JP7339043B2 - 積層造形方法及びツインスクロールケーシング - Google Patents
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Description
金属を積層して、隔壁によって2つの流路に隔たれたツインスクロール流路を含むツインスクロールケーシング及び前記ツインスクロール流路の少なくとも一部の領域に位置するサポートを造形するステップと、
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、
を備える。
また、上記(6)の方法によれば、フレームの何れの向きからドライアイスペレットを噴射しても八面体の辺を形成するように配置されたフレームによって囲まれた孔からドライアイスペレットのそれぞれが部分的に侵入し易くなる。これにより、フレームの何れの向きからドライアイスペレットを噴射しても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が粉砕され易くなるので、サポートを除去し易くすることができる。
さらに、上述した三次元構造を含むことでサポートとしての強度を確保できるので、造形時のツインスクロールケーシングの変形を効果的に抑制して、ツインスクロールケーシングの寸法精度を向上できる。
したがって、上記(7)の方法によれば、サポートを除去し易くすることができる。
したがって上記(8)の方法によれば、サポートとしての強度を確保しつつ、サポートを除去し易くすることができる。
上記(11)の方法によれば、ツインスクロールケーシングの径方向内側からアクセス可能に構成されたノズルを介して、上記少なくとも一部の領域に位置するサポートにドライアイスペレットを噴射するので、該サポートに比較的近い位置から該サポートに対してドライアイスペレットを噴射できるので、該サポートをより除去し易くすることができる。
ツインスクロール流路の2つの流路の間に設けられて前記2つの流路を隔てる隔壁と、
前記ツインスクロール流路を形成する壁部と、
を備え、
前記壁部及び前記隔壁は、前記ツインスクロール流路の全周にわたって積層造形により一体成型されている。
しかし、ツインスクロール流路における該反対側に位置する領域の表面粗さとツインスクロール流路における他の領域の表面粗さとの差が比較的大きくなると、ツインスクロール流路を流れる流体の流れに悪影響を及ぼすおそれがある。
上記(15)の構成によれば、外周面の該少なくとも一部の領域の表面粗さは、ツインスクロール流路における該反対側に位置する領域の表面粗さよりも大きい。すなわち、ツインスクロール流路における該反対側に位置する領域の表面粗さは、外周面の該少なくとも一部の領域の表面粗さよりも小さい。したがって、上記(15)の構成によれば、ツインスクロール流路における該反対側に位置する領域の表面粗さが外周面の該少なくとも一部の領域の表面粗さと同じか大きい場合と比べて、ツインスクロール流路における該反対側に位置する領域の表面粗さがツインスクロール流路を流れる流体の流れに及ぼす影響を抑制できる。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
図1は、幾つかの実施形態に係るターボチャージャのケーシングについて、後述するように積層造形時の姿勢を示す図である。図2は、幾つかの実施形態に係るターボチャージャのケーシングのうち、ツインスクロールケーシングの断面を模式的に示した図である。
以下、本開示に係るツインスクロールケーシングを有する回転機械の一例としてターボチャージャを例に挙げて説明する。
幾つかの実施形態に係るターボチャージャ1は、例えば自動車などの車両に搭載されるエンジンの吸気を過給するための排気ターボ過給機である。
ターボチャージャ1は、ロータシャフト2を回転軸として連結されたタービンホイール3及び不図示のコンプレッサホイールと、タービンホイール3を回転自在に収容するタービンハウジング5と、ロータシャフト2を回転可能に支持する不図示の軸受と、該軸受を収容するベアリングハウジング4と、コンプレッサホイールを回転自在に収容する不図示のコンプレッサハウジングとを有する。
幾つかの実施形態に係るタービン7は、タービンホイール3と、タービンハウジング5とを備える。なお、幾つかの実施形態に係るターボチャージャ1は、タービンハウジング5に2つの排ガス導入路(ツインスクロール流路)が形成されたツインスクロールターボチャージャである。以下の説明では、タービンハウジング5をツインスクロールケーシング5とも呼ぶ。
幾つかの実施形態に係るツインスクロールケーシング5は、隔壁51によって2つの流路53、55に隔たれたツインスクロール流路50を含んでいる。幾つかの実施形態に係るツインスクロールケーシング5は、ツインスクロール流路50を形成する壁部52を備えている。
幾つかの実施形態に係るターボチャージャ1では、ツインスクロール流路50よりもツインスクロールケーシング5の径方向内側の領域5aに羽根車(タービンホイール3)が配置される。したがって、幾つかの実施形態に係るツインスクロールケーシング5では、該領域5aとツインスクロール流路50とが連通している。具体的には、幾つかの実施形態に係るツインスクロールケーシング5には、開口部57が形成されている。開口部57は、ツインスクロール流路50の開口部であり、ロータシャフト2の軸線AXを中心とする径方向内側で開口している。
