JP2021011615A - 金属成形品、リブ構造および金属成形品の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】金属成形品において、部分ごとに求められる性質が異なることに対し、部分ごとに最適化された機能を発揮し得る金属成形品、リブ構造および金属成形品の製造方法を提供する。【解決手段】金属成形品は、一体的に形成されかつ同じ化学組成を有する複数の部分を含み、金属成形品の造形に際して、レーザ光の強度およびレーザ光の走査速度の少なくとも一方を変えることより、前記複数の部分において機械的性質および物理的性質の少なくとも１つが異なる。【選択図】図１
Description
本発明は、金属成形品、リブ構造および金属成形品の製造方法に関する。
従来用いられてきた鋳造、プレス、切削等の加工方法で得られる金属成形品は、一様な機械的性質および物理的性質を有している。近年普及しつつある３Ｄプリンタを用いた３次元造形においても、得られる金属成形品は一様な機械的性質および物理的性質を有していることが一般的である。
金属成形品において、部分ごとに求められる性質が異なることがある。そこで、本発明は、部分ごとに最適化された機能を発揮し得る金属成形品、リブ構造および金属成形品の製造方法を提供することを目的の一つとする。
本発明の一態様における金属成形品は、一体的に形成されかつ同じ化学組成を有する複数の部分を含み、前記複数の部分において機械的性質および物理的性質の少なくとも１つが異なる。前記複数の部分の表面の色合いが互いに異なってもよい。
前記複数の部分は、第１部分と、第２部分と、前記第１部分と前記第２部分の間に位置する第３部分とを含んでもよい。この場合において、前記第１部分および前記第２部分の硬さが前記第３部分の硬さよりも大きくてもよい。
前記第１部分、前記第３部分および前記第２部分が第１方向に順に並び、前記第３部分の厚さが前記第１方向と交差する第２方向において漸次減少してもよい。
前記複数の部分は、前記第１部分と前記第３部分の間に位置する第４部分と、前記第２部分と前記第３部分の間に位置する第５部分と、をさらに含んでもよい。この場合において、前記第４部分の硬さが前記第１部分の硬さよりも小さいとともに前記第３部分の硬さよりも大きく、前記第５部分の硬さが前記第２部分の硬さよりも小さいとともに前記第３部分の硬さよりも大きくてもよい。
前記複数の部分は、第１部分と、第２部分とを含み、前記第１部分は、前記第２部分を囲う環状であってもよい。この場合において、前記第２部分の硬さが前記第１部分の硬さよりも小さくてもよい。
本発明の一態様におけるリブ構造は、第１取付部を有する第１部材と、第２取付部を有し前記第１部材とともに角部を形成する第２部材と、前記第１取付部および前記第２取付部に連結された金属成形品であるリブと、を備えている。前記リブは、前記第１取付部との連結に用いる第１取付孔を有した第１部分と、前記第２取付部との連結に用いる第２取付孔を有した第２部分と、前記第１部分と前記第２部分の間の第３部分と、を含む。前記第１部分、前記第２部分および前記第３部分は、一体的に形成され、かつ同じ化学組成を有している。さらに、前記第１部分および前記第２部分の硬さは、前記第３部分の硬さよりも大きい。
前記第１部分、前記第３部分および前記第２部分が第１方向に順に並んでもよい。この場合において、前記第３部分の厚さが前記第１方向と交差する第２方向において漸次減少してもよい。
本発明の一態様における製造方法は、作業領域に１層分の金属粉末を供給し、供給された金属粉末の所定領域をレーザ光で走査することにより金属粉末を溶融および結合させる動作を繰り返すことで金属成形品を得るものであって、前記金属成形品の造形に際して全体的に同じ前記金属粉末を用い、かつ前記レーザ光の強度および前記レーザ光の走査速度の少なくとも一方を変えることより、同じ化学組成を有するとともに機械的性質および物理的性質の少なくとも１つが異なる複数の部分を前記金属成形品に形成する。
