JP6479052B2 - 重力金型鋳造のレーザ溶融（ｓｌｓ）の際の積層式の製造法 - Google Patents

Description

本発明は、独立形式の請求項の各前提部に記載の特徴による、特に内燃機関用のピストンを製造するための、重力金型鋳造用のレーザ焼結された鋳造工具に関する。

金型鋳造の場合、溶融液、つまり溶湯が、重力または小さな圧力の影響を受けて、永久型内に押し上げ式または落し込み式に注湯される。

独国特許出願公開第１０２０１４２１１３５０号に記載の発明は、内燃機関用の金属または金属合金から成るピストンであって、ピストンまたは少なくとも１つのピストン部分が、使い棄て型を基礎とした鋳造法か、または永久型を基礎とした鋳造法で製造されているピストン、ならびに該ピストンを製造する方法に関する。重力金型鋳造法はこの場合、ピストンを製造するための、永久型を基礎とした方法として開示されている。

重力金型鋳造においては、溶湯が、重力の影響を受けて注湯システムを介して鋳造工具、すなわち型（金型）内に注湯される。発生した収縮巣は、いわゆる押湯によって捕捉され、材料の凝固は、鋳造型の冷却によって操作される。気孔率が小さいことに基づき、熱処理により、極めて良好な機械的性質を得ることができる。

主使用領域は、内燃機関用のピストンを製作するための軽金属金型鋳造（アルミニウム金型鋳造合金およびマグネシウム合金）である。

充てんは、単純な鋳造工具においては、手により行われ得る。このためには、鋳造工具（金型）が、機械的な運動要素を有する。ピストンの大ロットシリーズの場合、金型鋳造機または機械化された金型鋳造設備もしくは自動化された金型鋳造設備が使用される。個々の作業工程、たとえば中子入れ、型閉じ、注湯、冷却、型開け、鋳造品のエジェクトおよび取出し、吹出しおよび塗型は、この場合、自動化されて行われ得る。

金型鋳造は、とりわけ次の点で砂型鋳造とは異なる。すなわち、型砂に比べて高い熱伝導率を有する金属の型材料が、凝固する溶融液の、促進された冷却を生ぜしめる。この比較的迅速な凝固の結果として、比較的微粒状でかつ密な組織が生じる。これによって、機械的性質の改善や、ピストンの高い密度が得られる。密な組織を得る際の高い再現性に基づき、ピストンは、砂型鋳造法ではなく、金型鋳造法で製造されることが好適であると云える。

砂型鋳造に比べた場合の金型鋳造の別の利点は、良好な寸法精度および高い寸法安定性、金属の永久型に基づいた良好な表面品質および正確な輪郭再現、砂調製が不要、単純な部品における高い生産率、迅速な凝固に基づいた短い製造時間およびサイクル時間、および自動化されたシーケンスをインストールすることが可能であることである。

金型（鋳造工具）は、鉛直方向の主分割平面を有する金型と、水平方向の主分割平面を有する金型とに区別されるか、もしくは種類に応じて全金型、混合金型（砂中子を有する）または半金型（各１つの砂型鋳造半部と金型鋳造半部とを有する）とにも区別される。

垂直に分割された金型は、手により操作されて、注湯のためにテーブル上に設置され得る。両金型半部は、正確に嵌合する開閉動作のために案内ダボまたは案内ピンを備えている。大型の金型は、鋳造テーブルに挿入されている付加的な案内条片に沿って移動させられる。

水平方向の主分割平面を有する金型は、水平方向に位置する１つのベースプレートと、このベースプレートに沿ってスライドする２つまたはそれ以上のスライダとを有する。これらのスライダは、垂直方向で上方に向かって取り外され得る金属中子を取り囲んでいる。付加的に、別の中子をスライダとベースプレートとに組み込むことができる。高いピストン個数の場合にサイクル時間を短縮するためには、鋳造用ターンテーブルも使用される。

金型材料としては、たとえば構造用鋼、片状黒鉛を有する鋳鉄、熱間加工鋼、特殊モリブデン合金または特に高度に負荷される型構成部分のためのタングステン重金属が使用され得る。

金型鋳造可能となる軽金属鋳造材料は、規格化されており、たとえばアルミニウム金型鋳造合金である。砂型鋳造品の場合と同様に、金型鋳造品も、無制限に熱処理可能であって、かつ溶接に適している。

鋳造工具（金型）は、注湯の前に申し分なく塗型され、かつ予熱されなければならない。このことは、一般にガスバーナを介して行われる。塗型被膜は、数回の鋳造サイクルに耐えるので、必要に応じて再修復または再形成されるだけでよい。十分に加熱された金型は通常、鋳造運転の間は、更なる加熱を必要としない。鋳造に適した型温度を維持するためには、各鋳造過程において行われる熱交換で十分となる。しかし、比較的複雑な鋳造品の場合には、付加加熱、あるいはまた型冷却が十分に必要となる。

