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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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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

本開示は、積層造形方法及びツインスクロールケーシングに関する。
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、サポートを除去し易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一実施形態に係る積層造形方法は、
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。
上記(1)の方法によれば、ツインスクロールケーシング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、サポートを除去し易くすることができる。
(2)幾つかの実施形態では、上記(1)の方法において、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45度以下となる領域に前記サポートを造形する。
上記(2)の方法によれば、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45度以下となる領域にサポートを造形した後、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、サポートを除去し易くすることができる。
(3)幾つかの実施形態では、上記(2)の方法において、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、前記オーバーハング角度が65度以下となる領域に前記サポートを造形する。
上記(3)の方法によれば、ツインスクロール流路のうち、少なくとも、オーバーハング角度が65度以下となる領域にサポートを造形した後、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、サポートを除去し易くすることができる。
(4)幾つかの実施形態では、上記(1)乃至(3)の何れかの方法において、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。
上記(4)の方法によれば、サポートの空隙に噴射されたドライアイスペレット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、サポートをさらに除去し易くすることができる。
(5)幾つかの実施形態では、上記(4)の方法において、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。
上記(5)の方法によれば、フレームの寸法を適宜設定することで、サポートとしての強度を確保しつつ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易くなるすることができる。
(6)幾つかの実施形態では、上記(5)の方法において、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。
上記(6)の方法によれば、造形時におけるフレーム自身のオーバーハング角度、すなわち積層方向を90度としたときのオーバーハング角度が小さくなり過ぎることを抑制できるので、フレームが造形し易くなる。
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。
(7)幾つかの実施形態では、上記(5)又は(6)の方法において、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。
発明者らが鋭意検討した結果、上記空隙の大きさが1.0mm以上であると、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が粉砕され易くなり、サポートを除去し易くなることが判明した。
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。
(8)幾つかの実施形態では、上記(1)乃至(7)の何れかの方法において、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。
発明者らが鋭意検討した結果、サポートを造形する時の入熱量、すなわち、サポートの造形時に照射するエネルギービームの照射面積当たりのエネルギーの大きさを隔壁を造形するときの入熱量の5%以上30%以下とすると、サポートとしての強度を確保しつつ、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ことが判明した。
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。
(9)幾つかの実施形態では、上記(1)乃至(8)の何れかの方法において、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ようにしてもよい。
(10)幾つかの実施形態では、上記(9)の方法において、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ようにしてもよい。
(11)幾つかの実施形態では、上記(1)乃至(10)の何れかの方法において、前記噴射するステップは、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。
ツインスクロールケーシングを有する回転機械では、ツインスクロール流路よりもツインスクロールケーシングの径方向内側の領域に羽根車が配置される。そのため、ツインスクロールケーシングでは、該領域とツインスクロール流路とが連通しており、ツインスクロールケーシングの径方向内側からツインスクロール流路にアクセス可能である。
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。
(12)幾つかの実施形態では、上記(11)の方法において、前記噴射するステップは、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。
上記(12)の方法によれば、上記開口部にノズルの先端部を近づけてサポートにドライアイスペレットを噴射することで、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。
(13)幾つかの実施形態では、上記(1)乃至(12)の何れかの方法において、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、をさらに備える。
上記(13)の方法によれば、ツインスクロール流路においてサポートが造形されていた領域とサポートが造形されていなかった領域とでの内周面の粗度の差を抑制できる。
(14)本発明の少なくとも一実施形態に係るツインスクロールケーシングは、
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。
上記(14)の構成によれば、上記壁部及び上記隔壁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。
