(57)【要約】【課題】複雑な形状を有する内部構造が設けられた金属積層造形体を洗浄することができる金属積層造形体の洗浄方法を提供する。【解決手段】金属粉末層を繰り返し溶融結合して積層することにより造形された金属積層造形体１の内部を、液体を流すことによって洗浄する金属積層造形体の洗浄方法であって、金属積層造形体１の内部に、マイクロバブル３を含有する前記液体を注入する工程（ステップＳ１）と、前記液体が金属積層造形体１の内部を所定回数往復するように、液流を制御する工程（ステップＳ２）と、液流が制御された金属積層造形体１の内部に超音波を付与する工程（ステップＳ３）と、を備える、金属積層造形体の洗浄方法。【選択図】図１
2019143185.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属粉末層を繰り返し溶融結合して積層することにより造形された金属積層造形体の内部を、液体を流すことによって洗浄する金属積層造形体の洗浄方法であって、
前記金属積層造形体の内部に、マイクロバブルを含有する前記液体を注入する工程と、
前記液体が前記金属積層造形体の内部を所定回数往復するように、液流を制御する工程と、
液流が制御された前記金属積層造形体の内部に超音波を付与する工程と、を備える、
金属積層造形体の洗浄方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属積層造形体の洗浄方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、レーザー等を用いて金属粉末を溶融結合させる粉末床溶融結合法（Ｐｏｗｄｅｒ  Ｂｅｄ  Ｆｕｓｉｏｎ、ＰＢＦ）によって、金属積層造形体が造形されている。粉末床溶融結合法では、金属粉末層にレーザー等を照射し、金属粉末の一部を溶融結合する。そして、一部が溶融結合された金属粉末層の上に更に金属粉末層を形成し、レーザー等で金属粉末の一部を溶融結合する。このように、金属粉末を溶融結合して積層することを繰り返すことによって、金属積層造形体を造形する。粉末床溶融結合法を用いることによって、複雑な形状の金属積層造形体を造形することができる。
【０００３】
粉末床溶融結合法によって造形された金属積層造形体の内部には、未溶融の金属粉末が残留している。残留金属粉末は、金属積層造形体の姿勢を変更することや、エアブローを行うことによって、除去される。しかしながら、姿勢の変更やエアブローを行うことによって、全ての残留金属粉末を除去することは困難である。そこで、姿勢の変更やエアブローを行った後に金属積層造形体の内部に液体を流すことによって、残留金属粉末をさらに除去する。
【０００４】
粉末床溶融結合法では、レーザー等を用いて金属粉末を溶融結合する際に、周囲の金属粉末の一部が溶融された金属粉末に付着することがある。付着した残留金属粉末は、液体を流しても除去されない。したがって、金属積層造形体の内部に液体を流すことによって残留金属粉末を十分に除去することは、困難である。金属積層造形体の内部に残留金属粉末が付着していると、金属積層造形体を例えば自動車部品として使用した際に、付着した残留金属粉末が剥がれ落ちることがある。剥がれ落ちた残留金属粉末は、焼付きの原因となり得る。
【０００５】
特許文献１には、マイクロバブルを生成するノズルを用いて高速水流を構造体内に噴射し、マイクロバブルをキャビテーションさせることによって、構造体の内周面に衝撃を与える方法が開示されている。特許文献１に開示されている技術を適用することによって、金属積層造形体の内部に付着している残留金属粉末を除去することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−７６４６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
発明者らは、金属積層造形体の洗浄方法に関して、以下の課題を見出した。
金属積層造形体に通水経路等の複雑な形状を有する内部構造が設けられている場合、ノズルを内部経路内に挿入することができない。したがって、金属積層造形体の内部を十分に洗浄することができない。複雑な形状を有する内部構造が設けられた金属積層造形体は、例えば、ダイカスト金型の内金型や冷却器等に用いられる。
【０００８】