標準・金型鋳造法においては、型充てんは、重力を用いて、かつ一般に押し上げ式に行われる。すなわち、溶湯は湯口を通じて装入され、次いで、実際の鋳造部分の下方でかつ場合によっては側方に配置されている湯道を経て、堰を介して型空隙部に流入する。これによって、型は下方から上方へ向かって押し上げ式に充てんされる。型充てん時間に対しては、以下の要因が影響を及ぼす：合金の流入速度、堰横断面、ジオメトリ（幾何学的形状）ならびに合金および金型の熱伝導率。

鋳造後には、たとえば以下の作業工程が実施され得る：打抜き、ソーイング、バリ取り、Ｘ線撮影、熱処理、バレル研磨、サンドブラスト、機械的な加工、コーティング、クリーニング／洗浄および／または組立て。

重力金型鋳造の使用時では、溶湯が、重力の作用を受けて金属の永久型（金型）内に注湯される。

上記方法の利点は、たとえば卓越した材料特性、（砂中子を用いた）複雑な内側ジオメトリの実現、ダイカストに比べて少ない工具コスト、高い自動化度ならびにシール性である。金型鋳造のための経済的な受注量は、小ロットないし大ロットのピストンシリーズである。

金型鋳造は、特にそのワークジオメトリや高い材料要求に基づき、ピストンのために好適である。アンダカット部は、砂中子を用いて形成可能となる。

ピストンを鋳造するための鋳造工具（金型）の製造は、ピストンの形状付与に基づき、極めて手間がかかる。さらに、鋳造されたピストン内に空気封入物が存在しないことが確保されていなければならない。

したがって、本発明の課題は、型の均一な空気抜きを可能にするような、重力金型鋳造用の鋳造工具を製造する方法を提供することである。

この課題は、独立形式の各請求項に記載の特徴を有する使用および方法により解決される。

本発明によれば、重力金型鋳造で製造された内燃機関用のピストン内の空気封入物を阻止するための、鋳造工具、特に金型、の製造のための直接金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ）の使用であって、鋳造工具の少なくとも１つの領域が、空気導出のための複数の小さな開口、特にマイクロ孔を有する、鋳造工具、特に金型の製造のための直接金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ）の使用が提供される。意想外にも、直接金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ）により、鋳造工具の積層式の造形に基づき、重力金型鋳造用の鋳造工具において、たとえば電気浸食加工を用いる場合よりも精密なガス・水透過性の構造が形成され得ることが判った。内燃機関用のピストンを製造する場合には、鋳造工具内に存在する空気を導出するためにマイクロ孔を提供することが有利であることが判った。さらに、鋳造工具を直接に製作することにより、コストと時間が節約される。

本発明によれば、内燃機関用のピストンを製作する重力金型鋳造用の鋳造工具、特に金型を製造する方法が提供される。この場合、鋳造工具は直接金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ）により形成される。直接金属レーザ焼結の際には、鋳造工具が、ＣＡＤデータもしくは３Ｄデータから直接に形成される。たとえば切削加工法による鋳造工具の手間のかかる製作は、もはや必要にならない。重力金型鋳造で製造されるピストンのための開発時間は、大幅に減じられる。たとえばピストン製造業者のもとで直接に現場で鋳造工具を設計し、かつ製作することができる。

さらに、本発明によれば、鋳造工具を、金属粉末へのレーザの作用により積層式に形成することが提案される。金属粉末は、たとえば結合剤のようないかなる添加物もなしに使用される。積層式の造形に基づき、鋳造工具は、いかなる幾何学的な形状をも得ることができる。

さらに、本発明によれば、鋳造工具が焼結底部を有することが提案される。「焼結底部」とは、鋳造工具における、複数の極小開口を有する領域を意味する。

さらに、本発明によれば、焼結底部が複数のマイクロ孔を有することが提案される。これらのマイクロ孔により、鋳造過程の間、空気はピストンのための鋳造工具から確実に除去され得る。鋳造されたピストンの品質は向上する。なぜならば、ピストンの組織が空気封入物を有しないからである。

さらに、本発明によれば、０.５０ｍｍよりも小さな直径、好適には０.３ｍｍよりも小さな直径、特に０.１〜０.２５ｍｍの直径を有するマイクロ孔を形成することが提案される。特に、０.１５〜０.２５ｍｍの直径を有するマイクロ孔の場合に、水が信頼性良くマイクロ孔を噴流として通過するか、もしくはマイクロ孔から噴流として流出することが判った。

