JP6785323B2 - ワークピースを機械加工するためのシステムおよび方法ならびにワークピースから機械加工した物品 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、ワークピースを機械加工するためのシステムおよび方法、ならびにワークピースから機械加工した物品に関する。

付加製造法は、金属およびプラスチックを含め様々な材料のワークピースの「３Ｄ印刷」を可能にする技術である。付加製造法では、ワークピースを層毎の方式で構築している。例えば、粉末を平らにならし、そして大出力レーザを使用して粉末を選択的に融解させることによって、ワークピースの各層を製造することができる。各層の後で、さらなる粉末を追加し、レーザが前の層に粉末を同時に融解させて次の層を形成する。ワークピースは、典型的には粗面を有し、工業規格を満足させるためにグリットブラスティング、グラインディング、サンディング、またはポリッシングなどの構築後プロセスを介して粗面を改善する。これらのプロセスは、ワークピースの容易に届く外面についての表面仕上げを改善するが、ワークピースの内面については一般に不十分である。破砕、低サイクル疲労、高サイクル疲労、およびコーキングなどの状態に起因するワークピース故障を軽減させるために、内面の表面仕上げを改善する必要がある。

電解加工（ＥＣＭ）もやはり、表面仕上げを改善するための方法である。ＥＣＭの高い金属除去速度のために、ワークピースに与える熱応力または機械的応力なしに、内面の十分な平滑化を実現することができる。ＥＣＭプロセスでは、カソード、すなわちツールが、アノード、すなわちワークピースの方へ進む。カソードとアノードとの間の隙間を、電解液で満たす。イオンがカソードとアノードとの間の隙間を横切るので、材料がアノードから溶け出して、電解液がＥＣＭプロセスで形成された金属水酸化物を運び去る。ＥＣＭは、付加製造したワークピースの内面の表面仕上げを改善できる。しかしながら、ある種のワークピースの複雑な幾何学的形状は、従来型のカソードが内面へとアクセスすることを妨げる。例えば、内面内に画定された内部通路は、内部通路へのアクセスを与えるアクセスポートよりも大きいことがある。加えて、内部通路は、複雑な経路を通して捻じれたり曲がったりすることがあり、カソードを内部通路内に設置することを困難にすることがある。さらにその上、ＥＣＭプロセスを使用して内面の良好な表面仕上げの促進を確実にするために、カソードをワークピースから電気的に分離することが必要である。その上、ＥＣＭプロセスが終わった後で、カソードをワークピースの複雑な内部通路内から取り除くことが困難であることがある。

前述の問題は、付加製造法によっては形成されなかったワークピースの内面の表面仕上げを改善する際にもやはり存在する。

それゆえ、前述の問題のうちの少なくともいくつかに対処するためにシステムおよび方法を改善する必要性がある。

米国特許第２０１５／００１０９３号

本明細書において開示する１つの例示的な実施形態によれば、システムは、ワークピースを機械加工するために提供され、上記ワークピースが内部通路を画定する内面を含む。上記システムは、上記内部通路内に設置されかつ上記ワークピースとは電気的に分離された電極と、電解液供給部と、電力供給部と、除去装置とを含む。上記電解液供給部は、上記電極と上記ワークピースとの間の隙間に電解液を循環させるために構成される。上記電力供給部は、上記内面を平滑化することを促進させるために上記電極と上記ワークピースとの間に電圧を印加するために構成される。上記除去装置は、上記内面を平滑化した後で上記内部通路内から上記電極を完全に取り除くために構成される。

本明細書において開示するもう１つの例示的な実施形態によれば、方法は、ワークピースを機械加工するために提供され、上記ワークピースが内部通路を画定する内面を含む。上記方法は、上記内部通路内に設置されかつ上記ワークピースとは電気的に分離された電極を設けるステップと、上記電極と上記ワークピースとの間の隙間に電解液を循環させるステップと、上記内面を平滑化することを促進させるために上記電極と上記ワークピースとの間に電圧を印加するステップと、上記内面を平滑化した後で上記内部通路内から上記電極を完全に取り除くステップとを含む。

