JP2017512908A - コールドガススプレーを用いて中空体を製造する方法及び当該方法を実行するのに適した成形コア - Google Patents

Abstract

本発明は、コールドガススプレーを用いて中空体（２３）を製造する方法に関する。本発明では、中空体を製造するために成形コア（１６）を使用し、この成形コアが、コールドガススプレー法を用いた中空体（２３）の製造のため、補助層（２１）によって適切に準備されるようにする。補助層（２１）は、金属性材料からなり、したがって適切な表面を構成し、これによってコールドガススプレーによって処理される粒子が、中空体（２３）を構成するために付着する。したがって同様に本発明に係わる成形コアは、砂又は木材のようなコスト的に有利な材料から製造することができて有利である。これらの材料は基本的に、コールドガススプレー法を用いた金属のデポジットには限定的にしか適していないか又はまったく適していないのにもかかわらずこれが可能である。有利には補助層（２１）を、成形コア（１６）上のシートとして被着することができるか、又は特に低溶融性及び／又は軟性の材料のコールドガススプレーによって成形コア（１６）上に作製することができる。

Description

本発明は、中空体を製造する方法に関する。この方法において中空体は、コールドガススプレーによって成形コアをコーティングすることによって製造される。言い換えると、成形コア上に製造される層により、製造すべき中空体が形成されるのである。この中空体の完成後、上記の成形コアは中空体から取り除かれる。本発明はさらに、基体として上記のコールドガススプレーに適した表面を有する成形コアに関する。この表面は、コールドガスジェットと共に成形コアの表面に加速される粒子が、この成形コアに付着するという点において、コールドガススプレーに適していなければならない。

コールドガススプレーはそれ自体公知の方法であり、この方法では、コーティングのために供給される粒子が、集束拡散ノズルにより、有利には超音波速度に加速され、これによってこの粒子は、加えられた運動エネルギにより、コーティングすべき表面に付着する。ここでは微粒子の運動エネルギが利用され、この運動エネルギは、その塑性変形に結び付き、コーティング粒子は、衝突時にその表面だけで溶融する。したがってこの方法は、別の加熱溶射法と比較してコールドスプレーと称される。なぜならば、このコールドスプレーは、コーティング粒子が実質的に固体にとどまったままの比較的低い温度で行われるからである。キネティックスプレーとも称されるこのコールドガススプレーには有利には、ガスを加熱するガス加熱装置を有するコールドスプレー装置が使用される。このガス加熱装置には、よどみ点チャンバが接続されており、このよどみ点チャンバは、出力側が集束拡散ノズル、有利にはラバルノズルに接続されている。集束拡散ノズルは、ノズル喉によって接続されている集束部分区間及び拡散部分区間を有する。集束拡散ノズルは、内部に粒子を有するガス流の形態の粉末ジェットを高い速度、有利には超音波速度で出力側に形成する。

冒頭に述べたタイプの中空体を形成する方法は、独国特許出願公開第１０２０１００６０３６２号明細書から公知である。これによれば、円筒形母型にチューブを製造するため、コールドスプレーを使用することができる。ここではコールドガスジェットは円筒形の表面に対して十分に傾けられ、製造中のチューブに粒子が優先的に付着するようにする。これによって円筒形の成形コアは、チューブを製造した後、このチューブから取り外すことができる。これは、内部にアンダーカットがなく、筒形状の成形コアがチューブの内壁の方向にスライドできる、チューブの一般的な幾何学形状によって可能である。しかしながら中空体の複雑な幾何学形状をこの方法で製造することはできない。

したがって本発明の課題は、複雑な幾何学形状の中空体も製造することが可能な、コールドガススプレー法を用いた中空体製造方法を提供することである。本発明の課題はさらに、上記の方法において使用可能な成形コアを提供することである。

