JP2020200783A - ピストン及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属３Ｄプリンタを用いて造形できるピストン及びその製造方法を提供する。【解決手段】金属３Ｄプリンタを用いて造形されるピストンは、ピストン１の内部に、ピストン軸回りに円弧状に延びる複数の冷媒通路５を互いに間隔を隔てて形成すると共に、隣り合う冷媒通路５の端部同士を接続する接続空洞部６を形成し、かつ、冷媒通路５内に、軸方向に延びて冷媒通路５の底部８と天井部７を連結すると共に周方向に延びる縦壁１０を形成する。【選択図】図１

Description

本開示は金属３次元（以下、「３Ｄ」という。）プリンタを用いて造形する内燃機関のピストン及びその製造方法に関する。

ピストンを形成する場合、その冷媒通路を境として上下に分けて形成し、形成したピストンの上部と下部を接合することでピストン内部に冷媒通路を形成している。

特開２０１７−２１０９０６号公報 特開２０１７−０８９４６９号公報 実用新案登録第３１８２２６３号公報 特表２０１８−５３５１２１号公報

ところで、近年金属３Ｄプリンタを用いて自動車部品を造形する技術が注目されている。

金属３Ｄプリンタによれば、金属部品をＣＡＤ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ）データ等に基づいて容易に造形できる。

しかしながら、金属３Ｄプリンタは、金属粉末を層状に敷く積層工程と、その金属粉末にレーザー又は電子ビーム等を照射して金属粉末を焼結又は溶融させる造形工程とを交互に繰り返して金属部品を造形する。このため、ピストンに冷媒通路を形成しようとした場合、冷媒通路の天井部は焼結又は溶融されなかった金属粉末上に形成されることとなり、自重に耐えられず崩壊する虞がある。

一方、金属３Ｄプリンタの造形技術には、自重で崩壊しそうな部分の下方にサポート材を形成するものがある。例えば、サポート材は、容易に除去できるように軟弱なウエハース状に形成される。

しかし、冷媒通路は複雑に屈曲される。このため、仮に冷媒通路内にサポート材を形成した場合、冷媒通路内からサポート材を除去できない可能性が高い。このため、ピストンを金属３Ｄプリンタで造形することは極めて困難であった。

そこで本開示は、かかる事情に鑑みて創案され、その目的は、金属３Ｄプリンタを用いて造形できるピストン及びその製造方法を提供することにある。

本開示の一の態様によれば、
金属３Ｄプリンタを用いて造形されるピストンであって、
前記ピストンの内部に、ピストン軸回りに円弧状に延びる複数の冷媒通路を互いに間隔を隔てて形成すると共に、隣り合う前記冷媒通路の端部同士を接続する接続空洞部を形成し、かつ、前記冷媒通路内に、軸方向に延びて前記冷媒通路の底部と天井部を連結すると共に周方向に延びる縦壁を形成する
ことを特徴とするピストンが提供される。

好ましくは、前記縦壁は板状に形成され、軸方向に対する前記縦壁の傾斜角度は、０°以上４５°以内に設定される。

好ましくは、前記接続空洞部内には、軸方向に対して傾斜する冷媒案内壁が形成される。

好ましくは、軸方向に対する前記冷媒案内壁の傾斜角度は、０°以上４５°以内に設定される。

好ましくは、前記冷媒通路は、前記ピストンと同軸の環状に配置される。

好ましくは、前記縦壁の傾斜角度は０°に設定され、前記冷媒通路内には、前記縦壁と交差される斜壁がさらに形成される。

また、本開示の一の態様によれば、
金属３Ｄプリンタを用いて請求項１から６のいずれか一項に記載のピストンを造形するピストンの製造方法であって、
前記３Ｄプリンタの造形ステージ上で均一な厚さの金属粉末の層を形成する積層工程と、
前記冷媒通路の周囲、前記縦壁及び前記接続空洞部の周囲に相当する位置の金属粉末にレーザービーム又は電子ビームを照射して前記位置の金属粉末を焼結又は溶融させる造形工程と、
前記積層工程及び前記造形工程を交互に繰り返す繰り返し工程とを備える
ことを特徴とするピストンの製造方法が提供される。

