JP2019090066A - 三次元積層造形品、及び、三次元積層造形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】３Ｄプリンタ技術を用いて本体部に対してネジ部を一体形成しつつ、製造コストを効果的に低減可能な三次元積層造形品、及び、三次元積層造形方法の提供。【解決手段】三次元積層造形品は、本体部２０と、本体部２０の表面に一体的に突設される雄ねじ部２２と、を備える。雄ねじ部２２は、軸線の垂直面に対して第１フランク角をなす追い側フランク３６を有する。第１フランク角は４５度以上である。【選択図】図３

Description

本開示は、敷設された粉末材料に光ビームや電子ビーム等のビームを照射して積層造形を行うことにより製造可能な三次元積層造形品、及び、当該三次元積層造形品を製造するための三次元積層造形方法に関する。

層状に敷設された粉末材料に光ビームや電子ビーム等のビームを照射して積層造形を行うことで三次元積層造形品を製造する、いわゆる積層型の３Ｄプリンタ技術が知られている。この技術では、粉末材料で形成されたパウダーベッドにビームを照射して焼結層を形成し、それを繰り返すことで、複数の焼結層が一体として積層されることで三次元積層造形品の成形が行われる。

このような３Ｄプリンタ技術は、近年、様々な造形品の製造手法として発展しているが、その用途の一つとして、例えば、特許文献１に示される液体ロケットエンジンの燃料噴射器に用いられる燃料噴射エレメントが考えられる。燃料噴射エレメントは、従来、機械加工により製作された複数の部品を組み合わせることで製造されており、コストが高価になりがちであったが、３Ｄプリンタ技術を採用することで大幅なコストダウンが期待される。

特開２００３−２６９２５４号公報

積層型の３Ｄプリンタ技術では、下層側から順次積層する際に上層側になるにしたがって造形物の大きさが大きくなるオーバーハング形状が含まれる際に、表面粗さが大きくなる問題がある。特許文献１のような燃料噴射エレメントでは、従来、エレメント本体に対して周辺部材を係合するための雄ねじ部を一体的に形成する場合があったが、これを３Ｄプリンタ技術で形成しようとした場合、雄ねじ部が有する凹凸形状にオーバーハング形状が少なからず含まれてしまう。

ここで図６は従来の燃料噴射エレメント２に含まれる雄ねじ部２２の断面形状を示す模式図である。雄ねじ部２２は、外径ａ、谷径ｂ、ピッチｐ、有効径ｄを有する１条ねじ構造を有しており、対応する雌ネジ構造を有する周辺部材（不図示）にねじ込まれる際に進行方向に対面する進み側フランク３４と、進み側フランク３４の反対側の追い側フランク３６とを有する。このような雄ねじ部２２を燃料噴射エレメント２の本体部とともに積層型の３Ｄプリンタ技術で一体造形する場合、追い側フランク３６はオーバーハング形状を有する。雄ねじ部２２の軸線Ｃに対する追い側フランク３６をオーバーハング角θとすると、オーバーハング角θが４５度以上になると、追い側フランク３６における表面粗さが大きくなってしまい、実用に耐えられなくなる（図６では、オーバーハング角θが６０度の場合を例示している）。

そのため、図６のような燃料噴射エレメント２を３Ｄプリンタ技術で一体成形する場合には、図７に示されるように、オーバーハング角θが４５度未満の雄ねじ部２２にする必要がある。しかしながら、オーバーハング角θを小さくすると図６の場合と同等のピッチ数を確保するためには雄ねじ部２２の長さＬが大きくなってしまい、製品の大型化につながってしまう。

このような事情から従来の３Ｄプリンタ技術で燃料噴射エレメント２を製造する際には、燃料噴射エレメント２のうち本体部のみを３Ｄプリンタ技術で成形し、別体として用意された雄ねじ部２２を本体部に対して組み付けることで完成させなければならない。そのため、製造工程数が多くなり、３Ｄプリンタ技術によるコスト低減効果が十分に得られない。

本発明の少なくとも一実施形態は上述の事情に鑑みなされたものであり、積層型の３Ｄプリンタ技術を用いて本体部に対して雄ねじ部を一体成形しつつ、製造コストを効果的に低減可能な三次元積層造形品、及び、三次元積層造形方法を提供することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る三次元積層造形品は上記課題を解決するために、本体部と、前記本体部の表面に一体的に突設される雄ねじ部と、を備え、前記雄ねじ部は、前記雄ねじ部の軸線の垂直面に対して第１フランク角をなす追い側フランクを有し、前記第１フランク角は４５度以上である。