前記金属成形品が長尺な形状を有し、前記複数の部分が前記金属成形品の長手方向に並ぶ第１部分と第２部分を含んでもよい。この場合において、１層分の前記金属粉末への前記レーザ光の照射は、前記金属成形品の長手方向と交差する第１走査方向への走査を、前記長手方向と平行な第２走査方向に繰り返すことで実行されてもよい。さらに、前記第１部分の形成時における前記レーザ光の出力および前記第１走査方向への走査速度と、前記第２部分の形成時における前記レーザ光の出力および前記第１走査方向への走査速度とを互いに異ならせてもよい。
本発明によれば、部分ごとに最適化された機能を発揮し得る金属成形品、リブ構造および金属成形品の製造方法を提供することができる。
本発明のいくつかの実施形態につき、図面を参照しながら説明する。
各実施形態にて開示する金属成形品は一例にすぎない。各実施形態にて開示する金属成形品の構成および製造方法は、その他の種々の金属成形品にも適用し得る。また、各実施形態においては、金属成形品との用語を金属材料により形作られた物品との意味で用いる。成形品は、部材、物品、造形物、３次元造形物、製品などと言い換えることもできる。
各実施形態にて開示する金属成形品は一例にすぎない。各実施形態にて開示する金属成形品の構成および製造方法は、その他の種々の金属成形品にも適用し得る。また、各実施形態においては、金属成形品との用語を金属材料により形作られた物品との意味で用いる。成形品は、部材、物品、造形物、３次元造形物、製品などと言い換えることもできる。
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係る金属成形品１の概略的な平面図である。以下の説明においては、図示したように第１方向Ｘ、第２方向Ｙおよび第３方向Ｚを定義する。これら方向Ｘ，Ｙ，Ｚは、互いに直交する。
図１は、第１実施形態に係る金属成形品１の概略的な平面図である。以下の説明においては、図示したように第１方向Ｘ、第２方向Ｙおよび第３方向Ｚを定義する。これら方向Ｘ，Ｙ，Ｚは、互いに直交する。
金属成形品１は、長尺かつ扁平な形状を有している。長手方向における金属成形品１の軸ＡＸは、滑らかに曲がっている。ただし、軸ＡＸは直線状であってもよい。
金属成形品１は、長手方向における第１端部Ｅ１および第２端部Ｅ２と、長手方向と交差する幅方向における第１辺部Ｓ１および第２辺部Ｓ２とを有している。第１端部Ｅ１および第２端部Ｅ２は、円弧状に丸められている。第１辺部Ｓ１および第２辺部Ｓ２は、軸ＡＸと平行に曲がっている。
さらに、金属成形品１は、第１部分１１と、第２部分１２と、第３部分１３と、第４部分１４と、第５部分１５とを有している。第１部分１１は、第１端部Ｅ１を含む。第２部分１２は、第２端部Ｅ２を含む。第３部分１３は、第１部分１１と第２部分１２の間に位置している。第４部分１４は、第１部分１１と第３部分１３の間に位置している。第５部分１５は、第２部分１２と第３部分１３の間に位置している。第３部分１３は、金属成形品１の第１方向Ｘにおける中心Ｃ（長手方向における中心）と重なっている。
すなわち、第１部分１１、第４部分１４、第３部分１３、第５部分１５および第２部分１２は、この順で第１方向Ｘ（または長手方向）に並んでいる。図１の例においては、隣り合う２つの部分の境界が第２方向Ｙと平行な直線状である。ただし、これら境界は、第２方向Ｙと交差してもよいし、曲線状であってもよい。
図１の例においては、第１部分１１、第２部分１２、第４部分１４および第５部分１５の第１方向Ｘにおける幅Ｗ１１，Ｗ１２，Ｗ１４，Ｗ１５が同じである。一方、第３部分１３の第１方向Ｘにおける幅Ｗ１３は、幅Ｗ１１，Ｗ１２，Ｗ１４，Ｗ１５よりも大きい。
