JP2022544565A - 付加製造された押出機構成要素 - Google Patents

Abstract

押出可能な材料に接触するように構成された表面層を含む、付加製造された押出機構成要素を開示する。表面層は、第１の付加製造された金属組成物を有する。表面層のベース支持体は、第１の付加製造された金属組成物とは異なる第２の付加製造された金属組成物を有する。傾斜機能材料（ＦＧＭ）は、表面層をベース支持体に接続する第１および第２の付加製造された金属組成物から形成される。【選択図】図４Ａ

Description

（関連出願）
本出願は、２０１９年８月１４日に出願された米国仮特許出願第６２／８８６，８２５号の優先権を主張し、その全体を参照によって本明細書に援用する。

（技術分野）
本開示は、概して、高精度、高摩耗耐性または高耐食性の部品を印刷するための付加製造技術、特に押出機械のスクリューおよびバレル構成要素を印刷することに関する。

ベンジャミンらの米国特許第８，５９５，９１０号明細書は、摩耗した金属押出加工要素の再生プロセスについて説明している。とりわけ、このプロセスでは、新しい押出機構成要素の同様の製造プロセスでも使用される、熱間等方圧加圧法（ＨＩＰ）を使用する必要がある。ＨＩＰキャニスターで加熱された高価な粉末金属工具鋼から円筒形ブランクを製造する粉末金属ＨＩＰプロセスを使用してスクリューを作成すると、ＨＩＰ炉に電力を供給するために大量のエネルギーを消費する。円筒形ブランクの後処理ステップの実行には、追加の時間およびエネルギーが費やされる。例えば、ブランクは、さまざまなフライトピッチ構成またはニーディングブロックローブスタイルを作成するための機械加工ステップに供される。フライトおよびローブを作成するときにブランクの大部分（例えば、重量または体積で１０％超）が切り取られるため、大規模な機械加工では、重金属の比較的大量の廃棄物流も生成される。さらに、ブランクは、スプラインプロファイルを作成するために切り出される。部品が機械加工されると、別の熱処理ステップをも経て、粉末金属材料がさらに硬化される。

従来のバレル設計では、冷却ジャケットは、軸方向のドリル穴（ボアに平行）およびそれらを共に接続するクロスドリル穴を介して作成される。次いで、穴は、それらの端を塞ぐためのエキスパンダープラグとも呼ばれるＣＶプラグを有する。冷却流体は、入口穴から出口穴に圧送される。これらのＣＶプラグで構築された冷却ジャケットは、通常、湛水冷却流路として使用される。冷却媒体は、出口に到達するまで冷却ジャケットを通って自由に流れる。バレル内に特定の経路が画定される直列設計も存在する。これらの設計では、冷却流体は、入口穴から出口穴に圧送されるが、しかし通常、入口から出口への流れの経路は１つだけである。直列設計は、バレルの周りに軸方向にドリルで開けられた冷却穴（ボアに平行）からなる。クロスオーバーチャネルは、バレルの両面に機械加工され、これらのチャネルは、軸方向の冷却穴を接続し、流体の流れを穴から穴へと導き、流路をバレルの周りに蛇行したパターンにする。接続チャネルは、バレルの両端で塞がれる。この蓋は、クロスオーバーチャネルのすぐ外側（バレルの端面に向かって）のチャネルに挿入および溶接されたリングからなる。

付加製造（ＡＭ、ただし３Ｄ印刷とも呼ばれる）は、当初、プロトタイピングツールとして使用するために開発された。この技術は、製造速度が遅いことと、利用可能な材料の選択が限られることと、精度、再現性および部品の耐久性が比較的低いこととによって、制限された。時間の経過とともに、材料の利用可能性は、フォトポリマーから多種多様なプラスチック、セラミック、金属および複合材料へと進化し、それによって印刷部品の耐久性が向上した。

最近では、ＡＭ技術が医療および航空宇宙用途での使用のために採用されており、コバルトクロム、インコネル、アルミニウム、ステンレス鋼およびチタンなどの材料が印刷用に開発されている。これらの材料は、より軟らかく耐摩耗性のない材料が適している用途に導入されている。マルエージング鋼は、より高い硬度を必要とする用途向けに開発されたが、この材料は、耐摩耗性を欠く。他の試みでは、Ｍ２およびＭ４の材料を試した。

金属部品を製造することが可能なＡＭには、いくつかのタイプがある。このようなＡＭの４つのカテゴリには、材料噴射方式、結合剤噴射方式、粉末床溶融方式および指向性エネルギー堆積（ＤＥＤ）が含まれる。

材料噴射は、金属粒子が液体に懸濁されるナノ粒子噴射を含み、これは実質的にインクジェット印刷であり、次いで、液体が熱で蒸発される。次に、得られた部品を炉で焼結する。

結合剤噴射は、粒子を懸濁する代わりに、それらが粉末として塗布され次いで結合剤が塗布される点を除いて、材料噴射と類似している。その後、部品は硬化する。

粉末床溶融は、光ビームまたは電子ビームによって提供される熱エネルギーを使用して粉末を溶融することを必要とする付加製造の一種である。３Ｄ部品は、印刷媒体として微細粉末を使用して、一度に１つの層で作成される。現在、光ビームを使用する粉末床融合には２つの主要なタイプがある。第１のタイプの粉末床溶融は、選択的レーザー焼結法（ＳＬＳ）と呼ばれる。ＳＬＳでは、レーザービームは、プラスチック、ナイロンおよびセラミックなどの粉末材料を焼結する。指向性金属レーザー焼結法（ＤＭＬＳ）は、粉末が金属である類似の技術である。第２のタイプの粉末床融合は、選択的レーザー溶融法（ＳＬＭ）と呼ばれ、指向性金属レーザー溶融法（ＤＭＬＭ）またはレーザー粉末床融合法（ＬＰＢＦ）としても知られる。ＳＬＭプロセスでは、レーザーは、粉末床に溶融プールを作成する。溶融プールは、急速に冷却および固化して部品を形成する。

