金属制立体结构物的表面处理方法与流程

本发明涉及金属制立体结构物的表面处理方法，更详细而言，涉及去除由三维造型法所制造的金属制立体结构物的表面缺陷的表面处理方法。

背景技术：

作为金属制的立体结构物的制造方法，一直以来已知有铸造法、锻造法。这些制造方法适于大量生产较大型的立体结构物。其反面，为了造型为期望的形状，需要铸模等模，不适于制造有形状变更的可能性的立体结构物。另外，能通过铸造法、锻造法制造的结构物的形状、尺寸受到限制。进而，形状复杂的结构物中，利用铸造法、锻造法进行造型后，有时需要进行切削加工。

面对这样的问题，边将原料的金属粉末以层状依次固化边进行层叠而造型的三维立体造型法受到关注。

然而，由三维立体造型法得到的立体结构物中，存在具有层间的高度差(层叠痕迹)、表面的粗糙、针孔、光泽不足等表面缺陷的问题。

作为去除由三维造型法制造的立体结构物的表面缺陷的处理方法，已知有如下处理方法：对立体结构物喷射研磨材料，从而去除立体结构物的层间的高度差(专利文献1)。然而，对比文件1中公开的方法为通过三维光造型法对由环氧树脂制造的立体造型物进行的处理方法，因此，存在无法直接用于金属造型物的问题。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本平11-179661号公报

技术实现要素：

发明要解决的问题

本发明是鉴于上述问题而作出的，其目的在于，提供：去除由三维造型法所制造的金属制立体结构物的表面缺陷的表面处理方法。

用于解决问题的方案

根据本发明，提供一种表面处理方法，其特征在于，

其为去除由三维造型法所制造的金属制的立体结构物的表面缺陷的表面处理方法，所述表面处理方法包括如下工序：

准备前述立体结构物的工序；和，

向前述立体结构物的表面喷射第1喷射材料，使前述第1喷射材料碰撞到前述表面的工序，

前述第1喷射材料为具有角部的颗粒，利用该角部去除立体结构物表面的层状的高度差。

根据本发明的其他优选方案，

前述第1喷射材料为除金属之外的颗粒。

根据本发明的其他优选方案，

前述第1喷射材料为在表面未形成氧化覆膜的金属质的颗粒。

根据本发明的其他优选方案，

前述第1喷射材料的维氏硬度为hv2000～2500，且该第1喷射材料碰撞到被处理面时的碰撞能量为2.9×10^-8～6.2×10^-6j。

根据本发明的其他优选方案，

前述第1喷射材料的维氏硬度为hv500～800，且该第1喷射材料碰撞到被处理面时的碰撞能量为1.0×10^-6～3.2×10^-5j。

根据本发明的其他优选方案，

前述第1喷射材料的维氏硬度为hv50～200，且该第1喷射材料碰撞到被处理面时的碰撞能量为1.0×10^-4～1.2×10^-3j。

根据本发明的其他优选方案，

进一步包括如下工序：向前述立体结构物的被处理面喷射第2喷射材料的工序，

前述第2喷射材料为无角部的颗粒。

根据本发明的其他优选方案，

前述第2喷射材料的维氏硬度为hv500～800，且该第2喷射材料碰撞到被处理面时的碰撞能量为9.6×10^-8～3.1×10^-6j。

根据本发明的其他优选方案，包括如下工序：

产生朝向前述立体结构物的下方的气流的工序；和，

通过前述气流，对从前述立体结构物的上方朝向被处理面喷射的前述第1喷射材料进行整流的工序。

发明的效果

根据本发明，提供：去除由三维造型法所制造的金属制立体结构物的表面缺陷的表面处理方法。

附图说明

图1为示出本发明的优选实施方式的金属制立体结构物的表面处理方法中使用的表面处理装置的概要构成的附图。

图2为本发明的优选实施方式的金属制立体结构物的表面处理方法的流程图。

图3为示出本发明的优选实施方式的金属制立体结构物的表面处理方法的各条件中的碰撞能量的相关性的示意图。

图4为示出本发明的实施例中进行了表面处理的工件(金属制立体结构物)的外观的立体图。

具体实施方式

以下，参照附图，对本发明的优选实施方式的金属制立体结构物的表面处理方法进行说明。需要说明的是，本说明书中的上下左右方向只要没有特别限定，就是指图中的方向。

(表面处理装置)