第１部分１１は、貫通孔１１ａを有している。第２部分１２は、貫通孔１２ａを有している。第３部分１３は、３つの貫通孔１３ａ，１３ｂ，１３ｃを有している。第４部分１４は、２つの貫通孔１４ａ，１４ｂを有している。第５部分１５は、貫通孔１５ａを有している。貫通孔１１ａ，１２ａの中心は、軸ＡＸと重なっている。例えば、貫通孔１１ａ，１２ａは、他の部材との連結に用いられる。貫通孔１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１４ａ，１４ｂ，１５ａは、金属成形品１の軽量化に寄与する。
図２は、中心Ｃにおける金属成形品１の概略的な断面図である。金属成形品１は、第１辺部Ｓ１において厚さＴ１を有し、第２辺部Ｓ２において厚さＴ２を有している。厚さＴ２は、厚さＴ１よりも小さい。金属成形品１の厚さは、第２方向Ｙにおいて厚さＴ１から厚さＴ２に向けて漸次減少している。なお、中心Ｃ以外の位置の断面においても、第１辺部Ｓ１の厚さより第２辺部Ｓ２の厚さの方が小さい。
各部分１１〜１５は、一体的に形成され、かつ同じ化学組成を有している。ここで、各部分１１〜１５が「一体的に形成」されているとは、各部分１１〜１５が溶接、接着、または他の部材を介した接続等の方法により互いに連結されているのではなく、１つの継ぎ目のない物として形成されていることを意味する。また、各部分１１〜１５が「同じ化学組成を有する」とは、各部分１１〜１５を構成する元素の種類および比率が完全に同じである場合だけでなく、当該比率が誤差程度に異なる場合も含む。例えば、後述する３Ｄプリンタを用いた造形において同じ金属粉末を用いて各部分１１〜１５を形成した場合、各部分１１〜１５の結晶組織や析出の状態が異なったとしても、各部分１１〜１５は同じ化学組成を有するとみなすことができる。
各部分１１〜１５の少なくとも２つにおいて、機械的性質および物理的性質の少なくとも１つが異なる。機械的性質としては、例えば硬さ、強度（引張り強さ、圧縮強さ、せん断強さ）、靱性、疲労特性、クリープ特性、耐摩耗性などが挙げられる。また、物理的性質としては、例えば密度、熱伝導率、線膨張率、電気抵抗率、結晶構造、光学的特性などが挙げられる。
本実施形態においては一例として、第１部分１１および第２部分１２の硬さが第３部分１３の硬さより大きく、第４部分１４の硬さが第１部分１１の硬さより小さいとともに第３部分１３の硬さより大きく、第５部分１５の硬さが第２部分１２の硬さより小さいとともに第３部分１３の硬さより大きい場合を想定する。第１部分１１と第２部分１２の硬さは、同じであってもよい。また、第４部分１４と第５部分１５の硬さは、同じであってもよい。
さらに、本実施形態においては、一様な光を各部分１１〜１５に照射して金属成形品１を観察したときに、第１部分１１および第２部分１２よりも第４部分１４および第５部分１５の方が暗い色合いを有し、第４部分１４および第５部分１５よりも第３部分１３の方が暗い色合いを有する場合を想定する。第１部分１１と第２部分１２の色合いは、同じであってもよい。また、第４部分１４と第５部分１５の色合いは、同じであってもよい。なお、ここでの色合いは、各部分１１〜１５を構成する金属材料の表面の光学的特性であって、金属材料の表面に塗布され得る塗料等の色を意味するものではない。
このように、金属成形品１の各部分１１〜１５で機械的性質を異ならせることで、用途に応じた特性を各部分１１〜１５に与えることができる。また、各部分１１〜１５の色合いを異ならせることで、各部分１１〜１５の特性や境界を視覚的に把握できる。
図３は、金属成形品１の用途の一例を示す図である。この図の例においては、第１部材１１０と第２部材１２０により形成される角部に設けられるリブ構造１００を示している。金属成形品１は、各部材１１０，１２０の連結を補強するためのリブとして用いられる。
第１部材１１０は、例えば平板状であり、第１取付部１１１を有している。第２部材１２０は、例えば平板状であり、第２取付部１２１を有している。第１部材１１０と第２部材１２０は、所定の角度（例えば９０°）を成すように連結されている。
第１取付部１１１は、ボルトＢ１によって第１部分１１に連結されている。ボルトＢ１の軸部は第１部分１１の貫通孔１１ａ（第１取付孔）を通り、頭部Ｈ１の反対側においてナットにねじ込まれている。
