JP6723285B2 - 金属構成要素の加法的製造および修復 - Google Patents
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Description
本出願は、米国特許法§119(e)の下、2012年11月8日に出願された米国仮出願第61/724,035号に対して利益を主張する。上記文献は、以下に説明されるように本明細書において援用される。
(1.発明の分野)
本発明の実施形態は、概して、エネルギーの指向性ビームを使用することによって、選択的に、金属粉末を焼結させ、部品を生産または修復するためのシステム方法に関し、具体的には、完全密度金属部品を生産または修復するための選択レーザ焼結(SLS)および走査レーザエピタキシ(SLE)の使用に関する。
1930代のその誕生以来、ガスタービンエンジンは、現代の航空機の主力原動機へと成長した。過去数年にわたって、航空機推進システムおよびこれらのシステム構成要素を製造する方法に関連する技術に著しい進歩が見られる。技術的進歩は、取得、動作、および保守コストを最小限にすることによる、エンジンの寿命サイクルコストを削減しようとする所望と関連付けられてきた。エンジンの寿命サイクルコストを削減するための多くの方法が存在するが、アプローチの1つは、進歩した材料、革新的構造設計、改良された空気熱力学、改良された計算方法、および進歩した製造技法等の技術的発展を通したものであり得る。
本発明の実施形態は、既存の部品に修復を行なう、および粉末状材料から部品を生成するための金属の直接レーザ焼結のシステムおよび方法に関する。本システムは、レーザと、粉末状材料の堆積層と、チャンバと、ミラーと、いくつかの実施形態では、真空ポンプとを備えることができる。本システムは、レーザまたは他の集中電源を使用することによって、粉末状金属を精密に溶融し、それを下層に融合させることができる。本システムは、下層材料構造を維持しながら、亀裂を修復することができ、かつ粉末状材料から完全機能部品を生成することができる。
本願明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
(項目1)
粉末状材料を溶融および再固化することによって構成要素を製造するためのシステムであって、前記システムは、
材料を選択的に溶融するための集中エネルギー源と、
制御システムであって、前記制御システムは、
制御コンピュータと、
制御ソフトウェアと、
フィードバックを前記制御システムに提供する1つ以上のセンサと
を備える、制御システムと
を備え、
前記制御システムは、前記集中エネルギー源の1つ以上のパラメータを制御する、システム。
(項目2)
前記集中エネルギー源は、レーザである、項目1に記載のシステム。
(項目3)
前記材料は、粉末状金属を備える、項目1に記載のシステム。
(項目4)
前記粉末状金属は、ニッケル系超合金である、項目3に記載のシステム。
(項目5)
前記1つ以上のセンサは、赤外線撮像カメラを備える、項目1に記載のシステム。
本発明の実施形態は、概して、加法的製造および修復技法に関し、より具体的には、選択レーザ焼結(SLS)および走査レーザエピタキシ(SLE)を使用することによって、部品を生成および修復するためのシステムおよび方法に関する。本システムは、高パワー式レーザと、高度に正確な制御システムと、定位置で溶融および固化されることができる、粉末状材料の堆積層とを備えることができる。本システムは、例えば、使用の間、亀裂、侵食、または損傷した部品を修復するために使用されることができる。本システムはまた、粉末状未加工材料から部品全体を生成するために使用されることができる。本システムはまた、材料が溶融および再固化された粉末状材料の形態で添加される、固体部分部品から部品全体を生成するために使用されることができる。
えば、溶融物の反応度は、深刻なプロセス制御問題を呈する。処理雰囲気の制御は、層毎の構築の成功を可能にし、また、安全上の懸念を解決するため、重要である。以下に論じられる、SLS/HIPとして知られるいくつかの実施形態では、SLS処理が、HIP後処理の間、缶詰形状の完全高密度化を確実にするために、真空下で行なわれることができる。
