DE102022100122A1

DE102022100122A1 - Induktionsheizspule und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE102022100122A1
Application number: DE102022100122.9A
Authority: DE
Inventors: Mitsutaka Yoshida; Takeshi Gogami
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2021-02-02
Filing date: 2022-01-04
Publication date: 2022-08-04
Anticipated expiration: 2042-01-05
Also published as: JP7468386B2; CN114845431A; US20220248507A1; DE102022100122B4; JP2022118381A; US11737177B2

Abstract

Eine Induktionsheizspule (1) der vorliegenden Erfindung umfasst ein Paar von bogenförmigen Rohren (21a) und (22a), die entlang einer Umfangsrichtung einer äußeren Umfangsfläche eines zu erwärmenden zylindrischen Objekts bogenförmig gekrümmt sind, und ein gerades Rohr (23a), das ein Ende der bogenförmigen Rohre (21a) und (22a) miteinander verbindet, wobei zumindest eine Wand (24) innerhalb des geraden Rohrs (23a) ausgebildet ist, wobei sich die zumindest eine Wand (24) entlang einer Längsrichtung des geraden Rohrs (23a) erstreckt und einen inneren Weg des geraden Rohrs (23a) in eine Vielzahl von Wegen unterteilt, und wobei zumindest ein rhombisches Durchgangsloch (24a), (24b) und (24c) in der Wand (24) ausgebildet ist.

Description

HINTERGRUND
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Induktionsheizspule und ein Verfahren zur Herstellung einer Induktionsheizspule. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung einer Induktionsheizspule, bei dem die Induktionsheizspule durch wiederholtes Ausbilden von Metallschichten geformt wird, von denen jede durch Aufbringen eines Laserstrahls auf einen vorbestimmten Bereich eines in einem geschichteten Zustand abgelagerten Metallpulvers gebildet wird, und dadurch das Metallpulver in dem vorbestimmten Bereich geschmolzen und verfestigt wird.
In den letzten Jahren ist die Technologie der additiven Fertigung (die so genannte „3D-Druckertechnologie“) ins Rampenlicht gerückt. Bei der additiven Fertigungstechnologie wird ein Gegenstand mit einer 3D (dreidimensionalen) Form durch wiederholtes Aufbringen eines Laserstrahls auf einen vorbestimmten Bereich eines in einem geschichteten Zustand abgelagerten Metallpulvers geformt, wodurch das Metallpulver in dem vorbestimmten Bereich geschmolzen und verfestigt wird und auf diese Weise eine große Anzahl von Metallschichten miteinander laminiert und integriert werden.
Die japanische Patentanmeldung JP 2018- 010 876 A offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Induktionsheizspule unter Verwendung einer solchen additiven Fertigungstechnologie.
KURZFASSUNG
Die Erfinder haben das folgende Problem in Bezug auf die Induktionsheizspule gefunden, die in der japanischen Patentanmeldung JP 2018- 010 876 A offenbart ist. Wenn eine Induktionsheizspule, die zur Induktionserwärmung eines zu erwärmenden zylindrischen Objekts verwendet wird, mit einem Neigungswinkel von 90° geformt wird (d. h. in einem Zustand, in dem die zu formende Induktionsheizspule um 90° geneigt ist), indem das additive Herstellungsverfahren verwendet wird, ist es notwendig, einen Träger innerhalb der Induktionsheizspule auszubilden. Detaillierte Beschreibungen werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die 12 bis 14 gegeben.
Die 12 bis 14 sind schematische perspektivische Ansichten einer Induktionsheizspule 300, die durch ein Verfahren zur Herstellung einer Induktionsheizspule nach dem Stand der Technik hergestellt wurde. Die positive Richtung der z-Achse ist eine vertikal nach oben gerichtete Richtung, und die xy-Ebene ist parallel zur horizontalen Ebene. Der Neigungswinkel der Induktionsheizspule 300 in einem Zustand, in dem die von der Induktionsheizspule 300 eingenommene Fläche in der Ebenenansicht maximiert ist, d. h. in einem Zustand, in dem ein Rohrleitungsteil 100 der Induktionsheizspule 300 auf der positiven Seite der x-Achse und ein Spulenteil 200 auf der negativen Seite der x-Achse angeordnet ist, ist als 0° definiert. Wie in 12 gezeigt, ist der Neigungswinkel der Induktionsheizspule 300 in einem Zustand, in dem die von der Induktionsheizspule 300 eingenommene Fläche in der Ebenenansicht minimiert ist, d. h. in einem Zustand, in dem der Rohrleitungsteil 100 der Induktionsheizspule 300 auf der positiven Seite der z-Achse und der Spulenteil 200 auf der negativen Seite der z-Achse angeordnet ist, als 90° definiert.
13 ist eine vergrößerte Ansicht eines Bereichs, der in 12 mit dem Symbol XIII gekennzeichnet ist. Wenn der Neigungswinkel der Induktionsheizspule 300 während des Formens 90° beträgt, wie in 12 gezeigt, ist es notwendig, eine Stütze S innerhalb eines Hohlwegs 207 eines geraden Rohrs 203 auszubilden, wie in 13 gezeigt. Nach dem Formen kann die im Inneren des Weges 207 gebildete Stütze S nicht entfernt werden, was zu dem Problem führt, dass sie den Fluss eines Kältemittels, wie z. B. eines Kühlmittels, im Inneren des Weges 207 des geraden Rohres 203 behindert.
Es sei angemerkt, dass es zur Bildung des geraden Rohres 203 ohne die Bildung der Stütze S innerhalb des Weges 207 in der Induktionsheizspule, die durch das Herstellungsverfahren nach dem Stand der Technik hergestellt wird, notwendig ist, den Neigungswinkel der Induktionsheizspule 300 während des Formens auf 45° einzustellen, wie in 14 gezeigt. Wenn die Induktionsheizspule 300 jedoch mit einem Neigungswinkel von 45°, wie in 14 gezeigt, hergestellt wird, benötigt sie während des Formens eine größere Fläche auf der xy-Ebene als die Fläche, die erforderlich ist, wenn sie mit einem Neigungswinkel von 90°, wie in 12 gezeigt, hergestellt wird. Wie in 14 gezeigt, ist die Anzahl der Induktionsheizspulen 300, die gleichzeitig geformt werden können, gering, z. B. zwei, wie in dem Beispiel gezeigt, was zu einem Problem führt, dass die Produktionseffizienz gering ist.
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf das oben beschriebene Problem gemacht und hat zur Aufgabe, eine Induktionsheizspule zu schaffen, die durch das additive Herstellungsverfahren geformt werden kann, ohne einen Träger bzw. eine Stütze darin zu bilden, und die in der Lage ist, Ungleichmäßigkeiten einer Wassertemperatur über eine Vielzahl von Wegen innerhalb eines geraden Rohres zu verhindern, sowie ein Verfahren zur Herstellung solcher Induktionsheizspulen anzugeben, durch das die Produktionseffizienz verbessert werden kann.
Ein erster beispielhafter Aspekt ist eine Induktionsheizspule, die umfasst:

ein Paar bogenförmiger Rohre, die entlang einer Umfangsrichtung einer äußeren Umfangsfläche eines zu erwärmenden zylindrischen Objekts bogenförmig gekrümmt sind; und
ein gerades Rohr, das ein Ende der bogenförmigen Rohre miteinander verbindet, wobei
zumindest eine Wand innerhalb des geraden Rohrs ausgebildet ist, wobei sich die zumindest eine Wand entlang einer Längsrichtung des geraden Rohrs erstreckt und einen inneren Weg des geraden Rohrs in eine Vielzahl von Wegen unterteilt, und
zumindest ein rhombisches Durchgangsloch in der Wand ausgebildet ist.