本明細書において開示するさらにもう１つの例示的な実施形態によれば、物品が提供され、あるプロセスによってワークピースから機械加工され、上記ワークピースが内部通路を画定する内面を含む。上記プロセスは、上記内部通路内に設置されかつ上記ワークピースとは電気的に分離される電極を設けるステップと、上記電極と上記ワークピースとの間の隙間に電解液を循環させるステップと、上記内面を平滑化することを促進させるために上記電極と上記ワークピースとの間に電圧を印加するステップと、上記内面を平滑化した後で上記内部通路内から上記電極を完全に取り除くステップとを含む。

本開示のこれらのおよびその他の特徴、態様および長所は、添付した図面を参照して下記の詳細な説明を読むと、より良く理解されるようになるであろう。図面では、類似の参照符号は、図面全体を通して類似の構成要素を表している。

ワークピースおよび電極の斜視断面図である。 図１のワークピースおよび電極を製造するための付加製造システムの模式図である。 第１の実施形態による、システムの電解加工（ＥＣＭ）デバイス、ワークピース、および電極の模式図である。 第１の実施形態による、システムの除去装置、ワークピース、および電極の模式図である。 図３のＥＣＭデバイスおよび図４の除去装置によって、図３のワークピースから機械加工した後の物品の斜視断面図である。 ワークピース、電極、および引出し線の断面図である。 第２の実施形態による、システムのＥＣＭデバイス、ワークピース、および電極の模式図である。 第２の実施形態による、システムの除去装置、ワークピース、および電極の模式図である。 図６に示されかつ付加製造法によって部分的に形成された電極の模式図である。 図６に示されかつ付加製造の後で電気メッキによって形成された電極の模式図である。

これらの実施形態の簡潔な説明を与えることを目指して、実際の実装形態のすべての特徴を１つまたは複数の特定の実施形態では説明しない場合がある。いずれかのこのような実際の実装形態の開発において、いずれかのエンジニアリングプロジェクトまたは設計プロジェクトにおけるように、システムに関係する制約およびビジネスに関係する制約に伴うコンプライアンスなどの実装形態毎に変わることがある開発者に特有なゴールを達成するために、数多くの実装形態に特有な判断を行わなければならないことを認識すべきである。

別なふうに規定しない限り、本明細書において使用する技術用語および科学用語は、この開示が属する技術の当業者によって普通に理解されているものと同じ意味を持つ。本明細書において使用するように、「第１の」、「第２の」等の用語は、任意の順番、量、または重要性を意味するのではなく、むしろ１つの要素を別のものと区別するために使用する。また、「１つ（ａ）」および「１つ（ａｎ）」という用語は、量の限定を意味するのではなく、むしろ言及したアイテムのうちの少なくとも１つの存在を意味し、そして「底部（ｂｏｔｔｏｍ）」および／または「頂部（ｔｏｐ）」という用語は、別なふうに記さない限り、説明の利便性のために単に使用し、いずれかの１つの位置または空間的な向きに限定しない。その上、「または（ｏｒ）」という用語は、包括的であることを意味し、列挙したアイテムのうちの任意のもの、いくつかまたはすべてのいずれかを意味する。「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」または「有する（ｈａｖｉｎｇ）」および本明細書におけるこれらの変形形態の使用は、以降に列挙されるアイテムおよびその等価物ならびに追加のアイテムを包含することを意味する。「接続した（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」および「つなげた（ｃｏｕｐｌｅｄ）」という用語は、物理的なまたは機械的な接続またはカップリングに制限するのではなく、直接的または間接的であろうとなかろうと、電気的接続またはカップリングを含むことができる。「コントローラ」という用語は、単一の構成要素または複数の構成要素のいずれかを含むことができ、複数の構成要素は、能動的な構成要素および／または受動的な構成要素のいずれかであり、そして説明した機能を与えるために任意選択で接続されるまたはそうでなければ一緒につなげられることがある。

図１は、ワークピース１００および電極１１６の斜視断面図である。実施形態では、ワークピース１００を、例えば、図２に示したような付加製造システム２００によって形成することができる。他の実施形態では、ワークピース１００を、付加製造法よりはむしろ他の方法によって形成することができる。