(15)幾つかの実施形態では、上記(14)の構成において、前記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。
例えば、上記壁部及び上記隔壁を含むツインスクロールケーシングを積層造形によって造形する場合、積層造形時に下側に空洞を有する部分、すなわちオーバーハング領域にサポートを形成することがある。ツインスクロールケーシングの外周面の上記少なくとも一部の領域にサポートが形成されていた場合、ツインスクロール流路における上記反対側に位置する領域にもサポートが形成されていることが多い。この場合、サポートを除去した後の外周面の該少なくとも一部の領域及び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、例えばショットブラスト等の表面粗さを小さくするための処理が十分でなければ、サポートが形成されていなかった領域の表面粗さよりも粗くなることが考えられる。
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。
本発明の少なくとも一実施形態によれば、サポートを除去し易くすることのできる積層造形方法を提供できる。
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。 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。 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サポートが噴射されたドライアイスペレットによって除去される原理を説明するための模式的な図である。 ツインスクロール流路に造形したサポートの一例を説明するための模式的な図である。 ツインスクロール流路に造形したサポートの他の一例を説明するための模式的な図である。 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の外観を模式的に示す図である。 流路内サポートにおける三次元構造の一例を模式的に示す斜視図である。 図8に示す一実施形態における三次元構造の単位構造の斜視図である。 図8に示す一実施形態における三次元構造の単位構造の斜視図である。 流路内サポートを造形する時の入熱量と、空隙の大きさと、フレームの太さとの関係について表した図である。 噴射工程において、流路内サポートに対してドライアイスペレットを噴射するのに適したアタッチメントノズルについて説明するための図である。 アタッチメントノズルの模式的な斜視図である。
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
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。
(ターボチャージャ1について)
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。
(タービン7)
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。
後で詳述するが、図1に示すように、幾つかの実施形態に係るターボチャージャ1では、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、ベアリングハウジング4とツインスクロールケーシング5とが一つの部材として一体的に造形されている。なお、幾つかの実施形態に係るターボチャージャ1では、ツインスクロールケーシング5が一つの部材として、ベアリングハウジング4とは別に一体的に造形されていてもよい。
(ツインスクロールケーシング5)
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。
以下の説明では、ロータシャフト2の軸線AXを中心とする径方向を単に径方向とも呼び、軸線AXを中心とする径方向内側を単に径方向内側とも呼び、軸線AXを中心とする径方向外側を単に径方向外側とも呼ぶ。また、以下の説明では、ロータシャフト2の軸線AXを中心とする周方向を単に周方向とも呼ぶ。
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は、ツインスクロール流路50の内周面から径方向内側に向かって突出するように形成されている。隔壁51の径方向内側の先端部51aは、開口部57の近傍に位置している。
幾つかの実施形態に係るタービン7では、例えば不図示のエンジンの不図示のエキゾーストに接続された接続部13からツインスクロールケーシング5内に流入した排気ガスは、ツインスクロール流路50を流れてタービンホイール3に作用する。タービンホイール3に作用した排気ガスは、ロータシャフト2の軸方向に開口する排ガス流出口15からツインスクロールケーシング5の外部へと排出される。
(ツインスクロールケーシング5の製造方法について)
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。
(造形工程S10の概要について)
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。
幾つかの実施形態に係る造形工程S10では、上記何れかの方式による積層造形方法によって、少なくともツインスクロールケーシング5が一つの部材として一体的に造形される。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は、隔壁51と壁部52とを備えている。そして、幾つかの実施形態に係る壁部52及び隔壁51は、ツインスクロール流路50の全周にわたって積層造形により一体成型されている。
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。
なお、幾つかの実施形態に係る造形工程S10では、噴射工程S20において、後述するように噴射された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、上記少なくとも一部の領域に位置するサポート100がドライアイスペレットを保持可能な構成となるようにサポート100を造形する。
造形工程S10の詳細については、後で説明する。
(噴射工程S20の概要について)
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。
図4は、幾つかの実施形態に係るサポート100が噴射されたドライアイスペレットによって除去される原理を説明するための模式的な図である。幾つかの実施形態では、上記少なくとも一部の領域に位置するサポート100は、後述するように、例えば、噴射された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(空隙120)を有する多孔体として形成されるとよい。
図4に示すように、サポート100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100の空隙120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空隙120を画定するフレーム111が破壊される。この現象が複数の空隙120で生じることにより、サポート100が粉砕される。尚、フレーム111の強度によっては、噴射されたドライアイスペレット30がフレーム111に衝突する際の衝撃でフレーム111が破壊される場合もある。
なお、噴射工程S20の詳細については、後で説明する。
(粗度調整工程S30の概要について)
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。