以下、上述したツインスクロールケーシング5の製造方法について説明する。図3は、幾つかの実施形態に係る積層造形方法における処理手順を示すフローチャートである。
幾つかの実施形態に係る積層造形方法は、造形工程S10と、噴射工程S20と、粗度調整工程S30とを備えている。
幾つかの実施形態に係る造形工程S10は、金属を積層して、隔壁51によって2つの流路53、55に隔たれたツインスクロール流路50を含むツインスクロールケーシング5及びツインスクロール流路50の少なくとも一部の領域に位置するサポート100を造形する工程である。幾つかの実施形態に係る造形工程S10では、粉末床溶融法(Powder Bed Fusion: PBF)、指向性エネルギー体積法(Directed Energy Deposition: DED)、結合剤噴射法(Binder Jetting: BJ)、選択的レーザー溶融法(Selective Laser Manufacturing:SLM)やレーザ肉盛溶接法(Laser Metal Deposition:LMD)等の各方式の何れかによって、ツインスクロールケーシング5及びサポート100を造形する。
これにより、壁部52及び隔壁51についての鋳造用の金型を作成しなくてもよいので、金型のコストを抑制できる。
例えばツインスクロール流路50の2つの流路53、55の流路の形状が変更する必要が生じても、鋳造用の金型を作成しなくてもよいので、製造のための準備期間やコストを抑制できる。幾つかの実施形態に係る積層造形方法は、特に、少数しか製造しないツインスクロール流路50の試作品の製造に適している。
造形工程S10の詳細については、後で説明する。
幾つかの実施形態に係る噴射工程S20は、サポート100に粒状のドライアイスペレットを噴射する工程である。幾つかの実施形態に係る噴射工程S20では、サポート100に粒状のドライアイスペレットを噴射することで、サポート100を粉砕して除去する。
なお、噴射工程S20の詳細については、後で説明する。
幾つかの実施形態に係る粗度調整工程S30は、噴射工程S20の終了後、サポート100が形成されていた領域に、たとえばショットブラストを行ってツインスクロール流路50の内周面50aの粗度を調整する工程である。
例えば、ツインスクロール流路50におけるサポート100が形成されていた領域の表面粗さとツインスクロール流路50における他の領域の表面粗さとの差が比較的大きくなると、ツインスクロール流路50を流れる流体の流れに悪影響を及ぼすおそれがある。
幾つかの実施形態に係る粗度調整工程S30を実施することで、ツインスクロール流路50においてサポート100が造形されていた領域とサポート100が造形されていなかった領域とでの内周面50aの粗度の差を抑制できる。これにより、上述したような悪影響を抑制して、タービン7の効率低下を抑制できる。
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100も造形する。サポート100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。
幾つかの実施形態では、例えばツインスクロールケーシング5の外周面におけるオーバーハング部や、排ガス流出口15の内周面におけるオーバーハング部、ツインスクロール流路50におけるオーバーハング部等、各オーバーハング部を造形するとともにサポート100も造形する。
図5は、ツインスクロール流路50に造形したサポート100の一例を説明するための模式的な図である。なお、図5は、オーバーハング部60における後述するオーバーハング角度θoが45度以下となる領域にサポート100を造形した場合の例を示す模式的な図である。
図6は、ツインスクロール流路50に造形したサポート100の他の一例を説明するための模式的な図である。なお、図6は、オーバーハング部60におけるオーバーハング角度θoが65度以下となる領域にサポート100を造形した場合の例を示す模式的な図である。
図7は、図1におけるVII矢視によるツインスクロールケーシング5の外観を模式的に示す図であり、ツインスクロール流路50に造形するサポート100の周方向における造形範囲の一例を説明するための図である。
また、x軸と軸線AXとのなす角度を軸線AXの傾斜角度θaxとする。オーバハング部を形成する下向きの面の延在方向とx軸とのなす角度をオーバーハング角度θoとする。すなわち、水平面のオーバーハング角度は0度であり、鉛直面のオーバーハング角度は90度である。
造形工程S10では、鉛直上方に向かって金属を順次積層して製品を造形する。したがって、造形工程S10において、金属の積層方向は鉛直上方、すなわちz軸方向の正の方向である。
これにより、ツインスクロール流路50のうち、少なくとも、積層方向を90度としたときのオーバーハング角度が0度以上45度以下となる領域61にサポート100を造形した後、サポート100に粒状のドライアイスペレット30を噴射すると、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100の少なくとも一部が粉砕されてサポート100が除去されるので、サポート100を除去し易くすることができる。