上記の態様によれば、金属３Ｄプリンタを用いてピストンを造形できる。

本開示の一実施の形態に係るピストンの正面断面図である。 図１のＡ−Ａ線矢視断面図である。 図１のＢ−Ｂ線矢視断面図である。 図１のＣ−Ｃ線矢視断面図である。 図１のＤ部拡大図である。 図５の斜視図である。 金属３Ｄプリンタの概略側面図である。 他の実施の形態を示す接続空洞部の断面図である。 他の実施の形態を示す接続空洞部の断面図である。 他の実施の形態を示す接続空洞部の断面図である。

以下、添付図面を参照して本開示の実施形態を説明する。

まず、金属３Ｄプリンタで造形するピストンについて説明する。なお、後述する実施の形態においては、図１における紙面上方を上方とし、紙面右方を右方とする。ただし、本実施の形態における各方向は、説明の便宜のために用いるものであり、後述する部位間の相対的な位置関係を表す。

図１は、本実施形態に係るピストン１の正面断面図である。図２は図１のＡ−Ａ線矢視断面図である。図３は図１のＢ−Ｂ線矢視断面図である。図４は図１のＣ−Ｃ線矢視断面図である。図１、図２、図３及び図４に示すように、ピストン１は、内燃機関用であり、概ね円柱状に形成される。ピストン１の頂面１ａには、キャビティ２が形成される。キャビティ２は、図示しないインジェクタから噴射される燃料の噴流を案内することにより、燃料と吸気の混合を最適化する。また、ピストン１の軸方向の中間部には、ピストンピン穴３が形成される。図１及び図２における符号ＣＡは上下方向に延びるピストン１の中心軸である。ピストンピン穴３には、図示しないピストンピンが挿通される。また、ピストン１の下部には、ピストンスカート４が形成される。ピストンスカート４は、ピストン１が往復運動する際にピストン１の首振りを抑制する。

さて、本実施の形態におけるピストン１の内部には、複数の冷媒通路５と、冷媒通路５の端部同士を接続する複数の接続空洞部６とが形成される。冷媒通路５は、冷媒たるエンジンオイルを流すための通路である。冷媒通路５は、キャビティ２より外周側のピストン１に形成される。また、冷媒通路５は、ピストン１と同軸の円弧状に形成される。冷媒通路５は、ピストン軸回りの角度範囲θ５内で周方向に延在される。複数の冷媒通路５は、ピストン１と同軸の環状に配置されると共に、周方向に間隔を隔てて配置される。また、複数の接続空洞部６は、冷媒通路５間に配置される。

図５及び図６に示すように、冷媒通路５の天井部７の内面は、断面形状において上方に膨らむ円弧状（アーチ状）に形成される。冷媒通路５の底部８の内面は、断面形状において下方に膨らむ円弧状（逆アーチ状）に形成される。冷媒通路５の側部９ａ、９ｂの内面は、断面形状において直線状に形成される。なお、冷媒通路５の断面形状はこれに限られない。例えば図１０に示すように断面矩形状に形成されてもよく、他の形状に形成されてもよい。また、冷媒通路５には、冷媒通路５に冷媒を導入するための冷媒導入路（図示せず）が接続されると共に、冷媒通路５から外部に冷媒を排出するための冷媒排出路（図示せず）が接続される。冷媒導入路及び冷媒排出路は、冷媒通路５から下方に延びて形成され、下端を開放される。なお、冷媒導入路及び冷媒排出路は、後述する接続空洞部６に接続されてもよい。

また、冷媒通路５内には、縦壁１０が形成される。縦壁１０は、軸方向に延びると共に、冷媒通路５と同軸の周方向に延びる。縦壁１０は板状に形成され、冷媒通路５の側部９ａ、９ｂ間の中央に配置される。また、縦壁１０は、天井部７と底部８に接続される。これにより、縦壁１０は冷媒通路５をピストン１の径方向に分割する。軸方向に対する縦壁１０の傾斜角度は０°に設定される。なお、軸方向に対する縦壁１０の傾斜角度は、０°以上４５°以内に設定されてもよい。

