JP6254260B2 - インベストメント鋳造で使用される鋳型および坩堝を非破壊評価するシステムおよび方法 - Google Patents

Description

本開示は、これらに限定されないが、航空機エンジン、陸上用タービンエンジンなどを製造する際に使用されるインベストメント鋳造工程で使用される鋳型および坩堝（るつぼ）の非破壊評価（ＮＤＥ：non-destructive evaluation）に有用なシステムおよび方法に関する。

鋳型および坩堝は、一般に、航空機や陸上用タービンエンジンなどの高性能装置の構成部品や部品を作製する際に使用される。そのような鋳型および坩堝の均一性と構造的完全性は、インベストメント鋳造工程で品質管理を維持する上で重要である。インベストメント鋳造の鋳型および坩堝の全体積の幾何学形状と壁の厚みを管理することは、鋳型または坩堝の構造的な完全性を保証し、溶解および鋳造時に生じる漏れを防止するために重要である。鋳型および坩堝の構造的完全性を解析するためにＸ線技術が使用されている。しかし、そのようなＸ線技術では高度に専門的な人員と機器が必要となり、また、一般には製造環境に許容される以上の時間を要する。したがって、溶解と鋳造の前に、非破壊方式で鋳型または坩堝の全体積の幾何学形状または壁の厚みを検査する実用的な技術が依然として必要とされている。

壁の厚みは、セラミックシェル部品の強度に大きく影響することから重要である。例えば、セラミックシェル部品の壁の厚みが最低の閾値を下回ると、部品の強度が最低の許容強度を下回り、液体金属が坩堝または鋳型から漏れる恐れがある。場合によっては、その漏れの結果鋳造が失敗することもある。したがって、厚みが仕様制限を下回ると、鋳造動作中に一部の部分が失われる可能性が増すため、壁の厚みは溶解坩堝と鋳造鋳型の枢要なパラメータである。

現在、坩堝の壁の厚みを調べる手法がいくつか存在する。現在使用される手法の１つは、低頻度で坩堝を抜き取り検査するものである。測定プロセスには、内面に点接触させて坩堝を固定具に設置することが伴う。表面上のいくつかの点またはその周囲で、ダイヤルゲージを用いて測定が行われる。点接触によって坩堝の接触面が損傷するため、そのような測定が行われた後、坩堝は破棄しなければならない。

誘導融解は、一般に、坩堝内の金属の投入物が溶解して液状になるまで、非導電性の耐熱合金酸化物製の坩堝内で金属を加熱することを伴う（例えばＢｅｗｌａｙらの米国特許第８，０４８，３６５号を参照されたい）。チタンやチタン合金などの非常に反応性の高い金属を溶解する際には、酸化物を使用したセラミック製の坩堝の代わりに、冷壁坩堝または黒鉛製の坩堝を使用した真空誘導融解を用いる場合がある。チタン合金などの非常に反応性が高い合金を溶解する際には、溶解に使用される温度における合金中の成分の反応性の結果、困難が生じることがある。大半の誘導融解システムでは誘導炉中の坩堝に耐熱酸化物を使用するが、チタンアルミナイドなどの合金は非常に反応性が高いため、坩堝中に存在する耐熱酸化物を攻撃し、チタン合金が汚染される可能性がある。例えば、非常に反応性の高い合金が坩堝と反応し、例えば酸素で合金を汚染する可能性があるため、通例セラミック製の坩堝は避けられる。同様に、黒鉛製の坩堝が用いられる場合は、チタンとチタンアルミナイド系合金の両方が坩堝の炭素を溶かし、それがチタン合金中に混入し、それによって、最終的な物品の汚染と機械的特性の損失が生じる。

冷坩堝溶解は、非常に反応性が高い合金を処理するための利便性をもたらすが、これにも、過熱が低いことや、スカルの形成に起因する歩留まりの損失、高いパワー要件、限られた溶解容量などのいくつかの技術的および経済的な制限がある。溶融した合金と坩堝の間で反応が起こると、鋳造物の特性を劣化させる傾向がある。この劣化は、気泡が原因で表面の仕上げが不良になるという単純なものである場合も、悪い場合には、鋳造物の化学的性質、微細構造、および特性が損なわれることもある。

日本国特許第２００１−０８３４１５号

したがって、金属または金属合金を溶解する際に使用される高品質の坩堝を確実に製造するために、代わりとなる検査技術を得ることが重要である。一例では、検査技術は、非常に反応性が高い合金に使用されるセラミック製の坩堝に適用されるが、これはセラミック製の坩堝は汚染されにくく、現在の技術に比べて技術的および経済的な制限が少ないためである。例えば、抜き取り方式の破壊的な検査技術に代えて、非破壊的であることで歩留まりを保ち、かつ高速で効率的な検査を可能にするために有効な検査技術が必要とされる。

本開示のシステムおよび方法は、当技術分野における上記および他の欠点を克服することを目的とする。

本開示は、これらに限定されないが、航空機エンジン、陸上用タービンエンジンなどの部品を製造する際に使用されるインベストメント鋳造工程で使用される鋳型および坩堝の非破壊評価（ＮＤＥ）に有用なシステムおよび方法に関する。

一態様によると、本開示は、鋳型または坩堝を非破壊評価するシステムを提供する。このシステムは、支持台、３次元（３Ｄ）走査装置、およびコンピュータコンポーネントを備える。支持台は、対象とする鋳型または坩堝を非破壊評価のために定位置に固定する固定具を備え、固定具は、鋳型または坩堝が固定される搭載部分を備える。３Ｄ走査装置は、鋳型または坩堝の対象領域の走査された外側表面の３Ｄ構造を生成するために、対象領域の外側表面を走査するのに有効である。コンピュータコンポーネントは、３Ｄ走査装置に動作可能に接続され、鋳型または坩堝の対象領域の走査された外側表面の３Ｄ構造と、その鋳型または坩堝の同じ対象領域の公称モデルの内側表面に対応する参照物体の３Ｄ構造との差分マップを作成するのに有効である。差分マップは、鋳型または坩堝が、望ましい構造的完全性パラメータ範囲の中にあるか外にあるかを示す。一実施形態では、支持台は、鋳型または坩堝を再現可能な向きで支持台上に位置決めし、鋳型または坩堝の対象領域の外側表面を走査する間に鋳型または坩堝をその向きで維持するための配置機構をさらに備える。別の実施形態で、システムは、鋳型または坩堝を支持台に配置し、鋳型または坩堝を支持台から取り外すロボット機器をさらに含む。

別の態様によると、本開示は、鋳型または坩堝を非破壊評価する方法を提供する。この方法は、本開示による非破壊評価のシステムを設けるステップと、システムの支持台に鋳型または坩堝を固定するステップと、鋳型または坩堝が望ましい構造的完全性パラメータ範囲の中にあるか外にあるかを示す３Ｄ構造の差分マップを作成するために、システムのコンピュータコンポーネントと共にシステムの３Ｄ走査装置を操作するステップとを伴う。３Ｄ構造の差分マップは、システムの支持台に固定された状態の鋳型または坩堝の対象領域の外側表面を走査することによって生成される３Ｄ構造と、鋳型または坩堝の同じ対象領域の公称モデルの内側表面に対応する参照物体の３Ｄ構造とのずれを示す。一実施形態では、システムの支持台は、鋳型または坩堝を再現可能な向きで支持台上に位置決めし、鋳型または坩堝の対象領域の外側表面を走査する間に鋳型または坩堝をその向きで維持するための配置機構をさらに備える。別の実施形態で、上記方法はさらに、鋳型または坩堝を支持台に配置し、鋳型または坩堝を支持台から取り外すロボット機器を使用するステップを伴う。

本明細書に提示されるように、本開示は、鋳造の用途で使用されるセラミックシェルの鋳型および坩堝部品の壁の厚みを測定する独自のシステムおよび方法を提供する。鋳型または坩堝の壁の厚みは、セラミックシェル部品の強度に大きく影響することから重要である。例えば、セラミックシェル部品の壁の厚みが最小の臨界値を下回ると、部品の強度が最小の許容強度を下回り、液体金属が坩堝または鋳型から漏れ、その漏れの結果鋳造が失敗する恐れがある。セラミックシェル部品の壁の厚みが最大の臨界値を上回ると、鋳造機器への部品の配置が不適切になり、外部から研削して外側の幾何学形状を仕様内に戻すなどの破壊的な後処理法が必要になる可能性が高くなる。そのような工程は、製造プロセスにおいて付加価値を生じない工程であり、無駄とコストの増大につながる。さらに、壁の厚みが大きいと、シェル部品の熱質量が大きくなる可能性があり、その結果、鋳造工程の溶解または固化の力学的特性が変化することがある。

