JP6225263B2 - 粉体床製造又は補修のためのダイオードレーザファイバーアレイ - Google Patents

Description

本発明の技術は、全体的に、構成要素、より詳細にはガスタービンエンジンの構成要素の製造又は補修で使用する直接金属レーザ溶融（ＤＭＬＭ）用のダイオードレーザファイバーアレイの使用に関する。

付加製造法は、金属、セラミック及びプラスチックスを含む様々な材料の構成要素の「３Ｄプリンティング」を可能にする公知の技術である。付加製造法において、部品は、金属粉体を均して、高出力レーザ又は電子ビームを用いて粉体を選択的に溶融することにより、層状的に構築される。各層の後に追加の粉体が付加されて、レーザが次の層を形成すると同時に、これを従前の層に溶融して、粉体床に埋設される完全な構成要素を製造する。付加製造システム及びプロセスは、デジタルモデルから精密な３次元構成要素を製造するのに使用される。

現行の粉体床システムで構造部を形成する際には、レーザビーム又は電子ビームを用いて粉体層をスキャンし、粉体床の層に所望の形状を焼結及び溶融している。このようなシステムにおける層当たりの典型的なスキャン時間は、７０〜１００秒の範囲である。一部の用途においては、構築には、数日の加工時間を必要とする可能性がある。ＤＭＬＭの１つの用途は、航空機用ガスタービンエンジンの翼形部の製造及び補修がある。翼形部の幾何形状は、従来の鋳造技術を用いて形成するのが困難であり、従って、ＤＭＬＭプロセス又は電子ビーム溶融プロセスを用いた翼形部の製造が提案されてきた。それぞれの層が互いに重なり合って構築され且つ断面毎に互いに接合されて、所要の幾何形状を備えて翼形部又は補修などのためのその一部を生成することができる。翼形部は、所望の構造的特性をもたらすために後処理が必要となる場合がある。

レーザスキャン直接金属レーザ溶融（ＤＭＬＭ）システムの別の問題は、急激な冷却速度であり、付加製造構築プロセス中に特定の合金の亀裂形成を生じる可能性がある。急激な冷却速度はまた、望ましい粒成長（例えば、層表面に垂直な粒成長）を獲得する上で問題がある。

本明細書で開示される技術の１つの実施例によれば、粉体床において構造部を形成する方法は、ダイオードレーザファイバーアレイの選択されたファイバーからの複数のレーザビームを粉体床上に放射するステップを含み、選択されたファイバーのアレイが、構造部の層のパターンに相当し、本方法は更に、構造部の層のパターンに相当する粉体を粉体床において同時に溶融するステップを含む。

本明細書で開示される技術の別の実施例によれば、粉体床において構造部を形成するための装置は、複数のダイオードレーザと該複数のダイオードレーザに相当する複数の光ファイバーとを含み、各光ファイバーがそれぞれのダイオードレーザからレーザビームを受け取るよう構成され且つレーザビームを放射するよう構成された、ダイオードレーザファイバーアレイと、粉体床を支持するよう構成された支持体又は光ファイバーの端部から幾らかの作動距離にて粉体床を支持するよう構成された構成要素と、ダイオードレーザファイバーアレイを制御して、ダイオードレーザファイバーアレイの選択されたファイバーから複数のレーザビームを粉体床上に放射するよう構成されたコントローラと、を備え、構造部の層のパターンに相当する選択されたファイバーのアレイが、構造部の層のパターンに相当する粉体を粉体床において同時に溶融する。

本発明技術のこれら及び他の特徴、態様、並びに利点は、図面全体を通じて同様の参照符号が同様の要素を示す添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むと更に理解できるであろう。

本発明の技術と共に使用するためのダイオードレーザファイバーアレイの概略図。 本発明の技術と共に使用するためのダイオードレーザファイバーアレイの別の概略図。 本発明の技術と共に使用するためのダイオードレーザファイバーアレイの別の概略図。 本発明の技術の１つの実施例によるダイオードレーザファイバーアレイによる粉体床の同時溶融のためのシステムの概略図。 本発明の技術の１つの実施例によるダイオードレーザファイバーアレイにおいて使用可能な光ファイバー構造の概略図。 本発明の技術によるシステムと共に使用可能なファイバーアレイの概略図。 本発明の技術によるシステムと共に使用可能な別のファイバーアレイの概略図。