種々の微小構造特徴の追跡が、それぞれ、顕微鏡写真内に見出される特有特性を単離するために設計される、いくつかの関数を使用することによって、達成されることができる。図25に示されるのは、CSMX−4およびRene−80合金サンプルに関して、赤色卵形として示される、複数の微小構造特徴の追跡に関連するステップである。
Rene−80またはCMSX−4または任意の他の材料であり得る、微小構造検出プログラム内で分析されるべき画像毎に、サンプルは、最初に、単離されなければならない。本目標を達成するために講じられる第1のステップは、サンプルの周囲で見出されるBakelite堆積物を調査することであり得る。本構成では、画像は、画像の左下角の50画素内にサンプルの左下角が来ることはないという基本的仮定が、行なわれ得る。ほとんどの場合、堆積物が、走査の開始時、画像の左サイズ上に示される基板を越えて延在するため、これが当てはまる。画像捕捉の場合、これは、動作の一般ルールとして使用されることができる。その結果、画像の左下角は、Bakelite材料の平均強度値を見出すために分析されることができる(高さ約50画素および幅50画素)。本数字は、ここで、今後の調査のために、Bakeliteレベルと関連付けられることができる。
樹枝状晶が、単一結晶領域内で形成されると、概して、図29に示される、2つの容易に視認可能な特徴、すなわち、一次および二次樹枝状晶成長が、存在する。一次成長は、固化の間、最高温度勾配の方向に形成される、長い垂直延在部であるという点において、木の幹のように作用する。表示[001]は、これらの一次樹枝状晶成長が、垂直に指向されることを示し、これは、現在の単一結晶タービンブレード用途に対する唯一の容認可能配向である。一方、二次樹枝状晶成長は、一次幹からのより短い側枝であって、木の枝のように見える。2つの二次樹枝状晶アーム間の幅は、固化および熱勾配の間、金属の冷却率に関係する。
いくつかの実施形態では、CMSX−4等の単一結晶合金におけるメルトバック深度を追跡する際の第1のステップは、微細樹枝状晶と粗樹枝状晶との間の遷移点が、正確に見出され得るように、樹枝状晶エッジデータに基づいて、熱マップを生成することであり得る。以前のCannyエッジ検出ステップの間に見出された各線は、例えば、開始および最終点のみを使用することによって、保存されることができる。Bresenhams線アルゴリズムまたは他の好適なアルゴリズムが、次いで、Cannyステップの間に保存された開始および最終点を使用することによって、直線を正確に再現するために使用されることができる。図32に実証される線アルゴリズムは、2つの点間に見出される傾きを使用し、線が規定された方向に進行するにつれて構築される誤差の量を追跡する。プログラムが、緩勾配の線を再現しているとき、全ステップは、方程式1に説明されるように、誤差を蓄積するであろう。
概して、CMSX−4等の単一結晶合金中のメルトバックを見出す際、サンプルは、新しい単一結晶堆積物場所に関する大量の情報へのアクセスを有することに依存する。本情報は、メルトバックが追跡されることが可能な情報の量であるため、必ずしも、各樹枝状晶に関して正確である必要はない。しかしながら、樹枝状晶の配向の角度および平均一次幹幅を見出すとき、より少ない回数であるが、より優れた品質の樹枝状晶追跡をもたらす、より詳細な分析が、望ましい。
CMSX−4および他の単一結晶超合金と異なり、等軸超合金は、概して、基板から再溶融された領域(メルトバック線を示す)へのクリアな遷移を有していない。例えば、本スケールで図44を見ると、メルトバック線が全長に横断する場所を認めることは困難である。
亀裂および細孔を特定すとき、画像の一次特徴は、周囲Bakeliteの強度と密接に関連付けられるため、空洞内に見出される強度値である。したがって、本情報に基づいて、画像上の閾値を使用することによって、二値化画像が、図51に示されるように、生成されることができる。これは、赤色で示される細孔および亀裂のみが、サンプルの本体から判別可能である、略理想的状況をもたらし得る。
各サンプルが、前述の微小構造認識プログラムの全てを使用して分析されるにつれて、データは、好ましくは、後の使用のために編成および保存される。いくつかのデータは、当該サンプルのためのレーザのパワーレベル等、単一値の形態である一方、その他は、数千のセル長のベクトルである。その結果、サンプル別に情報を編成しようとする任意の試みは、好ましくは、これらの異なるタイプを含有することが可能である。