さらに、本発明によれば、所定の直径を有するマイクロ孔が、１〜１０ｍｍの深さにわたって、特に４〜６ｍｍの深さにおいて、前で挙げた直径を有することが提案される。０.５０ｍｍよりも小さな直径、好適には０.３ｍｍよりも小さな直径、特に０.１〜０.２５ｍｍの直径を有するマイクロ孔の、１〜１０ｍｍの深さ、特に４〜６ｍｍの深さが、有利であることが判った。なぜならば、このような深さが、焼結底部の領域における鋳造工具の安定性を保証すると同時に、鋳造プロセスにおける鋳造工具からの空気の確実な導出を可能にするからである。

さらに、本発明によれば、直接金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ）により形成された鋳造工具に、鋳造工具の強度特性および靱性特性を向上させるために熱処理を施すことが提案される。この後続の熱処理により、鋳造工具の耐久年数が改善される。鋳造工具は、鋳造プロセス中の負荷に、一層良好に耐えるようになる。

さらに、本発明によれば、鋳造工具が、該鋳造工具の形状トポグラフィに適合された複数の調温通路を有することが提案される。これらの調温通路は、鋳造工具内に形取られたピストン形状の輪郭を正確になぞるように延びていてもよい。これにより、熱交換の改善が可能となる。鋳造の前に、これらの調温通路を介して鋳造工具を予熱することができる。鋳造プロセス中では、必要に応じて、これらの調温通路を介して鋳造工具を冷却することができる。

さらに、本発明によれば、調温通路が、流れ妨害因子を回避するために、調温通路の調温入口部にファインフィルタを有することが提案される。調温通路の調温入口部に設けられたファインフィルタは、熱交換媒体中の不純物がこれらの調温通路を閉塞させてしまうことを阻止する。したがって、鋳造工具の耐用年数全体にわたる確実な熱交換が保証されている。ファインフィルタは、同じく直接金属レーザ焼結により形成され得る。ファインフィルタは、鋳造工具と一体に形成されているか、または別個の構成部分として製作され得る。

さらに、本発明によれば、鋳造工具が、ベースを備えたハイブリッド構造に形成されていることが提案される。ハイブリッド構造には、それぞれの金型鋳造機に合わせて調整されるベースを常に同一に構成することができるという利点がある。

さらに、本発明によれば、ベースを、直接金属レーザ焼結によってピストン固有の鋳造型を造形するための基礎として使用することが提案される。したがって、ベースは、直接金属レーザ焼結プロセスのための基礎として用いられ、好ましくは同一部品として構成され得る。したがって、ベースは大きな個数で製作され得る。このことは、鋳造工具にかかるコストを低下させる。

さらに、本発明によれば、鋳造過程のための機能エレメント、たとえば冷却孔、エジェクト孔、ねじ山付き孔を、レーザ溶融過程の前にベース領域に導入することが提案される。ベース内への機能エレメントの導入により、金型鋳造機への媒体受け渡しが保証されている。媒体受け渡しのためのインタフェースは、内燃機関用のピストンのための実際の鋳造型の近傍へ移される。

直接金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ）／direct metal laser sintering（ＤＭＬＳ）は、ジェネレーティブラピッドプロトタイピング法である。この方法は、本発明によれば、内燃機関用のピストンを製造するための重力金型鋳造用の工具である「ラピッドツール」を直接に製造するために使用される。

直接金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ）は、「選択的金属レーザ溶融」、「選択的金属レーザ焼結」または単に「金属レーザ焼結」とも呼ばれ、さらに、選択的レーザメルティング法（Selective Laser Melting-Verfahren;ＳＬＭ）または短縮して選択的レーザメルティング（Selective Laser Melting;ＳＬＭ）とも呼ばれる。ＤＭＬＳは、直接に３Ｄ構造データもしくはＣＡＤデータから、レーザビームを用いた金属粉末の積層式の溶融によって、内燃機関用のピストンを製作するための重力金型鋳造用の鋳造工具を製造するアディティブマニュファクチャリング過程である。ＤＭＬＳもしくはＳＬＭを用いて金属の材料を加工するために、バインダまたはその他の添加剤は必要とされない。特に精密な鋳造工具構造のためには、マイクロレーザ焼結（ＭＬＳ）を使用することもできる。

形成された構成部品は、均一な組織と、ほぼ１００％の相対密度とを有する。しかし、形成された構成部品の物理的な性質だけでなく、機械的な性質も、鋳造された構造体の性質に相当している。

コンベンショナルな製作方法とは異なり、この方法は、構成部品ジオメトリの点で極めて大きなデザイン自由度を提供する。ＤＭＬＳ法もしくはＳＬＭ法は、鋳造工具の積層式の造形に基づき、任意の空隙部やアンダカットの製作を可能にする。さらに、鋳造工具に複数の機能を組み込むことができる。鋳造工具からのピストンの型抜き可能性だけが、鋳造工具の幾何学的なデザインにおける制約となる。この極めて大きな設計自由度に基づき、ピストンを個別化することも、ピストンバリエーション数をほぼ任意に増大させることも、可能となる。

