JP7298516B2 - 誘導加熱コイルの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は誘導加熱コイルの製造方法に関し、特に、層状に敷き詰めた金属粉末の所定領域にレーザビームを照射し、溶融及び凝固させて金属層を形成することを繰り返して誘導加熱コイルを造形する誘導加熱コイルの製造方法に関する。

近年、層状に敷き詰めた金属粉末の所定領域にレーザビームを照射し、溶融及び凝固させることを繰り返し、多数の金属層を積層一体化して三次元形状の物品を造形する積層造形技術（いわゆる「３Ｄプリンタ技術」）が、脚光を浴びている。
特許文献１には、このような積層造形技術を用いて誘導加熱コイルを製造する手法が開示されている。

特開２０１８－０１０８７６号公報

発明者は、特許文献１に開示された誘導加熱コイルの製造方法に関し、以下の問題点を見出した。
特許文献１の図１０（ｃ）に開示されたようにコイル部３を積層造形する場合、コイル部３の内部に下端面３ｂを支持するためのサポートを形成する必要がある。そのため、造形後にコイル部３の内部に残留した金属粉末を除去する際、サポートが金属粉末の除去を阻害する虞がある。また、コイル部３の内部に形成したサポートは除去できないため、コイル部３の内部における冷却水等の冷媒の流れを阻害してしまうという問題もある。
なお、サポートを形成しない場合、下端面３ｂの鉛直下側に金属粉末が位置するため、下端面３ｂが自重によって陥没してしまう。

本発明は、内部にサポートを形成することなく積層造形可能な誘導加熱コイルの製造方法を提供する。

本発明の一形態に係る誘導加熱コイルの製造方法は、
金属粉末を層状に敷き詰めるステップと、
層状に敷き詰めた前記金属粉末の所定領域にレーザビームを照射し、溶融及び凝固させて金属層を形成するステップと、を繰り返し、
前記金属層を鉛直上側に順次積層して誘導加熱コイルを造形する誘導加熱コイルの製造方法であって、
前記誘導加熱コイルは、円柱状の加熱対象物の外周面の円周方向に沿って円弧状に湾曲した一対の湾曲面と、前記一対の湾曲面に隣接する一対の平坦面と、に囲まれた断面四角形状のパイプであり、
前記一対の平坦面のうち前記パイプの空洞部よりも鉛直上側に位置する面と、水平面とのなす角が、所定の角度以上となるように造形する、
前記所定の角度は、例えば４５°である。

本発明の一形態に係る誘導加熱コイルの製造方法では、円柱状の加熱対象物の外周面の円周方向に沿って円弧状に湾曲した一対の湾曲面と、一対の湾曲面に隣接する一対の平坦面と、に囲まれた断面四角形状のパイプであり、一対の平坦面のうちパイプの空洞部よりも鉛直上側に位置する面と、水平面とのなす角が、所定の角度以上となるように造形する。そのため、鉛直上側に位置する面を支持するためのサポートをパイプの内部に形成する必要がない。

前記一対の湾曲面のうち前記加熱対象物と対向する面が、前記パイプの空洞部よりも鉛直上側に位置するように造形してもよい。このような構成によって、加熱対象物と対向する面の内側が荒れるため、その面に塑性変形が生じない熱処理用途に好適な誘導加熱コイルが得られる。

前記一対の湾曲面のうち前記加熱対象物と対向する面が、前記パイプの空洞部よりも鉛直下側に位置するように造形してもよい。このような構成によって、加熱対象物と対向する面の内側が荒れないため、その面に塑性変形が生じる熱処理用途に好適な誘導加熱コイルが得られる。

本発明によれば、内部にサポートを形成することなく積層造形可能な誘導加熱コイルの製造方法を提供できる。

第１の実施形態に係る誘導加熱コイルの製造方法に用いる積層造形装置の一例を示す模式的断面図である。 第１の実施形態に係る誘導加熱コイルの製造方法によって製造される誘導加熱コイルを示す模式的斜視図である。 円弧状コイル３０ａ、３０ｂによって誘導加熱されるクランクピンＣＰ近傍の模式断面図である。 第１の実施形態に係る誘導加熱コイルの製造方法によって製造した誘導加熱コイルのマクロ写真である。 図４に示した誘導加熱コイルの円弧状コイル３０ａの第１の円弧部３１ａ及び円弧状コイル３０ｂの第１の円弧部３１ｂのＸ線写真である。 図５のＶＩ－ＶＩ断面におけるＸ線写真である。 誘導加熱コイルの通電パターン並びにクランクピンＣＰと対向する第１の円弧部３１ａ、３１ｂの湾曲面Ｓ１（ホットスポット）及び湾曲面Ｓ３（コールドスポット）の温度変化を示すグラフである。 誘導加熱コイルの通電パターン並びにクランクピンＣＰと対向する第１の円弧部３１ａ、３１ｂの湾曲面Ｓ１（ホットスポット）及び湾曲面Ｓ３（コールドスポット）の温度変化を示すグラフである。 第２の実施形態に係る誘導加熱コイルの製造方法によって製造した誘導加熱コイルのマクロ写真である。 図９に示した誘導加熱コイルの円弧状コイル３０ａの第２の円弧部３２ａ及び円弧状コイル３０ｂの第２の円弧部３２ｂのＸ線写真である。 図１０のＸＩ－ＸＩ断面におけるＸ線写真である。

