JP6416874B2 - 付加製造を用いた非対称部品製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、付加製造、特に高エネルギービームによって粉末粒子を溶融するか或いは焼結することによって部品を製造する方法に関するものである。

本方法は、特に航空機の製造分野において、非対称又は大きな質量格差を呈する部品の製造に特に適している。

特に、航空機分野では微細又は複雑な形状の特定部品を製造するために付加製造方法を使うことが既に知られている。

従来からの付加製造例としては、高エネルギーの光線によって粉末粒子を溶融したり焼結する製造がある。

「選択的レーザー溶融（ＳＬＭ）」なる用語は、図１を参照しながら以下に掲げた主特徴を有する方法を説明するために使われており、同図は、レーザー光線によって粉末床を選択的に溶融したり焼結することで部品を製造する従来からの装置を示している。

原料粉末からなる第１の層１０ａは、例えばローラ２０（或いは、他の任意の堆積手段）を使うことで製造プレート２１（単一のプレートや、その上に固体支持具を載せたものでも良く、別の部品の一部分であったり、構成特定部品を製造するために使用される支持グリッドであっても良い）上で堆積される。

粉末は、ローラ２０の往復動作の間、供給ビン２２から移動し、その後捨てられたり、場合によってはローラ２０の１回以上の戻り動作で若干、圧縮化されたりもする。粉末は粒子１１で構成されている。過剰の粉末は、構造ビン２４と隣り合うリサイクルビン２３の中へと回収され、構造ビンの中では製造プレート２１が縦方向に移動する。

レーザー光線３１を発生させるジェネレータ３０、及び先に堆積された粉末層の任意の領域をスキャンするように製造プレート２１の任意の領域上に光線３１を向けさせるための制御システム３２を使用する。形成されたレーザー光線３１の焦点面の直径は、共に光学システムを構成するビーム拡大器３３と集束システム３４によって夫々、変化する。

その後、第１の粉末層１０ａの領域は、レーザー光線３１で走査されることで粉末の溶融温度よりも高温に加熱される。

ＳＬＭ法ではレーザー光線３１に代わって任意の高エネルギー光線を使用することもあり、特に、光線が粉末粒子や粒子を載せる材料部分を溶融するのに充分なエネルギーを有する場合には電子線を使用することもある。

一例として、光線を、制御システム３２の一部を構成するガルバノメータヘッドによって走査するように発生させてもよい。例えば、制御システムは、レーザー光線３１が粉末層（そこでは、その表面の各点が焦点調節システム３４に含まれる集束レンズに対して常に同じ高さに配置されている）に到達する前に光線を反射させる少なくとも１個の可動ミラー３５を備えており、そのミラーの角度位置は、ガルバノメータヘッドによって、レーザー光線が第１の粉末層の少なくとも一部を走査し、ひいては部品のために予め設定されたプロフィールを追従するように制御されている。このために、ガルバノメータヘッドは、コンピュータ支援設計と製造対象となる部品の製造のために使用されるコンピュータツールのデータベースに含まれる情報を用いて制御される。

これにより、第１の層１０ａのこの領域にある粉末粒子１１が溶融し、それらは製造プレート２１に固定された第１の単片要素１２ａを形成する。この段階では、材料が溶融・固化した状態で互いにバラバラになった複数の第１の要素１２を形成するように、第１の層にある複数の独立した領域を走査するべくレーザー光線を用いることも可能である。

製造プレート２１は第１粉末層１０ａの厚さに応じた高さ分（２０μｍ〜１００μｍ、一般的には３０μｍ〜５０μｍ）低められる。

その後、第２の粉末層１０ｂが第１層１０ａと第１単片（又は固化）層１２ａの上に堆積され、次いで図１に示したように第１単片（又は固化）層１２ａの上に部分的、或いは全体的に位置した形の第２層１０ｂがレーザー光線３１に晒されて加熱され、これにより、第２層１０ｂの領域にある粉末粒子が、要素１２ａの少なくとも一部分と共に溶融し、第２単片（又は固化）層１２ｂを形成し、これら２つの要素１２ａ、１２ｂが図１に示した例における単片ブロックを一緒に形成する。