この課題は、冒頭に示した方法により、本発明にしたがって中空体を製造する前に、成形コアに補助層を施すことによって解決される。本発明によればこの補助層の材料は、金属性であるか又は少なくとも大部分において金属性の成分を有する。このことが意味するのは、この補助層が金属性母型を提供でき、この金属製母型に非金属性の封入物を埋め込むことができることである。それにもかかわらずこのような層は、実質的に金属のように振る舞う。この封入物は、例えばコアの取り外しを容易にする乾燥潤滑剤の粒子であってよい。有利には補助層の材料は、中空体を製造する材料とは異なる組成を有する。これにより、中空体の材料によるコーティングのための表面を構成する材料を、コールドガススプレー用の基体の要求に最適に適合させることができて有利である。この材料は一方では、コールドガスジェットからの粒子が成形コアの表面に付着するようにするため、十分な延性を有するようにしなければならない。さらにこの材料は、十分な耐熱性を有しなければならず、状況によっては、コールドガスジェットの形成に使用されるガスをあらかじめ加熱することを考慮すべきである。ここでは成形コアの前に形成される衝撃流において、キャリアガスがコールドガススプレーノズルの前に配置されたよどみ点チャンバにおいて有する温度にほぼ到達させることができる。成形コアの表面が有しなければならない別の特性は、衝突粒子の腐食作用に対する耐性である。この表面が機械的に過度に不安定である場合、すなわちこの表面はコールドガスジェットの衝突粒子に十分な抵抗を提供しないため、粒子は表面に機械的に結合されず、その結果、成形コアの破壊が生じてしまい得ることになる。

これらの特性が上記の金属性補助層によって満たされる場合、コールドガススプレーの要求とは十分に無関係に成形コアの材料を選択できて有利である。これにより、本発明による方法では、機械的な安定性が一般的にコールドガススプレーの適用に対して十分でなかった成形コア用の材料も使用することができる。上記の適用に対して十分でなかったまさにこれらの材料は、一方では使用においてコスト的に有利であり、他方では完成した成形コアから容易に取り外すことできる。本発明の一実施形態によれば、成形コアに砂、木材、金属又はプラスチックを使用することができる。砂製コアの利点は、これが、廃棄型コアとしてコスト的に有利に製造することができ、個々の砂粒の間の結合を解くことにより、中空体構造の空所から容易に取り外すこともできることである。木材は最もコスト的に有利な材料を構成し、この材料は、特に極めて小さなロットの際に、要求される幾何学形状の複数のコアを形成するため、簡単に加工することができる。金属は特に、複数回使用するコアを製造するのに好適である。その摩耗はわずかであり、有利である。さらに金属は、高い寸法安定性で作製することが可能である。この場合にこの金属コアの表面は、上記の補助層により、摩耗から保護される。プラスチックコアも、製造が簡単でありかつ材料がコスト的に有利であるという利点を有しており、これは例えば注型することも可能である。

本発明によればつぎに、特に上記の材料から製造することが可能な成形コアに、金属性の材料からなる補助層が施され、この補助層は、成形コアの材料上に開始層を形成するのに関与するか又は単独でこれを形成し、この開始層は、中空構造体の引き続きのコールドガススプレーに対して表面を利用可能にする。

本発明によれば中空体とは、最も広い意味において、凹の内面及び凸の外面を有するすべての構造のことであると理解すべきである。この限りにおいて製造中、成形コアによってこの凹の内面を支持することができるのに対し、凸側からはコールドガスジェットが接触可能である。この点において、例えばボウル型の部材も本発明の意味における中空体と理解され、このボウル状の凹みは、相応に広がった開口部を有する空所を表すことになる。典型的な中空体は、例えば、構成された空所に比べて小さな開口部を有し得るケーシングである。この中空体は当然のことながら、凸の外壁だけを有する必要もない。外側に凹の部分領域を設けることも可能である。

本発明の有利な実施形態によれば、上記の補助層が、金属シート、特にアルミニウムシートから構成されるようにする。ここでこの金属シートは成形コア上に載置され、これによって上記の金属性表面を構成し、この金属性表面上にコールドガススプレーによって中空体をデポジットすることができる。この際にアルミニウムは極めてコスト的に有利な変形形態であり、この材料は一方では十分に延性に富み、これによってスプレーした粒子が付着する。この金属は他方では機械的に十分に安定しており、これによって成形体は、コールドガスジェットによる腐食性侵食から保護される。木製の成形体上では、金属性材料のデポジットを可能にするため、例えば厚さ０．１ｍｍのアルミニウムシートで十分である。例えば、チタン合金製の中空体をこの上にデポジットすることも可能である。

