JP2016216822A - ３ｄ構成要素上の付加製造 - Google Patents

Abstract

【課題】
既存の２Ｄ又は３Ｄ基材上に構造体を付加製造するための方法が提供すること。
【解決手段】
構成要素上に構造体を形成する方法は、第１の表面を有する構成要素を準備するステップと、第１の表面に粉体を付着させるステップと、指向性エネルギー源からビームを向けて、構造体の層に対応するパターンで粉体を溶融させるステップとを含む。前記構造体を層状様式で構築するために前記付着及び溶融ステップを周期的に繰り返すステップをさらに含んでもよい。前記付着及び溶融ステップを周期的に繰り返すステップは、溶融粉体及び未溶融粉体の両方を含む前記構成要素をもたらし、前記未溶融粉体を除去するステップをさらに含んでもよい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、一般的には付加製造方法に関し、より具体的には、２Ｄ又は３Ｄ構成要素上に構造体を形成する方法に関する。

付加製造は、材料を層ごとに積層して構成要素を形成する方法である。鋳物製造とは異なって、付加製造は、機械の位置分解能によってのみ制限され、鋳物製造が必要とするような抜き勾配を与えること、オーバーハングを回避する等の必須要件の制限がない。また、付加製造は、「積層製造」、「リバースマシニング」、「直接金属レーザ溶融」（ＤＭＬＭ）、及び「３Ｄプリンティング」等の用語で呼ばれる。これらの用語は、本発明において同義語として扱われる。

従来、付加製造は、粉体ベッドを発端とする粉体層の選択領域のレーザ溶融によって行われる。第１の層は、或るパターンに固められ、次に粉体が付加され、次に層の厚さを残して余分な粉体が除去され（一般に平面基準面に沿って削り取ることで）、粉体はパターンに基づいてレーザ溶融され、このステップが繰り返される。これは、２次元（２Ｄ）平面層だけの全体部分を構築する平面プロセスである。

完全構成要素の製造に有効であるが、このプロセスは、非平面又は３次元（３Ｄ）表面を有する基材上に構造体を構築するための柔軟性に欠ける。

従って、非平面の表面上に構造体を付加製造するためのプロセスに対するニーズが依然として存在する。

米国特許第８６３２３１１号明細書

前記のニーズは、本明細書に記載の技術によって対処され、既存の２Ｄ又は３Ｄ基材上に構造体を付加製造するための方法が提供される。

本技術の１つの態様において、構成要素上に構造体を形成する方法は、第１の表面を有する構成要素を準備するステップと、第１の表面に粉体を付着させるステップと、指向性エネルギー源からのビームを向けて、構造体の層に対応するパターンで粉体を溶融させるステップとを含む。

本技術の別の態様において、構成要素上に冷却経路を形成する方法は、第１の表面を有する構成要素を準備するステップと、第１の表面に粉体を付着させるステップと、指向性エネルギー源からのビームを向けて、予め定められたパターンで粉体を溶融させるステップと、構造体を層状様式で構築するために付着及び溶融ステップを周期的に繰り返すステップとを含み、構造体は、その間に少なくとも１つの開経路を定める相隔たる壁を含む。

本発明は、添付図面と共に以下の説明を参照することで最もよく理解することができる。

付加製造プロセスのブロック図。 例示的なタービン構成要素の概略断面図。 基材に形成された冷却孔を示す、図２のタービン構成要素の一部の概略図。 施工された付着剤を示す、図２のタービン構成要素の一部の概略図。 施工された粉体を示す、図２のタービン構成要素の一部の概略図。 溶融した粉体を示す、図２のタービン構成要素の一部の概略図。 施工の後段階を示す、図２のタービン構成要素の一部の概略図。 未溶融粉体を備える付加構造体を示す、図２のタービン構成要素の一部の概略図。 完成した付加構造体を示す、図２のタービン構成要素の一部の概略図。 図９の線１０−１０で切り取った図。 ガスタービンエンジン翼形部の一部の斜視図。 図１１の線１２−１２で切り取った図。 図１１の線１３−１３で切り取った図。 付加製造部の各層を示す、図１１の翼形部の一部の断面図。 図１４に示す付加製造部の他の断面図。