また、ツインスクロール流路50のうち、オーバーハング角度θoが0度以上45度以下となる領域にサポート100を造形することで、該領域の寸法精度を確保できる。
これにより、ツインスクロール流路50のうち、少なくとも、オーバーハング角度θoが0度以上65度以下となる領域62にサポート100を造形した後、サポート100に粒状のドライアイスペレット30を噴射すると、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100の少なくとも一部が粉砕されてサポート100が除去されるので、サポート100を除去し易くすることができる。
幾つかの実施形態に係るサポート100は、オーバーハング部60を支えるだけでなく、積層造形時の熱収縮に起因する変形防止等の機能を有している。そのためサポート100にはある程度の強度が必要となる。一方、幾つかの実施形態に係るサポート100は、上述したように、ドライアイスペレット30の小爆発の衝撃によって破壊され易いことが求められている。
特に幾つかの実施形態に係るツインスクロールケーシング5では、ツインスクロール流路50に造形したサポート100を除去するためには、比較的狭い開口部57から2つの流路53、55の内部にドライアイスペレット30を供給しなければならない。例えばツインスクロールケーシング5の外周面におけるオーバーハング部や、排ガス流出口15の内周面におけるオーバーハング部のように、ツインスクロールケーシング5の外部から比較的アクセスし易い領域と比べると、ツインスクロール流路50の内部は比較的アクセスし難い領域である。そのため、ツインスクロール流路50の内部に造形されたサポート100は、サポートとしての強度を確保しつつ、積層造形後の除去が容易であることが望まれる。
以下の説明では、ツインスクロール流路50に造形するサポート100のことを、特に流路内サポート110とも呼ぶ。
また、以下の説明では、ツインスクロール流路の少なくとも一部の領域である上記領域61又は上記領域62のことを、形成領域63とも呼ぶ。
これにより、流路内サポート110の空隙120に噴射されたドライアイスペレット30のそれぞれが部分的に侵入することで、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流路内サポート110が粉砕され易くなるので、流路内サポート110をさらに除去し易くすることができる。
図8は、上記三次元構造の一例を模式的に示す斜視図である。図8では、流路内サポート110の一部について図示している。
図8に示す流路内サポート110は、フレーム111により構成される単位構造131であって内部に空隙120を有する単位構造131の繰り返しで構成される三次元構造130を含んでいる。
すなわち、幾つかの実施形態では、造形工程S10において、少なくとも形成領域63に位置し、フレーム111により構成される単位構造131であって内部に空隙120を有する単位構造131の繰り返しで構成される三次元構造130を含む流路内サポート110を造形する。
これにより、フレーム111の寸法を適宜設定することで、流路内サポート110としての強度を確保しつつ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流路内サポート110の少なくとも一部が粉砕され易くなるすることができる。
これに対して、幾つかの実施形態では、単位構造131の繰り返しで構成される三次元構造130を有することで、流路内サポート110の強度を比較的大きくすることができるので、サポートとしての強度を確保できる。
図8に示した三次元構造130について、さらに説明する。
図8に示す一実施形態に係る三次元構造130では、フレーム111は、それぞれ異なる方向に延在する軸部113と、異なる軸部113の端部同士が接続された接続部114とを含んでいる。図8に示す一実施形態では、軸部113は、例えばそれぞれが異なる方向に延在する4つの軸部113a~113dを含んでいる。すなわち、図8に示す一実施形態に係る三次元構造130では、フレーム111は、3次元ネットワーク状のフレームである。
すなわち、図8に示す一実施形態では、フレーム111は、八面体の辺を形成するように配置されている。
なお、図8に示す一実施形態における三次元構造130では、単位格子140は、2つの四角錐141A、141Bの底面同士を重ね合わせると図9に示すような形状となる。また、図8に示す一実施形態における三次元構造130では、単位格子140は、2つの四角錐141A、141Bの頂部同士を重ね合わせると図10に示すような形状となる。すなわち、図10は、図8に示す一実施形態における三次元構造130の単位構造131の斜視図である。
図8~10に示すような単位格子140を有する流路内サポート110であれば、積層造形時には、軸部113が水平方向と交差する方向に延在することとなるので、上記記載で例とした挙げたPBF法、DED法、BJ法、SLM法やLMD法などの各方式等の積層造形法であっても、形成が容易となる。