ワークピース１００は、ボディ部分１０６およびビルドプレート１０４を含む。ボディ部分１０６を、その底面１０２のところで導電性ビルドプレート１０４につなげる。例示的な実施形態では、ワークピース１００を、例えば、機械加工しようとするガスタービン燃料ノズルまたはタービンロータブレードとすることができる。他の実施形態では、ワークピース１００を、付加製造法を使用して形成される任意の適したワークピースとすることができる。

ボディ部分１０６は、外面１０８を有する。例示的な実施形態では、ボディ部分１０６は、ワークピース１００内に内部通路１１２を画定する内面１１０を含む。電極１１６を、例えば、図２に示したような付加製造システム２００によって内部通路１１２内に形成することができる。他の実施形態では、ボディ部分１０６は、複数の内面１１０（図示せず）を含み、これらがワークピース１００内にそれぞれの内部通路１１２（図示せず）を画定する。

実施形態では、ワークピース１００は、５個のアクセスポート１１４を含み、アクセスポート１１４の各々は、ボディ部分１０６の外面１０８と内部通路１１２の内面１１０との間にワークピース１００を貫通して延びる。結果として、アクセスポート１１４の各々は、内部通路１１２へのアクセスを与える。他の実施形態では、ワークピース１００は、例えば、１個のアクセスポート１１４、２個のアクセスポート１１４、３個のアクセスポート１１４、４個のアクセスポート１１４、または６個以上のアクセスポート１１４（図示せず）を含むことができる。

実施形態では、電極１１６が、内部通路１１２内に設置され、そしてボディ部分１０６の内面１１０またはいずれかの他の部分とも接触しない。他の実施形態では、複数の電極１１６（図示せず）が、内部通路１１２内に設置され、そしてボディ部分１０６の内面１１０またはいずれかの他の部分とも接触しない。

例示的な実施形態では、電極１１６は、中実電極、中空電極、またはこれらの組み合わせ含む。一般に、電極１１６は、本明細書において説明するように、ＥＣＭ動作を容易にする任意の構造を有することができる。

実施形態では、ワークピース１００は、ビルドプレート１０４と電極１１６との間につなげられた５個の固定具１１８を含む。より具体的に、固定具１１８の各々は、ビルドプレート１０４につなげられた第１の端部部分１２０、電極１１６につなげられた第２の端部部分１２２、および第１の端部部分１２０と第２の端部部分１２２との間に位置する主部分１２４を含む。電極１１６を、固定具１１８を介してビルドプレート１０４につなげる。固定具１１８は、内部通路１１２内の電極１１６の位置を維持するのに役立つ。各固定具１１８の主部分１２４は、それぞれのアクセスポート１１４を通って電極１１６まで延び、その結果各固定具１１８がワークピース１００のボディ部分１０６と接触しない。もう１つの実施形態では、ワークピース１００は、ビルドプレート１０４と電極１１６との間につなげられた１個の固定具１１８を含む。さらにもう１つの実施形態では、ワークピース１００は、ビルドプレート１０４と電極１１６との間につなげられた２個の固定具１１８、３個の固定具１１８、４個の固定具１１８、または６個以上の固定具１１８（図示せず）を含む。

図２は、図１のワークピース１００および電極１１６を製造するための付加製造システム２００の模式図である。実施形態では、ワークピース１００のモデルが、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）ソフトウェアを使用して設計され、その結果、モデルは、図１のボディ部分１０６および固定具１１８を含めワークピース１００の３次元座標を含む。一般に、付加製造法は、早い材料処理時間、革新的な接合技術、および幾何学的制約に関する懸念の少なさを提供する。１つの実施形態では、直接金属レーザ溶融法（ＤＭＬＭ）または直接金属レーザ焼結法（ＤＭＬＳ）を使用して、ワークピース１００を製造する。ＤＭＬＭは、レーザに基づく高速試作プロセスおよびツーリングプロセスであり、これにより、金属粉末の精細な溶融および固化によってより大きな構造の逐次的な堆積層へと複雑なワークピースを直接生産することができ、各堆積層が３次元ワークピース１００の断面層に対応する。

付加製造システム２００は、付加製造装置２０２、粉末配送装置２０４、コンピュータ２０６、ならびに金属粉末２１０からワークピース１００および電極１１６を製造するように機能するレーザ２０８を含む。

