マイクロ MIM・ポーラス MIM 製品の開発と応用岩津修太盛工業㈱金属射出成形技術のなかでとくに微細な部品を作る技術に関して、その研究開発の概要ならびにマイクロ MIM 製品を紹介、また犠牲樹脂型を用いた超微細なマイクロ構造体の製法も記述、さらにポーラス MIM の製法についても紹介する。 1．はじめに金属射出成形技術は、米国 WITEC プロセスの技とをマイクロ MIM（以下 -MIM と称す）と名付け術導入などを契機として 80 年代から各社が精力的て、研究開発に取り組んできた。さらに -MIM 技に実用化されてきた。当社では 2000 年頃より高精度術を応用展開して、ポーラス MIM の製品開発も行っおよび小型化のニーズに対応するため、小物の部品てきた。に特化したマイクロ MIM 製品の研究開発を産学連ここでは、今までに研究開発されてきた -MIM 携にて、活発に行ってきた。特に MIM のマイクロおよびポーラス MIM 技術の概要、ならびにそれら化に力を入れ、精密微細金型を用いて、マイクロメーの技術で作られた製品について紹介する。トルオーダの非常に微細な形状を有する MIM のこ 2．マイクロ MIM 金属粉末射出成形の製造工程において、製品サイ（4）脱脂・焼結工程：加熱速度の最適化、結晶粒ズがマイクロ化になるほど材料充填性、転写性、離成長の制御、収縮時の変形・損傷の抑制型性および焼結工程への搬送性など、マイクロ金（5）検査工程：精密な評価方法の確立属粉末射出成形のさらなる高度化には解決すべき問当社では、小型精密部品を安定して成形するため題があった。当社では、以下に挙げる MIM のマイにマイクロ射出成形機を用いて、いろいろな部品をクロ化に関するそれぞれの課題について研究を行い製造してきた。図 1 にそれらの製品、例えば 1 cm レ -MIM 部品の製造技術を開発してきた。 1∼4）（1）原料：高い流動性と転写性が良好な微粉末の選択およびバインダ成分の最適化ベルの大きさのコネクタ、mm レベルのカム、遊星歯車さらに 100 m レベルの微細構造体をもつマイクロリアクタなどを大きさ順に示した。このうち数（2）混練・造粒工程：原料ペレットの均質化 mm 以下の小さな製品を（3）射出成形工程：微細構造金型の製造法の導人、図中、右端の 1 cm 程度の大きさの光ファイバー原料充填性、成形安定性および離型性・搬送 -MIM 製品と呼称する。用コネクタは通常の成形金型では離型が不可能な性の向上 Vol.54（2013）No.10 SOKEIZAI 15 1µm 1mm マイクロリアクタ遊星歯車 1cm カム µ-MIM インペラコネクタ一般的な MIM 製品（微細構造、寸法精度）図 1 マイクロ金属粉末射出成形（ -MIM）とはアンダーカットとを有し、また雄ねじ付きの複雑形状の部品である。ちなみに本部品の製法には後述する - MIM 製品を作製する際にも適応される犠牲樹脂型を用いたインサート金属粉末射出成形技術が採用されている。図 2 に示すのは、マイクロマシン用に開発したマイクロ遊星の歯車機構である。太陽歯車の直径は 0.8mm、遊星歯車は 1.7mm、内歯歯車は 4.2mm で、モジュールはすべて 0.07 である。その主要歯車の一つである超小型の遊星歯車（ピッチ円直径：1.7mm、歯数：24、歯幅：0.5mm）を図 3 デジタルカメラカシメ部品 - MIM により作製した。この精度は JIS N 7 等級程度に比較的高く作られている 5）。これらの歯車の原料粉の材質はすべて析出元来、MIM 技術は低粘度の樹脂と混合するため流硬化系ステンレス（SUS630）、平均粒径 3 m のア動性が良く、微細構造を有する型への転写性に優れトマイズ粉末を使用して、高剛性および高耐食性をることに加えて、それらの部品を大量生産できるこ具備している。