Bei der Induktionsheizspule der vorliegenden Erfindung ist zumindest eine Wand, die sich entlang der Längsrichtung des geraden Rohres erstreckt und den inneren Weg des geraden Rohres in eine Vielzahl von Wegen unterteilt, innerhalb des geraden Rohres ausgebildet. Daher fungiert die Wand als Stütze, so dass die Ausbildung einer Stütze im Inneren des geraden Rohrs nicht erforderlich ist. Außerdem ist in der Wand zumindest ein rhombisches bzw. rautenförmiges Durchgangsloch ausgebildet. Dadurch können Ungleichmäßigkeiten der Wassertemperatur vermieden werden, die andernfalls über die vielen Wege im Inneren des geraden Rohrs auftreten würden.
Ein Abstand zwischen benachbarten Wänden kann 5 mm oder weniger betragen. Durch die oben beschriebene Konfiguration ist es nicht notwendig, eine Stütze im Inneren des geraden Rohres zu bilden.
Ein weiterer beispielhafter Aspekt ist ein Verfahren zur Herstellung einer Induktionsheizspule, bei dem die Induktionsheizspule geformt wird durch wiederholtes:

Ablagern eines Metallpulvers in einem geschichteten Zustand; und
Bilden von Metallschichten durch wiederholtes Aufbringen eines Laserstrahls auf einen vorbestimmten Bereich des in dem geschichteten Zustand abgelagerten Metallpulvers und dadurch Schmelzen und Verfestigen des Metallpulvers in dem vorbestimmten Bereich, und
sukzessives Laminieren der Metallschichten vertikal nach oben, wobei
die Induktionsheizspule ein Paar bogenförmiger Rohre aufweist, die entlang einer Umfangsrichtung einer äußeren Umfangsfläche eines zu erwärmenden zylindrischen Objekts bogenförmig gekrümmt sind, sowie ein gerades Rohr, das ein Ende der bogenförmigen Rohre miteinander verbindet,
zumindest eine Wand im Inneren des geraden Rohrs ausgebildet ist, wobei sich die zumindest eine Wand entlang einer Längsrichtung des geraden Rohrs erstreckt und einen inneren Weg des geraden Rohrs in eine Vielzahl von Wegen unterteilt, und
zumindest ein rhombisches Durchgangsloch in der Wand ausgebildet ist.

Bei dem Verfahren zur Herstellung einer Induktionsheizspule gemäß der vorliegenden Erfindung wird zumindest eine Wand, die sich entlang der Längsrichtung des geraden Rohrs erstreckt und den inneren Weg des geraden Rohrs in eine Vielzahl von Wegen unterteilt, innerhalb des geraden Rohrs ausgebildet. Daher fungiert die Wand als Stütze, so dass es nicht notwendig ist, während des Formens eine Stütze innerhalb des geraden Rohrs zu bilden. Außerdem ist in der Wand zumindest ein rhombisches Durchgangsloch ausgebildet. Dadurch können Ungleichmäßigkeiten der Wassertemperatur vermieden werden, die andernfalls über die vielen Wege im Inneren des geraden Rohrs auftreten würden.
Ein Abstand zwischen benachbarten Wänden kann 5 mm oder weniger betragen. Durch die oben beschriebene Konfiguration ist es möglich, eine Induktionsheizspule herzustellen, ohne dass es zu einer Durchbiegung des hohlen geraden Rohrs kommt. Daher ist es nicht notwendig, eine Stütze im Inneren des geraden Rohres zu bilden.
Das bogenförmige Rohr kann geformt werden, nachdem das gerade Rohr geformt wurde. Durch die oben beschriebene Konfiguration ist es möglich, die Produktionseffizienz zu verbessern.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Induktionsheizspule zu schaffen, die durch das additive Herstellungsverfahren geformt werden kann, ohne dass ein Träger bzw. eine Stütze im Inneren der Spule ausgebildet wird, und die in der Lage ist, eine Ungleichmäßigkeit der Wassertemperatur über eine Vielzahl von Wegen im Inneren eines geraden Rohres zu verhindern, sowie ein Verfahren zur Herstellung solcher Induktionsheizspulen anzugeben, durch das die Produktionseffizienz verbessert werden kann.
Die obige Aufgabe und andere Aspekte, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung können aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, die nur zur Veranschaulichung dienen und daher nicht als Einschränkung der vorliegenden Erfindung zu betrachten sind, besser verstanden werden.
Figurenliste

1 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die eine Induktionsheizspule gemäß einer Ausführungsform zeigt;
2 ist eine perspektivische Ansicht, die den inneren Aufbau eines geraden Rohres der Induktionsheizspule gemäß der Ausführungsform zeigt;
3 ist eine vordere Querschnittsansicht, die den inneren Aufbau des geraden Rohrs der Induktionsheizspule gemäß der Ausführungsform zeigt;
4 ist eine perspektivische Querschnittsansicht entlang einer Linie IV-IV in 3;
5 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Beispiel einer additiven Fertigungsvorrichtung zeigt, die in einem Verfahren zur Herstellung einer Induktionsheizspule gemäß einer Ausführungsform verwendet wird;
6 ist eine perspektivische Ansicht einer Induktionsheizspule, die nach einem Verfahren zur Herstellung einer Induktionsheizspule gemäß einer Ausführungsform hergestellt wurde;
7 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht, die einen Bereich zeigt, der in 6 mit dem Symbol VII gekennzeichnet ist;
8 ist eine perspektivische Ansicht einer Induktionsheizspule, die nach einem Verfahren zur Herstellung einer Induktionsheizspule gemäß einer Ausführungsform hergestellt wurde;
9 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die einen Zustand zeigt, in dem ein Kurbelzapfen CP einer Kurbelwelle CS durch Verwendung einer Induktionsheizspule gemäß einem Beispiel oder einem Vergleichsbeispiel gehärtet wird;
10 zeigt Fotos von Querschnitten, die Ergebnisse des Härtens von Kurbelzapfen CP zeigen, die mit den Induktionsheizspulen gemäß dem Beispiel und den Vergleichsbeispielen gehärtet wurden;
11 ist ein Graph, der die Ergebnisse der Härtungstiefen von Kurbelzapfen zeigt, die mit den Induktionsheizspulen gemäß dem Beispiel und den Vergleichsbeispielen gehärtet wurden;
12 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die eine Induktionsheizspule zeigt, die nach einem Verfahren zur Herstellung einer Induktionsheizspule gemäß dem Stand der Technik hergestellt wurde;
13 ist eine vergrößerte Ansicht eines Bereichs XIII in 12; und
14 ist eine schematische perspektivische Ansicht einer Induktionsheizspule, die nach einem Verfahren zur Herstellung einer Induktionsheizspule gemäß dem Stand der Technik hergestellt wurde.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Spezifische Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail beschrieben.
Es sei angemerkt, dass die in den Zeichnungen dargestellten rechtshändigen xyzorthogonalen Koordinatensysteme nur der Einfachheit halber dargestellt sind, um die Lagebeziehung zwischen den Komponenten zu erklären. Die positive Richtung der z-Achse ist vertikal nach oben gerichtet, sofern nichts anderes angegeben ist. Außerdem ist die xy-Ebene parallel zur horizontalen Ebene.
