JP2017207035A - ラティス構造 - Google Patents

Abstract

【課題】軽量化と機械特性との両立を可能とするラティス構造を提供する。【解決手段】ラティス構造１０は、互いに平行に配置され、第１の軸線Ｌ１１をそれぞれ有する複数の第１の管状部１１と、互いに平行に配置され、第２の軸線Ｌ１２をそれぞれ有する複数の第２の管状部１２と、互いに平行に配置され、第３の軸線Ｌ１３をそれぞれ有する複数の第３の管状部１３と、を備え、第１の管状部１１と第２の管状部１２と第３の管状部１３とが互いに交差して一体化されている。【選択図】図２

Description

本発明は、ラティス構造に関する。

特許文献１には、三次元構造部品に適用されるラティス構造が記載されている。このラティス構造は、１つの仮想的な面に設けられた第１の要素と、この仮想的な面に第１の要素と一体に設けられ、第１の要素と交差する第２の要素と、を備えている。各要素は、円柱形状などの柱状を呈している。

特開２０１５−９３４６１号公報

上記のようなラティス構造を適用する三次元構造部品には、軽量化が求められている。しかしながら、各要素の断面寸法、長さ等を適宜変更することによって対応すると、軽減される重量に対して機械特性の低下が大きくなり、所望の機械特性を保ちつつ軽量化を図ることが難しい。

本発明は、軽量化と機械特性との両立を可能とするラティス構造を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係るラティス構造は、互いに平行に配置され、第１の軸線をそれぞれ有する複数の第１の管状部と、互いに平行に配置され、第１の軸線に直交する第２の軸線をそれぞれ有する複数の第２の管状部と、互いに平行に配置され、第１の軸線および第２の軸線の両方にそれぞれ直交する第３の軸線をそれぞれ有する複数の第３の管状部と、を備え、第１の管状部と第２の管状部と第３の管状部とが互いに交差して一体化されている。

このラティス構造は、直交する３つの方向に延びる３種類の管状部がつなぎ合わされたような形状をなしている。管状部の内部は中空であるため、軽量化が図られている。これらの管状部が互いに交差して一体化されているため、交差部では、たとえばあらゆる方向に対する強度が増しており、また体積弾性率等を大きくすることができる。よって、このようなラティス構造では、軽量化と機械特性との両立が可能である。このラティス構造を用いて装置や機械等の部品を製造すると、それらの装置や部品等の軽量化が図られ、しかも所望の強度や体積弾性率を実現することができる。ラティス構造を金属積層造形装置（３Ｄプリンタ）によって成形する場合には、管状部の中空部が粉末除去穴となり、粉末除去が可能である。

いくつかの態様において、第１の管状部と第２の管状部と第３の管状部とが交差する交差部には、各管状部の厚みよりも大きい厚みを有する肉厚部が設けられている。管状部が交差する交差部では、形状の不連続性により、機械特性が劣り得る。しかし、この交差部に肉厚部が設けられることにより、優れた機械特性が維持され得る。

いくつかの態様において、肉厚部は、第１の軸線と第２の軸線と第３の軸線との交差点を基準として、第１の軸線、第２の軸線、または第３の軸線に対して４５°をなす方向に設けられている。第１の管状部、第２の管状部、および第３の管状部は、直交する３つの方向に延びているので、その３つの方向に関しては優れた機械特性を発揮し得る。３つの軸線の交差点を基準として４５°の方向に肉厚部が設けられていると、その３つの方向のみならず、他の方向に関しても、ラティス構造の機械特性が向上し得る。

いくつかの態様において、肉厚部は、交差部の内面側に設けられた膨出部を含む。この場合、内面側の膨出部によって、ラティス構造の機械特性が向上し得る。

いくつかの態様において、肉厚部は、交差部の外面側に設けられた隅肉部を含む。この場合、外面側の隅肉部によって、ラティス構造の機械特性が向上し得る。

いくつかの態様において、第１の管状部、第２の管状部、および第３の管状部は、いずれも円筒状である。円筒状の管状部によれば、どの方向に対しても均一な強度を発揮し得る。