なお、幾つかの実施形態に係る粗度調整工程S30では、主に、サポート100が形成されていた領域のうち、ツインスクロール流路50の内周面50aに対してショットブラストを行うが、サポート100が形成されていた領域のうち、ツインスクロール流路50の内周面50a以外の領域にショットブラストを行ってもよい。例えば、排ガス流出口15の内周面においてサポート100が形成されていた領域にショットブラストを行うことで、タービン7の効率低下を抑制できる。
上述した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とを備えるので、ツインスクロールケーシング5とサポート100とを形成後にサポート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。
(サポート100について)
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。
幾つかの実施形態では、ツインスクロールケーシング5の周方向全体にわたって一体的に造形するため、ツインスクロール流路50におけるオーバーハング部にサポート100を造形する。
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。
幾つかの実施形態では、積層造形時のタービンハウジング5の姿勢は、オーバーハング部の形成の容易さや、造形後のサポート100の除去のし易さ等を考慮して決定される。幾つかの実施形態では、図1に示すように、積層造形時のタービンハウジング5の姿勢は、軸線AXの高さ位置が排ガス流出口15の上流側よりも下流側の方が高くなるように傾斜した姿勢とされる。
なお、各図の説明において、図1に示した積層造形時のタービンハウジング5の姿勢に基づいて方向を次のように規定する。すなわち積層造形時の鉛直方向をz軸にとり、鉛直上方をz軸方向の正の方向とする。そして、水平方向のうち、積層造形時のタービンハウジング5を鉛直上方から見たときに軸線AXの延在方向と重なる方向をx軸にとり、排ガス流出口15の下流側から上流側に向かう向きをx軸方向の正の方向とする。水平方向のうち、x軸と直交する方向をy軸にとり、軸線AXから接続部13に向かう向きをy軸方向の正の方向とする。
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。
幾つかの実施形態では、図5に示すように、造形工程S10において、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θoが0度以上45度以下となる領域61にサポート100を造形する。
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。
幾つかの実施形態では、図6に示すように、造形工程S10において、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を造形してもよい。
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。
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65度以下となる領域にサポート100を造形することで、オーバーハング角度が45度を超え65度以下となる領域の寸法精度もさらに確保できる。
なお、幾つかの実施形態では、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(角度範囲θc)は、図7に示すように、鉛直方向で最も上方となる位置を中心として、周方向に沿って例えば60度(θc=60°)としてもよい。
(サポート100に細部について)
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。
そこで、幾つかの実施形態に係るサポート100では、以下の構成を備えることで、サポート100としての強度の確保と、積層造形後の除去の容易さとを持ち合わせるようにしている。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について主に説明するが、ツインスクロール流路50以外の領域に造形するサポート100についても適用可能である。
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。
具体的には、幾つかの実施形態では、流路内サポート110は、内部に空隙120を有する。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、内部に空隙120を有する流路内サポート110を造形する。
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。
内部に空隙120を有するように形成される流路内サポート110の細部の構成は、種々の構成を適用できる。例えば、幾つかの実施形態では、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であって内部に空隙120を有する該単位構造の繰り返しで構成される三次元構造を含んでいてもよい。
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。
なお、サポート100を造形する時の入熱量、すなわち、サポート100の造形時に照射するエネルギービームの照射面積当たりのエネルギーの大きさをツインスクロールケーシング5を造形するときの入熱量よりも小さくしてサポート100を多孔質状に造形するだけでは、サポートとしての強度を確保するのが難しい。
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。
また、幾つかの実施形態によれば、単位構造の空隙120の寸法等を変更することでドライアイスペレット30による流路内サポート110の除去性を制御可能となる。
(三次元構造130について)
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。
例えば図8に示した流路内サポート110のように、流路内サポート110は、少なくとも、第1延在方向に延在する複数の第1の軸部113である第1軸状部材と、該第1延在方向と交差する第2延在方向に延在する複数の第2の軸部113である第2軸状部材とを含んでいてもよい。そして、複数の第1の軸部113の少なくとも一つと、複数の第2の軸部113の少なくとも一つとは、接続部114で互いに接続されていてもよい。
図9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に示す一実施形態では、三次元構造130の単位構造131は、図9に示すように、2つの四角錐141A、141Bの底面同士を重ね合わせた形状となる単位格子140を有しており、それぞれの四角錐141A、141Bにおいて、頂点143と底面の角145とを結ぶ線分に相当する位置に軸部113が配置されている。
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。
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が八面体の辺を形成するように配置された単位構造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、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。
