JP6718477B2 - 積層造形方法 - Google Patents

Description

本開示は、金属を積層して製品を造形する積層造形方法に関する。

金属を積層して製品を造形する３次元積層造形（付加的製造方法：ａｄｄｉｔｉｖｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）によって、金属の積層方向下向きの面を有するオーバーハング部を造形するためには、オーバーハング部を造形するとともにオーバーハング部を支えるサポートも造形する。サポートは他にも、造形部品の変形防止や熱伝導性向上、形状支持の機能を有しており、多様な造形シーンで使用されている。サポートは、造形後に除去する必要があるが、作業者や工具がアクセスできない狭隘部等では、タガネやハンマ等の工具でのサポート除去が困難な場合が多い。サポートの造形密度を下げて低強度にすることによりショットブラストでサポートを除去することも可能であるが、サポートが低強度であると、造形中にオーバーハング部が変形したり、破損したりする可能性がある。

サポートを除去するためのものではないが、様々な製品の表面上の汚れや被膜等にドライアイスペレットを噴射して、ドライアイスペレットが昇華する際の小爆発現象で汚れや被膜等を粉砕除去する技術が、例えば特許文献１〜４に記載されている。

特許第５６１５８４４号公報 国際公開第２０１４／１０４１０２号明細書 特開２００７−１０１５号公報 特開２００２−５５９６号公報

本発明者らの鋭意検討の結果、ドライアイスペレットが昇華する際の小爆発現象を利用してサポートを粉砕除去できることが明らかになった。尚、特許文献１〜４のいずれも、サポートの除去については記載していない。

上述の事情に鑑みて、本開示の少なくとも１つの実施形態は、サポートを除去しやすくすることのできる積層造形方法を提供することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも１つの実施形態に係る積層造形方法は、
金属を積層して製品を造形する積層造形方法であって、
前記製品の半製品とサポートとを形成するように前記金属を積層するステップと、
前記積層するステップの終了後、前記サポートに粒状のドライアイスペレットを噴射するステップと、
前記噴射するステップの後、前記サポートの少なくとも一部を粉砕することによって前記サポートを除去するステップと
を含む。

上記（１）の方法によると、半製品とサポートとを形成後にサポートに粒状のドライアイスペレットを噴射することにより、ドライアイスペレットが昇華する際の小爆発現象によってサポートの少なくとも一部が粉砕されてサポートが除去されるので、サポートを除去しやすくことができる。
また、上記（１）の構成によると、半製品とサポートとを形成後にサポートに粒状のドライアイスペレットを噴射すると、ドライアイスペレットが昇華する際の小爆発現象によってサポートの少なくとも一部が粉砕されてサポートが除去されるので、サポートを除去しやすくことができる。

（２）いくつかの実施形態では、上記（１）の方法において、
前記半製品は、前記金属の積層方向下向きの面を有する少なくとも１つのオーバーハング部を備え、前記サポートは前記オーバーハング部を支える。

上記（２）の方法によると、半製品とオーバーハング部を支えるサポートとを形成後にサポートに粒状のドライアイスペレットを噴射すると、ドライアイスペレットが昇華する際の小爆発現象によってサポートの少なくとも一部が粉砕されてサポートが除去されるので、サポートを除去しやすくことができる。

（３）いくつかの実施形態では、上記（１）または（２）の方法において、
前記除去するステップの前に、前記サポートをエッチング処理するステップをさらに備える。

上記（３）の方法によると、エッチング処理によってサポートの強度が低下するので、高強度のサポートをより効率的に除去することができる。

（４）いくつかの実施形態では、上記（１）〜（３）のいずれかの方法において、
前記積層するステップでは、前記サポートの全体は、前記ドライアイスペレットのそれぞれが少なくとも部分的に侵入可能な複数の孔を有する多孔体として形成され、
前記除去するステップでは、前記サポートの全体が粉砕される。

上記（４）の方法によると、サポート全体にドライアイスペレットを噴射することによってサポート全体を粉砕すればよく、サポートにおいて予め決められた部位に照準を定めてドライアイスペレットを噴射する操作は必要ないので、ドライアイスを噴射する操作を簡易化することができる。

（５）いくつかの実施形態では、上記（１）〜（３）のいずれかの方法において、
前記サポートは、
前記半製品と接合する接合表面を含む第１領域と、
前記第１領域以外の部分である第２領域と
を含み、
前記積層するステップでは、前記第１領域は、前記ドライアイスペレットのそれぞれが少なくとも部分的に侵入可能な複数の孔を有する多孔体として形成され、
前記除去するステップは、
前記第１領域に前記ドライアイスペレットを噴射して前記第１領域を粉砕するステップと、
前記粉砕するステップにおいて粉砕されずに残った残余部分を取り除くステップと
を含む。