ピストンの重力金型鋳造用の鋳造工具（金型）を製作するためにＤＭＬＳもしくはＳＬＭを使用することにより、一連の全体プロセスが短縮され、ひいては個々のピストンの製作時間が短縮される。ピストン小ロットシリーズや、極めて短い製品ライフサイクルを有する内燃機関のためには、この時間節約が、大きな競争利点となる。特に、最小のロットサイズや複雑なジオメトリの小型の鋳造工具を用いる領域においては、ＤＭＬＳ法もしくはＳＬＭ法は、コンベンショナルな鋳造工具製作法に代わる好適な手段となる。

鋳造工具の複雑性は、ＤＭＬＳ法もしくはＳＬＭ法の場合には、単位原価に対して僅かな影響を与えるに過ぎない。なぜならば、単位原価は、特に体積に依存するが、ジオメトリ（幾何学的形状）には依存しないからである。ＤＭＬＳ法もしくはＳＬＭ法にとって特に好適となるのは、高い複雑性を持った鋳造工具である。なぜならば、このような鋳造工具の製作は、コンベンショナルな方法を用いた場合、極めて大きなコストがかかるか、あるいは製作自体が不可能となるからである。したがって、従来では製造不可能であったか、または極めて高い手間をかけない限り製造が不可能であった複雑なジオメトリを有するピストンを、重力金型鋳造法で製造することができる。

選択的レーザ溶融の際、金属粉末が、まず薄い層の形でベースプレートに塗布される。次いで、この金属粉末は、レーザにより強力なレーザビームを用いて選択的に溶融させられる。選択的な溶融のための基礎としては、重力金型鋳造用の鋳造工具、つまり金型、のデジタル式の３Ｄ構造データが用いられる。その後に、前記ベースプレートが、所定の層厚さ分だけ降下して、新しい粉末層が塗布される。この金属粉末は、再び精密にレーザによって溶融されて、その下に位置する層と結合される。このサイクルは、全ての層が完全に溶融されるまで繰り返される。引き続き、完成した鋳造工具はベースプレートから除去されて、きれいにされ、必要に応じて加工されるか、または直ちに使用され得る。

ＤＭＬＳ法もしくはＳＬＭ法は、金型の製作に際して、以下の重要な利点を提供する。すなわち、ＤＭＬＳ法もしくはＳＬＭ法は、高い自在性を有しかつコスト的にも魅力のある生産方法であり、ほぼ完全なジオメトリ自由度を提供し、複雑な構成部品の迅速な製作を可能にし、高い時間節約を可能にし、かつ少ない所要材料量で高負荷耐性の構成部品を提供する。

後続の焼結によって、レーザ焼結された構造体の気孔性を完全に取り除くことができることが判った。さらに、熱処理により、レーザ焼結された金型の強度特性や靱性特性が改善される。レーザ焼結された密度は、理論密度の９５〜９７％の範囲にある。焼結による後処理によって、鋳造工具の組織は均一化され、残留気孔率は、ほぼ完全に取り除かれるか、またはそれどころか完全に取り除かれる。

材料系のための、粉末冶金的に使用される汎用の粉末の使用は、鋼合金の、複雑でなく、迅速で廉価な製造を可能にする。レーザ焼結された構造体は、重力金型鋳造法における鋳造工具もしくは金型としての使用のために特に適している。

ピストン輪郭に沿った冷却によって、最大５０％の冷却時間短縮が達成され、これにより最大約３０％の鋳造サイクルの短縮が達成される。

その結果、コストや、改善された表面品質や、より大きな寸法安定性や、極めて少ない歪みの点で、大きな改善ポテンシャルが得られる。このことは、特に有利な節約可能性および改善可能性である。

ＤＭＬＳ法を用いると、ピストンの重力金型鋳造のための、輪郭に沿った極めて効果的な冷却／調温手段を備えた型インサート、スライダおよび型中子を製作することができる。

調温孔の寸法設定、通過部輪郭および配置形式は、鋳造工具（金型）もしくはこの鋳造工具から形成されるピストンのその都度の形状トポグラフィに合わせて調整される。

その場合、表面近傍のキャビティ領域において十分に寸法設定されかつ最適に配置された複数の冷却通路により、迅速で、しかも均一な熱導出が達成される。このような熱導出は、大幅な鋳造サイクル短縮や品質改善をもたらす。

鋳造工具用の型構成部分は、ハイブリッド構造で形成され得る。この場合、中実なベース領域は、機械的に加工された半製品から成る。次いで、このベース領域上には、本来の鋳造工具（金型）が造形され得る。このような構造は、時間やコストにかかる手間を大幅に減少させる。