付加製造装置２０２は、ＤＭＬＭ装置である。あるいは、付加製造装置２０２を、本明細書において説明するようなワークピース１００を製造することに役立ついずれかの付加製造装置とすることができる。付加製造装置２０２は、第１の側壁２１４および反対側の第２の側壁２１６を有する粉末床２１２を含む。付加製造装置２０２は、第１および第２の側壁２１４および２１６の間に少なくとも部分的に延び、製造中に図１に示したワークピース１００を支持することに役立つビルドプレート２１８を含む。１つの実施形態では、ビルドプレート２１８を、例えば図１に示したビルドプレート１０４とすることができる。

ピストン２２０は、ビルドプレート２１８につなげられ、垂直方向に沿って粉末床２１２の第１および第２の側壁２１４および２１６の間を移動させることができる。ビルドプレート２１８の上面が作業面２２２を定めるように、ピストン２２０を調節する。粉末配送装置２０４は、粉末分配器２２６につなげられた粉末供給部２２４を含み、粉末分配器２２６が粉末２１０を粉末供給部２２４から付加製造装置２０２へと移送する。例示的な実施形態では、粉末分配器２２６は、粉末床２１２へと粉末２１０の均一な層を分配するように構成されたワイパである。あるいは、粉末分配器２２６をスプレイノズルとすることができ、スプレイノズルが粉末２１０を粉末供給部２２４から粉末床２１２へと移送する。一般に粉末分配器２２６を、粉末供給部２２４から粉末床２１２へと粉末２１０を移送する任意のデバイスとすることができ、その結果、システム２００は本明細書において説明されるように動作する。

動作中に、粉末分配器２２６は、粉末２１０の第１の層を粉末供給部２２４からビルドプレート２１８の作業面２２２上へと分配する。レーザ２０８は、コンピュータ２０６によって案内されるレーザビーム２２８をビルドプレート２１８の作業面２２２上へと向けて、ワークピース１００の断面層へと粉末２１０を選択的に融解させる。より具体的に、レーザビーム２２８は、粉末２１０粒子を一緒に急速に溶融して固体を形成することによって（図１に示した）ビルドプレート１０４の上面へと粉末２１０を選択的に融解させる。レーザビーム２２８が各層の一部分を形成し続けるので、熱が前に溶融した領域から伝導で取り除かれ、これによって急速な冷却および固化をもたらす。例示的な実施形態では、コンピュータ２０６は、レーザビーム２２８を制御し、その結果、粉末２１０の各層は、未焼結の粉末とワークピース１００の断面層のうちの少なくとも一部分を形成する焼結した粉末とを含むだろう。

例示的な実施形態では、ワークピース１００の断面層の完成で、ビルドプレート２１８がピストン２２０によって下げられ、粉末分配器２２６が粉末２１０のさらなる層を粉末床２１２へと分配する。レーザビーム２２８をコンピュータ２０６によって再び制御して、ワークピース１００のもう１層の断面層を選択的に形成する。逐次的な断面層がワークピース１００へと構築されるように、このプロセスを続ける。ワークピース１００の各逐次的な堆積層を、例えば、厚さで１０μｍ（マイクロメートル）と２００μｍとの間とすることができるけれども、厚さを付加製造装置２０２のパラメータに基づいて選択することができる。

したがって、ワークピース１００を、底面１０２のところから始めて製造することができ、その結果、ワークピース１００のそれぞれの断面層はボディ部分１０６、電極１１６、および固定具１１８のうちの少なくとも一部分を含むことができる。より具体的に、付加製造装置２０２は、例えば、ボディ部分１０６および電極１１６を同時に形成することを容易にすることができ、その結果、電極１１６がワークピース１００の（図１に示した）内部通路１１２内に形成される。付加製造プロセスを完了すると、すべての未焼結の粉末２１０が（図１に示した）アクセスポート１１４を通して取り除かれ、ワークピース１００が粉末床２１２から取り外されて、さらなる処理を容易にする。