そのような付加製造技術、或いは粉末射出による製造のような他の技術は、製造すべき部品の形状について優れた制御をもたらし、非常に洗練された部品の製造を可能にする。

それでもなお、それらの技術は、部品の寸法公差に適合し、かつ優れた機械的強度を確実にするためには、製造対象部品独自の綿密な構築戦略を必要とする。従って、部品を一層毎に製造する上で、部品にとってベストな位置とベストの方向を定めるために、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）ソフトウエアを用いる必要がある。構築戦略は今もなお発展しており洗練されつつあるが、非対称であったり、大きな質量格差を呈する部品を得るとなると、それらの戦略は現時点で満足のいくものではない。

そのような部品を付加製造で作ると、例えばクラックが生じたり、更に／或いは部品の特定部位が規定の公差から外れるような寸法欠陥などの、回復不可能な金属欠陥が存在することが往々にして観察される。特に、部品の非対称性に由来する質量格差は、部品の特定領域に蓄積される残留応力を招き、この残留応力は変形をもたらすことになる。即ち、これら十分に不釣り合いな残留応力は、出来上がった部品に見られる欠陥の原因となる幾何学的なバラツキを引き起こす。不幸にも、そのような欠陥は往々にして受け入れられず、完成品のスクラップ化を招いてしまい、それによってかなりの損失、ひいては高い総合製造コストを招いてしまう。

このため、非対称、又は大きな質量格差を呈するような部品に適した、付加製造による部品製造方法への真の必要性が存在する。

本記述は、付加製造によって部品を製造する方法に関するものであり、その方法は、製造すべき部品のデジタルモデルを供給し、前記部品を構築するための構築方向に対して前記モデルを方向付けし、前記部品が製造されている間に部品内に生じる残留応力のバランスをとるように形成された犠牲バランス片を付加することで前記モデルを変更し、このようにして変更されたモデルに基づいた付加製造技術を用いて、前記構築方向に各層が積み重ねられる形で粗部品を作り、更に、材料除去方法を用いて、前記モデルの犠牲バランス片に由来する前記犠牲部分を前記粗部品から削除することで製造対象としての前記部品を得る、以上の各工程を有する。

本方法により、コンピュータ支援設計段階において、特に部品の持つ非対称性や少なくとも大質量格差に由来する、製造中に蓄積される残留応力の潜在的危険性を検知することができ、次いで部品内残留応力の製造時平衡化を可能にするべく、部品のモデルに対し一層規則正しく、より釣り合いのとれた全体形状を付与するように、同モデルを人為的に修正することができる。

従って、レイヤーバイレイヤー製造時においては、残留応力はより均一な形へと分散される。即ち、このことは、これらの残留応力が部品の特定領域に集中し、部品の臨界変形を招くような特定の閾値以上となってしまうことを回避する。例えば、そのような犠牲片を付け加えると、特定のエッジ効果を減じることができたり、応力集中部分を、より厚い部分や特に単純な形状を有する部分といったような、所謂変形に敏感でない部品部分や、機械公差や寸法公差がより大きな部品部分にシフトすることが可能となる。

そのような状況において、獲得される部品は、寸法的にも機械的にも欠陥の少ないものとなる。尚、モデルの犠牲バランス片に由来する粗部品から犠牲バランス部分を除去するにあたっては、従来からある材料除去方法で十分であり、それにより所望の部品を得ることができる。

従って、本方法により、付加製造のあらゆる利点を享受しながらも欠陥をほとんど生じない状態で、非対称又は大きな質量格差を持った部品を得るべく、付加製造を使用することができる。

特定の実施形態において、製造対象となる部品は非対称部分を有しており、前記犠牲バランス片は、粗部品の犠牲部分が前記非対称部分の質量の７０％〜１３０％の範囲内、好ましくは９０％〜１１０％の範囲内に収まる質量を持つように形成される。

