(57)【要約】  部品及び金型に適用されるハイブリッド付加製造方法であって、部品及び金型のモールドレス成長製造分野に属する。当該方法は、造形対象ワークの形状、厚さ及びサイズ精度要求に基づいて、造形対象ワークの３Ｄ  ＣＡＤモデルをスライス処理することで複数のスライスデータを取得するステップＳ１と、前記スライスデータに基づいて造形パス計画を立て、造形加工に必要な各スライスのＮＣコードを生成するステップＳ２と、ステップＳ２で取得した各スライスのＮＣコードに基づいて、基板上で粉末材料を１層ずつ積層造形するとともに、圧力加工又はフライス加工を実施するステップであって、前記１層ずつの積層造形では、ＮＣ高速コールドスプレーガンを用いて粉末材料を所定位置にスプレーし、積層造形するステップＳ３と、を含む。当該方法によれば、熱間加工の熱に起因する不具合及びコールドスプレーによる積層造形の欠点が解消される。【選択図】図１
2020514525.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
部品及び金型に適用されるハイブリッド付加製造方法であって、
Ｓ１：造形対象ワークの形状、厚さ及びサイズ精度要求に基づいて、造形対象ワークの３Ｄ  ＣＡＤモデルをスライス処理することで複数のスライスデータを取得し、各スライスデータが、当該スライスの厚さ、形状及びサイズ精度を含むステップと、
Ｓ２：前記スライスデータに基づいて造形パス計画を立て、造形加工に必要な各スライスのＮＣコードを生成するステップと、
Ｓ３：ステップＳ２で取得した各スライスのＮＣコードに基づいて、基板上で粉末材料を１層ずつ積層造形するステップであって、前記１層ずつの積層造形では、ＮＣ高速コールドスプレーガンを用いて粉末材料を所定位置にスプレーし、積層造形するステップと、を含み、
前記ＮＣ高速コールドスプレーガンは動作時に基板のコーティング層表面を移動し、且つ、前記ＮＣ高速コールドスプレーガンの後方には圧力加工成形装置又は／及びフライス成形装置が装着されており、
前記圧力加工成形装置又は／及びフライス成形装置は、加工対象領域に密接するか、いくつかの層数を隔てており、
高速コールドスプレー造形の実施と同時に、圧力加工成形装置又は／及びフライス成形装置は、積層造形の造形性及び造形精度を向上可能となるよう、積層造形後の圧力加工保持成形又は／及び積層造形後のフライス除去成形のためにＮＣ高速コールドスプレーガンに付随して移動可能であることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記ステップＳ３では、ＮＣ高速コールドスプレーガンを用いて粉末材料を所定位置にスプレーし、積層造形することに同期して、粒子の堆積に要する臨界速度が減速するよう、基体とスプレー粒子を加熱することで基体とスプレー粒子を同時に軟化させることを特徴とする請求項１に記載の部品及び金型に適用されるハイブリッド付加製造方法。
【請求項３】
前記ステップＳ３では、ＮＣ高速コールドスプレーガンを用いて粉末材料を所定位置にスプレーし積層造形することに同期して、基体とスプレー粒子を加熱し、
前記スプレー粒子は、金属、金属間化合物、セラミックス、サーメット、セラミックス複合物、及び、組織と成分が段階的に変化可能な傾斜機能材料から選択され、積層造形時に窒素ガスをシールドガスとして使用可能であることを特徴とする請求項２に記載の部品及び金型に適用されるハイブリッド付加製造方法。
【請求項４】
更に、
Ｓ４：造形対象ワークが部品又は金型のサイズ及び表面精度要求を満たしていない場合には、部品又は金型のサイズ及び表面精度要求を満たすまで、１層ずつ積層造形する過程で１層ずつ又は複数層ずつ、フライス、研磨又は艶出し技術を用いて造形対象ワークの仕上げ加工を行うステップ、を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の部品及び金型に適用されるハイブリッド付加製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、部品及び金型のモールドレス成長製造分野に属し、より具体的には、部品及び金型に適用されるハイブリッド付加製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高精密金属部品又は金型のモールドレス熱溶解積層造形法には、主に、ハイパワーレーザ熱溶解積層造形、電子ビームフリー造形（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ−Ｂｅａｍ  Ｆｒｅｅｆｏｒｍ）、プラズマアーク及びアーク熱溶解積層造形等の方法がある。
