JP2015165044A - 積層造形品 - Google Patents

Abstract

【課題】積層造形された物品の空洞又はアンダーカット領域を、積層造形シーケンス中に堆積された連続する層を支持することができ、かつ完成品内の空洞穴やアンダーカット領域の１以上の下側に向く表面を画成することができる、１以上の実質的に平面状の部材を含むことにより製造する物品の提供。【解決手段】物品２００は、３次元構造が得られるように表面２１５上に１種以上の材料からなる連続層を堆積することによって積層造形された１以上の第１の部分２２０と、第１の部分２２０に取り付けられた１以上の第２の部分２３０であって、実質的に平面状の部材を含んでいて、さらに１以上の下面２３２及び１以上の上面２３４を含む１以上の第２の部分２３０と、３次元構造が得られるように１以上の上面２３４上に１種以上の材料からなる連続層を堆積することによって積層造形された１以上の第３の部分２４０と、を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、広義には積層法を用いて製造された物品、特に、完成品に含まれる空洞又はアンダーカット領域の表面を画成し得る１以上の実質的に平面状の部材を含む積層造形品に関する。

積層造形（additive manufacturing）は、専用システムを用いて、一度に１つの層を造形し、物品を造形する方法である。より具体的には、粉末材料の層を基板上に堆積し、レーザーや電子線等の集束エネルギー源にさらすことによって溶融又は焼結させ、それによって粉末を固化して実質的に固体形態にすることができる。同一又は異なる粉末材料の連続層は、このように堆積され、固化されて、物品が製造される。これら連続する層の各々は、その前の層の表面領域を同一の収束エネルギー源にさらして溶融又は焼結することによって、その前の層に接合し得る。粉末材料の堆積及びエネルギー源の移動は、積層造形シーケンス中に高精度を達成するためコンピュータで制御し得る。

米国特許公開第２０１２／０２６０４９２号明細書

積層造形法を用いて、空洞、アンダーカット領域又はこれら両方を含む物品を製造することが有利な場合がある。これは、経費削減、時間短縮、歩留まりの向上、又は製造される物品のカスタマイズ化のための柔軟性の向上を理由とする。しかし、空洞及びアンダーカット領域の下向き表面は、上述の連続する層の堆積、固化、及び接合の際の変形を防止するため、通常、複雑な支持構造を必要とする。さらに、複雑な支持構造を除去することは困難であり、時間がかかる場合があり、除去後に、下側を向いた表面の表面仕上げが劣化する場合があり、又は支持構造にアクセスできないため、造形完了後に除去できない場合がある。

したがって、積層造形された物品の空洞又はアンダーカット領域は、積層造形シーケンス中に堆積された連続する層を支持することができ、かつ完成品内の空洞穴やアンダーカット領域の１以上の下側に向く表面を画成することができる、１以上の実質的に平面状の部材を含むことにより製造されることが望ましい。平面部材は、下向き表面に高品質な表面仕上げをもたらす積層造形法又は非積層造形法で形成し得る。

本発明の実施形態を以下に要約する。これらの実施形態は、クレームされた発明の範囲を限定することを意図するものではなく、これらの実施形態は、本発明の可能な形態の簡単な概要を与えることのみを意図している。また、本発明は、以下に記載された実施形態と同様の又は異なる種々の形態であって、特許請求の範囲に応じたものを含み得る。

本発明の第１の実施形態によれば、物品は、３次元構造が得られるように表面上に１種以上の材料からなる連続層を堆積することによって積層造形された１以上の第１の部分と、第１の部分に取り付けられた１以上の第２の部分であって、実質的に平面状の部材を含んでいて、さらに１以上の下面及び１以上の上面を有する１以上の第２の部分と、３次元構造が得られるように１以上の上面上に１種以上の材料からなる連続層を堆積することによって積層造形された１以上の第３の部分とを備える。

本発明の第２の実施形態によれば、物品の製造方法は、３次元構造が得られるように表面上に１種以上の材料からなる連続層を堆積することによって、１以上の第１の部分を準備するステップと、実質的に平面状の部材を含んでいて、さらに１以上の下面及び１以上の上面を含む１以上の第２の部分であって、１以上の第１の部分に取り付けられた１以上の第２の部分を準備するステップと、３次元構造が得られるように１以上の上面上に１種以上の材料からなる連続層を堆積することによって、１以上の第３の部分を準備するステップとを含む。

本発明の、これら及び他の特徴、態様、並びに利点が、添付の図面を参照して、以下の詳細な説明を読むことにより、より良く理解されるであろう。添付の図面では、特に断らない限り、同様の参照番号は、様々な図面を通して同様の部分を指す。