図１Ａを参照すると、ダイオードレーザアレイ１０１（例えば、ダイオードレーザバー又はスタック）は、複数のダイオードレーザ又はエミッタ１０３を含み、各々が、放射線１０５のビームを放射する。複数の円筒レンズ１０７が、ダイオードレーザ１０３と複数の光ファイバー１０９との間に位置付けられて、各ダイオードレーザ１０３を光ファイバー１０９に結合する。光ファイバー１０９は、例えば、図１Ａ〜１Ｃに示すように、ダイオードレーザアレイと光ファイバーの自由端との間に束１０２の状態で設けることができる。しかしながら、結合光学系を使用しないダイオードファイバーレーザアレイは、以下で検討するように本発明の技術と共に用いることができる点は理解されたい。

図１Ｂを参照すると、ダイオードレーザファイバーアレイ１０１は、光ファイバー１０９の端部にてレンズ１１７を含むことができる。レンズ１１７は、光ファイバー１０９からコリメートされたレーザビーム１２０を提供するよう構成することができる。図１Ｃを参照すると、ダイオードレーザファイバーアレイ１０１は、ダイオードレーザ１０３と光ファイバー１０９との間に光学系（例えば、レンズ）を含まなくてもよく、放射線１０５のビームは、ダイオードレーザ１０３に近接した光ファイバー１０９によって受け取ることができる。光ファイバー１０９は、それぞれの端部にてレンズ１１７を有することができる。レンズ１１７は、光ファイバー１０９から放射されるレーザビーム１２０に所定の発散を提供するよう構成することができる。また、レンズを設ける代わりに、光ファイバー１０９の端部をコリメートされた又は発散したレーザビーム１２０を提供するような形状にすることができる点を理解されたい。

図２を参照すると、ダイオードレーザファイバーアレイ１０１は、レーザビーム１２０を光ファイバー１０９から粉体床１３０に配向し、所望の粉体の全てを１つの層に同時に溶融する。例えば、製造される補修部品又は構成要素の所望のパターンを生成するために、各ファイバー１０９からの所望の同時溶融に影響を及ぼすのに必要なダイオードレーザ１０３がターンオンする。所望のパターンの溶融プロセス時間は、１秒未満とすることができ、現行のスキャンプロセスよりも少なくとも２桁も早い。

粉体床１３０は、支持体１７０上に支持される構成要素１５０（例えば、航空機のガスタービンエンジンの翼形部）の上に設けられ、構成要素に対して補修部を提供することができる。本発明の技術は、構成要素への補修機能に適用できるが、新規の構成要素の付加製造構築にも適用可能であることを理解されたい。粉体床は、支持体１７０上、及び構成要素を層状に構築又は製造するのに使用されるダイオードレーザファイバーアレイ１０１上に設けることができる。

支持体１７０は、図２に示されるＺ方向（すなわち、粉体床１３０に垂直）で支持体１７０を移動させるよう構成されたアクチュエータ又はアクチュエータシステム１７５によって移動することができる。を移動させるよう構成することができるが、支持体１７０は、各ファイバー１０９から粉体床の同時溶融中にＸＹ平面で移動しない。アクチュエータ又はアクチュエータシステム１７５は、アクチュエータ又はアクチュエータシステム１７５及びダイオードレーザファイバーアレイ１０１を制御するよう構成されたコントローラ１３５によって制御することができる。アクチュエータ又はアクチュエータシステム１７５は、例えば、リニアモータ及び／又は液圧及び／又は空気圧ピストン及び／又はスクリュー駆動機構及び／又はコンベアを含むことができる。ダイオードレーザファイバーアレイ１０１が、パターンのために層内で必要な粉体の全てを同時に溶融することができるので、例えば、レーザビーム又は電子ビームを用いる粉体の層をスキャンする現行のシステムで行われるような、溶融中にアレイ１０１又は粉体床１３０の何れかを移動させる必要はない。

