラミックス微粉体を成形したテープの厚さ＋金属微粉体を成形したテープの厚さだけずつ上昇する。）と、レーザー光をこれから製造する複合造形体の断面形状（ＸＹ軸方向）に移動させる方法（この場合、通常上記基板をセラミックス微粉体を成形したテープの厚さ＋金属微粉体を成形したテープの厚さだけずつ下降させる。）の二つの方法がある。
【００２５】
本発明の金属とセラミックスの複合造形体の製造方法は、セラミックス微粉体を成形したテープと金属微粉体を成形したテープを継続的に供給し、また密接するようにレベルローラなどで押し付ける必要があるため、金属微粉体を成形したテープをなどを供給する面の高さが一定であるほうが好ましいので、上記基板をセラミックス微粉体を成形したテープの厚さ＋金属微粉体を成形したテープの厚さだけずつ下降させ、レーザー光を製造する複合造形体の断面形状（ＸＹ軸方向）に移動させる方法が適当である。
なお、三次元ＣＡＤにこれから製造する三次元複合造形体の図面を入力し、該三次元複合造形体に対して一定の厚みごと（セラミックス微粉体を成形したテープの厚さ＋金属微粉体を成形したテープの厚さ）の水平方向のスライス図形データ群を作成し、このスライス図形データによってレーザー光を照射する方法は、上記特開平８─２５２８６７号公報に開示されているように公知の方法である。
【００２６】
本発明の金属とセラミックスの複合造形体の製造方法は、上記のようにセラミックス微粉体を成形したテープと金属微粉体を成形したテープを継続的に供給およびレーザー光の照射をこれから製造する複合造形体の高さ（厚さ）になるまで繰り返して行うと、焼結されていないセラミックス微粉体を成形したテープと金属微粉体を成形したテープ（グリーンテープ）の中に成形され、焼結された複合造形体が形成された状態になる。このような状態になるので、焼結されていないセラミックス微粉体を成形したテープと金属微粉体を形成したテープ（グリーンテープ）が形成された複合造形体のサポートとして作用するので、複合造形体の変形が少なく、精度が高い複合造形体が形成される。
【００２７】
また、上記形成された複合造形体のサポートとなっている焼結されていないセラミックス微粉体を成形したテープと金属微粉体を形成したテープ（グリーンテープ）は、簡単に人の手で除去することができる。さらに、有機バインダーが揮発する２００〜３００℃の温度に加熱することにより、セラミックス微粉体を成形したテープと金属微粉体を形成したテープ（グリーンテープ）は砂状になって流動化し、さらに簡単に除去することができる。
【００２８】
次に、本発明の金属とセラミックスの複合造形体を製造する装置について一実施例を説明する。
【００２９】
本発明の金属とセラミックスの複合造形体を製造する装置６は、コンピュータエイテッドデザイン（ＣＡＤ）データに基づいて制御する制御部（コンピュータ12など) 電気的に接続したレーザー光照射装置11（カラバノミラー、レーザー光用ＸＹ駆動装置など）と、レーザー光照射装置11にレーザー光を供給するレーザー光発生装置10a 、10b と、基板駆動装置（移動台８など）およびラミックス微粉体を金属微粉体を成形したテープの両方を間欠的に供給するテープ供給装置９からなるものである。
【００３０】
より具体的には、上記方法および図３に示すような装置で製造され、テープ供給装置９により供給されるセラミックス微粉体を成形したテープ１または金属微粉体を成形したテープ２を支持し、かつ上下動することができる基板７と、該基板７の上に上記セラミックス微粉体を成形したテープおよび金属微粉体を成形したテープを間欠的に供給するテープ供給装置９と、該基板７を上記セラミックス微粉体を成形したテープ１または金属微粉体を成形したテープ２の厚さに応じて下降させると共に、上昇させることができる移動台８と、上記基板７の上に載置された金属微粉体を成形したテープをこれから製造する複合造形体31の横断面形状になるように溶融するカルバノミラーなどのレーザー光照射装置11およびレーザー光発生装置10ａ，10b 、少なくともレーザー光照射装置11をコンピュータエイテッドデザイン（ＣＡＤ）データによって制御するコンピュータ12とからなり、更に必要に応じて雰囲気形成装置26を設け、また必要に応じてレーザー光照射装置11の近傍にセラミックス微粉体供給装置（全体は図示してないが、ノズル20を示している。) および金属微粉体供給装置（全体は図示してないが、ノズル21を示している。) を設け、また必要に応じてレベルローラ19を設け、成形した複合造形体を側面から取り出すようにしたものであるが、供給されるセラミックス微粉体を成形したテープまたは金属微粉体を成形したテープを支持し、かつ保持枠20の中を上下動することができる基板７は、鋼などの金属またはセラミックからなるもので、移動台８に接続するためのシャフト19が下部に固定されているものである。
【００３１】
上記移動台８は、コンピュータ12の信号などによって上記基板７を上下動させるもので、基板７上に供給される上記セラミックス微粉体を成形したテープまたは金属微粉体を成形したテープの厚さに応じた距離を下降し、稼働を開始する場合などに上昇するようになっているものである。
上記テープ供給装置９は、セラミックス微粉体を成形したテープ巻取ロール17および金属微粉体を成形したテープ巻取りロール18から巻き戻し、案内ロール24を介してこれらのテープを間欠的に供給し、カッター 25 で切断するようになっているもの、切断したセラミックス微粉体を成形したテープおよび金属微粉体を成形したテープを保管容器に切断して蓄積しておき、吸引して上記基板７まで運搬したり、下部からシリンダーなどによって上記基板７押し出すようにしたものなどである。
【００３２】
上記レーザー光発生装置10a,10b は積層された金属微粉体を成形したテープを溶融するレーザー光照射装置11にレーザー光32を供給する装置で、レーザー光用電源10a とレーザー発光装置10b とからなるものであり、通常用いられているものと同様なものである。
【００３３】
上記レーザー光照射装置11は、レーザー光発生装置で発生したレーザー光をこれから製造する複合造形体の横断面形状になるように照射するもので、コンピュータ12によってコンピュータエイテッドデザイン（ＣＡＤ）データによって制御されるもので、ＮＣ装置によって制御されるカルバノミラー11、ＸＹ駆動装置でレンズなどを移動するようにしたものなどである。
【００３４】
上記レーザー光照射装置11( カルバノミラー) 、移動台８などの運動を制御するコンピュータ12は、入力しておいたセラミックス微粉体を成形したテープ１の厚さおよび金属微粉体を成形したテープ２の厚さのデータ、および三次元ＣＡＤにこれから製造する三次元複合造形体の図面を入力て作成された、該三次元複合造形体に対して一定の厚みごと（セラミックス微粉体を成形したテープの厚さ＋金属微粉体を成形したテープの厚さ）の水平方向のスライス図形データ群が入力されており、これらによって上記移動台７、レーザー光照射装置11( カルバノミラー) を制御するものである。
【００３５】
上記テープ供給装置９に使用するセラミックス微粉体を成形したテープをテープ巻取りロール17および金属微粉体を成形したテープを巻取りロール18は、図４に示すようにセラミックス微粉体３または金属微粉体４に有機バインダー５を混合したものをホッパー13から補強テープ14の上に供給し、圧延ロール15で圧縮して成形し、成形したセラミックス微粉体を成形したテープなどを補強テープから剥がして巻取りロールに巻き取ることによって製作することができる。
【００３６】