最初に、特徴をより良好に視覚化するために、いくつかの方法が、微小構造調査段階において収集された情報を解釈するために利用されることができる。過去に、異なるサンプルを視覚的に比較し、微小構造特徴とSLE設定との間の関係を見つけようするとき、唯一のアプローチは、コンピュータペーパー上に画像を印刷し、それらを隣り合わせに並べることであった。しかしながら、Matlab構造に保存された情報を使用することによって、現在は、情報をプロットし、所望に応じて、複数の線を同一のプロット上にオーバーレイすることが可能である。事実上、メルトバック深度または堆積物高さ等の任意の連続特徴が、これらの特性を対比するために、線としてプロットされることができる。多くのサンプルが、プロットされることができるが、いくつかの比較は、他よりも優れた有意性を保持する。例えば、レーザパワー等、それらの間で変化する1つのみのSLEパラメータを有するサンプルをプロットすることによって、示される特徴との一次相互作用が、より良好に視覚的に比較されることができる。図54は、設定の唯一の変化がレーザパワーである場合の2つのサンプルを比較するプロットを示す。示されるように、これは、パワー設定が、メルトバック深度に関して非常に有意性を有することを強調する。
いくつかの実施形態では、本システムは、単一結晶堆積物中に見出される二次樹枝状晶アームの追跡のために使用されることができる。二次樹枝状晶アーム間隔は、材料が固化するにつれた冷却率によって影響される。その結果、プロセスの間または異なるサンプル間においてそれがどのように変化するかを把握することは、溶融プールが、動作の間、どのように挙動するかの洞察を提供することができる。二次アームは、例えば、一次樹枝状晶幹幅情報を使用することによって、追跡されることができる。言い換えると、幹が終了する場所および二次アームが開始する場所を把握することは、検索が、トレースされた区分をわずかに越えて行なわれ得ることを意味する。このように、一次樹枝状晶アームをより良好に例示するために使用される手順は、代わりに、二次アームを強調するように修正されることができる。例えば、一次樹枝状晶角度に垂直方向における不鮮明化は、二次アームのよりクリアな画像を提供する一方、一次樹枝状晶を緩和させることができる。
例えば、CMSX−4サンプルでは、はぐれ結晶粒形成(その場所およびサイズの両方)を追跡することが有益となるであろう。はぐれ結晶粒の数は、好ましくは、加工の間、最小限にされ、したがって、それらがどのように生成されるかのさらなる洞察を得ることは、有益であると証明され得る。はぐれ結晶粒形成は、Ni系超合金溶接技法に関する研究の共有分野であって、本産業において大きな注目を集め続けている。
前述で詳述されたデータ分析および適合動作は、実質的に、CMSX−4およびRene−80部品に関して現在利用可能な全情報を利用する。いくつかの実施形態では、したがって、改良された分析およびさらなる関連は、材料毎の試験の数を増加させ、微小構造調査プログラムを実行し、付加的セットのデータ適合行程を行なうことによって見出されることができる。前述のシステムは、今後の試験が、現在の情報とともに容易に含まれ、データセットの容易な拡張をもたらすことを可能にする。
例えば、Rene−80内に見出される空隙を調査するとき、レーザパワー、走査スピード、または繰り返しと、結果として生じる空隙との間に、相関は、見出されなかった。空隙の主要原因は、概して、溶融プール中の不純物が、不良な再固化を生じさせることであるため、一連の実験が、空隙形成を低減するために行なわれることができる。例えば、粉末が、どのように調製され、基板上に装填されるか、およびチャンバ内の動作条件を追跡することによって、データ適合プログラムが、適用されることができる。
今後の改良のための別の分野は、プログラムのDOE部分である。現在、プログラムは、2つのタイプの実験設定、すなわち、一部実施要因または応答曲面を提供する。これらの2つのタイプは、プロセスを検討およびマッピングする際、最も重要な設計を提供するが、付加的ステップも、適用されることができる。ある場合には、3つのレベル要因のために設計された一部実施要因DOEの一種である、TaguchiL9等の他のタイプのDOEが、使用されることができる。本システムはまた、改良された一部実施要因発生器を使用することができる。例えば、本システムに、大域データに対する直交性を最大限にしながら、より有用な情報を提供するために回転される能力を与えることは、一実施例である。