例示的な実施形態では、ワークピース１００を、超合金、例えば、コバルト−クロムなどのコバルト系超合金、またはニッケル系超合金、ならびにステンレス鋼、チタン、クロム、または他の合金、またはこれらの組み合わせを含め金属粉末２１０から製造することができる。タービン動作の高温条件での長期間の運転のために要求される高い強度のために、コバルトおよびニッケル系超合金を、ガスタービン構成部品を製造するために普通には使用する。特に高温での強度の向上、耐久性、および長期間の運転のために、金属粉末２１０を選択することができる。

他の実施形態では、ワークピース１００を、付加製造システム２００を使用して金属粉末２１０およびプラスチック粉末（図示せず）から製造することができ、ワークピース１００の内面を、金属粉末２１０から製造する。

製造した後では、ワークピース１００の内面１１０が、比較的大きな粗さを有することがあり、ワークピース１００のさらなる処理を必要とすることがある。このような製造後プロセスは、例えば、応力解放または硬化熱処理、ピーニング、ポリッシング、熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）、またはＥＣＭを含むことができる。いくつかの実施形態では、上に列挙した製造後プロセスのうちの１つまたは複数は、必ずしも必要ではなく、省略することができる。例示的な実施形態では、ワークピース１００は、付加製造プロセスにより生じた比較的大きな表面粗さを含むことがある。具体的に、図１の内面１１０は、比較的大きな粗さを有することがあり、内面１１０の平滑化を促進させる追加の処理なしで使用することには適していないことがある。

図３は、第１の実施形態による、システム５００の電解加工（ＥＣＭ）デバイス３００、ワークピース１００、および電極１１６の模式図である。ＥＣＭデバイス３００は、電解液供給部３１０および電力供給部３２０を含む。電解液供給部３１０は、電解液源３１２、コンジット３１５、ポンプ３１６、およびノズル３１８を含む。実施形態では、電解液源３１２を、例えば貯蔵タンク、等とすることができる。

例示的な実施形態では、ＥＣＭの間には、ワークピース１００を、電極１１６および固定具１１８とは電気的に分離する。このような電気的な分離を容易にするために、図１のビルドプレート１０４を、非導電性支持プレート３０２と置き換える。ボディ部分１０６を、その底面１０２を介して支持プレート３０２につなげ、電極１１６を、固定具１１８の第１の端部部分１２０を介して支持プレート３０２につなげる。非導電性支持プレート３０２は、ボディ部分１０６を電極１１６および固定具１１８とは分離することを容易にし、その結果、ＥＣＭデバイス３００内に印加された電流がボディ部分１０６を通って電極１１６および固定具１１８へと流れない。非限定的な実施形態では、先ず、ビルドプレート１０４を、従来の機械加工法を使用してボディ部分１０６の底面１０２および固定具１１８から取り外し、第２に、ビルドプレート１０４を、限定しないがエポキシなどの非導電性材料で覆ってエポキシプレートを形成し、次いで、ビルドプレート１０４を、従来の機械加工法を使用してエポキシプレートから分離し、最後に、エポキシプレートを、ボディ部分１０６の底面１０２および固定具１１８に結合させて支持プレート３０２を形成する、したがってビルドプレート１０４が支持プレート３０２で置き換えられる。

電力供給部３２０は、電源３２２、正リード線３２４、負リード線３２６、およびコントローラ３２８を含む。電源３２２は、ワークピース１００と電極１１６との間にパルス電圧（特に、両極性パルス電圧）の形の電圧を印加するように構成され、ワークピース１００から材料を電解除去し、その結果内面１１０が平滑化される。電極１１６およびワークピース１００へのパルス電圧の印加は、内部通路１１２の内面１１０から所定の量の材料を電解除去する。両極性パルス電圧を、電源３２２を使用して電極１１６とワークピース１００との間に印加する。より具体的に、電極１１６およびボディ部分１０６にパルス電圧を供給するために、ボディ部分１０６に正リード線３２４を電気的につなげ、固定具１１８を介して電極１１６に負リード線３２６を電気的につなげる。例示的な実施形態では、コントローラ３２８は、両極性電源３２２に電気的につなげ、そしてパルス制御を行うように構成される。コントローラ３２８は、電極１１６およびワークピース１００に供給するパルス電圧のパルス幅、周波数および大きさを制御する。