上記必要に応じて設ける雰囲気形成装置26は、図３に示すようにＮ₂ガス、Ａｒガスなどの不活性ガスでレーザー光35による溶融面を覆うようにするもので、上部のレーザー光が透過する部分を石英ガラス32にした周囲を囲む覆い27の中に不活性ガス用ボンベ28などからＮ₂ガス、Ａｒガスなどをバルブ30から入れ、バルブ31から外に出すようにしたもの、図示してないが、レーザー光によって溶融した面にノズルから不活性ガスを噴射すようにしたものなどである。
【００３７】
さらに、セラミックス微粉体供給装置または金属微粉体供給装置は、図示されていなボッパーからセラミックス微粉体または金属微粉体を不活性ガスによってセラミックス微粉体供給ノズル20または金属微粉体供給ノズル21から噴出するようにしたものなどである。
また、レベルローラ19は、ローラを液圧シリンダーなどによってセラミックス微粉体を成形したテープの上を転動できるようにしたものなどである。
【００３８】
以下、本発明の実施例について説明する。
【実施例】
研磨チップの製造例
セラミックス微粉体であり、砥粒となる６〜１２μｍのｃＢＮを１０容量％、♯１０００のＡｌ₂Ｏ₃１０容量％、有機バインダーのアクリル系粘結剤を３０容量％を混合して図２に示すようにボッパー13に入れ、ポリエチレンシートの補強テープ14の上に載せ、２本の圧縮ロール15により圧延してテープを作成し、セラミックス微粉体を成形したテープ巻取りロールにした。
【００３９】
次に、金属微細粉になる平均粒径４０μｍの９９．９９％Ｃｕを８０容量％、平均粒径４０μｍのＣｕ／Ｎｉ─Ｂ（ＢＮｉ２）１０容量％、有機バインダーのアクリル系粘結剤を１０容量％を混合して図２に示すようにボッパー13に入れ、ポリエチレンシートの補強テープ14の上に載せ、２本の圧縮ロール15により圧延してテープを作成し、金属微粉体を成形したテープ巻取りロールにした。
【００４０】
一方作成する製造する研磨工具（複合造形体、図５〜７参照）33の三次元研磨チップ32の図面（縦３０ｍｍ×横６０ｍｍ×厚さ１０ｍｍ）を三次元ＣＡＤに入力し、該三次研磨チップに対して０．４ｍｍの厚みごと（セラミックス微粉体を成形したテープの厚さ＋金属微粉体を成形したテープの厚さ）の水平方向のスライス図形データ群を作成し、これをコンピュータ12に入力した。
【００４１】
図３に示すような金属とセラミックスの複合造形体を製造する装置を用い、移動台８を作動させて基板（Ｓ２０Ｃ低炭素鋼）７を所定の基準面まで上昇し、基板２上にセラミックス微粉体を成形したテープ巻取ロール17から巻き戻したセラミックス微粉体を成形したテープ１切断し、これを載せ、レベルローラ19を用いて手動で押圧し、コンピュータにより移動台３を作動させて基板２を２００μｍ下降し、押圧したセラミックス微粉体を成形したテープ20の上に同様にして金属微粉体を成形したテープを載せ、レベルローラを用いて手動で押圧した。
【００４２】
この状態でレーザー光発生装置10a 、10b および雰囲気形成装置26を稼働させると共に、コンピュータ12の制御によりレーザー光照射装置11を稼働させ、上記押圧した金属微粉体を成形したテープ２の上に研磨チップ33の下から０．４ｍｍの横断面形状に相当する形状のレーザー光を照射した。レーザー光の照射条件は、ビーム出力２８Ｗ、ビーム径０．２５ｍｍ、スキャン速度ｍｍ／分、ビーム走査間隔０．２ｍｍ、デフォーカス０の条件であった。
【００４３】
上記のような工程を５回繰り返した後体積の減少分のセラミックス微粉体と金属微粉体を補い、これらの工程を回繰り返してセラミックス微粉体を成形したテープと金属微粉体を成形したテープを重ねたものおよび製造した研磨チップ32を横に設けた扉を開いて基板７から取り外し、製造した研磨チップ32の周囲の未焼結の部分のセラミックス微粉体を成形したテープと金属微粉体を成形したテープを壊し、研磨チップを取り出した。この研磨チップの寸法は、縦３０ｍｍ×横６０ｍｍ×厚さ１０ｍｍであった。
【００４４】
また、上記製造した研磨チップについて、寸法精度を測定したところ、その寸法は、予定していたとおりの寸法であった。
さらに、この研磨チップの表面を顕微鏡で観察したところ、セラミックス微粉体は金属微粉体の溶融したものによって、周囲が覆われていた。
【００４５】
また、上記製造した研磨チップ33を研磨工具34の保持台にろう付けして図５および図６に示すように研磨工具34を作成した。この工具を用いて、図７に示したようにして下記条件で研磨した。その結果、研磨面は要求したとおりの平滑な面が得られた。
【００４６】
なお、セラミックス微細粉と金属微細粉を所定の割合で混合し、さらに有機バインダーを混合し、これをテープに成形してレーザ光で金属微細粉を溶解して金属とセラミックスの複合造形体を製造する方法も考えられるが、セラミックス微細粉と金属微細粉を必要な程度に均一に混合するのが困難であるので、金属とセラミックスが十分混合した複合造形体を製造することは困難である。
【００４７】
【発明の効果】
本発明の金属とセラミックスの複合造形体の製造方法および装置は、上記構成にしたことにより、次のような優れた効果を奏する。
（１）金型を使用することなく、金属とセラミックスの複合造形体を製造することができる。
（２）金型を使用することがないので、少量生産にも利用することができ、さらに、複雑な形状でも比較的安価に製造することができ、また従来製造できなかった形状のものも製造することができる。
（３）製造される金属とセラミックスの複合造形体は、金属微粉体を溶融しているので、セラミックスの周囲が金属で覆われており、空隙のない密度の高いものになる。
（４）金属とセラミックスは、比重の差が大きいので、混合すると混合時間が長くなるが、この混合時間を省略することができる。
（５）傾斜機能材料を容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ａは従来の金属とセラミックスの複合造形体の断面概念図、ｂは本発明の製造方法によって製造された金属とセラミックスの複合造形体の断面概念図である。
【図２】本発明の製造方法によって製造されたままの状態の金属とセラミックスの複合造形体ならびに焼結されなかったセラミックス微粉体を成形したテープおよび金属微粉体を成形したテープの状態を示す概念図である。
【図３】本発明の金属とセラミックスの複合造形体を製造する装置の一実施例の概略正面図である。
【図４】本発明の製造方法に用いるセラミックス微粉体を成形したテープおよび金属微粉体を成形したテープを製造するために用いる装置の概念図である。
【図５】本発明の製造方法によって製造された研磨チップをろう付けした研磨工具の正面図である。
【図６】図５のものの側面図である。
【図７】図４および図５に示した研磨工具の使用方法を示す説明図である。
【符号の説明】
１セラミックス微粉体を成形したテープ
２金属微粉体を成形したテープ
３セラミックス微粉体
４金属微粉体
５有機バインダー
６金属とセラミックスの複合造形体の製造装置
７基板
８移動台
９テープ供給装置
10 レーザー光発生装置 (ａレーザー光用電源、ｂレーザー発光装置）
11 レーザー光照射装置、カルバノミラー
12 コンピュータ
13 ホッパー
14 補強テープ
15 圧縮ロール
16 補強テープ用ロール
17 セラミックス微粉体を成形したテープ巻取りロール
18 金属微粉体を成形したテープ巻取りロール
19 レベルローラ
20 セラミックス微粉体供給ノズル
21 金属微粉体供給ノズル
22 シャフト
23 保持枠
24 テープ案内ロール
25 カッター
26 雰囲気調整装置
27 覆い
28 不活性ガスボンベ
29 30 バルブ
31 複合造形体
32 石英ガラス
33 研磨チップ
34 研磨工具