同様に、第２取付部１２１は、ボルトＢ２によって第２部分１２に連結されている。ボルトＢ２の軸部は第２部分１２の貫通孔１２ａ（第２取付孔）を通り、頭部Ｈ２の反対側においてナットにねじ込まれている。
第１部分１１および第２部分１２は、上述の通り他の部分に比べて硬い。そのため、これら部分１１，１２を第１取付部１１１および第２取付部１２１に取り付けた際に、金属成形品１と各部材１１０，１２０とを強固に連結できる。
一方、第３部分１３は、第１部分１１および第２部分１２よりも軟らかい。そのため、金属成形品１に加わる応力を第３部分１３にて緩和し、過度な負荷による金属成形品１の破壊やリブ構造１００の振動を抑制できる。
さらに、第４部分１４が第１部分１１と第３部分１３の中間の硬さを有し、第５部分１５が第２部分１２と第３部分１３の中間の硬さを有している。このように段階的に硬さを異ならせることで、各部分１１〜１５の境界における応力集中を緩和できる。
金属成形品１は、例えば図３に示すように第１辺部Ｓ１が各部材１１０，１２０により構成される角部を向くように配置される。この場合においては、各取付部１１１，１１２が互いに近づく方向に金属成形品１が撓んだ際に、第１辺部Ｓ１に引張り応力が加わり、第２辺部Ｓ２に圧縮応力が加わることになる。一般的に、金属材料は、圧縮応力よりも引張り応力に対する耐性が低い。図２に示したように第１辺部Ｓ１における金属成形品１の厚さＴ１が大きければ、上記引張り応力による金属成形品１の破壊を抑制できる。
続いて、金属成形品１の製造方法について説明する。金属成形品１は、３Ｄプリンタを用いて製造することができる。金属製の造形物を製造する３Ｄプリンタには種々の方式が存在するが、ここでは一例としてレーザを用いたパウダーベッド方式の３Ｄプリンタを想定する。
図４は、３Ｄプリンタ２００により金属成形品１を造形する様子を概略的に示す斜視図である。３Ｄプリンタ２００は、ステージ２１０と、壁部２２０と、コータ２３０と、レーザ２４０とを備えている。
ステージ２１０は、昇降機構により駆動されて上下方向に昇降する。壁部２２０は、ステージ２１０の周囲を囲っている。コータ２３０は、供給源から供給される金属粉末Ｍをステージ２１０の上に均等な厚さで敷き詰める。金属粉末Ｍとしては、例えばニッケル基合金を用いることができるが、この例に限られない。
レーザ２４０は、コータ２３０により敷き詰められた金属粉末Ｍにレーザ光Ｌを照射する。レーザ光Ｌとしては、例えばイッテルビウム（ＹＢ）ファイバレーザを用いることができるが、この例に限られない。
造形にあたっては、先ず金属成形品１およびそのサポート材ＳＭの３Ｄデータが３Ｄプリンタ２００に入力される。当初はステージ２１０が壁部２２０の上端よりやや下方に位置している。この状態において、コータ２３０により１層分の金属粉末Ｍがステージ２１０の上に供給され、パウダーベッドＰＢが形成される。レーザ２４０は、３Ｄデータに基づいて当該１層分の金属成形品１またはサポート材ＳＭの断面に対応するパウダーベッドＰＢ上の領域にレーザ光Ｌを照射する。レーザ光Ｌが照射された部分においては、金属粉末Ｍが溶融および結合する。
１層分の造形が終わると、ステージ２１０が所定距離だけ降下する。さらに、コータ２３０によって次の１層分のパウダーベッドＰＢが形成され、当該１層分の金属成形品１またはサポート材ＳＭの断面に対応するパウダーベッドＰＢ上の領域にレーザ光Ｌが照射される。このような動作を繰り返すことで、金属粉末Ｍの焼結体である金属成形品１およびサポート材ＳＭが形成される。
各層の造形において、レーザ２４０は、第１走査方向ＳＤ１にレーザ光Ｌを走査する動作を第２走査方向ＳＤ２に向けて繰り返し実行する。例えば、第１走査方向ＳＤ１は上述の第３方向Ｚと一致し、第２走査方向ＳＤ２は上述の第１方向Ｘと一致する。レーザ光Ｌは、第１走査方向ＳＤ１への１回の走査ごとに所定角度だけ回転されてもよい。