ＤＥＤは、レーザーエンジニアリングネットシェイプ（ＬＥＮＳ）および電子ビーム付加製造（ＥＢＡＭ）を含む。粉末層を焼結または溶融する代わりに、原料は、堆積および熱エネルギーでの硬化が同時になされる。

本出願の出願人であるオレゴン州レバノンのＥＮＴＥＫＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ社は、ＡＭ技術の既存の出願が押出機構成要素用に最適化されていないことを認識した。例えば、ＥＮＴＥＫは、ＡＭ技術を最適化して、それらが最小限の後処理を必要とするニアネット部品である、複数の材料を含有する、原材料の使用量および重量を削減し、最適化された冷却（冷却ジャケット効率の向上）および耐摩耗性を提供する空隙または格子構造を有するボクセルを含む、といううちの１つ以上の利点を有する押出機構成要素を開発し得ることを認識した。

したがって、押出機部品をニアネットシェイプとして印刷することを可能にし、それによって押出スクリュー要素について指定された厳しい公差を得るために使用される仕上げ機械加工ステップを大幅に削減する、３Ｄ印刷方法、システムおよび装置の技術を開示する。押出機構成要素の文脈では、ニアネットとは、印刷された構成要素の一部が後処理ステップで機械加工されないか、最小限（例えば、２０％未満）の機械加工がなされることを意味する。したがって、ニアネットは、後処理を含まないか、後処理を最小限に抑える。

従来の方法で作られた部品に対する３Ｄ印刷部品のその他の利点は、材料使用量の削減、仕上げ機械加工の減少、リードタイムの短縮、すべての処理が社内で実行されること、部品の追加のカスタマイズが可能であること、従来の機械加工では制限のために不可能である新しい設計の可能性があること、取付および加工の削減、原材料調整の排除、すなわち、熱間等方圧加圧（ＨＩＰ）缶を使用しない、必要とする製造ステップが少ない、必要とする作業者が少ない、部品の無人印刷が可能である、ということを含む。

ＡＭスクリューおよび、より一般的には、任意のＡＭで製造された複合材料の押出機構成要素（バレルセグメントまたは置換可能なスリーブを含む）は、重量および材料の使用量を削減する、より軽量の内部材料または間隙で製造され得る。したがって、ＡＭ製造技術は、（１）初期の経済的利点を提供する生産における材料消費と（２）輸送および運用コストの削減という点でその後の経済的利点を提供する商品の最終重量との両方を削減する。さらに、これらの利点は、バレルなどのより大きな部品でより顕著になる。

従来の製造では、金属ＡＭの少なくとも４～６倍のエネルギーを消費すると推定される。さらに、複合材料印刷を使用することによって、いくつかの実施形態ではＨＩＰの圧密／クラッドのステップをスキップし得、部品をニアネットシェイプで印刷し、内部格子（すなわち、材料を節約する）または複数の材料（必要に応じて完全な密度で）を含み、延性材料と耐摩耗性材料とを組み合わせることによって、さらに多くのエネルギーを節約する。

運用コストの削減という点では、重量の削減は、設置の容易さ（例えば、人件費の節約）およびバレルボア内のスクリューのセンタリングの改善に有益である。センタリングが不十分または損なわれる状況／用途と比較して、改善されたセンタリングは、重力による垂直抗力の減少の結果としての摩耗を減らすことによって、部品の耐用年数を延ばす。例えば、ＡＭの内部は、従来の固体コアよりも密度が低く、重量が軽くなり得るため、押出機のボアの中心に配置されやすくなる。押出機を通って流れる押出物は、スクリューに流体力を与える。これらの力は、スクリューを押出機のボアの中心に置く傾向がある。スクリューの重量が減少する結果、垂直抗力（Ｆ＝μ・Ｎ）が減少し、それによって、システム内の摩擦力が減少する。したがって、スクリューおよびバレルに作用する接触運動摩擦摩耗が低減される。摩耗が少ないと、スクリューおよびバレルの寿命が延びる。これには、次に説明するように、印刷もされ得るため、前述の材料消費量および重量の削減という利点がある。

追加の態様および利点は、添付の図面を参照して進める好ましい実施形態の以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