以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。但し、本発明が以下の実施形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

（第１の実施形態）
＜積層造形装置の構成及び動作＞
まず、図１を参照して、第１の実施形態に係る誘導加熱コイルの製造方法に用いる積層造形装置について説明する。図１は、第１の実施形態に係る誘導加熱コイルの製造方法に用いる積層造形装置の一例を示す模式的断面図である。図１に示すように、積層造形装置は、ベース１、定盤２、造形槽３、造形槽支持部４、造形槽駆動部５、支柱６、支持部７、レーザスキャナ８、光ファイバ９、レーザ発振器１０、スキージ１１、樋１２、粉末分配器１３、粉末供給部１４、及び制御装置１００を備えている。
なお、図１に示した右手系ｘｙｚ直交座標は、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものである。ｚ軸正方向が鉛直上方向（造形方向）、ｘｙ平面が水平面である。

ベース１は、定盤２及び支柱６を固定するための台である。ベース１は、定盤２が載置される上面が水平になるように、床面に設置される。定盤２は、ベース１の水平な上面に載置、固定されている。定盤２の上面も水平であって、この定盤２の上面に金属粉末５１が敷き詰められ、三次元形状の造形物５０が形成されていく。
なお、実際の造形物５０は誘導加熱コイルだが、図１に示した造形物５０は積層造形装置を説明するために模式的に描かれている。誘導加熱コイルの詳細については後述する。

図１の例では、定盤２は、四角柱状の部材である。図１に示すように、定盤２の上面の周縁全体に、水平方向に張り出したフランジ状の凸部２ａが形成されている。この凸部２ａの外周面が全体に亘り造形槽３の内側面と接触しているため、定盤２の上面及び造形槽３の内側面に囲われた空間に金属粉末５１を保持することができる。ここで、造形槽３の内側面と接触している凸部２ａの外周面に、例えばフェルトからなるシール部材（不図示）を設けることにより、金属粉末５１の保持力を高めることができる。

造形槽３は、この定盤２の上面に敷き詰められた金属粉末５１を側面から保持する筒状の部材である。図１の例では、定盤２が四角柱状であるため、造形槽３は、上端にフランジ部３ａを備えた角パイプである。造形槽３は、例えば厚さ１～６ｍｍ程度（好適には３～５ｍｍ程度）のステンレス鋼鈑から構成され、軽量である。造形槽３の上部開口端３ｂに金属粉末層を形成し、この金属粉末層にレーザビームＬＢを照射することにより金属層を形成する。上部開口端３ｂの形状は、例えば６００ｍｍ×６００ｍｍである。

また、造形槽３は、上下方向（ｚ軸方向）に移動可能に設置されている。詳細には後述するように、金属層を形成する度に造形槽３を定盤２に対して一定量ずつ上昇させ、造形物５０を形成していく。ここで、第１の実施形態に係る積層造形装置では、一定重量かつ軽量な造形槽３のみを上昇させればよい。そのため、毎回精度良く金属粉末層を形成することができる。その結果、精度良く造形物５０を形成することができる。

造形槽支持部４は、造形槽３のフランジ部３ａの上面が水平となるように、フランジ部３ａの下面を３点で支持している支持部材である。造形槽支持部４は、造形槽３を上下方向（ｚ軸方向）に移動させる造形槽駆動部５の連結部５ｃに連結されている。

造形槽駆動部５は、造形槽３を上下方向（ｚ軸方向）に移動させるための駆動機構である。造形槽駆動部５は、モータ５ａ、ボールねじ５ｂ、連結部５ｃを備えている。モータ５ａが駆動すると、ｚ軸方向に延設されたボールねじ５ｂが回転する。そして、ボールねじ５ｂが回転すると、ボールねじ５ｂに沿って、連結部５ｃが上下方向（ｚ軸方向）に移動する。上述の通り、造形槽３を支持する造形槽支持部４が連結部５ｃに連結されているため、造形槽駆動部５により造形槽３が上下方向（ｚ軸方向）に移動可能となる。なお、造形槽駆動部５の駆動源は、モータに限らず、油圧シリンダなどを用いてもよい。

ここで、造形槽駆動部５は、ベース１から略垂直に（すなわち鉛直方向に）立設された支柱６の上部に固定されている。このように、本実施形態に係る積層造形装置では、造形槽駆動部５が、造形槽３の外部に設置されているため、メンテナンス性に優れている。