加法的製造の分野へのリアルタイムフィードバック制御の追加は、過去にその分野において行なわれた研究の相対的欠如および適切な制御が加法的プロセスを介して製造可能な部品の品質に及ぼし得る潜在的影響のため、非常に着目される分野として、加法的製造に対するロードマップの標的となっている。いくつかの実施形態では、したがって、本システムは、SLEプロセスを制御し、より高い再現性、より優れた均一性、および機能傾斜微小構造を可能にするためのリアルタイムフィードバック制御システムの開発を含むことができる。
You Build(構築しながら証明)」モジュール、(ii)レーザ処理、レーザ走査、およびチャンバ雰囲気制御パラメータを伴う、リアルタイム制御モジュール、(iii)2−Dスライスレベル幾何学形状および材料分布モジュール、ならびに(iv)材料印刷モジュール。当然ながら、付加的および/または異なる構成要素も、使用され得、本明細書で検討される。
SLEプロセスにおいて使用するためのフィードバック制御アルゴリズムを提供するために、処理の間の溶融プールのサイズ、形状、および平均温度を測定するための方法が、必要とされた。60FPSのレートで捕捉された赤外線撮像カメラからのデータを使用することによって、SLE処理の間、溶融プールを検出するためのいくつかの戦略が、検討され得る。第1の戦略は、Cannyエッジ検出アルゴリズムの使用を伴い、第2の戦略は、接続される構成要素標識の走査線ベースの方法を伴った。しかしながら、溶融プールの適切な検出のために、非溶融粉末が、図59に図示されるように、溶融プールのビューを遮蔽されない方法において、赤外線カメラを設置することが望ましい。カメラビューが、溶融粉末ボールによって遮蔽される場合、不正確な溶融プール表面温度が、概して、測定される。
Cannyエッジ検出アルゴリズムは、いくつかのステップを伴い、その概要は、図60(1)−(6)に図示される。第1の動作セットは、Cannyエッジ検出および接続される構成要素標識アルゴリズムの両方の間で共通する。第1のステップは、画像をインポートし、すでにグレースケールではない場合、グレースケールに変換することである。Gaussianぼかしが、次いで、画像に適用され、いかなるわずかな雑音片もフィルタ処理することができる。グレースケール画像は、次いで、二値化閾値演算を使用して、白黒画像に変換されることができる。溶融プール温度(または、他の着目温度)を上回る値は、次いで、白色に変換されることができ、溶融プール温度を下回る値は、黒色に変換されることができる。これは、画像内の溶融プールの単離を可能にし、別々の「ブロブ」を生成する、主演算である。
Cannyエッジ検出アルゴリズムは、いくつかの試験処理アプリケーション上で実行され、最新Intel Core2Duo CPU上の640×480画素赤外線画像に対して、計算時間約100〜150msを有することが分かった。本計算時間は、赤外線撮像カメラの使用可能レートを50〜60FPSから約30FPSに低下させた。赤外線撮像カメラは、典型的には、リアルタイム制御アルゴリズムにおいて、限定された30FPSレートで使用されるであろうが、Cannyエッジ検出アルゴリズムは、比較的に大量のCPUリソースを使用し、リアルタイムコントローラ自体で使用され得る、利用可能な計算パワーを限定した。いくつかの実施形態では、したがって、これらの制約のため、より効率的ブロブ検出アルゴリズムが、以下に説明されるように、使用されることができる。
第2のブロブ検出アルゴリズムは、線形時間で動作され、Chang、Chen、およびLu and Linanの研究に基づいた1。アルゴリズムは、上から下へと行毎に、走査線または光線を画像を横断して左から右に送信することによって動作する。走査線が、物体と交差すると、輪郭が、物体の周囲でトレースされ、物体は、標識化される。本アルゴリズムの概要は、図61に示される。
SLEプロセスの簡略化された動的赤外線モデルが、制御方式の計算シミュレーションのため、およびMRAC制御方式のための基礎としての両方で使用されることができる。開発された簡略化動的モデルは、図67に図示されるように、システムの集中容量モデルに基づいた。