従来技術のＨＩＰプロセスを使用して製造された従来のバイメタルスクリューの断面図である。 図１の線２－２に沿って取られた横断面図である。 フライトのより硬い先端を有する３Ｄ印刷されたベースを有するバイメタルスクリューの断面図である。 図３の線４－４に沿って取られた横断面図である。 図４に示される領域から取られた詳細図であり、フライトのより硬い先端を有する３Ｄ印刷されたベースの界面を形成する傾斜機能材料（ＦＧＭ）の拡大図を示す。 図４および４Ａに示されるものと同様の領域から取られた詳細図であるが、従来技術による別個の製造ステップ中に３Ｄ印刷されたベースに適用されたＬＥＮＳクラッドの拡大図を示す。 本開示の一実施形態による、印刷された外面を有する付加製造されたバイメタル印刷スクリューの断面図である。 図５の線６－６に沿って取られる横断面図である。 第１の付加製造された金属組成物の軸方向ボアライニングおよび軸方向ボアライニング用のベース支持体を有する付加製造された印刷バレルの端面図であり、ベース支持体は、第１の付加製造された金属組成物とは異なる第２の付加製造された金属組成物を有する。 図８Ａは、ノードを接続するビームによって占められるボクセルを示す等角図である。図８Ｂは、図８Ａのノードとビームとの間に延在するシェル（またはメッシュ）を示す等角図である。図８Ｃは、追加の格子スキンおよび固体スキンを示す、図８Ａの複数の並んだボクセルを備える格子を示す等角図である。 搬送ブロックおよびニーディングブロックスクリューセグメントを含む、印刷されたスクリューセグメントの等角図である。 搬送ブロックおよびニーディングブロックスクリューセグメントを含む、印刷されたスクリューセグメントの等角図である。 図９Ａの線１０－１０に沿った断面図である。 図１０に示される領域から取られた詳細図であり、ビーム形状の格子の拡大図を示す。 図１０および１１Ａに示されるものと同様の領域から取られた詳細図であるが、ジャイロイド型の三重周期極小曲面（ＴＰＭＳ）ベースの格子を示す。 追加の加熱または冷却装置を示すバレルセグメントの等角図である。 図１２の線１３－１３に沿って取られた断面図であり、内部のビーム形状の格子を示す。 図１２の線１４－１４に沿って取られた断面図であり、内部のビーム形状の格子を示す。 図１５Ａは、図１３に示される領域から取られた詳細図であり、ビーム形状の格子の拡大図を示す。 図１３および図１５Ａに示されるものと同様の領域から取られた詳細図であるが、均一および可変の体積分率を有するジャイロイド形状の格子を示す。 図１３および図１５Ａに示されるものと同様の領域から取られた詳細図であるが、均一および可変の体積分率を有するジャイロイド形状の格子を示す。 図１３および１５Ａに示されるものと同様の領域から取られた別の詳細図であるが、それらの間にハイブリッド領域を有する、組み合わされたジャイロイドおよびプリミティブ形状の格子を示す。 オクテットトラスの変形を含むさまざまな格子形状を示す等角図である。 ジャイロイド骨格の変形を含むさまざまな格子形状を示す等角図である。 ジャイロイドシートの変形を含むさまざまな格子形状を示す等角図である。 ダイヤモンド骨格の変形を含むさまざまな格子形状を示す等角図である。 ダイヤモンドシートの変形を含むさまざまな格子形状を示す等角図である。 ビンタイル（ｖｉｎｔｉｌｅｓ）形状の変形を含むさまざまな格子形状を示す等角図である。 熱交換器として構成されたデュアルジャイロイド格子の等角図である。 押出機バレルからガスを排出するための一体型の多孔質領域を有する付加製造された押出機排気口を示す等角図である。 押出機バレルからガスを排出するための一体型の多孔質領域を有する付加製造された押出機排気口を示す、図１７の線１７－１７に沿って取られた断面図である。

いくつかのスクリュー製品は、図１および２のスクリュー１０に示されるように、いわゆるバイメタル材料構成を含む。駆動スプライン１４（図２）を画定する内側コア１２は、軟らかく延性のある円筒形の１０１８軟鋼である。内側コア１２を取り囲む領域を形成する外側シェル１６は、耐摩耗性の粉末金属工具鋼から作られる。このバイメタル材料は、粉末金属を緻密化し、外側シェル１６の構成要素を内側コア１２に結合するＨＩＰプロセスを介して作られる。

（押出機構成要素用の複数のＡＭ材料および傾斜機能材料）
ＥＮＴＥＫは、固体の単一材料押出機スクリューおよびバレル要素を３Ｄ印刷するプロセスの開発に、ＡＭを用いた。ＡＭは、延性支持材料および摩耗表面材料などの異なる金属間の傾斜、すなわち傾斜機能材料（ＦＧＭ）を画定する機能をも提供する。

ＦＧＭは、所定の体積全体を通した組成および構造の変化によって特徴付けられる。化学的性質および微細構造におけるこの傾斜変化は、材料の多くの異なる組み合わせを同時処理することを可能にする。これらの組み合わせは、金属－金属、金属－セラミック、セラミック－セラミックおよびセラミック－ポリマーを含む。

ＦＧＭは、熱膨張特性が一致しない材料を組み合わせたときに生じる応力を移行領域全体に分散させることを可能にする。ＦＧＭ技術は、これらの応力を傾斜のより広い領域に広げる。調査から、ＦＧＭを使用することによって熱応力を最大３０％低減し得ることが示された（篠原嘉一、『Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｃｅｒａｍｉｃｓ』第２版、２０１３年）。

ＦＧＭ技術の利点は、３Ｄ印刷ビルドサイクル内で選択的な粉末分配を使用する機能である。粒子サイズは、焼結特性を制御する方法として、制御および変更され得る。これにより、まったく異なる組成の材料を同じレーザーパラメータおよびスキャン方法で処理することが可能となる。例えば、図３、４および４Ａは、押し出し可能な材料に接触するように構成された先端を画定するインコネル７１８ベース支持体３２およびコルモノイ４表面層３４を有する３Ｄ印刷されたスクリュー３０を示す。コルモノイ４材料は、ニッケルベースの材料であるが、ベース支持体３２よりも優れた耐摩耗性を提供する要素を有する。他の耐摩耗性または耐食性の付加製造された金属組成物は、これと同じ方法で適用され得る。付加製造された金属組成物は、金属材料、メタロイドおよびメタロイド含有材料（例えば、炭化ケイ素）、金属材料を有する複合材料（セラミック金属マトリックス複合材料）および押出機構成要素の製造に使用可能である他の材料を含む。

インコネル原料を使用して丈夫で延性のあるベース支持体３２を印刷しながら、一般的なＡＭプロセス中にフライトの先端に脆くて硬い表面層３４をも印刷すると、応力が低減され、第１および第２の付加製造された金属組成物から形成され表面層３４をベース支持体３２に接続するＦＧＭ移行領域３６が緊密に結合される。具体的には、図４Ａは、ＦＧＭ移行領域３６が、第１の付加製造された金属組成物３８（例えば、表面層３４を形成する黒い円として表されるコルモノイ４）から第２の付加製造された金属組成物４０（例えば、ベース支持体３２を形成する正方形として表されるインコネル）への傾斜的移行を画定することを示す。いくつかの実施形態では、ＦＧＭ移行領域３６における組成物４０から組成物３８への傾斜的混合は、選択的粉末堆積と組み合わせたＬＰＢＦまたは結合剤噴射印刷技術を使用して達成される。

材料の厚さは、押出機の用途によって異なり得る。一実施形態では、表面層３４は、押出機のボア直径の約２．５パーセントに等しい厚さ４２を有する。ＦＧＭ移行領域３６は、押出機のボア直径の約７．５パーセントに等しい厚さ４４を有する。厚さ４４に沿ったさまざまな点での黒い円および正方形の分布は、ＦＧＭ移行領域３６の傾斜を表す。いくつかの実施形態では、ＦＧＭ移行領域を画定する分布は、線形、階段状、シグモイドまたは可能な他の金属から金属への移行によって実現され得る。