レーザスキャナ８は、造形槽３の上部開口端３ｂに形成された金属粉末層に対して、レーザビームＬＢを照射する。レーザスキャナ８は、図示されないレンズ及びミラーを有している。そのため、図１に示すように、レーザスキャナ８は、金属粉末層における水平面（ｘｙ平面）上の位置に関わらず、金属粉末層にレーザビームＬＢの焦点を合わせることができる。
ここで、レーザビームＬＢは、レーザ発振器１０において生成され、光ファイバ９を介して、レーザスキャナ８に導入される。

また、レーザスキャナ８は、支持部７を介して、造形槽３のフランジ部３ａに固定されている。そのため、レーザスキャナ８とレーザビームＬＢの照射対象である金属粉末層との距離を一定に保つことができる。したがって、第１の実施形態に係る積層造形装置は、精度良く造形物５０を製造することができる。

スキージ１１は、第１のスキージ１１ａ及び第２のスキージ１１ｂから構成されている。第１のスキージ１１ａ及び第２のスキージ１１ｂは、いずれもｙ軸方向に延設されている。また、スキージ１１は、造形槽３の上部開口端３ｂを介して、一方のフランジ部３ａから対向するフランジ部３ａまでｘ軸方向にスライドすることができる。

図１に示すように、第１のスキージ１１ａ及び第２のスキージ１１ｂが、ｘ軸マイナス側のフランジ部３ａ上に設置された状態で、両者の間に金属粉末が供給される。ここで、２回分の金属粉末層を形成するための金属粉末が供給される。すなわち、スキージ１１がｘ軸マイナス側のフランジ部３ａからｘ軸プラス側のフランジ部３ａまでスライドすることにより、１回分の金属粉末層が造形槽３の上部開口端３ｂに形成される。

図１に破線で示したように、この金属粉末層に対してレーザビームＬＢを照射し、金属層を形成している間、スキージ１１はｘ軸プラス側のフランジ部３ａ上で待機している。そして、スキージ１１がｘ軸プラス側のフランジ部３ａからｘ軸マイナス側のフランジ部３ａまでスライドすることにより、もう１回分の金属粉末層が造形槽３の上部開口端３ｂに形成される。

なお、例えば金属層の形成領域が狭い場合には、スキージ１１をｘ軸マイナス側のフランジ部３ａからｘ軸プラス側のフランジ部３ａまで最大限スライドさせずに、金属層の形成領域はカバーした上で、途中でスライドを止めてもよい。金属粉末層を形成するための金属粉末量を節約できると共に時間を短縮することができる。

樋１２及び粉末分配器１３は、粉末供給部１４から投下された金属粉末をスキージ１１の長手方向に均一に分配するためのものである。樋１２の下面には、第１のスキージ１１ａ及び第２のスキージ１１ｂの間隔（ｘ軸方向）より狭く、スキージ１１の粉末投入領域と同程度の長さ（ｙ軸方向）を有する開口部が形成されている。

粉末分配器１３は、樋１２の溝の断面形状と同形状の板状部材である。粉末分配器１３は、図示しない駆動機構によりｙ軸方向にスライドすることができる。ここで、図１では、分かり易くするため、粉末分配器１３を樋１２から離して描いている。しかし、実際には、粉末分配器１３は樋１２の溝の両側面と隙間なく接触しながらスライドする。粉末分配器１３が、樋１２において金属粉末が投下された一端から他端までスライドすることにより、金属粉末が樋１２の開口部を介して、スキージ１１の長手方向（ｙ軸方向）に均一に分配される。
粉末供給部１４は、金属粉末が蓄えられた小型タンクである。なお、金属粉末は、例えば平均粒径２０μｍ程度の鉄粉である。

制御装置１００は、積層造形装置の動作を制御する。例えば、制御装置１００は、造形槽駆動部５、レーザスキャナ８、レーザ発振器１０、スキージ１１等と、有線又は無線で接続されている。制御装置１００は、造形物５０を製造するための三次元データを記憶しており、この三次元データを用いてこれらの構成要素を制御する。これにより、積層造形装置は、造形物５０を造形する。

図示していないが、制御装置１００は、コンピュータとしての機能を有し、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算部と、各種制御プログラムやデータ等が格納されたＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等の記憶部と、を備えている。
なお、制御装置１００は、複数に分割して設けられていてもよい。

以上のように、積層造形装置において、層状に敷き詰めた金属粉末５１の所定領域にレーザビームを照射し、溶融及び凝固させて金属層を形成することを繰り返すことによって、三次元形状の造形物５０を製造する。

＜誘導加熱コイルの構成＞
次に、図２を参照して、第１の実施形態に係る誘導加熱コイルの製造方法によって製造される誘導加熱コイルの構成について説明する。
図２は、第１の実施形態に係る誘導加熱コイルの製造方法によって製造される誘導加熱コイルを示す模式的斜視図である。誘導加熱コイルは、図１に示した造形物５０に該当し、例えば純銅又はクロム銅等の銅基合金からなる。図２に示すように、誘導加熱コイルは、配管部２０及びコイル部３０を備えている。