本発明の実施形態はまた、2つの制御方式を備えることができ、1つ目は、従来のPID制御方式であって、2つ目は、モデル基準適応制御(MRAC)方式である。制御入力、フィードバック信号、潜在的擾乱、および雑音源の概要は、表10に列挙される。
PID制御方式の概要は、図70に描写される。システム内の信号雑音を考慮するために、微分項は、非常に変動する雑音によって生じ得る、極端な作動量を限定するために無視されることができる。離散PIコントローラは、次いで、以下のように開発され、それぞれ、Kp、Ki、およびKdとして見なされる比例、積分、微分利得を伴う、離散PIDコントローラの一般伝達関数の形態で開始することができる
比較的に高実験数が、前述のPIDコントローラを調整するために要求されるため、ならびにある場合には、比較的に不良性能であるため、本発明の実施形態はまた、モデル基準適応制御(MRAC)方式に基づく、第2のコントローラを備えることができる。選定された特定の形態のMRACは、「1ステップ先行適応制御方式」(OSAAC)であった。OSAAC方式の概要は、図72に示される。
前述からの予測子形態をとることによって、パラメータモデルは、以下のように構築されることができる。
いくつかの実施形態では、使用するための制御システムサンプリングレートは、いくつかの擬似ランダム二値化信号入力の使用を通して判定および正当化され得、そのうちの1つが、図73に図示される。
制御試験が、赤外線撮像カメラを使用して、レーザパワーを変調させることによって、SLEプロセスの溶融プール温度を制御可能であるかどうかを判定するために使用された。したがって、初期走査スピードおよび繰り返し走査数は、前述のように、Rene−80に関して実行された以前の開ループDoE分析からの良好な結果のセットをもたらした値に固定された。この場合、走査スピードは、450mm/秒に設定され、溶融プールを開始するための繰り返し走査もまた、450mm/秒に設定された。全試験において、繰り返し走査は、450Wパワーで完了され、コントローラがオンにされる前に、溶融プールをもたらした。赤外線カメラのより低い温度境界に関する限界は、繰り返し走査の間、フィードバック制御を防止した。いくつかの実施形態では、より低い温度範囲を支持する赤外線カメラの実装は、同様に、繰り返し走査の精密なフィードバック制御も可能にするであろう。
新しい合金および幾何学形状のためのSLE処理パラメータの開発は、時間がかかり、かつ困難な手順であり得る。使用されるサンプルの近似数を用いたプロセスパラメータ開発フロー図の概要が、図88に示される。開ループ制御では、多くの試験が、概して、パラメータの実行可能範囲を判定するために要求される。開ループパラメータを判定する際、2つのステップが存在する。最初に、一式の初期実行可能性試験が、実行可能動作範囲を判定するために実行されることができる。一式のDoEが、次いで、最高品質開ループ堆積物を生産する、適切なパラメータセットをドリルダウンするために実行されることができる。良好に形成された堆積物を生産するために要求される開ループDoEの数は、新しい合金上に良好に形成される堆積物を生産するために要求されるパラメータを予測するためのロバストなMultiphysicsモデルの使用を用いて、低減または排除されることができる。
Claims (16)
- 材料粉末を溶融および再固化することによって構成要素を修復する方法であって、前記方法は、
a.前記材料粉末の層において経路に沿って集中エネルギー源を用いて走査することであって、前記経路は、所望の形状にわたって前記集中エネルギー源を用いて走査するように選択される、ことと、
b.前記集中エネルギー源の下で前記材料粉末の溶融プールを維持することと
を含み、
前記経路に沿って前記集中エネルギー源を用いて走査することは、前記溶融プールを形成するために、前記集中エネルギー源のパワーを増加させながら所定の半径の円形を繰り返して走査することを含む、方法。 - 前記経路に垂直な方向で前記集中エネルギー源を発振させることをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記溶融プールは、前層からの材料を含み、前記方法は、前記前層上に材料粉末の層を堆積することをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記集中エネルギー源は、前記経路に沿って連続的に前記所望の形状を走査する、請求項1に記載の方法。