成形コアの材料の硬さ及び外的影響の受け易さに依存して、補助層の厚さを選択しなければならない。例えば砂製コアを使用する場合、比較的大きな保護が要求されるため、補助層の層厚は比較的大きくなる。補助層の厚さが比較薄い場合に考慮しなければならないのは、この補助層が、コールドガスジェットの粒子の衝突によって可塑変形することである。しかしながらこの可塑変形は、補助層の完全な破壊に結び付いてはならない。なぜならばその場合には残りの成形コアがもはや保護されないからである。補助層が金属シートとして構成される場合、この補助層は有利には成形コア上に接着される。これにより、一方ではコーティング中のシートのずれ、特にコールドガスジェットと、表面との間の９０°でない角度のずれを回避することができる。さらにこの接着により、特に成形コアの幾何学形状が複雑な場合に、成形コア上へのシートの適用が容易になる。

本発明の別の実施形態によれば、金属性材料のコールドガススプレーにより、開始層として少なくとも１つの補助層が前記成形体上に形成されるようにする。この際には、成形体上における層形成について、中空体用に設けられている材料と比べて問題がないと評価され得る金属性材料を意図的に選択する。言い換えると、特に極めて延性の高い金属によって構成することができるこの金属性材料は、成形体を破壊することなく、この成形体上にとどまる。上記の開始層が、十分な厚さで成形体上に被着される場合、この開始層はその後、中空体の材料をデポジットする際に十分な抵抗になる。開始層の厚さについては、シートとしての構成に対して示した厚さデータが相応に有効である。

コールドガススプレーを用いた開始層の作製はさらに、この開始層を複数の補助層に構成できるという利点を有する。これによって可能になるのは、複数の金属性材料を順次にデポジットすることであり、ここでは補助層の作製の順序において、硬度がより高くなる及び／又は溶融度がより高くなる複数の金属性原材料によって、複数の補助層が作製される。このことが意味するのは、成形コアが可能な限りに機械的に酷使されないように、成形コア上に直接作製される補助層を選択できることである。これは特に、極めて溶融度が低い及び／又は極めて延性に富む材料の場合である。ここでは特に亜鉛、すず及び鉛が使用される。この場合には後続の複数の層は別の複数の金属から作製することができ、有利には亜鉛、アルミニウム、銅、銀及び金を使用することができる。貴金属の際に注意しなければならないのは、これが調達時に極めて費用がかかることである。しかしながらこれらの貴金属は中空体において、例えば防食又は抗菌又は触媒作用などの特別な役割を果たし得ることがあり、これによりこれらを使用するコストは、場合によっては見合うものになる。当然のことながら上で挙げた複数の金属の代わりに、合金の成分としてこれらの金属を有しかつ匹敵する機械的特性を有する複数の金属合金を使用することも可能である。

コーティングすべき、成形コアの表面を構成する補助層用の金属を選択する際に注意すべきであるのは、熱安定性又は機械安定性のどちらがより要求されるかである。選択時に熱安定性が前面に出るのは、コールドガスジェットの温度が、キャリアガスのあらかじめの加熱によって上昇する場合である。この場合には処理される粒子は同時に比較的高温であり、したがって成形コアの表面に比較小さな機械的負荷しか加えない。機械的安定性がより前面に出るのは、コールドガスジェット内の粒子それ自体の延性が小さく、したがって成形コアの比較的大きな機械的負荷が生じる場合である。

コールドガススプレーによって１つ以上の補助層を開始層としてデポジットするため、特にいわゆる低圧ガス動的溶射（ＬＰＧＤＳ：Low Pressure Gas Dynamic Spray）の有効性が実証されている。この方法では、粒子が、集束拡散ノズルの拡散部分に供給され、かつ、キャリアガスが、コールドガススプレー用の比較的に低い圧力にされる。ここでは、慣用のようにノズルの前に配置されたよどみ点チャンバに粒子が供給されかつキャリアガスの比較的高い圧力レベルから加速される場合よりも、粒子速度は低くなる。これにより、ＬＰＧＤＳでは、粒子が成形コアの表面に衝突する際のこの成形コアの機械的負荷も比較的小さくなる。いずれにしても成形コアの材料はコールドガスジェットの影響を受け易いが、粒子は、影響が残るように成形コアを破壊することなくこの成形コアに付着する。