光ファイバー１０９のアレイ（すなわち、光ファイバー１０９の端部）と粉体床１３０との間の距離Ｄは、支持体１７０をＺ方向に移動させることにより制御することができる。距離Ｄは、光ファイバー１０９により放射されるレーザビーム１２０のタイプ（例えば、レーザビーム１２０がコリメートされるか又は発散されるかどうか、及び発散の量）、各ダイオードレーザ１０３の平均出力、ダイオードレーザ１０３のパルスエネルギー、各ダイオードレーザ１０３のパルス幅、及び／又はビーム分布（例えば、ガウス分布、トップハット分布、その他）に応じて決まる。光ファイバー１０９の端部は、所要のダイオードレーザ１０３を同時にターンオンすることによって、粉体床１３０の層の何れかの領域が同時に溶融できるように、粉体床１３０の上方で、例えば約５ｍｍ〜約１５０ｍｍ、例えば約２０ｍｍ〜約８０ｍｍに配置することができる。

コントローラ１３５は、各ダイオードレーザ１０３のターンオン及びターンオフを制御する。コントローラはまた、各ダイオードレーザ１０３の出力がターンオフ時に低下する割合を制御することができる。コントローラ１３５は、例えば、約５〜１５ミリ秒、又は必要に応じてより長い時間フレーム内で各ダイオードレーザ１０３をターンオン及びオフにすることができる。例えば、補修される翼形部上の粉体１３０の所与の層において、所望のダイオードレーザ１０３が起動され、コントローラ１３５内に入力及び／又は格納することができるＣＡＤ設計による所望の形状に粉体を溶融する。このプロセスは、必要とされる補修領域を構築するのに必要に応じて、複数回繰り返すことができる。本システムが構成要素（例えば、翼形部）を製造するのに使用される場合、プロセスは、構成要素を構築するのに必要に応じて何回でも繰り返される。コントローラ１３５は、ダイオードレーザファイバーアレイによって粉体の層が付加された後に処理されるときに、支持体１７０を下向きに移動させるようアクチュエータ１７５を制御する。形成される各層は、例えば、約１μｍ〜約１ｍｍ厚さとすることができる。翼形部の補修の場合、各層は、例えば、約１００μｍ厚さで形成することができる。

コントローラ１３５は、コンピュータプロセッサ又は他のロジックベースデバイス、ソフトウェアコンポーネント（例えば、ソフトウェアアプリケーション）、及び／又はハードウェアコンポーネントとソフトウェアコンポーネントの組み合わせ（例えば、ハードワイヤード制御命令を有するコンピュータプロセッサ又は他のロジックベースデバイス、及び関連するソフトウェアコンポーネント、コンピュータプロセッサ、又は他のロジックベースデバイス、又は同様のもの）とすることができる。

ダイオードレーザファイバーアレイ１０１は、溶融領域付近又は隣接した粉体の熱を制御して、溶融領域の冷却速度を制御するようコントローラ１３５によって制御することができる。コントローラ１３５はまた、粉体床１３０及び／又は構成要素１５０を予熱するようダイオードレーザファイバーアレイ１０１を制御することができる。ダイオードレーザ１０３の予熱出力密度は、約１００〜１００，０００ワット／ｃｍ^２とすることができる。粉体床１３０及び／又は構成要素１５０の予熱及び／又は溶融領域付近又は隣接した領域の加熱を行うことにより、熱勾配を実質的に粉体床に垂直な方向（すなわち、図２のＺ方向）でのみ制御することができる。これは、迅速な凝固冷却速度に対して亀裂が生じやすい材料を助けることができる。層表面に垂直な望ましい粒成長は、粉体床層の平坦冷却により達成することができる。これにより、翼形部形構造体の肉盛り補修により一方向凝固（ＤＳ）型の粒状構造及び単結晶構造の形成が可能となる。また、ダイオードレーザ１０３は、粉体床１３０を予熱して、溶融領域の粘度を制御するように制御することができる点は理解されたい。溶融領域の粘度を制御することにより、例えば、粉体の蒸発、凝固層の粒状構造、及び／又は補修又は構成要素の表面仕上げの制御が可能となる。

粉体床１３０の材料は、金属粉体、例えば、ＣｏＣｒＭｏ粉体とすることができる。粉体床には、他の材料（例えば、プラスチック、セラミック、又はガラス）を用いることができる点は理解されたい。粉体床の材料に応じて、ダイオードレーザ１０３の出力は、約１０〜約６０ワットとすることができる。ダイオードレーザ１０３の出力は、使用されるダイオードレーザ１０３の直径に関連することができる。ダイオードレーザ１０３の出力密度は、各ファイバーからの層内の粉体を溶融するために、最大で約１，０００，０００ワット／ｃｍ^２とすることができる。