【０００３】
このうち、ハイパワーレーザ熱溶解積層造形ではハイパワーレーザを用い、基板に送られてきた金属粉末を１層ずつ溶融させ、急速に凝固させることで熱溶解積層造形を実施する。この場合には、最終的にほぼ完成形の部品が得られる。当該方法は造形精度が高く、ワークの密度が選択的レーザ焼結（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  Ｌａｓｅｒ  Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）をはるかに上回る。しかし、造形効率、エネルギー及び材料の利用率に劣り、フル密度に達しにくいほか、設備投資やランニングコストが嵩んでしまう（非特許文献１）。
【０００４】
また、電子ビームフリー造形法では、ハイパワーの電子ビームを用いて粉末材料を溶融する。そして、コンピュータモデルに基づいて電磁場を加え、電子ビームの運動を制御することで、部品全体の造形が完了するまで１層ずつ走査する。当該方法は造形精度が高く、造形品質も良好である。しかし、技術条件に対する要求が厳しく、全ての造形プロセスを真空下で進行せねばならないため、造形サイズが制限されてしまう。また、設備投資とランニングコストが大変嵩む。且つ、選択的焼結と同様に１層ずつ粉末を載せる方式を採用するため、傾斜機能材料部品の造形には適用しにくい（非特許文献２）。
【０００５】
また、プラズマ熱溶解積層造形法では、同期して供給される金属粉末又は線材を、高度に圧縮された集束性に優れるプラズマビームで溶融することで、基板上に金属部品又は金型を１層ずつ熱溶解積層して形成する。当該方法は、上記２つの方法よりも造形効率と材料利用率が高く、フル密度を得やすいほか、設備及びランニングコストを抑えられる。しかし、アーク柱の直径が上記２つに比べて大きいため、造形サイズと表面精度が上記２つの場合には及ばない。よって、ハイパワーレーザ熱溶解積層造形法と同様に、ほとんどの場合には造形完了後に仕上げ加工を行う必要がある（非特許文献３及び非特許文献４）。
【０００６】
ところが、ダイレクト造形した加工困難材料部品は、急速冷却による凝固で表面硬度が増大しているため、加工が非常に難しい。更に、複雑形状部品の場合には、何度もクランプせねばならいことから加工時間が延び、製造サイクル全体の６０％以上を占めることすらある。この点が、高性能ではあるが加工困難な部品を低コスト且つ短フローで成長製造する際のネックとなっている。そこで、プラズマ熱溶解積層造形とフライス加工を組み合わせたモールドレス高速製造法が出現している。これは、プラズマビームを造形の熱源とし、層ごと又はセグメントごとの熱溶解積層造形プロセスにおいて、熱溶解積層造形とＮＣフライス精密加工を交互に実行することで、短フロー且つ低コストのダイレクト精密製造を実現するものである（特許文献１：発明の名称「ダイレクト且つ迅速に金型及び部品を製造する方法及び装置」、非特許文献５）。
【０００７】
上記３つの方法のうち、ハイパワーレーザ熱溶解積層造形法とプラズマアーク造形法は、いずれもサポート材フリー且つモールドレスで、均質或いは複合の傾斜機能材料部品を熱溶解積層造形する方法である。これらの方法は、電子ビーム造形、選択的レーザ光焼結／溶融、及び低融点のシート、樹脂、プラスチック等を用いるＬＯＭ（Ｌａｍｉｎａｔｅｄ  Ｏｂｊｅｃｔ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，薄膜積層法）、ＳＬＡ（Ｓｔｅｒｅｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ，光造形）、ＦＤＭ（Ｆｕｓｅｄ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｍｏｄｅｌｉｎｇ，熱溶解積層製造）、ＳＬＳ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  Ｌａｓｅｒ  Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ，選択的レーザ光焼結）といったサポート材有りのモールドレス積層造形法と比較して、造形時にサポート材を要することからサポート材を着脱せねばならない場合に伴う、材料、技術、デバイス面での多くの不利益を回避可能である。