JP6313816B2 - コンポーネントを付加製造するための方法 - Google Patents

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Description

本発明は、一般に付加製造技術に関し、より具体的には、コンポーネントを付加製造するための方法及びこの方法から形成されるコンポーネントに関する。
従来の付加製造方法を用いて形成されるコンポーネント及び製品は、特に任意の下方を向く表面上に低質な表面仕上げ及び過度な粗さを有することが知られている。これらの欠点は、例えば水平チューブ、アーチ、チャンバ（閉塞チャンバ及びその他）等を含む特定の構造体を形成できる能力に影響を与える。下方を向く表面のこれらの欠陥は、部品耐用年数の減少、粗面に対する材料の蓄積、流体を循環させるための流れ問題及び乱流問題、並びに、多孔性による流体漏れをもたらす。結果として、従来の付加方法は、一般に、大きな支持されない張り出しや他の下方を向く表面などの属性が求められる場合がある製品設計では避けられる。
精密なコンポーネント製造の場合、特に複数のサブコンポーネントが関与するときに、時間のかかる不可欠なステップは、サブコンポーネントの固定、位置決め、及び／又は、再固定である。このステップ（これらのステップ）は、しばしば、ベースワークピース及び／又は他のサブコンポーネントに対するサブコンポーネントの任意の最終取り付けステップの前に、サブコンポーネントを正確な位置に配置することを要する。
したがって、製造技術を改良する継続的必要性がある。
米国特許第８５１３５６２号明細書
本発明は、コンポーネントを付加製造する方法、及び、改良されたコンポーネントをもたらすこれらの同じ方法から形成されるコンポーネントを提供することによって前述の欠点の少なくとも一部を克服する。より具体的には、本発明は、コンポーネントがこのコンポーネントの特定の表面上に改良された仕上がりを有することができるようにする、及び／又は、より簡略化された製造ステップを用いて付随する品質の低下を伴わずにコンポーネントを構成できるようにする改良された方法論に向けられる。
したがって、本発明の１つの態様によれば、方法は、付加製造システムを用いて少なくとも１つの位置決め要素を有する第１のサブコンポーネントを付加製造し、それにより、少なくとも１つの位置決め要素の第１の位置を位置決めするために付加製造システムの制御システムを使用するステップと、位置決めに基づき、第２のサブコンポーネントの一部を選択的に第１のサブコンポーネントの少なくとも１つの位置決め要素に隣接して配置するステップと、第２のサブコンポーネントをある領域で第１のサブコンポーネントに取り付け、それによりコンポーネントを形成するステップであって、前記領域が前記付加製造システムの制御システムからの位置決めに基づくステップとを備える。
したがって、本発明の他の態様によれば、コンポーネントは、第１のサブコンポーネントであって、第１のサブコンポーネントが付加製造される位置決め要素を有する、第１のサブコンポーネントと、第１のサブコンポーネントに取り付けられる第２のサブコンポーネントであって、第１のサブコンポーネントと同じ付加製造ビルドチャンバ内で位置決め要素が第２のサブコンポーネントに取り付けられる、第２のサブコンポーネントとを備える。
本発明の様々な他の特徴及び利点は、以下の詳細な説明及び図面から明らかにされる。
図面は、本発明を実施するために現在考えられる１つの実施形態を示す。
本発明の態様を組み入れて連続的に形成されるコンポーネントの正断面図である。 本発明の一実施形態にしたがって構成されるコンポーネントの一部の概略断面図である。 本発明の他の実施形態に係るサブコンポーネントの正断面図である。 本発明の他の実施形態に係るサブコンポーネントの正断面図である。 本発明の態様を組み入れて連続的に形成されるコンポーネントの正断面図である。 本発明の態様に係る方法を描くフローチャートである。