とも利点の一つとして挙げられる。しかしながらマ図 3 にイクロメートルオーダーの構造体を MIM により転 - MIM 製品の一例としてデジタルカメラ用のカシメ部品を示す。これは直径約 2mm、高さ写する際、マイクロ構造特有の数々の問題が生じる。 0.35mm、肉厚 0.11mm で重量はわずか 0.007g である。構造体への材料の充填や金属粉末による形状の転次に写、離型時の成形体の破損、成形体のハンドリング -MIM 技術を適応したマイクロ構造体作製等である。技術について紹介する。材質ピッチ内直径歯数歯幅モジュール太陽歯車 0.8mm 12 0.5mm 0.07 遊星歯車 1.7mm 24 0.5mm 0.07 内歯歯車 4.2mm 60 1.0mm 0.07 2mm 1mm 0mm 太陽歯車遊星歯車図 2 マイクロ遊星歯車機構 16 SOKEIZAI Vol.54（2013）No.10 内歯歯車特集最近の金属射出成形（MIM）とその動向これらの問題を解決するため、我々は新たにマこのようにイクロ犠牲樹脂型インサート金属粉末射出成形法てさらに小型化、複雑でより精密な部品の製造が実（Micro Sacrificial Plastic Mold Inserted MIM： -SPiMIM）を考案した。 -SPiMIM 技術を導入することによっ現している。 2）ここでフォトレジスト薄膜を犠牲樹脂型として、その概要は、図 4 に示したように最終製品形状の微 -SPiMIM 技術により金属製マイクロ構造体の作製細金型に樹脂を射出成形を行うことによりで犠牲樹を試みた。使用材料はオーステナイト系ステンレス脂型を作製する。次に、その樹脂の製品形状を反転鋼 SUS316L 金属粉で平均粒径 3 m である。した凹型の犠牲樹脂型を金型ヘインサートし、MIM 図 5 には試作した柱状マイクロ構造体を示す。比材の射出成形で最終製品形状の成形体を得たのち、較のため、平均粒径 9 m の金属粉を用いた結果も犠牲樹脂型と MIM 成形体とを一体で取り出す。そし示したが、明らかに金属粉の粒径差によりマイクロてこれらを一体物として同時に脱脂・焼結し、樹脂構造体の表面状態に違いがある。形状転写性の観点型を消失させて金属マイクロ構造体を得る。この犠からもマイクロ部品には微粉末が適している 6）。牲樹脂型方式を採用することにより成形体の破損を近年 MIM 用原料粉として、数防止し、ハンドリングも容易となる。の粉末製造技術が開発、実用化され、 -MIM 製品 m 以下の極微粉の需要にも応えられてきている。またより細かい金微細金型属粉を使用するほど焼結温度を低下、結晶粒の成長犠牲樹脂型を妨げ、寸法精度も向上、図 5 のように表面粗さも改善されより高密度となることから、原料粉の改善は -MIM 製品の品質向上にも大いに寄与している。さらに図 6 には、ナノサイズの銅粉末を用いて MIM材の射出成形 -SPiMIM プロセス技術で作製した成形体および焼 D50 : 3µm D50 : 9µm 犠牲樹脂型と一体で取り出し脱脂・焼結マイクロ構造体図 4 犠牲樹脂型を用いた金属粉末射出成形法当社の -MIM 技術に加え、新たに -SPiMIM 技術とを併せて、マイクロ構造体の代表であるマイクロリアクターの作製に適用した。すなわちマイクロリアクターの製品化、安定供給の実現を目標とし、 MIM の素材選択の柔軟性を活かして材質を種々変え図 5 金属粉末の粒径差による表面状態の違い成形体焼結体（973K）て、マイクロリアクターの作製を試みた。ちなみにこのマイクロ構造体は平板上に幅 50 ∼ 150 m、高さ 200 m の高アスペクト比の円柱ないしは角柱が配列したものであるが、このサイズと形状の金型を作製するには、従来の方法では困難である。