首先，对本发明的优选实施方式的金属制立体结构物的表面处理方法中使用的表面处理装置1的构成进行说明。图1为示出表面处理装置1的构成的附图。

表面处理装置1为对由三维造型法所制造的金属制立体结构物的表面喷射喷射材料而进行表面处理的处理装置。表面处理装置1具备壳体10，所述壳体10的内部设置有对工件w进行处理的处理室r。壳体10具有盖12，作业者打开该盖12，进行工件w向处理室r的搬入搬出。

在处理室r的内部设有：用于存储喷射材料的存储料斗14；载置有接受表面处理的工件w的处理台16；和，朝向载置于处理台16上的工件w喷射喷射材料的喷嘴18。

处理台16载置于由x-y台等公知的机构构成的移动机构20，通过移动机构20的动作，在水平面内，以能沿x方向和y方向自由移动的方式构成。其结果，通过移动机构20，可以将载置于处理台16上的工件w配置于水平面内的期望位置。

另外，移动机构20配置于基座22上，所述基座22配置于处理室r的最下部。该基座22由形成有大量的孔的板状构件构成，以从喷嘴18喷射且碰撞到工件w的表面的喷射材料、和喷射材料的碰撞中从工件w的表面削去的构成工件w的金属的粉末等粉粒体能通过的方式构成。

喷嘴18借助固定夹具24，以与载置于处理台16的工件w对置的方式配置。另外，固定夹具24以能自由调整喷嘴18与工件w的距离的方式构成。

喷嘴18由喷嘴保持件18a、和插入至该喷嘴保持件18a的空气喷嘴18b构成。空气喷嘴18b借助空气软管h1、与压缩机(未作图示)流体连通，喷嘴保持件18a借助喷射材料软管h2、与存储料斗14流体连通。

使压缩机动作，从空气喷嘴18b喷射压缩空气时，通过压缩空气的流动，利用在空气喷嘴18b内产生的负压，喷射材料借助喷嘴保持件18a被抽吸至空气喷嘴18b内，在空气喷嘴18b内与压缩空气混合，成为固气二相流s，向载置于处理台16的工件w喷射。

需要说明的是，本实施方式中，采用抽吸式喷嘴作为喷嘴18，但可以采用直压式喷嘴。

在配置于处理室r的顶部的存储料斗14的上方，设有由旋风分离器式分级机构成的分离机构26。分离机构26借助输送管p、与处理室r的底部空间(基座22的下部空间)连通，以为了再利用向工件w喷射的喷射材料而导入的方式构成。需要说明的是，本实施方式中，使用旋风分离器式分级机作为分离机构26，但是可以使用其他风力式分级机、丝网式分级机。

分离机构26具有如下功能：从向存储料斗14导入的喷射材料中去除不适于喷射的粉尘等。具体而言，为了再利用，以从处理室r的底部空间通过输送管p导入的已经使用的喷射材料中分离粉尘等，仅将能再使用的喷射材料供给至存储料斗14的方式构成。

本实施方式的表面处理装置1还具备：用于抽吸分离机构26的内部的抽吸机构28。通过该抽吸机构28抽吸分离机构26内，从而向工件w喷射的喷射材料和由于喷射材料对工件w的碰撞而产生的粉尘等从壳体10的底部空间(基座22的下部空间)借助输送管p导入至分离机构26。