図２に示すように、配管部２０は、一対のリード配管２１ａ、２１ｂ、接続配管２２、及び排水用配管２３を備えている。配管部２０は、いずれも幅広面がｙ軸方向に垂直な（ｙ軸方向の幅が小さい）平角管から構成されている。

また、コイル部３０は、中心軸がｙ軸に平行な円柱状の加熱対象物を外側から誘導加熱する。図２に二点鎖線で示した加熱対象物の一例は、クランクシャフトのクランクピンＣＰである。図２に示すように、コイル部３０は、クランクピンＣＰの外周面の円周方向に沿って円弧状に湾曲した一対の円弧状コイル３０ａ、３０ｂを備えている。

さらに、図２に示すように、円弧状コイル３０ａは、第１の円弧部３１ａ、第２の円弧部３２ａ、及び接続部３３ａを備えている。同様に、円弧状コイル３０ｂは、第１の円弧部３１ｂ、第２の円弧部３２ｂ、及び接続部３３ｂを備えている。

なお、図２に示した右手系ｘｙｚ直交座標は、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものである。ｚ軸正方向が鉛直上方向（造形方向）、ｘｙ平面が水平面である。また、図２に示した誘導加熱コイルの姿勢は、造形される状態での姿勢ではなく、使用される状態での姿勢を示している。

図２に示すように、リード配管２１ａ、２１ｂは、上方（ｚ軸正方向）に延設されると共に、ｘ軸方向に並設されている。そして、リード配管２１ａ、２１ｂの上端は、それぞれ高周波電源４０に接続されている。一方、リード配管２１ａの下端は、円弧状コイル３０ａの第１の円弧部３１ａの根元部（上端部）に接続され、リード配管２１ｂの下端は、円弧状コイル３０ｂの第１の円弧部３１ｂの根元部（上端部）に接続されている。

図２に示すように、接続配管２２は、一対の円弧状コイル３０ａ、３０ｂを互いに接続している。図２の例では、接続配管２２はｘｚ平面視においてＵ字形状を有している。具体的には、接続配管２２は、円弧状コイル３０ａの第２の円弧部３２ａの根元部（上端部）から上方に延設されると共に、リード配管２１ａとｙ軸方向に並設された部位を有している。また、接続配管２２は、円弧状コイル３０ｂの第２の円弧部３２ｂの根元部（上端部）から上方に延設されると共に、リード配管２１ｂとｙ軸方向に並設された部位を有している。そして、ｘ軸方向に並設された両部位の上端部がｘ軸方向に延設された部位によって互いに接続されている。

排水用配管２３は、一端が接続配管２２の上端部に接続されており、他端から冷却水が排出される。この排水用配管２３の他端は絶縁されているため、排水用配管２３には電流は流れない。

円弧状コイル３０ａの第１の円弧部３１ａ及び第２の円弧部３２ａは、いずれもクランクピンＣＰの外周面の円周方向に沿って略１／４円弧状に湾曲した角パイプであって、ｙ軸方向に並設されている。そして、第１の円弧部３１ａ及び第２の円弧部３２ａの先端部（下端部）は、クランクピンＣＰの軸方向（ｙ軸方向）に延設された接続部３３ａによって互いに接続されている。

同様に、円弧状コイル３０ｂの第１の円弧部３１ｂ及び第２の円弧部３２ｂは、いずれもクランクピンＣＰの外周面の円周方向に沿って略１／４円弧状に湾曲した角パイプであって、ｙ軸方向に並設されている。そして、第１の円弧部３１ｂ及び第２の円弧部３２ｂの先端部（下端部）は、クランクピンＣＰの軸方向（ｙ軸方向）に延設された接続部３３ｂによって互いに接続されている。

誘導加熱コイルにおける電流及び冷却水の流れについて説明する。
図２において、高周波電源４０から供給される電流は、リード配管２１ａ、円弧状コイル３０ａ、接続配管２２、円弧状コイル３０ｂ、及びリード配管２１ｂをこの順又は逆順に流れる。

また、図２において、円弧状コイル３０ａを冷却するための冷却水は、リード配管２１ａの上端から導入され、円弧状コイル３０ａ及び接続配管２２を介して排水用配管２３から排出される。
一方、円弧状コイル３０ｂを冷却するための冷却水は、リード配管２１ｂの上端から導入され、円弧状コイル３０ｂ及び接続配管２２を介して排水用配管２３から排出される。
なお、誘導加熱コイルの内部を流れる冷媒は冷却水に限定されない。

ここで、図３は、円弧状コイル３０ａ、３０ｂによって誘導加熱されるクランクピンＣＰ近傍の模式断面図である。
図３に示すように、クランクピンＣＰは、クランクアームＣＡを介して、円柱状のクランクジャーナルＣＪに連結されている。クランクピンＣＰは、その軸周りに回転しながら、円弧状コイル３０ａ、３０ｂによって熱処理される。