上記（１）の構成によれば、追い側フランクが軸線の垂直面に対してなす第１フランク角が４５度以上を有するため、雄ねじ部が形成するオーバーハング角を４５度未満に抑えられる。これにより、３Ｄプリンタ技術で形成した際に雄ねじ部の表面粗さを実用可能な範囲に抑えることが可能となり、本体部との一体形成が可能となる。その結果、製造工程数を削減でき、よりコスト的に有利な三次元積層造形品が得られる。

（２）幾つかの実施形態では上記（１）の構成において、前記雄ねじ部は、前記垂直面に対して第２フランク角をなす進み側フランクを有し、前記第２フランク角は前記第１フランク角より小さい。

上記（２）の構成によれば、進み側フランクが有する第２フランク角が、追い側フランクが有する第１フランク角より小さい。これにより、軸線方向における雄ねじ部の長さを抑えることができるので、製品の大型化を回避できる。

（３）幾つかの実施形態では上記（２）の構成において、前記第２フランク角はゼロ度である。

上記（３）の構成によれば、第２フランク角をゼロ度とすることで、雄ねじ部の進み側フランクが軸線の垂直面に対して平行なり、雄ねじ部の軸線方向に沿った長さを最も短くすることができる。その結果、よりコンパクトな三次元積層造形品が得られる。

（４）幾つかの実施形態では上記（１）から（３）のいずれか一構成において、前記第１フランク角は７０度以下である。

上記（４）の構成によれば、第１フランク角の上限値は７０度である。第１フランク角が大きくなるとオーバーハング角をより小さくできる点で有利ではあるが、一方で雄ねじ部を係合させた際に生じる軸力への耐久性が弱くなる。このような軸力への耐久性を考慮すると、第１フランク角は７０度以下であることが好ましい。

（５）幾つかの実施形態では上記（１）から（４）のいずれか一構成において、前記追い側フランクは算術平均粗さ（Ｒａ）が７００マイクロインチ以下の表面粗さを有する。

上記（５）の構成によれば、軸線の垂直面に対してオーバーハング角を形成する追い側フランクの表面粗さは、算術平均粗さ（Ｒａ）が７００マイクロインチ以下となる。このような表面粗さは、第１フランク角が４５度以上を有することでオーバーハング角が４５度未満に抑えられることによって、実用的な範囲となる。

（６）幾つかの実施形態では上記（１）から（５）のいずれか一構成において、前記本体部は、液体ロケットエンジンの燃料噴射器に用いられる燃料噴射エレメントであり、前記雄ねじ部は、雌ネジ部を有するナットと係合することにより、前記本体部と前記ナットとの間に所定の機能部材を挟持可能に構成される。

上記（６）の構成によれば、上述の三次元積層造形品（上記各種態様を含む）は液体ロケットエンジンの燃料噴射器に用いられる燃料噴射エレメントである。燃料噴射エレメントは従来、機械加工により製作された複数の部品を組み合わせることで製造されることで高価なコストがかかっていたが、上述のように３Ｄプリンタ技術で形成することで高価的にコストを削減できる。また雄ねじ部の第１フランク角を４５度以上とすることでオーバーハング角を小さくできるので、追い側フランクの表面粗さを実用的な範囲に抑えることができるため、雄ねじ部を本体部と一体成形でき、製造工程も削減できる。

（７）本発明の少なくとも一実施形態に係る三次元積層造形方法は上記課題を解決するために、本体部と、前記本体部の表面に一体的に突設される雄ねじ部と、を備える三次元積層造形品を、パウダーベッドにビームを照射して積層造形するための三次元積層造形方法であって、前記雄ねじ部の軸線の垂直面に対して追い側フランクがなす第１フランク角を４５度以上に形成する。

上記（８）の方法によれば、上述の三次元積層造形品（上記各種態様を含む）を好適に製造できる。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、３Ｄプリンタ技術を用いて本体部に対してネジ部を一体形成しつつ、製造コストを効果的に低減可能な三次元積層造形品、及び、三次元積層造形方法を提供できる。