本発明のいくつかの態様によれば、軽量化と機械特性との両立が可能である。

本発明の一実施形態に係るラティス構造が適用されたファン翼を示す斜視図である。 一実施形態に係るラティス構造の斜視図である。 図２のラティス構造の正面図である。 図２のラティス構造の左側面図である。 図２のラティス構造の平面図である。 図２のＶＩ−ＶＩ線に沿った端面図である。 図２のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿った端面図である。 図６の一部を拡大した端面図である。 本発明の一実施形態に係るラティス構造が適用されたタービン翼を示す斜視図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。なお、ラティス構造の背面図は、図３の正面図と対称につき省略されている。ラティス構造の右側面図は、図４の左側面図と対称につき省略されている。ラティス構造の底面図は、図５の平面図と対称につき省略されている。

まず、図１および図２を参照して、本実施形態のラティス構造１０の概要について説明する。ラティス構造１０は、たとえば、図１に示されるファン翼１の製造に適用される微細ラティス構造である。ファン翼１は、たとえば航空エンジンの一部品である。ファン翼１は、ベース部３と、ベース部３上に設けられた翼部２とを含む。ラティス構造１０は、図２に示される構造をなしているが、ラティス構造として、図２に示される構造が繰り返されていてもよく、図２に示される構造の一部が欠如していてもよい。ラティス構造１０によって製造され得るファン翼１等の部品は、複雑な３次元形状を有する場合が多い。そのような場合、図２に示される構造が上下左右に多数繰り返された（多数連結された）構造体において、その表面が３次元形状に応じた形状をなすように、構造体が成形され得る。言い換えれば、図２には、ラティス構造の一単位が抜き出されて示されている。構造体の内部および表面の一部分は図１に示される対称な構造をなし得るが、構造体の表面の他の部分は、図１に示される構造の一部が欠如した非対称な構造（たとえば一部の面のみが曲面である等）をなし得る。

ファン翼１は、ラティス構造１０からなる構造体をスキンと呼ばれる部材で覆うことにより製造され得る。したがって、スキンが設けられた状態では、ラティス構造１０は露出しない。ファン翼１において、スキンが設けられない領域があってもよい。その場合、スキンが設けられない領域には、ラティス構造１０は露出する。

ラティス構造１０は、たとえば金属製である。ラティス構造１０は、たとえば鉄からなってもよい。ラティス構造１０は、たとえばチタン６４合金からなってもよい。ラティス構造１０は、たとえばインコネル（登録商標）等のニッケル基超合金からなってもよい。ラティス構造１０は、他の金属からなってもよい。

ラティス構造１０が金属製である場合、ラティス構造１０は、金属積層造形装置によって造形され得る。金属積層造形装置は、付加製造技術（Additive Manufacturing）が適用された装置であり、いわゆる３Ｄプリンタである。金属積層造形装置では、粉末床溶融結合（Powder bed fusion）が採用され得る。粉末床溶融結合方式の代表的なものとしては、レーザを用いて粉末を溶融させるレーザ溶融法と、電子ビーム（ＥＢ）を用いて粉末を溶融させる電子ビーム溶融法の２種類が挙げられる。本実施形態のラティス構造１０は、電子ビーム溶融法で製造され得る。なお、ラティス構造１０は、レーザ溶融法によって製造されてもよい。

ここで、金属積層造形装置の概要について説明する。金属積層造形装置は、たとえば、作業台と、材料である金属粉末のベッドを作業台上に形成する粉末ディスペンサと、粉末にエネルギを与えて粉末を溶融する電子銃とを備える。金属積層造形装置は、粉末ベッドの一部の領域にある粉末を、熱エネルギによって選択的に溶融結合させる。金属積層造形装置は、作業台上に、立体製品の各断面を構成する各層を順次形成し、所望の形状の立体製品を造形する。造形後、造形物の周囲や内部に残った粉末は、除去される。一般に、上記したレーザ溶融法では、仮焼結が行われないため、粉末は流動性があり、容易に除去され得る。一方、電子ビーム溶融法では、予熱工程による仮焼結が行われるため、粉末は除去されにくい。しかしながら、ラティス構造１０では、粉末の除去は容易になっている。電子ビーム溶融法で造形した造形物から粉末を除去するには、ブラスタを用いたブラスト処理が行われる。

なお、ラティス構造１０は、金属製である場合に限られない。ラティス構造１０は、たとえば樹脂製であってもよい。ラティス構造１０は、たとえば熱可塑性樹脂からなってもよい。ラティス構造１０は、たとえば光硬化樹脂からなってもよい。ラティス構造１０が樹脂製である場合、ラティス構造１０は、たとえば、３Ｄプリンタにおける造形方法である熱溶解積層法（ＦＤＭ（登録商標）法）によって造形され得る。

