JP2019531924A

JP2019531924A - 付加製造法によって作られ支持構造を有するコンポーネント

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Publication number: JP2019531924A
Application number: JP2019511470A
Authority: JP
Inventors: アレクサンダーボンク，
Original assignee: エフイーテーアーゲー
Priority date: 2016-09-01
Filing date: 2017-08-21
Publication date: 2019-11-07
Also published as: EP3507078A1; CN109890596A; DE102016116372A1; RU2019109016A3; WO2018041395A1; US20190240916A1; RU2019109016A

Abstract

付加製造法によって作られたコンポーネント（１）のための支持構造（２）を極めて簡単な方法で除去するために、曲げモーメントを繰り返し加えることにより支持構造（２）の自由端（９）を開始位置（１６）から撓み位置（１７）に撓ませて、支持構造（２）が所定の箇所で、特にその固定端（８）で塑性変形によって加工硬化し、更に撓ませると支持構造（２）が前記箇所で破断することが提案される。【選択図】図２

Description

本発明は、付加製造法によって作られ支持構造を有するコンポーネントに関する。更に、本発明は、支持構造を構成するための方法、並びに支持構造を除去するための方法に関する。更に、本発明は、支持構造を除去するための曲げ装置に関する。

付加製造法とは、特に層状に塗布された構成材料を選択的に固化することによる、特にデジタルコンピューターモデルを用いた３次元物体の層状構成として理解される。このために使用される構成材料は、例えば粉末形態で存在し得る。そのような製造方法の例は、レーザー焼結、マスク焼結等である。

多数の付加製造法が支持構造（「サポート」）を必要とする。支持構造は、通常一方ではコンポーネントと結合され、他方では製造台と結合されているか、又は例えばコンポーネント内部でコンポーネントの両端に結び付いている。これらの支持構造は、特にコンポーネント又はコンポーネントの一部を支持するために用いられる。支持構造は、コンポーネントがまだ最終的な強度に達していない間は、構造スペース内へのコンポーネントの沈下やコンポーネントの歪みを防ぐことができる。言い換えれば、支持構造はコンポーネントの寸法精度の損失又は形状のずれを防止する。更に、必要に応じて適当な支持構造を通して製造台に熱を放散させることができる。

製造工程が完了してコンポーネントが完成した後、支持構造は除去されなければならない。

支持構造をコンポーネント自体とは別の方法及び／又は別の材料で作ることが知られている。そのような場合は製造工程の完了後にそれをより良好に除去できるようにするために、支持材料は構成材料とは異なる物理的性質又は化学的性質を有する。そのような場合には、しばしば構成材料より融点が低い支持材料が用意され、支持構造が炉又は温かい溶剤浴中でコンポーネントから分離できるようにする。水溶性支持材料の使用も知られている。これらの場合には支持構造の除去は比較的容易であり、ほとんど労力を要しない。

しかしながら多くの場合に支持構造は、コンポーネントの構成の過程でコンポーネント自体と同じ付加製造法で同じ材料から作られる。通常、支持構造は互いに結合された支持要素であり、全周フレーム構造を有する場合と有さない場合がある。これらの支持要素は通常、コンポーネントの直ぐ下で破断予定箇所を介してコンポーネントと結合されている。製造工程の完了後にコンポーネントからそのような支持構造を除去するために、原則として機械的後処理を行い、例えば、のみ、のこぎり、ペンチ等の工具の助けを借りて支持構造を折り取り又は削り取る。言い換えれば、そのような硬く柔軟性のない支持構造の除去は、たいてい支持要素に引っ張り、引き裂き又は同様の力を加えることにより破断予定箇所で強制破断を生み出すことによって行なわれる。これに必要な力は比較的大きいので、そのような支持構造の除去に関連してコンポーネントの表面に損傷を招くことが頻繁に起こる。

本発明の課題は、付加製造法によって製造されたコンポーネントのための支持構造の除去を、特に簡単な方法で可能にすることである。この課題は、請求項１に記載の方法若しくは請求項２に記載の方法若しくは請求項３に記載のコンポーネント若しくは請求項１０に記載の曲げ装置によって解決される。