より詳細には、クランクピンＣＰを誘導加熱する際、クランクシャフトの端部をロボットアーム（不図示）によって把持しながら、クランクピンＣＰがその軸周りに回転するように、クランクシャフトを偏心回転させる。その結果、円弧状コイル３０ａ、３０ｂを回転させずに、クランクピンＣＰの表面全体に均一な熱処理部を形成できる。また、図３に示すように、クランクピンＣＰだけでなく、クランクジャーナルＣＪにおけるクランクピンＣＰとの接続部に亘って熱処理部が形成される。

なお、クランクピンＣＰを誘導加熱する際、クランクシャフトをクランクジャーナルＣＪの軸（すなわちクランクシャフトの軸）Ａ１周りに回転させてもよい。その場合、図２に示した位置関係を維持しつつ、クランクピンＣＰと共に円弧状コイル３０ａ、３０ｂ（すなわち誘導加熱コイル全体）をクランクジャーナルＣＪの軸Ａ１周りに公転させればよい。
また、クランクピンＣＰに代えてクランクジャーナルＣＪを円弧状コイル３０ａ、３０ｂによって加熱してもよい。その場合、クランクジャーナルＣＪを軸Ａ１周りに回転させながら、クランクジャーナルＣＪを加熱する。

ここで、図３に示すように、円弧状コイル３０ａの第１の円弧部３１ａ及び第２の円弧部３２ａの断面形状は、平行四辺形状（菱形状を含む）である。円弧状コイル３０ｂの第１の円弧部３１ｂ及び第２の円弧部３２ｂも同様である。円弧状コイル３０ａと円弧状コイル３０ｂとは同一形状であるため、円弧状コイル３０ａについて説明する。

図３に示すように、第１の円弧部３１ａにおいてクランクピンＣＰと対向する湾曲面Ｓ１は、クランクアームＣＡに近い程、クランクピンＣＰの表面との距離が小さい。ここで、図２に示すように、第１の円弧部３１ａの湾曲面Ｓ１は、クランクピンＣＰの外周面の円周方向に沿って円弧状に湾曲している。第１の円弧部３１ａにおいて湾曲面Ｓ１と対向する湾曲面Ｓ３も、湾曲面Ｓ１と同様に円弧状に湾曲している。

また、第１の円弧部３１ａにおいてクランクアームＣＡと対向する平坦面Ｓ２は、平坦であって、クランクアームＣＡの表面と平行である。第１の円弧部３１ａにおいて平坦面Ｓ２と対向する平坦面Ｓ４も、平坦であって、平坦面Ｓ２と平行である。
このように、第１の円弧部３１ａは、クランクピンＣＰの外周面の円周方向に沿って円弧状に湾曲した一対の湾曲面Ｓ１、Ｓ３と、一対の湾曲面Ｓ１、Ｓ３に隣接する一対の平坦面Ｓ２、Ｓ４と、に囲まれた断面四角形状のパイプである。
なお、平坦面Ｓ２、Ｓ４は、配管部２０（リード配管２１ａ、２１ｂ、接続配管２２、及び排水用配管２３）を構成する平角線における幅広面とも平行である。

同様に、図３に示すように、第２の円弧部３２ａにおいてクランクピンＣＰと対向する湾曲面Ｓ１は、クランクアームＣＡに近い程、クランクピンＣＰの表面との距離が小さい。ここで、図２に示すように、第２の円弧部３２ａの湾曲面Ｓ１は、クランクピンＣＰの外周面の円周方向に沿って円弧状に湾曲している。第２の円弧部３２ａにおいて湾曲面Ｓ１と対向する湾曲面Ｓ３も、湾曲面Ｓ１と同様に円弧状に湾曲している。

また、第２の円弧部３２ａにおいてクランクアームＣＡと対向する平坦面Ｓ２は、平坦であって、クランクアームＣＡの表面と平行である。第２の円弧部３２ａにおいて平坦面Ｓ２と対向する平坦面Ｓ４も、平坦であって、平坦面Ｓ２と平行である。
このように、第２の円弧部３２ａも、クランクピンＣＰの外周面の円周方向に沿って円弧状に湾曲した一対の湾曲面Ｓ１、Ｓ３と、一対の湾曲面Ｓ１、Ｓ３に隣接する一対の平坦面Ｓ２、Ｓ４と、に囲まれた断面四角形状のパイプである。

なお、円弧状コイル３０ａの第１の円弧部３１ａ及び第２の円弧部３２ａの断面形状が、長方形状（正方形状を含む）であってもよい。その場合、第１の円弧部３１ａ及び第２の円弧部３２ａにおいてクランクピンＣＰと対向する湾曲面Ｓ１と、クランクピンＣＰの表面との距離は一定となる。円弧状コイル３０ｂの第１の円弧部３１ｂ及び第２の円弧部３２ｂも同様である。