別段に規定されなければ、本明細書中で使用される技術用語及び科学用語は、ここで開示される主題に関して当業者により一般に理解される意味と同じ意味を有する。本明細書中で使用される「第１」、「第２」などの用語は、順序、量、又は、重要性を何ら示しておらず、むしろ、１つの要素を他の要素から区別するために使用される。「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、及び、「その（ｔｈｅ）」なる用語は、量の制限を示しておらず、むしろ、言及された項目のうちの少なくとも１つの存在を示し、また、「前」、「後」、「下」、及び／又は、「上」なる用語は、別段に言及されなければ、説明の便宜のためだけに使用され、任意の１つの位置又は特別な方向に限定されない。
範囲が開示される場合、同じ構成要素又は特性を対象にする全ての範囲の終点は、包含的であり、独立に組み合わせることができる（例えば、「最大で約２５ｗｔ．％」の範囲は、「約５ｗｔ．％〜約２５ｗｔ．％」等の範囲の終点及び全ての中間値を含んでいる）。量に関連して使用される修飾の「約」は、述べられた値を含むとともに、文脈により決定付けられる意味を有する（例えば、特定の量の測定値と関連付けられるある程度の誤差を含む）。したがって、用語「約」によって修飾される値は、必ずしも明記された正にその値のみに限定されない。
本発明の態様は、例えば、高い設計自由度を可能にする（例えば、大型の張り出し構造体を形成できる能力）ことによって、製造の効率を向上させる（例えば、より少ないステップ）ことによって、及び、機能的改善を行なうことによって以前の付加製造方法論に優る利点を与えることが分かってきた。最終的に、コンポーネント製造の改良の機会を提供できる。
図１Ａ〜図１Ｅを参照すると、典型的な方法によって製造される典型的なコンポーネントの正断面図が時間的順序で示される。図１Ａに描かれるように、レーザシステム（例えば図２参照）のレーザを用いて第１のサブコンポーネント１０がビルドプレート２００上に付加製造される。第１のサブコンポーネント１０は少なくとも第１の表面を含むことができる。
図１Ｂを参照すると、第１のサブコンポーネント１０上に１つ以上の位置決め要素１２が設けられる。図示のように、位置決め要素１２は、第１のサブコンポーネント１０の周囲を完全に取り囲んでもよい。或いは、位置決め要素１２が断続的に配置されてもよい。一実施形態では、位置決め要素１２が少なくとも１つの支持要素を備えてもよい。例えば、図１Ｂに示されるように、位置決め要素１２は、第２のサブコンポーネント２０のための構造的な支持要素としての機能も果たす（図１Ｃ参照）。第１のサブコンポーネント１０を形成する際に付加製造技術を使用することにより、また、同じビルド環境（例えば、ビルドチャンバ）内で後続のプロセス又はサブコンポーネントを適用するとともに、少なくとも１つの位置決め要素１２を含めることにより、付加製造による第１のサブコンポーネント１０の１つ以上の位置１８（図２）での正確な位置決めが、後続のプロセス又はサブコンポーネント２０，４０（例えば図１Ｅ参照）を第１のサブコンポーネント１０に正確に適用できるようにする。すなわち、レーザ／付加製造システムの制御システム２３０（図２）は、第１の位置１８に関して必要な位置データを有する。制御システム２３０によるこの第１の位置１８の知識は、本明細書中で論じられるように、製造技術の改良を可能にする。
図１Ｃを参照すると、第２のサブコンポーネント２０の一部は、制御システム２３０（図２）により知られる位置決め要素１２の第１の位置の位置決めに基づき、選択的に第１のサブコンポーネント１０の少なくとも１つの位置決め要素１２に隣接して配置される。図示のように、第２のサブコンポーネント２０は少なくとも１つの第２の表面２４を含む。図示の実施形態において、第２のサブコンポーネント２０は、第２の表面２４がコンポーネント１００に対してほぼ下方を向くように配置される。第２のサブコンポーネント２０は、手動で、ロボットにより、或いは、これらの組み合わせで、第１のサブコンポーネント１０上に配置されてもよく或いは第１のサブコンポーネント１０に隣接してもよい。
第２のサブコンポーネント２０は、以下の技術、すなわち、付加製造、鋳造、鍛造、機械加工、圧延、押し出し、及び、他の材料加工方法のうちの１つ以上によって形成され或いは加工されてもよい。
