JP2022508896A - 積層造形された金属部品上の金属製支持構造体を除去するためのプロセス - Google Patents
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Abstract
積層造形された金属部品上の金属製支持構造体、焼結ケーキおよび／または熱放出ラグを除去するためのプロセスであって、前記金属部品が酸性電解質中で電解処理され、前記金属部品が所定の期間に亘ってアノードとして動作し、前記所定の期間中に、より高い電圧、次いでより低い電圧またはより高い電流密度、次いでより低い電流密度が前記金属部品に交互に複数回印加される、プロセス。
Description
本発明は、積層造形された金属部品上の金属製支持構造体、焼結ケーキおよび／または熱放出ラグを除去するためのプロセスであって、金属部品が酸性電解質中で電解処理され、金属部品が所定の期間に亘ってアノードとして動作する、プロセスに関する。さらに、本発明は、酸性電解質を備えた電解セルに関する。
選択的レーザー焼結、選択的レーザー溶融または選択的電子ビーム溶融などの金属部品の製造のための積層造形方法では、レーザーまたは電子ビームのエネルギーを使用して金属粉末層を選択的に凝固する。このような造形方法を使用して、原則として、複雑な金属部品を造形することができ、幾何学的形状に依るが、後に残る支持構造体が必要である。造形条件に依るが、焼結ケーキも金属部品上に残る場合がある。造形中の大きい温度勾配を避けるために、積層造形中に、適切な部品領域で熱を放散するための熱放出ラグが、原料金属部品に装備されることがある。
これらの支持構造体および残留物は、完成部品において好ましくないため、金属部品の造形後に複雑な方法で除去する必要があり、特に複雑な金属部品の場合、フライス加工、振動研磨、ブラスト剤の使用などの機械的プロセスに加えて、電解研磨プロセスなどの電気化学的プロセスが行われる。
英国特許第２５４３０５８号明細書には、積層造形された金属部品を平滑化するための電気化学的プロセスが記載されており、このプロセスでは、非常に高い電圧が使用され、無機塩、無機酸または無機塩基からなる異なる電解質が最大２５重量％の量で添加される。
しかしながら、英国特許第２５４３０５８号明細書に記載されているプロセスの選択性は低い。確かに金属部品の凹凸は十分に平滑化されるが、材料除去の制御が困難であることが分かる。
国際公開第２０１８／１０２８４５号明細書には、メタンスルホン酸およびホスホン酸を使用して積層造形された金属部品の電解研磨プロセスが記載されている。これにより、造形方法に起因する軽微な凹凸が平滑化される。国際公開第２０１８／１０２８４４号明細書には、積層造形された金属部品の電解研磨プロセスが記載されており、電流強度が着実に増加されている。支持構造体の機械的前処理は、国際公開第２０１８／１０２８４５号明細書および国際公開第２０１８／１０２８４４号明細書の両方に記載されている。このような補助構造体を除去することはできない。別の電解研磨プロセスが、欧州特許第３３８８１７２号明細書に記載されている。これらの電解研磨プロセスは全て、表面の造形関連の凹凸を平滑化するために使用されている。これらの方法では、支持構造体、焼結ケーキまたは熱放出ラグを除去できない。
したがって、本発明の目的は、積層造形された金属部品上の支持構造体、焼結ケーキまたは熱放出ラグを選択的に除去することができる、最初に説明したタイプのプロセスを提供することである。