これにより、積層造形時におけるフレーム111自身のオーバーハング角度θoが小さくなり過ぎることを抑制できるので、フレーム111が造形し易くなる。
また、幾つかの実施形態によれば、フレーム111の何れの向きからドライアイスペレット30を噴射しても八面体の辺を形成するように配置されたフレーム111によって囲まれた孔121からドライアイスペレット30のそれぞれが部分的に侵入し易くなる。これにより、フレーム111の何れの向きからドライアイスペレット30を噴射しても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流路内サポート110が粉砕され易くなるので、流路内サポート110を除去し易くすることができる。
さらに、上述した三次元構造130を含むことでサポートとしての強度を確保できるので、積層造形時のツインスクロールケーシング5の変形を効果的に抑制して、ツインスクロールケーシング5の寸法精度を向上できる。
その点、幾つかの実施形態によれば、例えば図5、6に示すように、隔壁51を下方からサポートするように流路内サポート110を造形することで、積層造形時に変形し易い部位の変形を効果的に抑制できる。
また、発明者らが鋭意検討した結果、空隙120の大きさが1.0mm以上であると、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流路内サポート110が粉砕され易くなり、流路内サポート110を除去し易くなることが判明した。
したがって、幾つかの実施形態では、造形工程S10において、空隙120の大きさが1.0mm以上である三次元構造130を含む流路内サポート110を造形するとよい。
これにより、流路内サポート110を除去し易くすることができる。
また、発明者らが鋭意検討した結果、流路内サポート110を造形する時の入熱量の大きさを隔壁51を造形するときの入熱量の5%以上30%以下とすると、流路内サポート110としての強度を確保しつつ、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流路内サポート110が粉砕され易くなることが判明した。
したがって、幾つかの実施形態では、造形工程S10において、隔壁51を造形するときの入熱量の5%以上30%以下の入熱量で少なくとも形成領域63に位置する流路内サポート110を造形するとよい。
これにより、サポートとしての強度を確保しつつ、流路内サポート110を除去し易くすることができる。
また、上記材料を用いた場合に、流路内サポート110を造形する時の入熱量の大きさが隔壁51を造形するときの入熱量の30%を超えると、流路内サポート110の強度が必要以上に大きくなって、積層造形後の除去性が低下してしまう。
図11に示すように、空隙120の大きさを小さくするほど(フレーム111同士の間隔を狭くするほど)少ない入熱量で流路内サポート110を造形できる。また、図11に示すように、フレーム111の太さを太くするほど少ない入熱量で流路内サポート110を造形できる。
図12は、噴射工程S20において、流路内サポート110に対してドライアイスペレット30を噴射するのに適したアタッチメントノズル80について説明するための図である。図13は、一実施形態に係るアタッチメントノズル80を模式的に示した斜視図である。
図12に示すように、幾つかの実施形態に係る噴射工程S20では、ツインスクロールケーシング5の外部からツインスクロール流路50に対して、ツインスクロールケーシング5の径方向内側からアクセス可能に構成されたアタッチメントノズル80を介して、少なくとも形成領域63に位置する流路内サポート110にドライアイスペレット30を噴射するようにしてもよい。一実施形態に係るアタッチメントノズル80は、ドライアイスブラストノズル83の先端に取り付け可能なアタッチメントノズルである。
したがって、ツインスクロールケーシング5の径方向内側からアクセス可能に構成されたアタッチメントノズル80を介して、少なくとも形成領域63に位置する流路内サポート110にドライアイスペレット30を噴射すことで、流路内サポート110に比較的近い位置から流路内サポート110に対してドライアイスペレット30を噴射できるので、流路内サポート110をより除去し易くすることができる。
幾つかの実施形態に係る噴射工程S20では、図12に示すように、ノズル先端部81が開口部57に沿うように形成されているアタッチメントノズル80を介して、少なくとも形成領域63に位置する流路内サポート110にドライアイスペレット30を噴射するとよい。
これにより、開口部57にアタッチメントノズル80のノズル先端部81を近づけて流路内サポート110にドライアイスペレット30を噴射することで、流路内サポート110に比較的近い位置から流路内サポート110に対してドライアイスペレット30を噴射できるので、流路内サポート110をより除去し易くすることができる。
すなわち、幾つかの実施形態に係るツインスクロールケーシング5では、ツインスクロールケーシング5の外周面5bの少なくとも一部の領域の表面粗さは、ツインスクロール流路50のうち、ツインスクロールケーシング5の軸線、すなわち軸線AXを挟んで少なくとも該一部の領域とは反対側に位置する領域の表面粗さよりも大きい。