なお、発明者らが鋭意検討した結果、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の中でも、特に、隔壁51において、積層造形時の熱収縮に起因すると考えられる変形が生じ易いことが判明した。
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。
(空隙120の寸法について)
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。
(流路内サポート110造形時の入熱量について)
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。
具体的には、ツインスクロールケーシング5を造形する材料として、例えば耐熱鋼やステンレス鋼等のようにニッケル、クロム、モリブデン、及び鉄のそれぞれを少なくとも5質量%以上含むニッケル合金の粉末を用いることができる。上記材料を用いた場合には、積層造形時のエネルギービームの出力、エネルギービームの走査速度等を調節することで、入熱量を上記条件に設定すれば、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。
なお、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を隔壁51を造形するときの入熱量の5%未満とすると、流路内サポート110の造形が困難となったり、流路内サポート110が造形できたとしても流路内サポート110の上方に造形される、製品となる領域に変形が生じたりするなどの不具合が生じ易い。
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。
なお、ツインスクロールケーシング5を造形する材料として、上記材料以外にも、以下の材料を用いることができる。すなわち、ツインスクロールケーシング5を造形する材料として例えば、コバルト合金やチタン合金等を用いてもよい。
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と、空隙120の大きさと、フレーム111の太さとには、次のような関係があることが判明した。図11は、流路内サポート110を造形する時の入熱量と、空隙120の大きさと、フレーム111の太さとの関係について表した図である。
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11において破線で囲んだ領域201は、ドライアイスペレット30の噴射によって流路内サポート110を除去可能な範囲を表している。また、図11において、ハッチングが施されていない領域205は、流路内サポート110を造形できない範囲を表している。なお、ここで、流路内サポート110を造形できない範囲とは、フレーム111を形成できない範囲や、フレーム111を形成できても流路内サポート110として必要な強度が得られない範囲のことである。
したがって、流路内サポート110を造形でき、且つ、ドライアイスペレット30の噴射によって流路内サポート110を除去可能な範囲である領域203は、流路内サポート110の造形条件として適した条件を満たす領域である。なお、図11では、領域203を斜線のハッチングで表している。
(アタッチメントノズル80について)
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。
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、上述したように領域5aとツインスクロール流路50とが連通しているので、ツインスクロールケーシング5の径方向内側からツインスクロール流路50にアクセス可能である。
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。
また、図12及び図13に示すように、一実施形態に係るアタッチメントノズル80では、ノズル先端部81は、ツインスクロール流路50の開口部57に沿うように形成されている。具体的には、一実施形態に係るアタッチメントノズル80は、ノズル先端部81がツインスクロール流路50の開口部57により接近できるように、開口部57により接近させる際にノズル先端部81がツインスクロールケーシング5と干渉する部分を切り欠いたような形状を有している。
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。
上述した幾つかの実施形態に係る積層造形方法で造形されたツインスクロールケーシング5は、次のような形態となる場合がある。
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。
上述したように、壁部52及び隔壁51を含むツインスクロールケーシング5を積層造形によって造形する場合、積層造形時に下側に空洞を有する部分、すなわちオーバーハング部60にサポート100を形成することがある。ツインスクロールケーシング5の外周面5bの上記少なくとも一部の領域にサポート100が形成されていた場合、ツインスクロール流路50における上記反対側に位置する領域、すなわち形成領域63にもサポート100が形成されていることが多い。この場合、サポート100を除去した後の外周面5bの該少なくとも一部の領域及びツインスクロール流路50における形成領域63の表面粗さは、例えばサンドブラストやショットブラスト等の表面粗さを小さくするための処理が十分でなければ、サポート100が形成されていなかった領域の表面粗さよりも粗くなることが考えられる。
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。
本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
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。
1 ターボチャージャ
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)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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
    請求項に記載の積層造形方法。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 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。
  9. 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。
  10. 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。
  11. 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。
  12. 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。
  13. 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
    を備える
    積層造形方法。
  14. 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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