ＨＩＰ圧密／クラッドまたはＬＥＮＳを使用してバイメタル押出機構成要素を製造する従来の方法は、２つの材料間に明確な界面を作成する。この明確な界面は、材料の組み合わせを制限する。熱応力がこの急激な界面に集中し、亀裂が問題となるため、同様の熱膨張係数を有する材料を使用しなければならない。例えば、図４Ｂは、フライトのＬＥＮＳクラッドチップ４６が、別個の製造プロセス中にＤＭＬＳ３Ｄ印刷ベース４８に適用される従来技術の例を示す。このプロセスは、レーザーを使用して溶融プールを作成し、粉末またはワイヤーは、溶融プールに供給され、基板上に堆積される。一部のスクリュー部品は、クラッドの厚さは、約０．０３０インチの厚さであり（製造されるスクリューのサイズによって異なる）、原料は粉末である。言い換えれば、クラッドがベース支持体の上に適用され、その結果、金属間の移行は、個別の段階的移行として現れる。しばしば、ベース支持材料と表面クラッド材料との間に熱膨張の不一致がある。クラッドプロセスによって、表面クラッド層およびベース支持体内に熱応力がもたらされる。これらの応力は、部品が熱にさらされるときに緩和され、表面層、時としてベース支持材料に、亀裂が生じる。表面層材料における応力破壊は、材料がベース支持体から外れ、場合によっては押出機のバレルおよびスクリューの構成要素または押し出し可能な材料を詰まらせる一因となる。

図５および６は、複合材料付加製造プロセスを使用して構築された複合材料スクリューセグメント（または単にスクリュー）５０の例を示す。３Ｄ印刷された内側コア５２は、駆動スプライン５４を画定し、ローブまたはフライトを画定するようにスクリュー５０の長手方向軸５６に沿って変化する断面形状を含む。この特定の例では、形状の変化は、概して搬送押出機スクリューセグメントのフライトおよびその間のチャネルの形状を画定するが、他の形状も可能である（例えば、ニーディングブロック押出機スクリューセグメント）。さらに、例えば、六角形、ピンおよび他の形状など、他の内部駆動形状が可能である。

３Ｄ印刷された外側シェル５８は、内側コア５２を取り囲む。示されるようにスクリュー５０の表面全体を密閉するために、２つのＡＭの実施形態は、以下のように要約される。

第１の実施形態は、ＤＭＬＳまたは他のタイプのＡＭを使用して内側コア５２を印刷し、次にＬＥＮＳ（または他の）プロセスを使用してそれをクラッドすることを必要とする。しかしながら、内側コア５２の外側表面全体を被覆するために、ＬＥＮＳプロセスヘッドを用いた複数のパスが行われる。ＬＥＮＳプロセスヘッドは、３次元で移動可能であり、内側コア５２の複数の外径に対応する。例えば、内側コア５２の面６０は、ＬＥＮＳプロセスヘッドが移動して外径を被覆し、面６０から反対側の面６２まで上向きに動くにつれて内側コア５２を回転させるテーブルジグの上に配置される。この実施形態では、プロセスヘッドが上向きに移動するとき、内側コア５２が回転するにつれて、プロセスヘッドも内向きおよび外向きに移動する。プロセスヘッドの追加の傾斜角もまた、溶融プールと内側コア５２の傾斜した外面角との間の一定の角度を維持するのに有用である。

前述の実施形態において、ＦＧＭは、前述の技術を使用して必要に応じて含まれ得ることを、当業者は理解するであろう。例えば、傾斜は、内側コア５２と同じ材料から始まり、耐摩耗性または耐食性の材料に移行してスクリュー５０の外側に被覆して外側シェル５８を形成する、ＤＥＤ ＡＭ技術（例えば、ＬＥＮＳ）を使用することによって形成され得る。前述のように、このアプローチは、応力を軽減する。さらに、他のＡＭプロセスも可能である。例えば、ジュール印刷では、ワイヤー原料を使用し、ここで、ワイヤーおよび帯電したワイヤーと接触する部分に電流を流すことによって、ワイヤーを溶かした。

第２の実施形態は、複合材料の粉末床融合、複合材料の結合剤噴射または他の複合材料のＡＭプロセスを使用する印刷を必要とする。したがって、部品の各印刷層は、互換性のある金属材料について、複数の金属タイプおよび複合金属界面を含む。

レーザーは、材料の薄層を基板上に堆積させることが可能である、正確なスポットサイズ（溶接）プールを提供する。この追加された制御によって、スクリューフライトに直接オーバーレイするときの廃棄物および追加の後処理が回避される。プロセスの許容誤差に応じて、内部駆動スプライン５４のチェイシングは、必要に応じて行われる。チェイシングとは、プリンターによって保持することが不可能な寸法に保持するために、スプライン領域を再カットすることである。

また、必要に応じて、スクリュー５０の外径を約±０．００１インチの公差で研削し、部品を約±０．００１インチの全長仕様に仕上げる。後者の研削プロセスでは、スクリューフライトのスプラインプロファイルへの時間計測（時間記録）も行われる。内部スプラインプロファイルへのスクリューフライトの時間計測は、押出機内のスクリュー間の噛み合いギャップを維持するために望ましいものである。

ＣＡＤモデルの形状は、必要に応じた印刷後処理に対応するために、公称形状から変更され得る。例えば、印刷後の仕上げが行われる部品特徴に追加の材料が加えられる。ＥＮＴＥＫは、試験では、部品の両端に約０．０１０インチを追加し、全長は約０．０２０インチになった。また、部品の外径に約０．０１０インチを追加した。追加の材料の量は経験的に決定されており、他の用途によって異なり得る。使用されるＡＭ技術によって、金額も異なり得る。例えば、ＢＪ印刷では、ＤＭＬＳよりも多くのマシンストックを使用し得る。