本発明の特に有利な実施形態によれば、成形コアを取り出した後、少なくとも１つの補助層が中空体から除去されるようにする。成形コアのこの取り出しは、従来技術の一般的な方法にしたがって行ってよい。砂製コア又は別の廃棄型のコアは、例えば、溶出させるか又は超音波によって破壊することが可能である。複数の部品で構成することが可能な組み立て式コアをプラスチック又は木から、又は金属からも作製することができ、これによってこれらのコアは、完成した中空体からその個々の部品に分解して取り出すことができる。

その後、上記の補助層は、中空体によって構成される空所に残存する。なぜならばこれらの補助層は、中空体材料の衝突した粒子による機械的な変形に起因して、これらにしっかりと接続されているからである。

補助層の材料が、製造した中空体の機能を妨害しないならば、この材料は、空所のライニングとして中空体内に残存していてもよい。すでに述べたように、補助層の材料は中空体において、防食又は抗菌作用のような付加的な機能を果たすことさえも可能である。しかしながら中空体の材料によって空所の内壁を構成したい場合には、補助層をその後、除去しなければならない。この除去は機械式に、例えばサンドブラストによって行うことが可能である。択一的には、上記の材料は選択エッチング法によって除去される。ただしエッチング剤が、中空体の材料を侵食しないかわずかにしか侵食しないようにする。

本発明のさらなる詳細を以下、図面に基づいて説明する。同じ又は対応する、図の要素にはそれぞれ同じ参照符号が付されており、個々の図の間で相違がある場合にのみ複数回説明する。

コールドガススプレー装置において実行される本発明の方法の実施例を示す概略図である。 本発明による成形コアの実施例を示す断面図である。 本発明による成形コアの実施例を示す別の断面図である。 図３のＩＶ部の詳細を示す図である。

図１には、プロセスチャンバ１１内に収容されたコールドスプレー装置が略示されている。このコールドスプレー装置は、その重要な構成部分に減縮されており、したがって単なる原理図を表している。このコールドガススプレー装置は、集束拡散スプレーノズル１２を有しており、このスプレーノズルは、詳しく図示していないよどみ点チャンバを備えたユニット１３に接続されている。ここではスプレーノズル１２を用いて形成されるコールドガスジェットによって成形コア１６をコーティングできるように、工業ロボット１５を用いて成形コア１６が保持されている。このコーティングプロセスは、複数のステップで行われる。第１リザーバ１８を介してすずはんだの粒子がスプレーノズル１２の拡散部分に導入され、コールドガスジェット１７に加速される。これらの粒子は、図１に詳しく示していない第１補助層を成形コア１６上に形成する（これについては図３及び４も参照されたい）。引き続いて第２リザーバから銅粒子が、スプレーノズル１２の前段の（詳しく図示していない）よどみ点チャンバに導入され、同様にコールドガスジェット１７を介して、第１補助層がコーティングされた成形コア１６に加速される。これによって第２補助層が得られ、これらの２つの補助層によって開始層２１（図３及び４を参照されたい）が形成される。最後に第３リザーバ２２からチタン粒子が取り出されて、同様によどみ点チャンバを介してコールドガスジェット１７に混合される。ここではチタンの複数の層を開始層上に被着することができ、これによって製造すべき中空体の所望の厚さの内壁が形成され、この中空体によって包囲される空所は、成形コア１６によって定められる。

図２には、図１に示したコールドスプレー装置によって製造可能な中空体２３が示されている。この中空体には、組み立て式の成形コア１６が使用されており、この成形コアは、木製の複数の成形要素２４を有する。これらの成形要素には、個々の成形要素２４の位置を互いに定め、これによって取り付けを容易にするジョイント補助部２５が組み込まれている。これらのジョイント補助部は同時に、個々の成形要素２４を破壊することなく上記の成形コアを中空体２３の空所から取り出せる、ように構成されている。

中空体２３の材料によってコーティングする前、成形コア１６には金属シート２６が貼られるが、接着剤層それ自体は、図２には示されていない。中空体２３を形成しながらのコーティングは引き続いてコールドガススプレーによって行われる。コーティングが完成した後の状態が図２に示されている。コーティングが完成した後、成形要素２４を、すでに説明したように中空体２３の空所から取り出すことができ、成形コア１６と金属シート２６との間の接着接続は、コールドガススプレーによって生じる中空体２３と金属シート２６との間の接合よりも弱く形成されている。したがってこの接着接続が解かれるのに対し、金属シート２６が空所に残る。必要であれば、図示しないやり方で、例えば選択的なエッチングによって、空所からこの金属シートを除去することができる。