35 レーザー光[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method and apparatus for producing a composite body of metal and ceramics, and more specifically, a tape formed with ceramic fine powder and a tape formed with metal fine powder are alternately stacked while irradiating laser light, and the metal is formed by laser light. The present invention relates to a method and an apparatus for producing a composite body of metal and ceramic by melting fine powder.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, composite moldings of metal and ceramics are molded and sintered by various methods such as mixing metal fine powder and ceramic fine powder with a lubricant, mixing the mixture, and molding the mixture into a mold. Is manufactured by.
In this method, it is necessary to uniformly mix the metal fine powder and the ceramic fine powder. However, since the specific gravity of the fine powder is different, it is necessary to stir for a long time, and a mold is required for molding. Since it takes cost and time to manufacture the mold, there is a drawback in that it is expensive to manufacture a small quantity or a prototype, and the time is long.
[0003]
Furthermore, as a method of modeling without using a mold, light energy required for curing by laser light is supplied to a photocurable fluid resin in which a photocurable fluid resin or silica powder is dispersed. Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-247515 or Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-25486 discloses a method of manufacturing a resin shaped body having a desired shape or a resin shaped body containing silica powder by selectively supplying the resin with a position control device or the like. ing.
[0004]
In addition, as a method of manufacturing a sintered body without using a mold, a photocurable fluid resin is mixed with a sinterable (sintered) inorganic material powder, and this inorganic material powder is mixed with photocuring. A light-cured layer is formed by irradiating a light-flowing resin layer with a light image, and the cured layers are sequentially stacked to form a three-dimensional structure, and the resin component that has been photocured by combustion or the like is removed. JP-A-8-252867 discloses that an inorganic material powder mixed shaped body from which a resin component has been removed is made into a sintered body by HIP treatment or the like.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The method disclosed in the above publication is a method for producing a resin shaped body containing an inorganic material powder for producing a resin shaped body of a desired shape, a resin shaped body containing silica powder, or a sintered body without using a mold. However, both are not a method of manufacturing a composite manufactured using two types of tapes, but also a method of manufacturing a resin molded body containing inorganic material powder for manufacturing a sintered body, and modeling and sintering are separately performed. Therefore, it was necessary to sinter separately after modeling.
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a method and an apparatus for manufacturing a composite body of metal and ceramics, which can simultaneously perform modeling and sintering of a composite of metal and ceramics without using a mold. It is.