本発明は、このような課題に鑑みなされたものであり、複雑な形状を有する内部構造が設けられた金属積層造形体を洗浄することができる金属積層造形体の洗浄方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するための一態様は、金属粉末層を繰り返し溶融結合して積層することにより造形された金属積層造形体の内部を、液体を流すことによって洗浄する金属積層造形体の洗浄方法であって、前記金属積層造形体の内部に、マイクロバブルを含有する前記液体を注入する工程と、前記液体が前記金属積層造形体の内部を所定回数往復するように、液流を制御する工程と、液流が制御された前記金属積層造形体の内部に超音波を付与する工程と、を備える。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る金属積層造形体の洗浄方法は、金属積層造形体の内部に、マイクロバブルを含有する液体を注入する工程を備える。マイクロバブルは、液体の流れに伴って輸送される。したがって、液体を注入する工程を行うことによって、複雑な形状を有する内部構造にマイクロバブルを輸送することができる。
【００１１】
本発明に係る金属積層造形体の洗浄方法は、さらに、液体が金属積層造形体の内部を所定回数往復するように液流を制御する工程と、液流が制御された金属積層造形体の内部に超音波を付与する工程と、を備える。液流を制御する工程及び超音波を付与する工程において、マイクロバブルはキャビテーションを起こす。複雑な形状を有する内部構造が設けられた金属積層造形体は、マイクロバブルのキャビテーションによって洗浄される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】金属積層造形体の部分拡大断面図である。
【図２】本実施の形態に係る金属積層造形体の洗浄方法を示すフローチャートである。
【図３】液体を注入する工程における金属積層造形体の部分拡大断面図である。
【図４】液流を制御する工程における金属積層造形体の部分拡大断面図である。
【図５】液流を制御する工程における金属積層造形体の部分拡大断面図である。
【図６】超音波を付与する工程における金属積層造形体の部分拡大断面図である。
【図７】洗浄後の金属積層造形体の部分拡大断面図である。
【図８】洗浄後のオイルクーラーのＸ線画像である。
【図９】洗浄後のラティス構造体の写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施の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。
【００１４】
まず、図１を参照して、金属積層造形体の構成について説明する。図１は、金属積層造形体１の模式的な部分拡大断面図である。金属積層造形体１は、図１に示すように、表面に残留金属粉末２が付着している。
【００１５】
なお、当然のことながら、図１及びその他の図面に示した右手系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。通常、ｚ軸正方向が鉛直上向き、ｘｙ平面が水平面であり、図面間で共通である。
【００１６】
金属積層造形体１は、レーザー等を用いて金属粉末層を繰り返し溶融接合することによって積層する粉末床溶融結合法を用いて造形される。粉末床溶融結合法では、レーザー等を照射することによって金属粉末層の一部を溶融結合する。溶融結合される際に、レーザー等が照射された金属粉末は、高温の液体状になる。液体状になった金属粉末には、周囲の金属粉末の一部が付着する。したがって、金属積層造形体１の表面には、溶融結合された際に付着した残留金属粉末２が付着している。
【００１７】
金属積層造形体１の形状は、特に限定されない。金属積層造形体１には、例えば、通水経路等の複雑な形状を有する内部構造が設けられていてもよい。複雑な形状を有する内部構造が設けられた金属積層造形体１は、ダイカスト金型の内金型やオイルクーラー等に好適である。また、金属積層造形体１には、例えば、微細な凹凸構造が設けられていてもよい。微細な凹凸構造が設けられた金属積層造形体１は、放熱板等に好適である。
【００１８】
次に、図２〜７を参照して、本実施の形態に係る金属積層造形体の洗浄方法について説明する。図２は、本実施の形態に係る金属積層造形体１の洗浄方法を示すフローチャートである。図３は、液体を注入する工程（ステップＳ１）における金属積層造形体１の部分拡大断面図である。図４は、液流を制御する工程（ステップＳ２）における金属積層造形体１の部分拡大断面図である。図５は、液流を制御する工程（ステップＳ２）における金属積層造形体１の部分拡大断面図である。図６は、超音波を付与する工程（ステップＳ３）における金属積層造形体１の部分拡大断面図である。図７は、洗浄後の金属積層造形体の部分拡大断面図である。