また、冷媒通路５内には、縦壁１０と交差される斜壁１１、１２がさらに形成される。具体的には、冷媒通路５内には、上端が縦壁１０より径方向外方に位置されると共に下端が縦壁１０より径方向内方に位置される第１斜壁１１と、上端が縦壁１０より径方向内方に位置されると共に下端が縦壁１０より径方向外方に位置される第２斜壁１２とが形成される。すなわち、第１斜壁１１と第２斜壁１２とは、互いに反対方向に傾斜されてＸ字状に交差される。軸方向に対する第１斜壁１１の傾斜角度αは４５°に設定される。軸方向に対する第２斜壁１２の傾斜角度βは４５°に設定される。また、第１斜壁１１、第２斜壁１２及び縦壁１０は、冷媒通路５の中心軸Ｏ上で交差するように配置される。すなわち、第１斜壁１１、第２斜壁１２及び縦壁１０の断面形状は、アスタリスク状となる。このように、第１斜壁１１、第２斜壁１２及び縦壁１０で冷媒通路５が仕切られることにより冷媒通路５内には、６つの分流路１３ａ〜１３ｆが形成される。なお、第１斜壁１１、第２斜壁１２及び縦壁１０の交点は、冷媒通路５の中心軸Ｏに対して偏心されていてもよい。

接続空洞部６は、隣り合う冷媒通路５の間にそれぞれ配置され、ピストン１の中心軸ＣＡを中心としてθ６の角度範囲を有する。接続空洞部６の角度範囲θ６は、冷媒通路５の角度範囲θ５より小さく設定される。接続空洞部６は、一方の冷媒通路５の各分流路１３ａ〜１３ｆに接続されると共に他方の冷媒通路５の各分流路１３ａ〜１３ｆに接続される。接続空洞部６は、ピストン１の中心軸ＣＡを中心とする円弧状に形成される。接続空洞部６の断面形状及び断面積は、冷媒通路５と同じに設定される。なお、接続空洞部６の断面形状はこれに限られない。また、接続空洞部６の断面積は冷媒通路５より大きくてもよく小さくてもよい。

また、接続空洞部６内には、各分流路１３ａ〜１３ｆから流入した冷媒を各分流路１３ａ〜１３ｆに分配すべく案内する冷媒案内壁１４が形成される。冷媒案内壁１４は、軸方向に対して傾斜される。具体的には、冷媒案内壁１４は、第１斜壁１１の下半部を周方向に延長して形成される。すなわち、冷媒案内壁１４は、第１斜壁１１と第２斜壁１２の交差位置から第１斜壁１１の下端位置まで軸方向に対し斜めに傾斜して延びている。また、軸方向に対する冷媒案内壁１４の傾斜角度γは、第１斜壁１１の傾斜角度αと同じに設定される。また、冷媒案内壁１４の下端は、接続空洞部６の内周部６ａに一体に接続される。また、冷媒案内壁１４の上端と、接続空洞部６の外周部６ｃとの間には、冷媒の流通を許容する空隙１５が形成される。また、冷媒案内壁１４の周方向の両端は、第１斜壁１１に一体に接続される。

ここで冷媒案内壁１４と空隙１５の作用について説明する。

ピストン１が下方に移動されたとき、冷媒はピストン１に対して相対的に上方に流れ、冷媒案内壁１４の下面１４ａは上方に流れる冷媒をピストン１の径方向外方に案内する。そして、冷媒案内壁１４の下面１４ａに案内されて径方向外方に流れる冷媒は、接続空洞部６の外周部６ｃに対して斜め下方から当たる。このため、外周部６ｃに当たった冷媒は、径方向内方かつ上方に跳ね返されることとなり、空隙１５を通過して冷媒案内壁１４の上方に流動される。この後、冷媒案内壁１４の上方に流動された冷媒は、冷媒案内壁１４の上面１４ｂに沿って斜め下方に流れる。この作用により、各分流路１３ａ〜１３ｆから接続空洞部６内に集合された冷媒は、接続空洞部６内で循環され、混合される。そして、混合された冷媒は冷媒案内壁１４に沿って循環されつつ各分流路１３ａ〜１３ｆに分配されることとなる。なお、冷媒案内壁１４は上述に限られない。例えば、冷媒案内壁１４の上端と空洞部６の外周部６ｃ及び天井部６ｂとの間に空隙１５がある限り、冷媒案内壁１４の上端位置は、上述よりも高くてもよく、低くてもよい。また、軸方向に対する冷媒案内壁１４の傾斜角度γは、０°以上４５°以内に設定されてもよい。