従来技術による物品の製造方法を示すブロック図である。 本発明の態様に係る物品の製造方法を示すブロック図である。 本発明の態様に係る製造された物品の断面図である。 図３の矢視４−４拡大断面図である。

以下、本発明の特定の実施形態について説明する。以下の説明は、添付の図面と併せて参照すると、当業者が、装置又はシステムの製造・使用及び方法の実施を始めとして、本発明を実施することができる程度の十分な詳細を与える。ただし、これらの実施形態を簡潔に説明するため、現実の実施に際してのあらゆる特徴について本明細書に記載しないこともある。また、本発明の複数の実施形態を組合せて用いてもよいし、別の形態で実施してもよく、本明細書に開示した実施形態のみに限定されると解釈すべきではない。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲に記載されており、その記載のみに基づいて限定され、当業者に自明の他の実施形態も包含する。

本明細書で用いる用語は、特定の実施形態を説明するためのものにすぎず、例示的な実施形態を限定するものではない。本明細書において、単数形で記載した構成要素及び工程は、明示されていない限り、複数の構成要素及び工程を除外するものではない。本発明の「一実施形態」という場合、その実施形態に記載された特徴をもつ別の実施形態が存在することを除外するものではない。

同様に、本明細書で用いる「備える」及び「含む」という用語は、記載された特徴、整数、工程、操作、構成要素及び／又は部品が存在していることを示すものであり、１以上の他の特徴、整数、工程、操作、構成要素、部品及び／又はそれらの群の存在又は追加を除外するものではない。本明細書で用いる「及び／又は」という用語は、列挙されたもののいずれかもしくはすべて、或いは列挙された１以上のものの組合せを含む。

本明細書で用いられる幾つかの用語は読者の便宜を図るためのものであり、本発明の技術的範囲を限定するものと解すべきではない。例えば、「上側」、「下側」、「左」、「右」、「前」、「後」、「上」、「下」、「水平」、「垂直」、「上流」、「下流」、「前方」、「後方」などの用語は、それ以上の限定を付さずに用いる場合、様々な図に示す具体的構成を説明するためのものにすぎない。同様に、「第１」、「第２」、「一次」、「二次」などの用語も、それ以上の限定を付さずに用いる場合、ある構成要素を他の構成要素から区別するためのものにすぎず、標記の構成要素を限定するものではない。

ここで図面を参照するが、特記しない限り、図面を通して同様の符号は同様の部材を示す。図１は、本発明の態様に係る物品を製造するための従来技術の方法１０を示すブロック図である。積層造形法及びシステムを用いて造形される物品の構成は、コンピュータを用いて定義される（ブロック２０）。構成の定義は、積層造形システムで使用できるように、その後変更されてもよい。本明細書で用いる「積層造形」という用語は、物品が、ある材料層を別の材料層の上に堆積し、固化し、材料の連続層を接合することにより造形される方法を説明するものであると理解されるべきであり、用語「積層造形システム」は、密閉室又は他の適切な空間内で、材料の連続層を堆積し、固化し、接合するための手段を説明するものであると理解されるべきである。第１の材料層を、積層造形システムによって実質的に平面状の基板上に堆積することができる（ブロック３０）。この材料は、粉末の形態であってもよく、積層造形システムを用いて物品を造形するための任意の適切な組成のものであり得る。１以上のエネルギー源が、第１の材料層を固化し、かつ第１の材料層を基板に接合するために使用されてもよい（ブロック４０）。エネルギー源は、レーザー又は電子ビームの形態で集束されていてもよく、ビームはコンピュータを用いて、材料層上に向けられ得る。その後、処理は、物品が実質的に完成するまで、材料の連続層が堆積され、固化され、互いに対して接合されるように繰り返される（ブロック５０）。

図２は、本発明の態様に係る物品の製造方法１００を示すブロック図である。物品の第１の部分は、図１で概説した方法による積層造形システムを用いて造形することができる（ブロック１１０）。積層造形法は、構成において、所定の場所で終了又は中断し得る。任意の適切な組成の第２の部分が、任意の適切な積層法又は非積層法、例えば、機械加工、プレス加工、鍛造、圧延、キャスティング等を用いて準備され得、又第１の部分に実質的に接するように配置されるように、第１の部分上に置かれ得る（ブロック１２０）。第１の部分はまた、積層造形システムを用いて造形される、第２の部分を配置することを助けるためのポケットや突起等の、特定の特徴を含み得る。第２の部分を第１の部分に接合するために、１以上のエネルギー源を用いてもよい（ブロック１３０）。これは、第１の部分の積層造形に用いたものと同じエネルギー源であってもよいし、異なるエネルギー源であってもよい。物品の第３の部分は、図１で概説した方法に従って、積層造形システムを用いて造形し得る。第３の部分の第１の層は、図１の基板と同様に、第２の部分上に堆積し、第２の部分に接合し得る（ブロック１４０）。図２に概略的に記載されている方法は、完全な物品を製造するのに必要な回数繰り返すことができる。