(Ausführungsform)
<Konfiguration einer Induktionsheizspule>
Zunächst wird eine Konfiguration einer Induktionsheizspule gemäß einer Ausführungsform unter Bezugnahme auf 1 beschrieben.
1 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die eine Induktionsheizspule 1 gemäß einer Ausführungsform zeigt. Die Induktionsheizspule 1 besteht z. B. aus reinem Kupfer oder einer Kupferlegierung wie Chromkupfer. Wie in 1 dargestellt, umfasst die Induktionsheizspule 1 einen Rohrleitungsteil 10 und einen Spulenteil 20.
Wie in 1 dargestellt, umfasst das Rohrleitungsteil 10 ein Paar Führungsrohre 11a und 11b, ein Verbindungsrohr 12 und ein Abflussrohr 13. Jede der Komponenten des Rohrleitungsteils 10 besteht aus einem rechteckigen Rohr, dessen breite Flächen (d. h. gegenüberliegende Flächen mit größeren Bereichen) senkrecht zur Richtung der y-Achse verlaufen (d. h. dessen Breite in Richtung der y-Achse gering ist).
Ferner erwärmt das Spulenteil 20 induktiv (d. h. durch Induktionserwärmung) ein zu erwärmendes zylindrisches Objekt, dessen Mittelachse parallel zur y-Achse verläuft, von außen. Ein Beispiel für ein zu erwärmendes Objekt, das in 1 durch Strichzweitpunktlinien angedeutet ist, ist ein Kurbelzapfen CP einer Kurbelwelle. Ein weiteres Beispiel für ein zu erwärmendes Objekt ist ein Kurbelwellenlager einer Kurbelwelle. Wie in 1 gezeigt, umfasst der Spulenteil 20 ein Paar bogenförmiger Spulen 20a und 20b, die in Umfangsrichtung entlang äußeren Umfangsfläche des Kurbelzapfens CP bogenförmig gekrümmt sind.
Wie in 1 dargestellt, umfasst die bogenförmige Spule 20a ein erstes bogenförmiges Rohr 21a, ein zweites bogenförmiges Rohr 22a und ein gerades Rohr 23a. Das gerade Rohr 23a ist ein Rohr, das ein Ende des ersten und des zweiten bogenförmigen Rohrs 21a und 22a miteinander verbindet. In ähnlicher Weise umfasst die bogenförmige Spule 20b ein erstes bogenförmiges Rohr 21b, ein zweites bogenförmiges Rohr 22b und ein gerades Rohr 23b. Das gerade Rohr 23b ist ein Rohr, das ein Ende des ersten und des zweiten bogenförmigen Rohrs 21b und 22b miteinander verbindet.
Wie in 1 dargestellt, erstrecken sich die Führungsrohre 11a und 11b nach oben (in positiver Richtung der z-Achse) und sind in Richtung der y-Achse nebeneinander angeordnet. Ferner ist jedes der Enden (auf der negativen Seite der x-Achse) der Führungsrohre 11a und 11b mit einer Hochfrequenz-Stromquelle (nicht dargestellt) verbunden. Daneben ist das untere Ende des Führungsrohrs 11a mit einem Basisteil (dem oberen Ende) des zweiten bogenförmigen Rohrs 22a der Bogenförmigen Spule 20a verbunden, und das untere Ende des Führungsrohrs 11b ist mit einem Basisteil (dem oberen Ende) des zweiten bogenförmigen Rohrs 22b der bogenförmigen Spule 20b verbunden.
Wie in 1 dargestellt, verbindet das Verbindungsrohr 12 das Paar der bogenförmigen Spulen 20a und 20b miteinander. In dem in 1 gezeigten Beispiel hat das Verbindungsrohr 12 eine U-Form in der xz-Ebene. Insbesondere erstreckt sich das Verbindungsrohr 12 vom Basisteil (dem oberen Ende) des ersten bogenförmigen Rohrs 21a der bogenförmigen Spule 20a nach oben und umfasst einen Teil, der in Richtung der y-Achse Seite an Seite mit einem Teil des Führungsrohrs 11a angeordnet ist. Ferner umfasst das Verbindungsrohr 12 einen Teil, der sich vom Basisteil (dem oberen Ende) des ersten bogenförmigen Rohrs 21b der bogenförmigen Spule 20b nach oben erstreckt. Ferner sind die oberen Enden der beiden Teile, die in Richtung der x-Achse nebeneinander angeordnet sind, durch einen weiteren Teil des Verbindungsrohrs 12, der sich in Richtung der x-Achse erstreckt, miteinander verbunden.
Ein Ende des Abflussrohrs 13 ist mit dem Ende des Verbindungsrohrs 12 verbunden, und ein Kühlmittel wird aus dem anderen Ende des Abflussrohrs 13 abgeleitet. Das andere Ende des Abflussrohrs 13 ist elektrisch isoliert, so dass kein elektrischer Strom durch das Abflussrohr 13 fließt.
Jedes der ersten und zweiten bogenförmigen Rohre 21a und 22a der bogenförmigen Spule 20a ist ein rechteckiges Rohr, das ungefähr in einer 1/4-Bogenform entlang der Umfangsrichtung der äußeren Umfangsfläche des Kurbelzapfens CP gekrümmt ist, und sie sind nebeneinander in Richtung der y-Achse angeordnet. Ferner sind die Spitzen (die unteren Enden) der ersten und zweiten bogenförmigen Rohre 21a und 22a durch das gerade Rohr 23a miteinander verbunden, das sich in axialer Richtung des Kurbelzapfens CP (d. h. in Richtung der y-Achse) erstreckt.
In ähnlicher Weise ist jedes der ersten und zweiten bogenförmigen Rohre 21b und 22b der bogenförmigen Spule 20b ein rechteckiges Rohr, das ungefähr in einer 1/4-Bogenform entlang der Umfangsrichtung der äußeren Umfangsfläche des Kurbelzapfens CP gekrümmt ist, und sie sind nebeneinander in der Richtung der y-Achse angeordnet. Ferner sind die Spitzen (die unteren Enden) der ersten und zweiten bogenförmigen Rohre 21b und 22b durch das gerade Rohr 23b miteinander verbunden, das sich in der axialen Richtung des Kurbelzapfens CP (d. h. in der Richtung der y-Achse) erstreckt.
Im Folgenden werden ein elektrischer Strom und ein Durchfluss FL eines Kühlmittels in der Induktionsheizspule 1 beschrieben.
In 1 fließt ein von einer Hochfrequenz-Stromquelle gelieferter elektrischer Strom durch das Führungsrohr 11a, die bogenförmigen Spule 20a, das Verbindungsrohr 12, die bogenförmigen Spule 20b und das Führungsrohr 11b in dieser Reihenfolge oder in umgekehrter Reihenfolge.
Ferner wird in 1 ein Kühlmittel zur Kühlung der bogenförmigen Spule 20a vom Ende des Führungsrohrs 11a zugeführt, fließt durch die bogenförmige Spule 20a und das Verbindungsrohr 12 und wird aus dem Abflussrohr 13 abgeleitet. In 1 ist der Fluss FL des Kühlmittels durch gestrichelte Linien dargestellt.
Daneben wird ein Kühlmittel zur Kühlung der bogenförmigen Spule 20b vom Ende des Führungsrohrs 11b zugeführt, fließt durch die bogenförmige Spule 20b und das Verbindungsrohr 12 und wird aus dem Abflussrohr 13 abgeleitet.
