JP6695715B2 - 部品の成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、要素または部品を成形することに関し、より詳細には電子ビーム溶融によって成形される部品から粉体を除去する方法に関する。

粉末床溶融結合（ＰＢＦ）方法は、材料粉体を同時に溶融し、融合させるためにレーザービームまたは電子ビームのどちらかを使用する。電子ビーム溶融（ＥＢＭ）はＰＢＦ方法の特定の例であり、金属部品用の一種の付加製造（ＡＭ）である。特に、電子ビーム溶融は、電子ビームが製品を成形するために真空中で層毎に金属粉体を溶融するように使用される、粉末床溶融結合技法プロセスである。ＥＢＭ付加製造の１つの固有な態様は、溶融していない粒子、つまり最終部品で活用されていないそれらの粒子が、同時に焼結される点である。焼結プロセスは、溶融していない粒子を互いに結合し、ビルドプロセスの間に付加的な機械的強度を与える。焼結粒子は、より複雑な構造、特に通路または止まり穴等の内部特徴を含む構造から除去するのは非常に困難である。別のタイプのＰＢＦはレーザーを活用する。粉体は焼結されるのではないが、粉体を含む複雑な幾何学形状が依然として存在することがある。

従って本発明は、付加製造によって形成される要素の粉体除去を提供する。

本発明の一態様によると、部品の成形方法が開示される。その方法は、第１の平面（level）に部品の第１の部分を成形することと、第２の平面（level）に部品の第２の部分を成形することと、第１の部分及び第２の部分を成形することが第１の平面及び第２の平面を焼結プロセスに露出させるとともに第１の平面及び第２の平面の一部を電子ビームに露出させることを含み、第１の部分及び第２の部分の内部に形成された通路の一部に電子ビームを露光することによって、通路内にワイヤを形成させることと、通路内の焼結材料を破砕（break up）するようにワイヤに信号を印加することと、ワイヤを取り除くことと、を含む。

本発明のいくつかの態様によると、部品の成形方法が、第１の平面に部品の第１の部分を成形することと、第２の平面に部品の第２の部分を成形することと、第１の部分及び第２の部分が、第１の平面の一部及び第２の平面の一部をレーザービームにそれぞれ露光することによって形成され、第１の部分及び第２の部分の内部に形成された通路の一部にレーザービームを露光することによって、通路内にワイヤを形成させることと、通路内の焼結材料を破砕するようにワイヤに信号を印加することと、ワイヤを取り除くことと、を含む。

本発明と見なされる主題が特に指摘され、本明細書の終わりにある特許請求の範囲で明確に主張される。本発明の上述の及び他の特徴及び優位点は、添付図面と併せて解釈される以下の発明を実施するための形態から明らかとなる。

粉体及び除去ワイヤを含んだ部品の断面側面図である。 線Ａ−Ａに沿って切断された図１の部品の平面図である。 複数のワイヤが形成された通路の一例を示す図である。 清掃用の付属品を含んだワイヤの別の実施形態を示す図である。 複数のワイヤ及び清掃要素を組み合わせて含む代替実施形態を示す図である。 粉体を取り除く１つの方法のフローチャートである。

上記に簡略に説明されるように、ビルドの完了後に高密度の焼結粉体を取り除くことは非常に困難である。ハウジング内部に通路等の内部特徴を有する部品は、高密度の粉体を取り除くために特別に処理されなければならない。粉体除去は、複雑な部品の場合、付加的に構築された部品のコストを増大させるステップである。本明細書に開示される実施形態は、高密度の粉体を取り除くことに対するより効率的または経済的な解決策を提供し得る。

本明細書に開示される方法は、（ＥＢＭ及びレーザーＰＢＦを含んだ）ＰＢＦによって製造された部品からの粉体除去に必要とされる時間を迅速化し、最小限に抑えうる。一実施形態では、除去要素が、部品自体の一部として成形されるとともに、粉体を除去するために使用され、次いで廃棄される。本明細書に開示される方法は、部品の内部表面で硬化した粉体を除去する上で特に有用である。