この目的は、積層造形された金属部品上の金属製支持構造体、焼結ケーキおよび／または熱放出ラグを除去するためのプロセスであって、前記金属部品が酸性電解質中で電解処理され、前記金属部品が所定の期間に亘ってアノードとして動作し、前記所定の期間中に、より高い電圧、次いでより低い電圧またはより高い電流密度、次いでより低い電流密度が前記金属部品に交互に複数回印加されることを特徴とする、プロセスによって達成される。
驚くべきことに、より高いおよびより低い電圧並びに電流密度をそれぞれ交互に印加することによって、焼結ケーキ、支持構造体または熱放出ラグなどの破壊目的の構造をより制御された方法で金属部品上で除去することができ、実際の金属部品自体への悪影響が少なくなることが分かった。
好ましくは、処理の全持続時間は、１０～１２０分、好ましくは２０～７０分、特に好ましくは３０～６０分続く。
驚くべきことに、より高い電圧を短時間印加することで十分であることが分かった。具体的には、２０秒以下、好ましくは５秒以下の持続時間で十分であることが示された。
さらに短い時間に亘って、異なる電流を印加することで十分であったことはさらに驚くべきことであった。この場合、１秒未満の持続時間で既に十分であり得る。
本プロセスでは、より高い電圧／電流およびより低い電圧／電流の両方を、英国特許出願公開第２５４３０５８号明細書よりも大幅に低く保つことができる。例えば、より低い電圧は、３０Ｖ以下、好ましくは１０Ｖ以下であってもよく、例えば、より高い電圧は、６０Ｖ以下、好ましくは４０Ｖ以下であってもよい。
電解質は酸性であるように構成されなければならない。少なくとも１つのハロゲン化物、特に、塩化物またはフッ化物を含有する酸性電解質を用いて、特に良好な結果が得られた。塩化物は鉄（合金）で作られた金属部品に特によく適しているが、フッ化物は全ての金属部品で良好な結果を示す。後者は、好ましくは、溶解したＨＦ２
－、好ましくはＮＨ４ＨＦ２の形態で添加される。ＨＦ２
－は、好ましくは０．５～１モル／ｌ、好ましくは０．６～１．８モル／ｌの量で電解質に添加される。その結果、Ｆ－の濃度は、好ましくは１～２モル／ｌ、好ましくは１．２～１．６モル／ｌの範囲である。
酸性電解質が硫酸塩またはスルホン酸塩を含有する場合も効果的である。硫酸塩は、例えば、硫酸またはその塩の形態で添加することができる。スルホン酸塩としては、例えば、メチルスルホン酸またはその塩が考えられる。
電解質は、強酸を含有することが好ましい。好ましい例は、硫酸または硝酸である。
電解質は、好ましくは少なくとも３０体積％の酸を含有する。
このプロセスは、チタンまたはチタン合金で作られた金属部品および金属製支持構造体に特に適していることが判明した。適切な合金の例は、ＴｉＡｌ６Ｖ４である。他の適切な金属としては、アルミニウム合金、ニッケル基合金（好ましくはインコネル）または鉄合金が挙げられる。
いずれの場合でも、焼結ケーキ、支持構造体、金属部品が同じ金属で作られていることが好ましい。
本発明を実施例および比較例によってさらに詳細に説明する。
全ての例に当てはまることは、金属部品自体の幾何学的形状が完全に保存されている一方で、支持構造体、焼結ケーキまたは熱放出ラグが処理後に完全に除去されたということである。
実施例１：
チタン合金ＴｉＡｌ６Ｖ４（ＬＰＢＦ）からなる金属部品からの支持構造体の除去
合金ＴｉＡｌ６Ｖ４（ＬＰＢＦ）で作られた金属部品を、積層造形時に電解質に入れ、アノードとして動作させた。使用した電解質は、以下の通りであった。