Es sei angemerkt, dass das Kältemittel, das im Inneren der Induktionsheizspule fließt, nicht auf das Kühlmittel beschränkt ist.
Nachfolgend wird der innere Aufbau des geraden Rohrs 23a anhand der 2 bis 4 beschrieben.
2 ist eine perspektivische Ansicht, die den inneren Aufbau des geraden Rohrs 23a der Induktionsheizspule 1 gemäß der Ausführungsform zeigt. 2 zeigt einen Bereich II, der in 1 durch eine gestrichelte Linie gekennzeichnet ist. Das gerade Rohr 23b, das ein Paar mit dem geraden Rohr 23a bildet, hat einen ähnlichen inneren Aufbau wie das gerade Rohr 23a, das im Folgenden beschrieben wird.
Wie in 2 gezeigt, sind die Wände 24 und 25 in einem inneren Weg 27 des geraden Rohrs 23a ausgebildet. Jede der Wände 24 und 25 erstreckt sich entlang der Längsrichtung des geraden Rohrs 23a (d. h. in Richtung der y-Achse) und hat in etwa die Form eines Prismas (d. h. eines rechteckigen Zylinders). Die Wände 24 und 25 unterteilen den inneren Weg 27 des geraden Rohrs 23a in eine Vielzahl von Wegen 26a, 26b und 26c. Es sei angemerkt, dass sich der innere Weg 27 auf den Weg bezieht, durch den das Kühlmittel wie oben beschrieben fließt. Jeder der Wege 26a, 26b und 26c, die durch die Unterteilung des inneren Weges 27 durch die Wände 24 und 25 gebildet werden, hat ungefähr eine zylindrische Form. Die Wände 24 und 25 fungieren als Stützen, wenn die Induktionsheizspule dieser Ausführungsform durch das additive Fertigungsverfahren geformt wird. Daher ist es möglich, die Induktionsheizspule durch das additive Herstellungsverfahren zu formen, ohne eine Stütze im inneren Weg 27 zu bilden.
In der Wand 24 sind Durchgangslöcher 24a, 24b und 24c, die den Weg 26a mit dem Weg 26b verbinden, ausgebildet. In ähnlicher Weise sind in der Wand 25 Durchgangslöcher 25a, 25b und 25c ausgebildet, die den Weg 26b mit dem Weg 26c verbinden. Jedes der Durchgangslöcher hat im Querschnitt eine rhombische bzw. rautenförmige Form, deren Einzelheiten später unter Bezugnahme auf 4 beschrieben werden. Obwohl ein Beispiel, bei dem drei Durchgangslöcher in jeder Wand ausgebildet sind, oben mit Bezug auf 2 beschrieben wurde, ist es ausreichend, wenn zumindest ein Durchgangsloch in jeder Wand ausgebildet ist. Dadurch, dass in jeder Wand zumindest ein Durchgangsloch vorhanden ist, kann das Kühlmittel zwischen benachbarten Wegen fließen. Während der Induktionserwärmung hat der Weg 26c, der näher am zu erwärmenden Objekt liegt, eine höhere Temperatur als der Weg 26a, der weiter vom zu erwärmenden Objekt entfernt ist. Durch das Vorhandensein von Durchgangslöchern zwischen den Wegen ist es jedoch möglich, die Ungleichmäßigkeit der Wassertemperatur des Kühlmittels zwischen den Wegen zu verhindern oder zu verringern.
3 ist eine vordere Querschnittsansicht, die den inneren Aufbau des geraden Rohrs 23a der Induktionsheizspule der Ausführungsform zeigt. Der Abstand zwischen den benachbarten Wänden 24 und 25 beträgt 5 mm oder weniger. Mit anderen Worten, die Wände 24 und 25 sind so ausgebildet, dass die Breite des Weges 26b, der zwischen den Wänden 24 und 25 gebildet wird, entlang der x-Achse auf der xy-Ebene auf der positiven Seite auf der z-Achse 5 mm oder kürzer ist. Mit anderen Worten, in dem inneren Weg 27 sind die Wände so geformt, dass die Breite jeder einer Vielzahl von Wegen entlang der x-Achse auf der xy-Ebene auf der positiven Seite auf der z-Achse 5 mm oder kürzer ist. Durch die oben beschriebene Konfiguration ist es möglich, die Induktionsheizspule herzustellen, ohne dass das hohle gerade Rohr 23a durchhängt. Daher ist es nicht notwendig, eine Stütze im Inneren des geraden Rohrs auszubilden.
4 ist eine perspektivische Querschnittsansicht entlang einer Linie IV-IV in 3. Wie in 4 gezeigt, hat jedes der Durchgangslöcher 24a, 24b und 24c eine rhombische Form im Querschnitt. Das heißt, jedes der Durchgangslöcher 24a, 24b und 24c hat eine quadratische zylindrische Form und eine rhombische Form im Querschnitt. Unter „rhombischer Form“ ist in dieser Beschreibung ein Quadrat zu verstehen, bei dem die Länge aller vier Seiten gleich ist und alle vier Innenwinkel rechtwinklig sind. Wie in 4 gezeigt, sind die Durchgangslöcher 24a, 24b und 24c so geformt, dass die vorgenannten Quadrate in einem Neigungswinkel von 45° auf der yz-Ebene ausgerichtet sind. Indem jedes der Durchgangslöcher so geformt ist, dass es im Querschnitt eine rhombische Form aufweist, ist es möglich, die Durchgangslöcher 24a, 24b und 24c jeweils mit einer quadratischen zylindrischen Form auszubilden und gleichzeitig zu verhindern, dass es während der additiven Fertigung zu einer Durchbiegung kommt.
Da das Rohrleitungsteil 10 und das Spulenteil 20 in der Induktionsheizspule 1 dieser Ausführungsform integral geformt sind, hat sie außerdem eine längere Lebensdauer als eine Induktionsheizspule, die durch Zusammenkleben aller Komponenten durch Löten hergestellt wird. Der Begriff „Lebensdauer“ bezeichnet die Zeitspanne, bis die Induktionsheizspule aufgrund von Wasserleckagen oder ähnlichem nicht mehr verwendet werden kann. Während eine durch Löten hergestellte Induktionsheizspule durchschnittlich 20.000 Schüsse und maximal 30.000 Schüsse lang verwendet werden kann, kann die Induktionsheizspule 1 dieser Ausführungsform 90.000 Schüsse lang verwendet werden. Darüber hinaus kann die Induktionsheizspule 1 dieser Ausführungsform zu niedrigeren Stückkosten als eine durch Löten hergestellte Induktionsheizspule hergestellt werden, so dass es möglich ist, die Herstellungskosten zu senken.
Gleichzeitig ist die Härtungstiefe eines zu erwärmenden Objekts, das die Induktionsheizspule 1 gemäß dieser Ausführungsform induktiv erwärmt, äquivalent zu der Härtungstiefe eines zu erwärmenden Objekts, das die durch Löten hergestellte Induktionsheizspule induktiv erwärmt. Die Ergebnisse des Vergleichs der Härtungstiefen gemäß der vorliegenden Ausführungsform mit denen nach dem Stand der Technik werden später anhand eines Beispiels beschrieben. Was die grundlegenden physikalischen Eigenschaften betrifft, so hat die durch Löten hergestellte Induktionsheizspule eine Leitfähigkeit von 100 %, da sie aus reinem Kupfer hergestellt ist. In der Daneben ist die Induktionsheizspule 1 gemäß dieser Ausführungsform aus einer Legierung auf Kupferbasis hergestellt, so dass ihre Leitfähigkeit ebenfalls hoch ist, z. B. etwa 90 %, und sie kann in geeigneter Weise als Induktionsheizspule verwendet werden.