図１Ｄを参照すると、第１のサブコンポーネント１０及び第２のサブコンポーネント２０の両方の領域３０が、位置決め要素１２によって明示される制御システム２３０（図２）により既に知られる位置１８で取り付けられる（例えば、レーザ２２０（図２）を用いて熱的に溶接２１０される）。第２のサブコンポーネント２０が第１のサブコンポーネント１０に取り付けられた状態で、コンポーネント１００が形成される。図示のように、領域３０が接合域又は継ぎ目域であってもよい。領域３０は、パルスモード又は連続モードで動作するレーザ２２０（図２）によって熱的に溶接されてもよい。或いは、熱溶接のために電子ビームが使用されてもよい。
図１Ｄに示されるように、熱溶接２１０が領域３０で行なわれてもよく、その場合、領域３０は、空隙、又は、空間、領域よりも上側にある。領域３０が凹状であってもよい。このようにすると、内部領域及び／又は下方を向く表面を有するコンポーネントをより容易に製造できる。また、熱溶接２１０のための熱源が付加ビルドチャンバ内で形成されてもよい（例えば図２参照）。
第２のサブコンポーネント２０を第１のサブコンポーネント１０に取り付けるために様々な方法が使用されてもよい。取り付けが溶接によって行なわれてもよい。ガス溶接、電子ビーム溶接、摩擦撹拌溶接、超音波溶接、及び、熱溶接を含むがこれらに限定されない様々な溶接方法が使用されてもよい。溶接源は、レーザを含むがこれに限定されない任意の適した溶接源を備えてもよい。
図１Ｅを参照すると、典型的な仕上がったコンポーネント１００が示される。随意的に、熱溶接後（図１Ｄ参照）、第２のサブコンポーネント２０上に更なる（例えば第３の）サブコンポーネント４０が配置され或いは付加的に堆積されてもよい。いずれにしても、完成したコンポーネント１００は、図示のように、下方を向く表面を有する閉じられたチャンバを備えてもよい。熱溶接（図１Ｄ）が完了された時点で、結果として得られる部分を更なる処理のためにビルドプレート２００から切り離すことができ、及び／又は、付加的な堆積を再開できる。
仕上がったコンポーネントをもたらすサブコンポーネントの１つ或いは全部を形成するために現在知られる或いは今後開発される様々な付加製造技術が使用されてもよい。例えば、直接金属レーザ溶融（ＤＭＬＭ）が使用されてもよい。或いは、電子ビーム（ＥＢ）付加製造方法が使用されてもよい。
今ここに描かれたコンポーネント以外の様々な構造及び形状のコンポーネントが本明細書中に記載される方法を用いて形成されてもよい。例えば、コンポーネントは、チャンバ（開放チャンバ又は閉塞チャンバ）、アーチ、チューブ、張り出しを有する構造、彫刻面を有する構造等を備えてもよい。同様に、コンポーネントは、これらの属性の組み合わせを備えてもよい。
図２を参照すると、典型的な付加製造システムの概略図が描かれる。システムは、制御システム２３０に接続されるレーザ２２０を含んでもよい。複数のサブコンポーネント（例えば、１０，２０，４０）がビルドプレート２００上のビルドチャンバ２４０内で付加製造されてもよい。図示のように、制御システム２３０と協同して動作するレーザ２２０は、ｘ−ｙ−ｚ座標系内で正確に付加製造して熱溶接してもよい。本明細書中で論じられる制御システム２３０は、位置決め要素１２の位置１８を正確に認識してしまっているため、制御システム２３０は、制御システム２３０の再現性の範囲内で位置１８に配置される第１のサブコンポーネント１０の位置を知る。このようにすると、第１のサブコンポーネント１０に隣接する第２のサブコンポーネント２０の精密位置決めは、第１又は第２のサブコンポーネント１０，２０の更なる固定を何ら必要としない。図示のように、第２のサブコンポーネント２０の位置２２は、第１のサブコンポーネント１０の位置決め要素１２の位置１８に隣接して正確に位置決めされてもよい。その後の熱溶接２１０は、サブコンポーネント１０，２０を互いに取り付けることができるようにする。この精密位置決めは、正確であり、レーザビームの幅の範囲内及び／又はレーザシステムの再現性の範囲内まで繰り返し可能である。更なる利点は、方法のステップの全てが同じビルドチャンバ内で及び／又は同じビルドプレート上で行なわれるときに見込まれる。
図３を参照すると、第２のサブコンポーネント２０が特定の形態で付加製造されて示される。一例として、図３は、それが略垂直形態で形成されるようにビルドプレート２００上に付加製造される第２のサブコンポーネント２０を描く。この態様では、その後、例えば図１Ｄに示されるように、下方を向く表面２４がコンポーネント１００をもたらすように表面２４が設置されてもよい。