６０体積％の水、
４０体積％のＨ２ＳＯ４、および
３３．３ｇ／ｌのＮＨ４ＨＦ２
室温で３０分間、アノード電圧を以下のように変化させた。
５Ｖで１秒間、および
２５Ｖで１秒間
を交互に印加。
チタン合金ＴｉＡｌ６Ｖ４（ＬＰＢＦ）からなる金属部品からの支持構造体の除去
合金ＴｉＡｌ６Ｖ４（ＬＰＢＦ）で作られた金属部品を、積層造形時に電解質に入れ、アノードとして動作させた。使用した電解質は、以下の通りであった。
６０体積％の水、
４０体積％のＨ２ＳＯ４、および
３３．３ｇ／ｌのＮＨ４ＨＦ２
室温で３０分間、アノード電圧を以下のように変化させた。
５Ｖで１秒間、および
２５Ｖで１秒間
を交互に印加。
実施例２：
チタン合金ＴｉＡｌ６Ｖ４（ＥＢＭ）からなる金属部品からの支持構造体の除去
合金ＴｉＡｌ６Ｖ４（ＥＢＭ）で作られた金属部品を、積層造形時に電解質に入れ、アノードとして動作させた。使用した電解質は、以下の通りであった。
６０体積％の水、
４０体積％のＨ２ＳＯ４、および
３３．３ｇ／ｌのＮＨ４ＨＦ２
工程１：金属部品を５Ｖで３０分間電気分解した。
工程２：室温で５分間、金属部品の電圧を以下のように変化させた。
５Ｖで４秒間、および
３５Ｖで１秒間
を交互に印加。
チタン合金ＴｉＡｌ６Ｖ４（ＥＢＭ）からなる金属部品からの支持構造体の除去
合金ＴｉＡｌ６Ｖ４（ＥＢＭ）で作られた金属部品を、積層造形時に電解質に入れ、アノードとして動作させた。使用した電解質は、以下の通りであった。
６０体積％の水、
４０体積％のＨ２ＳＯ４、および
３３．３ｇ／ｌのＮＨ４ＨＦ２
工程１：金属部品を５Ｖで３０分間電気分解した。
工程２：室温で５分間、金属部品の電圧を以下のように変化させた。
５Ｖで４秒間、および
３５Ｖで１秒間
を交互に印加。
実施例３：
チタン合金ＴｉＡｌ６Ｖ４（ＬＰＢＦ）からなる金属部品からの支持構造体の除去
合金ＴｉＡｌ６Ｖ４（ＬＰＢＦ）で作られた金属部品を、積層造形時に電解質に入れ、アノードとして動作させた。使用した電解質は、以下の通りであった。
６０体積％の水、
４０体積％のＨ２ＳＯ４、および
３３．３ｇ／ｌのＮＨ４ＨＦ２
工程１：金属部品を５Ｖで３０分間電気分解した。
工程２：室温で５分間、金属部品の電圧を以下のように変化させた。
５Ｖで４秒間、および
３５Ｖで１秒間
を交互に印加。
チタン合金ＴｉＡｌ６Ｖ４（ＬＰＢＦ）からなる金属部品からの支持構造体の除去
合金ＴｉＡｌ６Ｖ４（ＬＰＢＦ）で作られた金属部品を、積層造形時に電解質に入れ、アノードとして動作させた。使用した電解質は、以下の通りであった。
６０体積％の水、
４０体積％のＨ２ＳＯ４、および
３３．３ｇ／ｌのＮＨ４ＨＦ２
工程１：金属部品を５Ｖで３０分間電気分解した。
工程２：室温で５分間、金属部品の電圧を以下のように変化させた。
５Ｖで４秒間、および
３５Ｖで１秒間
を交互に印加。
実施例４：
チタン合金ＴｉＡｌ６Ｖ４（ＥＢＭ）で作られた金属部品からの焼結ケーキおよび支持構造体の除去
合金ＴｉＡｌ６Ｖ４（ＥＢＭ）で作られた金属部品を、積層造形時に電解質に入れ、アノードとして動作させた。使用した電解質は、以下の通りであった。
６０体積％の水、
４０体積％のＨ２ＳＯ４、および
３３．３ｇ／ｌのＮＨ４ＨＦ２
室温で３０分間、アノードの電圧を以下のように変化させた。
５Ｖで４秒間、および
２５Ｖで１秒間
を交互に印加。
チタン合金ＴｉＡｌ６Ｖ４（ＥＢＭ）で作られた金属部品からの焼結ケーキおよび支持構造体の除去