図１は、断面側面図に図示されるＰＢＦ（粉末床溶融結合）によって形成される部品１００の例である。以下はＥＢＭ（電子ビーム溶融）プロセスを説明するが、除去方法は粉体を内部通路から取り除く必要があるすべてのＰＢＦで作成された部品に適用できる。部品１００は、内部通路１０６によって分けられる第１の部分及び第２の部分１０２、１０４を含む。部品１００が形成されるにつれ、金属粉末が先に下方に積み重ねられ、次に焼結される。最終製品の一部となることになる部品１００の部分は次いで電子ビームに露光されて、焼結粉体を硬い金属体に変換する。しかしながら、電子ビームに露光されない部品の部分も焼結され、電子ビームによって単に完全に硬化されないだけである。

図１の例では、通路１０６は焼結材料１０８で充填されうる。すなわち、部分１０２、１０４は焼結粉体を電子ビームに露呈して完全に硬化された金属を形成することによって形成される金属部品である。露光されていない部分は、焼結材料１０８によって示されるように、部分的に硬化された焼結材料として残る。特に通路が真っすぐな形ではないとき、または通路のサイズが変わるとき、例えば通路１０６を開放するためにこの材料を取り除くことは困難である場合がある。一実施形態によると、部品１００が成形されるにつれて、ワイヤ１１０が通路１０６を通して形成される。ワイヤ１１０は部分１０２、１０４と同様に形成される。すなわち、部品１００の各平面が形成されるにつれて、そうでなければ焼結されただけのセクション（例えば、材料１０８）の小さな部分が電子ビームに露光されて、セクションを通る連続ワイヤ１１０を形成する。

図２は、図１からの線Ａ−Ａに沿って切断された部品の平面図を示す。部分１０２、１０４は、その部分を完全に硬化させるように電子ビームに露光される。ワイヤ１１０も電子ビームに露光されている。したがって、部分１０２、１０４及びワイヤ１１０は処理の同じ状態にあり、完全に硬化された金属である。経路１０６は、電子ビームに露光されていない焼結材料１０８を含むとして示される。これが、材料が経路１０６を通過できるようにするために取り除かれる必要のある材料である。例えば、部品１００がマニホルドである場合、通路１０６は、流体が通路１０６を通過できるようにするために材料１０８を取り除く必要があるだろう。

図１及び図２の両方を参照すると、一実施形態では、ワイヤ１１０がトランスデューサ１１２に結合される。トランスデューサ１１２は一実施形態では超音波トランスデューサである。一実施形態では、トランスデューサ１１２は、焼結材料１０８をより容易に取り除かせるワイヤ１１０に超音波入力を提供する。

図３は代替実施形態を示す。再び、焼結材料（不図示）を含む通路１０６が形成される。焼結材料の部分は複数の正弦波ワイヤ１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃを形成するために露光される。ワイヤの数は１から任意の数に変えることができ、ワイヤは真っすぐまたは正弦曲線のどちらでもよい。正弦波ワイヤ形状を使用することで、トランスデューサ１１２からのより多くの超音波エネルギーが通路１０６内の焼結材料に接触できるようになる。さらに、ワイヤ１１０が（例えば、方向Ｃで）引き出されるにつれ、追加ワイヤの増加した表面積がより多くの粉体を除去し得る。

図４は、さらに別の実施形態を示す。本実施形態では、通路１０６はワイヤ１１０および清掃要素１２０を含むように形成される。一実施形態では、清掃要素１２０はワイヤと同じ材料から形成される。ワイヤ１００が取り除かれるにつれて（方向Ｃ）、清掃要素１２０が粉体除去を支援する。清掃要素１２０の特定の形状は図４に図示される形状から変更されうる。また、より多くの清掃要素１２０が提供されうる。一般に、清掃要素１２０はワイヤ１１０よりも大きい断面を有する。別の実施形態では、１つまたは複数の任意選択の追加の清掃要素１４０がワイヤ１１０に付加されうる。追加の要素１４０の内の１つまたは複数は、清掃要素１２０と異なるサイズまたは形状であってよい。