よって、製造時間が短縮され、コストが抑えられる。また、傾斜機能材料部品を造形可能である。しかし、サポート材フリーであることから、カンチレバーを有する複雑形状部品の造形プロセスでは、重力の作用によって溶融材料に落下や流動といった現象が生じる場合があり、熱溶解積層造形が困難である。プラズマ熱溶解積層とフライスを組み合わせた製造法の場合には、１層ずつ造形及びフライス仕上げすることで加工の複雑さは低下する。しかし、側面に大きな傾斜角を有するもの、特に、横方向に張り出し部分を有する複雑形状部品については、積層造形時に重力に伴い発生する流動、更には崩壊を回避することができない。そのため、横方向への成長・造形が困難である。
【０００８】
そこで、米国ミシガン大学、南メソジスト大学、シンガポール国立大学等の海外研究機関は、研究の結果、サポート条件が最も多い方向を部品の主造形方向として選択する方向変換スライス技術を採用したり、複雑形状部品をいくつかの簡単形状部材に分解して順に造形したり、５軸のモールドレス造形加工デバイス及びソフトウエアを開発し、溶融造形材料をできるだけサポート材有り条件下に置くようにしたりしている（非特許文献６、非特許文献７、非特許文献８）。
【０００９】
５軸加工技術を用いる場合には、成長・造形のサポート条件を顕著に改善可能であり、材料の落下が回避される。しかし、複雑且つ精密なものや、薄壁形状の部品については、ガスシールドプラズマアーク／アーク、真空保護下の電子ビーム、スラグ保護下のエレクトロスラグ溶接、及びサブマージアーク溶接等を熱源とした熱溶解積層造形を用いれば効率が上がり、コストダウンが可能なものの、これらの熱源では薄壁や精密形状の造形が難しい。つまり、造形精度や薄壁レベルに関しては、ハイパワーレーザ熱溶解積層造形法には及ばない（非特許文献９）。よって、レーザ光造形よりも精密且つ薄壁の部品を得ることは困難である。
【００１０】
このほか、航空・宇宙、エネルギー・動力等の業界では、部品の組織性能及び安定性に対する要求が大変高い。従来のモールドレス付加製造法の場合には、急速加熱、急速凝固及び自由成長との造形特徴から、付加造形の過程で亀裂や気孔等を回避困難であり、組織性能や安定性に関する要求を満たすことができない。以上の諸問題は、熱溶解積層によるダイレクト付加造形技術の更なる発展可否を制約するものであり、産業応用の実現にあたり迅速に解決を要する中心的な技術的課題且つボトルネックとなっている。よって、製造精度を効果的に向上可能であり、且つ、造形性及び部品の組織性能を改善可能とする新たな方法の開発が求められている。
【００１１】
要するに、上記技術による付加製造は、実質的には熱源を通じて高い熱量を入力し、金属を溶融鋳造して造形する「熱間成形加工プロセス」である。しかし、鋳造及び溶接の過程で存在する欠点、例えば、気孔、孔収縮、未溶融、スラグ、及び、希釈、酸化、分解、相転移、変形、亀裂、流動、崩壊といった熱要因の不具合を完全に回避することは難しい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】中国特許出願公開第００１３１２８８号明細書
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】Ａ．Ｊ．Ｐｉｎｋｋｅｒｔｏｎ，Ｌ．Ｌｉ，Ｅｆｆｅｃｔｓ  ｏｆ  Ｇｅｏｍｅｔｒｙ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｉｎ  Ｃｏａｘｉａｌ  Ｌａｓｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｏｆ  ３１６Ｌ  Ｓｔｅｅｌ  ｆｏｒ  Ｒａｐｉｄ  Ｐｒｏｔｙｐｉｎｇ，Ａｎｎａｌｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ＣＩＲＰ，Ｖｏｌ．５２，１（２００３），ｐ１８１〜１８４
【非特許文献２】Ｍａｔｚ  Ｊ．Ｅ．，Ｅａｇａｒ  Ｔ．Ｗ．Ｃａｒｂｉｄｅ  ｆｏｒｍａｔｉｏｎ  ｉｎ  Ａｌｌｏｙ  ７１８  ｄｕｒｉｎｇ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｂｅａｍ  ｓｏｌｉｄ  ｆｒｅｅｆｏｒｍ  ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ．Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ  ａｎｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  Ａ：Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ  ａｎｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｓｃｉｅｎｃｅ，２００２，ｖ３３（８）：ｐ２５５９〜２５６７
