Developments and Applications of Micro Metal Injection Molding (MIM)

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
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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
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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）
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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
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-SPiMIM 技術で
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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。
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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
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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/
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