したがって、鋳造の用途で使用する前にセラミックシェル部品の壁の厚みを非破壊的に検査することができると、実際の鋳造動作中に発生し得る失敗がなくなるため、鋳造の歩留まりを上げることができる。ＮＤＥの能力により、幾何学形状の限られた部分のデータしか得られないセクショニングや座標測定機械（ＣＭＭ）技術の使用などの他の技術と異なり、セラミック部品の全体積を検査することが可能になる。

本開示のシステムおよび方法の上記およびその他の目的、特徴、および利点は、添付図面と併せて以下の本開示の各種態様の詳細な説明を読むことにより明らかになろう。

本開示による鋳型または坩堝（例えば壁の厚み）を非破壊評価するシステムの一実施形態の概略図であり、２つのレーザ走査ヘッド、中央にある基準参照幾何学形状（すなわち搭載部分２４）、および対象とする幾何学形状（すなわち坩堝５０）を含む一実施形態の基本的な構成要素を示す図である。図１の場合は、対象とする幾何学形状として坩堝５０が示されるが、この幾何学形状は任意種類であってよい。さらに、システムは、動作を行う１つまたは複数のレーザ走査ヘッドを備えることができる。そのような詳細は、対象とするセラミックシェル部品の幾何学形状および品質要件によって決まる。 本開示による鋳型または坩堝（例えば壁の厚み）を非破壊評価するシステムの一実施形態を示す概略図であり、剛体の支持フレーム、２つのレーザ走査ヘッド、中央にある基準参照幾何学形状（すなわち搭載部分２４）、および対象とする幾何学形状（すなわち坩堝５０）を含む実施形態の基本的な構成要素を示す図である。図２の場合は、対象とする幾何学形状として坩堝５０が示されるが、この幾何学形状は任意種類であってよい。さらに、システムは、動作を行う１つまたは複数のレーザ走査ヘッドを備えることができる。そのような詳細は、対象とするセラミックシェル部品の幾何学形状および品質要件によって決まる。 本開示のシステムの一実施形態の各種態様と、坩堝の壁の厚みの非破壊評価におけるその使用を説明する図であり、図３Ａは、本開示のシステムの支持台の固定具に配置する前の坩堝を示す図である。 本開示のシステムの一実施形態の各種態様と、坩堝の壁の厚みの非破壊評価におけるその使用を説明する図であり、図３Ｂは、支持台に坩堝を固定する前の支持台の固定具および配置機構を示す図である。 本開示のシステムの一実施形態の各種態様と、坩堝の壁の厚みの非破壊評価におけるその使用を説明する図であり、図３Ｃは、固定具に取り付けられ、支持台の配置機構で適所に保持された坩堝を示す図である。 本開示による坩堝を非破壊評価する方法の一実施形態を説明するフローチャートである。 坩堝の構造的完全性を判定するために、コンピュータコンポーネントと共に本開示のシステムの３Ｄ走査装置を操作するステップの一実施形態を説明するフローチャートである。 本開示による鋳型を非破壊評価する方法の一実施形態を説明するフローチャートである。 鋳型の構造的完全性を判定するために、コンピュータコンポーネントと共に本開示のシステムの３Ｄ走査装置を操作するステップの一実施形態を説明するフローチャートである。 図８Ａ〜８Ｅは、本開示のシステムおよび方法の実施形態により壁の厚みが分析された坩堝のドーム部の成功／失敗の査定を示す図解であって、コンピュータコンポーネントによって提供されるか、作業者に直接フィードバックするために結果を印刷した図解である。 図９Ａ〜９Ｄは、走査の再現可能性を示す、本開示のシステムおよび方法の実施形態により生成された坩堝の走査結果を示す図であり、この種の検査は、システムの使用を開始する時に、再現可能性の初期の制限値を設定し、したがって測定の統計的な確実性を設定するために用いられる較正手順の一例を示す、図である。 図１０Ａ〜１０Ｂは、本開示のシステムまたは方法の実施形態を使用して坩堝の非破壊評価を行うための公称モデルとして使用される蝋製の坩堝（一般には仮型とも呼ばれる）の画像であり、坩堝の蝋製の公称モデルの外側表面の走査結果を坩堝の外側表面の走査結果から差し引いて、坩堝の壁の厚みを計算することができる、図である。 ２つの刃物を鋳造するための２つの空洞供給経路と注ぎ口を備えた鋳型を製造するための２つの蝋製の刃物（一般に仮型とも呼ばれる）を有する蝋製アセンブリの画像であり、蝋製アセンブリの外側表面の走査結果を鋳型の外側表面の走査結果から差し引いて鋳型の壁の厚みを計算することができる、図である。 図１２Ａ〜１２Ｂは、本開示のシステムおよび方法の実施形態で判定された、合格（図１２Ａ）の壁の厚みと不合格の（図１２Ｂ）壁の厚みを示す坩堝の画像である。 図１３Ａ〜１３Ｂは、本開示のシステムおよび方法の実施形態で判定された不合格の壁の厚みを示す坩堝の画像である。 図１４Ａ〜１４Ｃは、本開示のシステムおよび方法の実施形態で判定された、合格（図１４Ａ）の壁の厚みと不合格（図１４Ｂおよび１４Ｃ）の壁の厚みを示す坩堝の画像である。 本開示の一実施形態による坩堝の公称モデルの図であり、公称モデルは、ポイントクラウドデータから構築することができる、図である。

一般に、本開示のシステムおよび方法は、鋳型および坩堝の壁の厚みの均一性や公称モデル要件への準拠等を判定するなどの鋳型および坩堝の非破壊評価（ＮＤＥ）に有効である。例えば、ある実施形態では、本開示は、シェル鋳型および坩堝部品の表面の計測を行って壁の厚みを非破壊的に測定する電子機械複合型のシステムを提供する。さらに、本開示は、鋳造の歩留まりを向上させるために用いることができる革新的なシステムおよび方法を提供する。特定の実施形態で、本システムは、坩堝のシェル表面上を通過する単一または複数の３次元（３Ｄ）走査装置（例えば３Ｄ光または光学スキャナ）と、剛体フレームと、当該部品の所望の内部幾何学形状に合わせて成形された固定具と、レーザ走査の結果に基づいて、坩堝を破壊または損傷することなく、部品の査定（例えば合格、不合格、または再加工）を作業者に提供する、電子制御、データの記録、および検査を行うディスプレイと、を含む。

鋳型および坩堝を非破壊評価するためのシステム
一態様によると、本開示は、鋳型または坩堝を非破壊評価するためのシステムを提供する。このシステムは、支持台、３次元（３Ｄ）走査装置、およびコンピュータコンポーネントを含む。支持台は、対象とする鋳型または坩堝を非破壊評価のために定位置に固定する固定具を備え、固定具は、鋳型または坩堝が固定される搭載部分を備える。３Ｄ走査装置（例えば白色光ライトやレーザスキャナ）は、鋳型または坩堝の対象領域の走査された外側表面の３Ｄ構造（例えばポイントクラウド）を生成するために、対象領域の外側表面を走査するために有効である。コンピュータコンポーネントは、３Ｄ走査装置に動作可能に接続され、鋳型または坩堝の対象領域の走査された外側表面の３Ｄ構造と、その鋳型または坩堝の同じ対象領域の公称モデルの内側表面に対応する参照物体の３Ｄ構造との差分マップを作成するのに有効である。差分マップは、鋳型または坩堝が、望ましい構造的完全性パラメータ範囲の中にあるか外にあるかを示す。

一実施形態では、３Ｄ走査装置は、動作可能にコンピュータコンポーネントに接続されており、参照物体の３Ｄ構造を生成するために、固定具の搭載部分および／または鋳型もしくは坩堝の仮型を走査するのに有効である。

本明細書で使用される場合、用語「公称モデル」は、３次元の幾何学的寸法として表された、望ましい鋳型または坩堝のコンピュータで作成された３Ｄ表現を言う。例えば、公称モデルは、製造しようとする所望の鋳型または坩堝のコンピュータで作成された描写である。本開示のシステムおよびプロセスは、特定の鋳型または坩堝が、望ましい公称モデルの３Ｄ幾何学的寸法に合致するか否かを判定するのに適する。

本明細書で使用される場合、用語「参照物体」は、鋳型または坩堝の対象領域の走査された外側表面の３Ｄ構造との差分マップを作成するために使用される公称モデルの所望の内側表面に対応する３Ｄ構造を得るために使用できる、有形の物体またはコンピュータで作成された物体を言う。例えば、参照物体は、本開示のシステムの支持台の固定具の搭載部分、鋳型もしくは坩堝の仮型、または鋳型もしくは坩堝の公称モデルの内側表面のコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）モデルである。ＣＡＤモデルが参照物体である場合、本明細書に定義されるようにそのＣＡＤモデルを公称モデルとすることもできる。