ラティス構造１０の材質に関わらず、３Ｄプリンタによれば、あらゆる３次元形状のファン翼１が造形され得る。ファン翼１の形状は、図１に示される形状に限られない。ファン翼１の形状は自在に変更可能である。

図２〜図５を参照して、ラティス構造１０の詳細について説明する。ラティス構造１０は、直交する３つの方向、すなわちＸ方向、Ｙ方向、およびＺ方向にそれぞれ延びる３種類の管状部１１、１２、および１３を備える。ラティス構造１０は、これらの管状部１１、１２、および１３がつなぎ合わされたような形状をなしている。管状部１１、１２、および１３が中空であり、また間隔をおいて配置されているため、ラティス構造１０は、たとえば８０％程度の空隙率を有する。これにより、ラティス構造１０の軽量化が図られている。ラティス構造１０は、以下に詳述する構成により、機械特性にも優れる。

ラティス構造１０は、複数の第１の管状部１１と、複数の第２の管状部１２と、複数の第３の管状部１３とを備える。第１の管状部１１、第２の管状部１２、および第３の管状部１３は、たとえば、いずれも円筒状である。

図３に示されるように、第１の管状部１１は、円筒状の管壁１１ａと、管壁１１ａ内に形成された中空部１１ｂとを含む。第１の管状部１１の中心軸線である第１の軸線Ｌ１１は、Ｘ方向に延びている。図４に示されるように、第２の管状部１２は、円筒状の管壁１２ａと、管壁１２ａ内に形成された中空部１２ｂとを含む。第２の管状部１２の中心軸線である第２の軸線Ｌ１２は、Ｙ方向に延びている。図５に示されるように、第３の管状部１３は、円筒状の管壁１３ａと、管壁１３ａ内に形成された中空部１３ｂとを含む。第３の管状部１３の中心軸線である第３の軸線Ｌ１３は、Ｚ方向に延びている。

図２〜図５に示されるように、第１の管状部１１の管壁１１ａと、第２の管状部１２の管壁１２ａと、第３の管状部１３の管壁１３ａとは、同じ外径および同じ内径を有する。管壁１１ａ、管壁１２ａ、および管壁１３ａの外径は、一例として、１０ｍｍ程度である。管壁１１ａ、管壁１２ａ、および管壁１３ａの外径は、これに限られない。

複数の第１の管状部１１は、互いに平行に配置されている。すなわち、複数の第１の管状部１１は、第１の軸線Ｌ１１が平行となるように配置されている。複数の第２の管状部１２は、互いに平行に配置されている。すなわち、複数の第２の管状部１２は、第２の軸線Ｌ１２が平行となるように配置されている。複数の第３の管状部１３は、互いに平行に配置されている。すなわち、複数の第３の管状部１３は、第３の軸線Ｌ１３が平行となるように配置されている。

隣り合う２本の第１の管状部１１は、Ｙ方向またはＺ方向に離間している。隣り合う２本の第２の管状部１２は、Ｘ方向またはＺ方向に離間している。隣り合う２本の第３の管状部１３は、Ｘ方向またはＹ方向に離間している。これらの離間距離は、いずれも等しい。第２の管状部１２間の間隔と第３の管状部１３間の間隔とによって、Ｘ方向に延びる第１の空洞部２０ｘ（図３参照）が形成されている。第１の管状部１１間の間隔と第３の管状部１３間の間隔とによって、Ｙ方向に延びる第２の空洞部２０ｙ（図４参照）が形成されている。第１の管状部１１間の間隔と第２の管状部１２間の間隔とによって、Ｚ方向に延びる第３の空洞部２０ｚ（図５参照）が形成されている。

第１の管状部１１と、第２の管状部１２と、第３の管状部１３とは互いに交差している。すなわち、ラティス構造１０は、複数の交差部１５（図２参照）を含む。各交差部１５において、第１の軸線Ｌ１１と第２の軸線Ｌ１２と第３の軸線Ｌ１３とは、互いに直交している。言い換えれば、第１の軸線Ｌ１１と第２の軸線Ｌ１２と第３の軸線Ｌ１３とは、格子状に配列されている。

