特許 7490118 支持構造材の除去方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-05-16

(45)【発行日】2024-05-24

(54)【発明の名称】支持構造材の除去方法

(51)【国際特許分類】

   B24B 31/00 20060101AFI20240517BHJP

   B24C 1/00 20060101ALI20240517BHJP

   B24B 57/02 20060101ALI20240517BHJP

【ＦＩ】

B24B31/00 C

B24C1/00 B

B24B57/02

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2023100630

(22)【出願日】2023-06-20

【審査請求日】2023-11-29

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000132161

【氏名又は名称】株式会社スギノマシン

(74)【代理人】

【識別番号】110000165

【氏名又は名称】弁理士法人グローバル・アイピー東京

(72)【発明者】

【氏名】ガルシア イグナシオ

(72)【発明者】

【氏名】松井 大貴

【審査官】須中 栄治

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２２－０４２３３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１９－５３０６０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－１５７４７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－０９３３８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０２２－５５３９７６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２４Ｂ３／００－３／６０

Ｂ２４Ｂ２１／００－３９／０６

Ｂ２４Ｂ５３／００－５７／０４

Ｂ２４Ｃ１／００－１１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

処理液中に研磨材を懸濁させ、
付加製造された支持面を有するワークであって、前記ワークを造形プラットフォームに固定するための支持構造材を前記支持面に有するワークから、前記支持構造材を切断面に沿って切断し、
前記支持構造材の残りが前記支持面に付着した前記ワークを、前記研磨材が懸濁した前記処理液中に設置し、
前記処理液のキャビテーション噴流を噴射するノズルを前記処理液中に沈め、
前記ノズルから噴射される前記キャビテーション噴流の噴射軸線と前記支持面との角度が１０度～２０度となるように、前記処理液中に沈めた前記ノズルが、前記キャビテーション噴流を前記ワークに噴射して、前記ワークに付着した前記支持構造材の残りを除去する、
支持構造材の除去方法。

【請求項2】

前記ノズルは、垂直下向きから水平横向きまでの方向に前記処理液を噴射する、
請求項１に記載の支持構造材の除去方法。

【請求項3】

前記ワークの表面に、圧縮残留応力が付与される、
請求項１又は２に記載の支持構造材の除去方法。

【請求項4】

前記ワークは、網目構造を有する、
請求項１又は２に記載の支持構造材の除去方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、支持構造材の除去方法に関する。

【背景技術】

【0002】

付加製造によって製造された金属材料は、付加製造を行う際に必要となる、造形プラットフォームに支持するための支持構造材を含む。この支持構造材は、主として、手作業や、切削加工により取り外されている。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

金属材料から支持構造材を除去するには、熟練した技能が必要である。支持構造材の除去工程は、品質の安全と生産自動化が課題である。
本発明は、ワークからの支持構造材の除去を簡便に行い、容易に自動化することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0004】

本発明の第１の観点は、
処理液中に研磨材を懸濁させ、
ワークを造形プラットフォームに固定するための支持構造材を有する支持面を含み、付加製造されたワークを、前記処理液中の研磨材が懸濁した領域に設置し、
前記処理液中に沈めたノズルが、前記処理液のキャビテーション噴流を前記ワークに噴射して、前記ワークに付着する前記支持構造材を除去する、
支持構造材の除去方法である。

【0005】

支持構造材の構造は、例えば、ブロックサポート（Ｂｌｏｃｋ Ｓｕｐｐｏｒｔ）、アダプティブセルサポート（Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｃｅｌｌ Ｓｕｐｐｏｒｔ）、ロッドサポート（Ｒｏｄ Ｓｕｐｐｏｒｔ）、ラインサポート（Ｌｉｎｅ Ｓｕｐｐｏｒｔ）、ツリーサポート（Ｔｒｅｅ Ｓｕｐｐｏｒｔ）である。

【0006】

付加製造されるときに、ワークは、造形プラットフォームから、支持構造材によって支持されて造形される。ワークは、造形プラットフォームから支持構造材を切断して切り離される。支持面は、例えば、ワーク表面のうち、支持構造材と付着していた部分である。支持面には、支持構造材の先端部が付着する。支持構造材の先端部は、支持面に残留する。例えば、支持構造材は、ワークの支持面からわずかに残留する。ここで、わずかとは、例えば、０．３～１ｍｍ（両端含む）程度の高さである。