ある実施形態では、搭載部分の表面を３Ｄ走査装置で走査して、坩堝または鋳型の所望の内側表面のための公称モデルの３Ｄ構造を生成することができる。他の実施形態では、仮型（例えば蝋やプラスチック製の坩堝原型）を走査して、坩堝または鋳型の所望の内側表面に対応する公称モデルの３Ｄ構造を生成することができる。また、当技術分野で知られるプロセスに従って坩堝または鋳型を作製するプロセスでも同じ仮型を使用することができる。他の実施形態では、坩堝または鋳型の所望の内側表面の公称モデルの３Ｄ構造には、ＣＡＤモデルを用いることができる。

本明細書で使用される場合、用語「３Ｄ構造」は、走査対象の構造または公称モデルの３次元表現を言う。例えば、３Ｄ構造は、ポイントクラウド、多角形モデルまたは構造、非一様有理ベーススプライン（ＮＵＲＢＳ：non-uniform rational basis spline）の表面または構造などの形態をとることができる。

本明細書で使用される場合、鋳型または坩堝の「対象領域」は、鋳型または坩堝の一部分または全体を言う。例えば、実施形態によっては、対象領域は、坩堝のドーム部、坩堝の側壁、または坩堝全体（坩堝のドーム部と側壁の両方を含む）。ある実施形態では、対象領域は、坩堝のドーム部の一部または坩堝の側壁の一部だけであってもよい。ある実施形態では、対象領域は、鋳型または坩堝の複数の部分であってもよい。例えば、対象領域は、坩堝のドーム部の１つもしくは複数の部分、側壁の１つもしくは複数の部分、またはドーム部と側壁両方の１つもしくは複数の部分とすることができる。

本明細書で使用される場合、「構造的完全性パラメータ」は、インベストメント鋳造工程で使用するのに適する鋳型または坩堝の構造的完全性を判定するために使用できる任意の測定可能なパラメータを言う。例えば、本明細書で使用される場合、構造的完全性パラメータの一例には、これらに限定されないが、鋳型または坩堝の一部分または全体の壁厚みが含まれる可能性がある。より詳細には、鋳型または坩堝の一部分または全体の壁厚みの均一性は、本開示で使用される構造的完全性パラメータの一例である。鋳型または坩堝によっては、鋳型または坩堝の特定部分の壁厚みの均一性が、他の部分の均一性よりも重要である場合があり、これは当業者が決定することができる。ある実施形態では、構造的完全性パラメータは、特定のインベストメント鋳造工程中に鋳型または坩堝が耐えられる応力の量を判定するために有効である。例えば、一実施形態では、構造的完全性パラメータは、最高で２００メガパスカル（ＭＰａ）の降伏強度を持つ鋳型または坩堝を特定するパラメータである場合がある。したがって、本開示のシステムは、インベストメント鋳造工程で使用される鋳型または坩堝の応力管理に有効である。

本明細書で使用される場合、「望ましい構造的完全性パラメータ範囲」とは、インベストメント鋳造工程で使用するのに適する鋳型または坩堝の構造的完全性を判定するために使用できる測定可能なパラメータの許容範囲を言い、これは当業者によって決定される。例えば、望ましい構造的完全性パラメータ範囲は、鋳型または坩堝の一部分または全体の壁の厚みの上限および下限で定義することができる。より詳細には、望ましい構造的完全性パラメータ範囲は、鋳型または坩堝の望ましい壁の厚みを言う場合も、または、壁の厚みの許容範囲の上限および下限内にある鋳型または坩堝の壁の割合を言う場合もある。本開示で提供される望ましい構造的完全性パラメータ範囲を使用して、鋳型または坩堝が合格の査定であるか、不合格の査定であるか、または再加工の査定であるかを判定することができる。本開示のシステムを使用して合格または不合格の査定であると判断される坩堝の例を、図１２Ａ〜１２Ｂ、１３Ａ〜１３Ｂ、および１４Ａ〜１４Ｃの写真に示す。

本明細書で使用される場合、「非破壊評価」（ＮＤＥ）とは、鋳型または坩堝の構造的完全性（例えば特定の構造的完全性パラメータ）を評価するプロセスを言い、このプロセスでは、鋳型または坩堝に構造的または機能的な損傷を全く生じないか、実質的に生じず、また評価を行った鋳型または坩堝は、インベストメント鋳造工程でその本来の用途に使用することができる。本明細書に提供される本開示のシステムおよび方法は、鋳型もしくは坩堝の全体積の幾何学形状を測定する、かつ／または鋳型もしくは坩堝の１つまたは複数の所望の部分を測定する方式で非破壊評価を行うのに有効である。

一実施形態では、システムの支持台は、鋳型または坩堝を再現可能な向きで支持台上に位置決めし、鋳型または坩堝の対象領域の外側表面を走査する間に鋳型または坩堝をその向きで維持するための配置機構をさらに備える。本明細書で使用される場合、用語「配置機構」は、支持台への鋳型または坩堝の配置を望ましい再現可能な向きで誘導し、本開示によるＮＤＥのために鋳型または坩堝をその同じ向きに保つ任意の機械的手段を言う。例えば、ある実施形態では、一組の押さえ突起を使用して、坩堝または鋳型を配置すべき支持台の領域を定義することができる。例えば、図３Ａおよび３Ｃに示すように、特定の実施形態では、３つの押さえ突起２６ａおよび坩堝切り欠きピン２６ｂを使用して、支持台上で坩堝を所望の場所および向きで配向し、物理的に維持することができる。図３Ｃに示すように、坩堝切り欠きピン２６ｂは、坩堝５０が支持台の固定具の搭載部分を中心に回転または旋回しないように、坩堝の切り欠き５６に嵌合する。

特定の実施形態では、システムの配置機構および搭載部分は共に機能して、非破壊評価中の鋳型または坩堝の損傷を防止するか、または最小に抑えるように鋳型または坩堝を支持台上に位置決めするように構成される。例えば、配置機構と搭載部分は、鋳型または坩堝が支持台、配置機構、または搭載部分と一切物理的に接触しないように構成することができる。それらに接触すると、本開示のシステムを使用したＮＤＥの解析中に鋳型または坩堝の構造または機能が損傷する。

一実施形態では、固定具は、鋳型または坩堝の対象領域の内部表面の幾何学形状（「基準幾何学形状」とも呼ぶ）に一致する形状を有する搭載部分を備える。一実施形態では、支持台の固定具の搭載部分は、鋳型または坩堝を支持台に取り付け、維持し、および／または取り外す際に鋳型または坩堝の一部、特に内側表面の損傷を最小に抑えるのに有効な表面幾何学形状（例えば３Ｄ表面または表面の粗さ）および／または表面組成（例えば搭載部分の表面を作製するために使用される材料や被膜物）を有する。ある実施形態では、固定具の搭載部分は、鋳型または坩堝の内部表面への損傷を最小に抑えることが知られている材料で作製されるか、または被覆される。損傷を最小に抑えることは、例えば、本開示によるシステムおよび／または方法を使用するＮＤＥ処理を受けた後に、鋳型または坩堝のセラミック幾何学形状の配置面に痕跡、切り傷、かき傷などが全く残っていない、または実質的に残っていないことを保証することを含む。特定のインベストメント鋳造の用途では、鋳型または坩堝のそのような痕跡、切り傷、かき傷などは、任意の寸法を測定した時に特定の大きさよりも大きい場合には（例えば長さ、幅、および／または奥行きで測定した大きさが０.５ｍｍより大きい場合）、当該部品の破棄を必要とする欠陥と見なされる場合もある。発生し得る欠陥の大きさをより好ましい仕様（例えば０.１００ミクロン未満）までさらに低減する材料を選択することができる。特定の実施形態では、鋳型または坩堝（例えばセラミック製の型）を内部の参照基準幾何学形状（例えば固定具の搭載部分）に固定し、取り外す行為で生じる欠陥は、大きさが５０ミクロン未満でなければならない。固定具の搭載部分を作製するために使用する材料の適切な例には、これらに限定されないが、シリコーンの被覆、天然ゴム、アクリル系塗料の被覆、プラスチック材料、および／または滑らかに研磨された金属が挙げられる。