種々の図全体を通して同一の参照符号が同じ要素を表す図面を参照すると、図１は、付加製造プロセスの各ステップを示すフローチャートである。このプロセスは、既存の部品表面から始まる。用語「部品」は、別の方法で完成させた構成要素、並びに粗鋳造、素材、予備成形品等の未完成状態の部品、又は付加製造プロセスによって製造された部品の両方を指す。表面を、粉体材料の結合に対応するように適切に準備する（ブロック１００）。例えば、溶剤、フッ素イオン洗浄、グリッドブラスティング等によって汚染物質を除去すること及び／又は表面を粗面化することができる。

次に、粉体を表面に付着させる（ブロック１０２）。粉体は、付加製造のための任意の適切な材料とすることができる。例えば、粉体は、金属、ポリマー、有機、又はセラミック組成物とすることができる。

本明細書で用いる場合、「付着する」は、層を後続の粉体溶融プロセス時に所定位置に保持するだけの十分な結合強度で表面に付着させる何らかの方法を指す。「付着性」は、粉体が、従来の粉体ベッド式機械がもたらすような単純に自重の下で所定位置に置くことに優る結合又は連結を意味する。例えば、表面は、浸漬又は吹き付け等によって施工することができる付着製品でコーティングすることができる。適切な低コストの付着剤の非限定的な例は、米国ミネソタ州セントポール所在の３Ｍ Ｃｏｍｐａｎｙから入手できるＲｅｐｏｓｉｔｉｏｎａｂｌｅ ７５ Ｓｐｒａｙ Ａｄｈｅｓｉｖｅである。もしくは、粉体は、部品表面に対する静電気引力等の他の方法によって、又は粉体の磁化によって（部品が鉄の場合）付着させることができる。本明細書で用いる場合、用語「層」は、質量体の増加加算を指し、層が平坦であること、特定の領域をカバーすること、又は特定の厚さを有することを必要としない。

粉体は、表面上に滴下又は吹き付けによって、又は部品を粉体に浸漬することで施工することができる。随意的に、粉体の施工に続いて、必要に応じてブラッシング、スクラッピング、ブローイング、シェーキングによって余分な粉体を除去して（ブロック１０４）、例えば、均一な層を得る。粉体施工プロセスは、従来の粉体ベッド又は平坦な作業面を必要とせず、部品は単純な作業台、クランプ、又は固定具等の何らかの所望の手段で支持できることに留意されたい。

粉体が付着すると、所望のエネルギー源（例えばレーザ又は電子ビーム）を用いて、構築される構造体の層を溶融する（ブロック１０６）。指向性エネルギー源は、ビームを放射し、ビームステアリング装置を用いて、露出した粉体表面上に適切なパターンでビームを進める。粉体の露出層は、ビームによって溶融、流動、及び固結が可能になる温度まで加熱される。このステップは、粉体の溶融ステップと呼ぶことができる。

必要に応じて、溶融ステップの後には、何らかの未溶融粉体を除去する（例えば、ブラッシング、スクラッピング、ブローイング、又はシェーキングによって）ステップが続く（ブロック１０７）。このステップは随意的であり、特定の用途に対して必要な場合、必要ない場合、又は望ましい場合があることを意味する。

粉体の付着ステップ、余分な粉体の除去ステップ、その後、指向性エネルギーによる粉体の溶融ステップのサイクルは、全ての構成要素が完成するまで繰り返される（ブロック１０９）。