マイクロ犠牲樹脂型インサート金属粉末射出成形法（ -SPiMIM）の特徴としては、 1）離型する必要がないので離型不可能な形状でも作製可能また保形性、ハンドリング性向上 2）金型からの急冷を抑制され転写性が向上 3）樹脂型を使用するので充填性、取扱性が良好などである。図 6 マイクロ構造体の表面、断面 SEM 写真（5 m L/S パターン） Vol.54（2013）No.10 SOKEIZAI 17 結体の SEM 写真を示す 7）。これはラインアンドスたは 500 m、高さ 1500 m の円柱状構造を有するペース（L/S）の微細構造を有する樹脂成形物を犠 6mm 角の PMMA 樹脂板を用いた。この樹脂型を金牲樹脂型に用い、ナノサイズの銅粉末で調合された型にインサートし、MIM 原料を MIM 材料を射出成形し、最適な脱脂および焼結工射出成形して図 7 に示すような焼結体が得られた。程で作製された数 m ∼数 10 m のラインアンドス柱状構造体のアスペクト比は 3 ∼ 6 に達成した。ペースパターン構造を有するマイクロ構造体の成形この焼結体の特性はナノ銅粉とダイヤモンド粒子体の表面及び断面写真である。との複合粉を用いていて、マイクロ構造体による面つぎに銅−ダイア複合材料を原料としてペルチェ積が増大することにより熱伝導率が向上し、高性能素子用マイクロヒートシンクをなマイクロヒートシンクが得られる。またダイヤ粒 -SPiMIM 技術を適応して試作を行った。子の均質分散、その配合割合により熱膨張係数の調図 7 にその焼結体の外観、SEM 断面写真を示す。整が可能である。原料粉としては寸法精度や表面粗度に優れたナノサ -MIM 製品のような小物、精密な部品で複雑形イズの純銅粉末（平均粒径：100nm）にダイヤモン状や自由曲面を持つ部品は､従来の接蝕式測定法でド粒子を添加し、 -SPiMIM 技術で射出成形した。は､反りや歪みといった設計図面からの誤差の実態図 7 のように微細なピラー構造を有するマイクロ把握が困難なため、当社では非接触光学式 3 次元測構造体で、ここでの犠牲樹脂型には直径 250 m ま定器を導入している。 8） 1mm ペルチェ素子用アスペクト比:3 1mm 断面SEM像アスペクト比:6 図 7 マイクロヒートシンク CCDカメラ CCDカメラ測定物測定精度点間距離:約0.01mm 図 8 非接触式三次元測定機 18 -SPiMIM 技術で SOKEIZAI Vol.54（2013）No.10 特集最近の金属射出成形（MIM）とその動向図 8 に非接触式三次元測定機の外観、測定評価結較・検証することで製品精度をを検出し解析を行う。果を示す。これは、金型､成形体､焼結体などをそれこのように非接触式 3 次元測定機を活用することらに触れることなく左右二台の CCD カメラで表面状により、的確な検証が困難なμ - MIM 製品のような態と形状を 3 次元データとして取得し、このデータと複雑形状部品でも設計時の寸法精度と焼結製品との元の製品設計図面の 3 次元 CAD データとの誤差が図データを比較検証し、誤差の修正、対応ができる。中の右に示したように色の違いで表示され、これを比 3．ポーラス MIM 焼結体多孔質材料はバイオ、IT など幅広成形体い分野で利用されている。特に、金属製の多孔質材料はポリマー系ポーラスペーサー粒子ス材に比べて耐熱性や力学的特性に優バインダー脱脂体脱脂焼結れ、またセラミックス製よりも高延性で高い電気伝導性・熱伝導性を有してクローズドセル金属粉いる。そのため各種フイルター、化学オープンセル反応触媒、熱交換器や衝撃吸収材など多方面への応用が期待されている。図 9 パウダースペースホルダー（PSH）法しかしながらこれまでの金属多孔質材料においては空孔率や空孔径などの特性を制御し、最終製品のネットシェイプで製造することが困難であった。 3．