本实施方式的表面处理装置1具备：分离机构26、抽吸机构28等各机构、和用于控制装置的动作的控制机构(未作图示)。作为控制机构，使用个人电脑等各种演算装置、可编程逻辑控制器(plc)和数字信号处理器(dsp)等运动控制器、高功能移动终端和高功能移动电话等。

(第1实施方式)

接着，对使用表面处理装置1的本发明的第1实施方式的表面处理方法，根据图2的流程图进行说明。

＜s1：准备工件＞

以本实施方式的表面处理方法经表面处理的工件w为通过公知的三维造型法边使铝粉末以层状固化边进行层叠而制造的金属制的立体结构物。该工件w在表面残留有作为层叠痕迹的条纹，进一步在表面整体有粗糙。

＜s2：准备表面处理装置＞

使抽吸机构28动作，事先抽吸处理室r。接着，打开盖12，向处理室r投入规定量的第1喷射材料，借助输送管p和分离机构26，将第1喷射材料移送至存储料斗14。处理室r借助分离机构26由抽吸机构28进行抽吸，因此，成为负压，从以与外部连通的方式设置的抽吸孔(未作图示)，外界气体流入处理室r。

本实施方式中，第1喷射材料具有角部。通过喷射材料具有角部，从而可以效率良好地去除工件w的层叠痕迹。然而，也可以使用不具有角部的喷射材料。

“具有角部”是指，喷射材料具备锐角或者钝角的角而不是圆弧状的所谓圆面。另外，作为喷射材料的形状，可以举出具有各向异性形状、圆柱形状、棱柱形状、等角部的各种形状。

作为第1喷射材料，优选选定不对工件的物性造成影响那样的材质的喷射材料。

“对工件的物性造成影响”是指，喷射材料表面的材质转印至工件，由于该转印物而工件的表面经涂覆的状态。需要说明的是，经涂覆的状态在工件表面的整体经涂覆的状态的基础上，还包括：工件表面的一部分经涂覆的状态(即，转印物分散存在于工件表面的状态)。

喷射材料的材质转印至工件的情况下，难以将该转印物从工件通过清洗而去除。而且，这是由于，喷射材料的材质转印至工件，从而工件的设计性受损，转印物对于工件来说成为杂质，因此，根据工件的种类而将工件组装于制品时，避免有时成为动作不良的原因等问题。

第1喷射材料例如可以适宜选自陶瓷系颗粒(氧化铝系、碳化硅系、锆石系等)、天然石的颗粒(砂、石英岩、金刚石等)、植物系颗粒(核桃壳、桃仁、杏仁等)、树脂系颗粒(尼龙、三聚氰胺、尿素等)等。使用除金属以外的颗粒时，可以防止工件的表面成为由异种金属所涂覆的状态。

另外，选择金属颗粒的情况下，在第一喷射材料的表面形成氧化覆膜时，有根据工件w的物性而氧化覆膜附着于工件w的担心，因此，可以选择不形成氧化覆膜的金属颗粒。

“不形成氧化覆膜”是指，不仅包括完全不形成氧化覆膜的情况，还包括以表面处理时氧化覆膜未转印至工件w的程度形成覆膜的情况。

另外，本实施方式的表面处理方法中，必须已知构成第1喷射材料的颗粒的质量，因此，优选使用由真比重已知的颗粒形成的第1喷射材料。另外，可以预先利用比重瓶法等已知的方法，测定颗粒的真比重。

接着，打开设置于表面处理装置1的、向喷嘴50供给压缩空气的路径的电磁阀(未作图示)，向喷嘴18供给压缩空气。通过压缩空气向喷嘴18的供给，收纳于存储料斗14的第1喷射材料被压缩空气流抽吸至喷嘴18，从喷嘴18的前端向工件w喷射。