合金ＴｉＡｌ６Ｖ４（ＥＢＭ）で作られた金属部品を、積層造形時に電解質に入れ、アノードとして動作させた。使用した電解質は、以下の通りであった。
６０体積％の水、
４０体積％のＨ２ＳＯ４、および
３３．３ｇ／ｌのＮＨ４ＨＦ２
室温で３０分間、アノードの電圧を以下のように変化させた。
５Ｖで４秒間、および
２５Ｖで１秒間
を交互に印加。
実施例５：
チタン合金ＴｉＡｌ６Ｖ４（ＬＰＢＦ）で作られた金属部品からの焼結ケーキおよび支持構造体の除去
合金ＴｉＡｌ６Ｖ４（ＬＰＢＦ）で作られた金属部品を、積層造形時に電解質に入れ、アノードとして動作させた。使用した電解質は、以下の通りであった。
６０体積％の水、
４０体積％のＨ２ＳＯ４、および
３３．３ｇ／ｌのＮＨ４ＨＦ２
室温で６０分間、アノードの電圧を以下のように変化させた。
５Ｖで４秒間、および
２５Ｖで１秒間
を交互に印加。
チタン合金ＴｉＡｌ６Ｖ４（ＬＰＢＦ）で作られた金属部品からの焼結ケーキおよび支持構造体の除去
合金ＴｉＡｌ６Ｖ４（ＬＰＢＦ）で作られた金属部品を、積層造形時に電解質に入れ、アノードとして動作させた。使用した電解質は、以下の通りであった。
６０体積％の水、
４０体積％のＨ２ＳＯ４、および
３３．３ｇ／ｌのＮＨ４ＨＦ２
室温で６０分間、アノードの電圧を以下のように変化させた。
５Ｖで４秒間、および
２５Ｖで１秒間
を交互に印加。
実施例６：
チタン合金ＴｉＡｌ６Ｖ４（ＥＢＭ）で作られた金属部品からの焼結ケーキの除去
積層造形に際しては、合金ＴｉＡｌ６Ｖ４（ＥＢＭ）からなる金属部品を無電流、溶液中、室温で、２０分間前処理した。溶液は以下の成分を含有した。
２０体積％のＨＮＯ３、および
５体積％のフッ化水素酸。
工程２：前処理された金属部品を以下の成分の電解質中で、
６０体積％の水、
４０体積％のＨ２ＳＯ４、および
５０ｇ／ｌのＮＨ４ＨＦ２、
室温で、
５Ｖで４秒間、および
２５Ｖで１秒間
を２０分間交互に印加し、電解的に電気分解した。
チタン合金ＴｉＡｌ６Ｖ４（ＥＢＭ）で作られた金属部品からの焼結ケーキの除去
積層造形に際しては、合金ＴｉＡｌ６Ｖ４（ＥＢＭ）からなる金属部品を無電流、溶液中、室温で、２０分間前処理した。溶液は以下の成分を含有した。
２０体積％のＨＮＯ３、および
５体積％のフッ化水素酸。
工程２：前処理された金属部品を以下の成分の電解質中で、
６０体積％の水、
４０体積％のＨ２ＳＯ４、および
５０ｇ／ｌのＮＨ４ＨＦ２、
室温で、
５Ｖで４秒間、および
２５Ｖで１秒間
を２０分間交互に印加し、電解的に電気分解した。
実施例７：
アルミニウム合金ＡｌＳｉ１０Ｍｇ（ＬＰＢＦ）で作られた金属部品からの付着粉末残留物の除去
合金ＡｌＳｉ１０Ｍｇ（ＬＰＢＦ）で作られた金属部品を、積層造形時に電解質に入れ、アノードとして動作させた。使用した電解質は、以下の通りであった。
５０体積％のメタンスルホン酸、
５０体積％のエチレングリコール、および
２７ｇ／ｌのＮＨ４ＨＦ２
６５℃で３０分間、アノードの電流密度を以下のように変更した。
３Ａ／ｄｍ２で１０ミリ秒間、および
９Ａ／ｄｍ２で１０ミリ秒間。
アルミニウム合金ＡｌＳｉ１０Ｍｇ（ＬＰＢＦ）で作られた金属部品からの付着粉末残留物の除去
合金ＡｌＳｉ１０Ｍｇ（ＬＰＢＦ）で作られた金属部品を、積層造形時に電解質に入れ、アノードとして動作させた。使用した電解質は、以下の通りであった。
５０体積％のメタンスルホン酸、
５０体積％のエチレングリコール、および
２７ｇ／ｌのＮＨ４ＨＦ２