図１および図２の従来のバイメタルの実施形態と比較して、内側コア５２の形状は、長手方向軸５６に沿って変化し、外側シェル５８は、一定の幅を維持する。外側シェル５８の体積は、それが比較的薄い層（例えば、約１～３ｍｍの厚さ）になるという点で大幅に減少する。結果として、内側コア５２の形状は、円筒形である必要はない。内側コア５２の形状は、スクリューの形状の単純な小型のものである。

図３、４および４Ａのクラッド型のものと比較して、外側シェル５８は、先端を表面硬化するだけでなく、フライト全体を取り囲む。フライト全体を表面硬化することによって、グラスファイバーなどの処理中のポリマーに追加される充填材料からしばしば生じる、追加の耐摩耗性をもたらす。腐食を防ぐために、表面硬化またはカプセル化をも使用され得る。例えば、鉄ベースのスクリュー（ベース材料）は、ニッケルまたはコバルトベースのオーバーレイ材料で密閉され得る。これにより、インコネル６２５または７１８などのニッケルベースの材料からスクリュー要素全体を製造する場合に比べて費用を削減し得る。

複合材料スクリュー５０はまた、必要とされる耐摩耗性粉末金属材料の量の削減を提供する。スクリュー５０の大部分は、より安価な材料から作られ得る内側コア５２で構成される。例えば、内側コア５２は、スクリューが押出機内を進むにつれてスクリューに加えられるトルク負荷を処理する延性材料から作られ得る。より薄い外側シェル５８は、より硬い（より脆い）材料を使用することを可能にし、その結果、亀裂の可能性が低減される。

使用され得る材料に関しては、従来のＨＩＰプロセスの金属粉末の仕様は、ＤＭＬＳ３Ｄ印刷プロセスの要件ほど厳密ではない。従来のＨＩＰプロセスには、３２メッシュの粉末が適する。３２メッシュは、７９２ミクロンに相当する。したがって、いくつかの実施形態では、一つ一つの粒子は、７９４ミクロンよりも小さい。しかしながら、ＤＭＬＳ印刷プロセスの場合、通常の粉末仕様は、４５／１５ミクロンである。したがって、いくつかの実施形態では、粒子サイズは、４５ミクロンよりも小さく、１５ミクロンよりも大きい。

押出物との接触面に使用され得る材料の種類の例は、Ａ２、Ｄ２、Ｍ２、Ｍ４、Ｈ－１３、Ｈ－１１、４１４０、ナイトライド１３５および４３４０などの工具鋼、９Ｖ、１０Ｖ、Ｓ９０Ｖ、１５Ｖ、ＭＰＬ－１、ＣＰＭ １１０ＶおよびＣＰＭ１２５Ｖなどの粉末金属工具鋼、１７－４、３０４、３１６および４４０Ｃなどのステンレス鋼、インコネル６２５、インコネル７１８、ハステロイＣ２７６、コルモノイ４、コルモノイ５６およびヘインズ２４２などのニッケルベースの材料、ステライト６、ステライト１２、ステライト２１などのコバルトベースの材料、７０％ＷＣ－ＭＭＣ（ニッケルベース、７０重量％ＷＣ）、６０％ＷＣ－ＭＭＣ（ニッケルベース、６０重量％ＷＣ）および可能なその他の重量パーセントなどの炭化物金属マトリックス複合材料ならびにセラミック金属マトリックス複合材料を含む。

ベース支持面に使用され得る材料の種類の例は、１０１８、Ｈ－１３、Ｈ－１１、４１４０、ナイトライド１３５および４３４０などの鉄ベースの材料、１７－４、３０４、３１６および４４０Ｃなどのステンレス鋼、インコネル６２５およびインコネル７１８などのニッケルベースの材料を含む。

現在入手可能な印刷可能な粉末金属の例は、Ａｌｓｉ１０Ｍｇ、３１６Ｌステンレス鋼、マルエージング鋼（Ｃ３００）、１７－４ＰＨステンレス鋼、チタン－６Ａｌ－４Ｖ、インコネル６２５、インコネル７１８、Ｈ－１３、Ｍ２工具鋼およびコバルトクロムを含む。これらの材料は、ＦＧＭ複合材料部品の製造における使用のためにも調整され得る。

インコネル７１８およびインコネル６２５は、フルオロポリマーを製造する押出成形用途で良好に機能する耐食性材料である。フルオロポリマーの溶融加工は、非常に腐食性の高いフッ化水素酸を放出し得る。処理に必要な温度は腐食を加速する。インコネルは、フルオロポリマーの処理に使用される材料の１つになる。インコネルがニッケルベースの材料であるという事実は、それがフッ化水素酸の腐食に耐えることを可能にする。ＡＭ用ならびに耐摩耗性および耐食性の向上から恩恵を受ける用途のために最適化されたものを含む、他の材料も可能である。

ＥＮＴＥＫは、定格がそれぞれ１３０Ｎｍ／シャフトおよび５６５Ｎｍ／シャフトの２７ｍｍおよび４３ｍｍ押出機でインコネル７１８の印刷されたスクリューを試験した。破損は検出されなかった。インコネル７１８材料の靭性は、１０Ｖ材料（すなわち、二軸スクリュー押出機で使用される高摩耗材料）の靭性よりも優れていた。密度に関しては、ＥＮＴＥＫによって測定された３Ｄ印刷されたインコネル７１８材料の密度は８．１５ｇ／ｃｃであり、これは、８．１９ｇ／ｃｃの密度を有する従来の方法で作られたインコネル材料のそれに匹敵する。３Ｄ印刷されたＭＳ１（マルエージング鋼）の密度は、７．９８ｇ／ｃｃであり、これは、８．１ｇ／ｃｃの密度を有する従来のマルエージング鋼の密度にも匹敵する。