[0006]
In order to solve the above-mentioned problems, in the method for producing a composite body of metal and ceramic according to the present invention, a tape formed with ceramic fine powder, a so-called green tape is placed on a substrate, and the metal fine powder is formed thereon. The cross-sectional shape of the composite shaped body to be manufactured from now on (the surface cut in the horizontal direction) The laser beam is controlled so as to become, for example, the laser beam is controlled and irradiated by computer-aided design (CAD) data, so that the cross-sectional shape of the composite shaped body to be produced from the tape formed with the metal fine powder is obtained. The ceramic fine powder is melted and bonded with the ceramic fine powder of the tape formed with the ceramic fine powder. A composite shaped body in which ceramics are dispersed in a metal is formed by repeating the process more than once, and the metal fine powder and ceramic fine powder on the portion of the tape that has not been irradiated with laser light are removed to obtain a composite shaped body of metal and ceramics. It is to be.
[0007]
In order to solve the above-mentioned problems, in the method for producing a composite body of metal and ceramics according to the present invention, a ceramic fine powder is melted into a cross-sectional shape of a composite body to produce a tape formed by molding metal fine powder by the above method. When the metal fine powder is melted and the volume is reduced during the process, the ceramic fine powder or the metal fine powder is supplied and laser light is applied to the metal fine powder. It is to produce a composite shaped article in which metal fine powder is melted by irradiation under control, and ceramics are dispersed in the metal by repeating these.
[0008]
Furthermore, in the method for producing a composite shaped body of metal and ceramic according to the present invention, the tape formed with the ceramic fine powder is mixed with an organic binder such as an alkali salt of silicic acid in the ceramic fine powder, and paper or the like as required. A mixture in which an organic binder is mixed or the mixture and the reinforcing tape are rolled with a compression roll, and when the reinforcing tape is used, the reinforcing tape is peeled off, and the metal fine powder is used. The tape formed from the body is mixed with an organic binder such as an alkali salt of silicic acid in a metal fine powder, and a reinforcing tape such as paper is used if necessary. A mixture containing the organic binder or a compression roll of the mixture and the reinforcing tape. If a reinforcing tape is used, the reinforcing tape must be peeled off. .
[0009]
In the method for producing a composite body of metal and ceramic according to the present invention, the ceramic fine powder is made of Al. ₂ O _Three 1 type or 2 or more types selected from metal oxides such as cBN, metal nitrides such as cBN, metal carbides such as TiC, and carbon isotope fine powders such as diamond. One or more selected from the group VIII metals such as Fe in the periodic table and Group Ib metals such as Cu and fine powders of those metals alloyed with other metals as alloy components It is to do.
[0010]
Further, in the apparatus for producing a composite shaped body of metal and ceramics according to the present invention, a laser light irradiation apparatus electrically connected to a control unit controlled based on computer-aided design (CAD) data, and a laser light irradiation apparatus A laser light generator for supplying laser light to the substrate, a substrate driving device, and a tape supply device for intermittently supplying both a tape formed with ceramic fine powder and a tape formed with metal fine powder. It is.
[0011]
Moreover, in the apparatus for producing a composite body of metal and ceramic according to the present invention, a tape formed with ceramic fine powder and a substrate 7 that supports the tape formed with metal fine powder and can move up and down, A tape supply device 9 for intermittently supplying a tape formed with the ceramic fine powder and a tape formed with the metal fine powder on the substrate 7, and the tape 1 or metal fine powder formed with the ceramic fine powder on the substrate 7 A cross section of a composite model that manufactures a movable table 8 that can be lowered and raised according to the thickness of the molded tape 2, and a tape that is formed from metal fine powder placed on the substrate 7. A laser beam irradiation device 11 such as a carbano mirror that melts into a shape, and a laser beam for supplying the laser beam to the laser beam irradiation device. -Light generators 10a, 10b, a computer 12 for controlling at least the laser light irradiation device by computer-aided design (CAD) data, etc., and an atmosphere adjusting device 26, a level roller 19, ceramic fine powder or metal fine powder as required A body supply device is provided.
[0012]
[Action]
According to the method and apparatus for producing a composite shaped body of metal and ceramics of the present invention, the metal fine powder is melted so that the tape formed with the metal fine powder has a cross-sectional shape of the composite shaped body to be produced. The shape can be maintained even when the metal fine powder is melted, and the molten metal in which the metal fine powder is melted penetrates into the ceramic, and unlike FIG. As shown, a high-density ceramic composite shaped body without voids can be produced.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the manufacturing method of the composite modeling body of the metal and ceramics of this invention is demonstrated in detail with reference to FIGS.
FIG. 2 is a conceptual view showing a composite molded body of a metal and ceramic as-manufactured by the manufacturing method of the present invention, a tape formed with ceramic fine powder not sintered, and a tape formed with metal fine powder. FIG. 3 is a schematic front view of an embodiment of an apparatus for producing a composite body of metal and ceramic according to the present invention, and FIG. 4 is a tape and metal formed with ceramic fine powder used in the production method of the present invention. It is a conceptual diagram of the apparatus used in order to manufacture the tape which shape | molded the fine powder.
[0014]
In the method for producing a composite body of metal and ceramic according to the present invention, a tape formed with a ceramic fine powder is placed on a substrate (see reference numeral 7 in FIG. 3), and a tape formed with the metal fine powder is stacked thereon. If necessary, press and hold both of them with a level roller or the like, and irradiate the top surface of the tape on which the metal fine powder has been formed with a laser beam controlled so as to have a cross-sectional shape of the composite body to be manufactured. When the tape formed with metal fine powder is melted by the above and these are repeated once or twice or more to produce a thick composite model, the ceramic fine powder is melted when the metal fine powder melts and the volume decreases. Alternatively, a metal fine powder is supplied, and the metal fine powder is melted by controlling and irradiating laser light to compensate for the reduced volume. While La mix is a method of making a composite shaped body in which is dispersed, ceramics for use in a tape obtained by forming a ceramic fine powder, Al ₂ O _Three TiO ₂ , ZrO ₂ Metal oxide such as cBN, Si _Three N _Four , TiN, a metal nitride such as TiC, WC, TaC, (W, Ti) C, and a carbon isotope such as diamond. The size of these ceramic fine powders is preferably 40 μm or less. This is because if it is larger than 40 μm, it is difficult to tape.