【0007】

ノズルと支持面との角度は、１０度～２０度であって良い。
処理液は、例えば水である。処理液は、防錆剤を含んでも良い。
研磨材は、研磨粒子である。研磨材は、例えば、セラミックスである。研磨材は、例えば、アルミナ、ガーネット、ジルコニアである。
支持構造材の除去と同時に、支持面が平滑化される。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、ワークからの支持構造材の除去を簡便に行い、容易に自動化できる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本実施形態のワークの支持構造材の除去方法を示すフローチャート

【図2】本実施形態の造形プラットフォーム上に形成されたワークの模式図

【図3】本実施形態の造形プラットフォームから切り離されたワークの模式図

【図4】本実施形態のワークの支持構造材除去装置

【図5】実施例１の支持構造材の除去前後のワークの写真

【図6】実施例２の支持構造材の除去前後のワークの写真

【発明を実施するための形態】

【0010】

図１に示すように、本実施形態のワークの支持構造材除去方法は、ワーク３を付加製造し（ステップＳ１）、ワーク３の支持構造材３ｂを切断し（ステップＳ２）、ワーク３及びノズル１５を研磨材２を含む処理液１内に浸漬し（ステップＳ３）、キャビテーション噴流処理を行う（ステップＳ４）、方法である。

【0011】

ステップＳ１において、付加製造は、例えば、３Ｄプリントによって行われる。３Ｄプリントは、例えば、粉末床溶融結合（ＰＢＦ：Ｐｏｗｄｅｒ Ｂｅｄ Ｆｕｓｉｏｎ）である。付加製造されたワーク３は、引張残留応力を有する。図２に示すように、付加製造されるワーク３は、造形プラットフォーム３ｃに多数の支持構造材３ｂによって支持される。

【0012】

ステップＳ２において、切断面９で支持構造材３ｂを切断して、ワーク３が造形プラットフォーム３ｃから分離する。好ましくは、切断面９は、ワーク３の近傍である。支持構造材３ｂの先端部が接続している面が、支持面３ａである。支持面３ａは、曲面であっても良い。
図３に示すように、支持構造材３ｂの一部３ｂ１は、支持面３ａに付着している。支持構造材３ｂの長さは、ワーク３の形状や製造時の造形プラットフォームに造形された姿勢によって異なる。ワーク３に付着している支持構造材３ｂ１の長さ３ｂ２は、例えば、０．３ｍｍ～１００ｍｍである。好ましくは、支持構造材３ｂ１の長さ３ｂ２は、０．３～２０ｍｍ、より好ましくは０．３ｍｍ～０．５ｍｍである。
なお、支持構造材３ｂは、角柱状でも良い。支持構造材３ｂは、ブロックサポートや、アダプティブセルサポートや、ラインサポートや、ツリーサポートでも良い。

【0013】

次に、ワーク３の支持構造材除去装置１０について述べる。図４に示すように、支持構造材除去装置１０は、処理槽１１と、高圧処理液源１３と、ノズル１５と、移動装置１６と、圧力計１７と、攪拌液源１８と、攪拌ブロック１９と、攪拌ノズル２０と、を含む。

【0014】

処理槽１１は、上方に開口する。処理槽１１は、処理液１と、研磨材２を貯留する。高圧処理液源１３は、例えばピストンポンプである。高圧処理液源１３は、処理液１を加圧し、ノズル１５に供給する。

【0015】

移動装置１６は、例えば、垂直多関節ロボット、水平多関節ロボット、直交軸ロボット、パラレルリンクロボット等のロボットである。移動装置１６は、コラムトラバース方式のマシニングセンターの主軸頭移動装置であっても良い。

【0016】

ノズル１５は、移動装置１６に配置され、移動装置１６によって移動する。ノズル１５は、処理槽１１に貯留された処理液１内に浸漬される。ノズル１５は、噴射軸線１５ａに沿って、処理液１を噴射する。例えば、噴射軸線１５ａは、水平から鉛直下向き（図４では鉛直下向き）に延びる。好ましくは、ノズル１５は、処理液１と噴流６との間に渦が発生して、キャビティの発生が促進する構造を有する。
圧力計１７は、高圧処理液源１３からの吐出圧力を検出する。

【0017】

攪拌液源１８は、例えば、遠心ポンプ、ダイアフラムポンプである。攪拌ブロック１９は、処理槽１１の底部に配置される。攪拌ブロック１９は、攪拌液源１８と接続する。攪拌ブロック１９は、攪拌ノズル２０を有する。