【非特許文献３】Ｈａｉｏｕ  Ｚｈａｎｇ，Ｊｉｐｅｎｇ  Ｘｕ，Ｇｕｉｌａｎ  Ｗａｎｇ，Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ  Ｓｔｕｄｙ  ｏｎ  Ｐｌａｓｍａ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，Ｓｕｒｆａｃｅ  ａｎｄ  Ｃｏａｔｉｎｇ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｖ．１７１（１−３），２００３，ｐｐ．１１２〜１１８
【非特許文献４】張海鴎，呉紅軍，王桂蘭，陳競、プラズマ熱溶解積層法による高温合金部材組織構造のダイレクト造形に関する研究、華中科技大学学報（自然科学版）、ｖ３３，ｎ１１，２００５，ｐ５４〜５６
【非特許文献５】張海鴎，熊新紅，王桂蘭、プラズマ熱溶解積層／フライスを組み合わせた耐熱合金二重螺旋統合インペラのダイレクト製造、中国機械工程、２００７，Ｖｏｌ１８，Ｎｏ．１４：Ｐ１７２３〜１７２５
【非特許文献６】Ｐ．Ｓｉｎｇｈ，Ｄ．Ｄｕｔｔａ，Ｍｕｌｔｉ−ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ  ｓｌｉｃｉｎｇ  ｆｏｒ  ｌａｙｅｒｅｄ  ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ  ａｎｄ  Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００１，２，ｐｐ：１２９〜１４２
【非特許文献７】Ｊｉａｎｚｈｏｎｇ  Ｒｕａｎ，Ｔｏｄｄ  Ｅ．Ｓｐａｒｋｓ，Ａｊａｙ  Ｐａｎａｃｋａｌ  など．Ａｕｔｏｍａｔｅｄ  Ｓｌｉｃｉｎｇ  ｆｏｒ  ａ  Ｍｕｌｔｉａｘｉｓ  Ｍｅｔａｌ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ．Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．ＡＰＲＩＬ  ２００７，Ｖｏｌ．１２９．ｐｐ：３０３〜３１０
【非特許文献８】Ｒ．Ｄｗｉｖｅｄｉ，Ｒ．Ｋｏｖａｃｅｖｉｃ，Ａｎ  ｅｘｐｅｒｔ  ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｍａｃｈｉｎｅ  ｉｎｐｕｔｓ  ｆｏｒ  ｌａｓｅｒ−ｂａｓｅｄ  ｍｕｌｔｉ−ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ  ｍｅｔａｌ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍａｃｈｉｎｅ  Ｔｏｏｌｓ  ＆  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ，４６（２００６），ｐｐ：１８１１〜１８２２
【非特許文献９】Ａｌｍｅｉｄａ  ＰＭＳ，Ｗｉｌｌｉａｍｓ  Ｓ，Ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ  ｐｒｏｃｅｓｓ  ｍｏｄｅｌ  ｏｆ  Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ  ａｄｄｉｔｉｖｅ  ｌａｙｅｒ  ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ  ｕｓｉｎｇ  ｃｏｌｄ  ｍｅｔａｌ  ｔｒａｎｓｆｅｒ（ＣＭＴ）［Ｃ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ２１ｔｈ  Ａｎｎｕａｌ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｏｌｉｄ  Ｆｒｅｅｆｏｒｍ  Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ，Ａｕｓｔｉｎ，Ｔｅｘａｓ，ＵＳＡ，２０１０：２５〜２６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