「非対称部分」なる用語は、仮にその部分が部品から除去されたならば、残された部品は、元の部品よりも対称要素を少なくとも１つ以上保有することになる部分を意味するものとして使用される。この定義はモデルに対しても直に置き換えることができる。

「対称の要素」なる用語は、所定の平面に対しての対称や、所定地点に対する対称や、所定回転に対する不変性、或いは所定の幾何学的関係の結果としてのその他の不変性を意味するものとして使用される。

本記述を通じて、対称の概念は、ある量の許容範囲を伴うものと理解されるべきであり、仮にある要素、又は１組の要素の少なくとも９０％が厳密な幾何学的意味において全く対称であるならば、その要素又はその組の要素は対称的であると言われ、このため仮にあったとしてもマイナーな局部的差異は考慮されない。この定義は平面にまで及び、より広くは全ての対称要素にまで及ぶ。

比較的、非対称部分の質量に近い質量を持つこの犠牲部分により、非対称部分に由来する質量格差を少なくとも部分的に修正することができ、そのようなアプローチは、粗部品の中にある残留応力の良好な平衡化を、容易かつ実質的な形で得ることを可能にし、粗部品において好ましからざる欠陥が発生することに対し、極めて有益な衝撃を与える。

特定の実施形態において、前記犠牲バランス片は、非対称部分の高さに実質上、等しい高さに亘って付加される。これにより、残留応力は、元は非対称であって、結果として元は質量格差を呈していた実質上全ての層に対して再平衡化される。

特定の実施形態において、前記犠牲バランス片はモデルをその最長方向に延ばす。

特定の実施形態において、前記犠牲バランス片は、結果として得られる前記犠牲部分が粗部品に対して前記非対称部分の反対側に構築されるように形成される。このようにして、粗部品の中の質量分布は再平衡化され、それによって製造中に出現することになる残留応力を、その一部が部品の中心に向かってシフトされる形で再平衡化する。

特定の実施形態において、前記犠牲バランス片は、前記モデルに少なくとも１つの追加的対称要素、好ましくは付加的対称面を設けるように付加される。従って残留応力の分布は、それも又、追加的対称要素空の恩恵をうけるために良好に分散する。このため、説明の意味で、このように人為的に対称性を復元することで、粗部品における欠陥の発生とその大きさを著しく低減することができる。

特定の実施形態において、前記犠牲バランス片は、結果として得られる前記犠牲部分が、粗部品の重心を通る面に対して前記非対称部分の領域と対称となるような領域内に位置するように配置される。

特定の実施形態において、前記犠牲バランス片は、前記粗部品の犠牲部分が、ある面に対して前記非対称部分と対称となるように形成され、この面は粗部品の対称面である。そのような対称面は、一方で部品モデルに作用するＣＡＤソフトウエアを用いることでその設置が特に容易である。

特定の実施形態において、前記モデルを変更する工程は、前記構築方向に平行な平衡面であって、仮に前記部品の前記非対称部分に対応する非対称部分を持たないならば、前記モデルが持つであろう対称面に対応する前記平衡面を定める工程を含む。この工程は粗部品にとって対称の候補面を識別することを容易にする。

特定の実施形態において、前記モデルを変更する工程は、その工程の間に前記構築方向に垂直な各層毎にモデルにバランス部分が付加されるような平衡化工程を含み、前記バランス部分は、前記平衡面に対し、モデルを考慮した層への対称性を復元している。このようにして、平衡面の両側にある質量同士が構築方向に沿って層毎に均一であることを確実にすることができ、これにより付加製造によって作られる各層は、対称な質量分布を有し、それによって変形を最小限に抑えている。

特定の実施形態において、前記付加製造技術は、粉末床を選択的に溶融するか選択的に焼結することによる製造方法である。

特定の実施形態において、粉末床を選択的に溶融するか選択的に焼結することによる前記製造方法はレーザー光線を使用する。

他の実施形態において、粉末床を選択的に溶融するか選択的に焼結することによる前記製造方法は電子線を使用する。

他の形の実施形態において、前記付加製造技術は粉末射出による製造方法である。

特定の実施形態において、前記方向付け工程の間、前記モデルは、製造サポートの数を最小限にし、更に／或いはそれらの大きさを最小にするように方向付けられる。このようにして、部品を得るために粗部品に対して実行されなければならない機械削り作業の数を制限することができ、これは又粉末を節約する働きもする。加えて、このことは各層を使った方法に由来する粗さの影響を制限する働きがある。