此处，第1喷射材料的喷射速度以成为期望的速度的方式进行调整。例如，预先测定喷射材料的物性(种类、粒径等)与喷射压力与喷射速度的相关性，基于该结果，以成为期望的喷射速度的方式调整喷射压力。本实施方式中，通过颗粒流速测定法(particleimagevelocimetry：piv)，使设有工件的位置(喷射材料即将碰撞到工件前的位置)处的喷射材料的速度与喷射材料的物性和喷射压力相关而测定。

“喷射压力”如下：以配置于压缩空气供给源与喷嘴之间的压力计测定的数值为喷射压力。本实施方式中，基于预先测定好的喷射压力与喷射速度的相关性，操作喷射阀，以得到期望的喷射速度的方式控制喷射压。

以得到期望的喷射速度的方式调整喷射压后，关闭设于向喷嘴50供给压缩空气的路径的电磁阀，停止第1喷射材料的喷射。

接着，打开盖12，将工件w载置于处理台16并固定。之后，使固定夹具22动作，调整喷嘴18与工件w的距离，关闭盖12。

本实施方式中，向工件的表面整体喷射喷射材料，以进行所需的表面处理的方式，使工件w相对于喷嘴移动。如此，使工件w移动，向控制机构输入工件w的移动路径、移动速度、扫描次数等表面处理条件。

＜s3：利用第1喷射材料的表面处理＞

接着，打开设于向喷嘴50供给压缩空气的路径的电磁阀，朝向工件w喷射第1喷射材料。接着，使移动机构14动作，使载置有工件w的处理台16和载置于处理台16的工件w向喷嘴18下方的规定位置水平移动。

工件w移动至喷嘴18下方的规定位置时，第1喷射材料碰撞到工件。此时，利用第1喷射材料的角部，去除工件w的表面的层叠痕迹。

未适当设定第1喷射材料的颗粒的形状、硬度、第1喷射材料对工件的碰撞能量时，层叠痕迹的去除不充分，或工件w的表面被切削至所需以上。

根据工件的形状而不同，选择表1中的任意条件时，可以进行良好的表面处理。需要说明的是，表1中的维氏硬度为构成第1喷射材料的颗粒的维氏硬度で，为依据jisz2244：2009而测定的值。

另外，碰撞能量为喷射材料的每1个颗粒的能量，可以基于构成第1喷射材料的各颗粒的重量、和这些颗粒即将碰撞到工件前的速度而算出。需要说明的是，图3中示出各条件下的、维氏硬度与碰撞能量的数值范围。

[表1]

需要说明的是，本实施方式的碰撞能量e

根据将喷射材料的真比重设为ρ、喷射材料的平均粒径设为l、刚刚碰撞到工件前的喷射材料的速度设为v的下述式1算出。

此处，将喷射材料的形状换算成粒径为l的球状而进行算出。

条件1的表面处理适于具有微少的凹凸较大的表面(例如jisb0601：2001中规定的表面粗糙度ra为5.0μm以上)的工件的表面处理。

条件1中使用的第1喷射材料的切削力强，可以去除作为层叠痕迹的条纹，且切削工件表面而减小表面粗糙度。具有该硬度的第1喷射材料例如可以举出熔融氧化铝颗粒、碳化硅颗粒。而且，以碰撞能量成为条件1的范围的方式，调整第1喷射材料的性状和喷射速度，进行表面处理。此处，可以从例如15～75μm选择第1喷射材料的平均粒径d50。

条件2的表面处理适于具有粗糙度较小的表面(例如jisb0601：2001中规定的表面粗糙度ra为1.0～5.0μm)的工件的表面处理。

具有条件2的硬度的第1喷射材料例如可以举出苏打石灰玻璃颗粒、锆石颗粒。而且，以碰撞能量成为条件2的范围的方式，调整第1喷射材料的性状和喷射速度，进行表面处理。此处，可以从例如60～300μm选择第1喷射材料的平均粒径d50。