ファイバーアレイ（例えば、図４Ａ及び４Ｂに示されるような）のファイバー中心位置は、バッファの直径又は光ファイバー１０９のコーティング１１５によって設定される。図３を参照すると、光ファイバー１０９は、例えばシリカから形成されるコア１１１と、コア１１１の周りのクラッディング１１３（例えば、シリカから形成される）とを備える。ファイバー１０９内の開口数を生成し且つ全反射をもたらすために、シリカコアの屈折率は、シリカクラッディングの屈折率よりも大きくすることができる。例えば、シリカコアは、屈折率が約１．４５とすることができ、シリカクラッディングは、屈折率が約１．４３とすることができる。クラッディング１１３は、厚さが約１０μｍとすることができる。

バッファ又はコーティング１１５は、クラッディング１１３を囲み、例えば、アクリレートから形成することができる。光ファイバー１０９間の中央スペースを低減するために、バッファ（アクリレートコーティング）１１５は、より薄肉のアクリレートコーティングで置き換えて、全体のファイバー直径を低減することができる。バッファ又はコーティング１１５の厚さは、約６２μｍとすることができる。ファイバー１０９の全直径は、約２００μｍ〜約２５０μｍとすることができる。

ファイバーコア１１１の直径は約１０５μｍとすることができる。約６０μｍのファイバーコア直径を用いることができる点は理解されたい。加えて、様々な断面の光ファイバー１０９を用いることができる点は理解されたい。例えば、方形ファイバーを用いて、ファイバーのパッキング性を向上させることができる。各光ファイバー１０９からのレーザビーム１２０によって生成される溶融プールサイズは、レーザビーム１２０によって生成される有効レーザスポットサイズに相当する。コリメートされたレーザビーム１２０の場合、溶融プールサイズは、ファイバーコア１１１の直径にほぼ相当する。しかしながら、光ファイバー１０９からのレーザビーム１２０は、例えば、ファイバーコア１１１の直径の４倍の大きさの溶融プールサイズを生成するよう制御することができる。レーザビーム１２０は、ファイバーコア１１１の直径よりも大きな溶融プールサイズを提供するように発散を有するよう制御することができる。発散ダイオードレーザ１２０の場合、アレイ１０１のファイバー１０９の端部から粉体床１３０までの距離Ｄはまた、各ファーバーの溶融プールサイズに影響を及ぼすことになる。レーザビームのパルス幅及びレーザビームプロファイルはまた、各ファイバーによって提供される溶融プールサイズを調整するよう制御することができる。

図４Ａ及び４Ｂを参照すると、ファイバーのアレイは、図４Ａに示すように直線形の配列、又は図４Ｂに示すように近接詰め込み配列とすることができる。他のアレイ（例えば、六角形）を用いることもできる。また、アレイは、製造される構成要素の形状に相当する形状とすることができる点を理解されたい。ファイバー１０９間のスペースは、バッファ又はコーティング１１５の直径に等しいとすることができる。

本発明の技術のダイオードレーザファイバーアレイは、所要のダイオードレーザビーム供給源からの同時レーザエネルギーに層を晒すことによって粉体床層を処理するのに用いることができる。本発明の技術はまた、１秒未満、及び必要に応じて、溶融領域の冷却速度を制御するため溶融領域付近及び／又は隣接した粉体の熱を制御することができるある時間フレームで完全な層状パターンを溶融可能にする。ダイオードレーザファイバーアレイは、粒状構造制御を可能にする。ダイオードレーザファイバーアレイシステムの商業的利点は、現行のシステムと同じ量の部品を製造するのに必要なシステムがより少なく、対象部品のサイズに出力床システムを調整することを含む。本明細書で開示される技術はまた、焼結（例えば、直接金属レーザ焼結）を実施するのに用いることができる。

上述のかかる目的又は利点の全てが必ずしも特定の実施例によって達成できるとは限らない点を理解されたい。従って、例えば、本明細書で説明したシステム及び技法は、本明細書で教示又は提案することができる他の目的又は利点を必ずしも達成することなく、本明細書で教示された１つの利点又は利点のグループを達成又は最適化する様態で具現化又は実施できることは当業者には理解されるであろう。

本発明の技術の特定の特徴のみを本明細書で例示し説明してきたが、当業者であれば、多くの変更形態及び変形が想起されるであろう。従って、添付の請求項は、かかる修正及び変更の全てを保護することを意図している点を理解されたい。