本開示のシステムの一実施形態では、３Ｄ走査装置は支持台に固着されるか、または固着されない。本開示のシステムの別の実施形態では、３Ｄ走査装置は、対象領域の外側表面の走査中、または参照物体の表面の走査中に３Ｄ走査装置を操縦するロボットシステムに動作可能に接続される。３Ｄ走査装置は１つまたは複数の３Ｄ走査ヘッドを含むことができる。さらに、３Ｄ走査装置としては、対応する表面のポイントクラウド、多角形構造、または非一様有理ベーススプライン（ＮＵＲＢＳ）構造を作成するために表面を走査するのに有効な任意の装置を使用することができる。表面は、これらに限定されないが、鋳型もしくは坩堝の対象領域の外側表面、または本開示で使用される参照物体の表面である。

本開示の各種実施形態で、３Ｄ走査装置は、短距離非接触の３Ｄ走査技術の種々の方式に従って動作することができる。当業者に知られるように、３Ｄスキャナは、その視野内にある表面についての距離情報を収集する。

３Ｄ走査技術には３つの広いカテゴリ、すなわち、三角測量、構造光、および飛行時間がある。三角測量は通例、レーザ光を発して物体の形状と位置を判定する。オフセットカメラを使用して反射光を検出する。幾何学を使用して距離を計算する。カメラとレーザの間の基線が分かっており、したがってレーザの角度も分かる。構造光または白色光３Ｄスキャナでも三角測量を使用する。ただし、レーザを使用する代わりに、物体にパターンを投影する。ＦＯＶ全体が一度に捕捉されるが、数個の異なるパターンが時間に伴って順次投影される。カメラの各画素には３Ｄ位置が関連付けられている。飛行時間は通例、大きな物体に使用される。飛行時間はレーザ範囲発見器と、レーザ点の方位角／仰角を動かす手段を使用する。光のパルスのタイミングを合わせて物体までの距離を測定する。方位角／仰角と組み合わせると、点の３Ｄ位置が得られる。レーザを通例は回転ミラーで走査して、密度の高い３Ｄのポイントクラウドを作成する。

本開示の３Ｄ走査装置は、三角測量、構造光（例えば白色光）、および飛行時間による３Ｄ走査技術を使用する３Ｄ走査に有効な走査装置を含むことができる。そのため、３Ｄ走査装置は、構造光スキャナ（例えば白色光スキャナ）、レーザ走査装置（例えばレーザスキャナ）、または、本開示による３Ｄ走査技術を行うのに有効な他の装置を含むことができる。

本開示に提供される３Ｄ走査装置はレーザ走査装置であってよい。レーザ走査装置は、これらに限定されないが、走査された表面の３次元構造（例えばポイントクラウド）を生成するのに有効なレーザ走査ヘッドを含むことができる。一実施形態では、レーザ走査ヘッドは、これらに限定されないが、レーザ送受信機および２軸の揺動ミラーを含むことができる。レーザ走査装置は、単一のレーザ走査ヘッドを含んでも、複数のレーザ走査ヘッドを含んでもよい。このシステムで使用するレーザ走査装置の適切な例には、これらに限定されないが、Ｋｏｎｉｃａ Ｍｉｎｏｌｔａにより製造または販売されるレーザ走査装置（ＶＩＶＩＤスキャナ）、ｔｈｒｅｅＲｉｖｅｒｓ３Ｄ（Ｖｉｒｔｕｏｓｏスキャナ）、Ｓｈａｐｅ Ｄｒｉｖｅ（３Ｄスキャナ）等が挙げられる。当業者は、本開示のシステムで使用する他の３Ｄ走査装置および３Ｄレーザスキャナを容易に決定することができよう。

本明細書で使用される場合、適切なコンピュータコンポーネントには、３Ｄ走査装置を作動させ、本開示のシステムまたは方法を使用したＮＤＥプロセスを受けた鋳型または坩堝に関する出力査定を提供することが可能なコンピュータシステム（例えばコンピュータ、ソフトウェア、周辺機器など）が含まれる。本開示のシステムおよび方法で使用するのに適するコンピュータコンポーネントおよびコンピュータシステムは当業者に知られている。

一実施形態では、コンピュータコンポーネントはコンピュータおよびソフトウェアを含み、これらは、自動的に、３Ｄ走査装置に動作信号を送信し、３Ｄ走査装置から走査データを受信し、受信した走査データを望ましい鋳型または坩堝の仕様と比較し、鋳型または坩堝の測定結果が、望ましい非破壊評価の構造的完全性パラメータの範囲の中にあるか外にあるかについての査定を表示し、望ましい構造的完全性パラメータは、鋳型または坩堝の全体積の幾何学形状または壁の厚みの測定を含む。特定の実施形態では、コンピュータコンポーネントによって提供される査定は、壁の厚みが仕様制限内にあるか、その外にあるかを特定し、それにより壁の厚みが合格の査定であるか、不合格の査定であるかを表示する。

一実施形態では、コンピュータコンポーネントは、ＮＤＥを受ける鋳型または坩堝の領域の壁の厚み、真円度、同心度、および／または平行度に固有の寸法および許容差を取り込む。

別の実施形態では、システムは、鋳型または坩堝を支持台に配置し、鋳型または坩堝を支持台から取り外すロボット機器をさらに含む。特定の実施形態では、ロボット機器は、非破壊評価された鋳型または坩堝を支持台から取り外し、それが合格（例えば良品）の査定と特定されたか、不合格（例えば不良）の査定と特定されたか、または再加工の査定と特定されたかに応じて、それぞれの集積エリアに分別するのに有効である。本開示のシステムで使用するのに適するロボット機器は当業者に知られている。適切なロボット機器の例には、Ｋｕｋａ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｒｏｂｏｔｓ、Ａｄｅｐｔ Ｔｅｃｈｎｌｏｇｙ、Ｉｎｃ．、Ｓｔａｕｂｌｉ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ、ＡＢＢ Ｒｏｂｏｔｉｃｓなどにより製造または販売される機器が含まれる。

本開示のシステムの説明のための例が図１および図２に提供され、これらは、鋳型または坩堝５０を非破壊評価するためのシステム１０の各種実施形態の概略図である。図１および図２に示すように、システム１０は、支持台２０、３Ｄ走査装置３０、およびコンピュータコンポーネント４０を含む。支持台２０は、鋳型または坩堝５０を非破壊評価するために、対象とする鋳型または坩堝５０を定位置に固定する固定具２２を備える。固定具２２は、鋳型または坩堝５０が固定される搭載部分２４を含む。ある実施形態では、搭載部分２４は、鋳型または坩堝５０の対象領域５２の内部表面の幾何学形状に一致する形状を有する。支持台２０はさらに、鋳型または坩堝５０を支持台２０上に再現可能な向きで位置決めし、鋳型または坩堝５０の対象領域５２の外側表面５４を走査する間に鋳型または坩堝５０をその向きで維持するための配置機構を含むことができる。３Ｄ走査装置３０は、鋳型または坩堝５０の対象領域５２の走査された外側表面５４の３Ｄ構造（例えばポイントクラウド）を生成するために、鋳型または坩堝５０の対象領域５２の外側表面５４を走査するために使用される。３Ｄ走査装置は、支持台に固着しても（図２を参照）、支持台から独立していても（図１を参照）よい。３Ｄ走査装置は、例えばレーザ走査装置であり、単一のレーザ走査ヘッドまたは複数のレーザ走査ヘッドを含むことができる。コンピュータコンポーネント４０は、３Ｄ走査装置３０に動作可能に接続され、鋳型または坩堝５０の対象領域５２の走査された外側表面５４の３Ｄ構造（例えばポイントクラウド）と、その鋳型または坩堝５０の同じ対象領域の公称モデルの内側表面に対応する参照物体の３Ｄ構造（例えばその物体のポイントクラウド）との差分マップを作成するのに有効である。差分マップは、鋳型または坩堝が望ましい構造的完全性パラメータ範囲の中にあるか外にあるかを示す。

図３Ａ、３Ｂ、および３Ｃは、システム１０の一実施形態の写真画像である。詳細には、図３Ａ、３Ｂ、および３Ｃは、配置機構２６（２６ａおよび２６ｂで示す）の一実施形態を示し、配置機構２６は、鋳型または坩堝５０を支持台２０上に再現可能な向きで位置決めし、鋳型または坩堝５０の対象領域の外側表面を走査する間に鋳型または坩堝５０をその向きで維持し、より詳細には鋳型または坩堝５０を搭載部分２４上に位置決めする。図３Ａは、システム１０の搭載部分２４に固定される前の坩堝５０を示す。図で、坩堝５０は切り欠き５６（溝または扉とも呼ぶ）を含んでいる。図３Ｂは、固定具２２の搭載部分２４および配置機構２６を有するシステム１０の図であり、配置機構が、配置機構押さえ突起２６ａおよび配置機構坩堝切り欠きピン２６ｂとしてより詳細に示されている。図３Ｃは、搭載部分２４に固定的に取り付けられ、配置機構２６で定位置に固定された坩堝５０を示し、配置機構押さえ突起２６ａが配置された坩堝５０を所望の場所に配向し、また、ＮＤＥの解析中に坩堝５０が搭載部分を中心に回転しないようにするのに効果的なように、配置機構坩堝切り欠きピン２６ｂが坩堝の切り欠き５６に嵌合している。図３Ｂには３つの配置機構押さえ突起を示すが、本開示はそのような押さえ突起のどの特定の数にも限定されない。そのため、本開示は、本開示のシステムおよび方法によるＮＤＥ解析中に、鋳型または坩堝を所望の向きに配向して維持し、支持台上に位置決めするために使用することができる任意の機械的手段を企図する。