図６は、図２のＶＩ−ＶＩ線に沿った端面図である。図６に示されるように、第１の管状部１１と第２の管状部１２と第３の管状部１３との交差部１５の内部には、交差空間Ｓが形成されている。この交差空間Ｓは、中空部１１ｂと中空部１２ｂと中空部１３ｂとが重なり合った領域である。交差空間Ｓには、Ｘ方向、Ｙ方向、およびＺ方向における側壁は存在しない。

図６に示されるように、交差部１５には、交差空間Ｓに向けて突出するように形成された複数の膨出部１６が設けられている。膨出部１６は、交差部１５の内面側に設けられている。交差部１５には、交差部１５の内周を縁取るように膨出部１６が設けられている。また、図８に示されるように、交差部１５には、直交する管壁１１ａおよび管壁１３ａ（管壁１１ａおよび管壁１２ａ、および、管壁１２ａおよび管壁１３ａ）の外周面の谷部に隅肉部１７が設けられている。隅肉部１７は、交差部１５の外面側に設けられている。交差部１５には、交差部１５の外周を縁取るように隅肉部１７が設けられている。

これらの膨出部１６および隅肉部１７は、管壁１１ａ、管壁１２ａ、および管壁１３ａに対して厚みが付加された部分である。すなわち、膨出部１６および隅肉部１７が設けられた部分は、管壁１１ａ、管壁１２ａ、および管壁１３ａのそれぞれの厚みよりも大きい厚みを有する肉厚部１８とされている。１つの肉厚部１８は、内面側と外面側で対とされた１つの膨出部１６および１つの隅肉部１７を含む。

一方で、図７に示されるように、交差部１５以外の領域、すなわち第１の管状部１１、第２の管状部１２、または第３の管状部１３が他の管状部と交差せずに単独で存在する領域には、肉厚部１８は設けられていない。

図８を参照して、肉厚部１８についてより詳細に説明する。膨出部１６および隅肉部１７は、第１の軸線Ｌ１１と第２の軸線Ｌ１２と第３の軸線Ｌ１３との交差点（軸線が交差してなる格子点）を基準として、第３の軸線Ｌ１３に対して４５°をなす方向に設けられている。膨出部１６および隅肉部１７は、当該交差点を基準として、第１の軸線Ｌ１１に対して４５°をなす方向に設けられている。なお、図８では、簡単のために第１の軸線Ｌ１１の図示は省略されている。

また、膨出部１６が設けられた部分では、管壁１３ａは、もっとも狭い最小内径ｄを有する。最小内径ｄは、膨出部１６が設けられない領域における内径Ｄよりも小さい。管壁１３ａと管壁１３ａとの中心間距離Ｐに対して、最小内径ｄは、たとえば３０〜５０％である。より好ましくは、最小内径ｄは、中心間距離Ｐに対して３５〜４５％であってもよい。更に好ましくは、最小内径ｄは、中心間距離Ｐに対して４０％であってもよい。中心間距離Ｐ、内径Ｄ、および最小内径ｄは、機械特性および粉末除去の容易性を考慮して、適宜決定され得る。

以上説明した本実施形態のラティス構造１０によれば、第１の管状部１１、第２の管状部１２、および第３の管状部１３の内部は中空であるため、軽量化が図られている。第１の管状部１１、第２の管状部１２、および第３の管状部１３が互いに交差して一体化されているため、交差部１５では、たとえばあらゆる方向に対する強度が増しており、また体積弾性率等が大きくなっている。特に、交差部１５には膨出部１６と隅肉部１７とが設けられているため、交差部１５における強度および体積弾性率等が大きくなっている。このようなラティス構造１０では、軽量化と機械特性とが両立されている。このラティス構造１０を用いてファン翼１等を製造すると、その軽量化が図られ、しかも所望の強度や体積弾性率を実現することができる。たとえば、従来のいわゆる直交ラティス構造と体積弾性率で比較した場合、本実施形態のラティス構造１０では約１７０％（７割増）の体積弾性率が得られることがわかっている。しかも、交差部１５の内周を縁取るようにして膨出部１６が設けられ、交差部１５の外周を縁取るようにして隅肉部１７が設けられているため、圧縮方向のみならず、せん断方向の強度が高められている。ラティス構造１０を３Ｄプリンタによって成形する場合には、第１の管状部１１、第２の管状部１２、および第３の管状部１３の中空部が粉末除去穴となり、粉末除去が可能である。電子ビーム溶融法を採用する場合であっても、中空部１１ｂ、中空部１２ｂ、および中空部１３ｂはすべて連通しているため、ブラスト処理による粉末の除去は容易である。