前述の全体的なプロセスは、所望の任意の形式の付加構造体を形成するために使用することができる。このプロセスは、ガスタービンエンジンの高温セクションの構成要素上に冷却構造体を形成するのに特に有用である。図２は、高圧タービンブレード又はノズルを代表する翼形部の構成を有する高温セクションの構成要素１０の例を示す。図示のように、構成要素１０は、外面１４及び内面１６を有する基材１２を備える。例えば、基材１２は、鋳造物とすることができる。冷却剤の供給のための非限定的な実施例において、基材１２の内面１６は、少なくとも１つの中空内部空間又はキャビティ１８を定める。付加構造体２０は、外面１４の少なくとも一部の上に構築されるか又はこれを取り囲む。構成要素１０は、微小経路とも呼ばれる複数の表面冷却経路２２を含む。表面冷却経路２２は、基材１２、特に基材１２及び付加構造体２０、又は完全に付加構造体２０に形成することができる。

構成要素１０は、従来から「超合金」として知られている良好な高温クリープ抵抗性を有するニッケル系合金又はコバルト系合金といった材料で作ることができる。

例示的な構成要素１０の外面１４は、非平面又は「３Ｄ表面」である。つまり、少なくとも１つの軸の周りで湾曲している。本明細書で説明するプロセスは、２Ｄ及び３Ｄ基材に対して同じように適用できる。

図３から１０は、前述のプロセスを用いて付加構造体２０を製造するプロセスにおける逐次ステップを例示する。最初に、基材１２を準備し、かつ必要に応じて外面１４を前処理する。

図３に示すように、必要に応じて、基材１２の壁を貫通して冷却剤供給孔２４を形成することができる。冷却剤供給孔２４は、後続のステップの間に粉体が進入するのを防ぐために適切な材料で塞ぐこと又は覆うことができる。プラグ２３が実施例として示されている。表面冷却経路２２を基材１２の一部に形成する場合、この経路２２は、鋳造物の一部として事前に組み込むか又は従来の機械加工プロセスによって形成することになる。図３−１０の実施例において、表面冷却経路２２は、付加構造体２０の内部に完全に形成される。

次に、粉体Ｐを外面１４に付着させる。例示的な実施例において、例えば浸漬又は吹き付けることで最初に付着剤２５を外面１４に施工し（図４）、次に、例えばノズル２８から粉体Ｐを滴下又は吹き付けることで付着剤の上に粉体Ｐを施工することによって、粉体Ｐを付着させる。余分な粉体Ｐは、表面を機械的にブラッシングすること、空気ジェットでブローイングすること、又は基材１２を揺動させることで除去することができる。図５は、粉体Ｐの層を付加した後の基材１２を示す。

本実施例において、粉体Ｐは、従来から「超合金」として知られている良好な高温クリープ抵抗性を有するニッケル系合金又はコバルト系合金といった材料で作ることができる。非限定的な実施例として、粉体層の厚さは、約１０マイクロメータ（０．０００４インチ）とすることができる。

図６に示すように、指向性エネルギー源３０（例えば、レーザ又は電子ビーム銃）を使用して、所望の構造体に相当する事前にプログラムされたパターンで粉体Ｐの層を溶融させることができる。指向性エネルギー源３０は、ビーム「Ｂ」を放射し、ビームステアリング装置を用いて、露出した粉体の表面上で適切なパターンでビームＢの焦点「Ｓ」を進める。粉体Ｐの露出層は、ビームＢによって溶融、流動、及び固結が可能になる温度まで加熱される。図６は、複数の壁３２の第１の層を形成するために使用されるビームＢを示す。隣接する壁３２の間の空間は表面冷却経路２２を規定する。表面冷却経路２２の各々は冷却剤供給孔２４のうちの１つに連通する。表面冷却経路２２は、例えば、底部は平坦ではなく、側壁は外向き又は内向きに角度付きとすることができる任意の形状とすることができることに留意されたい。