鋳型および坩堝を非破壊評価する方法
別の態様によると、本開示は、鋳型または坩堝を非破壊評価する方法を提供する。この方法は、本開示による非破壊評価のシステムを設けるステップと、システムの支持台に鋳型または坩堝を固定するステップと、鋳型または坩堝が望ましい構造的完全性パラメータ範囲の中にあるか外にあるかを示す３Ｄ構造（例えばポイントクラウド）の差分マップを作成するために、システムのコンピュータコンポーネントと共にシステムの３次元の（３Ｄ）走査装置を操作するステップとを伴う。３Ｄ構造（例えばポイントクラウド）の差分マップは、システムの支持台に固定された状態の鋳型または坩堝の対象領域の外側表面を走査することによって生成される３Ｄ構造（例えばポイントクラウド）と、鋳型または坩堝の同じ対象領域の公称モデルの内側表面に対応する参照物体の３Ｄ構造（例えばポイントクラウド）とのずれを示す。

この方法に関して、この方法で使用するシステムは本開示に記載される通りである。したがって、この方法に関して繰り返して説明されないシステムの実施形態、属性、および／または他の態様は、参照により本明細書に組み込まれる。

本開示の方法の一実施形態によると、鋳型または坩堝は、（ｉ）少なくとも差分マップの約７５〜約９０パーセントが、望ましい構造的完全性パラメータ範囲の中にある場合には、合格の査定、（ｉｉ）差分マップの約１０〜約２５パーセント以上が望ましい構造的パラメータ範囲を下回る場合には不合格の査定、または、（ｉｉｉ）差分マップの約１０〜約２５パーセント以上が望ましい構造的パラメータ範囲を上回る場合には再加工の査定になると判定される。

本明細書で述べるように、この方法は、本開示のシステムを使用して、鋳型または坩堝が、望ましい構造的完全性パラメータ、例えば鋳型または坩堝の一部分または全体の壁の厚み以内にあるか外にあるかを判定することを伴う可能性がある。この方法は、鋳型または坩堝の全体積の幾何学形状の測定を伴う非破壊評価に使用することができる。説明のための例として、望ましい構造的完全性パラメータは、坩堝のドーム部の壁の厚みであり、壁の厚みは、ミリメートル単位の特定の厚み範囲内にあることが望ましい。坩堝が望ましい厚み範囲内であることが判明した場合は合格の査定と判定され、したがってそのまま使用することができる。坩堝が望ましい厚み範囲を下回ることが判明した場合は、意図される目的（例えばインベストメント鋳造工程）には薄過ぎるため不合格の査定と判定され、したがって破棄し、使用しない方がよい。坩堝が望ましい厚み範囲を上回ることが判明した場合は、不合格の査定または再加工の査定のどちらかと判定される。再加工の査定とは、例えば、坩堝の一部は厚過ぎるものの、その部分を再加工（例えば研削）して、望ましい厚み範囲内にできることを意味する。

ある実施形態では、上記方法は、鋳型または坩堝が特定のインベストメント鋳造工程中に耐えられる応力の量を判定するために有効な構造的完全性パラメータを使用する。例えば、一実施形態では、構造的完全性パラメータは、最高で２００メガパスカル（ＭＰａ）の降伏強度を持つ鋳型または坩堝を特定するパラメータである場合がある。したがって、本開示のシステムは、インベストメント鋳造工程で使用される鋳型または坩堝の応力管理に有効である。

一実施形態では、公称モデルは、ポイントクラウドデータに基づいて表面モデル化のアルゴリズムを使用して生成するか、または工学的仕様に基づいて３Ｄのソリッドモデルから導出することができる。本開示による公称モデルの例を図１５に示す。

各種実施形態で、上記方法は、参照基準幾何学形状スキャン、公称モデル、および実際の幾何学形状のポイントクラウドデータを使用して鋳型または坩堝の壁の厚みを計算するために、コンピュータコンポーネントの制御ソフトウェアを操作することを伴う。

一実施形態では、システムの支持台は、鋳型または坩堝を再現可能な向きで支持台上に位置決めし、鋳型または坩堝の対象領域の外側表面を走査する間に鋳型または坩堝をその向きで維持するための配置機構をさらに備える。各種実施形態で、固定具の搭載部分は、鋳型または坩堝を支持台に取り付け、維持し、および／または取り外す際に鋳型または坩堝の内側表面の損傷を防止するか、または最小に抑えるのに有効な表面幾何学形状および／または表面組成を有することができる。

一実施形態では、鋳型または坩堝をシステムの支持台に固定するステップは、（ｉ）支持台であって、その配置機構と搭載部分が共に機能して非破壊評価中に鋳型または坩堝の損傷を防止するか、最小に抑えるように支持台上で鋳型または坩堝を位置決めするように構成された、支持台を設け、（ｉｉ）鋳型または坩堝の内側表面が固定具の搭載部分と所望の接触を有するように、鋳型または坩堝を支持台の定位置に固定するステップを含む。特定の実施形態では、所望の接触は接触の場所および接触の量に基づき、接触の量は、固定具の搭載部分と全く接触しない状態から、全面に接触する状態までの範囲をとる。

本開示の方法の一実施形態では、コンピュータコンポーネントと共に３Ｄ走査装置を操作するステップは、コンピュータコンポーネントを使用して以下のステップを自動的に実行することを含み、それらのステップは、（ｉ）３Ｄ走査装置に動作信号を送信するステップ、（ｉｉ）３Ｄ走査装置から走査データを受信するステップ、（ｉｉｉ）受信した走査データを望ましい鋳型または坩堝の仕様と比較するステップ、および（ｉｖ）鋳型または坩堝の測定結果が、望ましい非破壊評価の構造的完全性パラメータの中にあるか外にあるかについての査定を表示するステップを含み、望ましい構造的完全性パラメータは、鋳型または坩堝の全体積の幾何学形状または壁の厚みの測定を含む。

一実施形態では、３Ｄ走査装置に動作信号を送信するステップは、（ｉ）鋳型または坩堝を支持台の定位置に固定する前に、３Ｄ走査装置を誘導して参照物体の表面を走査することにより初期基準幾何学形状参照スキャンを生成するステップ、（ｉｉ）３Ｄ走査装置を誘導して鋳型または坩堝の対象領域の外側表面を走査することにより、対応する対象領域の３Ｄ構造（例えばポイントクラウド）を生成するステップ、または、（ｉｉｉ）鋳型または坩堝を支持台の定位置に固定する前に、３Ｄ走査装置を誘導して参照物体の表面を走査することにより初期基準幾何学形状参照スキャンを生成し、その後、鋳型または坩堝が支持台の定位置に配置された時に、鋳型または坩堝の対象領域の外側表面を走査して、それに対応する３Ｄ構造（例えばポイントクラウド）を生成するステップ、を含む。

一実施形態では、上記方法は、３Ｄ公称ＣＡＤモデルを使用して最良適合（best-fit）および他の数学的計算を行って走査データの位置を判定することを伴う。一実施形態では、コンピュータコンポーネントによって提供される査定は、鋳型または坩堝の全体積の幾何学形状および／または壁の厚みが仕様制限内にあるか、その外にあるかを特定し、それにより、鋳型または坩堝の全体積の幾何学形状または壁の厚みが合格の査定であるか、不合格の査定であるか、または再加工の査定であるかを表示する。

一実施形態では、３Ｄ構造差分マップを作成するためにシステムのコンピュータコンポーネントと共に３Ｄ走査装置を操作するステップは、システムの３Ｄ走査装置または別の３Ｄ走査装置を使用して参照物体の表面を走査して、参照物体の３Ｄ構造を生成するステップ、システムの３Ｄ走査装置を使用して鋳型または坩堝の対象領域の外側表面を走査して、前記対象領域の３Ｄ構造を生成するステップ、および、コンピュータコンポーネントを使用して３Ｄ構造差分マップを作成して、鋳型または坩堝が望ましい構造的完全性パラメータ範囲の中にあるか外にあるかを判定するステップ、を含む。特定の実施形態で、参照物体は、固定具の搭載部分、または鋳型もしくは坩堝の仮型（例えば蝋の鋳型または坩堝）からなる。