第１走査方向ＳＤ１におけるレーザ光Ｌの走査速度や、レーザ光Ｌの出力を変更することにより、機械的性質または物理的性質が異なる複数の部分を金属成形品１に設けることができる。例えば、第１部分１１および第２部分１２のような硬い部分については、他の部分よりもレーザ光Ｌの出力を高めてもよいし、第１走査方向ＳＤ１への走査速度を遅くしてもよい。
全ての層の造形が終わると、金属成形品１がサポート材ＳＭから切り離される。このように、全体的に同じ金属粉末Ｍを用いて金属成形品１を造形すれば、各部分１１〜１５の化学組成が実質的に同じになる。造形の後、金属成形品１に対して熱処理が施されてもよい。
なお、ここでは第２方向Ｙがステージ２１０の移動方向と一致するように金属成形品１が立てられた状態に造形される例を説明した。しかしながら、金属成形品１は、第３方向Ｚがステージ２１０の移動方向と一致するように寝かされた状態に造形されてもよい。
［実施例］
ここで、金属成形品１の実施例について説明する。
本実施例においては、以下の化学組成（質量％）を有するニッケル基合金の金属粉末Ｍを用いて図４に示した方法により金属成形品１を造形した。
ニッケル（Ｎｉ） ５３．２９％
クロム（Ｃｒ） １７．７１％
ニオブ（Ｎｂ）＋タンタル（Ｔａ） ５．２７％
モリブデン（Ｍｏ） ２．９６％
チタン（Ｔｉ） ０．９６％
アルミニウム（Ａｌ） ０．４８％
コバルト（Ｃｏ） ０．４４％
マンガン（Ｍｎ） ０．０５％
銅（Ｃｕ） ０．０２％
炭素（Ｃ） ０．０２６％
ケイ素（Ｓｉ） ０．０５％
ホウ素（Ｂ） ０．００２６％
鉄（Ｆｅ） 極少量
ここで、金属成形品１の実施例について説明する。
本実施例においては、以下の化学組成（質量％）を有するニッケル基合金の金属粉末Ｍを用いて図４に示した方法により金属成形品１を造形した。
ニッケル（Ｎｉ） ５３．２９％
クロム（Ｃｒ） １７．７１％
ニオブ（Ｎｂ）＋タンタル（Ｔａ） ５．２７％
モリブデン（Ｍｏ） ２．９６％
チタン（Ｔｉ） ０．９６％
アルミニウム（Ａｌ） ０．４８％
コバルト（Ｃｏ） ０．４４％
マンガン（Ｍｎ） ０．０５％
銅（Ｃｕ） ０．０２％
炭素（Ｃ） ０．０２６％
ケイ素（Ｓｉ） ０．０５％
ホウ素（Ｂ） ０．００２６％
鉄（Ｆｅ） 極少量
各部分１１〜１５の造形におけるレーザ光Ｌの出力（Ｗ）と第１走査方向ＳＤ１への走査速度（ｍｍ／ｓ）は以下の通りである。
（１）第１部分１１および第２部分１２ ２８５Ｗ，９６０ｍｍ／ｓ
（２）第３部分１３ １００Ｗ，９００ｍｍ／ｓ
（３）第４部分１４および第５部分１５ １９０Ｗ，９３０ｍｍ／ｓ
なお、サポート材ＳＭの造形にも上記（２）の条件を用いた。さらに、造形後の金属成形品１に対して７５０℃の熱処理を２４時間にわたり施した。
（１）第１部分１１および第２部分１２ ２８５Ｗ，９６０ｍｍ／ｓ
（２）第３部分１３ １００Ｗ，９００ｍｍ／ｓ
（３）第４部分１４および第５部分１５ １９０Ｗ，９３０ｍｍ／ｓ
なお、サポート材ＳＭの造形にも上記（２）の条件を用いた。さらに、造形後の金属成形品１に対して７５０℃の熱処理を２４時間にわたり施した。
このようにして得られた金属成形品１において、各部分１１〜１５のロックウェル硬さ（ＨＲＣ）を測定した。その結果、第１部分１１および第２部分１２においては１８．４８、第３部分１３においては６．２９、第４部分１４および第５部分１５においては１６．１２という結果が得られた。すなわち、本実施例においては、第１部分１１と第２部分１２、第４部分１４と第５部分１５、第３部分１３の順で硬さが小さくなる金属成形品１を製造することができた。
他の観点から言うと、金属成形品１においては、第３部分１３、第４部分１４と第５部分１５、第１部分１１と第２部分１２の順で密度が増している。これにより、金属成形品１を全体的に第１部分１１および第２部分１２と同じ密度で形成する場合に比べ、金属成形品１を軽量化できる。また、第１部分１１と第２部分１２、第３部分１３、第４部分１４と第５部分１５は、それぞれ異なる色合いとなった。これらは、造形時の条件により各部分の金属組織が異なること等に起因する。