上記（５）の方法によると、サポート全体を粉砕しなくても、半製品との接合表面近傍のみサポートを粉砕すれば、半製品からサポートが切り離されてサポートを取り除くことができるので、ドライアイスペレットの使用量を減少でき、サポートを除去する動作を短縮することができる。

（６）いくつかの実施形態では、上記（５）の方法において、
前記第２領域は中実体を含む。
この方法によると、全体が多孔体で形成されたサポートと比べてサポートの強度が向上するので、オーバーハング部の支持強度が向上し、積層中にオーバーハング部が変形する可能性を低減することができる。

（７）いくつかの実施形態では、上記（１）〜（４）のいずれかの方法において、
前記サポートは格子構造を有する。
この方法によると、サポート全体を一様な構成で形成すればよいので、サポート設計を簡略化することができる。

（８）いくつかの実施形態では、上記（１）〜（７）のいずれかの方法において、
前記製品は、ターボチャージャーのハウジング又はコンプレッサのインペラ若しくはガスタービン翼又は燃焼器部品である。

上記（８）の方法によると、ターボチャージャーのハウジング又はコンプレッサのインペラ若しくはガスタービン翼又は燃焼器部品を積層造形するにあたり、サポートを除去しやすくことができる。

本開示の少なくとも１つの実施形態によれば、半製品とサポートとを形成後にサポートに粒状のドライアイスペレットを噴射することにより、ドライアイスペレットが昇華する際の小爆発現象によってサポートの少なくとも一部が粉砕されてサポートが除去されるので、サポートを除去しやすくことができる。

本開示の一実施形態に係る積層造形方法を示すフローチャートである。 本開示の一実施形態に係る積層造形方法によって造形される製品であるターボチャージャーのインペラの断面図である。 本開示の一実施形態に係る積層造形方法において作成された造形モデルの一部を示す断面図である。 本開示の一実施形態に係る積層造形方法において積層された半製品及びサポートを示す断面図である。 本開示の一実施形態に係る積層造形方法において使用されるサポートの一例を示す部分拡大図である。 本開示の一実施形態に係る積層造形方法において使用されるサポートの別の一例を示す部分拡大図である。 本開示の一実施形態に係る積層造形方法においてドライアイスペレットによってサポートが粉砕される原理を説明するための図である。

以下、図面を参照して本発明のいくつかの実施形態について説明する。ただし、本発明の範囲は以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、本発明の範囲をそれにのみ限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

本開示の一実施形態に係る積層造形方法を図１のフローチャートに基づいて説明する。
まず、製品の造形モデルを作成する（ステップＳ１）。以下では、図２に示されるように、製品１がコンプレッサのインペラ１ａであることを例にして説明する。図２は、インペラ１ａを造形するために金属を積層する方向が鉛直上向きになるようにインペラ１ａを示している。インペラ１ａは、金属の積層方向下向きの面３を有するオーバーハング部２を備えている。

図３には、ステップＳ１によって作成された造形モデル１０であって、インペラ１ａを造形するための造形モデル１０の一部を示している。造形モデル１０は、この一実施形態に係る積層造形方法によって造形されるインペラ１ａ（図２参照）の半製品に相当する部分１１と、インペラ１ａのオーバーハング部２を支える複数のサポートに相当する複数の部分１２，１３，１４とを備えている。

ステップＳ１の次に、サポートを設計する（ステップＳ２）。ステップＳ２では、サポートがドライアイスペレット（粒径０．５〜１０ｍｍ）を噴射することにより粉砕除去されるものか、あるいは、通常の方法で除去されるものかを決定する。造形モデルに複数のサポートが含まれる場合には、サポートごとにどのようなサポートにするかを決定する。例えば、図３に示されるように、部分１２，１３を、サポートがドライアイスペレットを噴射することにより粉砕除去されるものとし、部分１４を、通常の方法で除去されるものとすることができる。

部分１２，１３に相当するサポートについては、ドライアイスペレットが昇華する際の小爆発の衝撃を受けられるようにするために、サポートがドライアイスペレットを保持可能な構成を設計する。そのような構成としては例えば、ドライアイスペレットの少なくとも一部が部分的に侵入可能な複数の孔を有する多孔体を挙げることができる。サポートをこのような多孔体として形成する場合、サポートの全体を多孔体として形成するのか、サポートの一部を多孔体として形成するのかを決定する。後者の場合には、多孔体として形成する範囲と、残りの部分の構成とを決定する。多孔体の設計として、複数の孔のサイズ及び分布は一様であってもよいし、連続的に又は段階的に変化するものであってもよいが、ドライアイスペレットが多孔体の一部に保持されるような構造が望ましい。したがって、ドライアイスペレットが侵入できないような構造、又は、ドライアイスペレットが保持されずに多孔体を通過してしまう構造は含まれない。