本発明の少なくとも一実施形態に係る三次元積層造形品が用いられた液体ロケットエンジンの燃料噴射器の内部構造を示す断面図である。 図１の雄ねじ部をナットと分離して示す拡大斜視図である。 図１の雄ねじ部の断面構造をナットと嵌合された状態で示す断面図である。 本発明の少なくとも一実施形態に係る三次元積層造形方法による造形過程を段階的に示す説明図である。 図４の三次元積層造形方法によって造形可能な三次元積層造形品の他の例である。 従来の燃料噴射エレメントに含まれる雄ねじ部の断面形状を示す模式図である。 図６の変形例である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
また例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

図１は本発明の少なくとも一実施形態に係る三次元積層造形品が用いられた液体ロケットエンジンの燃料噴射器１の内部構造を示す断面図である。以下の実施形態では、本発明に係る三次元積層造形品の一実施形態として液体ロケットエンジンの燃料噴射器１に使用される一部品である燃料噴射エレメント２を例に説明するが、他の部材であってもよいことは言うまでもない。

液体ロケットエンジンは、酸化剤、水素等からなる燃料を燃焼させる燃焼器、燃焼器で発生させた燃焼ガスを膨脹、加速させることで推力を発生させるノズル、タンク内の推進剤を燃焼器に送り込む推進剤供給系を備える。推進剤供給系は、推進剤タンクに蓄積された酸化剤、燃料を混合して、燃焼器内に噴射する燃料噴射器１を備える。

燃料噴射器１は、図１に示されるように、断面が円形にされた燃料噴射エレメント２と一体的、若しくは別々に形成されたハウジング４を備える。ハウジング４は、推進剤タンクから水素供給通路６を介して液体水素が供給される水素室８と、推進剤タンクから酸素供給通路１０を介して液体酸素が供給される酸素室１２とを画定する。燃料噴射エレメント２は、水素室８と酸素室１２との間に配置された隔壁１４から下方に向けて突出するように複数形成されている。燃料噴射エレメント２の先端側には、水素室８と燃焼器内に画成された燃焼室１６とを仕切るフェイスプレート１８が固定されている。

燃料噴射エレメント２は、軸線方向に沿って延在する本体部２０と、本体部２０の先端側に本体部２０と一体的に形成された雄ねじ部２２とを有する。本体部２０は、水素室８及び燃焼室１６間を連通し、水素室８から燃焼室１６に液体水素を供給するための流路を形成する液体水素ポスト２４と、酸素室１２及び燃焼室１６間を連通し、酸素室１２から燃焼室１６に液体酸素を供給するための流路を形成する液体酸素ポスト２６と、を有する。液体酸素ポスト２６は軸線Ｃに沿って燃料噴射エレメント２の中心を通るように形成されており、液体水素ポスト２４は本体部２０の側壁に水素室８に対して開口したスリット２８から液体酸素ポスト２６の周囲を通って燃焼室１６に連通するように形成されている。

また燃料噴射エレメント２の雄ねじ部２２は、本体部２０と同心に配置されており、本体部２０から下方に向けて軸線Ｃに沿って延在する。雄ねじ部２２は、所定ピッチで配設されたネジ山を有する雄ねじ構造を有する。雄ねじ部２２には、対応する雌ネジ構造を有するナット３０が嵌合されており、上述のフェイスプレート１８がナット３０との間に挟持されている。

雄ねじ部２２とナット３０とによって挟持されたフェイスプレート１８は、部分的に水素室８に貯留された液体水素に接するように配置される。ここでフェイスプレート１８は、多孔質材料から形成された機能部材であり、水素室８に貯留された液体水素の一部が透過することにより（染み出すことにより）、燃料噴射エレメント２の噴射面３２を冷却可能に構成されている。

図２は図１の雄ねじ部２２をナット３０と分離して示す拡大斜視図であり、図３は図１の雄ねじ部２２の断面構造をナット３０と嵌合された状態で示す断面図である。
雄ねじ部２２は、外径ａ、谷径ｂ、ピッチｐ、有効径ｄの雄ねじ構造を有する１条ねじであり、ナット３０に形成された雌ネジ構造に対応する形状を有する。雄ねじ部２２は、ナット３０にねじ込まれる際に進行方向に対面する進み側フランク３４と、進み側フランク３４の反対側の追い側フランク３６とを有する。