従来技術における上記の欠点又は改良ニーズに対し、本発明は、高速コールドスプレーとフライス又は圧力加工成形技術を巧みに組み合わせることで、従来技術の部品及び金型のモールドレス成長製造方法における熱間成形加工を用いるために存在する欠点を解消するとともに、高速コールドスプレーを単体で用いる場合の積層造形の欠点を解消する部品及び金型に適用されるハイブリッド付加造形加工方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の目的を実現するために、本発明は、部品及び金型に適用されるハイブリッド付加製造方法を提供する。当該方法は、Ｓ１：造形対象ワークの形状、厚さ及びサイズ精度要求に基づいて、造形対象ワークの３Ｄ  ＣＡＤモデルをスライス処理することで複数のスライスデータを取得し、各スライスデータが、当該スライスの厚さ、形状及びサイズ精度を含むステップと、Ｓ２：前記スライスデータに基づいて造形パス計画を立て、造形加工に必要な各スライスのＮＣコードを生成するステップと、Ｓ３：ステップＳ２で取得した各スライスのＮＣコードに基づいて、基板上で粉末材料を１層ずつ積層造形するステップであって、前記１層ずつの積層造形では、ＮＣ高速コールドスプレーガンを用いて粉末材料を所定位置にスプレーし、積層造形するステップと、を含み、前記ＮＣ高速コールドスプレーガンは動作時に基板のコーティング層表面を移動し、且つ、前記ＮＣ高速コールドスプレーガンの後方には圧力加工成形装置又は／及びフライス成形装置が装着されており、前記圧力加工成形装置又は／及びフライス成形装置は、加工対象領域に密接するか、いくつかの層数を隔てており（いくつかの層とは、１層、２層、３層又は実際の工程要求に応じたその他の層数）、高速コールドスプレー造形の実施と同時に、フライス成形装置又は圧力加工成形装置は、積層造形の造形性及び造形精度を向上可能となるよう、積層造形直後のフライス除去成形又は／及び積層造形直後の圧力加工保持成形のためにＮＣ高速コールドスプレーガンに付随して移動可能である。
【００１６】
上記の発明思想において、前記圧力加工成形装置又は／及びフライス成形装置は、加工対象領域に密接するか、いくつかの層数を隔てており、圧力加工成形装置又は／及びフライス成形装置は、加工対象領域に密接する場合、１層ずつ積層造形を行った直後に、現在の積層造形層を圧力加工又はフライス加工可能である。また、圧力加工成形装置又は／及びフライス成形装置は、加工対象領域といくつかの層数を隔てている場合、現在の造形層の前の造形層を加工可能である。即ち、１層、２層、３層又はその他の数を隔てて加工する。
【００１７】
上記の発明思想において、高速コールドスプレーによる付加造形と組み合わされるフライス又は圧力加工成形装置は、高速コールドスプレーガン、ＮＣ加工ヘッド又はロボットアームに固定可能であり、基体の造形層表面において、高速コールドスプレーガンとともに、或いは、ＮＣ高速コールドスプレーガンと一定の距離だけ離間して移動し、フライス除去成形又は圧力加工保持成形を実施する。
【００１８】
上記の発明思想において、部品又は金型のサイズ及び表面精度、品質要求を満たすまで、１層ずつ又は複数層ずつ、高速コールドスプレーによる付加造形をフライス成形又は圧力加工成形と組み合わせて実施するか別々に実施する。
【００１９】
上記の発明思想では、高速コールドスプレーによるサポート材フリー且つモールドレス成形過程において、スプレーコーティング層の後方に装着されたフライス成形又は圧力加工成形ツールによって、コーティング層領域の材料を圧力加工することで加圧変形を生じさせる。加圧成形により圧縮歪み及び圧縮応力が生じた状態では、亀裂が回避されるとともに、残留応力が軽減又は消去され、組織性能が改善される。また、成形体上面の錐形及び側面の階段現象を効果的に減少させられるため、造形精度と表面品質が向上する。これにより、フライス加工が少量のみで済むか不要となり、研磨又は艶出し加工のみで部品のサイズ及び表面精度要求を達成可能となる。
【００２０】
更に、前記ステップＳ３では、ＮＣ高速コールドスプレーガンを用いて粉末材料を所定位置にスプレーし、積層造形することに同期して、粒子の堆積に要する臨界速度が減速するよう、基体とスプレー粒子を加熱することで基体とスプレー粒子を同時に軟化させる。