【0018】

ステップＳ３において、ワーク３は、処理槽１１に貯留された処理液１内に浸漬する。支持面３ａは、ノズル１５に向いて（図４では鉛直からやや上向き）設置される。支持面３ａは、例えば、鉛直に配置されても良い。支持面３ａは、鉛直から傾斜しても良い。噴射軸線１５ａと、支持面３ａとの角度４は、例えば、０度～９０度であり、特に好ましくは、１０度～２０度である。噴射軸線１５ａに対して支持面３ａが傾斜又は平行に配置されることは、支持構造材３ｂ１の除去を促進する。支持構造材がブロックサポートや、アダプティブセルサポートのような、強度の高い支持構造材の場合であっても、角度４を１０度～２０度とすれば、支持構造材を効果的に除去できる。

【0019】

ステップＳ４において、攪拌ノズル２０は、処理液１を処理槽１１内に噴射し、研磨材２を攪拌する。研磨材２は、処理槽１１を浮遊し、混濁液５となる。ワーク３は、混濁液５の中にある。ノズル１５は、処理液１中に浸漬されて、処理液１を噴射する。ノズル１５の噴流６は、研磨材２を巻き込んで、支持面３ａに衝突する。そして、矢印７に示すように、支持面３ａに沿って噴流６が流れる。このとき、研磨材２も矢印７の方向に流れる。そして、支持構造材３ｂ１が除去される。また、支持面３ａが平滑化される。研磨材２が支持構造材３ｂ１の近傍を流れるため、支持構造材３ｂの削除が促進される。
なお、支持構造材３ｂ１の高さ３ｂ２が高いときは、噴流６は、支持構造材３ｂ１の根元（支持構造材３ｂ１とワーク３との境界部）付近に衝突する。このとき、研磨材２を伴う噴流６は、支持構造材３ｂ１を根元付近から折る。さらに研磨材２を伴う噴流６が支持面３ａに残った支持構造材３ｂ１を削り落とす。
ノズル１５から噴出された噴流６は、キャビティの発生を促進する。キャビティは、流体の流れの中で圧力差により短時間に発生し、消滅する微細気泡である。キャビティは、噴流６に乗って支持面３ａの周囲に導入される。キャビティの消滅時に局所的に流体が勢いよく流れて支持面３ａの表面に衝突し、ピーニング処理される。支持面３ａにキャビテーション噴流を衝突させることによるピーニング処理（以下、キャビテーションピーニング）を行うと、支持面３ａの表面に残留圧縮応力が与えられる。

【0020】

ワーク３に付随する支持構造材３ｂ１は、除去される必要がある。本発明によれば、ワーク３に付随する支持構造材３ｂ１を効果的に除去できる。
また、付加製造されたワーク３の表面には、溶融が不完全な領域が存在する場合がある。本発明によれば、ワーク３の表面を研削して、支持面３ａに残存する溶融不完全領域を除去できる。
本実施形態の支持構造材の除去方法によれば、ワーク３が網目状であっても、支持構造材を効果的に除去できる。また、ワーク３の内部に配置される支持構造材も効果的に除去できる。

【0021】

付加製造されたワークは、引張圧縮応力を有する。付加製造されたワークの疲労強度の向上が望まれる場合がある。本発明によれば、付加製造されたワークの表面に圧縮残留応力を付与するため、疲労強度が向上する。

【実施例1】

【0022】

図５を参照して、パウダーベッド方式による積層造形によりＴｉ－６Ａｌ－４Ｖ合金のワーク１０３を製造した。ワーク１０３は、平板状の支持面１０３ａを有する。支持構造材１０３ｂ１は、ブロックサポートである。ワーク１０３は、支持面１０３ａから２ｍｍの高さで支持構造材３ｂを切断した。ワーク１０３に付着する支持構造材１０３ｂ１は、支持面１０３ａの一面に均一に配置される。
噴射条件：
処理液：水
研磨材：アルミナ＃１５０ （平均粒径７０～１００μｍ）
研磨材量：処理液に対して３０重量％
ワーク浸漬深さＤ２：３００ｍｍ（図４参照）
角度４：２０度
ノズル径：０．５ｍｍ
噴射圧力：１３０ＭＰａ
送り速度：０．３ｍｍ／ｓ
ノズルオフセット量Ｄ１：５０ｍｍ（図４参照）
ノズル移動経路：間隔２７を開けた複数の平行線上を折り返しながら走査する経路２５（図５の上図参照）
間隔２７：４ｍｍ
通過回数：７回