<Konfiguration und Betrieb der Vorrichtung zur additiven Fertigung>
Nachfolgend wird eine Vorrichtung zur additiven Fertigung, die in einem Verfahren zur Herstellung einer Induktionsheizspule gemäß einer Ausführungsform verwendet wird, unter Bezugnahme auf 5 beschrieben. 5 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Beispiel für eine additive Fertigungsvorrichtung zeigt, die in einem Verfahren zur Herstellung einer Induktionsheizspule gemäß einer Ausführungsform verwendet wird. Wie in 5 gezeigt, umfasst die additive Fertigungsvorrichtung einen Sockel 31, eine Oberflächenplatte 32, einen Formtank 33, ein Formtank-Stützteil 34, eine Formtank-Antriebseinheit 35, eine Stützsäule 36, ein Stützteil 37, einen Laserscanner 38, eine optische Faser 39, einen Laseroszillator 40, einen Abstreifer 41, eine Rinne 42, einen Pulververteiler 43, eine Pulverzufuhreinheit 44 und eine Steuereinheit 500.
Der Sockel 31 ist eine Plattform zur Befestigung der Oberflächenplatte 32 und der Stützsäule 36. Der Sockel 31 wird so auf einer Bodenfläche installiert, dass die Oberseite, auf der die Oberflächenplatte 32 liegt, horizontal ist. Die Oberflächenplatte 32 wird auf die horizontale Oberseite des Sockels 31 angeordnet und befestigt. Die Oberseite der Oberflächenplatte 32 ist ebenfalls horizontal, und ein Metallpulver 51 wird auf die Oberseite der Oberflächenplatte 32 aufgebracht, so dass ein zu formender Gegenstand bzw. Formteil 50 mit einer 3D (dreidimensionalen) Form (im Folgenden auch als 3D-Formteil 50 oder dergleichen bezeichnet) gebildet wird.
Obwohl es sich bei dem eigentlichen Formteil 50 um die in den 1 bis 4 gezeigte Induktionsheizspule 1 handelt, ist das in 5 gezeigte Formteil 50 schematisch dargestellt, um die additive Fertigungsvorrichtung zu erläutern.
In dem in 5 gezeigten Beispiel ist die Oberflächenplatte 32 ein Element mit der Form eines rechteckigen Prismas. Wie in 5 gezeigt, ist ein flanschartiger Vorsprung 32a, der sich in horizontaler Richtung erstreckt, über die gesamte Umfangskante der oberen Fläche der Oberflächenplatte 32 ausgebildet. Die äußere Umfangsfläche dieses Vorsprungs 32a liegt über den gesamten Umfang an der Innenfläche des Formtanks 33 an, so dass es möglich ist, das Metallpulver 51 in dem Raum zu halten, der von der oberen Fläche der Oberflächenplatte 32 und der Innenfläche des Formtanks 33 eingeschlossen wird. Es sei angemerkt, dass es möglich ist, die Kraft zum Halten des Metallpulvers 51 zu verbessern, indem ein Dichtungselement (nicht dargestellt), das z. B. aus Filz besteht, an der äußeren Umfangsfläche des Vorsprungs 32a angebracht wird, die mit der Innenfläche des Formtanks 33 in Kontakt ist.
Der Formtank 33 ist ein zylindrisches Element, das das auf der Oberseite der Oberflächenplatte 32 abgelagerte Metallpulver 51 von den Seiten her aufnimmt. Da in dem in 5 gezeigten Beispiel die Oberflächenplatte 32 die Form eines rechteckigen Prismas hat, ist der Formtank 33 ein rechteckiges Rohr mit einem Flanschteil 33a an seinem oberen Ende. Der Formtank 33 besteht aus einer Edelstahlplatte mit einer Dicke von z. B. 1 bis 6 mm (vorzugsweise 3 bis 5 mm) und hat ein geringes Gewicht. Am oberen offenen Ende 33b des Formtanks 33 wird eine Metallpulverschicht gebildet, und durch Aufbringen eines Laserstrahls LB auf diese Metallpulverschicht wird eine Metallschicht gebildet. Die Form des oberen offenen Endes 33b ist zum Beispiel ein Quadrat von 600 mm × 600 mm.
Außerdem ist der Formtank 33 so angeordnet, dass er in vertikaler Richtung (d. h. in Richtung der z-Achse) bewegt werden kann. Wie später im Detail beschrieben wird, wird der zu formende Gegenstand 50 so geformt, dass jedes Mal, wenn eine Metallschicht gebildet wird, der Formtank 33 um einen bestimmten Betrag relativ zur Oberflächenplatte 32 angehoben wird. Es sei angemerkt, dass in der erfindungsgemäßen additiven Fertigungsvorrichtung nur der Formtank 33, der ein bestimmtes Gewicht und ein geringes Gewicht hat, angehoben werden muss. Daher kann bei der Bildung jeder Metallpulverschicht diese mit hoher Präzision gebildet werden. Folglich kann der zu formende Gegenstand bzw. das Formteil 50 mit hoher Präzision geformt werden.
Das Formtank-Stützteil 34 ist ein Stützelement, das die Unterseite des Flanschteils 33a des Formtanks 33 an drei Punkten stützt, so dass die Oberseite des Flanschteils 33a horizontal wird. Das Formtank-Stützteil 34 ist mit einem Verbindungsteil 35c der Formtank-Antriebseinheit 35 verbunden, die den Formtank 33 in vertikaler Richtung (in Richtung der z-Achse) bewegt.
Die Formtank-Antriebseinheit 35 ist ein Antriebsmechanismus zum Bewegen des Formtanks 33 in vertikaler Richtung (in Richtung der z-Achse). Die Formtank-Antriebseinheit 35 umfasst einen Motor 35a, einen Kugelgewindetrieb 35b und das Verbindungsteil 35c. Wenn der Motor 35a angetrieben wird, dreht sich der Kugelgewindetrieb 35b, der sich in Richtung der z-Achse erstreckt. Während sich der Kugelgewindetrieb 35b dreht, bewegt sich das Verbindungsteil 35c in vertikaler Richtung (in Richtung der z-Achse) entlang des Kugelgewindetriebs 35b. Wie oben beschrieben, kann der Formtank 33 durch die Formtank-Antriebseinheit 35 in vertikaler Richtung (in Richtung der z-Achse) bewegt werden, da das Formtank-Stützteil 34, das den Formtank 33 stützt, mit dem Verbindungsteil 35c verbunden ist. Es sei angemerkt, dass die Antriebsquelle der Formtank-Antriebseinheit 35 nicht auf den Motor beschränkt ist. Beispielsweise kann auch ein Hydraulikzylinder oder ähnliches als Antriebsquelle verwendet werden.
Es sei angemerkt, dass die Formtank-Antriebseinheit 35 am oberen Teil der Stützsäule 36 befestigt ist, die so angeordnet ist, dass sie sich ungefähr vertikal (d. h. in vertikaler Richtung) von dem Sockel 31 erstreckt. Da die Formtank-Antriebseinheit 35, wie oben beschrieben, außerhalb des Formtanks 33 in der additiven Fertigungsvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform angeordnet ist, kann sie leicht gewartet werden.