付加製造法によって製造されたコンポーネントの支持構造であって、自由端とコンポーネントに結合された固定端とを有する支持構造を除去する本発明による方法は、曲げモーメントを繰り返し加えることによって支持構造の自由端を開始位置から撓み位置に撓ませて、支持構造が所定の箇所で塑性変形によって加工硬化し、更に撓ませると支持構造がこの箇所で破断することを特徴とする（請求項１）。

付加製造法によって製造されたコンポーネントの支持構造を構成するための本発明による方法は、支持構造が一方ではコンポーネントと結合された端部を有し、他方では自由端を有するか又はそのような自由端を支持構造の構成後に作り得るように構成されており、この支持構造は、曲げモーメントを繰り返し加えることによって支持構造の自由端を開始位置から撓み位置に撓ませることが可能であり、支持構造が所定の箇所で塑性変形によって加工硬化し、更に撓ませると支持構造がこの箇所で破断するように構成されることを特徴とする（請求項２）。

付加製造法によって製造された、支持構造を有する本発明によるコンポーネントであって、支持構造は自由端と、コンポーネントと結合された固定端とを有しており、支持構造の自由端は繰り返し曲げモーメントを加えることによって開始位置から撓み位置に撓ませることが可能であり、支持構造が所定の箇所で塑性変形によって加工硬化し、更に撓ませると支持構造がこの箇所で破断することを特徴とする（請求項３）。

付加製造法によって製造されたコンポーネントの支持構造を除去するための本発明による曲げ装置は、支持構造が自由端と、コンポーネントと結合された固定端とを有しており、この曲げ装置は、曲げモーメントを繰り返し加えることによって支持構造の自由端を開始位置から撓み位置に撓ませて、支持構造が所定の箇所で塑性変形によって加工硬化し、更に撓ませると支持構造がこの箇所で破断するように構成されていることを特徴とする（請求項１０）。

本発明の有利な実施形態が、従属請求項に記載されている。以下に本方法に関連して説明される利点及び構成は本発明によるコンポーネント及び曲げ装置にも当てはまり、逆もまた同様である。

本発明の基本的な着想は、支持構造を、少なくとも１空間方向で柔軟性があり撓み可能（屈曲可能）であるように設けることである。このことは好ましくは支持構造の適切な幾何学的形状と併せて、支持構造のコンポーネントへの適切な結合によって達成される。この場合、コンポーネントからの支持体の分離は、もはや多かれ少なかれ方向を決めないで大きい力を加えることによっては行なわれない。その代わりに支持構造の自由端を１空間方向に繰り返し（数回）撓ませ、その結果として支持構造は所定の箇所で塑性変形し（伸び／圧縮）、それにより加工硬化が生じる。換言すれば、支持構造の自由端のわずかな撓み運動によりこの箇所で支持構造の材料特性の変化が起こり、この領域で支持構造の変形性（延性）が減少して、最後に更に（繰り返して）撓ませると、即ち再度曲げモーメントを加えると破断する。

好適な実施形態において、支持構造は、任意の箇所ではなく、（少なくとも）自由端とは反対側の固定端で、特に支持構造とコンポーネントとの結合領域において塑性変形され、その結果その箇所に加工硬化が生じる（請求項４）。従って、破断は支持構造の固定端で起こるので、支持構造全体がコンポーネントから除去され有利である。

加工硬化によって誘発される固定端のこの計画的な破断は、好ましくは破断予定箇所の領域で行なわれ、本発明の１実施形態ではこれらの破断箇所を介して支持構造の固定端がコンポーネントに結合されている（請求項５）。この場合、破断予定箇所は、支持構造の除去中にコンポーネント上に残留物が残らないように形成できる。

本発明の１実施形態では、支持構造の撓み性（曲げ性）は方向依存的であり（請求項６）、この方向依存性は支持構造の形成（幾何学形状、造形等）及び／又は結合領域の形成、従って支持構造の固定端とコンポーネントとの結合の仕方によって引き起こされる。このことは一方では、１以上の方向で撓み性が欠けていることは、支持構造の撓み性にもかかわらず構成過程中に必要とされる安定性を保証するために利用することができる。そのため（粉末ベースの製造法では）、支持構造は特にドクターブレード方向を基準に向きを決めることができる。他方では、特定の方向での撓み性を利用して、その方向に相応して向きが決められた破断予定箇所を提供できる。言い換えれば、破断予定箇所を撓み方向に（又はその逆に）適合させることができる。