図３には、結合された砂からなる成形コアが示されている。この成形コアは、図１にしたがって作製される開始層２１によってコーティングされており、ここでは後続のステップにおいてチタン製の中空体２３を製造した。図３に示されていないのは、砂製のこの成形コアを例えば超音波によって破壊して、この成形コアを消失させ、中空体２３の空所から取り出せることである。この開始層２１は、図２についてすでに説明したように空所にとどまっている。ここでも引き続いてこの開始層を機械的又は化学的に除去することが可能である。

図４には、図３の部分ＩＶが拡大して示されている。ここで明らかであるのは、砂製コアがまず、図１に示したようにすずはんだからなるベース層２７によってコーティングされていることである。択一的な材料としては、ホワイトメタル（すずを含有する合金）が考えられ、又は亜鉛も考えられる。このベース層には、銅製のカバー層２８が続き、中空体の金属（ここではチタン）をコーティングするための表面２９が得られる。このカバー層を、銅とは択一的に、すず又はアルミニウム又はこれらの金属の少なくとも１つを含有する合金から構成することも可能である。ベース層２７とカバー層２８との間には、例えば複数の補助層の種々異なる特性プロフィール（延性、硬度及び／又は耐熱性）への移行を滑らかに形成するため、別の複数の補助層を作製することができる。

Claims (11)

1. 中空体を製造する方法であって、
   ・ コールドガススプレーによる成形コア（１６）のコーティングによって前記中空体（２３）を製造し、
   ・ 前記中空体（２３）の完成後、前記成形コア（１６）を当該中空体（２３）から除去する、方法において、
   前記成形コア（１６）には、前記中空体（２３）を製造する前に、補助層（２６、２７、２８）を施し、
   当該補助層の材料は金属性であるか又は少なくとも大部分において金属性の成分を有しており、
   前記成形コア（１６）を取り出した後、前記中空体（２３）から前記補助層（２６、２７、２８）を除去する、ことを特徴とする方法。
2. 前記補助層の前記材料はその組成が、前記中空体の材料とは異なる、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記補助層は、金属シート（２６）、特にアルミニウムシートから構成される、
   請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記金属シート（２６）を前記成形コア（１６）上に接着する、
   請求項３に記載の方法。
5. 金属性材料のコールドガススプレーにより、特に低圧ガスダイナミックスプレーにより、開始層（２１）として前記少なくとも１つの補助層を前記成形体（１６）上に形成する、
   請求項１又は２に記載の方法。
6. 延性の材料特性を有する金属性材料、特に、金属の亜鉛、すず、鉛、アルミニウム、銅、銀及び金をベースとする複数の金属合金、又は金属の亜鉛、すず、鉛、アルミニウム、銅、銀及び金をベースとする複数の金属のうちの１つ以上をデポジットする、
   請求項５に記載の方法。
7. 前記開始層（２１）を多層に構成し、
   前記作製の順序において、硬度がより高くなる、及び／又は、溶融度がより高くなる複数の金属性材料によって、複数の前記補助層（２６、２７、２８）を作製する、
   請求項６に記載の方法。
8. ・ 金属の亜鉛、すず及び鉛をベースとする金属合金、又は金属の亜鉛、すず及び鉛をベースとするからなりかつ前記成形コア上に載置されるベース層（２７）と、
   金属の亜鉛、アルミニウム、銅、銀及び金をベースとする金属合金、又は金属の亜鉛、アルミニウム、銅、銀及び金をベースとする複数の金属のうちの１つからなりかつ前記ベース層（２７）に続くカバー層（２８）と、を有する２層で前記開始層（２１）を作製する、
   請求項７に記載の方法。
9. 前記成形コア（１６）を木材、プラスチック、金属又は結合された砂から作製する、
   請求項１から８までのいずれ１項に記載の方法。
10. 基体としてコールドガススプレーに適した表面（２９）を有する成形コア（１６）であって、
    前記表面（２９）は、金属性材料からなる少なくとも１つの補助層（２６、２７、２８）によって構成され、
    前記補助層（２６、２７、２８）は、前記成形コア（１６）の材料上の開始層を構成する、
    ことを特徴とする成形コア（１６）。
11. 前記成形コアは、結合された砂、木材、金属、又はプラスチックからなる、
    請求項１０に記載の成形コア。

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