Der Laserscanner 38 bringt einen Laserstrahl LB auf die Metallpulverschicht auf, die im oberen offenen Ende 33b des Formtanks 33 gebildet wird. Der Laserscanner 38 umfasst eine Linse und einen Spiegel (nicht dargestellt). Daher kann der Laserscanner 38, wie in 5 gezeigt, den Laserstrahl LB auf einen beliebigen Teil der Metallpulverschicht fokussieren, unabhängig von seiner Position in der horizontalen Ebene (in der xy-Ebene), d. h. seiner Position auf der Metallpulverschicht.
Es sei angemerkt, dass der Laserstrahl LB im Laseroszillator 40 erzeugt und durch die optische Faser 39 in den Laserscanner 38 geleitet wird. Es sei angemerkt, dass eine Metallschicht durch Aufbringen eines Elektronenstrahls auf die Metallpulverschicht unter Verwendung einer Elektronenstrahlerzeugungsvorrichtung (nicht gezeigt) anstelle des Laseroszillators 40 gebildet werden kann.
Darüber hinaus ist der Laserscanner 38 durch das Stützteil 37 an dem Flanschteil 33a des Formtanks 33 befestigt. Daher ist es möglich, den Abstand zwischen dem Laserscanner 38 und der Metallpulverschicht, die das Ziel der Aufbringung des Laserstrahls LB ist, konstant zu halten. Daher kann die Vorrichtung zur additiven Fertigung dieser Ausführungsform das Formteil 50 mit hoher Präzision herstellen.
Der Abstreifer 41 umfasst einen ersten Abstreifer 41a und einen zweiten Abstreifer 41b. Sowohl der erste als auch der zweite Abstreifer 41a und 41b erstrecken sich in Richtung der y-Achse. Ferner kann der Abstreifer 41 in der Richtung der x-Achse von einem Teil des Flanschteils 33a zum gegenüberliegenden Teil des Flanschteils 33a durch das obere offene Ende 33b des Formtanks 33 gleiten.
Wie in 5 gezeigt, wird ein Metallpulver zwischen den ersten und zweiten Abstreifern bzw. Rakeln 41 a und 41b in einem Zustand zugeführt, in dem sie auf einem Teil des Flanschteils 33a angeordnet sind, der sich auf der negativen Seite der x-Achse befindet. Es sei angemerkt, dass jeweils eine Menge des Metallpulvers zugeführt wird, die der Bildung von zwei Metallpulverschichten entspricht. Das heißt, durch Verschieben des Abstreifers 41 von dem Teil des Flanschteils 33a, der sich auf der negativen Seite der x-Achse befindet, zu dem Teil des Flanschteils 33a, der sich auf der positiven Seite der x-Achse befindet, wird eine Metallpulverschicht in dem oberen geöffneten Ende 33b des Formtanks 33 gebildet.
Wie durch gestrichelte Linien in 5 angedeutet, wartet der Abstreifer 41 auf dem Teil des Flanschteils 33a, der sich auf der positiven Seite der x-Achse befindet, während eine Metallschicht durch Aufbringen des Laserstrahls LB auf diese Metallpulverschicht gebildet wird (z. B. im Stillstand). Dann gleitet der Abstreifer 41 von dem Teil des Flanschteils 33a, der sich auf der positiven Seite der x-Achse befindet, zu dem Teil des Flanschteils 33a, der sich auf der negativen Seite der x-Achse befindet, so dass eine weitere Metallpulverschicht in dem oberen offenen Ende 33b des Formtanks 33 gebildet wird.
Es sei angemerkt, dass beispielsweise, wenn der Bereich, in dem eine Metallschicht gebildet wird, schmal ist, der Abstreifer bzw. die Rakel 41 möglicherweise nicht von dem Teil des Flanschteils 33a, der sich auf der negativen Seite auf der x-Achse befindet, zu dem Teil des Flanschteils 33a, der sich auf der positiven Seite auf der x-Achse befindet, gleitet, d. h. nicht um den maximalen Abstand gleitet, sondern das Gleiten an einem Punkt auf halber Strecke gestoppt werden kann, nachdem der Bereich, in dem die Metallschicht gebildet wird, abgedeckt wurde. Die Menge des Metallpulvers zur Bildung einer Metallpulverschicht kann reduziert und die Zeit für die Bildung kann verkürzt werden.
Die Rinne 42 und der Pulververteiler 43 dienen dazu, das von der Pulverzufuhreinheit 44 eingefüllte Metallpulver gleichmäßig in Längsrichtung des Abstreifers 41 zu verteilen. An der Unterseite der Rinne 42 ist eine Öffnung ausgebildet. Die Öffnung ist schmaler als der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Abstreifer 41a und 41b (in Richtung der x-Achse) und hat eine Länge, die in etwa der Pulverfüllfläche des Abstreifers 41 entspricht (in Richtung der y-Achse).
Der Pulververteiler 43 ist ein plattenförmiges Element, dessen Form in etwa der Querschnittsform der Nut der Rinne 42 entspricht. Der Pulververteiler 43 kann durch einen Antriebsmechanismus (nicht dargestellt) in Richtung der y-Achse gleiten. Zum besseren Verständnis ist in 5 der Pulververteiler 43 nicht in Kontakt mit der Rinne 42. In Wirklichkeit gleitet der Pulververteiler 43 jedoch in Kontakt mit den Seitenflächen der Nut der Rinne 42, ohne dass auf beiden Seiten ein Spalt dazwischen ist. Wenn der Pulververteiler 43 von einem Ende, an dem Metallpulver in die Rinne 42 gefüllt wird, zum anderen Ende gleitet, wird das Metallpulver gleichmäßig in Längsrichtung des Abstreifer 41 (d. h. in Richtung der y-Achse) durch die Öffnung der Rinne 42 verteilt.
Die Pulverzufuhreinheit 44 ist ein kleiner Behälter, in dem das Metallpulver enthalten ist. Bei dem Metallpulver handelt es sich z. B. um ein Pulver aus einer Kupferlegierung mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von etwa 20 µm.
Die Steuereinheit 500 steuert die von der additiven Fertigungsvorrichtung durchgeführten Vorgänge. Die Steuereinheit 500 ist beispielsweise über ein Kabel oder drahtlos mit der Antriebseinheit 35 des Formtanks, dem Laserscanner 38, dem Laseroszillator 40, dem Abstreifer 41 und dergleichen verbunden. Die Steuereinheit 500 speichert 3D-Daten für die Herstellung des zu formenden Gegenstands 50 und steuert diese Komponenten unter Verwendung der 3D-Daten. Auf diese Weise formt die additive Fertigungsvorrichtung das Formteil 50.
Obwohl in den Zeichnungen nicht dargestellt, hat die Steuereinheit 500 die Funktionen eines Computers und umfasst beispielsweise eine Recheneinheit wie eine CPU (Central Processing Unit) und eine Speichereinheit wie ein RAM (Random Access Memory) und ein ROM (Read Only Memory), in denen verschiedene Steuerprogramme, Daten und dergleichen gespeichert sind.
Es sei angemerkt, dass die Steuereinheit 500 in mehrere Einheiten unterteilt sein kann.