１０１ ダイオードレーザファイバーアレイ
１０３ ダイオードレーザ
１０９ 光ファイバー
１２０ レーザビーム
１３０ 粉体床
１３５ コントローラ
１７０ 支持体

Claims (12)

1. 粉体床（１３０）において構造部を形成する方法であって、
   ダイオードレーザファイバーアレイ（１０１）の選択されたファイバーからの複数のレーザビーム（１２０）を前記粉体床上に放射するステップを含み、
   前記選択されたファイバーのアレイが、前記構造部の層のパターンに相当し、
   前記方法が更に、前記構造部の層のパターンに相当する粉体を前記粉体床において同時に溶融するステップを含み、
   前記方法が更に、
   前記構造部の層のパターンに少なくとも隣接したファイバーからレーザビームを放射するステップと、
   前記溶融された粉体の冷却速度を制御するために、前記構造部の層の粉体に隣接した粉体を加熱するステップと、
   を含む、
   方法。
2. 前記レーザビームの各々の持続時間、前記ダイオードレーザの各々のパルス幅、前記ダイオードレーザの各々の平均出力、前記レーザビームの各々のエネルギー分布、前記レーザビームの各々の出力密度、前記レーザビームの各々の出力の低減率、及び／又は前記粉体床から前記ファイバーの端部の距離（Ｄ）のうちの少なくとも１つを制御するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記粉体が、金属、セラミック、ガラス、又はプラスチックである、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記構造部の層の粉体に隣接した粉体を加熱するステップが、前記層のパターンの粉体の同時溶融の前、及び／又は同時溶融の間、及び／又は同時溶融の後のうちの少なくとも１つで前記粉体を間接するステップを含む、請求項３に記載の方法。
5. 前記層の各々の厚さが、約１μｍ〜約１ｍｍである、請求項１から４のいずれかに記載の方法。
6. 前記構造部が、構成要素の補修部である、請求項１から５のいずれかに記載の方法。
7. 前記構成要素が、タービン構成要素である、請求項６に記載の方法。
8. 前記タービン構成要素が翼形部である、請求項７に記載の方法。
9. 前記構造部が、タービンの構成要素である、請求項１から５のいずれかに記載の方法。
10. 粉体床（１３０）において構造部を形成する装置であって、
    複数のダイオードレーザ（１０３）と、該複数のダイオードレーザに相当する複数の光ファイバー（１０９）とを含み、前記各光ファイバーがそれぞれのダイオードレーザからレーザビームを受け取るよう構成され且つ前記レーザビームを放射するよう構成された、ダイオードレーザファイバーアレイ（１０１）と、
    粉体床（１３０）を支持するよう構成された支持体（１７０）又は前記光ファイバーの端部から所定距離にて前記粉体床を支持するよう構成された構成要素と、
    前記ダイオードレーザファイバーアレイを制御して、前記ダイオードレーザファイバーアレイの選択されたファイバーから複数のレーザビームを前記粉体床上に放射するよう構成されたコントローラ（１３５）と、
    を備え、
    前記構造部の層のパターンに相当する前記選択されたファイバーのアレイが、前記構造部の層のパターンに相当する粉体を前記粉体床において同時に溶融し、
    前記コントローラ（１３５）が更に、前記ダイオードレーザファイバーアレイを制御して、前記構造部の層のパターンに隣接するファイバーからレーザビームを放射し、前記構造部の層の粉体に隣接した粉体を加熱して、前記溶融された粉体の冷却速度を制御する、
    装置。
11. 前記コントローラが更に、前記レーザビームの各々の持続時間、前記ダイオードレーザの各々のパルス幅、前記ダイオードレーザの各々の平均出力、前記レーザビームの各々のエネルギー分布、前記レーザビームの各々の出力密度、前記レーザビームの各々の出力の低減率、及び／又は前記粉体床から前記ファイバーの端部の距離（Ｄ）のうちの少なくとも１つを制御するよう構成されている、請求項１０に記載の装置。
12. 前記支持体を移動させるよう構成されたアクチュエータ（１７５）を更に備え、前記コントローラが、前記アクチュエータを制御して、前記粉体床と前記光ファイバーの端部との間の距離を調整するよう構成されている、請求項１０または１１に記載の装置。