ベースの準備や、後続の表面加工は、型製造中に行われ得る。

ハイブリッド構造の場合、冷却孔、エジェクト孔、ねじ山付き孔などが、レーザ溶融過程の前にベース領域に導入される。

選択的に、調温通路には、特殊な防食手段を設けることができる。

部分的に極めて狭い孔横断面において生じるおそれのある流れ妨害因子を回避するためには、調温入口部の手前に、相応するファインフィルタが配置され得る。

鋳造工具を製造する際には、慣用の方法に比べて、レーザ溶融によって最大８０％までの節約が得られると同時に、生産時間の大幅な短縮も得られる。

３Ｄデータからは、負荷耐性を有する金属の鋳造工具が製作され得る。

設計者は、機械的な加工技術により受ける制約から完全に解放されて、初めてＤＭＬＳ法を用いて、技術的に極めて要求の多いピストンのための鋳造工具をデザインすることができる。

重力金型鋳造用の鋳造工具においては、以下の特性を実現することができる：すなわち、収縮巣なしの壁構造、安定したデザイン、硬化可能な材料、二重壁型のデザイン、あるいはまた格子構造を有するデザイン、ドリル穿孔された壁、多重のアンダカット、不規則的に延びる孔、構造化された空隙。この場合、前記特性は、凹面状または凸面状の文字入れおよび／または類似の構造を有する。

ねじ山、軸受シート、接合面等のためのフライス削り、旋削、研削、硬化、コーティングによる後加工は、ＤＭＬＳ法による製作の後に、引き続き鋳造工具に対して行われる後続加工として実施され得る。

ＤＭＬＳ法は、ピストンプロトタイプおよびピストン個別製作ならびに小ロットシリーズおよび中ロットシリーズのピストンのための金属から成る鋳造工具を製造するために適している。この極めて迅速でかつ精密な層形成方法は、ほとんど全ての金属および特定のセラミック材料を用いて使用され得る。この技術は、ピストンの製作における小ロットサイズ化やピストンの個別化への強い傾向を促す。したがって、レーザ焼結は、重力金型鋳造用の鋳造工具の製造においては、型に拘束されたコンベンショナルな方法、すなわち高い型コストを償却するために所定の最小ロットシリーズサイズを必要とする方法、に対して、大きな利点を提供する。

内燃機関用のピストンを製造するための重力金型鋳造用の鋳造工具は、特殊工具の使用なしに製作され得る。このことは、開発時間を大幅に短縮させ、かつ製造コストを節約する。別の利点としては、ＤＭＬＳ法により製造された鋳造工具の高い寸法安定性および形状安定性が挙げられる。

複雑なジオメトリは、しばしばアンダカットまたは空隙を有する３次元の構造体である。多くの複雑なジオメトリは、フライス削り、旋削または鋳造のようなコンベンショナルな技術を用いても、条件付きでしか形成され得ないか、または高いコストをかけてしか形成され得ない。フライス削り、旋削または鋳造のようなコンベンショナルな製作方法では、生産コストが、鋳造工具の複雑性もしくはこれにより生じるピストンの複雑性と強く関連している。なぜならば、たいてい複雑な工具の製作または手間のかかる特殊手段の製作が必要となるからである。

３Ｄ−ＣＡＤプログラムを用いて設計可能である、考えられ得る限りのあらゆる鋳造工具−型を、レーザ焼結技術によって製作することができる。中空の構造体を製造する際でも、制限は存在しない。このことが可能になる理由は、３Ｄモデルにおいて予め設定されている個所においてしか材料塗布が行われないからである。

鋳造工具の複雑性は、もはや製造方法に左右される必要はなく、所望の機能や、鋳造工具から得られるピストンのデザインにのみ左右される。鋳造工具のジオメトリが複雑になればなるほど、積層を繰り返して付加していくアディティブマニュファクチャリングがますます有効となる。

ＤＭＬＳ法を基礎としたアディティブマニュファクチャリング技術は、鋳造工具において短時間に変更を実施することを可能にする。

ＤＭＬＳ法を基礎としたアディティブマニュファクチャリングを用いると、製造者は、最初の設計アイデアから回り道をせずに、完成した鋳造工具に到達する。

アディティブマニュファクチャリングの大きな利点としては、設計から鋳造工具の製作に極めて簡単に到達することが挙げられる。鋳造工具の生産は、直接にデジタル３Ｄデータに基づいて行われる。これにより、実際のシリーズに近いテストを迅速に実施することができ、そしてその結果につき、プロトタイプを最適化することができる。この反復プロセスは、線形の製品開発モデルにおいては設定されていない。しかし、慣用の製品開発プロセスにおいても、誤開発や併発する諸問題に基づいて反復ループが発生するが、このような反復ループは、高められた開発コストを招く。

アディティブマニュファクチャリングの場合、全ての鋳造工具は、仮想のモデルを基礎として形成される。このことは、第１に、仮想の負荷テストのための簡単な手段を可能にする。第２に、直接的な生産により、たとえば、完成したピストンが有している材料特性と同一の材料特性を有するピストンプロトタイプの製造のための鋳造工具の迅速な製造が可能となる。この設計プロセスの利点は、いかなる時点でも、鋳造工具の機能もしくはこの鋳造工具から形成されるピストンの機能を仮想的または実体的に検査することが可能となることである。変更は、ピストン開発段階においては簡単であり、そして慣用的に製作されたピストンに比べて、小さな過剰コストをかけるだけで実現可能となる。