Wie oben beschrieben, wird in der additiven Fertigungsvorrichtung ein 3D-Formteil 50 durch wiederholtes Ausbilden von Metallschichten hergestellt, von denen jede durch Aufbringen eines Laserstrahls auf einen vorbestimmten Bereich eines in einem geschichteten Zustand abgelagerten Metallpulvers 51 gebildet wird, wodurch das Metallpulver in dem vorbestimmten Bereich geschmolzen und verfestigt wird.
Das Formteil 50 ist in diesem Beispiel die in 1 gezeigte Induktionsheizspule 1. Durch die Verwendung der oben beschriebenen additiven Fertigungsvorrichtung wird zumindest eine Wand, die sich entlang der Längsrichtung eines geraden Rohrs erstreckt und den inneren Weg eines geraden Rohrs in eine Vielzahl von Wegen unterteilt, im Inneren des geraden Rohrs gebildet. In der Wand ist zumindest ein rhombisches Durchgangsloch ausgebildet. Außerdem sind die Wände so ausgebildet, dass der Abstand zwischen benachbarten Wänden 5 mm oder weniger beträgt. Was die Reihenfolge der additiven Fertigung angeht, so werden die bogenförmigen Rohre 21a, 21b, 22a und 22b nach den geraden Rohren 23a und 23b geformt.
Die 6 bis 8 sind perspektivische Ansichten einer Induktionsheizspule 1, die nach einem Verfahren zur Herstellung einer Induktionsheizspule gemäß einer Ausführungsform hergestellt wurde. 7 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht, die einen Bereich zeigt, der in 6 mit dem Symbol VII gekennzeichnet ist. In der Induktionsheizspule 1 sind innerhalb des geraden Rohrs des Spulenteils 20 Wände vorgesehen. Selbst wenn die Induktionsheizspule mit einem Neigungswinkel von 90° hergestellt wird, wie in 6 gezeigt, wird daher innerhalb des geraden Rohrs 23a keine Stütze S ausgebildet, wie in 7 gezeigt.
Da die erfindungsgemäße Induktionsheizspule 1 wie oben beschrieben mit einem Neigungswinkel von 90° hergestellt werden kann, ist die bei der Herstellung benötigte Fläche auf der xy-Ebene kleiner als die Fläche, die bei der Herstellung einer Induktionsheizspule mit einem Neigungswinkel von 45° benötigt wird (siehe 14). Die Anzahl der Induktionsheizspulen 1, die gleichzeitig hergestellt werden können, beträgt z. B. acht, wie in 8 gezeigt, und ist damit größer als zwei, d. h. größer als die Anzahl der Induktionsheizspulen, die bei einem Neigungswinkel von 45° hergestellt werden können. Insbesondere können viermal so viele Induktionsheizspulen wie bei einem Neigungswinkel von 45° gleichzeitig hergestellt werden. Daher kann das Verfahren zur Herstellung von Induktionsheizspulen gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Produktionseffizienz verbessern und die Herstellungskosten senken.
(Beispiel)
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand eines Beispiels näher beschrieben, wobei die vorliegende Erfindung nicht auf das Beispiel beschränkt ist. Kurbelzapfen von Kurbelwellen, die das erwärmende Objekts waren, wurden unter Verwendung einer Induktionsheizspule gemäß einem Beispiel und solchen gemäß Vergleichsbeispielen gehärtet, und die Ergebnisse hinsichtlich ihrer Härtungstiefen wurden ausgewertet.
Für die Härtung der Kurbelzapfen wurden folgende Induktionsheizspulen verwendet.
Vergleichsbeispiel 1: Es wurde eine Induktionsheizspule verwendet, die durch Zusammenlöten aller ihrer Bestandteile hergestellt wurde.
Vergleichsbeispiel 2: Es wurde eine Induktionsheizspule verwendet, die keine Wand innerhalb eines geraden Rohres aufweist und durch ein additives Fertigungsverfahren mit einem Neigungswinkel von 45° hergestellt wurde.
Beispiel: Es wurde eine Induktionsheizspule verwendet, die nach dem oben beschriebenen Herstellungsverfahren hergestellt wurde. Das heißt, es wurde eine Induktionsheizspule mit Wänden im Inneren eines geraden Rohrs verwendet, die durch ein additives Fertigungsverfahren mit einem Neigungswinkel von 90° hergestellt wurde.
Diese werden unter Bezugnahme auf die 9 bis 11 beschrieben.
9 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die einen Zustand zeigt, in dem ein Kurbelzapfen CP einer Kurbelwelle CS durch Verwendung einer Induktionsheizspule gemäß dem Beispiel oder dem Vergleichsbeispiel gehärtet wird.
10 zeigt Fotos von Querschnitten, die Ergebnisse des Härtens von Kurbelzapfen CP zeigen, die durch die Induktionsheizspulen gemäß dem Beispiel und den Vergleichsbeispielen gehärtet wurden. 10 zeigt die Ergebnisse des Härtens in den Bereichen der Kurbelzapfen CP, die in 9 mit einem Symbol X gekennzeichnet sind. In 10 sind die oberseitigen gehärteten Teile HT und die unterseitigen gehärteten Teile HB, die alle durch die Induktionsheizspulen gehärtet wurden, durch weißliche Farbe gekennzeichnet.
In allen Beispielen und Vergleichsbeispielen wurden die Ergebnisse in Bezug auf die Härtung der unterseitigen gehärteten Teile HB ausgewertet. Wie in 10 gezeigt, wurden die Härtungstiefen an den Positionen A, B, C und D in jedem von dem Beispiel und den Vergleichsbeispielen 1 und 2 gemessen. Im Einzelnen sind die Positionen A bis D wie folgt.
Position A: Als Härtungstiefe wurde der Radius eines kleinsten Kreises gemessen, der durch den tiefsten Teil des gehärteten Teils verläuft und als Mittelpunkt einen Punkt P am linken Ende auf der Unterseite des Kurbelzapfens CP hat (durch eine gestrichelte Linie gekennzeichnet).
Position B: Die Härtungstiefe an der flachsten Stelle, an der die Härtungstiefe in der Nähe der Mitte der Unterseite des Kurbelzapfens CP am geringsten war, wurde gemessen.
Position C: Die Härtungstiefe des tiefsten Teils, an dem die Härtungstiefe am längsten zwischen den Positionen B und D auf der Unterseite des Kurbelzapfens CP war, wurde gemessen.
Position D: Als Härtungstiefe wurde der Radius eines kleinsten Kreises gemessen, der durch den tiefsten Teil des gehärteten Teils verläuft und als Mittelpunkt einen Punkt P' am rechten Ende auf der Unterseite des Kurbelzapfens CP hat (durch eine gestrichelte Linie gekennzeichnet).
11 ist einen Graph, der die Ergebnisse der Härtungstiefen der Kurbelzapfen zeigt, die durch die Induktionsheizspulen gemäß dem Beispiel und den Vergleichsbeispielen gehärtet wurden. In dem Graph von 11 zeigt die horizontale Achse die Positionen A bis D und die vertikale Achse die gemessenen Härtungstiefen an. Das „C-B“ auf der horizontalen Achse zeigt die Differenz zwischen der Härtungstiefe an der Position B und der an der Position C an, die durch Subtraktion der Härtungstiefe an der Position B, an der die Härtungstiefe am kürzesten ist, von der Härtungstiefe an der Position C, an der die Härtungstiefe am längsten ist, ermittelt wurde.