[0015]
Furthermore, the metal of the fine metal powder used in the present invention is one or two of the group VIII metals such as Fe, Co, Ni and the like, and the group Ib metals such as Cu and Ag, and alloys based on these metals. That's it. When two or more metals are used, it is preferable to use an alloy having a low melting point such as a Ni-B alloy as one of the metals. The size of the fine powder of these metals or alloys is preferably 40 μm or less. This is because, if it is larger than 40 μm, the metal fine powder is not sufficiently melted and the structure of the composite shaped body is not uniform.
[0016]
A tape formed with ceramic fine powder or metal fine powder used in the present invention, so-called green tape (see reference numeral 1 or 2 in the figure), has a thickness of usually 200 to 600 μm, and is ceramic fine powder 3 or metal fine powder 4. About 10 to 30% by volume of the organic binder 5 is mixed and put into the hopper 13, and the mixed material is fed from the hopper 13 to two opposing compression rolls provided under the hopper 13 and rolled. It is manufactured by.
[0017]
In addition, when there is a possibility that the tape formed with ceramic fine powder or metal fine powder may be damaged during winding or feeding, the reinforcing tape 14 such as paper, cloth or plastic tape is used as shown in FIG. A ceramic fine powder or a metal fine powder mixed with an organic binder is placed on the top and rolled by two opposing compression rolls 15 at the same time, and then the reinforcing tape 14 is peeled off. is there. These ceramic fine powders or metal fine powder tapes can be wound around a roll, or cut to the required size according to the size of the composite body to be produced. it can.
When this reinforcing tape is used, if there is a risk that the tape formed with ceramic fine powder or metal fine powder may adhere to each other if the reinforcing tape is peeled off, store the reinforcing tape in close contact with the ceramic tape on the substrate or the substrate. When supplying the fine powder or the metal fine powder onto the molded tape, the reinforcing tape may be peeled off and supplied.
Reference numeral 16 in FIG. 2 denotes a reinforcing tape guide roll, and reference numerals 17 and 18 denote tape take-up rolls that take up a tape formed of ceramic fine powder or metal fine powder.
[0018]
The method for producing a composite shaped body of metal and ceramic according to the present invention includes a ceramic fine powder or a metal fine powder, ie, a ceramic fine powder only, a metal fine powder only, a ceramic fine powder, when the metal fine powder is melted and the volume is reduced. The metal fine powder is supplied from a fine powder supply nozzle (see 20, 21 in FIG. 3), and the metal fine powder is melted by irradiating with laser light to compensate for the volume reduction. It can be performed every time after the metal fine powder is melted by irradiating with laser light, or it can be performed after the metal fine powder is melted by irradiating with laser light a plurality of times. The ceramic fine powder and metal fine powder to be supplied are supplied in a layered form so as to have the same composition as that of the composite molded body to be manufactured. The amount is preferably set to an amount that is substantially horizontal when the metal fine powder is melted.
[0019]
Examples of the organic binder used for forming a tape formed with the ceramic fine powder or metal fine powder include alkali salt of silicic acid, talc boric acid, sodium salt of alginic acid, glycerin and the like.
[0020]
In the method for manufacturing a composite body of metal and ceramic according to the present invention, the tape 1 formed with the ceramic fine powder and the tape 2 formed with the metal fine powder are placed (supplied) on the substrate 7 placed on the substrate. As shown in FIG. 3, the method is a method of unwinding the tape 1 formed with the ceramic fine powder from the tape take-up rolls 17 and 18 and cutting it with the cutter 25 and placing it on the substrate 7, and forming the ceramic fine powder. There is a method of cutting the tape 1 or the like that has been cut into a predetermined length and placing the tape 1 and extruding it or transporting it by a method such as suction. In that case, the tape 1 formed with the ceramic fine powder and the tape 2 formed with the metal fine powder can be separately supplied and placed, or the metal fine powder is placed on the tape 1 formed with the ceramic fine powder. The molded tape 2 can also be supplied and placed in a stacked manner.
[0021]
In the method for producing a composite shaped body of metal and ceramics according to the present invention, a tape formed with ceramic fine powder is placed on a substrate, and a tape formed with metal fine powder is overlaid on the substrate. When placing a new ceramic fine powder or metal fine powder-molded tape on a ceramic fine powder or metal fine powder-molded tape, it is necessary to adhere to the lower one. Therefore, it is preferable to press and adhere with a level roller (see 19 in FIG. 3) or the like.
[0022]
A substrate 7 (see FIG. 3) on which a tape tape formed with the ceramic or metal fine powder is placed is made of metal or ceramic. When the substrate is made of metal, steel is preferable because of its strength, heat resistance, and low cost. However, care should be taken because it may be joined to the composite body to be formed. When the substrate is made of ceramics, it can be easily separated because it is not joined to the composite body to be formed.
[0023]
The method for producing a composite body of metal and ceramics according to the present invention is produced by placing a tape formed with metal fine powder on a tape formed with ceramic fine powder and then pressing the two in close contact as necessary. By controlling and irradiating the laser beam so that it has the cross-sectional shape of the composite model, the tape formed with the metal fine powder is melted to disperse the ceramic in the metal. In order to irradiate with laser light, a drawing of a three-dimensional composite model to be manufactured is input to a three-dimensional CAD, and a fixed thickness (ceramic fine powder is formed on the three-dimensional composite model Create a slice graphic data group in the horizontal direction (tape thickness + tape thickness formed of metal fine powder) and input this data to the computer. After irradiating laser light according to shape data, and further placing a tape formed with ceramic fine powder and tape formed with metal fine powder on it, laser light is irradiated with slice graphic data next to the above slice graphic data, This can be done by repeating this sequentially.