図３は、本発明の態様によって製造された物品の断面図である。表面２１５を有する実質的に平面状の基板２１０は、積層造形システム（図示せず）に含まれる密閉室又は他の適切な空間内に配置し得る。物品の第１の部分２２０は、図１及び図２に概略を示す方法に従って、積層造形システムを用いて表面２１５上に造形し得る。ここで、造形方向は、概略的に矢印２２２で示す。次に、物品の第２の部分２３０を、図２に概説された方法に従って、第１の部分上に配置し、第１の部分に接合する。この図では、第２の部分は、下面２３２及び上面２３４を含んでいる。次に、下面２３２が、物品内の下側に向く表面を形成するように、物品の第３の部分２４０を、図１及び図２に概略的に記載された方法に従って、積層造形システムを用いて上面２３４上に造形し得る。

例示的な実施形態では、第１及び第３の部分の組成物は、粉末の形態の３１０型ステンレス鋼合金である。積層造形システムを用いて堆積した材料層は、約２０μｍ・約６０μｍの厚さを有し、その結果、造形方向２２２に対する表面の向きに応じて、約１０μｍ超の表面仕上げとなる。第２の部分の組成は、鍛造型３０４型ステンレス鋼合金であり、約３・約５μｍの表面仕上げに加工される。下向き表面２３２の仕上げ精度は、第１の部分及び第３の部分の仕上げよりも実質的に高い。

図４は図３の矢視４−４物品の拡大断面図である。第２の部分２３０は、溶接方法を用いて第１の部分２２０に金属接合されていてもよい。ここで、ワイヤ状、粉末状又は他の適した形態の溶接材料２５０が、第１の部分と第２の部分との間のギャップ２６０内に配置されていてもよいし、溶接素子が溶融して、第１及び第２の部分との間に高強度の接合部を生成するように、エネルギー源（図示せず）が適用し得る。例示的な実施形態では、第１の部分及び第２の部分を結合するために、直径が約０．０３５インチ（約０．８９ｍｍ）と測定される３１０型ステンレス鋼合金固体溶接棒を用いたガスタングステンアーク溶接方法が用いられる。また、エネルギー源は、第１の部分の積層造形時と同じであってもよいし、異なるエネルギー源であってもよい。

当業者は、第１及び第２の部分との間に高強度の接合部を生成するための他の公知の方法を用いることができることを理解するであろう。一実施形態では、第２の部分２３０は、ろう付け法を用いて、第１の部分２２０と金属接合し得る。ここで、溶接材料２５０をギャップ２６０に配置してもよく、第１及び第２の部分との間に高強度の接合部を生成するために、エネルギー源を適用することができる。別の実施形態（図示せず）では、第２の部分２３０は、拡散接合等の固体状態法を用いて第１の部分２２０に金属接合されていてもよい。ここで、第１の部分と第２の部分とは、直接接触しており、追加の要素を使用せずに、第１の部分と第２の部分との間に高強度の接合部を生成するために、エネルギー源を適用してもよい。さらに別の実施形態（図示せず）では、第２の部分２３０は、摩擦溶接又はイナーシャ溶接のような固体状態法を用いて第１の部分２２０に金属接合されていてもよい。ここで、第１の部分と第２の部分とは、直接接触しており、追加の要素を使用せずに、第１の部分と第２の部分との間に高強度の接合部を生成するために、互いに対して高速に移動させられる。エネルギー源を必要とするすべての実施形態では、エネルギー源は、第１の部分の積層造形時と同じであってもよいし、異なるエネルギー源であってもよい。

必要であれば、第２の部分２３０は、熱的、化学的又は機械的処理を用いて、完成品から除去し得る。例示的な実施形態では、第２の部分は、第１の部分に置かれ、第１の部分に接合される前に、ＢＮｉ−９等の、高ニッケルろう付け合金で被覆される。完成品は、積層造形システムから除去され、適切な雰囲気を有し、コーティングを溶融させるのに適当な時間、約２０５０°Ｆ（約１１２１℃）で動作するするろう付け炉中に配置される。それによって、第２の部分を解放する。