1 パウダースぺースホルダー法（PSH 法）当社では金属粉末と熱可塑性バインダを混練して得られる MIM 原材料に、第三の構成材料として空孔形成用の樹脂粒子を添加して成形、脱脂・焼結することにより、ポーラス金属部品を製造するパウダースペースホルダー MIM （Powder Space Holder MIM、PSH-MIM）法を開発した 9）。図 9 にこの製法の概略を示すが、この方法では、添加する空孔形成用の樹脂粒子のサイズや図 10 PSH 法による種々材質のポーラス MIM 配合割合を変化させることによって、孔径、空孔率や多孔質構造の制御が可能であることに加え、空孔径がきわめて微小な開放・連続空孔を有する多孔質材料が得られる特長がある。また独立した空孔を持つクローズセル（閉空孔）と各空孔が連結したオープンセル（開空孔）を作製でき、脱脂および焼結時の変形を非常に小さく抑えることが可能であるため、高い形状保持性と高い寸法精度を得ることができる。図 10 は、今までに作製した各種材料の開放・連続空孔を有するポーラス MIM の表面 SEM 写真である。また図 11 には製品例として本方法 PSH-MIM で作製したポーラスインペラーの外観、表面性図 11 PSH 法によるポーラスインペラー 10）状の SEM 写真を示す。 Vol.54（2013）No.10 SOKEIZAI 19 このほか、パウダースぺースホルダーの成形方法それを脱脂・焼結することにより、作製された超薄には二色射出成形法を活用したポーラスサンドイッ肉ポーラス金属材である。チ構造材および緻密材、クローズドセル構造とオーこれにより得られる金属ポーラス体の形状は繊維プンセル構造が段階的に配列した多層傾斜ポーラス状の空孔形成材の形状に依存し、また、原料として材料も開発した。また射出成形の代わりに押出成使用する金属粉末の粒径やスラリー濃度、繊維量、形により、長尺の複雑形状を有するポーラス金属製繊維径や配合割合を種々変化させることにより、気品の製造なども可能である。孔寸法や気孔率および比表面積の制御も可能である。 11）また、この製法の材質はステンレス鋼をはじめとして 3．2 ファイバースぺースホルダー法（FSH 法）ニッケル、銅など様々な合金に対して適用可能である。ポーラス金属材料の製造技術であるパウダース図 13 には FSH 法による極薄肉ポーラス金属材のペースホルダー法に繊維状の空孔形成材を適応させ特徴を示した。吸水性、透過性がありまた加工性にた製造技術である。これは、図 9 のパウダースペーもに優れている。スホルダー法とは異なり、図 12 に示すように、金表 1 には従来のポーラス金属材料の作製法の一つで属粉末と水溶性樹脂等の結合剤を混合し、そのスラもある粉末冶金法も加えて、PSH、FSH 法で作られリーを有機繊維に含浸されることで成形体を作製し、たポーラス金属材料の各種特性を比較してに示した。 12）基材成形体焼結体金属粉末繊維繊維図 12 ファイバースペースホルダー法（FSH 法）毛細管現象による吸水性　厚み 30 μm 以下、空孔率 90％以上毛細管現象による吸水性厚み30µm以下、空孔率90%以上加工性に優れ、はさみによる切断や自在な折り曲げも可能図 13 FSH 法による極薄肉ポーラス金属材の特徴 20 SOKEIZAI Vol.54（2013）No.10 金属繊維特集最近の金属射出成形（MIM）とその動向表 1 各種製法によるポーラス金属材料の特性製法材質粉末冶金法（PM） Al SUS Ti SUS Ti, Ni Al, Cu Ni SUS Cu バウダースペースホルダー法（PSH）ファイバースペースホルダー法（FSH）空孔サイズ（ m）空際率（％）厚さ（ｍｍ） 5 ∼ 100 （10）∼ 50 1 1 ∼ 100 （2）∼ 65 1∼4 （0.05）∼ 200 （0）∼ 90 0.03 ∼ 2 FSH 法で作製されたポーラス金属材は厚さとしてフィルター、化学反応触媒や熱交換器のほかに、イ 30 m の極めて薄いものも可能で、空隙率も幅広くオンリチウム電池集電体、空気清浄機やアルカリイでき最大 90vol％まで可能である。