本発明の１実施形態では、支持構造の自由端は所定の空間方向で撓ませることが可能である（請求項７）。支持構造の自由端が単一の所定の空間方向でのみ撓むことができるようにした本発明の実施形態は、支持構造を簡単に除去できるため、格別に有利であることが分かった。

本発明の１実施形態では、支持構造の長さはその高さ及び幅よりもかなり大きい（請求項８）。そのような細長い又は伸長された支持構造は、特に壁、梁、棒等である。特に高い曲げモーメントを達成するために、支持構造の自由端を把持して支持構造を撓ませることが好ましい。

本発明の１実施形態では、支持構造は互いに間隔を置いて配置された多数の支持壁を含む（請求項９）。支持構造は、相互に結合されていない個々の支持壁だけではない。支持構造が相互に結合された複数の支持壁を含むことも考えられる。この場合、支持壁を相互に結合する結合要素は、それらが撓みを妨げないように設計されることが好ましい。その際に支持壁の結合要素は、それらが支持構造と一緒に撓むように設計してもよく、支持構造と一緒に撓まないようにも設計してもよい。

従って、それらは基本的に機械的後加工により支持構造を除去する作業が残る。しかしながら本発明の助けを借りて、支持構造は、特に多くの個々の工程なしに、特に容易に、比較的迅速に、少しの労力で除去することができる。この場合、支持構造の除去は、特に確実且つ明確な方法で行われる。詳しくは、支持構造の固定端、即ちコンポーネントと結合されている端部において、事前に行なわれた支持構造領域の加工硬化によって引き起こされる意図的な破断が起き、これによって支持構造の除去が行われる。その際に支持構造の除去は、残留物なしに、とりわけコンポーネントを損傷することなく行うことができる。このことは支持構造を除去するための公知の機械的後処理法と比較して重要な利点である。

本発明によれば、支持構造の破断を引き起こすために必要なことは単に支持構造を複数回撓ませることだけであり、この撓みは比較的少ない労力で可能であり、特に支持構造の自由端が所定の（「柔らかい」）空間方向（好ましい方向という意味で）で撓ませることが可能な場合はそうである。これに対して他の空間方向では、支持構造は極めて安定に設計されてよい。その際に支持構造は好ましくは必要な加工硬化を誘発するために、撓み運動の数回の繰り返し、即ち曲げモーメントを数回加えること、例えば４〜８回撓ませることで十分であるように設計されている。この目的のために、使用される支持構造は、好ましくは狭く限定された範囲、例えば点、線又は面において材料を脆弱にする破断予定箇所を備えていて、少ない繰り返し回数で支持構造を撓ませれば（曲げれば）、材料の弾性限界を十分超え得る。この場合、材料の脆弱化は好ましくは、所定の支持構造領域の適切な幾何学的形状を選択することによって、例えば材料を先細りにすることによって行なわれる。しかし材料の脆弱化は支持構造の材料特性を適切に局所的に限定して変化させることによっても可能であり、これは例えば支持構造の相応に適合した製造によって、又は製造後の支持構造の処理によって引き起こされる。

更に、本発明による支持構造は、特に支持構造が結合要素を用いない独立型支持構造として設計された場合には、材料を節約するように製造することができる。同時に支持構造は、それらの支持機能を損なうことなく、特に薄肉で構成することができる。そうすることによって支持構造は非常に迅速に構成できる。必要であれば支持構造は、補強のために、例えば長手方向に延びるリブ等の形態の補強要素を有することができ、それによって支持構造を容易に除去できるという効果が実質的に損なわれることはない。

本発明の好適な実施形態では、要約すると、第１に、本発明による支持構造は先行技術から知られている剛性構造とは異なり、開始位置（ゼロ位置）から撓み位置に撓ませることが可能である。更に、第２に、支持構造は好ましくは方向に依存して撓ませることが可能である。更に、第３に、支持構造は、特別に設けられた領域、好ましくは後で破断箇所となる領域、特に特別に設けられた破断予定箇所の領域で支持構造材料の加工硬化を起こさせるように撓ませることが可能である。しかも第４に、支持構造材料の材料特性はこの領域で変化して、既にゼロ位置から数回撓み運動をするだけで破断に至る。