上記のような化学組成の金属材料の機械的強度、特に高温特性は、熱処理において析出するＮｉ３ＡｌおよびＮｉ３Ｎｂに依存する。したがって、Ｎｉ３ＡｌおよびＮｉ３Ｎｂの析出を熱処理において好適に制御することが重要である。この点に関し、本実施例の熱処理を行った場合には、金属成形品１が良好な高温特性を有することが分かった。
なお、金属粉末Ｍの化学組成は上述のものに限られず、例えば下記の範囲で適宜に定めてもよい。また、金属粉末Ｍは、硫黄（Ｓ）やリン（Ｐ）を含んでもよい。
ニッケル（Ｎｉ） ５０．００−５５．００％
クロム（Ｃｒ） １７．００−２１．００％
ニオブ（Ｎｂ）＋タンタル（Ｔａ） ４．７５−５．５０％
モリブデン（Ｍｏ） ２．８０−３．３０％
チタン（Ｔｉ） ０．６５−１．１５％
アルミニウム（Ａｌ） ０．２０−０．８０％
コバルト（Ｃｏ） １．００％以下
マンガン（Ｍｎ） ０．３５％以下
銅（Ｃｕ） ０．３０％以下
炭素（Ｃ） ０．０８％以下
ケイ素（Ｓｉ） ０．３５％以下
ホウ素（Ｂ） ０．００６％以下
鉄（Ｆｅ） 極少量
ニッケル（Ｎｉ） ５０．００−５５．００％
クロム（Ｃｒ） １７．００−２１．００％
ニオブ（Ｎｂ）＋タンタル（Ｔａ） ４．７５−５．５０％
モリブデン（Ｍｏ） ２．８０−３．３０％
チタン（Ｔｉ） ０．６５−１．１５％
アルミニウム（Ａｌ） ０．２０−０．８０％
コバルト（Ｃｏ） １．００％以下
マンガン（Ｍｎ） ０．３５％以下
銅（Ｃｕ） ０．３０％以下
炭素（Ｃ） ０．０８％以下
ケイ素（Ｓｉ） ０．３５％以下
ホウ素（Ｂ） ０．００６％以下
鉄（Ｆｅ） 極少量
さらに、熱処理の温度は７５０℃に限らず、７３０℃以上かつ８５０℃以下の範囲の他の温度で行ってもよい。また、熱処理の時間も２４時間に限られず、例えば１８時間以上かつ３０時間以下の範囲の他の時間にわたって熱処理を行ってもよい。このような化学組成や熱処理を採用した場合であっても、本実施例と同様の効果を得ることができる。
なお、比較例として、本実施例と同様の化学組成を有する金属粉末Ｍを用いて、本実施例と同様のレーザ光Ｌの出力と第１走査方向ＳＤ１への走査速度の条件の下で金属成形品１を造形し、熱処理の条件のみを変更した。この熱処理においては、７１８℃で８時間にわたり金属成形品１を加熱した後に、６２１℃で８時間にわたり金属成形品１を再度加熱した。
熱処理後の金属成形品１において各部分１１〜１５のロックウェル硬さ（ＨＲＣ）を測定したところ、第１部分１１および第２部分１２においては３５．８６、第３部分１３においては１９．１５、第４部分１４および第５部分１５においては３７．００という結果が得られた。すなわち、この場合においては、第４部分１４および第５部分１５の硬さが第１部分１１および第２部分１２の硬さよりも大きくなった。このことから、金属成形品１において所望の特性を実現するためには、３Ｄプリンタ２００による造形時の条件だけでなく、熱処理の条件も適切に定める必要があることが分かる。
以上の製造方法によれば、一体的に形成されかつ同じ化学組成を有する複数の部分を含み、これら複数の部分において機械的性質および物理的性質の少なくとも１つが異なる金属成形品を得ることができる。このような金属成形品において、各部分の機械的特性または物理的特性を適切に定めれば、一体的であるにも関わらず部分ごとに最適化された機能を金属成形品に与えることができる。
このように部分的に最適化された機能を有する金属成形品を得るにあたっては、例えば機械的性質または物理的性質の異なる複数のパーツを連結することも考えられる。しかしながらこの場合には、複数のパーツを用意し、これらを組むための工程が必要となり、金属成形品の製造工程が増えるとともにコストも増大する。さらには、異なるパーツの連結構造を含むことで金属成形品の大型化や強度低下が生じ得る。本実施形態のように各部分が一体的に形成されていれば、このような問題を抑制できる。