前述の耐摩耗性および耐食性のＡＭ材料に加えて、必要に応じた処理技術によって、フルオロポリマー業界で採用されるＡＭ成形インコネル（またはより一般的にはニッケルベースの）材料の耐摩耗性もまた向上する。例えば、ホウ化（ボロナイジングとも呼ばれる）は、インコネル７１８スクリューまたはその他の部品のレーザークラッドに加えて、またはその代用として、使用され得るプロセスの１つの例である。このプロセスは、部品の周りの粉末媒体から鋼の表面へのホウ素原子の拡散を必要とし、その結果、原子が鉄（Ｆｅ）と反応して、高硬度のＦｅ_２Ｂ化合物を形成する。このプロセスは、鋼に対してうまく機能する。ニッケルベースの材料では、これは、特に摩耗表面を硬くする。インコネル６２５およびインコネル７１８のようなニッケル合金は、ホウ化プロセスに利用されるかなりの量の鉄を含む。

図７は、付加製造された印刷バレルセグメント６４を示す。ベース支持体６６は、軸方向ボアライニング６８を画定し、第１の付加製造された金属組成物の表面層７０は、軸方向ボアライニング６８を表面硬化する内部シェルを形成する。第２の付加製造された金属組成物は、軸方向ボアライニング６８を形成する。前述のように、第１および第２の付加製造された金属組成物は、互いに異なり、その結果、ＦＧＭ移行領域（図示せず）が表面層７０およびベース支持体６６との間に形成される。別の実施形態（図示せず）では、軸方向ボアライニングは、置換可能なバレルスリーブである。

いくつかの実施形態では、追加の熱処理は、ＡＭ製造材料を精製するのに役立つ。その他の場合、追加の熱処理は行われない。例えば、インコネル７１８部品は、熱処理ステップを経る必要はないが、より耐摩耗性の高い材料などの他の材料は、熱処理ステップの恩恵を受け得る。これに関連して、印刷中に成形品に発生する応力を緩和するために応力緩和がしばしば行われる。

別の実施形態では、好ましくはＨＩＰを使用して処理される部品の場合、軟工具鋼および粉末金属特有合金は、選択的粉末堆積システムを使用して同時堆積され得、ＨＩＰケーシングとして機能するために軟鋼の外部のみを焼結する必要がある。したがって、粉末金属合金は、ＨＩＰプロセス中に緻密化される。例えば、この技術は、溶接された板金から製造されたＨＩＰ製造部品における場合と同様に、印刷後にこのケーシングを真空下で溶接シーリング可能にする配管を備えた事前充填ケーシングの製造に使用され得る。その後、ＨＩＰ処理の残りの部分は、規定された手順に従う。さらに、必要に応じたＦＧＭ移行領域は、軟鋼と粉末金属特有合金との間に確立され得るが、軟鋼の内面から始まり、粉末金属特有合金に向かって内側に延在する材料の傾斜混合物を堆積させる。

別の実施形態では、コアは、従来のＨＩＰプロセスまたはビレット材料を使用して形成される。次に、ＤＥＤ材料がコアに適用され、ＤＥＤプロセス中にＦＧＭ移行領域および表面層が同時に形成されるベース支持体が確立される。

（内部格子構造）
図９Ａ～１５Ｄは、印刷された内部格子構造を有する押出機構成要素を示し、これらは、図８Ａ～８Ｃの簡略化されたビーム形状の格子の例によって初めに導入された。具体的には、図８Ａは、ボクセル８０の中心および角でノード８６を接続するビーム８２によって配置されたボクセル８０を示す。図８Ｂは、いくつかの実施形態では、シェル（またはメッシュ）９０がノード８６の間に形成されることを示す。例えば、面９２は、３つの頂点９４の間に延在し、頂点９４の一部またはすべては、ノード８６の１つであり得る。図８Ｃは、格子構造１００（または単に格子１００）が複数のボクセル８０からどのように形成されるかを示す。格子１００は、不浸透性の平坦側面のスキン１０４または不浸透性の格子スキン１０８で囲まれ得る。

より一般的には、ＡＭ格子は、ノードで交差するビームまたはストラットのネットワークで構成される２次元または３次元のマイクロアーキテクチャであり、それによって関連するビームとノードによって密閉される空隙（またはギャップ）を有する平面（すなわち２Ｄ）または立体（すなわち３Ｄ）ボクセルを画定し、これらは通常、隣接するボクセルの一部でもある。格子は、構造の完全性を維持しながら、固体部品と比較して大幅に重量を削減する。使用され得る多くの異なる格子構造が存在する。特定の用途に適した格子構造を選択するとき、ボクセル構造、ボクセルサイズ、選択した材料の密度およびボクセル配向の、格子特性の一部またはすべては、変更され得る。したがって、格子構造１００内のセルの形状は、本開示で後述するように、多くの方法で構成され得る。

図９Ａ～１１Ｂは、印刷された搬送スクリューセグメント１２０を示す。図９Ｂは、印刷されたニーディングブロックスクリューセグメント１２６であり、フライト１３０およびチャネル１３２（図９Ａ）の代わりにローブ１２８を含む。しかしながら、両方のタイプのスクリューセグメントは、内部１４４に印刷された内部ビーム形状の格子構造１４０を含み、その例は、図１０および１１Ａに示される。

格子構造１４０は、外側支持フレーム１５２（図１０）として機能する不浸透性スクリュー表面１５０と内側支持フレーム１５６として機能する軸方向開口１５４とを画定する構造支持フレーム１４６内に形成される。したがって、格子構造１４０は、単一の管状スクリュー構成要素として付加製造された外側構造支持フレームと内側構造支持フレームとの間の内部１４４に形成される。スクリューセグメント１２０において、支持フレーム１５２および支持フレーム１５６の一部は、チャネル１３２の位置で合流し、内部１４４にらせん状カット格子を確立する。

不浸透性のスクリュー表面１５０は、押し出し可能な材料に接触するように構成されるため、ガスおよび流体の侵入に対して不浸透性である。例えば、前述のように、耐摩耗性または耐食性の表面層、フライト１３０もしくはローブ１２８のいずれかの先端または完全に取り囲む表面１５０として印刷され得る。