＜誘導加熱コイルの製造方法＞
次に、図４～図６を参照して、本実施形態に係る誘導加熱コイルの製造方法について説明する。図４は、第１の実施形態に係る誘導加熱コイルの製造方法によって製造した誘導加熱コイルのマクロ写真である。図５は、図４に示した誘導加熱コイルの円弧状コイル３０ａの第１の円弧部３１ａ及び円弧状コイル３０ｂの第１の円弧部３１ｂのＸ線写真である。図６は、図５のＶＩ－ＶＩ断面におけるＸ線写真である。

上述の通り、本実施形態に係る誘導加熱コイルの製造方法では、金属粉末を層状に敷き詰めるステップと、層状に敷き詰めた金属粉末の所定領域にレーザビームを照射し、溶融及び凝固させて金属層を形成するステップと、を繰り返す。これによって、金属層を鉛直上側に順次積層して誘導加熱コイルを造形する。

図４に示すように、誘導加熱コイルは誘導加熱コイルを外側から支持するサポートと共に造形される。図４には造形方向が示されている。造形方向は鉛直上方向である。サポートは造形後に除去される。
図４の例では、円弧状コイル３０ａ及び円弧状コイル３０ｂにおける第１の円弧部３１ａ、３１ｂを第２の円弧部３２ａ、３２ｂよりも鉛直上側にして造形しているが、反対でもよい。

なお、図４に示した誘導加熱コイルでは、図３に示した誘導加熱コイルと対応する部位に同一の符号が付されている。各部位の構成等については、図３を参照して説明した通りであるため、詳細な説明は省略する。また、円弧状コイル３０ａ及び円弧状コイル３０ｂの外周面に設けられたフィンは、コアを構成する多数枚の電磁鋼板を装着するためのものである。フィンは、図３では省略されている。

ここで、仮に、特許文献１に開示されているように、第１の円弧部３１ａ、３１ｂの空洞部よりも上側に位置する平坦面Ｓ２を水平面と平行にして造形する場合について考える。その場合、第１の円弧部３１ａ、３１ｂの内部に平坦面Ｓ２を支持するためのサポートを形成する必要がある。

そのため、第１の円弧部３１ａ、３１ｂの内部に残留した金属粉末を除去する際、サポートが金属粉末の除去を阻害する虞がある。また、第１の円弧部３１ａ、３１ｂの内部に形成したサポートは除去できないため、第１の円弧部３１ａ、３１ｂの内部における冷却水等の冷媒の流れを阻害してしまう。
第２の円弧部３２ａ、３２ｂについても平坦面Ｓ４を支持するためのサポートが必要となり、同様の問題が生じる。

そこで、本実施形態に係る誘導加熱コイルの製造方法では、第１の円弧部３１ａ、３１ｂにおいて空洞部よりも鉛直上側に位置する平坦面Ｓ２と、水平面とのなす角θ（ここで、０°≦θ≦９０°）が、所定の角度以上となるように造形する。例えば、４５°≦θである。図４に示した例では、θ＝４５°である。
このような構成によって、第１の円弧部３１ａ、３１ｂの内部に平坦面Ｓ２を支持するためのサポートを形成する必要がなくなる。

第２の円弧部３２ａ、３２ｂにおいて空洞部よりも鉛直上側に位置する平坦面Ｓ４は、第１の円弧部３１ａ、３１ｂの平坦面Ｓ２と平行であるため、第２の円弧部３２ａ、３２ｂについても平坦面Ｓ４を支持するためのサポートが必要なくなる。

そのため、誘導加熱コイル内部にサポートが形成される場合に比べ、誘導加熱コイル内部に残留した金属粉末を除去する際、金属粉末を除去し易い。また、誘導加熱コイル内部における冷却水の流れも向上する。図５、図６に示すように、誘導加熱コイル内部にサポートは形成されておらず、金属粉末も除去されている。

また、図４に示すように、本実施形態では、図３に示した第１の円弧部３１ａ、３１ｂ及び第２の円弧部３２ａ、３２ｂにおいて加熱対象物と対向する湾曲面Ｓ１が、空洞部よりも鉛直上側に位置するように造形する。

この場合、図５、図６に示すように、使用時にクランクピンＣＰと対向する第１の円弧部３１ａ、３１ｂの湾曲面Ｓ１の内側が荒れる。第２の円弧部３２ａ、３２ｂの湾曲面Ｓ１についても同様である。図５には、クランクピンＣＰが二点鎖線で示されている。図６には、クランクピンＣＰ及びクランクアームＣＡが二点鎖線で示されている。

ここで、図７、図８は、誘導加熱コイルの通電パターン並びにクランクピンＣＰと対向する第１の円弧部３１ａ、３１ｂの湾曲面Ｓ１（ホットスポット）及び湾曲面Ｓ３（コールドスポット）の温度変化を示すグラフである。横軸は時間、縦軸は温度及び通電／非通電を示している。なお、図７、図８は、加熱イメージを示す模式的なグラフであり、グラフに示した時間、温度等の具体的な数値もあくまでも一例である。