６５℃で３０分間、アノードの電流密度を以下のように変更した。
３Ａ／ｄｍ２で１０ミリ秒間、および
９Ａ／ｄｍ２で１０ミリ秒間。
実施例８：アルミニウム合金ＡｌＳｉ１０Ｍｇ（ＬＰＢＦ）で作られた金属部品からの付着粉末残留物の除去
合金ＡｌＳｉ１０Ｍｇ（ＬＰＢＦ）で作られた金属部品を、積層造形時に電解質に入れ、アノードとして動作させた。使用した電解質は、以下の通りであった。
５０体積％のメタンスルホン酸、
５０体積％の１，２－プロパンジオール、および
２７ｇ／ｌのＮＨ４ＨＦ２
６５℃で３０分間、アノードの電流密度を以下のように変更した。
３Ａ／ｄｍ２で１０ミリ秒間、および
９Ａ／ｄｍ２で１０ミリ秒間。
合金ＡｌＳｉ１０Ｍｇ（ＬＰＢＦ）で作られた金属部品を、積層造形時に電解質に入れ、アノードとして動作させた。使用した電解質は、以下の通りであった。
５０体積％のメタンスルホン酸、
５０体積％の１，２－プロパンジオール、および
２７ｇ／ｌのＮＨ４ＨＦ２
６５℃で３０分間、アノードの電流密度を以下のように変更した。
３Ａ／ｄｍ２で１０ミリ秒間、および
９Ａ／ｄｍ２で１０ミリ秒間。
実施例９：ニッケル基合金インコネル７１８（登録商標）（ＬＰＢＦ）で作製された金属部品からの支持構造体の除去
ニッケル基合金インコネル７１８（登録商標）（ＬＰＢＦ）で作られた金属部品を、積層造形時に電解質に入れ、アノードとして動作させた。使用した電解質は、以下の通りであった。
５０体積％の水、
１２．５体積％のＨＮＯ３ ５３％、および
３７．５体積％のＨＣｌ ３２％
７分間、アノードの電位を以下のように変化させた。
２０Ｖで１０００ミリ秒間、および
３Ｖで４０００ミリ秒間。
ニッケル基合金インコネル７１８（登録商標）（ＬＰＢＦ）で作られた金属部品を、積層造形時に電解質に入れ、アノードとして動作させた。使用した電解質は、以下の通りであった。
５０体積％の水、
１２．５体積％のＨＮＯ３ ５３％、および
３７．５体積％のＨＣｌ ３２％
７分間、アノードの電位を以下のように変化させた。
２０Ｖで１０００ミリ秒間、および
３Ｖで４０００ミリ秒間。
実施例１０：ステンレス鋼３１６Ｌ（ＬＰＢＦ）で作られた金属部品からの支持構造体の除去
ステンレス鋼３１６Ｌ（ＬＰＢＦ）で作られた金属部品を、積層造形時に電解質に入れ、アノードとして動作させた。使用した電解質は、以下の通りであった。
５０体積％の水、
１２．５体積％のＨＮＯ３ ５３％、および
３７．５体積％のＨＣｌ ３２％
７分間、アノードの電位を以下のように変化させた。
２０Ｖで１０００ミリ秒間、および
３Ｖで４０００ミリ秒間。
ステンレス鋼３１６Ｌ（ＬＰＢＦ）で作られた金属部品を、積層造形時に電解質に入れ、アノードとして動作させた。使用した電解質は、以下の通りであった。
５０体積％の水、
１２．５体積％のＨＮＯ３ ５３％、および
３７．５体積％のＨＣｌ ３２％
７分間、アノードの電位を以下のように変化させた。
２０Ｖで１０００ミリ秒間、および
３Ｖで４０００ミリ秒間。
実施例１１：アルミニウム合金ＡｌＳｉ１０Ｍｇ（ＬＰＢＦ）で作られた金属部品からの支持構造体の除去
アルミニウム合金ＡｌＳｉ１０Ｍｇ（ＬＰＢＦ）で作られた金属部品を、積層造形時に電解質に入れ、アノードとして動作させた。使用した電解質は、以下の通りであった。
６０体積％の水、
４０体積％のＨ２ＳＯ４、および
５０ｇ／ｌのＮＨ４ＨＦ２
１０分間、アノードでの電位を以下のように変化させた。
２０Ｖで１０００ミリ秒間、および