条件3的表面处理适于复杂的形状、且要求高的尺寸精度的工件的表面处理。

作为复杂的形状的工件，可以举出具有凹凸、转角部的工件、三维上具有复杂的形状的工件等。另外，作为要求高的尺寸精度的工件，可以举出构成滑动部的工件、飞机部件、精密设备的部件等。

条件3中使用的第1喷射材料的维氏硬度低，因此，碰撞到工件时自身发生变形，可以减轻对工件w的损伤。然而，第1喷射材料的颗粒具有角部，因此，可以缓慢去除层叠痕迹。作为具有条件3的硬度的第1喷射材料，例如可以举出粉碎了杏仁而得到的颗粒、三聚氰胺树脂、尿素树脂等，以碰撞能量成为条件3的范围的方式，调整第1喷射材料的性状和喷射速度，进行表面处理。此处，可以从例如400～600μm选择第1喷射材料的平均粒径d50。

处理室r的内部通过抽吸机构40产生朝向底部(即，工件w的下方)的气流。从喷嘴50喷射的第1喷射材料在处理室r的整体扩展，但通过该气流，在朝向工件w的下方的方向上进行整流。其结果，与工件w接触的第1喷射材料的量增加，因此，可以效率良好地进行表面处理。另外，通过朝向底部(即，工件w的下方)的气流，第1喷射材料得到加速，因此，第1喷射材料对工件w的碰撞能量增大，可以效率良好地进行表面处理。

喷射材料后的第1喷射材料、和由表面处理产生的粉尘(工件的切削粉和由于碰撞而发生了断裂等的第1喷射材料)通过利用抽吸机构28的分离机构26内的抽吸而移送至分离机构26。这些第1喷射材料和粉尘利用分离机构26，分离成能再使用的第1喷射材料和粉尘。

能再使用的第1喷射材料供给至存储料斗14，之后，移送至喷嘴18，再次被喷射。另一方面，重量轻的粉尘被抽吸机构28抽吸，被设于抽吸机构28内的捕集过滤器(未作图示)捕集。

＜s4：回收工件＞

工件w的规定的处理结束时，停止移动手段14的动作，关闭设于向喷嘴50供给压缩空气的路径的电磁阀，使表面处理装置的动作停止。之后，作业者打开盖12，回收工件w。进而，根据需要，去除附着于工件w的第1喷射材料、粉尘。

需要处理工件的背面的情况下，作业者翻转工件，向工件的背面喷射喷射材料。或者，可以利用其它方法，向工件的背面喷射喷射材料。

以上s1～s4的步骤相当于本申请发明的第1实施方式的表面处理方法。

(第2实施方式)

本发明的第2实施方式为对以上述第1实施方式的表面处理方法处理过的工件w，需要提高工件表面的光泽性、改善基于面粗度调整等的设计性时，附加进行利用第2喷射材料的第2表面处理的表面处理方法。因此，第2实施方式为在与上述第1实施方式的s1～s4的步骤同样的处理后，附加了s5～s7的步骤而得到的实施方式。

＜s5：准备表面处理装置＞

与上述s2同样地，进行表面处理装置的准备。

＜s6：利用第2喷射材料的表面处理＞

第2表面处理中使用的第2喷射材料优选无角部的颗粒。此处，“无角部”均包括：角部带有圆的曲面、或全部为曲面。而且，可以为后者的一形态即大致球形颗粒。

另外，与第1喷射材料的情况同样地，可以考虑对工件的物性造成影响的可能性而选定。

使用维氏硬度为hv500～800的第2喷射材料，第2喷射材料碰撞到被处理面时的碰撞能量为9.6×10^-8～3.1×10^-6j时，可以良好地改善工件的设计性，故优选。此处，可以从例如45～100μm选择第2喷射材料的平均粒径d50。

对于其他方面，进行与上述s3同样的操作。第2喷射材料碰撞到工件w，从而去除工件表面的凹凸。第2喷射材料不具有角部，因此，工件表面中的被加工面变光滑，因此，设计性提高。