一実施形態では、３Ｄ構造差分マップを作成するためにシステムのコンピュータコンポーネントと共に３Ｄ走査装置を操作するステップは、鋳型または坩堝の公称モデルの内側表面のコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）モデルを得るステップ、システムの３Ｄ走査装置を使用して鋳型または坩堝の対象領域の外側表面を走査して、前記対象領域の３Ｄ構造を生成するステップ、および、コンピュータコンポーネントを使用して３Ｄ構造差分マップを作成して、鋳型または坩堝が望ましい構造的完全性パラメータ範囲の中にあるか外にあるかを判定するステップ、を含む。

一実施形態では、上記方法は、参照物体の同じ３Ｄ構造を使用して、複数の異なる鋳型または坩堝で行われる。

別の実施形態では、方法はさらに、鋳型または坩堝を支持台に配置し、鋳型または坩堝を支持台から取り外すロボット機器を使用するステップを伴う。ある実施形態では、ロボット機器は、本開示の方法によるＮＤＥ解析を受けた後に、鋳型または坩堝を、合格、不合格、または再加工の査定に従って、分別された場所に自動的に配置するようにプログラムされる。

図４および図５は、坩堝を非破壊評価するための本開示の方法の各種態様の実施形態を説明する図である。

図４は、坩堝を非破壊評価する方法１００の一実施形態を説明するフローチャートである。図４に示すように、方法１００は、本開示による坩堝を非破壊評価するシステムを設けるステップ（ステップ１１０）と、坩堝をシステムの支持台に固定するステップ（ステップ１２０）と、坩堝が望ましい構造的完全性パラメータ範囲の中にあるか外にあるかを示す３Ｄ構造（例えばポイントクラウド）の差分マップを作成するために、システムのコンピュータコンポーネントと共にシステムの３次元（３Ｄ）走査装置を操作するステップ（ステップ１３０）とを含む。坩堝を再現可能な向きで支持台に位置決めするために、支持台は、本明細書に記載されるように配置機構を含むことができる。上記のように、この方法で使用される本開示のシステムは、坩堝の全体積の壁厚みを測定するのに有効である。

図５のフローチャートに示すように、方法１００の一実施形態では、コンピュータコンポーネントと共に３Ｄ走査装置を操作するステップ（ステップ１３０）は、３Ｄ走査装置に動作信号を送信するステップ（ステップ１３１）と、３Ｄ走査装置から走査データを受信するステップ（ステップ１３２）と、受信した走査データを望ましい坩堝の仕様と比較するステップ（ステップ１３３）と、坩堝の測定結果が、望ましい非破壊評価の構造的完全性パラメータの中にあるか外にあるかについての査定を表示するステップ（ステップ１３４）とを含み、望ましい構造的完全性のパラメータは、坩堝の全体積の幾何学形状または壁の厚みの測定を含む。

図６および図７は、鋳型を非破壊評価するための本開示の方法の各種態様の実施形態を説明する図である。これらの実施形態では、蝋を使用して、所望の鋳型の内側表面の幾何学形状を作る。

図６は、鋳型を非破壊評価する方法２００の一実施形態を説明するフローチャートである。図６に示すように、方法２００は、本開示による鋳型を非破壊評価するシステムを設けるステップ（ステップ２１０）と、システムの支持台に鋳型を固定するステップ（ステップ２２０）と、鋳型が望ましい構造的完全性パラメータ範囲の中にあるか外にあるかを示す３Ｄ構造（例えばポイントクラウド）の差分マップを作成するために、システムのコンピュータコンポーネントと共にシステムの３Ｄ走査装置を操作するステップ（ステップ２３０）とを含む。鋳型を再現可能な向きで支持台に位置決めするために、本明細書に記載されるように、支持台は配置機構を含むことができる。上記のように、この方法で使用される本開示のシステムは、鋳型の全体積の壁厚みを測定するのに有効である。

図７のフローチャートに示すように、方法２００の一実施形態では、コンピュータコンポーネントと共に３Ｄ走査装置を操作するステップ（ステップ２３０）は、３Ｄ走査装置に動作信号を送信するステップ（ステップ２３１）と、３Ｄ走査装置から走査データを受信するステップ（ステップ２３２）と、受信した走査データを望ましい鋳型の仕様と比較するステップ（ステップ２３３）と、鋳型の測定結果が、望ましい非破壊評価の構造的完全性パラメータの中にあるか外にあるかについての査定を表示するステップ（ステップ２３４）とを含み、望ましい構造的完全性パラメータは、鋳型の全体積の幾何学形状または壁の厚みの測定を含む。

本開示の方法の一実施形態では、コンピュータコンポーネントによって提供される査定は、壁の厚みが仕様制限内にあるか、その外にあるかを特定し、それにより、壁の厚みが合格の査定であるか、不合格の査定であるかを表示する。

本開示の方法の一実施形態では、コンピュータコンポーネントは、鋳型または坩堝の領域の壁の厚み、真円度、同心度、および／または平行度に固有の寸法および許容差を取り込む。

実施例
以下の実施例は、特定の実施形態を説明すること意図するものであり、決して本システムおよび技術の範囲を制限することを意図するものではない。

一実施形態では、本開示のシステムは、１つまたは複数のレーザ走査ヘッドと、走査ヘッドの電子機械的な運動を含む可能性のある走査ヘッドを保持する剛体フレームスタンドと、検査部品を配置する固定具と、検査の記録および決定を行うコンピュータとを含む。レーザ走査ヘッドは、典型的な市販の既製品の走査ヘッドを用いて作動し、走査ヘッドはレーザ送受信機および２軸の揺動ミラーからなる。制御ソフトウェアでミラーの極位置に対応付けられると、測定された表面のマッピングに対応するポイントクラウドが生成される。複数のレーザ走査ヘッドを用いて、点の密度を増し、したがって測定の精度を上げることができる。検査の記録および決定を行うコンピュータは、制御コンピュータおよびソフトウェアを含み、これらは走査ユニットに動作信号を送信し、ユニットから走査データを受信し、そのデータを部品の仕様と比較し、査定を自動的に表示する。このコンピュータは、ＰＣを利用するか、または他の単純な演算機械であってよい。ソフトウェアは、測定された外部表面のポイントクラウドを比較し、測定された外部表面のポイントクラウドと、坩堝の幾何学形状、具体的には坩堝のドーム部の内部幾何学形状を表す公知の公称形状（ソフトウェアの３Ｄ空間にある）との差分マップを作成する。差分マップは、坩堝のドーム部の坩堝壁の厚みのマッピングを提供することができる。

図８Ａ〜８Ｅに示すように、厚みが合格であるかどうかが３Ｄの表面マップとして表され、表面は、査定に基づいて色分けされるか、その他の方法で識別される。例えば、図８Ａ〜８Ｅに示すように、合格の壁の厚みは緑色で示し（図８Ａ〜８Ｅでは参照符号４２で示す）、不合格の壁の厚みは赤色で示し（図８Ａ、８Ｂ、８Ｃ、および８Ｅでは参照符号４４で示す）、再加工の壁の厚み（すなわち合格の厚みより大きい厚み）は青色で示す（図には示していない）ことができる。このように、壁の厚みが仕様の下限を下回る場合、ソフトウェアは、その表面を赤色で色分けして表示して（図８Ａ、８Ｂ、８Ｃ、および８Ｅの参照符号４４で示す）、厚みが最小の仕様を下回っていることを示す。厚みが最大制限を上回る場合は、表面を青色で色分けして再加工動作が必要であることを示す。部品の総合的な査定を判定するために、閾値となる最小の表面積が選択される。通例、この値は、溶解時にそれほど大きい応力を受けない坩堝の領域については２０パーセントである。これは、測定された表面積の２０パーセントを超える面積が最小の厚みを下回ると、ソフトウェアが不合格の査定を発することを意味する。この閾値となる割合（または上限についての別の割合閾値）を超える面積が最大厚みを上回ると、再加工の査定が報告される。その他の場合は合格の査定が報告される。