特定の実施形態において、前記方向付け工程の間、前記モデルは、構築方向における部品の高さを最小にするように方向付けられる。このことは層の数、ひいては使用される粉末の量と製造に必要な時間を最小限に抑える働きがある。加えて、変形の如何なる危険性をも減らし、結果として生じる面の状態は一層均一になる。

特定の実施形態において、製造すべき部品は、前エッジと後エッジと翼とを有するブレード部品である。

特定の実施形態において、前記ブレード部品のデジタルモデルは、その前エッジ又は後エッジが構築テーブルに対面するように方向付けられる。これにより、製造サポートの依存度を最小限に抑えることができる。

特定の実施形態において、前記ブレード部品の平衡面は、その翼の実質上途中でブレード部品と交差する。

上述した特徴、利点、その他は、提案された方法の実施形態についての以下の詳細な説明を読むことで明らかなものとなる。この詳細な説明は添付図面を参照するものである。

添付図面は概略的であって、とりわけ本発明の原理を説明しようとするものである。

図面では、１つの図面から他の図面において、同一要素（又は要素部分）は同じ参照番号が付されている。

粉末床を選択的に溶融する付加製造装置の全体図である。 製造例部品としてのオリジナルモデルの斜視図である。 製造例部品としてのオリジナルモデルの平面図である。 図２Ａ及び図２Ｂのモデルに対して平衡平面を定義した斜視図である。 図２Ａ及び図２Ｂのモデルに対して平衡平面を定義した平面図である。 犠牲バランス片が付加された、図３Ａ及び図３Ｂのモデルの斜視図である。 図４Ａモデルの層の平面図である。 図４Ａのモデルを使用して得られた粗部品の斜視図である。 粗部品から犠牲部を除去した後の最終部品の斜視図である。

本発明をより具体的なものとするために、一例となる方法を添付図面を参照しながら、以下具体的に説明する。本発明は本例に限定されないことを留意されたい。

本例において、その目的は、図６にかなり図式的に示したフレード９０を製造することにある。ブレード９０は、前エッジ９３と後エッジ９４を備えた翼９１と、その翼９１の一端に設けられた基礎部９２とを有する。翼９１は細長いものである一方、基礎部９２は厚く小型である。このため、基礎部９２はブレード９０の非対称部分を構成している。仮にブレード９０がその基礎部９２を持たないものであるなら、同ブレードは翼９１の半ばで交差する対称面を有することになる。

第１の工程では、ブレード９０のデジタルモデル５０がコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）ソフトウエアに取り込まれる。図２Ａ及び図２Ｂに示すように、デジタルモデル５０は翼９１に対応して細長い第１部分５１と、付け根９２に対応して厚くコンパクトな第２部分５２とを備える。このため、モデル５０の第２部分５２がモデル５０の非対称部分を構成する。

第２の工程では、モデル５０は製造プレート２１のデジタル画像６１に対して方向付けられ、かつプレートの前記画像６１に対し垂直な構築方向６２に方向付けられる。製造サポートへの依存度を最小限に抑えるため、モデル５０は、ブレード９０の前エッジ９３に対応するそのエッジ５３がプレート画像６１に対面するように方向付けられる。しかしながら、ブレード９０の後エッジ９４に対応するモデルのエッジ５４がプレート画像６１に対面するように、モデル５０を方向付けることも可能である。

図３Ａ及び図３Ｂに示す第３の工程では、モデルがその非対称部分５２を持たない場合、モデル５０の残余部分、即ち翼９１に対応する第１部分５１が焦点となる。この時、この残余部分５１の対称面７０は、構築方向６２に平行なものと特定され、それはモデル５０の平衡面として定義される。厳密に言えば、その平衡面７０は、翼高さ方向での翼途中で、ブレード９０の翼９１に対応するモデル５０の第１部分５１と交差する。