[0024]
Further, in the method for producing a composite shaped body of metal and ceramic according to the present invention, a method of irradiating laser light so as to have a cross-sectional shape of a composite shaped body to be produced includes a tape formed with ceramic fine powder and a metal fine powder. A method of moving the above-described substrate on which the tape formed with the tape is moved to the cross-sectional shape (XY axis direction) of the composite body to be produced (in this case, the thickness of the tape on which the ceramic fine powder is usually formed + the fine metal powder) And the method of moving the laser light to the cross-sectional shape (XY axis direction) of the composite body to be manufactured (in this case, usually the above substrate is molded with ceramic fine powder). There are two methods: the thickness of the tape and the thickness of the tape on which the metal fine powder is formed).
[0025]
In the method for producing a composite molded body of metal and ceramic according to the present invention, it is necessary to continuously supply a tape formed with ceramic fine powder and a tape formed with metal fine powder, and press with a level roller or the like so as to be in close contact with each other. Therefore, it is preferable that the height of the surface for supplying the tape formed with the metal fine powder is constant, so that the thickness of the tape formed with the ceramic fine powder on the substrate + the thickness of the tape formed with the metal fine powder. A method of moving the laser beam down to the sectional shape (XY axis direction) of the composite modeled body for manufacturing the laser beam is appropriate.
In addition, a drawing of a three-dimensional composite model to be manufactured is input to the three-dimensional CAD, and the three-dimensional composite model is formed with a certain thickness (thickness of the tape formed with ceramic fine powder + metal fine powder). A method of creating a horizontal slice graphic data group (thickness of the tape) and irradiating a laser beam with the slice graphic data is a known method as disclosed in the above-mentioned JP-A-8-252867. is there.
[0026]
The method for producing a composite shaped body of metal and ceramics according to the present invention is a composite molding in which a tape formed with ceramic fine powder and a tape formed with metal fine powder are continuously supplied and laser light irradiation is produced from now on. When it is repeated until the body height (thickness) is reached, it is molded and sintered in a tape formed from unsintered ceramic fine powder and a tape formed from metal fine powder (green tape). A composite shaped body is formed. Since it becomes such a state, it acts as a support for the composite shaped body in which the tape formed with the unsintered ceramic fine powder and the tape formed with the metal fine powder (green tape) is formed. A composite shaped body with little deformation and high accuracy is formed.
[0027]
In addition, the tape formed with the unsintered ceramic fine powder and the tape formed with the metal fine powder (green tape), which are the support for the formed composite body, can be easily removed by human hands. Can do. Furthermore, by heating to a temperature of 200 to 300 ° C. at which the organic binder volatilizes, the tape formed with the ceramic fine powder and the tape formed with the metal fine powder (green tape) become sandy and fluidized, and more easily. Can be removed.
[0028]
Next, an embodiment of an apparatus for producing a composite shaped body of metal and ceramic according to the present invention will be described.
[0029]
An apparatus 6 for producing a composite body of metal and ceramics according to the present invention includes a control unit (computer 12 or the like) that is controlled based on computer-aided design (CAD) data. An electrically connected laser beam irradiation apparatus 11 (carabano mirror, XY drive device for laser light), laser light generators 10a and 10b for supplying laser light to the laser light irradiation device 11, a substrate drive device (moving table 8 etc.) and a fine powder mix of metal powder. The tape supply device 9 supplies both of the tapes intermittently.
[0030]
More specifically, the tape 1 formed of the ceramic fine powder or the tape 2 formed of the metal fine powder manufactured by the above method and the apparatus shown in FIG. A substrate 7 capable of moving up and down, a tape supply device 9 for intermittently supplying a tape formed with the ceramic fine powder and a tape formed with a metal fine powder on the substrate 7, and the substrate 7 as the ceramic The moving base 8 that can be lowered and raised according to the thickness of the tape 1 formed with fine powder or the tape 2 formed with metal fine powder, and the metal fine powder placed on the substrate 7 are Laser light irradiation device 11 such as a carbano mirror and laser light generation devices 10a and 10b for melting the molded tape so as to have a cross-sectional shape of the composite shaped body 31 to be manufactured. The computer 12 includes at least a computer 12 that controls the laser beam irradiation device 11 based on computer-aided design (CAD) data. Further, an atmosphere forming device 26 is provided if necessary, and in the vicinity of the laser beam irradiation device 11 if necessary. A ceramic fine powder supply device (the whole is not shown but the nozzle 20 is shown) and a metal fine powder supply device (the whole is not shown but the nozzle 21 is shown) are provided and necessary Depending on the level, a level roller 19 is provided so that the molded composite molded body can be taken out from the side, and the tape formed from the ceramic fine powder supplied or the tape formed from the metal fine powder is supported and held. The substrate 7 that can move up and down in the frame 20 is made of a metal such as steel or ceramic, and a shaft 19 for connecting to the movable table 8 is provided. It is fixed at the bottom.
[0031]
The moving table 8 moves the substrate 7 up and down by a signal from the computer 12 or the like. The moving table 8 corresponds to the thickness of the tape formed of the ceramic fine powder or the metal fine powder formed on the substrate 7. It is designed to rise when the distance is lowered and the operation is started.
The tape supply device 9 unwinds from the tape take-up roll 17 formed with ceramic fine powder and the tape take-up roll 18 formed with metal fine powder, and intermittently supplies these tapes via the guide roll 24. The tape that has been cut by the cutter 25, the tape that is formed from the cut ceramic fine powder, and the tape that is formed from the metal fine powder are cut and stored in a storage container, sucked and transported to the substrate 7. Or the substrate 7 is pushed out from the bottom by a cylinder or the like.
[0032]
The laser beam generators 10a and 10b are devices for supplying a laser beam 32 to a laser beam irradiation device 11 for melting a tape formed of laminated metal fine powders. The laser beam generators 10a and 10b include a laser beam power source 10a and a laser beam emitting device 10b. It is the same as that normally used.
[0033]
The laser beam irradiation device 11 irradiates the laser beam generated by the laser beam generator so as to have a cross-sectional shape of the composite body to be produced from now on, and is controlled by the computer 12 according to computer-aided design (CAD) data. The carbano mirror 11 controlled by the NC device, the lens or the like being moved by the XY driving device, and the like.