【００２１】
更に、前記ステップＳ３では、ＮＣ高速コールドスプレーガンを用いて粉末材料を所定位置にスプレーし積層造形することに同期して、基体とスプレー粒子を加熱することで基体とスプレー粒子を同時に軟化させ、前記スプレー粒子は、金属、金属間化合物、セラミックス、サーメット、セラミックス複合物、及び、組織と成分が段階的に変化可能な傾斜機能材料から選択され、積層造形時に窒素ガスをシールドガスとして使用可能である。
【００２２】
更に、Ｓ４：造形対象ワークが部品又は金型のサイズ及び表面精度要求を満たしていない場合には、部品又は金型のサイズ及び表面精度要求を満たすまで、積層造形する過程で１層ずつ又は複数層ずつ、フライス、研磨又は艶出し技術を用いて造形対象ワークの仕上げ加工を行うステップ、を含む。本ステップでは、造形効率と造形精度を向上するために、複数の高速コールドスプレーガン、及び、これに組み合わされるフライス又は圧力加工成形装置を装着し、ハイブリッド付加造形を実施すればよい。
【発明の効果】
【００２３】
総括すると、本発明が構想する上記の技術方案は、従来技術と比較して以下の有益な効果が得られる。
【００２４】
本発明では、高速コールドスプレーが低熱量を入力する「冷間加工プロセス」であるとの点を維持しているため、溶射やレーザ光、電子ビーム、アーク等の熱溶解積層による「熱間成形加工」プロセスで発生する熱要因の不具合を効果的に回避可能である。本発明を用いれば、金属、金属間化合物、サーメット、セラミックス、及び複合傾斜機能材料の部品又は金型を、高品質、高速、低コストで取得可能となる。
【００２５】
本発明の方法は、実際の工程における課題を解決可能である。本発明の方法で製造される部品又は金型には、気孔、孔収縮、未溶融、スラグ、希釈、酸化、分解、相転移、変形、亀裂、流動、崩壊等の熱に起因する不都合が存在せず、組織の力学性能に劣るとの問題も存在しない。また、硬質材料にも適用されるため、スプレー材料の範囲が広がる。更に、本発明の方法によれば、コールドスプレーされたコーティング層の表面が錐状となって堆積速度が線形に低下するとの事態や、設備及びランニングコストが高騰するとの課題が解消される。
【００２６】
更に、本発明は、部品又は金型表面の修復又は強化に適用可能なことから、従来の方法では、修復又は強化の完了後に、急激に硬化した修復及び強化層を仕上げ加工することが非常に困難であるとの技術的ネックが解消される。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】図１は、本発明の実施例における部品及び金型のハイブリッド付加製造方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明の目的、技術方案及び利点をより明確にすべく、以下に、図面と実施例を組み合わせて本発明につき更に詳細に説明する。なお、ここで記載する具体的実施例は本発明を説明するためのものにすぎず、本発明を限定するものではない。また、以下で記載する本発明の各実施形態で言及する技術的特徴は、互いに矛盾しない限り組み合わせが可能である。
【００２９】
本発明の方法は、高速コールドスプレー技術と、フライス加工成形又は圧力加工成形技術を巧みに組み合わせる。これによれば、高速コールドスプレーの利点を十分に活用可能なことから、製造される製品に熱間加工成形に伴う欠点が存在せず、且つ、高速コールドスプレー技術に伴う欠点も存在しない。
【００３０】
本発明の方法の利点をより詳細に説明するために、以下に、高速コールドスプレー技術について詳細に説明する。
【００３１】
高速コールドスプレー技術は、新たなコーティング層製造方法であり、付加製造に応用されている。当該技術では、粒子を伴った高圧ガスをラバール・ノズルに通過させることで超音速固気二相流とする。粒子は完全な固体状態で基板に衝突し、激しい塑性変形を生じてコーティング層を堆積形成する。これは、低熱量を入力する「冷間成形加工プロセス」であるため、上述した「熱間成形加工プロセス」で発生する熱要因の不具合を効果的に回避可能である。
【００３２】