このトピックに関しては、モデル５０の残余部分５１は、長手方向であって同様に構築方向６２に平行な第２対称面７１をも与えることが分かるが、そうは言ってもこの別なる対称面７１は、ブレード９０の原型モデル５０が既に面７１に対して対称である限りにおいて平衡面として選択され得ない。

図４Ｂに示す第４の工程では、プレート６１の画像から始まる構築方向６２に沿った各製造層に相次いで焦点が当てられ、各層では、平衡面７０に対して層の対称性を取り戻すようにモデル５０に対しバランス部分７２ａが付け加えられる。従って、構築方向６２に対して垂直なる各層では、そのバランス部分７２ａは非対称部分５２の対応セグメント５２ａに対称である。

この処理がモデル５０の全層に対して行われると、図４Ａに示すように、バランス部分７２ａの積層体からなる犠牲バランス片７２を備えた修正モデル５０’が得られる。これにより修正モデル５０’は平衡面７０に対して対称であり、犠牲バランス片７２は平衡面７０に対して非対称部分５２と対称である。

こうした状況下において、修正モデル５０’に基づくレイヤーバイレイヤー付加製造を用いた粗部品８０の構築を開始することができる。本例では、図１に示したように、その方法は粉末床を選択的に焼結する製造方法である。しかしながら、それは、類似した形で粉末噴射による製造方法であってもよい。

このようにして、所望材料からなる粉末、具体的にはニッケルベース粉末の第１の層１０ａが製造プレート２１上に堆積される。

前記第１の層１０ａからなる第１の領域に対してはレーザー光線３１が走査され、局部的に前領域の粉末を粉末の焼結温度よりも高温に加熱することで、このようにして溶融又は焼結された前記粉末粒子は、前記第１の領域に位置して第１の単片要素１２ａを形成する。

前記材料粉末の第２の層１０ｂが前記第１粉末層１０ａの上に堆積される。

少なくとも部分的に前記第１単片要素１２ａに重なる前記第２の層１０ｂの第２領域はレーザー３１によって走査され、この第２領域にある粉末を粉末焼結温度よりも高温に加熱することで、このようにして溶融又は焼結された粉末粒子は、第１単片要素１２ａに重なる形で繋がった第２の単片要素１２ｂを形成する。

上記２つの工程は、その後、先行した層の上に堆積されることになる新しい粉末層毎に繰り返され、その作業は図５に示した粗部品８０全体が形成されるまで繰り返される。

この粗部品８０は、所望の翼９１と、根元９２と、平衡面７０に対応した粗部品８０の対称面８１に関して根元９２と対称となる犠牲バランシング部分８２とを有する。理想的には、その犠牲バランシング部分８２は、ブレード９０の非対称部分を構成する根元９１と反射的な同一形状、及び同一質量を有する。

粗部品８０の残余部分と時を同じくして製造されたこの犠牲バランシング部分８２があることで、粗部品８０内の残留応力形態は対照的、即ちバランスのとれた状態で対称面８１の両側に分布する。従って、その粗部品８０は、通常、残留応力によって生じる変形に起因する類いの如何なる主要欠陥をも持たない。

最後に、粗部品８０がこのようにして得られたならば、所望のブレード９０を得るためには、機械加工によって犠牲バランシング部分８２を除去するだけでよい。状況によっては、特に製造サポートが必要な場合、最終部品を得るに先立ち、別の機械加工工程が必要になる場合もある。

ここに記載した実施形態は限定されない実例として与えたものであって、本記述を踏まえると、当業者にとっては、本発明の範囲内に留めながらこれらの実施形態を容易に変更したり、他のものへと想起することが可能である。

加えて、これらの実施形態の様々な特徴はそのままの形で使用することも、或いはそれら同士を組み合わせることも可能である。組み合わせる場合、これらの特徴は上述したように組み合わせたり、他の形に組合わせてもよく、本発明は本明細書に記載した特定組合わせに限定されるものではない。特に、それとは反対に指定されない限りにおいて、ある実施形態を参照して記載された特徴は、他の如何なる実施形態に対しても同様に適用してもよい。