以上説明したように、本発明は、１以上の空洞又はアンダーカット領域を含む積層造形された物品を想定しており、１以上の実質的に平面状の部材が、製造シーケンス中に堆積された連続する層を支持するために含まれてもよく、かつ完成品内の空洞又はアンダーカット領域の１以上の下向き表面を画成してもよい。平面部材は、下向き表面に高品質な表面仕上げをもたらす積層造形法又は非積層造形法で形成し得る。

本明細書では、最良の形態を含めて、特定の実施形態について例示・説明してきたが、本明細書に開示した実施形態に対する追加、削除及び修正であって、特許請求の範囲の意味及び技術的範囲に属する追加、削除及び修正で、開示した特定の実施形態を置き換えることができることは当業者には明らかであろう。同様に、本発明の技術的思想又は技術的範囲から逸脱せずに、本発明の別の実施形態を想到することもできる。かかる別の実施形態は、特許請求の範囲の記載と文言上差異のない構成要素を有しているか、或いは特許請求の範囲の記載と文言上実質的な差異のない均等な構成要素を有していれば、特許請求の範囲の技術的範囲に属する。同様に、例示したシステム部品は、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、システム部品を、本明細書に記載した別の部品から独立して別々に利用することもできる。例えば、本明細書に記載した部品及びアセンブリは、任意の適当な数及び構成の段落、ディスク及びシャフトを有する、いかなる好適なタイプのガスタービン、航空機エンジン、その他のターボ機械にも使用することができ、いずれも特許請求の範囲の意味及び技術的範囲に属する。

２００ 物品
２１０ 基板
２１５ 表面
２２０ 第１の部分
２３０ 第２の部分
２３２ 下面
２３４ 上面
２４０ 第３の部分
２５０ 溶接材料
２６０ ギャップ

Claims (18)

1. ３次元構造が得られるように表面上に１種以上の材料からなる連続層を堆積することによって積層造形された１以上の第１の部分と、
   第１の部分に取り付けられた１以上の第２の部分であって、実質的に平面状の部材を含んでいて、さらに１以上の下面及び１以上の上面を含む１以上の第２の部分と、
   ３次元構造が得られるように前記１以上の上面上に１種以上の材料からなる連続層を堆積することによって積層造形された１以上の第３の部分と
   を備える物品。
2. １以上の第１の部分が金属を含む、請求項１記載の物品。
3. １以上の第２の部分が金属を含む、請求項１記載の物品。
4. １以上の第３の部分が金属を含む、請求項１記載の物品。
5. １以上の第２の部分が非積層造形法で形成される、請求項１記載の物品。
6. 前記１以上の下面が、完成品内の下向き表面を含む、請求項１記載の物品。
7. 前記１以上の下面の仕上げが約１０μｍ未満である、請求項６記載の物品。
8. １以上の第２の部分が１以上の第１の部分に金属接合される、請求項１記載の物品。
9. １以上の第２の部分が完成品から除去できる、請求項１記載の物品。
10. 物品の製造方法であって、
    ３次元構造が得られるように表面上に１種以上の材料からなる連続層を堆積することによって１以上の第１の部分を準備するステップと、
    実質的に平面状の部材を含んでいて、さらに１以上の下面及び１以上の上面を含む１以上の第２の部分であって、１以上の第１の部分に取り付けられた１以上の第２の部分を準備するステップと、
    ３次元構造が得られるように前記１以上の上面上に１種以上の材料からなる連続層を堆積することによって１以上の第３の部分を準備するステップと
    を含む方法。
11. １以上の第１の部分が金属を含む、請求項１０記載の方法。
12. １以上の第２の部分が金属を含む、請求項１０記載の方法。
13. １以上の第３の部分が金属を含む、請求項１０記載の方法。
14. １以上の第２の部分が、機械加工、プレス加工、鍛造、圧延及び鋳造からなる群から選択される非積層造形法で形成される、請求項１０記載の方法。
15. １以上の下面が、完成品内の１以上の下向き表面を含む、請求項１０記載の方法において、
16. １以上の下面の仕上げが約１０μｍ未満である、請求項１５記載の方法。
17. １以上の第２の部分を１以上の第１の部分に金属接合するステップをさらに含む、請求項１０記載の方法。
18. １以上の第２の部分を完成品から除去するステップをさらに含む、請求項１０記載の方法。