ステップＳ２の次に、造形モデル１０及びサポートの設計に基づいて、レーザー溶融法や電子ビーム溶融法等、３次元積層造形法で使用される公知の方法によって金属を積層する（ステップＳ３）。図４に示されるように、金属を積層して形成される半製品２１にも、金属の積層方向下向きの面３を有するオーバーハング部２が含まれている。ステップＳ３において、半製品２１とオーバーハング部２を支えるサポート２２，２３，２４とが形成される。この実施形態では、サポート２２，２３が、ドライアイスペレットを噴射することにより粉砕除去されるものであり、サポート２４が、通常の方法で除去されるものであるとして説明するが、サポート２４も、ドライアイスペレットを噴射することにより粉砕除去されるものとすることができる。

図５に示されるように、サポート２２は、格子構造を有するように、すなわち、複数の孔２５を有する多孔体として形成することができる。各孔２５は、ドライアイスペレットのそれぞれが少なくとも部分的に侵入可能なサイズで、好ましくはドライアイスペレット形状の最小寸法部分から最大寸法部分までの間で形成され、かつ、ドライアイスペレットが通り抜けにくいような入り組んだ３次元構造とする。この場合、サポート２２の全体を一様な構成で形成すればよいので、サポート２２の設計を簡略化することができる。図示しないが、サポート２３も同様の構成を有するように形成することができる。

図６に示されるように、サポート２２は、半製品２１と接合する接合表面２８を含む第１領域２６と、第１領域２６以外の部分である第２領域２７とを含み、第１領域２６を、ドライアイスペレットのそれぞれが少なくとも部分的に侵入可能な複数の孔２５を有する多孔体として形成することができる。第２領域２７を中実体として形成すると、サポートの全体が多孔体で形成されたものと比べてサポート２２の強度が向上する。その結果、オーバーハング部２の支持強度が向上し、金属の積層中にオーバーハング部２が変形する可能性を低減することができる。図示しないが、サポート２３も同様の構成を有するように形成することができる。

ステップＳ３の次に、半製品２１からサポート２２を除去する（ステップＳ４）。具体的には、サポートに対してドライアイスペレットを噴射してサポートの少なくとも一部を粉砕することによって、半製品からサポートを除去する。図７に示されるように、サポート２２に対して噴射されたドライアイスペレット３０は、サポート２２の孔２５に少なくとも部分的に侵入する。この状態でドライアイスペレット３０が昇華すると、気体の二酸化炭素の体積がドライアイスペレット３０の体積の約８００倍に膨張する小爆発が発生する。この小爆発の衝撃によって孔２５を画定する枠体２９が破壊される。この現象が複数の孔２５で生じることにより、サポート２２が粉砕される。尚、枠体２９の強度によっては、噴射されたドライアイスペレット３０が枠体２９に衝突する際の衝撃で枠体２９が破壊される場合もある。

一方、サポート２２に対して噴射されたドライアイスペレット３０が半製品２１（図４参照）に衝突したとしても、ドライアイスペレット３０が跳ね返されてしまい、ドライアイスペレット３０の昇華時の小爆発の衝撃を半製品２１が受けることはないので、半製品２１を損傷させることはほとんどない。また、ドライアイスペレット３０は昇華して消滅してしまうので、回収する必要もない。

サポート２２が、図５に示されるような、全体が格子構造を有するものである場合、サポート２２の全体にドライアイスペレット３０（図７参照）を噴射する。これにより、サポート２２の全体が粉砕されてサポート２２が除去される。この場合、サポート２２の全体にドライアイスペレット３０を噴射するので、サポート２２において予め決められた部位に照準を定めてドライアイスペレット３０を噴射する操作は必要ない。その結果、ドライアイスペレット３０を噴射する操作を簡易化することができる。

サポート２２が、図６に示されるような、第１領域２６のみを多孔体とした構成である場合、第１領域２６のみにドライアイスペレット３０（図７参照）を噴射する。この場合、サポート２２のうち第１領域２６のみが粉砕されるが、第１領域２６の粉砕により接合表面２８が破壊されるので、サポート２２が半製品２１（図４参照）から切り離されるようになる。半製品２１から切り離されたサポート２２の残余部分を除去することにより、サポート２２が除去される。また、この場合、サポート２２の全体を粉砕しなくても、半製品２１との接合表面近傍のみサポート２２を粉砕すればサポート２２を取り除くことができるので、ドライアイスペレット３０の使用量を減少でき、サポート２２を除去する動作を短縮することができる。