[0034]
The computer 12 for controlling the movement of the laser beam irradiation device 11 (carbano mirror), the moving table 8 and the like is such that the thickness of the tape 1 formed with the ceramic fine powder and the thickness of the tape 2 formed with the metal fine powder. The thickness of the tape on which the ceramic fine powder was formed was created for the three-dimensional composite structure formed by inputting the data of the length and the drawing of the three-dimensional composite structure to be produced in the three-dimensional CAD. + Slice graphic data group in the horizontal direction (the thickness of the tape formed with the metal fine powder) is input, and the moving table 7 and the laser beam irradiation device 11 (carbanomirror) are controlled by these.
[0035]
As shown in FIG. 4, the tape winding roll 17 and the tape winding roll 18 formed with the metal fine powder are ceramic fine powder 3 or metal fine powder as shown in FIG. 4 is mixed with the organic binder 5 from the hopper 13 onto the reinforcing tape 14, compressed by a rolling roll 15, formed, and the formed ceramic powder is removed from the reinforcing tape and wound up. It can be manufactured by winding on a roll.
[0036]
As shown in FIG. ₂ Covers the melted surface of the laser beam 35 with an inert gas such as gas or Ar gas. For the inert gas in the cover 27 surrounding the periphery of the quartz glass 32 where the upper laser beam is transmitted N from cylinder 28 etc. ₂ Gas, Ar gas, or the like is introduced from the valve 30 and exited from the valve 31. Although not shown, an inert gas is injected from the nozzle onto the surface melted by the laser beam. .
[0037]
Further, the ceramic fine powder supply device or the metal fine powder supply device ejects the ceramic fine powder or the metal fine powder from the ceramic fine powder supply nozzle 20 or the metal fine powder supply nozzle 21 by an inert gas from a not-shown bopper. It is something that was made.
Further, the level roller 19 is a roller that can roll on a tape formed with ceramic fine powder by a hydraulic cylinder or the like.
[0038]
Examples of the present invention will be described below.
【Example】
Example of polishing tip manufacture
6 ~ 12μm cBN which is a ceramic fine powder and becomes an abrasive grain. 10 Capacity%, # 1000 Al ₂ O _Three 10 volume%, organic binder acrylic binder is mixed with 30 volume%, put into a bopper 13 as shown in FIG. 2, placed on a polyethylene sheet reinforcing tape 14 and rolled with two compression rolls 15 Thus, a tape was prepared and a tape take-up roll formed with ceramic fine powder was obtained.
[0039]
Next, 80% by volume of 99.99% Cu with an average particle size of 40 μm, 10% by volume of Cu / Ni—B (BNi2) with an average particle size of 40 μm, and 10% of an organic binder acrylic binder is used as a metal fine powder. The volume% is mixed and placed in a bopper 13 as shown in FIG. 2, placed on a polyethylene sheet reinforcing tape 14, rolled with two compression rolls 15 to create a tape, and a metal fine powder molded tape It was a winding roll.
[0040]
On the other hand, a drawing (30 mm long × 60 mm wide × 10 mm thick) of the three-dimensional polishing tip 32 of the polishing tool to be produced (composite shaped body, see FIGS. 5 to 7) 33 is input to the three-dimensional CAD, and the tertiary polishing tip A slice pattern data group in the horizontal direction is created for each 0.4 mm thickness (the thickness of the tape formed with ceramic fine powder + the thickness of the tape formed with metal fine powder), and this is input to the computer 12 did.
[0041]
Using a device for producing a composite body of metal and ceramics as shown in FIG. 3, the moving table 8 is operated to raise the substrate (S20C low carbon steel) 7 to a predetermined reference plane, and the ceramic fine powder on the substrate 2 The tape 1 formed with the ceramic fine powder unwound from the tape take-up roll 17 formed with the body is cut, placed thereon, manually pressed using the level roller 19, and the movable table 3 is operated by a computer to operate the substrate 2. Was lowered by 200 μm, and the tape formed with the metal fine powder was similarly placed on the tape 20 formed with the pressed ceramic fine powder, and manually pressed using a level roller.
[0042]
In this state, the laser light generators 10a and 10b and the atmosphere forming device 26 are operated, and the laser light irradiation device 11 is operated under the control of the computer 12, and a polishing chip is formed on the tape 2 formed with the pressed metal fine powder. Laser light having a shape corresponding to a cross-sectional shape of 0.4 mm was irradiated from below 33. The laser light irradiation conditions were a beam output of 28 W, a beam diameter of 0.25 mm, a scanning speed of mm / min, a beam scanning interval of 0.2 mm, and a defocus of 0.
[0043]
The above process 5 times After repeating the above steps, the ceramic fine powder and metal fine powder corresponding to the decrease in volume were supplemented, and these steps were repeated repeatedly to overlap the tape formed with the ceramic fine powder and the tape formed with the metal fine powder. Open the door on the side, remove it from the substrate 7, break the tape formed with ceramic fine powder and the metal fine powder around the manufactured polishing chip 32, and take out the polishing chip It was. The size of this polishing tip was 30 mm long × 60 mm wide × 10 mm thick.
[0044]
Moreover, when the dimensional accuracy was measured about the manufactured said polishing chip, the dimension was a dimension as planned.
Further, when the surface of the polishing tip was observed with a microscope, the ceramic fine powder was covered with a molten metal fine powder.
[0045]
Further, the above-prepared polishing tip 33 was brazed to a holding table for the polishing tool 34 to prepare the polishing tool 34 as shown in FIGS. Using this tool, polishing was performed under the following conditions as shown in FIG. As a result, the polished surface was as smooth as requested.
[0046]
In addition, ceramic fine powder and metal fine powder are mixed at a predetermined ratio, and further an organic binder is mixed. This is molded into a tape, and the metal fine powder is melted with laser light to produce a composite shaped body of metal and ceramics. However, it is difficult to uniformly mix the ceramic fine powder and the metal fine powder as much as necessary, and it is difficult to manufacture a composite shaped body in which the metal and the ceramic are sufficiently mixed.
[0047]
【The invention's effect】
The method and apparatus for producing a composite body of metal and ceramics according to the present invention has the following excellent effects due to the above configuration.