【００１９】
まず、金属積層造形体１の内部に液体を注入する工程（ステップＳ１）を行う。ステップＳ１において金属積層造形体１に注入される液体は、例えば、水である。金属積層造形体１に注入される液体は、図３に示すように、マイクロバブル３を含有する。マイクロバブル３は、０．１ミリ程度以上数ミリ程度以下の直径を有する気泡である。マイクロバブル３は、例えば、円錐状の抵抗体を用いて液流同士を衝突させることによって生成される。また、空気が注入される溝や細孔が設けられたノズルを用いてマイクロバブル３を生成してもよい。
【００２０】
マイクロバブル３は、マイクロバブル３を含有する液体の流れに伴って輸送される。したがって、ノズル等を挿入することができない複雑な形状の内部構造にもマイクロバブル３を輸送することができる。マイクロバブル３を含有する液体を金属積層造形体１の内部に注入すると、図３に示すように、金属積層造形体１に設けられた複雑な内部構造や微細構造の表面に、マイクロバブル３が輸送される。
【００２１】
次に、液流を制御する工程（ステップＳ２）を行う。ステップＳ２を行う際には、マイクロバブル３を含有する液体が、金属積層造形体１の内部を所定回数往復するように液流を制御する。具体的には、液流の方向を周期的に切り替えることによって、金属積層造形体１の内部において、マイクロバブル３を含有する液体を少なくとも一回以上往復させる。マイクロバブル３を含有する液体を往復させる回数は、金属積層造形体１の形状等に応じて適宜設定される。
【００２２】
図４及び図５は、液流を制御する工程（ステップＳ２）における金属積層造形体１の模式断面図である。図４及び図５において、矢印は、液流の方向を表す。つまり、図４においては、ｘ軸正方向に向かって液体が流れている。一方、図５においては、ｘ軸負方向に向かって液体が流れている。
【００２３】
図４に示すようにマイクロバブル３を含有する液体をｘ軸正方向に向かって流すと、一部のマイクロバブル３が破裂すると共に、キャビテーションを起こす。マイクロバブル３がキャビテーションを起こすと、金属積層造形体１や残留金属粉末２は、衝撃波による応力を受ける。衝撃波による応力を受けると、残留金属粉末２の一部は、金属積層造形体１から剥離される。
【００２４】
金属積層造形体１は、一定以上の応力を受けることによって、圧縮残留応力が付与される。圧縮残留応力が付与されると、金属積層造形体１の表面は、硬化する。圧縮残留応力が付与された金属積層造形体１は、例えば、膨張と収縮を繰り返すことによって発生するヒートクラックを、圧縮残留応力が付与されていない金属積層造形体１よりも、起こしにくい。したがって、金属積層造形体１を金型等として使用する場合、内部構造に圧縮残留応力が付与されることが好ましい。
【００２５】
マイクロバブル３の大きさが大きくなると、マイクロバブル３がキャビテーションを起こした際に金属積層造形体１や残留金属粉末２が受ける応力の大きさが大きくなる。具体的には、数ミリ程度の直径を有するマイクロバブル３を用いることによって、金属積層造形体１の表面に圧縮残留応力を付与することができる。つまり、金属積層造形体１を金型等として使用する場合、直径の大きさに比例して付与出来る圧縮残留応力が大きくなる為、数ミリ程度のマイクロバブル３を用いて洗浄を行うことが、好ましい。
【００２６】
しかしながら、マイクロバブル３の直径が大きすぎると、キャビテーションによって発生する応力によって金属積層造形体１が破損する虞がある。特に、金属積層造形体１が微細な凹凸構造を有する場合、マイクロバブル３のキャビテーションによって、金属積層造形体１が破損しやすい。
【００２７】
マイクロバブル３の直径を、金属積層造形体１が有する微細な凹凸構造の大きさよりも小さくすると、キャビテーションによって起こる金属積層造形体１の破損を抑制することができる。例えば、複数の突起部を設けた金属積層造形体１を放熱板として用いる場合、複数の突起部は、０．３〜０．４ミリ程度の厚みをそれぞれ有する。マイクロバブル３の直径が０．３〜０．４ミリ程度以下となるように設定することによって、キャビーテーションによる金属積層造形体１の破損を抑制することができる。
【００２８】
マイクロバブル３のキャビテーションによって生じる応力は、液流に沿って金属積層造形体１や残留金属粉末２に付与される。したがって、図４及び図５に示したように、液流の方向を切り替えることによって、複数の方向に向かって応力を付与することができる。液流の方向を周期的に切り替えることによって、一定方向に液体を流し続けるよりも、金属積層造形体１の内部を均一に洗浄することができる。