３Ｖで４０００ミリ秒間
注釈：
ＬＰＢＦは、レーザーパウダーベッド溶融結合により造形された金属部品である。
ＥＢＭは、電子ビーム溶融により造形された金属部品である。
アルミニウム合金ＡｌＳｉ１０Ｍｇ（ＬＰＢＦ）で作られた金属部品を、積層造形時に電解質に入れ、アノードとして動作させた。使用した電解質は、以下の通りであった。
６０体積％の水、
４０体積％のＨ２ＳＯ４、および
５０ｇ／ｌのＮＨ４ＨＦ２
１０分間、アノードでの電位を以下のように変化させた。
２０Ｖで１０００ミリ秒間、および
３Ｖで４０００ミリ秒間
注釈：
ＬＰＢＦは、レーザーパウダーベッド溶融結合により造形された金属部品である。
ＥＢＭは、電子ビーム溶融により造形された金属部品である。
Claims (10)
- 積層造形された金属部品上の金属製支持構造体、焼結ケーキおよび／または熱放出ラグを除去するためのプロセスであって、前記プロセス中に、前記金属部品が酸性電解質中で電解処理され、前記金属部品が所定の期間に亘ってアノードとして動作し、前記所定の期間中に、より高い電圧、次いでより低い電圧またはより高い電流密度、次いでより低い電流密度が前記金属部品に交互に複数回印加されることを特徴とする、プロセス。
- 全持続時間が１０～１２０分、好ましくは２０～７０分であることを特徴とする、請求項１に記載のプロセス。
- 前記のより高い電圧または電流密度が、３０秒以下、好ましくは５秒以下の期間に亘って印加されることを特徴とする、請求項１または２に記載のプロセス。
- 前記のより低い電圧が３０Ｖ以下、好ましくは１０Ｖ以下であり、それぞれ、前記のより低い電流密度が７Ａ／ｄｍ２、好ましくは４Ａ／ｄｍ２以下であることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載のプロセス。
- 前記のより高い電圧が６０Ｖ以下、好ましくは４０Ｖ以下であり、それぞれ、高電流密度が１５Ａ／ｄｍ２、好ましくは１０Ａ／ｄｍ２以下であることを特徴とする、請求項１～４のいずれか一項に記載のプロセス。
- 前記酸性電解質が、Ｃｌ－および／またはＦ－を含有し、Ｆ－の場合、好ましくは溶解したＮＨ４ＨＦ２の形態であることを特徴とする、請求項１～５のいずれか一項に記載のプロセス。
- 前記酸性電解質が硫酸塩またはスルホン酸塩を含有することを特徴とする、請求項１～６のいずれか一項に記載のプロセス。
- 前記金属部品および前記金属製支持構造体、前記焼結ケーキおよび前記熱放出ラグが、チタンまたはチタン合金、アルミニウム合金、ニッケル基合金または鉄合金で作られることを特徴とする、請求項１～７のいずれか一項に記載のプロセス。
- 金属製支持構造体、焼結ケーキおよび／または熱放出ラグを有する積層造形された金属部品が配置され、アノードを形成する酸性電解質を備えた電解セルであって、制御装置が設けられ、それによって、より高い電圧、次いでより低い電圧またはより高い電流密度、次いでより低い電流密度が、アノードに所定期間にわたって交互に複数回印加される、電解セル。
- 前記電解セルを電圧源に接続することができ、前記制御装置は、前記アノードに印加される前記電圧が、前記アノードにおいて、所定の期間にわたって交互に複数回増加し、次いで減少するように、または前記電流密度が増加し、次いで減少するようにプログラムされることを特徴とする、請求項９に記載の電解セル。
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