粉体を付着させるステップ及び粉体を溶融させるステップを繰り返して、層状様式の構造体を構築することができる。図７は、多数の層を施工した後の後続ステップを示し、表面冷却経路２２は、最大の半径方向高さ「Ｈ」に達している。本実施例において、未溶融粉体Ｐは、表面冷却経路２２に放置されており、後続の被覆を助けるように機能する。表面冷却経路２２内の未溶融粉体Ｐ並びにプラグ２３は、構造体が冷却剤供給孔２４又は表面冷却経路２２の上に構築されない場合、又は構造体が以下に説明する他の方法を用いて冷却剤供給孔２４の上に構築される場合は必要ないことに留意されたい。この状况では、何らかの未溶融粉体Ｐは、粉体を付着させて溶融させる各ステップの各サイクルにおいて空にすることができる。

前述の付加プロセスを継続することで表面冷却経路２２の上に被覆を形成することができる。図８は、表面冷却経路２２の上に形成された被覆３４を示す。被覆３４は、構成要素１０の外面３６を定める。被覆３４を形成した後で、表面冷却経路２２の中の残った未溶融粉体Ｐは、例えば、空気ジェット、真空抽出、化学的除去、流体流れ、及び／又は構成要素１０の揺動によって除去することができ（図１のブロック１１１参照）、図９及び１０に示すような完成した表面冷却経路２２が残る。

被覆３４は、複数の出口フィルム孔３８を含むことができる。出口フィルム孔３８は、図９では円形として、さらに図１０では外面３９に対して所定の角度を有するように示されているが、これらは非限定的な実施例であることに留意されたい。また、フィルム孔は、非円形形状とすること、及び被覆面に対して実質的に直交するか又は任意の角度となるように構成すること、又は随意的に様々な形状の出口及び入口を有することができ、例えば、従来から種々の形式のディフューザ出口が知られている。加えて、１つの実施形態において、出口フィルム孔３８は、表面冷却経路２２毎に１つのフィルム孔が対応する個別の特徴部として形成する必要はない。この実施例において、２つ以上の表面冷却経路２２を一緒に連続した出口特徴部に接続する、１又は２以上のフィルム溝を形成することができる。出口フィルム孔３８又は類似の開口は、付加プロセスの一部として形成すること、又は従来から公知の方法でもって後で機械加工することができる。

前述の付加的な被覆方法の別の方法として。表面冷却経路２２は、図７に示す開放経路の段階まで完成し、その後、従来から公知の方法を利用して被覆を形成することができる。

前述のように、付加製造プロセスは、層が平坦である必要はない。この点をさらに明示するために、図１１−１３は、任意の形状の層を用いて構築された構成要素、詳細には高圧タービン翼形部２００の先端部の例を示す。翼形部２００は、前縁２０６と後縁２０８の間で広がる、反対側の正圧側壁２０２及び負圧側壁２０４を含む。先端キャップ２１０は、翼形部２００の遠位端を閉鎖する。また、翼形部２００は、先端キャップ２１０から半径方向外向きに延びる壁を有するスクイーラチップ２１２を含む。スクイーラチップ２１２は、正圧側壁２０２及び負圧側壁２０４の外面から横方向外向きに延びかつ翼形部の外周の一部の周りで延びる張り出し部２１４を含む。

スクイーラチップ２１２は、本明細書の原理を用いて形成することができる構造体の実施例である。先端キャップ２１０並びに正圧側壁２０２及び負圧側壁２０４を含む翼形部の基材から始めて、スクイーラチップ２１２は、繰り返される前述の粉体の付着ステップ及び粉体の溶融ステップを使用して一連の層に構築することができる。図１４及び１５において、線２１６は、概して層を示す（層２１６の厚さは、例示目的で誇張されている）。層２１６が、最小の粉体及び処理時間での効率的な構築に必要な何らかの形状又はサイズを呈することが明らかである。例えば、スクイーラチップ２１２のコア部２１８は、複数の平らな層を含むことができるが、中間部２２０は複数の３次元被覆層を含み、遠位部２２２は、スクイーラチップ２１２の表面領域の一部の上のみに広がる３次元層を含む。