サポート２３を除去する動作は、サポート２２を除去する動作と同じである。サポート２４は通常の方法で除去することができる。
最後に、サポート２２を除去した半製品２１にグラインダ処理や砥粒流動研磨等の内面研磨処理を行い（ステップＳ５）、残存したサポートを除去し、表面を平滑に仕上げることでインペラ１ａ（図２参照）が造形される。

このように、半製品２１とオーバーハング部２を支えるサポート２２，２３とを形成後にサポート２２，２３に粒状のドライアイスペレット３０を噴射することにより、ドライアイスペレット３０が昇華する際の小爆発現象によってサポート２２，２３の少なくとも一部が粉砕されてサポート２２，２３が除去されるので、サポート２２，２３を除去しやすくことができる。

この実施形態では、サポート２２，２３は、オーバーハング部２を支えるために使用されるものであるが、このようなサポートに限定するものではない。造形部品の変形防止や熱伝導性向上、形状支持の機能を有するサポートや、多様な造形シーンで使用されサポートであってもよい。

この実施形態では、ドライアイスペレット３０を噴射する前に、サポート２２，２３をエッチング処理してサポート２２，２３の強度を低下させてもよい。これにより、高強度のサポート２２，２３をより効率的に除去することができるようになる。

この実施形態では、ドライアイスペレット３０を保持可能な構成として、複数の孔２５を有する多孔体を少なくとも部分的に含むようにサポート２２が形成されていたが、この形態に限定するものではない。噴射されたドライアイスペレット３０がサポート２２の表面を凹ませて、その凹み内にドライアイスペレット３０が侵入できるように構成された中実体のサポート２２、又は、噴射されたドライアイスペレット３０がサポート２２の表面に突き刺さるように構成された中実体のサポート２２であっても、この実施形態に係る積層造形方法に使用することができる。

この実施形態では、製品１としてコンプレッサのインペラ１ａを例にして説明したが、これに限定するものではない。例えば、中空構造のスクロール流路を含むターボチャージャーのハウジングや複雑な内部冷却構造を有するガスタービン翼又は燃焼器部品等も、この実施形態に係る積層造形方法によって造形することができる。

１ 製品
１ａ インペラ
２ オーバーハング部
３ 金属の積層方向下向きの面
１０ 造形モデル
１１ 半製品に相当する部分
１２ サポートに相当する部分
１３ サポートに相当する部分
１４ サポートに相当する部分
２１ 半製品
２２ サポート
２３ サポート
２４ サポート
２５ 孔
２６ 第１領域
２７ 第２領域
２８ 接合表面
２９ 枠体
３０ ドライアイスペレット

Claims (8)

1. 金属を積層して製品を造形する積層造形方法であって、
   前記製品の半製品とサポートとを形成するように前記金属を積層するステップと、
   前記積層するステップの終了後、前記サポートに粒状のドライアイスペレットを噴射するステップと、
   前記噴射するステップの後、前記サポートの少なくとも一部を粉砕することによって前記サポートを除去するステップと
   を含む積層造形方法。
2. 前記半製品は、前記金属の積層方向下向きの面を有する少なくとも１つのオーバーハング部を備え、前記サポートは前記オーバーハング部を支える、請求項１に記載の積層造形方法。
3. 前記除去するステップの前に、前記サポートをエッチング処理するステップをさらに備える、請求項１または２に記載の積層造形方法。
4. 前記積層するステップでは、前記サポートの全体は、前記ドライアイスペレットのそれぞれが少なくとも部分的に侵入可能な複数の孔を有する多孔体として形成され、
   前記除去するステップでは、前記サポートの全体が粉砕される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の積層造形方法。
5. 前記サポートは、
   前記半製品と接合する接合表面を含む第１領域と、
   前記第１領域以外の部分である第２領域と
   を含み、
   前記積層するステップでは、前記第１領域は、前記ドライアイスペレットのそれぞれが少なくとも部分的に侵入可能な複数の孔を有する多孔体として形成され、
   前記除去するステップは、
   前記第１領域に前記ドライアイスペレットを噴射して前記第１領域を粉砕するステップと、
   前記粉砕するステップにおいて粉砕されずに残った残余部分を取り除くステップと
   を含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の積層造形方法。
6. 前記第２領域は中実体を含む、請求項５に記載の積層造形方法。
7. 前記サポートは格子構造を有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の積層造形方法。
8. 前記製品は、ターボチャージャーのハウジング又はコンプレッサのインペラ若しくはガスタービン翼又は燃焼器部品である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の積層造形方法。

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