オン整水器の電極、液晶モニターバックライト用高なおこれらポーラス金属材料材は用途例として、輝度陰極管電極など各種電極への応用も期待できる。 4．おわりに近年、MIM 製品は自動車をはじめとする機械械 6 ）長田稔子，西籔和明，松崎覚，田中茂雄，三浦秀士：造用だけでなく、いろいろな機能性が要求される用マイクロ金属粉末射出成形における成形性と焼結性の途にも使用されるようになってきている。 -MIM 製品に対する最近の市場としては、従来の事務機器部品、時計、メガネなどの加えて特に医療機器部品への需要が大いに高まってきている。これらの -MIM 製品開発において、今まで紹介した種々の技術開発が大いに生かされてきている。なおここで記載した研究開発の成果のほとんどは当社と大阪府立大学工業高等専門学校及び九州大学などとの産学共同研究から生まれたものが多い。ここに謝意を記す。及ぼす原料粉末の影響，日本機械学会論文集，72 巻， 713 号，A 編（2006）148． 7 ）西籔和明，田辺大貴，鹿子泰宏，田中茂雄：ナノ銅粉末を用いた NIL 犠牲樹脂型インサート MIM によるマイクロ構造体の作製，粉体粉末冶金協会平成 23 年春季大会講演概要集（2011）156． 8 ）鹿子泰宏，田中茂雄，田辺大貴，西籔和明：ダイヤモンド粒子添加ナノ銅粉末焼結体の作製とその熱伝導性，日本機械学会第 18 回，機械材料・材料加工技術講演会（M&P2010）2003． 9 ）松﨑覚，石田眞司，田中茂雄，西籔和明：パウダースペースホルダー法によるマイクロポーラス金属の製造参考文献技術，日本塑性加工学会，平成 16 年度塑性加工春季 1 ）松﨑覚，田中茂雄，西籔和明：LIGA プロセスを用い講演会講演論文集，D-p-7（2004）．た MIM によるマイクロ構造体の製造の可能性，日本 10）西籔和明，森本圭，松崎覚，田中茂雄：マイクロポー機械学会 2004 年度年次大会講演論文集 Vol. 1，1210 ラス金属射出成形の高品質化，粉体粉末冶金協会平成 17 （2004）559． 2 ）松崎覚，田中茂雄，西籔和明：LIGA プロセスを用い年秋季大会講演概要集（2003）126． 11）西籔和明，松崎覚，田中茂雄：マイクロポーラスメタた金属粉末射出成形によるマイクロ構造体の製造法，ルの高機能化とその特性評価，粉体粉末冶金協会平成粉体および粉末冶金，52（2005）55． 16 年秋季大会講演概要集（2003）195． 3 ）田中茂雄：マイクロ犠牲樹脂型インサートを用いた 12）鹿子泰宏，飴山恵，田中茂雄，Benjamin Heﬂer：ファイバー金属射出成形の高品質化，塑性と加工，49（2008-7）スペースホルダー法による超薄肉多孔質金属の製造，粉 14．体粉末冶金協会平成 25 年春季大会講演概要集（2013）93． 4 ）長田稔子，三浦秀士，田中茂雄，西籔和明：MIM プロセスのマイクロ化とその応用，粉体粉末冶金協会平成 20 年春季大会講演概要集（2008）158． 5 ）西籔和明，田中茂雄：MIM により製造した SUS630 製モジュール 0.07mm 超小型歯車の精度評価，粉体および粉末冶金，56（2009）268．太盛工業株式会社〒 572-0073 大阪府寝屋川市池田北町 26-1 TEL. 072-829-3588 FAX. 072-827-3390 E-Mail：[email protected] http://www.taisei-kogyo.com/ Vol.54（2013）No.10 SOKEIZAI 21