しかし、コールドスプレー技術は、単に高速で飛翔する粒子を基体に衝突させ、激しい塑性変形を生じさせて結合するものである。そのため、粒子の堆積に要する臨界速度が高速となり、多くはスプレー塑性に優れた材料に適している。近年、堆積メカニズムの研究が進むに伴い、コールドスプレーの応用範囲は拡大を続けているが、スプレー可能材料の範囲については、溶射（Ｔｈｅｒｍａｌ  ｓｐｒａｙｉｎｇ）やレーザクラッディングに比べるとまだまだ狭い。また、硬質材料に対しては、コールドスプレーでは効果的な堆積を実現しにくく、且つ、密度、可塑性、靱性が不足してしまう。更に、スプレーを続けているうちにコーティング層の表面が錐状となってサイズや表面精度が低下するほか、堆積速度が線形に低下してしまう。そこで、高強度材料のコーティング層を形成するために、コールドスプレー技術では、ヘリウムガスを使用することでスプレー粒子を効果的な結合に要する高衝突速度に到達させる必要がある。しかし、ここで使用するヘリウムガスのコストは窒素ガス使用時のコストの８０倍超にもなる。また、可塑性に優れ、且つ窒素ガスによるスプレーが可能な材料の場合でも、粒子速度を加速するためにはハイパワーのガス加熱器でガスを加熱せねばならない。しかし、これにより設備及びランニングコストの双方が増加してしまう。そのため、コールドスプレー技術単体では、経済面及び応用範囲の双方において、その他の表面コーティング層技術に対する競争優位性が十分明確とはいえない。
【００３３】
そこで、本発明では、高速コールドスプレー過程に圧力加工又はフライス加工技術を導入することで、高速コールドスプレーの欠点を解消するとともに、製品の最終的な精度と性能を保証する。
【００３４】
以下に、具体的実施例を組み合わせて、本発明の方法を部品及び金型の製造に応用する場合について説明する。
【実施例１】
【００３５】
鉄−ニッケル−クロム合金部品の使用性能要求に基づき、鉄−ニッケル−クロム合金粉末を用いて高速コールドスプレー造形を実施する。
【００３６】
基板上で、部品の３Ｄ  ＣＡＤモデルから取得したデジタル化付加造形加工パスに従って、高速コールドスプレーガンを造形基体上で移動させることにより金属積層造形を実施する。
【００３７】
造形プロセスでは、高速コールドスプレーガンの後方に固定された小型のローラーがガンとともに運動することで、高速コールドスプレー造形と、連続冷間鍛造ロールプレス成形加工が同期して実施される。サイズ及び表面精度要求を満たしていない場合には、上記の同期成形加工プロセスにおいて、１層ずつ或いは数層ずつ表面仕上げ加工を実施する必要がある。そのため、同期成形加工パスに組み合わされる研磨、艶出しパスの規則に従って、同期成形加工プロセスにおいて、１層ずつ或いは数層ずつ、研磨、艶出し仕上げ加工を組み合わせて実施する。
【００３８】
当該仕上げ加工プロセスは、金型のキャビティ成形加工が終了し、サイズ及び表面精度要求を満たすまで、同期成形加工プロセスと交互に実施される。高硬度合金粉末材料の造形の場合には、高周波誘導加熱装置を用いて粉末造形領域を同時に加熱し、基体を軟化させることで、造形性及びコーティング性能を向上させればよい。
【実施例２】
【００３９】
耐熱合金部品の使用性能要求に基づき、耐熱合金粉末を用いて高速コールドスプレー造形を実施する。
【００４０】
基板上で、部品の３Ｄ  ＣＡＤモデルから取得したデジタル化付加造形加工パスに従って、高速コールドスプレーガンを造形基体上で移動させることにより金属積層造形を実施する。
【００４１】
造形プロセスでは、高速コールドスプレーガンの後方に固定されたスピニング成形装置がガンとともに運動することで、高速コールドスプレー造形と、スピニング成形加工が同期して実施される。サイズ及び表面精度要求を満たしていない場合には、上記の同期成形加工プロセスにおいて、１層ずつ或いは数層ずつ表面仕上げ加工を実施する必要がある。そのため、同期成形加工パスに組み合わされる研磨、艶出しパスの規則に従って、同期成形加工プロセスにおいて、１層ずつ或いは数層ずつ、研磨、艶出し仕上げ加工を組み合わせて実施する。
【００４２】
当該仕上げ加工プロセスは、金型のキャビティ成形加工が終了し、サイズ及び表面精度要求を満たすまで、同期成形加工プロセスと交互に実施される。
【実施例３】
【００４３】
アルミ合金部品の使用性能要求に基づき、アルミ合金粉末を用いて高速コールドスプレー造形を実施する。
【００４４】
基板上で、部品の３Ｄ  ＣＡＤモデルから取得したデジタル化付加造形加工パスに従って、高速コールドスプレーガンを造形基体上で移動させることにより金属積層造形を実施する。
【００４５】