電解液供給部３１０は、電解液３１４を収容するように構成された容器３１９を含む。電解液３１４は、限定しないがリン酸などの電荷搬送流体を含む。容器３１９を、電解液３１４、ワークピース１００、電極１１６、固定具１１８、およびリード線３２４と３２６を受容するのに十分なサイズにする。

電解液３１４を、アクセスポート１１４を通して内部通路１１２へと循環させる。例示的な実施形態では、アクセスポート１１４を介して内部通路１１２と流れ連通している電解液源３１２に電解液３１４を貯蔵する。電解液３１４を、例えば、アクセスポート１１４を介してポンプ３１６のノズル３１８によって内部通路１１２へと循環させることができる。ポンプ３１６は、コンジット３１５を介して電解液源３１２と連通している。

電解液３１４を、ワークピース１００と電極１１６との間の隙間１０３に循環させ、内面１１０の少なくとも部分溶解を生じさせるように、例えばパルス電圧の形の電圧をワークピース１００と電極１１６との間に印加する。このような溶解は、内面１１０の平滑化をもたらして高品質な表面仕上げを提供する。電解液３１４は、ＥＣＭ中に形成された金属水酸化物をアクセスポート１１４を通してワークピース１００から持ち去る。上に説明したように、ワークピース１００は、機械加工しようとするガスタービン燃料ノズルまたは任意の数のタービンロータブレードであってもよく、そして動作のために高品質な表面仕上げを必要とする。グリットブラスティング、グラインディング、サンディング、またはポリッシングなどの従来の機械加工法と比較して、電解加工法は、不必要な熱応力または機械的応力をワークピース１００に与えずに内面１１０の平滑化を容易にする。

ＥＣＭデバイス３００を使用して内面１１０の粗さを取り除いた後で、電極１１６を内部通路１１２内から完全に取り除くことが有利なことがある。

図４は、第１の実施形態による、システム５００の除去装置４００、ワークピース１００、および電極１１６の模式図である。除去装置４００は、図３で説明したようにワークピース１００の内面１１０を平滑化した後で内部通路１１２内から電極１１６を完全に取り除くために構成される。本明細書において説明するように、「内部通路１１２内から電極１１６を完全に取り除くこと」は、電極１１６全体を内部通路１１２内から取り除くことを意味する。

除去装置４００は、エッチング溶液供給部４１０を含む。エッチング溶液供給部４１０は、エッチング溶液源４１２、コンジット４１５、ポンプ４１６、およびノズル４１８を含む。

エッチング溶液源４１２は、内部通路１１２内から電極１１６を完全に取り除くためのエッチング溶液４１４を供給するために構成される。実施形態では、エッチング溶液源４１２を、例えば、貯蔵タンク、等とすることができる。

エッチング溶液供給部４１０は、エッチング溶液４１４を収容するように構成された容器４１９を含む。容器４１９を、エッチング溶液４１４、ワークピース１００、および電極１１６を受容するのに十分なサイズにする。

内部通路１１２内から（図３に示した）電解液３１４を取り除いた後で、電極１１６を完全に溶解するように、エッチング溶液４１４を内部通路１１２へと循環させ、エッチング溶液４１４によって溶解されることから平滑化した内面１１０を保護するために、エッチング溶液４１４は平滑化した内面１１０とは接触しない。図３に示しように、電解液３１４を、例えば、ポンプ３１６のノズル３１８によって内部通路１１２内から取り除くことができる。

詳細には、エッチング溶液４１４を、アクセスポート１１４を介して電極１１６とワークピース１００との間の隙間１０３に循環させる。エッチング溶液４１４を、例えば、ポンプ４１６のノズル４１８によって内部通路１１２へと循環させることができる。ポンプ４１６は、コンジット４１５を介してエッチング溶液源４１２と流体連通している。

例示的な実施形態では、エッチング溶液４１４は、酸溶液を含む。

１つの実施形態では、電極１１６をＣｏ−Ｃｒ合金から作ることができ、エッチング溶液４１４を、Ｈ_２ＳＯ_４とＨ_３ＰＯ_４とのハイブリッド溶液またはＨＣｌとＨＮＯ_３とのハイブリッド溶液とすることができる、すなわち、Ｈ_２ＳＯ_４とＨ_３ＰＯ_４とのハイブリッド溶液またはＨＣｌとＨＮＯ_３とのハイブリッド溶液は、Ｃｏ−Ｃｒ合金製の電極１１６を完全に溶解させる。