しかし、ツインスクロール流路50における形成領域63の表面粗さとツインスクロール流路50における他の領域の表面粗さとの差が比較的大きくなると、ツインスクロール流路50を流れる流体の流れに悪影響を及ぼすおそれがある。
そのため、上述したように、形成領域63にはショットブラスト処理が施されることが望ましい。
尚、幾つかの実施形態に係る積層造形方法では、エネルギービームとして光ビームを照射する場合を示すが、電子ビーム等の他の形態のエネルギービームを使用する場合にも、本発明の思想は同様に適用可能である。
5 ツインスクロールケーシング(タービンハウジング)
30 ドライアイスペレット
50 ツインスクロール流路
60 オーバーハング部
63 形成領域
51 隔壁
57 開口部
80 アタッチメントノズル
81 先端部
100 サポート
110 流路内サポート
130 三次元構造
131 単位構造
140 単位格子
Claims (14)
- 金属を積層して、隔壁によって2つの流路に隔たれたツインスクロール流路を含むツインスクロールケーシング及び前記ツインスクロール流路の少なくとも一部の領域に位置するサポートを造形するステップと、
前記サポートに粒状のドライアイスペレットを噴射して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、
を備える
積層造形方法。 - 前記造形するステップは、前記ツインスクロール流路のうち、少なくとも、積層方向を90度としたときのオーバーハング角度が0度以上45度以下となる領域に前記サポートを造形する
請求項1に記載の積層造形方法。 - 前記造形するステップは、前記ツインスクロール流路のうち、少なくとも、積層方向を90度としたときのオーバーハング角度が0度以上65度以下となる領域に前記サポートを造形する
請求項1に記載の積層造形方法。 - 前記造形するステップは、前記少なくとも一部の領域に位置し、内部に空隙を有する前記サポートを造形する
請求項1乃至3の何れか一項に記載の積層造形方法。 - 前記造形するステップは、前記少なくとも一部の領域に位置し、フレームにより構成される単位構造であって内部に空隙を有する前記単位構造の繰り返しで構成される三次元構造を含む前記サポートを造形する
請求項4に記載の積層造形方法。 - 前記造形するステップは、前記少なくとも一部の領域に位置し、前記フレームが八面体の辺を形成するように配置された前記単位構造の繰り返しで構成される前記三次元構造を含む前記サポートを造形する
請求項5に記載の積層造形方法。 - 前記造形するステップは、前記空隙の大きさが1.0mm以上である前記三次元構造を含む前記サポートを造形する
請求項5又は6に記載の積層造形方法。 - 前記造形するステップは、前記隔壁を造形するときの入熱量の5%以上30%以下の入熱量で前記少なくとも一部の領域に位置する前記サポートを造形する
請求項1乃至7の何れか一項に記載の積層造形方法。 - 前記造形するステップは、ニッケル合金、コバルト合金、又は、チタン合金の何れかの金属を積層して前記サポートを造形する
請求項1乃至8の何れか一項に記載の積層造形方法。 - 前記造形するステップは、耐熱鋼又はステンレス鋼の粉末を用いて前記サポートを造形する
請求項9に記載の積層造形方法。 - 前記サポートを除去するステップは、前記ツインスクロールケーシングの外部から前記ツインスクロール流路に対して、前記ツインスクロールケーシングの径方向内側からアクセス可能に構成されたノズルを介して、前記少なくとも一部の領域に位置する前記サポートに前記ドライアイスペレットを噴射する
請求項1乃至10の何れか一項に記載の積層造形方法。 - 前記サポートを除去するステップは、前記ツインスクロールケーシングにおいて前記径方向内側で開口している前記ツインスクロール流路の開口部に沿うように先端部が構成された前記ノズルを介して、前記少なくとも一部の領域に位置する前記サポートに前記ドライアイスペレットを噴射する
請求項11に記載の積層造形方法。 - 金属を積層して、隔壁によって2つの流路に隔たれたツインスクロール流路を含むツインスクロールケーシング及び前記ツインスクロール流路の少なくとも一部の領域に位置するサポートを造形するステップと、
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終了後、前記少なくとも一部の領域にショットブラストを行って前記ツインスクロール流路の内周面の粗度を調整するステップと、
を備える
積層造形方法。 - ツインスクロール流路の2つの流路の間に設けられて前記2つの流路を隔てる隔壁と、
前記ツインスクロール流路を形成する壁部と、
を備え、
前記壁部及び前記隔壁は、前記ツインスクロール流路の全周にわたって積層造形により一体成型されており、
ツインスクロールケーシングの外周面の少なくとも一部の領域の表面粗さは、前記ツインスクロール流路のうち、前記ツインスクロールケーシングの軸線を挟んで前記少なくとも一部の領域とは反対側に位置する領域の表面粗さよりも大きい
ツインスクロールケーシング。
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