剛体の固定具は、検査対象の坩堝のドーム部の内部幾何学形状にぴったりとはまる滑らかな幾何学形状からなり、測定動作中に坩堝のドーム部の内部表面の損傷が最小に抑えられることを保証するように選択される形状、表面仕上げ、および硬さである。坩堝のドーム部の幾何学形状は、球形もしくは回転楕円形、または、損傷を与えずに坩堝部品のドーム部に密にはまるのに適した他の形状とすることができる。内部表面の損傷をさらに最小に抑えるために、回転楕円形の挿入部を塗料、ポリマー被覆、高硬度のゴム、または同様の柔らかい材料で被覆することができる。固定具も、坩堝部品が再現可能な位置で配向されることを保証する配置幾何学形状からなる（図９Ａ〜９Ｄを参照されたい）。図９Ａ〜９Ｄは同じ坩堝の異なる走査結果を示し、ここでは坩堝を取り外し、再度設置してから、走査／再走査している。図９Ａ〜９Ｄに示すように、走査結果はほぼ同じである。

フレームは、構造的部材と、固定具に対して正確な固定された位置にレーザ走査ヘッドを保持する台（鋼または花崗岩製）とを含む機械部品を含み、任意で振動を低減するための設備を備える。ボールねじやサーボモータなどの線形運動する構成部品を含めることにより、レーザ走査ヘッドの正確な位置決めを得ることができる。

第２の実施形態で、本開示のシステムは、１つまたは複数のレーザ走査ヘッドと、走査ヘッドの電子機械的な運動を含む可能性のある走査ヘッドを保持する剛体フレームスタンドと、検査部品を配置する固定具と、検査の記録および決定を行うコンピュータとを含む。先の例で説明したように、レーザ走査ヘッドは、典型的な市販の既製品の走査ヘッドを用いて作動し、走査ヘッドはレーザ送受信機および２軸の揺動ミラーからなる。制御ソフトウェアでミラーの極位置に対応付けられると、測定された表面のマッピングに対応するポイントクラウドが生成される。複数のレーザ走査ヘッドを用いて、点の密度を増し、したがって測定の精度を上げることができる。この例では、システムを使用して、坩堝のドーム部分と直線状の壁部分両方の壁の厚みを測定する。蝋製の原型を使用して、坩堝のドーム部分と直線状の壁部分両方の内部表面のポイントクラウドを測定する。そして、坩堝の外部表面の３Ｄ表面モデルを生成し、そのモデルを最終的に得られる坩堝の内部表面の表現として使用する。適切な坩堝の蝋製の原型の写真を図１０Ａ〜１０Ｂに示す。同じ蝋製の原型または同等の蝋製の原型を使用して、これまでに開示されているスラリー浸漬法または類似する製法で坩堝を製造する。

検査の記録および決定を行うコンピュータは、制御コンピュータおよびソフトウェアを含み、これらは走査ユニットに動作信号を送信し、ユニットから走査データを受信し、そのデータを部品の仕様と比較し、査定を自動的に表示する。このコンピュータは、ＰＣを利用するか、または他の単純な演算機械であってよい。ソフトウェアは、測定された外部表面のポイントクラウドを、最終的に得られる坩堝の内部表面の表現として使用される生成された蝋型の外部表面のモデルと比較し、測定された外部表面のポイントクラウドと、坩堝の内部表面のモデルとの間の差分マップが生成される。差分マップは、坩堝のドーム部の坩堝壁厚みのマッピングに相当する。

壁の厚みが仕様の下限を下回る場合、ソフトウェアは不合格の査定を発する。厚みが仕様の上限および下限以内にある場合、ソフトウェアは合格の査定を発する。厚みが仕様の上限を上回る場合は再加工の査定が報告される。固定具も、坩堝部品が再現可能な位置で配向されることを保証する配置幾何学形状からなる。

第３の実施形態では、本開示のシステムは、１つまたは複数のレーザ走査ヘッドと、走査ヘッドの電子機械的な運動を含む可能性のある走査ヘッドを保持する剛体フレームスタンドと、検査部品を配置する固定具と、検査の記録および決定を行うコンピュータとを含む。先の例で説明したように、レーザ走査ヘッドは、典型的な市販の既製品の走査ヘッドを用いて作動し、走査ヘッドはレーザ送受信機および２軸の揺動ミラーからなる。この例では、システムを使用して鋳型の壁の厚みを測定する。鋳型の壁の厚みを判定する開始点は、鋳型を生成するために使用される蝋製の原型アセンブリである。先の例で説明したように、レーザスキャナを使用して、蝋製の原型の測定された外部表面の最初のマッピングに対応するポイントクラウドを生成する。その後、その蝋製の原型から作られた鋳型の測定された外部表面のマッピングに対応するポイントクラウドを生成する。複数のレーザ走査ヘッドを用いて、点の密度を増し、したがって測定の精度を上げることができる。鋳型の蝋製アセンブリの外部表面のポイントクラウドから３Ｄ表面モデルが生成され、その表面モデルが、最終的に得られる鋳型の蝋製アセンブリの内部表面の表現として使用される。鋳型を作るために使用される典型的な蝋製の原型アセンブリの写真を図１１に示す。同じ蝋製の原型または同等の蝋製の原型を使用して、これまでに開示されているスラリー浸漬法または類似する製法で鋳型を製造する。

検査の記録および決定を行うコンピュータは、制御コンピュータおよびソフトウェアを含み、これらは走査ユニットに動作信号を送信し、ユニットから走査データを受信し、そのデータを部品の仕様と比較し、査定を自動的に表示する。このコンピュータは、ＰＣを利用するか、または他の単純な演算機械であってよい。ソフトウェアは、測定された鋳型の外部表面のポイントクラウドを、最終的に得られる鋳型の内部表面の表現として使用される蝋の外部表面から生成された３Ｄ表面モデルと比較し、測定された外部表面のポイントクラウドと、鋳型の内部表面のモデルとの間の差分マップが生成される。差分マップは、鋳型の壁の厚みのマッピングに相当する。

壁の厚みが仕様の下限を下回る場合、ソフトウェアは不合格の査定を発する。鋳型の壁の厚みが仕様の上限および下限以内にある場合、ソフトウェアは合格の査定を発する。厚みが仕様の下限を下回るか、または仕様の上限を上回る場合、その鋳型は満足の行く構成部品にならないため不合格になる。例えば、鋳型が薄過ぎると、鋳造中に壊れ、鋳型からの漏れと鋳造の失敗を引き起こす可能性がある。鋳型が厚過ぎると、鋳型と部品の間の熱膨張差が一致しないために固化後の冷却中に部品のひび割れが生じる可能性がある。固定具は、鋳型部品が再現可能な位置で配向されることを保証する配置幾何学形状を含むことができる。

各種実施形態を図示し、本明細書で詳細に説明したが、当業者には、本発明の主旨から逸脱することなく、各種の変更、追加、置き換えなどを行うことが可能であり、したがって、そのような変更、追加、置き換えは、以下の特許請求の範囲で定義される本発明の範囲内にあると見なすべきことが明らかであろう。

１０ システム
２０ 支持台
２２ 固定具
２４ 搭載部分
２６ 配置機構
２６ａ 押さえ突起
２６ｂ 坩堝切り欠きピン
３０ ３Ｄ走査装置
４０ コンピュータコンポーネント
５０ 鋳型または坩堝
５２ 対象領域
５４ 外側表面
５６ 切り欠き

Claims (12)