本明細書に記載のプロセスは、従来技術に対していくつかの利点を有する。付加製造プロセスは、従来の鋳造物に比べて非常に単純であり、構成要素を製作するために必要なプロセスステップが少ない。本明細書に記載の特定の方法では、大型粉体ベッドを使用することなく、低コストで既存の３Ｄ構成要素上に付加構造体を構築することが可能になる。

前記では、２Ｄ及び３Ｄ構成要素上に構造体を付加製造するための装置及び方法が記載されている。本明細書（何れかの添付の特許請求の範囲、要約書、及び図面を含む）で開示される特徴の全て、及び／又はそのように開示された何れかの方法又はプロセスのステップの全ては、このような特徴及び／又はステップの少なくとも一部が互いに排他的である組み合わせを除いて、あらゆる組み合わせで結合することができる。

本明細書（何れかの添付の特許請求の範囲、要約書、及び図面を含む）で開示される各特徴は、明示的に別途規定のない限り、同じ、等価の又は同様の目的を提供する代替の特徴で置き換えることができる。従って、明示的に別途規定のない限り、開示される各特徴は、一般的な一連の等価又は同様の特徴のうちの１つの実施例に過ぎない。

本発明は、上述の１又は複数の実施形態の詳細事項に限定されない。本発明は、本明細書（何れかの添付の特許請求の範囲、要約書、及び図面を含む）で開示される特徴のうちの何れかの新規の特徴又は何れかの新規の組み合わせ、又はこのように開示される何れかの方法又はプロセスのステップのうちの何れかの新規のステップ又は何れかの新規の組み合わせに拡張することができる。

本願発明は、以下の実施態様を含む。

［実施態様１］
構成要素上に構造体を形成する方法であって、
第１の表面を有する構成要素を準備するステップと、
前記第１の表面に粉体を付着させるステップと、
指向性エネルギー源からビームを向けて、前記構造体の層に対応するパターンで前記粉体を溶融させるステップと、
を含む方法。

［実施態様２］
前記構造体を層状様式で構築するために前記付着及び溶融ステップを周期的に繰り返すステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
である、請求項１に記載の方法。

［実施態様３］
前記付着及び溶融ステップを周期的に繰り返すステップは、溶融粉体及び未溶融粉体の両方を含む前記構成要素をもたらし、前記未溶融粉体を除去するステップをさらに含む、請求項２に記載の方法。

［実施態様４］
前記第１の表面は、非平面である、請求項１に記載の方法。

［実施態様５］
前記粉体は、
前記第１の表面に付着剤を施工するステップと、
前記付着剤に前記粉体を施工するステップと、
によって前記第１の表面に付着される、請求項１に記載の方法。

［実施態様６］
前記粉体が前記付着剤に施工された後で余分な粉体を除去するステップをさらに含む、請求項５に記載の方法。

［実施態様７］
前記構成要素は、金属合金で構成される、請求項１に記載の方法。

［実施態様８］
前記粉体は、金属合金で構成される、請求項１に記載の方法。

［実施態様９］
構成要素上に冷却経路を形成する方法であって、
第１の表面を有する構成要素を準備するステップと、
前記第１の表面に粉体を付着させるステップと、
指向性エネルギー源からビームを向けて、予め定められたパターンで前記粉体を溶融させるステップと、
前記構造体を層状様式で構築するために前記付着及び溶融ステップを周期的に繰り返すステップと、
を含み、
前記構造体は、その間に少なくとも１つの開経路を定める相隔たる壁を含む、方法。

［実施態様１０］
前記構成要素内に前記少なくとも１つの開経路と連通する少なくとも１つの冷却剤供給孔を形成するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。

［実施態様１１］
前記少なくとも１つの開経路にわたって延びる被覆を形成するステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。

［実施態様１２］
前記少なくとも１つの開経路に未溶融粉体を放置しておくステップと、
前記被覆を形成するステップと、
前記未溶融粉体を除去するステップと、
を含む、請求項１１に記載の方法。

［実施態様１３］
前記経路に連通する、前記被覆を貫通する少なくとも１つの出口フィルム孔を形成するステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。