本発明は特定の付加製造法、特に支持構造を構成するために使用される特定の方法又は材料には限定されない。ここで本質的なことは、支持構造が、後に支持構造を除去するために破断が起こる領域で、従って特にコンポーネントと支持構造との結合領域を形成する支持構造の固定端で、特に曲げモーメントを加えることにより支持構造の自由端が撓むことによって、支持構造の機械的負荷による加工硬化が行なわれるように設計されていることである。

支持構造の除去が、既述したように専ら撓みによって（即ち、支持構造への追加の作用、例えば熱的、化学的又は他の機械的作用なし）引き起こされた破断によって行われることが好ましい。

本発明の実施の形態について、以下に図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、複数の支持壁を有するコンポーネントを示す。図２は、単一の支持壁を示す。

すべての図は、本発明を一定の縮尺で示しておらず、必須の構成要素のみを用いて概略的に示している。その際に同じ参照符号は同じ又は同等の機能を持つ要素に対応している。

詳細に記載されていないコンポーネント１の粉末ベースの付加製造の間、同時に支持壁２の形をした必要とされる支持構造が、適当なコンピュータ生成ＣＡＤデータを使用して、当業者によく知られた適当なコンピュータソフトウェアを用いる制御によって構成される。コンポーネント１及び支持壁２のための構成材料としては、例えば金属材料から作られた適当な粉末を用いる。

全体として、互いに間隔をあけて相互結合されていない支持壁２がコンポーネント１のために設けられている。個々の支持壁２の長さ３は、それらの高さ４及び幅５よりもかなり大きい。支持壁２は薄肉であり、即ちそれらの高さ４は幅５よりもかなり小さい。支持壁２の長手方向６は垂直に延びている。支持壁２は、長手方向６に延びて中央に配置された補強要素を支持リブ７の形で有していてもよい。

個々の支持壁２はそれぞれその固定端８で、即ちその幅５に沿って、多数の破断予定箇所を形成しながらコンポーネント１と結合されている。支持壁２はこの領域で、より正確に言えば上部短辺１１で複数の歯１２となり、歯の先端でコンポーネント１と点状に結合しているだけである。この場合、結合点は線１３上にある。

支持壁２の反対側の端部は、例えば図１に略示されている製造台１４と結合されている。コンポーネント１の完成後、支持壁２は製造台１４からその近くで分離され、それによって支持壁２の固定端８の反対側に自由端９が生じる。この分離は適当な分離法を用いて、例えば切断又はフライス加工によって行なわれる。

支持壁２のコンポーネント１若しくは製造台１４に対しての配置は、主として支持壁２がそれらの支持機能及びその他の機能を果たすことができるように決められている。特に材料消費量が少ないという点で設計が最適化されている支持壁２を使用する場合は、特に薄肉の支持壁を使用する場合は、支持壁２の配置を他のパラメータを基準にして変えることもできる。採用される製造法において、例えば粉末状の構成材料がドクターブレード（図示せず）を用いて塗布される。この場合、支持壁２はドクターブレード方向、即ちドクターブレードの移動方向１５に対して平行に延びるように配置することができる。支持壁２が支持リブ７又は他の適切な補強要素を備えている場合、それらの剛性により、硬い刃を有するドクターブレードによる擦り付けに耐えることができる。柔らかいゴム製リップ又は同種のものを有するドクターブレードの場合は、支持壁２をドクターブレード方向１５に対して横方向に配置することもできる。

支持壁２の設計及び配置並びに破断予定箇所１２の設計及び配置は、支持壁２の自由端９の撓み性が方向に依存するように、即ち支持壁２の自由端９が単一の所定の空間方向に、即ち「柔らかい」方向に撓み得るように、従ってこの空間方向で繰り返し曲げモーメントを加えることによって開始位置１６から撓み位置１７に撓むことができるように選択される。その結果として、支持壁２はその固定端８で塑性変形、特に長手方向変形により加工硬化して、支持壁２の固定端８の変形可能性（延性）が、特に破断予定箇所１２の領域で減少して、最後に支持壁２を更に撓ませると、即ち再度曲げモーメントを加えるとその固定端８で、特に破断予定箇所１２の領域で破断する。