ＤＭＬＳ法を基礎としたアディティブマニュファクチャリングは、ピストン個別品においても、ピストンシリーズ製作においても、好都合な生産を可能にする。鋳造工具の複雑性もしくは鋳造工具から形成されるピストンの複雑性は、生産時間および生産コストにとって、ほとんど問題にならない。

ＤＭＬＳ法は、鋳造工具および鋳造工具インサートへ調熱通路を直接にかつほぼ輪郭に沿って組み込むことを可能にする。最適化された熱導出により、重力金型鋳造シリーズ生産におけるサイクル時間短縮ならびに生産性向上および部品品質向上を可能にする。

調熱通路もしくは冷却通路は、慣用的な鋳造工具構造においては、直線状にしか穿孔され得ない。したがって、しばしば、臨界的なホットスポットに冷却媒体を到達させることができず、したがって、ホットスポットを緩和することもできない。

それに対して、ＤＭＬＳ法を用いると、製作中に、最適化された冷却通路を直接にかつほぼ輪郭に沿って鋳造工具に組み込むことが可能となる。これにより、熱は、慣用の構造よりも大幅に迅速かつ均一に導出される。このことは、鋳造工具における熱応力を減少させるとともに、一層長い工具耐用年数を保証する。さらに、製造されたピストンの品質および寸法安定性が向上する。さらに、サイクル時間を劇的に短縮させることができる。

ＤＭＬＳによるアディティブマニュファクチャリングは、工具なしに行われる。ＤＭＬＳによるアディティブマニュファクチャリングは、鋳造工具の、ロットサイズに適合された個別化された生産を可能にする。

慣用の生産方法とは異なり、ＤＭＬＳ法を基礎としたアディティブマニュファクチャリングは、工具や型なしで十分となる。したがって、この技術は個数による影響を受けない。鋳造工具、ひいてはこの鋳造工具から形成されるピストンは、デジタル式に個別化され得るとともに、かつ小さな個数で、またはそれどころか単独製作として製造されても、採算が取れる。

ＤＭＬＳ法を基礎としたアディティブマニュファクチャリングは、コンベンショナルな生産方法では失敗するような高強度の軽量構造の設計および製造を可能にする。

鋳造工具は、その機能を実施するために絶対必要となる最低限の量の資源しか消費しないことが望ましい。原料消費量、ひいては資源に対する価格も、世界規模で法外に増大しているので、このような要求は、ピストン開発およびピストン製作においてますます重要視されつつある。

ＤＭＬＳ法を基礎としたアディティブマニュファクチャリング技術は、任意の精密度と複雑度を持った軽量構造を造形することができる。これにより、このアディティブマニュファクチャリング技術は、設計者に幾何学的な最大設計自由度を与える。既に設計プロセスにおいて、コンベンショナルなマニュファクチャリングの際には不可避となる過剰材料を、鋳造工具の多くの領域から取り除くことができる。次いで、生産時では、機能的に必要となる個所においてしか材料塗布が行われない。こうして、極端に軽量で、しかも高強度の鋳造工具が形成される。これにより、設計やデザインにおいて余裕が得られる。

アディティブマニュファクチャリングは、デジタル式の３Ｄ構造データを基礎として材料の堆積によって積層式に鋳造工具を造形するプロセスを意味する。アディティブマニュファクチャリングの同義語として、「３Ｄプリント」という用語が使用される機会が増えつつある。しかし、アディティブマニュファクチャリングという用語の方が、コンベンショナルな材料除去式の製作方法とは明らかに異なるプロフェッショナルな生産方法であることを良好に言い表している。たとえば１つの強固なブロックから鋳造工具をフライス削りにより加工成形する代わりに、アディティブマニュファクチャリングは、鋳造工具を、微細な粉末として供給される材料から積層式に造形する。材料としては、種々異なる金属および複合材料が使用可能である。

ＤＭＬＳ法を基礎としたアディティブマニュファクチャリングは、コンベンショナルなマニュファクチャリングでは限界に達するような領域でその強さを発揮する。ＤＭＬＳ技術は、解決手段を見いだすために設計や製作が新たに練り直されなければならないような個所に投入される。ＤＭＬＳ技術は、「デザイン−ドリブン マニュファクチャリング プロセス（design-driven manufacturing process）」を可能にする。すなわち、デザインや設計が、製作方法を前提とする必要がなく、デザインや設計が製作を決定するプロセスを可能にする。さらに、アディティブマニュファクチャリングは、極めて複雑であると同時に極端に軽くかつ安定的となり得る鋳造工具構造を可能にする。アディティブマニュファクチャリングは、高度のデザイン自由度、機能最適化および機能組込み、小さなロットサイズの、適度な単位原価での製造を可能にし、さらに、それどころかシリーズ生産においてピストンの顕著な個別化を可能にする。