もう１つの実施形態では、電極１１６をステンレス鋼から作ることができ、エッチング溶液４１４を、Ｈ_２ＳＯ_４の水溶液またはＨＣｌとＨＮＯ_３とのハイブリッド溶液とすることができる、すなわち、Ｈ_２ＳＯ_４の水溶液またはＨＣｌとＨＮＯ_３とのハイブリッド溶液は、ステンレス鋼製の電極１１６を完全に溶解させる。

除去装置４００は、平滑化した内面１１０からエッチング溶液４１４を分離するための耐腐食コーティング４２０含む。耐腐食コーティング４２０を、平滑化した内面１１０に堆積して、エッチング溶液４１４によって溶解されることから平滑化した内面１１０を保護する。

内部通路１１２内からエッチング溶液４１４を取り除いた後で、耐腐食コーティング４２０を内部通路１１２内から取り除く。エッチング溶液４１４を、例えばポンプ４１６によって内部通路１１２内から取り除くことができる。

１つの実施形態では、耐腐食コーティング４２０をワックスによって形成する。先ず、パラフィンワックスをその融点まで加熱し、次いで平滑化した内面１１０と電極１１６との間の隙間１０３を熱い液体ワックスで満たし、熱い液体ワックスを室温まで冷却すると耐腐食コーティング４２０が平滑化した内面１１０上に堆積される。耐腐食コーティング４２０を、加熱によって内部通路１１２内から取り除く。

もう１つの実施形態では、耐腐食コーティング４２０をスラリによって形成する、これはポリマ前駆体に埋め込まれたセラミックから成るスラリの薄層を撒き広げる新しい印刷技術に関係する。紫外線光のパターンをこの層に投影すると、材料は光に曝された場所だけ固化する。スラリのもう１つの層をこの上に撒き広げて光で瞬間的に照らし、層毎に構造をこのように構築する。

さらにもう１つの実施形態では、耐腐食コーティング４２０を、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）の水溶液によって形成し、耐腐食コーティング４２０を、例えばディッピングを介して平滑化した内面１１０に堆積させる。耐腐食コーティング４２０をエッチングによって内部通路１１２内から取り除く。詳細には、耐腐食コーティング４２０を、例えばアセトンを含め適切な溶剤に溶解させる。

図５は、図３のＥＣＭデバイス３００および図４の除去装置４００によって、図３のワークピース１００から機械加工した後の物品９９０の斜視断面図である。図５の物品９９０では、粗さが、図３に示したようなＥＣＭデバイス３００によって内面１１０から取り除かれており、図１および図３〜図４に示したような電極１１６が、上に説明したように内部通路１１２内から完全に取り除かれており、図３に示したような固定具１１８および支持プレート３０２が、図３のワークピース１００から機械加工で取り去られている。

図６は、ワークピース６００、電極６１６、および引出し線６４０の断面図である。ワークピース６００は、内部通路６１２を画定する内面６１０を含む。他の実施形態では、ワークピース６００は、それぞれの内部通路６１２（図示せず）を画定する複数の内面６１０（図示せず）を含む。

電極６１６は、第１の端部６０２および反対側の第２の端部６０４を含む。実施形態では、電極６１６はフレキシブルであり、電極６１６を内部通路６１２へと挿入できることを確実にし、その結果、図６に示したように、電極６１６を内部通路６１２内に設置する。詳細には、引出し線６４０を電極６１６の第１の端部６０２に機械的に接続し、引出し線６４０は、内部通路６１２へと挿入しようとする電極６１６を引っ張るように構成される。

他の実施形態では、それぞれの引出し線６４０（図示せず）のそれぞれの引張り力によって、複数の電極６１６（図示せず）を内部通路６１２へと挿入し、その結果、複数の電極６１６を内部通路６１２内に設置する。