【0023】

液中噴射前後のワーク３の表面を光学顕微鏡によって撮影した。光学顕微鏡は、キーエンスＶＸＨ－６０００を利用した。また、液中噴射前後のワーク３の表面残留応力を、Ｘ線応力測定法（ｃｏｓα法）によって測定した。Ｘ線応力測定装置は、パルステック工業μ－Ｘ３６０ｓポータブル型Ｘ線残留応力測定装置を利用した。残留応力は、ワーク３の複数の特定の部位について測定した。

【0024】

（結果）
実施例のワーク３の支持面１０３ａのキャビテーション噴流処理の前後の写真を図５に示す。図５の上図が処理前である。図５の下図が処理後である。実施例では、ワーク１０３に付着する支持構造材１０３ｂは、効果的に除去された。実施例の処理後の表面残留応力は－２０５ＭＰａであった。

【実施例2】

【0025】

図６を参照して、パウダーベッド方式による積層造形によりＴｉ－６Ａｌ－４Ｖ合金のワーク２０３を製造した。ワーク２０３は、外科用インプラントである。ワーク２０３は、網目構造を有する。ワーク２０３は、ワーク２０３の内部にも支持構造材２０３ｂ１を有する。支持構造材２０３ｂ１はロッドサポートである。ワーク２０３は、全体として丸みを帯びており、支持構造材２０３の高さや、幅や、厚みは、支持構造材２０３ｂ１ごとに異なる。ワーク３に付着する支持構造材２０３ｂ１の寸法は、例えば、次の通りである。
幅（図６の左右方向）：６～１０ｍｍ（部位ごとに異なる）
厚み（図６の紙面に垂直な方向）：１ｍｍ
高さ３ｄ２：２５～３０ｍｍ（部位ごとに異なる）
ワーク３を、支持構造材２０３ｂ１が水平に伸びるように、処理槽１１に設置した。ノズル１５は、下向きに設置した。つまり、支持面２０３ａは、噴射軸線１５ａとほぼ平行である。ワーク２０３に、次の条件で液中噴射処理を行った。
噴射条件：
角度４：０度～２０度（部位ごとに異なる）
送り速度：１ｍｍ／ｓ
ノズル移動経路： 支持構造材２０３ｂ１とワーク２０３との境界付近を通る経路２９（図６の上図）
通過回数：１回
その他の条件は、実施例１と同一である。

【0026】

（結果）
本実施例のワーク２０３のキャビテーション噴流処理の前後の写真を図６に示す。図６の上図が処理前である。図６の下図が処理後である。本実施例では、ワーク２０３に付着する支持構造材２０３ｂ１は、効果的に除去された。槽内部には、支持構造材２０３ｂ１が大きな塊となって落下していた。実施例の処理後の表面残留応力は、－２０５ＭＰａであった。

【0027】

支持構造材の除去は、次のように進むと考えられる。まず、支持構造材２０３ｂ１は、研磨材と処理液の運動エネルギーによって、支持面２０３ａの付近で折れて、ワーク２０３から切り離される。次いで、研磨材の流れや、処理液の動圧や、キャビティの破裂による衝撃力によって、支持面２０３ａに残留した支持構造材が除去される。

【0028】

本発明は前述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であり、特許請求の範囲に記載された技術思想に含まれる技術的事項の全てが本発明の対象となる。前記実施形態は、好適な例を示したものであるが、当業者ならば、本明細書に開示の内容から、各種の代替例、修正例、変形例あるいは改良例を実現することができ、これらは添付の特許請求の範囲に記載された技術的範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0029】

１ 処理液
２ 研磨材
３ ワーク
３ａ 支持面
３ｂ、３ｂ１ 支持構造材
６ 噴流
１５ ノズル

【要約】

【課題】ワークからの支持構造材の除去を簡便に行い、容易に自動化する。
【解決手段】処理液（１）中に研磨材（２）を懸濁させ、ワーク（３）を造形プラットフォーム（３ｃ）に固定するための支持構造材（３ｂ１）を有する支持面（３ａ）を含み、付加製造されたワーク（３）を、前記処理液（１）中の研磨材（２）が懸濁した領域に設置し、処理液（１）中に沈めたノズル（１５）が、処理液（１）のキャビテーション噴流（６）をワーク（３）に噴射して、ワーク（３）に付着する支持構造材（３ｂ１）を除去する。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】