上記実施例にて開示したニッケル基合金は、広い温度範囲において優れた機械的特性や耐食性を発揮する。このようなニッケル基合金で製造された金属成形品は、例えば航空機器や宇宙機器への使用に適している。航空機器や宇宙機器に使用される部品には、高温および低温環境化で激しい振動が長時間にわたり作用する。上記ニッケル基合金を使用した金属成形品であれば、このような使用態様においても破壊されくいので、機器の信頼性を高めることができる。特に、本実施形態のように金属成形品が中間に軟らかい部分を有していれば、当該部分で上記振動による応力を吸収できるため、耐久性が一層向上する。
その他にも、本実施形態からは種々の好適な効果を得ることができる。
その他にも、本実施形態からは種々の好適な効果を得ることができる。
［第２実施形態］
第２実施形態について説明する。図５は、第２実施形態に係る金属成形品３１０の概略的な斜視図である。金属成形品３１０は、円板状であり、環状の第１部分３１１と、環状の第２部分３１２と、円形の第３部分３１３とを有している。第１部分３１１の内周と外周、第２部分３１２の内周と外周、第３部分３１３の外周は、いずれも同心円である。
第２実施形態について説明する。図５は、第２実施形態に係る金属成形品３１０の概略的な斜視図である。金属成形品３１０は、円板状であり、環状の第１部分３１１と、環状の第２部分３１２と、円形の第３部分３１３とを有している。第１部分３１１の内周と外周、第２部分３１２の内周と外周、第３部分３１３の外周は、いずれも同心円である。
第１部分３１１は、第２部分３１２を囲っている。第２部分３１２は、第３部分３１３を囲っている。第３部分３１３は、金属成形品３１０の中心と重なっている。
各部分３１１〜３１３は、一体的に形成され、かつ同じ化学組成を有している。各部分３１１〜３１３においては、機械的性質および物理的性質の少なくとも１つが異なる。本実施形態においては一例として、第２部分３１２の強度（引張り強さ、圧縮強さ、せん断強さ等）が第１部分３１１の強度より低く、第３部分３１３の強度が第２部分３１２の強度より低い場合を想定する。
さらに、本実施形態においては、一様な光を各部分３１１〜３１３に照射して金属成形品３１０を観察したときに、第１部分３１１よりも第２部分３１２の方が暗い色合いを有し、第２部分３１２よりも第３部分３１３の方が暗い色合いを有する場合を想定する。
このような金属成形品３１０は、第１実施形態と同様に３Ｄプリンタによる造形と熱処理を含む製造方法にて製造することができる。この場合の金属粉末としては、例えば上述の実施例と同様の化学組成を有するニッケル基合金を用いることができる。
各部分３１１〜３１３の強度は、例えばレーザ光の出力と走査速度を変更することで調整できる。例えば、強度が高い第１部分３１１においてはレーザ光の出力を高め、強度が低い第２部分３１２においてはレーザ光の出力を第１部分３１１より低くし、強度がさらに低い第３部分３１３においてはレーザ光の出力を第２部分３１２より低くしてもよい。
金属成形品３１０は、例えば当該金属成形品３１０の周縁に円筒部材３２０の下端が連結された構造物３００の一部として用いることができる。構造物３００は、円筒部材３２０の上端を塞ぐ他の金属成形品をさらに備えてもよい。構造物３００を構成する各要素は、例えば３Ｄプリンタを用いて一体的に造形されてもよい。
構造物３００は、タンクや容器として用いることができる。例えば気体用のタンクとして構造物３００を用いる場合、構造物３００内の圧力が一定値以上に異常上昇したときに、強度が弱い第３部分３１３が他の部分より前に破壊されてもよい。これにより、異常発生時における構造物３００の破損部分を予め決め、対策を講じておくことができる。
以上の第１および第２実施形態は、本発明の範囲を各実施形態にて開示した構成に限定するものではない。その他にも、用途に応じた種々の構造を金属成形品に適用できる。