Claims (11)

1. 付加製造によって、非対称部分（９２）を有して製造すべき部品（９０）を製造する方法において、該方法は、
   製造すべき部品（９０）のデジタルモデル（５０）を供給する工程と、
   前記部品（９０）を構築するため、構築方向（６２）に対して前記デジタルモデル（５０）を方向付けする工程と、
   前記部品（９０）が製造されている間に前記部品（９０）内に生じる残留応力のバランスをとるように、結果として得られる犠牲部分が、粗部品の重心を通る面に対して前記非対称部分の領域と対称となるような領域内に位置するように、形成された犠牲バランス片（７２）を配置することで前記デジタルモデル（５０）を変更する工程と、
   このようにして変更されたモデル（５０’）に基づいた付加製造技術を用いて、前記構築方向（６２）に各層が積み重ねられる形で粗部品（８０）を作る工程と、更に、
   材料除去方法を用いて、前記モデル（５０’）の犠牲バランス片（７２）に由来する犠牲部分（８２）を前記粗部品（８０）から削除することで、製造対象としての前記部品（９０）を得る工程とを有し、
   前記犠牲バランス片（７２）は、粗部品（８０）の犠牲部分（８２）が前記非対称部分（９２）の質量の７０％〜１３０％の範囲内に収まる質量を持つように形成されることを特徴とする方法。
2. 前記犠牲バランス片（７２）は、粗部品（８０）の犠牲部分（８２）が前記非対称部分（９２）の質量の９０％〜１１０％の範囲内に収まる質量を持つように形成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記犠牲バランス片（７２）は、前記非対称部分（９２）の高さに実質上、等しい高さに亘って付加されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記犠牲バランス片（７２）は、結果として得られる前記犠牲部分（８２）が粗部品（８０）の対称面（８１）に対して前記非対称部分（９２）の反対側に構築されるように形成されることを特徴とする請求項２又は３に記載の方法。
5. 前記犠牲バランス片（７２）は、前記モデル（５０’）に少なくとも１つの追加的対称要素、好ましくは付加的対称面を設けるように付加されることを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記犠牲バランス片（７２）は、前記粗部品（８０）の犠牲部分（８２）が前記粗部品（８０）の対称面（８１）に対して前記非対称部分（９２）と対称となるように形成されることを特徴とする請求項２〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記デジタルモデル（５０）を変更する工程は、前記構築方向（６２）に平行な平衡面であって、仮に前記部品（９０）の前記非対称部分（９２）に対応する非対称部分（５２）を持たないならば、前記デジタルモデル（５０）が持つであろう対称面に対応する前記平衡面（７０）を定める工程を含むことを特徴とする請求項２〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記デジタルモデル（５０）を変更する工程は、その工程の間に前記構築方向（６２）に垂直な各層毎にモデル（５０）にバランス部分（７２ａ）が付加されるような平衡化工程を含み、前記バランス部分（７２ａ）は、前記平衡面（７０）に対し、モデル（５０）を考慮した層への対称性を復元することを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記付加製造技術は、粉末床を選択的に溶融するか選択的に焼結することによる製造方法、或いは粉末射出による製造方法であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記方向付け工程の間、前記デジタルモデル（５０）は、製造サポートの数を最小限に抑えるべく、更に／或いは製造サポートの大きさを最小限に抑えるべく方向付けられることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
11. 製造すべき部品は、前エッジ（９３）と後エッジ（９４）と翼（９１）とを有するブレード部品（９０）であり、
    前記ブレード部品（９０）の前記デジタルモデル（５０）は、その前エッジ（５３）又は後エッジ（５４）が構築テーブル（６１）に対面するように方向付けられ、更に、
    前記ブレード部品（９０）の前記平衡面（７０）はその翼（９１）の実質上途中でブレード部品（９０）と交差することを特徴とする請求項７又は８に記載の方法。

Images