次に金属３Ｄプリンタについて説明する。

図７に示すように、本実施の形態において使用する金属３Ｄプリンタ２０は、レーザービームを熱源とするパウダーベッド方式である。金属３Ｄプリンタ２０は、金属粉末Ｐを層状に敷く積層工程と、金属粉末Ｐにレーザービームを照射して金属粉末Ｐを焼結又は溶融させる造形工程とを交互に繰り返してピストン１等の造形物を下端部から順に造形する。なお、金属３Ｄプリンタ２０は、電子ビームを熱源とするパウダーベッド方式であってもよい。

金属３Ｄプリンタ２０は、金属粉末Ｐを収容するバケット２１と、造形ステージ２２と、造形ステージ２２に金属粉末Ｐを供給するコーター２３と、レーザービーム発生装置２４と、レーザービームの照射位置を制御する光学素子２５と、余剰材料回収ボックス２６と、制御装置２７とを備える。

バケット２１には、バケット２１内の金属粉末Ｐを上昇させるための供給エレベータ２８が設けられる。供給エレベータ２８は、バケット２１内に配置されるテーブル部２９と、テーブル部２９を昇降自在に駆動させるエレベータ駆動部３０とを備える。エレベータ駆動部３０は、制御装置２７からの制御信号に基づいてテーブル部２９を昇降させる。

造形ステージ２２は、ピストン１等の造形物を造形するためのステージであり、バケット２１に隣接して配置される。また、造形ステージ２２は、ステージ駆動部３１に昇降自在に支持される。ステージ駆動部３１は、制御装置２７からの制御信号に基づいて造形ステージ２２を昇降させる。

コーター２３は、バケット２１上の金属粉末Ｐを造形ステージ２２上に移動させるためのスクレーパ部３２と、スクレーパ部３２を水平方向に駆動させるスクレーパ駆動部（図示せず）とを備える。スクレーパ駆動部は、制御装置２７からの制御信号に基づいてスクレーパ部３２を水平方向に移動させる。

光学素子２５はミラーで構成され、レーザービーム発生装置２４から発射されるレーザービームの光軸上に配置される。また、光学素子２５は、光学素子２５を上下方向及び左右方向に回動自在に駆動させる光学素子駆動部３３に支持される。光学素子駆動部３３は、制御装置２７からの制御信号に基づいて光学素子２５の向きを変化させる。光学素子２５は、向きを変えられることでレーザービームを任意の方向に反射させ、レーザービームを造形ステージ２２上の金属粉末Ｐに照射させる。

余剰材料回収ボックス２６は、造形ステージ２２に隣接して配置され、造形ステージ２２で余った金属粉末Ｐを回収する。具体的には、余剰材料回収ボックス２６は、コーター２３の移動経路上に配置され、コーター２３によって造形ステージ２２外に移動させられた金属粉末Ｐを回収する。

制御装置２７は、ピストン１の形状情報を読み書き可能に記憶すると共に、ピストン１の形状情報に基づいてレーザービーム発生装置２４及び光学素子駆動部３３等を駆動させる。

次に金属３Ｄプリンタ２０を用いたピストン１の造形方法（製造方法）について説明する。

前述のピストン１を造形する場合、ピストン１の形状情報を制御装置２７に入力したのち、金属３Ｄプリンタを作動させる。このとき、バケット２１内には、金属粉末Ｐがバケット２１の上端まで満ちている。また、テーブル部２９はバケット２１の底部に位置されている。造形ステージ２２は、バケット２１の上端と同じ高さに配置されている。