造形プロセスでは、高速コールドスプレーガンの後方に固定されたフライス、レーザ又は放電フライス加工装置がガンとともに運動することで、高速コールドスプレー造形と、フライス除去成形加工が同期して実施される。サイズ及び表面精度要求を満たしていない場合には、上記の同期成形加工プロセスにおいて、１層ずつ或いは数層ずつ表面仕上げ加工を実施する必要がある。そのため、同期成形加工パスに組み合わされる研磨、艶出しパスの規則に従って、同期成形加工プロセスにおいて、１層ずつ或いは数層ずつ、研磨、艶出し仕上げ加工を組み合わせて実施する。
【００４６】
当該仕上げ加工プロセスは、金型のキャビティ成形加工が終了し、サイズ及び表面精度要求を満たすまで、同期成形加工プロセスと交互に実施される。
【実施例４】
【００４７】
セラミックス部品の使用性能要求に基づき、セラミックス粉末を用いて高速コールドスプレー造形を実施する。
【００４８】
基板上で、部品の３Ｄ  ＣＡＤモデルから取得したデジタル化付加造形加工パスに従って、高速コールドスプレーガンを造形基体上で移動させることにより積層造形を実施する。
【００４９】
造形プロセスでは、高速コールドスプレーガンの後方に固定された圧力加工装置がガンとともに運動することで、高速コールドスプレー造形と、保持成形加工が同期して実施される。サイズ及び表面精度要求を満たしていない場合には、上記の同期成形加工プロセスにおいて、１層ずつ或いは数層ずつ表面仕上げ加工を実施する必要がある。そのため、同期成形加工パスに組み合わされる研磨、艶出しパスの規則に従って、同期成形加工プロセスにおいて、１層ずつ或いは数層ずつ、研磨、艶出し仕上げ加工を組み合わせて実施する。
【００５０】
当該仕上げ加工プロセスは、部品の成形加工が終了し、サイズ及び表面精度要求を満たすまで、同期成形加工プロセスと交互に実施される。高硬度で脆性のセラミック粉末材料の造形の場合には、レーザビームを用いて粉末造形領域を同時に加熱し、基体を軟化させることで、造形性及びコーティング性能を向上させればよい。
【実施例５】
【００５１】
金属・セラミックス傾斜複合部品の使用性能要求に基づいて、傾斜機能材料粉末フィーダと加速装置を用いて傾斜複合材料の高速コールドスプレー造形を実施する。
【００５２】
基板上で、部品の３Ｄ  ＣＡＤモデルから取得したデジタル化付加造形加工パスに従って、高速コールドスプレーガンを造形基体上で移動させることにより積層造形を実施する。
【００５３】
造形プロセスでは、高速コールドスプレーガンの後方に固定された圧力加工装置がガンとともに運動することで、高速コールドスプレー造形と、保持成形加工が同期して実施される。サイズ及び表面精度要求を満たしていない場合には、上記の同期成形加工プロセスにおいて、１層ずつ或いは数層ずつ表面を加工する必要がある。そのため、同期成形加工パスに組み合わされる表面レーザフライス削り、研磨、艶出しパスの規則に従って、同期成形加工プロセスにおいて、１層ずつ或いは数層ずつ表面仕上げ加工を組み合わせて実施する。
【００５４】
当該仕上げ加工プロセスは、部品の成形加工が終了し、サイズ及び表面精度要求を満たすまで、同期成形加工プロセスと交互に実施される。高硬度で脆性のセラミック粉末材料の造形の場合には、レーザビームを用いて粉末造形領域を同時に加熱し、基体を軟化させることで、造形性及びコーティング性能を向上させればよい。
【００５５】
本発明は、部品及び金型のハイブリッド付加造形加工方法を提供する。当該方法によれば、従来の部品及び金型のモールドレス成長製造方法における欠点を効果的に解決可能である。例えば、金属を溶融積層する「熱間成形加工」に存在する気孔、孔収縮、未溶融、スラグ、及び、希釈、酸化、分解、相転移、変形、亀裂、落下、流動、崩壊といった熱要因の不具合を解決可能である。これに対し、例えば、高速コールドスプレー単体で積層造形されるスプレーコーティング層は、精密度、可塑性、靱性等の組織の力学性能に劣る、硬質材料について効果的な堆積を実現することが難しいためスプレー材料の範囲が狭い、スプレーを続けているうちにコーティング層の表面が錐状となって堆積速度が線形に低下する、表面及びサイズの精度に劣る、装置及びランニングコストが嵩む、との問題が存在する。
【００５６】
当業者であれば容易に理解可能なように、上記は本発明の好ましい実施例にすぎず、本発明を制限するものではない。本発明の精神と原則の範囲内で実施されるあらゆる修正、等価の置き換え及び改良等は、いずれも本発明による保護の範囲に含まれる。
【図１】
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【国際調査報告】
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