さらに別の実施形態では、ネスト化された（nested）清掃要素２２０が提供される。各要素（例えば、２２０ａ、２２０ｂ）は個々のワイヤ１１０ａ、１１０ｂにそれぞれ取り付けられてよい。示されるように、第１の清掃要素２２０ａは第１のワイヤ１１０ａに取り付けられ、第２の清掃要素２２０ｂは第２の清掃要素２２０ｂに取り付けられる。この構成では、第１のワイヤ１１０ａは、第２の清掃要素２２０ｂに形成される穴または他の通路（例えば、切欠き２４０）を通過する。これが、第１の清掃要素２２０ａの前に第２の清掃要素２２０ｂを取り除くことを可能にする。このようにして、第１の量の粉体が取り除かれ、次いで（第２の清掃要素２２０ｂが第１の清掃要素２２０ａよりも小さいと仮定して）第２の量が取り除かれうる。一実施形態では、ワイヤ１１０ａ、１１０ｂは、その両方が示されているチャネル１０６で機能し、次いで、ワイヤが取り除かれるにつれて異なるチャネルで機能できるようにするために異なるチャネルを通ってよい。

図６は、一実施形態に係る方法を示す。その方法は、選ばれる特定のワイヤ／清掃要素の組合せに応じて必要とされることもあれば、必要とされないこともあるいくつかの任意選択のステップを含む。

ブロック６００では、部品のための設計図（plan）が得られる。その設計図は、例えば部品の図面でもよく、部品のＣＡＤモデルでもよい。ブロック６０２で、１本または複数のワイヤが設計図に追加される。追加されるワイヤは、それらのワイヤが部品の内部通路（複数可）に形成されるように追加される。ブロック６０４で、任意選択の清掃要素が設計図に追加される。ブロック６０６で、ワイヤ（複数可）／任意選択の清掃要素（複数可）を含んだ部品が成形される。部品及びワイヤは上述されたように電子ビーム製造を使用して形成される。ブロック６０８で、信号がワイヤに印加される。この信号により、焼結された粉体を破砕する、または別の方法により除去しやすくする。信号は一実施形態では超音波信号である。ブロック６１０で、ワイヤ（または複数のワイヤ）が取り除かれる。

本発明は限られた数の実施形態だけに関連して詳しく説明されてきたが、本発明が係る開示された実施形態に制限されないことは容易に理解されるべきである。むしろ、本発明はこれまで説明されていないが、本発明の精神及び範囲に見合う任意の数の、変形形態、改変形態、置換、または同等の構成を組み込むように修正できる。さらに、本発明の多様な実施形態が説明されてきたが、本発明の態様は説明されている実施形態の内のいくつかだけを含むことがあることが理解されるべきである。したがって、本発明は上記説明によって制限されると見られるべきではなく、単に添付特許請求の範囲により制限される。

１００…部品
１０２…第１の部分
１０４…第２の部分
１０６…内部通路
１０８…焼結材料
１１０…ワイヤ

Claims (6)

1. 粉末床溶融結合付加製造法を用いた部品の成形方法であって、
   第１の平面に前記部品の第１の部分を成形することと、
   第２の平面に前記部品の第２の部分を成形することであって、
   前記第１の部分及び前記第２の部分を成形することが、前記第１の平面及び前記第２の平面を焼結プロセスに露出させるとともに、前記第１の平面及び前記第２の平面の一部を電子ビームに露出させることを含むように、成形することと、
   前記第１の部分及び前記第２の部分の内部に形成された通路の一部に電子ビームを露光することによって、前記通路内にワイヤを形成させることと、
   前記通路内の焼結材料を破砕するように前記ワイヤに超音波信号を印加することと、
   前記ワイヤを取り除くことと、
   を備え、
   前記第１の平面及び前記第２の平面が焼結された金属粉から形成され、
   前記少なくとも１本のワイヤを形成することが、第１のワイヤ及び第２のワイヤを形成することを含む、部品の成形方法。
2. 前記第１のワイヤが正弦曲線形状を有する、請求項１に記載の方法。
3. 前記少なくとも１本のワイヤを形成することが、前記ワイヤ上に清掃要素を形成することを含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記清掃要素が前記ワイヤよりも大きい断面を有する、請求項３に記載の方法。
5. 第２のワイヤを形成することと、
   前記第２のワイヤ上に第２の清掃要素を形成することと、
   前記第２のワイヤに信号を印加することと、
   前記第２のワイヤ及び前記第２の清掃要素を取り除くことと、
   をさらに含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記ワイヤが前記第２の清掃要素を少なくとも部分的に通過する、請求項５に記載の方法。

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