換言すれば、歯１２はそれらの先端で支持壁２の破断予定箇所、即ちこの場合は歯の成形に起因する材料の脆弱化によって加工硬化を可能にする支持構造の１以上の領域を形成する。支持壁２を複数回曲げることによって最初に歯先で材料の弾性限界を超え、それにより所望の加工硬化が生じる。

支持構造の内部に適当な破断予定箇所を用意するために、先端が細くなっている歯１２の代わりに、別の幾何学的形状及び／又は変更された材料特性を有する領域を用いることが可能である。

ここで略述された例において、支持壁２は、支持壁２の横断方向１８、即ち支持壁２の縦軸に対して垂直の横軸１９を中心にして撓む（曲がる）ことができ、この横軸１９は破断予定箇所（歯）１２の領域に延びている。撓みのための空間方向は１方向、即ち横軸１９と直交する方向だけである。図２ではこの撓み方向は、開始位置１６の両側に矢印２１で略示されている。

この目的のために、適当な曲げ装置（図示せず）が設けられており、それを用いて支持壁２の自由端９、特にその下部短辺２２の近傍で、例えば側方又は下方から自由端に作用する力によって所定の曲げモーメントが加えられる。曲げ装置は、撓み方向２１で支持壁２に力を伝達するように設計されていることが好ましい。この場合、曲げ装置は手動で又はモーターによって駆動されてよい。

ここで支持壁２の長さ３は、自由端９に作用する力（Ｆ）の作用線から支持壁２の固定端８までの距離に実質的に等しい。言い換えれば、この長さ（ｌ）はてこの腕に対応しているので、曲げモーメント（Ｍ）に対してＭ＝Ｆ×１の式が適用される。これにより支持壁は繰り返し開始位置１６から図２に略示された撓み位置１７に撓む。この場合、小さいてこの力で比較的大きい曲げモーメントを発生できる。有利なことに、支持壁２はそのゼロ位置１６から比較的大きく撓むので、支持壁２の内部で、特にコンポーネント２との結合領域で、即ち破断予定箇所１２の領域で、特に大きい伸長又は圧縮プロセスが生じる。撓み過程を数回繰り返した後、支持壁２は破断予定箇所１２できれいに規定された通りに破断する。

支持壁２を除去するために必要な撓みは、支持壁２の方向に依存した撓み性において、特に規定された通りに生じなければならないため、支持壁２を除去するための自動化された方法が、好ましくはモーター駆動可能な曲げ装置を使用した方法が、特に簡単に実現可能である。

支持壁２がコンポーネント１に異なる仕方で、特に互いに異なる向きで取り付けられている場合は、支持壁２を（場合により連続して）除去することは、図示の例のように支持壁２の自由端９を異なる方向に相応に撓ませることによって行なわれる。

本発明の図示されていない実施形態においては、支持構造、この場合に支持壁２は、それらの長手方向６に沿って、特定の、好ましくは規則的な間隔で、破断予定箇所を、例えば適切な材料先細りの形で備えている。言い換えれば、破断予定箇所は直接コンポーネント１上に設けるだけでなく、コンポーネント１から間隔を置いて支持壁２上に設けることもできる。支持壁２は、例えば破断予定箇所によって互いに分離された複数の長手方向区画を有する。このようにすることによって必要な場合に支持構造を区画ごとに完全に除去することができる。

説明、以下の特許請求の範囲及び図面に示されたすべての特徴は、個々にも互いに任意に組み合わせても本発明にとって本質的であり得る。

１コンポーネント
２支持壁
３長さ
４高さ
５幅
６長手方向
７支持リブ
８固定端
９自由端
１０（なし）
１１上部短辺
１２歯、破断予定箇所
１３点状結合線
１４製造台
１５ドクターブレードの移動方向
１６開始位置、ゼロ位置
１７撓み位置
１８横断方向
１９横軸
２０（なし）
２１撓み方向
２２下部短辺