図７、図８に示すように、誘導加熱コイルを通電状態とし、クランクピンＣＰを加熱すると、クランクピンＣＰと対向する第１の円弧部３１ａ、３１ｂ（及び第２の円弧部３２ａ、３２ｂ）の湾曲面Ｓ１も輻射熱によって加熱される。そのため、第１の円弧部３１ａ、３１ｂ（及び第２の円弧部３２ａ、３２ｂ）の湾曲面Ｓ１が熱膨張し、それに伴い湾曲面Ｓ３も引っ張られる。誘導加熱コイルを非通電状態とすると、湾曲面Ｓ１の温度も低下する。この通電による加熱と非通電による非加熱とを繰り返すため、第１の円弧部３１ａ、３１ｂ（及び第２の円弧部３２ａ、３２ｂ）は熱によって疲労する。

図７に示した例は、６０秒毎の通電時間が３秒と短いため、湾曲面Ｓ１の加熱温度が１８０℃程度と低く、湾曲面Ｓ１に塑性変形が生じない。これに対し、図８に示した例は、６０秒毎の通電時間が７秒と長いため、湾曲面Ｓ１の加熱温度が２８０℃程度と高く、湾曲面Ｓ１に塑性変形が生じる。

図７に示したように湾曲面Ｓ１に塑性変形が生じない場合、直接加熱される湾曲面Ｓ１（ホットスポット）よりも湾曲面Ｓ３（コールドスポット）に熱疲労破壊が生じ易くなる。このような破壊は、コールドスポット破壊と呼ばれる。
図８に示したように湾曲面Ｓ１に塑性変形が生じる過酷な加熱条件の場合、直接加熱される湾曲面Ｓ１（ホットスポット）に熱疲労破壊が生じ易くなる。このような破壊は、ホットスポット破壊と呼ばれる。

本実施形態に係る誘導加熱コイルの製造方法では、クランクピンＣＰと対向する第１の円弧部３１ａ、３１ｂ（及び第２の円弧部３２ａ、３２ｂ）の湾曲面Ｓ１の内側が荒れている。そのため、本実施形態に係る誘導加熱コイルは、図８に示したような湾曲面Ｓ１に塑性変形が生じる熱処理用途では、所望の熱疲労寿命が得られ難い。一方、図７に示したような湾曲面Ｓ１に塑性変形が生じない熱処理用途では、所望の熱疲労寿命が得られ易い。そのため、本実施形態に係る誘導加熱コイルの製造方法は、図７に示したような熱処理用の誘導加熱コイルの製造方法として好適である。

（第２の実施形態）
＜誘導加熱コイルの製造方法＞
次に、図９～図１１を参照して、第２の実施形態に係る誘導加熱コイルの製造方法について説明する。図９は、第２の実施形態に係る誘導加熱コイルの製造方法によって製造した誘導加熱コイルのマクロ写真である。図１０は、図９に示した誘導加熱コイルの円弧状コイル３０ａの第２の円弧部３２ａ及び円弧状コイル３０ｂの第２の円弧部３２ｂのＸ線写真である。図１１は、図１０のＸＩ－ＸＩ断面におけるＸ線写真である。

図９の例では、図４の例とは反対に、円弧状コイル３０ａ及び円弧状コイル３０ｂにおける第２の円弧部３２ａ、３２ｂを第１の円弧部３１ａ、３１ｂよりも鉛直上側にして造形している。図４の例と同様に造形してもよい。
なお、図９に示した誘導加熱コイルでも、図３に示した誘導加熱コイルと対応する部位に同一の符号が付されている。各部位の構成等については、図３を参照して説明した通りであるため、詳細な説明は省略する。

ここで、仮に、特許文献１に開示されているように、第２の円弧部３２ａ、３２ｂの空洞部よりも上側に位置する平坦面Ｓ２を水平面と平行にして造形する場合について考える。その場合、第２の円弧部３２ａ、３２ｂの内部に平坦面Ｓ２を支持するためのサポートを形成する必要がある。

そのため、第２の円弧部３２ａ、３２ｂの内部に残留した金属粉末を除去する際、サポートが金属粉末の除去を阻害する虞がある。また、第２の円弧部３２ａ、３２ｂの内部に形成したサポートは除去できないため、第２の円弧部３２ａ、３２ｂの内部における冷却水等の冷媒の流れを阻害してしまう。
第１の円弧部３１ａ、３１ｂについても平坦面Ｓ４を支持するためのサポートが必要となり、同様の問題が生じる。

そこで、本実施形態に係る誘導加熱コイルの製造方法では、第１の実施形態と同様に、第２の円弧部３２ａ、３２ｂにおいて空洞部よりも鉛直上側に位置する平坦面Ｓ２と、水平面とのなす角θ（ここで、０°≦θ≦９０°）が、いずれも所定の角度以上となるように造形する。例えば、４５°≦θである。図４に示した例では、θ＝４５°である。
このような構成によって、第２の円弧部３２ａ、３２ｂの内部に平坦面Ｓ２を支持するためのサポートを形成する必要がなくなる。