＜s7：工件的回收＞

进行与上述s4同样的操作。

实施例

接着，对作为本发明的实施例的通过表面处理方法进行了工件的表面处理的结果进行说明。

将造型铝粉末为大致圆柱状的立体造型物w(图4)作为工件。该立体造型物w为φ20mm×50mm的圆筒形状、且沿长度方向形成有8条槽。在立体结构物的表面形成有沿长度方向延伸的作为层叠痕迹的条纹，进一步表面整体有粗糙。

实施例1～6仅进行了利用第1喷射材料的表面处理，实施例7和8在利用第1喷射材料的表面处理后进行了利用第2喷射材料的表面处理。

对于进行了表面处理的工件，通过显微镜进行观察，确认了是否去除层叠痕迹。评价基准设为以下。

○：层叠痕迹被去除。

△：未确认到层叠痕迹的高度差，但确认到作为设计的条纹。

×：层叠痕迹未被去除。

进一步，从上方照光，通过目视对光泽性进行评价。评价基准设为以下。

○：光泽性高。

△：确认到光的反射，但稍暗。

×：无光的反射。

进一步，利用基于作业者的手触对平滑性进行评价。评价基准设为以下。

○：是光滑的。

△：用手抚触时没有不适感，但稍有粗糙感。

×：用手抚触时，感到阻力。

表2中示出结果。

(1)层叠痕迹的去除

实施例1、2、4、6为○评价，实施例3和5为△评价。△评价为在实用水平上不会成为问题的程度的评价的降低，因此可知，在表1中的条件1～3的范围内，可以良好地去除层叠痕迹。特别是暗示了，条件1对层叠痕迹的去除有利。

(2)光泽性

实施例3、4、5为○评价，实施例1、2、6为△评价。△评价为在实用水平上不会成为问题的程度的评价的降低，因此可知，在表1中的条件1～3的范围内，工件上可以得到光泽性。特别是暗示了，条件2对提高光泽性有利。

(3)平滑性

实施例4、5、6为○评价，实施例1、3、4为△评价。△评价为在实用水平上不会成为问题的程度的评价的降低，因此可知，在表1中的条件1～3的范围内，工件上可以得到光泽性。特别是暗示了，条件3对提高平滑性有利。进一步，利用第2喷射材料进行了表面处理的实施例7、8均成为○评价，因此暗示了，利用第2喷射材料的表面处理对提高工件表面的平滑性有效。

脱离了表1中的条件1～3的比较例1～6的任意者的评价成为×评价。另外，使第1喷射材料为球形的情况下(比较例7)，暗示了去除层叠痕迹的能力不足。

进一步，对利用第2喷射材料的表面处理的效果进行说明。光泽性和平滑性的评价均为△评价的条件1下进行了表面处理后、利用第2喷射材料进行了表面处理的实施例7、8的任意者的评价均成为○评价。暗示了利用第2喷射材料的表面处理对提高工件表面的光泽性和平滑性有利，对提高设计性有效。

利用第2喷射材料的表面处理中，脱离了前述范围(hv500～800、且该第2喷射材料碰撞到被处理面时的碰撞能量为9.6×10^-8～3.1×10^-6j)的情况下，低于该范围的比较例7中，光泽性和平滑性的评价成为△评价，高于该范围的比较例8的平滑性的评价成为△评价。这暗示了，无法充分得到利用第2喷射材料的表面处理的效果。另外，使第2喷射材料为各向异性形状的比较例10中，光泽性和平滑性的评价均成为×，暗示了通过该表面处理，设计性恶化。

[表2]

附图标记说明

1:表面处理装置

10:壳体

12:盖

14:存储料斗

16:处理台

18:喷嘴

18a:喷嘴保持件

18b:空气喷嘴

20:移动机构

22:基座

24:固定夹具

26:分离机构

w:工件

r:处理室

p:输送管

h1:空气软管

h2:喷射材料软管