Die gestrichelten Linien im Graph von 11 sind Referenzlinien, die einen Härtungsstandard bzw. eine Härtungsnorm angeben, der bedeutet, dass die Härtung ausreichend ist. Das heißt, wenn die Härtungstiefe in einem Bereich zwischen der oberen und der unteren Referenzlinien im Graph liegt, erfüllt sie den Härtungsstandard. Wie aus dem Graph von 11 hervorgeht, erfüllen die Kurbelzapfen, die durch die Induktionsheizspulen gemäß dem Beispiel und den Vergleichsbeispielen 1 und 2 gehärtet wurden, den Härtungsstandard an allen Positionen A bis D. Ferner erfüllt der Wert der Differenz zwischen der Härtungstiefe an der Position B und der an der Position C ebenfalls den Härtungsstandard.
Wie oben beschrieben, erfüllen alle Induktionsheizspulen gemäß dem Beispiel und den Vergleichsbeispielen 1 und 2 den Härtungsstandard bzw. die Härtungsnorm. Die Induktionsheizspule gemäß dem Beispiel weist jedoch gegenüber den Induktionsheizspulen gemäß den Vergleichsbeispielen 1 und 2 die folgenden vorteilhaften Effekte auf.
Zuerst wird die Induktionsheizspule gemäß dem Beispiel mit der Induktionsheizspule gemäß dem Vergleichsbeispiel 1 verglichen, d. h. mit der Induktionsheizspule, die durch Verbinden aller ihrer Komponenten durch Löten hergestellt wird. Da die Induktionsheizspule gemäß dem Beispiel durch das additive Fertigungsverfahren hergestellt wurde, wurden alle Teile integral geformt. Daher hat sie eine längere Lebensdauer als eine Induktionsheizspule, bei der alle Komponenten durch Löten miteinander verbunden sind. Während eine durch Löten hergestellte Induktionsheizspule durchschnittlich 20.000 Schüsse und maximal 30.000 Schüsse lang verwendet werden kann, kann die Induktionsheizspule gemäß dieser Ausführungsform 90.000 Schüsse lang verwendet werden. Darüber hinaus kann die Induktionsheizspule gemäß dieser Ausführungsform zu niedrigeren Stückkosten hergestellt werden als die Induktionsheizspule gemäß dem Vergleichsbeispiel 1, so dass es möglich ist, die Herstellungskosten zu senken. Was die grundlegenden physikalischen Eigenschaften betrifft, so hat die Induktionsheizspule gemäß dem Vergleichsbeispiel 1 eine Leitfähigkeit von 100 %, da sie aus reinem Kupfer hergestellt wurde. Die Induktionsheizspule gemäß dem Beispiel besteht hingegen aus einer Kupferlegierung, so dass ihre Leitfähigkeit ebenfalls hoch ist, z. B. 90 %, und sie angemessen als Induktionsheizspule verwendet werden kann.
Als Nächstes wird die Induktionsheizspule gemäß dem Beispiel mit der Induktionsheizspule gemäß dem Vergleichsbeispiel 2 verglichen, d. h. der Induktionsheizspule, die durch das additive Fertigungsverfahren mit einem Neigungswinkel von 45° hergestellt wurde. Da die Induktionsheizspule gemäß dem Beispiel wie oben beschrieben mit einem Neigungswinkel von 90° hergestellt werden kann, ist die bei der Herstellung benötigte Fläche in der xy-Ebene kleiner als die Fläche, die benötigt wird, wenn die Induktionsheizspule gemäß dem Vergleichsbeispiel 2 mit einem Neigungswinkel von 45° hergestellt wird. Die Anzahl der Induktionsheizspulen, die gleichzeitig hergestellt werden können, ist z. B. acht und damit größer als zwei, d. h. größer als die Anzahl der Induktionsheizspulen, die bei einem Neigungswinkel von 45° hergestellt werden können. Insbesondere können viermal so viele Induktionsheizspulen wie bei einem Neigungswinkel von 45° gleichzeitig hergestellt werden. Daher kann das Verfahren zur Herstellung von Induktionsheizspulen gemäß dem Beispiel die Produktionseffizienz verbessern und die Herstellungskosten senken.
Wie oben beschrieben, bietet die Induktionsheizspule gemäß dem Beispiel die vorteilhaften Effekte im Vergleich zu den Induktionsheizspulen gemäß den Vergleichsbeispielen 1 und 2. Darüber hinaus wurden Ergebnisse erzielt, die darauf hinweisen, dass eine Induktionsheizspule durch das additive Herstellungsverfahren geformt werden kann, ohne dass ein Träger bzw. eine Stütze im Inneren der Spule gebildet wird, und dass die Produktionseffizienz verbessert werden kann.
Aus der so beschriebenen Erfindung wird ersichtlich, dass die Ausführungsformen der Erfindung in vielerlei Hinsicht variiert werden können. Solche Variationen sind nicht als Abweichung von der Idee und dem Umfang der Erfindung zu betrachten, und alle derartigen Modifikationen, die für einen Fachmann auf dem Gebiet der Technik naheliegend sind, gelten als vom Umfang der folgenden Ansprüche umfasst.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2018010876 A [0003, 0004]

Claims

Induktionsheizspule, aufweisend: ein Paar bogenförmiger Rohre, die entlang einer Umfangsrichtung einer äußeren Umfangsfläche eines zu erwärmenden zylindrischen Objekts bogenförmig gekrümmt sind; und ein gerades Rohr, das ein Ende der bogenförmigen Rohre miteinander verbindet, wobei zumindest eine Wand innerhalb des geraden Rohrs ausgebildet ist, wobei sich die zumindest eine Wand entlang einer Längsrichtung des geraden Rohrs erstreckt und einen inneren Weg des geraden Rohrs in eine Vielzahl von Wegen unterteilt, und zumindest ein rhombisches Durchgangsloch in der Wand ausgebildet ist.
Induktionsheizspule nach Anspruch 1, wobei ein Abstand zwischen benachbarten Wänden 5 mm oder weniger beträgt.
Verfahren zur Herstellung einer Induktionsheizspule, bei dem die Induktionsheizspule geformt wird durch wiederholtes: Ablagern eines Metallpulvers in einem geschichteten Zustand; und Bilden von Metallschichten durch wiederholtes Aufbringen eines Laserstrahls auf einen vorbestimmten Bereich des in dem geschichteten Zustand abgelagerten Metallpulvers und dadurch Schmelzen und Verfestigen des Metallpulvers in dem vorbestimmten Bereich, und sukzessives Laminieren der Metallschichten vertikal nach oben, wobei die Induktionsheizspule ein Paar bogenförmiger Rohre aufweist, die entlang einer Umfangsrichtung einer äußeren Umfangsfläche eines zu erwärmenden zylindrischen Objekts bogenförmig gekrümmt sind, sowie ein gerades Rohr, das ein Ende der bogenförmigen Rohre miteinander verbindet, zumindest eine Wand im Inneren des geraden Rohrs ausgebildet ist, wobei sich die zumindest eine Wand entlang einer Längsrichtung des geraden Rohrs erstreckt und einen inneren Weg des geraden Rohrs in eine Vielzahl von Wegen unterteilt, und zumindest ein rhombisches Durchgangsloch in der Wand ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung einer Induktionsheizspule nach Anspruch 3, wobei ein Abstand zwischen benachbarten Wänden 5 mm oder weniger beträgt.
Verfahren zur Herstellung einer Induktionsheizspule nach Anspruch 3 oder 4, wobei das bogenförmige Rohr geformt wird, nachdem das gerade Rohr geformt wurde.