図４を参照すると、第１及び第２のサブコンポーネント１０，２０が共通の或いは共有のビルドプレート２００上に付加製造されて示される。このようにすると、サブコンポーネント１０，２０を再配置する時間が省かれる。ビルドプレート２００を共有するときには、描かれた形態以外のサブコンポーネントの他の形態が使用されてもよい。図５Ａ〜図５Ｃは、典型的な方法にしたがったコンポーネント１００の製造の時間的経過をまとめて示す。図５Ａを参照すると、第１のサブコンポーネント１０及び第２のサブコンポーネント１４は単一のモノリシック断片として付加製造される。第１のサブコンポーネント１０は、１つ以上の位置決め要素１２及び１つ以上の位置（図２参照、位置１８）を含んでもよい。第１のサブコンポーネント１０と第２のサブコンポーネント１４との間が狭くされた領域１６であってもよい。図５Ｂに示されるように、第２のサブコンポーネント１４は、図５Ａにおいて形成されたサブコンポーネント１４の一部を狭くされた領域１６の周りで回転させることによって形成されてもよい。図５Ｃが描くように、その後、第２のサブコンポーネント１４が第１のサブコンポーネント１０上に完全に配置される。このようにすると、コンポーネント１００を形成するためにビルドプレート２００上でサブコンポーネント１０，１４を移動させる及び／又は再固定することを何ら要しないことにより、時間を省くことができる。コンポーネント１００の完成後に、例えば図１Ｄ及び／又は図１Ｅに関して図示して論じたステップが続いてもよい。
図６を参照すると、典型的な方法のフローチャートが示される。方法３００は、少なくとも１つの位置決め要素を有する第１のサブコンポーネントを付加製造することを３１０で含む一連のステップを備える。付加製造３１０に基づいて、方法３００は、３２０において、付加製造システムの制御システムに知られる少なくとも１つの位置決め要素の第１の位置を位置決めする。その後、方法３００は、３３０において、３２０から制御システムに知られる位置（例えば、第１の位置）で、第２のサブコンポーネントの一部を選択的に第１のサブコンポーネントの少なくとも１つの位置決め要素に隣接して配置する。３４０において、第２のサブコンポーネントは、３２０から制御システムに知られる位置決めに基づく位置（例えば、第１の位置）での及びこの位置に対する熱エネルギーの印加により、第１のサブコンポーネントに対してある領域で熱溶接される。これらの方法に基づくコンポーネントの完成後、コンポーネントは、その後、更なる付加製造プロセス及び／又はこのコンポーネントに対する更なるサブコンポーネントの取り付けを受けてもよい。
付加製造及び熱溶接が一般にレーザ及びレーザシステムにより行なわれる本明細書中で例示されて説明された実施形態が使用されてもよいが、他の手段を使用することができる。例えば、限定しないが、付加製造及び／又は熱溶接が代わりに誘導加熱によって行なわれてもよい。
したがって、本発明の１つの態様によれば、方法は、付加製造システムを用いて少なくとも１つの位置決め要素を有する第１のサブコンポーネントを付加製造し、それにより、少なくとも１つの位置決め要素の第１の位置を位置決めするために付加製造システムの制御システムを使用するステップと、位置決めに基づき、第２のサブコンポーネントの一部を選択的に第１のサブコンポーネントの少なくとも１つの位置決め要素に隣接して配置するステップと、第２のサブコンポーネントをある領域で第１のサブコンポーネントに取り付け、それによりコンポーネントを形成するステップであって、前記領域が前記付加製造システムの制御システムからの位置決めに基づくステップとを備える。
したがって、本発明の他の態様によれば、コンポーネントは、第１のサブコンポーネントであって、第１のサブコンポーネントが付加製造される位置決め要素を有する、第１のサブコンポーネントと、第１のサブコンポーネントに取り付けられる第２のサブコンポーネントであって、第１のサブコンポーネントと同じ付加製造ビルドチャンバ内で位置決め要素が第２のサブコンポーネントに取り付けられる、第２のサブコンポーネントとを備える。