第１の円弧部３１ａ、３１ｂにおいて空洞部よりも鉛直上側に位置する平坦面Ｓ４は、第２の円弧部３２ａ、３２ｂの平坦面Ｓ２と平行であるため、第１の円弧部３１ａ、３１ｂについても平坦面Ｓ４を支持するためのサポートが必要なくなる。

そのため、誘導加熱コイル内部にサポートが形成される場合に比べ、誘導加熱コイル内部に残留した金属粉末を除去する際、金属粉末を除去し易い。また、誘導加熱コイル内部における冷却水の流れも向上する。図１０、図１１に示すように、内部にサポートは形成されておらず、金属粉末も除去されている。

また、図９に示すように、本実施形態では、第１の実施形態と反対に、図３に示した第１の円弧部３１ａ、３１ｂ及び第２の円弧部３２ａ、３２ｂにおいて加熱対象物と対向する湾曲面Ｓ１が、空洞部よりも鉛直下側に位置するように造形する。

この場合、図１０、図１１に示すように、使用時にクランクピンＣＰと対向する第２の円弧部３２ａ、３２ｂの湾曲面Ｓ１ではなく、湾曲面Ｓ１と対向する湾曲面Ｓ３の内側が荒れる。第１の円弧部３１ａ、３１ｂについても同様である。図１０には、クランクピンＣＰが二点鎖線で示されている。図１１には、クランクピンＣＰ及びクランクアームＣＡが二点鎖線で示されている。

本実施形態に係る誘導加熱コイルの製造方法では、第１の実施形態とは反対に、第２の円弧部３２ａ、３２ｂ（及び第１の円弧部３１ａ、３１ｂ）の湾曲面Ｓ１ではなく、湾曲面Ｓ３の内側が荒れている。そのため、本実施形態に係る誘導加熱コイルは、図７に示したような湾曲面Ｓ１に塑性変形が生じない熱処理用途では、第１の実施形態に比べ、熱疲労寿命が短くなる。一方、図８に示したような湾曲面Ｓ１に塑性変形が生じる熱処理用途では、第１の実施形態に比べ、熱疲労寿命が長くなる。そのため、本実施形態に係る誘導加熱コイルの製造方法は、図８に示したような熱処理用の誘導加熱コイルの製造方法として好適である。
その他の構成は、第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。

なお、本実施形態において、θ＝４５、５０、５５°と変化させた場合について、図１０、図１１と同様に、いずれも湾曲面Ｓ３の内側が荒れていることを確認した。

なお、本発明は上記実施形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１ ベース
２ 定盤
２ａ 凸部
３ 造形槽
３ａ フランジ部
３ｂ 上部開口端
４ 造形槽支持部
５ 造形槽駆動部
５ａ モータ
５ｃ 連結部
６ 支柱
７ 支持部
８ レーザスキャナ
９ 光ファイバ
１０ レーザ発振器
１１ スキージ
１１ａ 第１のスキージ
１１ｂ 第２のスキージ
１２ 樋
１３ 粉末分配器
１４ 粉末供給部
２０ 配管部
２１ａ、２１ｂ リード配管
２２ 接続配管
２３ 排水用配管
３０ コイル部
３０ａ、３０ｂ 円弧状コイル
３１ａ、３１ｂ 第１の円弧部
３２ａ、３２ｂ 第２の円弧部
３３ａ、３３ｂ 接続部
４０ 高周波電源
５０ 造形物
５１ 金属粉末
１００ 制御装置
ＣＡ クランクアーム
ＣＪ クランクジャーナル
ＣＰ クランクピン
ＬＢ レーザビーム
Ｓ１、Ｓ３ 湾曲面
Ｓ２、Ｓ４ 平坦面

Claims (3)

1. 金属粉末を層状に敷き詰めるステップと、
   層状に敷き詰めた前記金属粉末の所定領域にレーザビームを照射し、溶融及び凝固させて金属層を形成するステップと、を繰り返し、
   前記金属層を鉛直上側に順次積層して誘導加熱コイルを造形する誘導加熱コイルの製造方法であって、
   前記誘導加熱コイルは、円柱状の加熱対象物の外周面の円周方向に沿って円弧状に湾曲した一対の湾曲面と、前記一対の湾曲面に隣接する一対の平坦面と、に囲まれた断面四角形状のパイプであり、
   前記一対の平坦面のうち前記パイプの空洞部よりも鉛直上側に位置する平坦面と、水平面とのなす角が、４５°以上となるように造形する、
   誘導加熱コイルの製造方法。
2. 前記一対の湾曲面のうち前記加熱対象物と対向する面が、前記パイプの空洞部よりも鉛直上側に位置するように造形する、
   請求項１に記載の誘導加熱コイルの製造方法。
3. 前記一対の湾曲面のうち前記加熱対象物と対向する面が、前記パイプの空洞部よりも鉛直下側に位置するように造形する、
   請求項１に記載の誘導加熱コイルの製造方法。

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