ここで支持壁２の長さ３は、自由端９に作用する力（Ｆ）の作用線から支持壁２の固定端８までの距離に実質的に等しい。言い換えれば、この長さ（ｌ）はてこの腕に対応しているので、曲げモーメント（Ｍ）に対してＭ＝Ｆ×１の式が適用される。これにより支持壁は繰り返し開始位置１６から図２に略示された撓み位置１７に撓む。この場合、小さいてこの力で比較的大きい曲げモーメントを発生できる。有利なことに、支持壁２はそのゼロ位置１６から比較的大きく撓むので、支持壁２の内部で、特にコンポーネント１との結合領域で、即ち破断予定箇所１２の領域で、特に大きい伸長又は圧縮プロセスが生じる。撓み過程を数回繰り返した後、支持壁２は破断予定箇所１２できれいに規定された通りに破断する。

Claims

付加製造法によって製造されたコンポーネント（１）の支持構造（２）であって、自由端（９）とコンポーネント（１）に結合された固定端（８）とを有する支持構造（２）を除去する方法であって、曲げモーメントを繰り返し加えることによって支持構造（２）の自由端（９）を開始位置（１６）から撓み位置（１７）に撓ませて、支持構造（２）が所定の箇所で塑性変形によって加工硬化し、更に撓ませると支持構造（２）が前記箇所で破断することを特徴とする方法。
付加製造法によって製造されたコンポーネント（１）の支持構造（２）を構成する方法であって、前記支持構造（２）は、当該支持構造（２）がコンポーネント（１）と結合された固定端（８）を有し、及び当該支持構造（２）が自由端（９）を有するか又はそのような自由端（９）を支持構造（２）の構成後に作り得るように構成される方法において、前記支持構造（２）は、曲げモーメントを繰り返し加えることによって支持構造（２）の自由端（９）を開始位置（１６）から撓み位置（１７）に撓ませることが可能であり、支持構造（２）が所定の箇所で塑性変形によって加工硬化し、更に撓ませると支持構造（２）が前記箇所で破断するように構成されることを特徴とする方法。
付加製造法によって製造された、支持構造（２）を有するコンポーネント（１）であって、前記支持構造（２）は自由端（９）と固定端（８）とを有しており、固定端（８）はコンポーネント（１）と結合されているものにおいて、支持構造（２）の自由端（９）は繰り返し曲げモーメントを加えることによって開始位置（１６）から撓み位置（１７）に撓ませることが可能であり、支持構造（２）が所定の箇所で塑性変形によって加工硬化し、更に撓ませると支持構造（２）が前記箇所で破断することを特徴とする方法。
支持構造（２）の所定の箇所は当該支持構造（２）の固定端（８）であることを特徴とする、請求項３に記載のコンポーネント。
前記支持構造（２）の固定端（８）は、多数の破断予定箇所（１２）を形成することで前記コンポーネント（１）と結合されていることを特徴とする、請求項４に記載のコンポーネント（１）。
支持構造（２）の自由端（９）の撓み性が方向依存的であるように、前記支持構造（２）は形成され、及び／又は支持構造（２）の固定端（８）はコンポーネント（１）と結合されていることを特徴とする、請求項３から５のいずれか１項に記載のコンポーネント（１）。
前記支持構造（２）の自由端（９）は所定の空間方向（２１）に撓ませることが可能であることを特徴とする、請求項３から６のいずれか１項に記載のコンポーネント（１）。
前記支持構造（２）の長さ（３）がその高さ（４）及び幅（５）よりも著しく大きいことを特徴とする、請求項３から７のいずれか１項に記載のコンポーネント（１）。
前記支持構造（２）が支持壁であることを特徴とする、請求項３から８のいずれか１項に記載のコンポーネント（１）。
付加製造法によって製造されたコンポーネント（１）の支持構造（２）を除去するための曲げ装置であって、支持構造（２）は自由端（９）と固定端（８）を有し、固定端（８）はコンポーネント（１）と結合されているものにおいて、曲げ装置は、曲げモーメントを繰り返し加えることによって支持構造（２）の自由端（９）を開始位置（１６）から撓み位置（１７）に撓ませて、支持構造（２）が所定の箇所で塑性変形によって加工硬化し、更に撓ませると支持構造（２）が前記箇所で破断するように構成されていることを特徴とする曲げ装置。