1. 鋳型または坩堝（５０）を非破壊評価する方法であって、
   セラミック製又は耐熱酸化物製の鋳型または坩堝（５０）を非破壊評価のために定位置に固定する固定具（２２）を備える支持台（２０）であって前記固定具（２２）が前記鋳型または坩堝（５０）が固定される搭載部分（２４）を備える支持台（２０）と、前記鋳型または坩堝（５０）の対象領域（５２）の走査された外側表面（５４）の３Ｄ構造を生成するために前記対象領域（５２）の前記外側表面（５４）を走査する３次元（３Ｄ）走査装置（３０）と、前記３Ｄ走査装置（３０）に動作可能に接続され前記鋳型または坩堝（５０）の前記対象領域（５２）の前記走査された外側表面（５４）の３Ｄ構造と前記鋳型または坩堝（５０）の同じ対象領域（５２）の公称モデルの内側表面に対応する参照物体の３Ｄ構造との差分マップを作成するのに有効であるコンピュータコンポーネント（４０）と、を備え、前記差分マップは前記鋳型または坩堝（５０）が望ましい構造的完全性パラメータ範囲の中にあるか外にあるかを示す、非破壊評価のシステムを設けるステップと、
   前記システムの前記支持台（２０）に前記鋳型または坩堝（５０）を固定するステップと、
   前記鋳型または坩堝（５０）が望ましい構造的完全性パラメータ範囲の中にあるか外にあるかを示す３Ｄ構造の差分マップを作成するために、前記システムのコンピュータコンポーネントと共に３次元（３Ｄ）走査装置（３０）を操作するステップと
   を含み、
   前記３Ｄ構造の差分マップは、前記システムの前記支持台（２０）に固定された状態の前記鋳型または坩堝（５０）の対象領域（５２）の外側表面（５４）を走査することによって生成される３Ｄ構造と、前記鋳型または坩堝（５０）の同じ対象領域（５２）の公称モデルの内側表面に対応する参照物体の３Ｄ構造とのずれを示し、
   前記鋳型または坩堝（５０）が、
   少なくとも前記差分マップの約７５〜約９０パーセントが前記望ましい構造的完全性パラメータ範囲の中にある場合には合格の査定、
   前記差分マップの約１０〜約２５パーセント以上が前記望ましい構造的パラメータ範囲を下回る場合には不合格の査定、または
   前記差分マップの約１０〜約２５パーセント以上が前記望ましい構造的パラメータ範囲を上回る場合には再加工の査定
   であると判定される、方法。
2. 鋳型または坩堝（５０）を非破壊評価する方法であって、
   セラミック製又は耐熱酸化物製の鋳型または坩堝（５０）を非破壊評価のために定位置に固定する固定具（２２）を備える支持台（２０）であって前記固定具（２２）が前記鋳型または坩堝（５０）が固定される搭載部分（２４）を備える支持台（２０）と、前記鋳型または坩堝（５０）の対象領域（５２）の走査された外側表面（５４）の３Ｄ構造を生成するために前記対象領域（５２）の前記外側表面（５４）を走査する３次元（３Ｄ）走査装置（３０）と、前記３Ｄ走査装置（３０）に動作可能に接続され前記鋳型または坩堝（５０）の前記対象領域（５２）の前記走査された外側表面（５４）の３Ｄ構造と前記鋳型または坩堝（５０）の同じ対象領域（５２）の公称モデルの内側表面に対応する参照物体の３Ｄ構造との差分マップを作成するのに有効であるコンピュータコンポーネント（４０）と、を備え、前記差分マップは前記鋳型または坩堝（５０）が望ましい構造的完全性パラメータ範囲の中にあるか外にあるかを示す、非破壊評価のシステムを設けるステップと、
   前記システムの前記支持台（２０）に前記鋳型または坩堝（５０）を固定するステップと、
   前記鋳型または坩堝（５０）が望ましい構造的完全性パラメータ範囲の中にあるか外にあるかを示す３Ｄ構造の差分マップを作成するために、前記システムのコンピュータコンポーネントと共に３次元（３Ｄ）走査装置（３０）を操作するステップと
   を含み、
   前記３Ｄ構造の差分マップは、前記システムの前記支持台（２０）に固定された状態の前記鋳型または坩堝（５０）の対象領域（５２）の外側表面（５４）を走査することによって生成される３Ｄ構造と、前記鋳型または坩堝（５０）の同じ対象領域（５２）の公称モデルの内側表面に対応する参照物体の３Ｄ構造とのずれを示し、
   複数の異なる鋳型または坩堝（５０）に対し前記参照物体の同じ３Ｄ構造を使用する、方法。
3. 前記対象領域（５２）が前記鋳型または坩堝（５０）の一部分または全体である請求項１又は２記載の方法。
4. 前記システムの前記支持台（２０）がさらに、前記鋳型または坩堝（５０）を再現可能な向きで前記支持台（２０）上に位置決めし、前記鋳型または坩堝（５０）の前記対象領域（５２）の外側表面（５４）を走査する間に前記鋳型または坩堝（５０）をその向きで維持するための配置機構（２６）を備える請求項１乃至３のいずれか１項記載の方法。
5. 前記鋳型または坩堝（５０）を前記システムの前記支持台（２０）に固定するステップが、
   その配置機構（２６）と搭載部分（２４）が共に機能して、前記非破壊評価中に前記鋳型または坩堝（５０）の損傷を防止するか、最小に抑えるように支持台（２０）上で前記鋳型または坩堝（５０）を位置決めするように構成された、支持台（２０）を設けるステップと、
   前記鋳型または坩堝（５０）の内側表面が前記固定具（２２）の前記搭載部分（２４）と所望の接触を有するように、前記鋳型または坩堝（５０）を前記支持台（２０）の定位置に固定するステップとを含む請求項４記載の方法。
6. 前記所望の接触が、接触の場所および接触の量に基づき、前記接触の量は、前記固定具（２２）の前記搭載部分（２４）と全く接触しない状態から、全面に接触する状態までの範囲をとる請求項５記載の方法。
7. 前記コンピュータコンポーネント（４０）と共に前記３Ｄ走査装置（３０）を操作する前記ステップは、前記コンピュータコンポーネント（４０）を使用して以下のステップを自動的に実行することを含み、前記ステップは、
   前記３Ｄ走査装置（３０）に動作信号を送信するステップ、
   前記３Ｄ走査装置（３０）から走査データを受信するステップ、
   受信した走査データを望ましい鋳型または坩堝（５０）の仕様と比較するステップ、および
   前記鋳型または坩堝（５０）の測定結果が、望ましい前記非破壊評価の構造的完全性パラメータの中にあるか外にあるかについての査定を表示するステップを含み、前記望ましい構造的完全性パラメータは、前記鋳型または坩堝（５０）の全体積の幾何学形状または壁の厚みの測定を含む請求項１乃至６のいずれか１項記載の方法。
8. 前記３Ｄ走査装置（３０）に動作信号を送信する前記ステップが、
   前記鋳型または坩堝（５０）を前記支持台（２０）の定位置に固定する前に、前記３Ｄ走査装置（３０）を誘導して参照物体の表面を走査することにより、初期基準幾何学形状の参照スキャンを生成するステップ、
   前記３Ｄ走査装置（３０）を誘導して、前記鋳型または坩堝（５０）の対象領域（５２）の外側表面（５４）を走査することにより、対応する前記対象領域（５２）の３Ｄ構造を生成するステップ、または
   前記鋳型または坩堝（５０）を前記支持台（２０）の定位置に固定する前に、前記３Ｄ走査装置（３０）を誘導して、前記参照物体の表面を走査することにより初期基準幾何学形状の参照スキャンを生成し、その後、前記鋳型または坩堝（５０）が前記支持台（２０）の定位置に配置された時に、前記鋳型または坩堝（５０）の前記対象領域（５２）の外側表面（５４）を走査して、それに対応する３Ｄ構造を生成するステップ
   を含む請求項７記載の方法。
9. ３Ｄ構造差分マップを作成するために前記システムの前記コンピュータコンポーネントと共に前記３Ｄ走査装置（３０）を操作する前記ステップは、
   前記システムの前記３Ｄ走査装置（３０）または別の３Ｄ走査装置（３０）を使用して前記参照物体の表面を走査して、前記参照物体の３Ｄ構造を生成するステップ、
   前記システムの前記３Ｄ走査装置（３０）を使用して前記鋳型または坩堝（５０）の前記対象領域（５２）の外側表面（５４）を走査して、前記対象領域（５２）の３Ｄ構造を生成するステップ、および
   前記コンピュータコンポーネント（４０）を使用して３Ｄ構造差分マップを作成して、前記鋳型または坩堝（５０）が望ましい構造的完全性パラメータ範囲の中にあるか外にあるかを判定するステップ
   を含む請求項１乃至８のいずれか１項記載の方法。
10. 前記参照物体が、前記固定具（２２）の前記搭載部分（２４）、または前記鋳型もしくは坩堝（５０）の仮型からなる請求項１乃至９のいずれか１項記載の方法。
11. 前記３Ｄ構造差分マップを作成するために前記システムの前記コンピュータコンポーネント（４０）と共に前記３Ｄ走査装置（３０）を操作する前記ステップが、
    前記鋳型または坩堝（５０）の公称モデルの内側表面のコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）モデルを得るステップ、
    前記システムの前記３Ｄ走査装置（３０）を使用して前記鋳型または坩堝（５０）の対象領域（５２）の外側表面（５４）を走査して、前記対象領域（５４）の３Ｄ構造を生成するステップ、および、
    前記コンピュータコンポーネント（４０）を使用して３Ｄ構造差分マップを作成して、前記鋳型または坩堝（５０）が望ましい構造的完全性パラメータ範囲の中にあるか外にあるかを判定するステップ、
    を含む請求項１乃至８のいずれか１項記載の方法。
12. 前記鋳型または坩堝（５０）を前記支持台（２０）に配置し、前記鋳型または坩堝（５０）を前記支持台（２０）から取り外すロボット機器を使用するステップをさらに含む請求項１乃至１１のいずれか１項記載の方法。