【００２９】
次に、超音波を付与する工程（ステップＳ３）を行う。金属積層造形体１の形状によっては、液体の流れが起こりにくい場所が存在することがある。液体の流れが起こりにくい場所では、液流を制御する工程（ステップＳ２）において、キャビテーションが発生しにくい。したがって、液流を制御する工程（ステップＳ２）を行うのみでは、充分な洗浄を行うことができない。
【００３０】
そこで、超音波を付与する工程（ステップＳ３）を行う。超音波を付与する工程（ステップＳ３）においては、金属積層造形体１の外部から、金属積層造形体１の内部に注入されているマイクロバブル３に超音波を付与する。マイクロバブル３は、超音波を付与されると、破裂すると共にキャビテーションを起こす。超音波を付与する工程（ステップＳ３）を行うことによって、液体の流れが起こりにくい場所であっても、マイクロバブル３のキャビテーションによって、金属積層造形体１の内部を洗浄することができる。
【００３１】
超音波を付与する工程（ステップＳ３）を行う際には、超音波を付与すると共に、金属積層造形体１を回転させてもよい。金属積層造形体１を回転させることによって、金属積層造形体１の内部において、マイクロバブル３を移動させることができる。金属積層造形体１を回転させると共にマイクロバブル３に超音波を付与することによって、金属積層造形体１の内部をより均一に洗浄することができる。
【００３２】
以上で説明したステップＳ１〜ステップＳ３を行うことによって、複雑な形状を有する内部構造が設けられた金属積層造形体１を洗浄することができる。
【００３３】
図７は、洗浄後の金属積層造形体１の模式断面図である。図７に示すように、本実施の形態に係る金属積層造形体の洗浄方法を行った後であっても、一部の残留金属粉末２が、金属積層造形体１に付着していることがある。洗浄後であっても付着している残留金属粉末２は、金属積層造形体１に強固に付着しているため、金属積層造形体１を使用しても、剥がれ落ちてくる虞はほぼ無い。
【００３４】
次に、図８及び図９を参照して、本実施の形態に係る金属積層造形体の洗浄方法の効果について説明する。図８は、洗浄後のオイルクーラーのＸ線画像である。図９は、洗浄後のラティス構造体の写真である。
【００３５】
図８は、金属粉末焼結法を用いて造形されたオイルクーラーのＸ線画像である。図８に示したオイルクーラーは、本実施の形態に係る金属積層造形体の洗浄方法を用いて洗浄されている。図８に示したオイルクーラーでは、洗浄後であっても、残留金属粉末２の一部が残留していた。しかしながら、図８に示したオイルクーラーを自動車に搭載することを想定した耐久実験を行ったところ、残留金属粉末２の剥離は確認されなかった。したがって、本実施の形態に係る金属積層造形体の洗浄方法を行うことによって、オイルクーラーの内部に残留した金属粉末を充分除去することができたと考えられる。
【００３６】
図９は、金属粉末焼結法を用いて造形されたラティス構造体の写真である。図９に示したラティス構造体は、０．６ミリ程度の微細な凹凸構造を有する。ノズルを用いてキャビテーションを起こすことができる高圧液流を噴射したところ、微細な凹凸構造が破損した。一方、本実施の形態に係る金属積層造形体の洗浄方法を用いて洗浄を行った場合、図９に示したラティス構造体の表面には、残留金属粉末２が確認されなかった。また、洗浄による微細な凹凸構造の破損も確認されなかった。
【００３７】
以上で説明した本実施の形態に係る金属積層造形体の洗浄方法によって、複雑な形状を有する内部構造が設けられた金属積層造形体を洗浄することができる金属積層造形体の洗浄方法を提供することができる。
【００３８】
なお、本発明は上記実施の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。
【符号の説明】
【００３９】
１  金属積層造形体
２  残留金属粉末
３  マイクロバブル
【図１】
2019143185.tif 000003
【図２】
2019143185.tif 000004
【図３】
2019143185.tif 000005
【図４】
2019143185.tif 000006
【図５】
2019143185.tif 000007
【図６】
2019143185.tif 000008
【図７】
2019143185.tif 000009
【図８】
2019143185.tif 000010
【図９】
2019143185.tif 000011