第１の管状部１１、第２の管状部１２、および第３の管状部１３が交差する交差部１５では、形状の不連続性により、機械特性が劣り得る。しかし、この交差部１５に肉厚部１８が設けられることにより、優れた機械特性が維持されている。

第１の管状部１１、第２の管状部１２、および第３の管状部１３は、直交する３つの方向（Ｘ、Ｙ、Ｚ方向）に延びているので、その３つの方向に関しては優れた機械特性を発揮し得る。さらに第１の軸線Ｌ１１、第２の軸線Ｌ１２、および第３の軸線Ｌ１３の交差点を基準として４５°の方向に肉厚部１８が設けられていると、その３つの方向のみならず、他の方向に関しても、ラティス構造１０の機械特性が向上し得る。

内面側の膨出部１６によって、ラティス構造１０の機械特性が向上している。膨出部１６のようなオーバーハング部は、仮焼結を行わないレーザ溶融法では造形するのが難しいが、仮焼結を行う電子ビーム溶融法では、膨出部１６は容易に造形可能である。

外面側の隅肉部１７によって、ラティス構造１０の機械特性が向上している。

円筒状の管状部１１、１２、および１３によれば、どの方向に対しても均一な強度が発揮され得る。

以上、本実施形態のラティス構造１０について説明したが、本発明は上記実施形態に限られない。たとえば、ラティス構造１０はファン翼１に適用される場合に限られず、図９に示されるベース部１０１と羽根部１０２とを含むタービン翼１００に適用されてもよい。ラティス構造１０が適用される部品の種類、形状、大きさは限定されない。

第１の管状部１１と、第２の管状部１２と、第３の管状部１３とにおいて、外径または内径が異なってもよい。隣り合う２本の管状部は離間していなくてもよい。すなわち、隣り合う２本の管状部は当接していてもよい。管状部は、円筒状に限られない。管状部は、断面が矩形の筒状（角筒状）であってもよく、断面が楕円状であってもよい。断面が矩形である場合に、矩形の角部が丸みを帯びていてもよい。膨出部１６と隅肉部１７のいずれか一方が省略されてもよい。肉厚部１８が省略されてもよい。

１ ファン翼
１０ ラティス構造
１１ 第１の管状部
１１ａ 管壁
１２ 第２の管状部
１２ａ 管壁
１３ 第３の管状部
１３ａ 管壁
１５ 交差部
１６ 膨出部
１７ 隅肉部
１８ 肉厚部
１００ タービン翼
Ｌ１１ 第１の軸線
Ｌ１２ 第２の軸線
Ｌ１３ 第３の軸線

Claims (6)

1. 互いに平行に配置され、第１の軸線をそれぞれ有する複数の第１の管状部と、
   互いに平行に配置され、前記第１の軸線に直交する第２の軸線をそれぞれ有する複数の第２の管状部と、
   互いに平行に配置され、前記第１の軸線および前記第２の軸線の両方にそれぞれ直交する第３の軸線をそれぞれ有する複数の第３の管状部と、を備え、
   前記第１の管状部と前記第２の管状部と前記第３の管状部とが互いに交差して一体化されている、ラティス構造。
2. 前記第１の管状部と前記第２の管状部と前記第３の管状部とが交差する交差部には、各管状部の厚みよりも大きい厚みを有する肉厚部が設けられている、請求項１に記載のラティス構造。
3. 前記肉厚部は、前記第１の軸線と前記第２の軸線と前記第３の軸線との交差点を基準として、前記第１の軸線、前記第２の軸線、または前記第３の軸線に対して４５°をなす方向に設けられている、請求項２に記載のラティス構造。
4. 前記肉厚部は、前記交差部の内面側に設けられた膨出部を含む、請求項２または３に記載のラティス構造。
5. 前記肉厚部は、前記交差部の外面側に設けられた隅肉部を含む、請求項２〜４のいずれか一項に記載のラティス構造。
6. 前記第１の管状部、前記第２の管状部、および前記第３の管状部は、いずれも円筒状である、請求項１〜５のいずれか一項に記載のラティス構造。

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