ここで図３に示されるように、雄ねじ部２２の軸線Ｃの垂直面Ｐに対する追い側フランク３６の角度である第１フランク角α１と、雄ねじ部２２の軸線Ｃの垂直面Ｐに対する進み側フランク３４の角度である第２フランク角α２と、が定義される。また燃料噴射エレメント２は、図４を参照して後述するように、垂直面Ｐに沿って本体部２０から雄ねじ部２２に向かって積層造形されることで成形されるため、積層造形時のオーバーハング角θは軸線Ｃに対する追い側フランク３６の角度として定義され、（９０ーα１）度と等しくなる。

第１フランク角α１は４５度以上に設定されるため、オーバーハング角θ（＝９０−α１）は４５度未満に抑えられる。本実施形態では、第１フランク角α１が６０度に設定された例が示されており、従ってオーバーハング角θは３０度になっている。これにより、３Ｄプリンタ技術で形成した際に雄ねじ部２２の表面粗さを実用可能な範囲に抑えられている。本願発明者の検証によれば、オーバーハング角θを形成する追い側フランク３６の表面粗さは、算術平均粗さ（Ｒａ）が７００マイクロインチ以下となる。

尚、第１フランク角α１は７０度以下であるとよい。第１フランク角α１が大きくなると追い側フランク３６が軸線Ｃの垂直面Ｐに対して形成するオーバーハング角θをより小さくできる点で有利であるが、一方で雄ねじ部２２をナット３０に係合させた際に生ずる軸力への耐久性が弱くなる。このような軸力への耐久性を考慮すると、第１フランク角α１は７０度以下であることが好ましい。

また第２フランク角α２は、第１フランク角α１より小さく設定される。これにより、軸線Ｃ方向における雄ねじ部２２の長さＬを抑えることができる。本実施形態では、第２フランク角α２がゼロ度に設定された場合が例示されている（言い換えれば、進み側フランク３４が軸線Ｃの垂直面Ｐになるように形成されている）。これにより雄ねじ部２２の進み側フランク３６が軸線Ｃの垂直面Ｐに対して平行なり、雄ねじ部２２の軸線Ｃ方向に沿った長さＬを最も短くすることができ、よりコンパクトな構成が得られる。

続いて、図４を参照して上記構成を有する燃料噴射エレメント２の製造方法について説明する。図４は本発明の少なくとも一実施形態に係る三次元積層造形方法による造形過程を段階的に示す説明図である。

本実施形態では、燃料噴射エレメント２のうち比較的容積の大きな本体部２０（図２及び図３において上方側）から成形を開始し、その後、比較的容積が小さい雄ねじ部２２の成形を行う。このような順番で成形を行うことにより、三次元積層造形品におけるオーバーハング形状を少なく抑え、高品質な成形が可能となる。図４（ａ）では、燃料噴射エレメント２のうち本体部２０を途中まで成形した中間状態が初期状態として示されている。

本体部２０の成形は、図４（ｂ）に示されるように、土台となるベースプレート１００上の造形面１０２に対して、リコータ１０４から供給される粉末材料を層状に敷設することによりパウダーベッド１０６を形成する。そして図４（ｃ）に示されるように、パウダーベッド１０６に対してビーム照射ユニット（不図示）から光ビームや電子ビーム等のビーム１０８を照射しながら造形面１０２上を走査することにより粉末材料を選択的に固化する。

尚、粉末材料は、三次元積層造形品の原料となる粉末状物質であり、例えば鉄、銅、アルミニウム又はチタン等の金属材料や、セラミック等の非金属材料を広く採用可能である。

ベースプレート１００は鉛直方向に沿って昇降可能に構成されており、図４（ｂ）に示されるパウダーベッド１０６の形成工程と、図４（ｃ）に示されるビーム１０８の照射工程とを、ベースプレート１００を昇降させながら繰り返すことにより本体部２０の成形が進められる。

図４（ｄ）に示されるように本体部２０が完成すると、続いて、雄ねじ部２２の成形が本体部２０の成形と連続的に実施される。雄ねじ部２２の成形も基本的には本体部２０と同様に造形面１０２に対するパウダーベッド１０６の形成とビーム照射の繰り返しによって行われるが、雄ねじ部２２には、図２及び図３を参照して前述したように追い側フランク３６においてオーバーハング形状が含まれる。そのため、雄ねじ部２２の成形では、第１フランク角α１が４５度以上になるようにパウダーベッド１０６の形成とビーム照射が繰り返し実施されることで、オーバーハング角θが４５度以下に抑えられる。これにより、追い側フランク３６の表面粗さは、算術平均粗さ（Ｒａ）が７００マイクロインチ以下となり、実用性に耐えられるようになる。