金属３Ｄプリンタ２０が作動されると、まず積層工程が行われる。積層工程では、まず、テーブル部２９及び造形ステージ２２の高さ調整が行われる。高さ調整において、制御装置２７は、テーブル部２９を予め設定された所定高さだけ上昇させ、造形ステージ２２を前記所定高さだけ降下させる。この後、制御装置２７は、コーター２３をバケット２１上、造形ステージ２２上及び余剰材料回収ボックス２６上の順に移動させる。これにより、バケット２１上の金属粉末Ｐが造形ステージ２２上に移動される。そして、金属粉末Ｐが造形ステージ２２上に前記所定高さと同じ厚さで敷かれる。これにより、造形ステージ２２上に均一な厚さの金属粉末層が形成される。また、余剰の金属粉末Ｐは、余剰材料回収ボックス２６に回収される。

この後、造形工程が行われる。造形工程では、制御装置２７は、レーザービーム発生装置２４からレーザービームを発射させ、ピストン１の形状情報に基づいて光学素子駆動部３３を駆動させる。これにより、造形ステージ２２上の金属粉末Ｐにレーザービームが照射され、レーザービームが照射された位置の金属粉末Ｐが焼結される。具体的には、形成すべきピストン１の姿勢が図１に示すピストン１と同じである場合、レーザービームはピストン１の下端部に対応する位置の金属粉末Ｐに照射される。これにより、ピストン１の下端部が造形ステージ２２に付着した状態で造形される。

以降、積層工程と造形工程が交互に繰り返し行われる。

そして、造形ステージ２２上に積まれた金属粉末Ｐの高さがピストン１の冷媒通路５及び接続空洞部６の下端の高さに至ると、冷媒通路５及び接続空洞部６の造形が始まる。このとき、冷媒通路５及び接続空洞部６内の空洞となる部分の金属粉末Ｐには、レーザービームは照射されない。例えば、冷媒通路５は、その周囲（底部８、天井部７及び側部９ａ、９ｂ）に相当する位置の金属粉末Ｐにレーザービームが照射されることで形成される。また、冷媒通路５内においては、縦壁１０、第１斜壁１１及び第２斜壁１２に対応する位置の金属粉末Ｐにのみレーザービームが照射される。また、接続空洞部６は、その周囲（内周部６ａ、天井部６ｂ、外周部６ｃ及び底部６ｄ）に相当する位置の金属粉末Ｐにレーザービームが照射されることで形成される。また、接続空洞部６内においては、冷媒案内壁１４に対応する位置の金属粉末Ｐにのみレーザービームが照射される。

ところで、パウダーベッド方式の金属３Ｄプリンタ２０においては、冷媒通路５のような空洞を形成しようとした場合、造形工程で冷媒通路５の天井部分が自重に耐えられず、崩れてしまう可能性があった。また、一般に金属３Ｄプリンタ２０で空洞を形成する場合、空洞内にその天井部分を支えるためのサポート材を形成する。しかし、冷媒通路内にサポート材を形成した場合、サポート材の除去が極めて困難であり、金属３Ｄプリンタ２０で一般的な構造のピストンを造形することは困難であった。

しかし、本実施の形態によれば、冷媒通路５内に、軸方向に延びて冷媒通路５の底部８と天井部７を連結すると共に周方向に延びる縦壁１０が形成される。また、縦壁１０は冷媒通路５を区画するピストン１と同じ硬さに形成される。このため、積層工程中に冷媒通路５の天井部７を縦壁１０で支持することができ、天井部７が崩れることを抑制できる。またさらに、縦壁１０は板状に形成され、軸方向に対する縦壁１０の傾斜角度は、０°に設定される。このため、積層工程中に縦壁１０が崩れることも抑制される。そして、縦壁１０はサポート材のように除去する必要はない。このため、金属３Ｄプリンタでピストン１を容易に造形できる。