例えば、第１実施形態においては各部分１１〜１５において段階的に硬さや色合い等の性質が変化する場合を例示した。しかしながら、造形時のレーザ光の出力や走査速度を調整することにより、性質が連続的に変化する金属成形品を得ることもできる。第２実施形態においても同様である。
１…金属成形品、１１…第１部分、１２…第２部分、１３…第３部分、１４…第４部分、１５…第５部分、１１ａ，１２ａ…貫通孔、Ｅ１…第１端部、Ｅ２…第２端部、Ｓ１…第１辺部、Ｓ２…第２辺部、ＡＸ…軸、Ｃ…中心。
Claims (10)
- 一体的に形成され、かつ同じ化学組成を有する複数の部分を含み、
前記複数の部分において、機械的性質および物理的性質の少なくとも１つが異なる、
金属成形品。 - 前記複数の部分の表面の色合いが互いに異なる、
請求項１に記載の金属成形品。 - 前記複数の部分は、第１部分と、第２部分と、第３部分と、を含み、
前記第３部分は、前記第１部分と前記第２部分の間に位置し、
前記第１部分および前記第２部分の硬さは、前記第３部分の硬さよりも大きい、
請求項１又は２に記載の金属成形品。 - 前記第１部分、前記第３部分および前記第２部分は、第１方向に順に並び、
前記第３部分の厚さは、前記第１方向と交差する第２方向において漸次減少している、
請求項３に記載の金属成形品。 - 前記複数の部分は、前記第１部分と前記第３部分の間に位置する第４部分と、前記第２部分と前記第３部分の間に位置する第５部分と、をさらに含み、
前記第４部分の硬さは、前記第１部分の硬さよりも小さいとともに、前記第３部分の硬さよりも大きく、
前記第５部分の硬さは、前記第２部分の硬さよりも小さいとともに、前記第３部分の硬さよりも大きい、
請求項３又は４に記載の金属成形品。 - 前記複数の部分は、第１部分と、第２部分とを含み、
前記第１部分は、前記第２部分を囲う環状であり、
前記第２部分の硬さは、前記第１部分の硬さよりも小さい、
請求項１又は２に記載の金属成形品。 - 第１取付部を有する第１部材と、
第２取付部を有し、前記第１部材とともに角部を形成する第２部材と、
前記第１取付部および前記第２取付部に連結された、金属成形品であるリブと、を備え、
前記リブは、
前記第１取付部との連結に用いる第１取付孔を有した第１部分と、
前記第２取付部との連結に用いる第２取付孔を有した第２部分と、
前記第１部分と前記第２部分の間の第３部分と、
を含み、
前記第１部分、前記第２部分および前記第３部分は、一体的に形成され、かつ同じ化学組成を有し、
前記第１部分および前記第２部分の硬さは、前記第３部分の硬さよりも大きい、
リブ構造。 - 前記第１部分、前記第３部分および前記第２部分は、第１方向に順に並び、
前記第３部分の厚さは、前記第１方向と交差する第２方向において漸次減少している、
請求項７に記載のリブ構造。 - 作業領域に１層分の金属粉末を供給し、供給された金属粉末の所定領域をレーザ光で走査することにより金属粉末を溶融および結合させる動作を繰り返すことで金属成形品を得る製造方法であって、
前記金属成形品の造形に際して全体的に同じ前記金属粉末を用い、かつ前記レーザ光の強度および前記レーザ光の走査速度の少なくとも一方を変えることより、同じ化学組成を有するとともに機械的性質および物理的性質の少なくとも１つが異なる複数の部分を前記金属成形品に形成する、
製造方法。 - 前記金属成形品は、長尺な形状を有し、
前記複数の部分は、前記金属成形品の長手方向に並ぶ第１部分と第２部分を含み、
１層分の前記金属粉末への前記レーザ光の照射は、前記金属成形品の長手方向と交差する第１走査方向への走査を、前記長手方向と平行な第２走査方向に繰り返すことで実行され、
前記第１部分の形成時における前記レーザ光の出力および前記第１走査方向への走査速度と、前記第２部分の形成時における前記レーザ光の出力および前記第１走査方向への走査速度とを互いに異ならせる、
請求項９に記載の製造方法。
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