(1) A composite shaped body of metal and ceramics can be manufactured without using a mold.
(2) Since a mold is not used, it can be used for small-scale production, and even complex shapes can be manufactured at a relatively low cost. can do.
(3) Since the metal / ceramic composite shaped body to be manufactured is obtained by melting metal fine powder, the ceramics are covered with metal, so that the density is high without voids.
(4) Since the difference in specific gravity between the metal and the ceramic is large, the mixing time becomes longer when mixed, but this mixing time can be omitted.
(5) Functionally gradient materials can be easily manufactured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a conceptual cross-sectional view of a conventional metal-ceramic composite shaped body, and FIG. 1B is a conceptual cross-sectional view of a metal-ceramic composite shaped body manufactured by the manufacturing method of the present invention.
FIG. 2 is a conceptual diagram showing the state of a composite molded body of metal and ceramics as manufactured by the manufacturing method of the present invention, a tape formed of ceramic fine powder that has not been sintered, and a tape formed of metal fine powder. FIG.
FIG. 3 is a schematic front view of an embodiment of an apparatus for producing a composite body of metal and ceramic according to the present invention.
FIG. 4 is a conceptual diagram of an apparatus used for producing a tape formed with ceramic fine powder and a tape formed with metal fine powder used in the production method of the present invention.
FIG. 5 is a front view of a polishing tool in which a polishing tip manufactured by the manufacturing method of the present invention is brazed.
6 is a side view of that of FIG. 5. FIG.
7 is an explanatory view showing a method of using the polishing tool shown in FIGS. 4 and 5. FIG.
[Explanation of symbols]
1 Tape formed from ceramic fine powder
2 Tape formed from metal fine powder
3 Ceramic fine powder
4 Metal fine powder
5 Organic binder
6 Metal / ceramic composite body manufacturing equipment
7 Substrate
8 Moving platform
9 Tape feeder
10 Laser beam generator (a laser beam power supply, b laser beam generator)
11 Laser beam irradiation device, carbano mirror
12 computers
13 Hopper
14 Reinforcing tape
15 Compression roll
16 Roll for reinforcing tape
17 Tape take-up roll formed of ceramic fine powder
18 Tape take-up roll formed of metal fine powder
19 Level roller
20 Ceramic fine powder supply nozzle
21 Metal fine powder supply nozzle
22 Shaft
23 Retaining frame
24 Tape guide roll
25 cutter
26 Atmosphere adjusting device
27 Cover
28 Inert gas cylinder
29 30 Valve
31 Composite body
32 quartz glass
33 Polishing tips
34 Abrasive tools
35 Laser light

Claims

Place the tape on which the ceramic fine powder is molded on the substrate, put the tape on which the metal fine powder is molded on it, and control the laser beam so that the cross-sectional shape of the composite body to be manufactured is on the upper surface. A composite of metal and ceramics characterized by producing a composite shaped body in which ceramics are dispersed in metal by melting a tape formed with metal fine powder by irradiation and repeating these once or twice or more A method for manufacturing a shaped body.

Place the tape on which the ceramic fine powder is molded on the substrate, put the tape on which the metal fine powder is molded on it, and control the laser beam so that the cross-sectional shape of the composite body to be manufactured is on the upper surface. When the tape formed with the metal fine powder is melted by irradiation and the metal fine powder is melted and the volume is reduced during the process, the ceramic fine powder or the metal fine powder is supplied to the metal fine powder. A metal-ceramic composite structure characterized by producing a composite structure in which ceramic fine particles are dispersed by melting a metal fine powder by controlling and irradiating laser light, and repeating these steps. Manufacturing method.

By mixing the organic binder with the ceramic fine powder, placing the mixture on the reinforcing tape, simultaneously rolling the mixture and the reinforcing tape with a compression roll, and then peeling the reinforcing tape. After the tape is formed and the metal fine powder is molded, the organic fine powder is mixed with the organic binder, the mixture is placed on the reinforcing tape, and the mixture and the reinforcing tape are simultaneously rolled with a compression roll. 3. The method for producing a composite shaped body of metal and ceramics according to claim 1 or 2, wherein the method is produced by peeling a reinforcing tape.

The ceramic fine powder is one or more selected from metal oxide, metal nitride, metal carbide and carbon isotope fine powder, and the metal fine powder is of the periodic table. 3. The method for producing a composite shaped body of metal and ceramic according to claim 1 or 2, wherein the metal of Group VIII and Group Ib and the metal are alloyed with another metal as an alloy component.

3. The laser beam is controlled by computer-aided design (CAD) data so that the laser beam is controlled so as to have a cross-sectional shape of the composite model to be manufactured. Method for producing a composite body of metal and ceramics.

A laser light irradiation device electrically connected to a control unit controlled based on computer-aided design (CAD) data, a laser light generation device for supplying laser light to the laser light irradiation device, a substrate driving device, and ceramic fine powder An apparatus for manufacturing a composite body of metal and ceramics, comprising: a tape supply device that intermittently supplies both a body and a tape formed with metal fine powder.

A tape that supports a tape formed of ceramic fine powder and a tape formed of metal fine powder and can move up and down, a tape formed of the ceramic fine powder on the substrate, and a tape formed of metal fine powder A tape supply device for intermittently supplying the substrate, a moving base that can lower and raise the substrate according to the thickness of the tape formed with the ceramic fine powder or the tape formed with the metal fine powder, and the above Laser light irradiation device that melts so as to have a cross-sectional shape of a composite modeling body that manufactures a tape formed of metal fine powder laminated on a substrate, and a laser light generation device that sends laser light to the laser light irradiation device And a computer that controls at least the laser beam irradiation device by computer-aided design (CAD) data. Apparatus for producing a composite shaped body of metal and the ceramic, characterized in that.

8. The apparatus for manufacturing a composite body of metal and ceramics according to claim 6, wherein a device for supplying metal fine powder or ceramic fine powder is provided in the vicinity of the laser light irradiation device.