なお、冷媒通路５の天井部７において既に焼結された低い部分から新たに縦壁１０側（径方向）に突出して少しずつ天井部７を焼結していけば天井部７の崩壊は抑制できる。

以上、本開示の実施形態を詳細に述べたが、本開示は以下のような他の実施形態も可能である。

（１）図８に示すように、冷媒通路５内には、第１斜壁１１と同方向に傾斜されると共に、第１斜壁１１より軸方向に対する傾斜角度が緩やかな第３斜壁４０がさらに形成されてもよい。またさらに、冷媒通路５内には、第２斜壁１２と同方向に傾斜されると共に、第２斜壁１２より軸方向に対する傾斜角度が緩やかな第４斜壁４１がさらに形成されてもよい。これにより、造形工程中に冷媒通路５の天井部７が崩れることがさらに抑制される。

（２）冷媒通路５内には、第１斜壁１１と第２斜壁１２が形成されるものとしたが、これに限られない。第１斜壁１１及び第２斜壁１２のいずれか一方又は両方が省略されてもよい。

（３）冷媒通路５内には、１枚の縦壁１０（図５参照）が形成されるものとしたが、これに限られない。図９に示すように、冷媒通路５内に複数の縦壁４２、４３が形成されてもよい。この場合、隣り合う縦壁４２、４３同士の上端は、ピストン１の径方向に離間される。これにより、造形工程中に冷媒通路５の天井部７が崩れることがさらに抑制される。

（４）冷媒案内壁１４は、第１斜壁１１の下半部を周方向に延長して形成されるものとしたが、これに限られない。冷媒案内壁１４は、冷媒の循環を促進できるものであればよく、他の形状に形成されてもよい。例えば、冷媒案内壁４４は、図１０に示すように、第２斜壁１２の下半部を周方向に延長して形成されてもよい。この場合、冷媒案内壁４４の上端と接続空洞部６の内周部６ａとの間に空隙１５が形成されるとよい。

（５）接続空洞部６内には、冷媒案内壁１４が形成されるものとしたが、これに限られない。冷媒案内壁１４がなくとも接続空洞部６内で冷媒が良好に混合される場合、冷媒案内壁１４は省略されてもよい。

前述の各実施形態の構成は、特に矛盾が無い限り、部分的にまたは全体的に組み合わせることが可能である。本開示の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本開示の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本開示に含まれる。従って本開示は、限定的に解釈されるべきではなく、本開示の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

１ ピストン
５ 冷媒通路
６ 接続空洞部
１０ 縦壁

Claims (7)

1. 金属３Ｄプリンタを用いて造形されるピストンであって、
   前記ピストンの内部に、ピストン軸回りに円弧状に延びる複数の冷媒通路を互いに間隔を隔てて形成すると共に、隣り合う前記冷媒通路の端部同士を接続する接続空洞部を形成し、かつ、前記冷媒通路内に、軸方向に延びて前記冷媒通路の底部と天井部を連結すると共に周方向に延びる縦壁を形成する
   ことを特徴とするピストン。
2. 前記縦壁は板状に形成され、軸方向に対する前記縦壁の傾斜角度は、０°以上４５°以内に設定される
   請求項１に記載のピストン。
3. 前記接続空洞部内には、軸方向に対して傾斜する冷媒案内壁が形成される
   請求項１又は２に記載のピストン。
4. 軸方向に対する前記冷媒案内壁の傾斜角度は、０°以上４５°以内に設定される
   請求項３に記載のピストン。
5. 前記冷媒通路は、前記ピストンと同軸の環状に配置される
   請求項１から４のいずれか一項に記載のピストン。
6. 前記縦壁の傾斜角度は０°に設定され、
   前記冷媒通路内には、前記縦壁と交差される斜壁がさらに形成される
   請求項１から５のいずれか一項に記載のピストン。
7. 金属３Ｄプリンタを用いて請求項１から６のいずれか一項に記載のピストンを造形するピストンの製造方法であって、
   前記３Ｄプリンタの造形ステージ上で均一な厚さの金属粉末の層を形成する積層工程と、
   前記冷媒通路の周囲、前記縦壁及び前記接続空洞部の周囲に相当する位置の金属粉末にレーザービーム又は電子ビームを照射して前記位置の金属粉末を焼結又は溶融させる造形工程と、
   前記積層工程及び前記造形工程を交互に繰り返す繰り返し工程とを備える
   ことを特徴とするピストンの製造方法。

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