ＤＭＬＳ法を用いると、ピストンを製造するための鋳造工具内で使用するための焼結底部が形成される。このような鋳造工具は、内燃機関用のピストンの鋳造プロセス中に空気を導出するための複数のマイクロ孔を有する。

言い換えれば、ＤＭＬＳ法の使用により、冷却媒体を通すための空隙もしくは型充てん中に鋳造型もしくは鋳造工具（金型）内の空気を導出させるための空隙の技術的な製作可能性が可能になる。空気導出の際には、金属内の開口が閉塞されないようにするために、孔直径が０.２ｍｍを上回らないことが望ましい。ＤＭＬＳ法を用いると、これらの空隙の形状および大きさ（製作可能性）に、技術的な制限は加えられない。

鋳造工具もしくは鋳造型（底部型）の空気導出のためには、従来では、焼結金属円形ブランクが原材料として使用されており、そして電気浸食加工によって輪郭が加工されていた。

電気浸食加工は、電流による材料除去である。電気浸食加工法（短縮して「浸食加工」と呼ぶ）は、高精密な材料加工のために使用される。被加工物である導電性の焼結金属円形ブランクは、非導電性の液体（誘電体、たいてい脱イオンされた水、あるいはまたオイル）中で加工される。このためには、同じく導電性の工具が、焼結金属円形ブランクの近傍にもたらされる。この導電性の工具は、焼結金属円形ブランクに対して負の電圧（典型的に４０...１５０Ｖ）を有する。これにより、工具と焼結金属円形ブランクとの間には、多数の小さな放電が生じる。このことは、繰り返し発生する火花を生ぜしめ、これらの火花は、優先的に焼結金属円形ブランクから材料を除去する。しかし、工具も浸食されるので、したがって工具も新しくされなければならない。

良く知られているのは、火花浸食加工、すなわち放電加工（略号ＥＤＭ、英語のelectrical discharge machining）、つまり導電性材料のための材料除去による熱的な製作方法である。この方法は、電極（工具）と導電性のワーク、たとえば焼結金属円形ブランクとの間の放電過程（火花）に基づいている。加工は、非導電性の媒体、つまり誘電体中で行われる。電極工具は、焼結金属円形ブランクに対して極めて小幅のギャップ（＜０.５ｍｍ）を残して近付けられるので、火花が閃絡し、この火花が材料を点状に溶融させかつ蒸発させる。放電の強さ、周波数、時間、長さおよび極性に応じて、種々異なる除去結果が得られる。

火花浸食加工は、火花浸食式の穿孔（穿孔放電加工）と、ワイヤが電極を形成する火花浸食式の切断（ワイヤ放電加工）と、電極が、ネガ型として火花浸食加工機を用いてワークに圧入される火花浸食式の形彫り（形彫り放電加工）とに区別される。複雑な幾何学的な形状でさえも、製作され得る。しかし、ＥＤＭ法は、時間的に大きな手間がかかり、したがってコストがかかる。

冷却通路は、鋳造型（底部、センタスリーブ、金型、中子）内での製作可能性に基づき、ほぼ所望の冷却位置へもたらされるに過ぎなかった。さらに、冷却通路には、冷却ジオメトリの、別の形には形成不可能である横断面およびプロファイルにより、不都合な影響が与えられる。

さらに、鋳造過程の間、鋳造工具から空気を取り除くために、吸込み部が設けられなければならなかった。その結果、しばしば、鋳造型内に種々の負圧（漏れ等による余分な空気の引込みによる）が生ぜしめられ、これによって鋳物品質のばらつきも生じてしまっていた。この場合、高い騒音レベルは、作業員たちに騒音被害を与える。焼結金属円形ブランクの材料不均一性により、大きく変動する低い工具耐用年数（３−１５０００サイクル）しか得られなかった。

本発明の別の態様は、従属形式の請求項に記載されており、これらの請求項に記載の態様に基づき、さらに別の利点が得られる。

以下に、本発明を実施するための形態を図面につき詳しく説明する。

ピストン上側部分の断面図である。 別のピストン上側部分の断面図である。 図１および図２に示した構成とは異なる、さらに別のピストン上側部分の断面図である。 図１〜図３に示した構成とは異なる、さらに別のピストン上側部分を互いに異なる向きで２つの断面図Ａ，Ｂで示す図である。 試料体を概略的に示す図である。