［実施態様１４］
前記被覆は、
前記経路上に粉体を付着させるステップと、
指向性エネルギー源からのビームを向けて、前記被覆の層に対応するパターンで前記粉体を溶融させるステップと、
前記被覆を層状様式で構築するために前記付着及び溶融ステップを周期的に繰り返すステップと、
によって形成される、請求項１１に記載の方法。

［実施態様１５］
前記第１の表面は、非平面である、請求項９に記載の方法。

［実施態様１６］
前記粉体は、
前記第１の表面に付着剤を施工するステップと、
前記付着剤に前記粉体を施工するステップと、
によって前記第１の表面に付着される、請求項９に記載の方法。

［実施態様１７］
前記粉体が前記付着剤に施工された後で余分な粉体を除去するステップをさらに含む、請求項１５に記載の方法。

［実施態様１８］
前記構成要素は、金属合金で構成される、請求項９に記載の方法。

［実施態様１９］
前記粉体は、金属合金で構成される、請求項９に記載の方法。

１００ 基材を準備する
１０２ 粉体を付着させる
１０４ 余分な粉体を除去する
１０６ 粉体を溶融させる
１０７ 余分な粉体を除去する
１０９ 構築が完了？
１１１ 余分な粉体を除去する

Claims (15)

1. 構成要素上に構造体を形成する方法であって、
   第１の表面を有する構成要素を準備するステップと、
   前記第１の表面に粉体を付着させるステップと、
   指向性エネルギー源からビームを向けて、前記構造体の層に対応するパターンで前記粉体を溶融させるステップと、
   を含む方法。
2. 前記構造体を層状様式で構築するために前記付着及び溶融ステップを周期的に繰り返すステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
   である、請求項１に記載の方法。
3. 前記付着及び溶融ステップを周期的に繰り返すステップは、溶融粉体及び未溶融粉体の両方を含む前記構成要素をもたらし、前記未溶融粉体を除去するステップをさらに含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記第１の表面は、非平面である、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記粉体は、
   前記第１の表面に付着剤を施工するステップと、
   前記付着剤に前記粉体を施工するステップと、
   によって前記第１の表面に付着される、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記粉体が前記付着剤に施工された後で余分な粉体を除去するステップをさらに含む、請求項５に記載の方法。
7. 前記構成要素は、金属合金で構成される、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記粉体は、金属合金で構成される、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の方法。
9. 構成要素上に冷却経路を形成する方法であって、
   第１の表面を有する構成要素を準備するステップと、
   前記第１の表面に粉体を付着させるステップと、
   指向性エネルギー源からビームを向けて、予め定められたパターンで前記粉体を溶融させるステップと、
   前記構造体を層状様式で構築するために前記付着及び溶融ステップを周期的に繰り返すステップと、
   を含み、
   前記構造体は、その間に少なくとも１つの開経路を定める相隔たる壁を含む、方法。
10. 前記構成要素内に前記少なくとも１つの開経路と連通する少なくとも１つの冷却剤供給孔を形成するステップをさらに含む、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記少なくとも１つの開経路にわたって延びる被覆を形成するステップをさらに含む、請求項９又は１０に記載の方法。
12. 前記少なくとも１つの開経路に未溶融粉体を放置しておくステップと、
    前記被覆を形成するステップと、
    前記未溶融粉体を除去するステップと、
    を含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記経路に連通する、前記被覆を貫通する少なくとも１つの出口フィルム孔を形成するステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記被覆は、
    前記経路上に粉体を付着させるステップと、
    指向性エネルギー源からのビームを向けて、前記被覆の層に対応するパターンで前記粉体を溶融させるステップと、
    前記被覆を層状様式で構築するために前記付着及び溶融ステップを周期的に繰り返すステップと、
    によって形成される、請求項１１に記載の方法。
15. 前記第１の表面は、非平面である、請求項９乃至１４のいずれか１項に記載の方法。