軸方向開口１５４は、駆動シャフト（図示せず）に結合するように構成される。例えば、軸方向開口１５４は、印刷されたスプライン１５８（または他の形状）を含む。

いくつかの実施形態では、固体の端面１６０およびスクリューセグメント１２０の他の外部部分は、内部１４４を完全に密閉する。言い換えれば、スクリューセグメント１２０は、従来の要素の外観を有する。さらに、いくつかの実施形態では、１つ以上のオリフィス（図示せず）は、端面１６０または他の外面に含まれる。このようなオリフィスは、未焼結の粉末を排出するために使用され、粉末が除去された後に溶接して閉じられ得る。

図１１Ｂは、ジャイロイド形状の格子構造１６２の形態の格子構造の別の実施形態を示す。追加のタイプの格子の実施形態は、本開示の後半で議論される。

図１２～１５Ａは、押出機スクリュー構成要素を収容するように構成されたツインバレル軸方向開口１６６を含む、印刷されたバレルセグメント（または単にバレル）１６４を示す。構造支持フレーム１６８は、軸方向開口１６６および不浸透性の外面１７０を画定する。外面１７０は、印刷されたガセット１７８によって支持された印刷されたフランジ１７２を含む。隣接するガセット１７８は、セグメント１６４を、隣接するセグメントにボルト締めするためのフランジボルト穴１８０である。位置合わせダボ穴１８２および取り付け穴１８４もまた、フランジ１７２の表面に形成される。置換可能なバレルスリーブ取り付けボルト穴１８８および追加のヒーター取り付けボルト穴１９０もまた、含まれる。

置換可能なスリーブ１９４は、軸方向開口１６６を画定する内側表面１９８を有する。図１３は、スリーブ１９４が、ビーム形状の格子構造２１０に隣接して、構造支持フレーム１６８の内側軸方向壁２０６に面する外側表面２０２を有することを示す。他の実施形態（図示せず）では、置換可能なバレルスリーブは、格子構造の外側部分に相対する外側表面を有する（すなわち、それらの間に内側軸方向壁なしで格子に直接接触する）。いくつかの他の実施形態は、軸方向のライニングが格子（例えば、格子スキン）の上に形成される一体型（置換不可能な）バレルまたは格子構造に隣接する内側の不浸透性の軸方向壁の表面硬化を含む。

図１２は、バレルセグメント１６４の外面１７０に取り付けられた２つの必要に応じたＬ字型電気プレートヒーター２２０を示す。華氏４００度のヒーター温度を使用して、華氏７０度の冷却ジャケット（すなわち、外面１７０）温度および華氏７０度のバレル温度をおそらく加熱すると推定される。

ＡＭ技術は、流路について、従来の機械加工では作成不可能であった新しい形状（三角形、正方形、楕円形およびその他の形状）を構築する可能性を提供する。これらの特殊な流路は、バレルのボアの近くに配置され得、バレル全体を前後に横断する経路中に構築され得る。 これらの流路は、冷却ジャケットの効果を高める。

関連して、格子構造２１０はまた、冷却剤流路としても使用され得る。したがって、格子構造２１０は、格子２１０全体にわたって流体／気体の対流冷却に熱を伝達するための伝導経路として機能するように使用される。このような困難な経路を強制的に流れると、乱流が発生して対流係数が増加するため、熱伝達効率が向上し、さもなければ調整可能になる。特殊な幾何学的流路および格子構造を組み合わせることによって、冷却能力および加熱能力は、さらに最適化され得る。加熱または冷却の追加の態様は、図１５Ｊを参照して後で説明される。

例えば、図１２は、熱伝達流体２２２が入口ポート２２４を通って圧送され、出口ポート２３０を出ることを示す。図１３～１５Ａに示されるように、いくつかの実施形態では、熱伝達流体２２２は、格子構造２１０を通って流れる。いくつかの実施形態では、格子構造２１０は、第１の領域２３６および第２の領域２４０を含み、これらは、第１の領域２３６と第２の領域２４０との間の流体透過を防止するバリア２４２によって分離される。ポート２２４および２３０は、第１の領域２３６と流体連通し、その結果、熱伝達流体２２２は、それを通って流れ、第２の領域２４０を通って流れる必要がない。他の実施形態では、熱伝達流体は、両方の領域を通って流れるか、あるいは単一の領域が存在する。華氏４００度のバレル温度の冷却には、９０ｐｓｉの入口圧力および華氏９０度の冷却水温度が使用され得ると推定される。

図１５Ｂ～１５Ｊは、バレル１６４またはスクリューセグメントでの使用に適した他の様々なタイプの格子構造を示す。例えば、図１５Ｂは、領域２３６および領域２４０において均一な体積分率を有するジャイロイド格子を示す。対照的に、図１５Ｃは、領域２３６および領域２４０において異なる体積分率を有するジャイロイド格子を示す。いくつかの実施形態では、可変体積分率はまた、熱伝達および剛性特性のために格子壁の厚さを最適化するために、単一の領域において規定され得る。別の実施形態では、図１５Ｄは、異なる格子形状および配向の組み合わせを示す。この例では、ジャイロイド形状およびプリミティブ形状の格子は、それらの間に数学的に最適化されたハイブリッド領域を含む。図１５Ｅは、オクテットトラス格子を示す。図１５Ｆおよび１５Ｇは、ジャイロイド形状の格子の骨格変形およびシート変形を示す。同様に、図１５Ｈおよび１５Ｉは、ダイヤモンド形状格子の骨格変形およびシート変形を示す。図１５Ｊは、ビンタイル形状の格子を示す。

別の実施形態では、格子形状のタイプは、熱交換器として構成可能である。例えば、図１５Ｋは、ビーム形状の格子構造２１０の代わりに、二重ジャイロイド形状の格子２７０または他の適切な三重周期極小曲面（ＴＰＭＳ）ベースの格子が、単一の格子構造中に形成され、格子２７０の内面のために互いに分離される（すなわち、流体連通ではない）、チャネル２７２の第１のセットおよびチャネル２７４の第２のセットを含み得ることを示す。第１のセット２７２は、熱伝達流体２７６（例えば、格子２７０を通して圧送される周囲空気）を運び、第２のセット２７４は、バレルまたは他の押出機構成要素の高温領域に循環される冷却剤２７８を運ぶ。同じ原理は、一方のチャネルに温水を、もう一方のチャネルに冷水を圧送することによって、液体加熱または冷却システムのいずれにも使用され得る。