本発明を好ましい実施形態に関して説明してきたが、明示的に述べられた場合はさておき、等価物、代案、及び、変形を想定し得るとともに、これらが添付の特許請求の範囲内に入ると認められる。
１０ 第１のサブコンポーネント
１２ 位置決め要素
１４ サブコンポーネント
１６ 狭くされた領域
１８ 第１の位置
２０ 第２のサブコンポーネント
２２ 第２のサブコンポーネントの位置
２４ 第２の表面
３０ 領域
４０ 更なる（例えば第３の）サブコンポーネント
１００ コンポーネント
２００ ビルドプレート
２１０ 熱溶接
２２０ レーザ
２３０ 制御システム
２４０ ビルドチャンバ
３００ 方法
３１０ 少なくとも１つの位置決め要素を有する第１のサブコンポーネントを付加製造する
３２０ 付加製造システムの制御システムに知られる少なくとも１つの位置決め要素の第１の位置を位置決めする
３３０ 第２のサブコンポーネントの一部を選択的に第１のサブコンポーネントの少なくとも１つの位置決め要素に隣接して配置する
３４０ 制御システムに知られる位置決めに基づく位置（例えば、第１の位置）に関して、第２のサブコンポーネントがある領域で第１のサブコンポーネントに取り付けられる

Claims (8)

  1. 付加製造システムを用いて少なくとも１つの位置決め要素（１２）を有する第１のサブコンポーネント（１０）を付加製造し、それにより、前記少なくとも１つの位置決め要素（１２）の第１の位置を位置決めするために前記付加製造システムの制御システム（２３０）を使用する、付加製造ステップと、
    前記位置決めに基づき、第２のサブコンポーネント（２０）の一部を選択的に前記第１のサブコンポーネント（１０）の前記少なくとも１つの位置決め要素（１２）に隣接して配置する選択的配置ステップと、
    前記第２のサブコンポーネント（２０）をある領域（３０）で前記第１のサブコンポーネント（１０）に取り付け、それによりコンポーネント（１００）を形成する取付けステップであって、前記領域（３０）が前記付加製造システムの前記制御システム（２３０）からの位置決めに基づく、取付けステップと
    を含む方法であって、前記第２のサブコンポーネント（２０）が付加製造され、前記第１のサブコンポーネント（１０）及び前記第２のサブコンポーネント（２０）が共通のビルドチャンバ（２４０）内の共有のビルドプレート（２００）上で付加製造され、
    前記付加製造ステップが、前記第１のサブコンポーネント（１０）及び前記第２のサブコンポーネント（２０）をモノリシックワークピースとして付加製造するステップを含む、方法。
  2. 前記取付けステップが、レーザ（２２０）による熱溶接（２１０）を行うステップを含む、請求項１に記載の方法。
  3. 前記選択的配置ステップが、前記第２のサブコンポーネント（２０）を前記モノリシックワークピースから前記第１のサブコンポーネント（１０）へ向けて回転させるステップを更に含む、請求項１又は請求項２に記載の方法。
  4. 前記回転中に前記第２のサブコンポーネント（２０）が前記第１のサブコンポーネント（１０）に取り付けられたままである、請求項３に記載の方法。
  5. 前記付加製造ステップ、前記選択的配置ステップ及び前記取付けステップが共通のビルドチャンバ（２４０）内で行なわれる、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の方法。
  6. 前記付加製造ステップが直接金属レーザ溶融（ＤＭＬＭ）を含む、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の方法。
  7. 前記少なくとも１つの位置決め要素（１２）が少なくとも１つの支持要素を更に含む、請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の方法。
  8. 前記選択的配置ステップが、前記第２のサブコンポーネント（２０）を前記第１のサブコンポーネント（１０）上に手動で或いはロボットにより配置するステップを含む、請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の方法。
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