図１には、ＤＭＬＳ法により製造された鋳造工具内で重力金型鋳造により製作されたピストン上側部分１が示されている。

図２には、ＤＭＬＳ法により製造された鋳造工具内で重力金型鋳造により製作された別のピストン上側部分２０が示されている。

図３には、ＤＭＬＳ法により製造された鋳造工具内で重力金型鋳造により製作された、さらに別のピストン上側部分４０が示されている。

図４には、ピストン上側部分６０のさらに別の構成を互いに異なる向きで示す図Ａ，Ｂが図示されている。領域６１には、鋳造工具（図示しない）の焼結底部（同じく図示しない）に対する接触領域が見えている。焼結底部は、ＤＭＬＳ法を用いて、ピストンを製造するための鋳造工具内での使用のために形成された。この焼結底部は、重力金型鋳造によるピストン上側部分６０の製造時に使用された。焼結底部の製作時では、複数のマイクロ孔が、ＤＭＬＳ法を介して０％の気孔率で、または７.８ｇ／ｃｍ³の密度で形成された。０.２ｍｍの直径Ｄを有する１８０００個のマイクロ孔が使用された。これにより、これまで電気浸食加工により形成されかつ使用されていた底部に比べて３倍の吸込み能力が得られた。さらに、均一な肉厚を有する軽量構造コンセプトが実現された。

図５には、ＤＭＬＳ法により形成されたマイクロ孔１０１，１０２を検査するための試料体１００が示されている。この試料体１００は、１０×１０×１０ｍｍ（長さ×幅×高さ）の外側寸法を有し、したがって１つの立方体を形成している。試料体１００の中心はＭで示されている。試料体１００は、段付けされたテスト孔を有し、このテスト孔では、直径Ｄ２が、テスト列の間、０.５０ｍｍに固定保持される。別の直径Ｄ１は、後続の表に示したように、０.１〜０.２３ｍｍの間で変えられる。さらに、テスト列中の直径Ｄ１を有するマイクロ孔の深さＴは、１〜５ｍｍの間で変えられる。このことから、後続の表に記載した段付け部１０３が得られる。ＤＭＬＳ法によるマイクロ孔１０１，１０２の形成は、気孔率０％で実施した。このことが実現不可能であった場合、露光パラメータを、気孔率の変化形として構成した。水噴流テストでは、それぞれ形成されたマイクロ孔１０１を水噴流がどのように通過するか、もしくはマイクロ孔１０１からどのように流出するか、を視覚的に判定した。水噴流が、各マイクロ孔１０１を通過する際に霧化されずに、一体の噴流として流出した場合には、「ＯＫ」と判定した。水噴流テストの結果は、以下の表から知ることができる。５ｍｍの深さＴ（段付け部１０３）において０.２０ｍｍの直径Ｄ１が特に好都合であることが判った。この数値ペアは、以下の表において試料番号１５に対応している。

１ ピストン上側部分
２０ ピストン上側部分
４０ ピストン上側部分
６０ ピストン上側部分
６１ 領域
１００ 試料体
１０１ マイクロ孔
１０２ マイクロ孔
１０３ 段付け部
Ｄ１ 直径
Ｄ２ 直径
Ｔ 深さ
Ｍ 中心

Claims (11)

1. 重力金型鋳造で製造された内燃機関用のピストン内の空気封入物を阻止するために、鋳造工具、の製造に直接金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ）を使用する方法であって、
   前記鋳造工具の少なくとも１つの領域は、空気導出のための複数の小さな開口を有し、前記鋳造工具は、複数の極小開口を有する焼結底部を有する、鋳造工具の製造に直接金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ）を使用する方法。
2. 内燃機関用のピストンを製作する重力金型鋳造用の鋳造工具を製造する方法であって、
   前記鋳造工具を直接金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ）により形成し、この場合、前記鋳造工具は、複数の極小開口を有する焼結底部を有することを特徴とする、重力金型鋳造用の鋳造工具を製造する方法。
3. 金属粉末にレーザを作用させることにより、前記鋳造工具を積層式に形成する、請求項２記載の方法。
4. ０.５０ｍｍよりも小さな直径を有する前記極小開口を形成する、請求項２又は３記載の方法。
5. 前記極小開口は、１〜１０ｍｍの深さにわたり前記直径を有するマイクロ孔を構成している、請求項４記載の方法。
6. 直接金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ）により形成された前記鋳造工具に、該鋳造工具の強度特性および靱性特性を向上させるための熱処理を施す、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 前記鋳造工具は、該鋳造工具の形状トポグラフィに適合された調温通路を有する、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 前記調温通路は、流れ妨害因子を回避するために、前記調温通路の調温入口部にファインフィルタを有する、請求項７記載の方法。
9. 前記鋳造工具は、ベースを備えたハイブリッド構造に形成されている、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
10. 前記ベースを、直接金属レーザ焼結によってピストン固有の鋳造型を造形するための基礎として使用する、請求項９記載の方法。
11. 鋳造過程のための冷却孔、エジェクト孔、ねじ山付き孔を、レーザ溶融過程の前にベース領域に導入する、請求項９または１０記載の方法。

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