バレルセグメント１６４が印刷されるため、それはまた、格子２１０を形成するものを含む、内部空隙またはセル形状（前述）にも対応する。したがって、バレルセグメント１６４は、流体が第１の領域２３６を通って循環するときに漏れの影響を受けにくい。これは、冷却剤チャネルが内部に構築されるため、ＣＶプラグ、溶接部、シールリングまたは穴がないためである。流量および方向もまた、高度に構成可能であり、クロスドリル穴のサイズによって制限されない。内部構造は、内部構造を通して冷却剤の流れを導くためのバッフルおよび他の特徴を含み得る。

内部格子構造（または他の複合構造）も、従来の（固体または単一材料）代替品と比較してバレルをより軽量にする。軽量バレルは、押出機のメンテナンスまたは再構成を行う際の取り扱いがより簡単である。例えば、ある実験では、重量が４７．６ｌｂｓの従来のバレルから格子形状の印刷されたバレルまで全体で４４％の重量削減が達成された。同様に、格子充填スクリューセグメントを使用した実験では、ジャイロイド形状およびビーム形状の格子においてそれぞれ１７％および５．７％の軽量化が示される。

（制御された多孔性）
前述のように、上記の格子構造は、（固体部品に対して）部品の全体的な密度に影響する。十分に小さい印刷構造では、ＡＭ技術を使用して密度を下げ得、印刷物の多孔性を制御し得る。具体的には、当業者は、本開示に照らして、ＡＭ押出機構成要素が、ＤＭＬＳ技術を使用してレーザーの強度によって制御可能な密度を有する、より密度の低い（例えば、非固体）内部を含み得ることを理解するであろう。例えば、図１６および１７は、メッシュサイズ、格子形状３００に基づいて多孔性が制御される、一体的に形成された多孔性フィルタ２９４を有する置換可能な排気挿入体２９０を示す。フィルタ２９４の弧状の表面３１０は、表面がバレル内に面一ではまり、押し出し可能な材料からガスを排出するように、軸方向開口の表面に一致する。しかしながら、排気挿入体２９０の本体は、ガスを通さない。

（結びの言葉）
当業者は、本発明の基礎となる原理から逸脱することなく、上記の実施形態の詳細に多くの変更を加え得ることを理解するであろう。例えば、ＦＧＭは、格子構造と構造支持フレームとの間の移行領域で使用され得る。また、実施形態は、二軸スクリュー、単一スクリュー、単一バレルセグメントを有する一体型バレルおよび円錐ボア押出機械への適用可能性を有する。したがって、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲および均等物によって決定されるべきである。

Claims (13)

1. 付加製造された押出機構成要素であって、
   押し出し可能な材料と接触するように構成された表面層であって、前記表面層は、第１の付加製造された金属組成物を有する、押し出し可能な材料と接触するように構成された表面層と、
   前記表面層用のベース支持体であって、前記ベース支持体は、前記第１の付加製造された金属組成物とは異なる第２の付加製造された金属組成物を有する、前記表面層用のベース支持体と、
   前記表面層を前記ベース支持体に接続する前記第１および第２の付加製造された金属組成物から形成された傾斜機能材料（ＦＧＭ）と、
   を備える、付加製造された押出機構成要素。
2. 前記第１および第２の付加製造された金属組成物は、それぞれ、互いに異なる第１および第２の焼結金属材料を含む、請求項１に記載の付加製造された押出機構成要素。
3. 前記第１の付加製造された金属組成物は、前記第１の付加製造された金属組成物よりも延性である前記第２の付加製造された金属組成物よりも硬く、より耐摩耗性である、請求項１に記載の付加製造された押出機構成要素。
4. 前記第１の付加製造された金属組成物は、工具鋼、粉末金属工具鋼、ステンレス鋼、ニッケルベースの材料、コバルトベースの材料、炭化物金属マトリックス複合材料、セラミック金属マトリックス複合材料およびそれらの組み合わせを含む群から選択される、請求項１から３のいずれか一項に記載の付加製造された押出機構成要素。
5. 前記第２の付加製造された金属組成物は、鉄ベースの鋼、ステンレス鋼、ニッケルベースの材料およびそれらの組み合わせを含む群から選択される、請求項１から３のいずれか一項に記載の付加製造された押出機構成要素。
6. スクリューセグメントを備える、請求項１に記載の付加製造された押出機構成要素。
7. 前記スクリューセグメントは、ニーディングブロック押出機スクリューセグメントを備える、請求項６に記載の付加製造された押出機構成要素。
8. 前記スクリューセグメントは、搬送押出機スクリューセグメントを備える、請求項６に記載の付加製造された押出機構成要素。
9. 前記ベース支持体は、スクリューフライトを画定する内側コアを備え、前記表面層は、前記スクリューフライトを表面硬化する外側シェルを含み、前記外側シェルは、前記スクリューフライト間のチャネルを少なくとも部分的に覆う、請求項８に記載の付加製造された押出機構成要素。
10. 前記ベース支持体は、ローブおよびスクリューフライトの一方または両方を画定する内側コアを備え、前記第１の付加製造された金属組成物は、前記ローブおよびスクリューフライトの一方または両方を覆う摩耗表面を形成する、請求項６から８のいずれか一項に記載の付加製造された押出機構成要素。
11. 押出機バレルセグメントを備える、請求項１に記載の付加製造された押出機構成要素。
12. 前記ベース支持体は、前記押出機バレルセグメントの軸方向ボアライニングを画定し、前記表面層は、前記軸方向ボアライニングを表面硬化する内側シェルを含む、請求項１１に記載の付加製造された押出機構成要素。
13. 前記押出機バレルセグメントは、置換可能なバレルスリーブを備える、請求項１２に記載の付加製造された押出機構成要素。
    

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