雄ねじ部２２の成形では、上述したように、オーバーハング角θが７０度以下になるように実施されることにより、軸力への耐久性が十分確保されるようにするとよい。また第２フランク角α２は、第１フランク角α１より小さくなるように実施されることにより、軸線Ｃ方向における雄ねじ部２２の長さＬを抑えるとよい。このように長さＬを抑えることにより、積層造形に要する成形時間も短縮できるため、コストダウンに効果的である。より好ましくは、第２フランク角α２がゼロ度になるように成形を行うことで、長さＬを最小にすることができる。

図４（ｅ）に示されるように雄ねじ部２２の成形が完了すると、成形された燃料噴射エレメント２の周囲に残存した粉末材料を除去することにより、燃料噴射エレメント２が完成する（図４（ｆ）を参照）。

尚、図５は図４の三次元積層造形方法によって造形可能な三次元積層造形品１１０の他の例である。三次元積層造形品１１０は、前述の燃料噴射エレメント２と同様に、雄ねじ部２２が本体側のフランジ部１１２と一体的に造形されており、特にフランジ部１１２の周方向に沿って雄ねじ部２２が複数設けられている。このような三次元積層造形品もまた、造形時には、本体側のフランジ部１１２から複数の雄ねじ部２２に向けて三次元積層造形が行われるが、複数の雄ねじ部２２の各々は、第１フランク角α１及び第２フランク角α２の少なくとも一方が前述の角度範囲を有するように造形されることで、前述の実施形態と同様に、オーバーハング角θを抑えることができる。

以上説明したように本実施形態によれば、積層型の３Ｄプリンタ技術を用いて本体部２０に対して雄ねじ部２２を一体成形しつつ、製造コストを効果的に低減可能な三次元積層造形品、及び、三次元積層造形方法を提供できる。

本発明の少なくとも一実施形態は、敷設された粉末に光ビームや電子ビーム等のビームを照射して積層造形を行うことにより製造可能な三次元積層造形品、及び、当該三次元積層造形品を製造するための三次元積層造形方法に利用可能である。

１ 燃料噴射器
２ 燃料噴射エレメント
４ ハウジング
６ 水素供給通路
８ 水素室
１０ 酸素供給通路
１２ 酸素室
１４ 隔壁
１６ 燃焼室
１８ フェイスプレート
２０ 本体部
２２ 雄ねじ部
２４ 液体水素ポスト
２６ 液体酸素ポスト
２８ スリット
３０ ナット
３２ 噴射面
３４ 進み側フランク
３６ 追い側フランク
１００ ベースプレート
１０２ 造形面
１０４ リコータ
１０６ パウダーベッド
１０８ ビーム
１１０ 三次元積層造形品
１１２ フランジ部

Claims (7)

1. 本体部と、
   前記本体部の表面に一体的に突設される雄ねじ部と、
   を備え、
   前記雄ねじ部は、前記雄ねじ部の軸線の垂直面に対して第１フランク角をなす追い側フランクを有し、
   前記第１フランク角は４５度以上である、三次元積層造形品。
2. 前記雄ねじ部は、前記垂直面に対して第２フランク角をなす進み側フランクを有し、
   前記第２フランク角は前記第１フランク角より小さい、請求項１に記載の三次元積層造形品。
3. 前記第２フランク角はゼロ度である、請求項２に記載の三次元積層造形品。
4. 前記第１フランク角は７０度以下である、請求項１から３のいずれか一項に記載の三次元積層造形品。
5. 前記追い側フランクは算術平均粗さ（Ｒａ）が７００マイクロインチ以下の表面粗さを有する、請求項１から４のいずれか一項に記載の三次元積層造形品。
6. 前記本体部は、液体ロケットエンジンの燃料噴射器に用いられる燃料噴射エレメントであり、
   前記雄ねじ部は、雌ネジ部を有するナットと係合することにより、前記本体部と前記ナットとの間に所定の機能部材を挟持可能に構成される、請求項１から５のいずれか一項に記載の三次元積層造形品。
7. 本体部と、前記本体部の表面に一体的に突設される雄ねじ部と、を備える三次元積層造形品を、パウダーベッドにビームを照射して積層造形するための三次元積層造形方法であって、
   前記雄ねじ部の軸線の垂直面に対して追い側フランクがなす第１フランク角を４５度以上に形成する、三次元積層造形方法。

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