- 前記経路は、前記所望の形状内においてネオイドパターンを含み、前記ネオイドパターンは、前記所定の半径の円形である開始円と、前記開始円を囲む終了円と、前記開始円上の一点から開始して前記開始円の周囲を回って前記開始円から徐々に離れて前記終了円上の一点で終了する曲線とからなる、請求項1に記載の方法。
- 前記集中エネルギー源を制御することにより、完成した部品の中の孔隙が減少されるように、溶融された材料粉末の流動を維持することをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記集中エネルギー源を制御するステップは、
a.前記集中エネルギー源の走査速度と、
b.前記集中エネルギー源の走査間隔と、
c.前記集中エネルギー源のエネルギー出力と
のうちの少なくとも1つを制御することを含む、請求項6に記載の方法。 - a.5×10−3トル(6.67×10−1Pa)〜1×10−7トル(1.33×10−5Pa)の範囲の真空で前記材料粉末の層を維持することと、
b.前記材料粉末の層を500℃〜700℃の温度まで加熱することと
をさらに含む、請求項1に記載の方法。 - 材料粉末を溶融および再固化することによって構成要素を修復するための修復システムであって、前記システムは、
撮像センサと、
集中エネルギー源と、
プロセッサと、
命令を含むメモリと
を備え、前記命令は、前記プロセッサによって実行されると、
前記材料粉末の層において経路に沿って走査するように前記集中エネルギー源を制御することであって、前記経路は、所望の形状にわたって前記集中エネルギー源を用いて走査するように選択される、ことと、
前記集中エネルギー源の下で前記材料粉末の溶融プールを維持するように前記集中エネルギー源を制御することと
を行うように前記プロセッサを制御し、
前記経路に沿って走査するように前記集中エネルギー源を制御することは、前記溶融プールを形成するために、前記集中エネルギー源のパワーを増加させながら所定の半径の円形を繰り返して走査するように前記集中エネルギー源を制御することを含む、システム。 - 前記命令は、前記プロセッサによって実行されると、前記経路に垂直な方向で発振するように前記集中エネルギー源を制御するように前記プロセッサをさらに制御する、請求項9に記載のシステム。
- 前記溶融プールは、前層からの材料を含み、
前記命令は、前記プロセッサによって実行されると、前記前層上に材料粉末の層を堆積することを制御するように前記プロセッサをさらに制御する、請求項9に記載のシステム。 - 前記命令は、前記プロセッサによって実行されると、前記経路に沿って連続的に前記所望の形状を走査するように前記集中エネルギー源を制御するように前記プロセッサを制御する、請求項9に記載のシステム。
- 前記経路は、前記所望の形状内においてネオイドパターンを含み、前記ネオイドパターンは、前記所定の半径の円形である開始円と、前記開始円を囲む終了円と、前記開始円上の一点から開始して前記開始円の周囲を回って前記開始円から徐々に離れて前記終了円上の一点で終了する曲線とからなる、請求項9に記載のシステム。
- 前記命令は、前記プロセッサによって実行されると、完成した部品の中の孔隙が減少されるように、溶融された材料粉末の流動を維持するように前記集中エネルギー源を制御するように前記プロセッサをさらに制御する、請求項9に記載のシステム。
- 前記集中エネルギー源を制御することは、
a.前記集中エネルギー源の走査速度と、
b.前記集中エネルギー源の走査間隔と、
c.前記集中エネルギー源のエネルギー出力と
のうちの少なくとも1つを制御することを含む、請求項14に記載のシステム。 - 前記命令は、前記プロセッサによって実行されると、
a.5×10−3トル(6.67×10−1Pa)〜1×10−7トル(1.33×10−5Pa)の範囲の真空で前記材料粉末の層を維持することと、
b.前記材料粉末の層を500℃〜700℃の温度まで加熱するように前記集中エネルギー源を制御することと
を行うように前記プロセッサをさらに制御する、請求項9に記載のシステム。
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