内部通路６１２は、直線ではない、すなわち、ワークピース６００は、曲がり、アーチ型天井、収束性および分岐性通路、空洞、デッドレッグ、ならびに孔、等などの複雑な内部の幾何学的形状を有する。１つの実施形態では、内部通路６１２は、らせん状または捻じれた内部通路である、または軸方向に変化する断面寸法を有する。

詳細には、電極６１６は、第１の部分６２０および第２の部分６２２を含む。第１の部分６２０および第２の部分６２２を、例えば付加製造法を使用して一緒に形成することができる。第１の部分６２０の各々および第２の部分６２２の各々を、隣り合わせて組み立てる。詳細には、第１の部分６２０が２個の第１の部分６２０ａ、６２０ｃを含み、第２の部分６２２が４個の第２の部分６２２ａ、６２２ｂ、６２２ｃ、６２２ｄを含む。電極６１６を内部通路６１２へと挿入すると、第１の部分６２０ａ、６２０ｃは、内部通路６１２の複雑な構造のために変形することがあり、その結果、第２の部分６２２ａ、６２２ｂ同士の間の距離、および第２の部分６２２ｃ、６２２ｄ同士の間の距離が変化することがある。

図７は、第２の実施形態による、システム９００のＥＣＭデバイス７００、ワークピース６００、および電極６１６の模式図である。ＥＣＭデバイス７００は、電解液供給部７１０および電力供給部７２０を含む。電解液供給部７１０は、電解液源７１２、コンジット７１５、ポンプ７１６、ノズル７１８、および容器７１９を含む。電力供給部７２０は、電源７２２、正リード線７２４、負リード線７２６、およびコントローラ７２８を含む。

容器７１９を、電解液源７１２の電解液７１４、ワークピース６００、電極６１６、およびリード線７２４と７２６を受容するのに十分なサイズにする。

実施形態では、電極６１６を、ワークピース６００の内面６１０から電気的に分離し、これを図８で説明しよう。正リード線７２４をワークピース６００に電気的につなげ、負リード線７２６を電極６１６に電気的につなげる。

図３と同様に、電解液７１４を、例えばポンプ７１６のノズル７１８によってワークピース６００と電極６１６との間の隙間６０３に循環させ、コントローラ７２８によって制御された、例えばパルス電圧の形の電源７２２の電圧を、内面６１０の平滑化を容易にするために電極６１６とワークピース６００との間に印加する。ポンプ７１６は、コンジット７１５を介して電解液源７１２と流体連通している。

１つの実施形態では、ワークピース６００を、例えば図１および図３〜図４に示したワークピース１００とすることができ、内面６１０を、例えば図１および図３〜図４に示した内面１１０とすることができ、そして内部通路６１２を、例えば図１および図３〜図４に示した内部通路１１２とすることができる。

図８は、第２の実施形態による、システム９００の除去装置８００、ワークピース６００、および電極６１６の模式図である。除去装置８００は、図７で説明したように、ワークピース６００の内面６１０を平滑化した後で電極６１６を内部通路６１２内から完全に取り除くために構成される。本明細書において説明するように、「内部通路６１２内から電極６１６を完全に取り除くこと」は、電極６１６全体を内部通路６１２内から取り除くことを意味する。

電極６１６を内部通路６１２の外へ取り出すことができることを確実にするために、電極６１６はフレキシブルである。詳細には、除去装置８００は、電極６１６の第２の端部６０４に機械的に接続された引出し線８１０を含む。内部通路６１２内から図７に示した電解液７１４を取り除いた後で、取り除こうとする電極６１６を内部通路６１２の外へ引き出すために引出し線８１０を構成し、その結果、電極６１６が内部通路６１２内から完全に取り除かれる。１つの実施形態では、電解液７１４を、例えば、図７に示したポンプ７１６のノズル７１８を介して内部通路６１２内から取り除くことができる。

他の実施形態では、それぞれの引出し線８１０（図示せず）のそれぞれの引っ張る力によって、複数の電極６１６（図示せず）を内部通路６１２の外へ取り出し、その結果、複数の電極６１６を、内部通路６１２内から完全に取り除く。

他の実施形態では、除去装置８００は、図６に示したような引出し線６４０を含み、引出し線６４０が、内部通路６１２へと挿入しようとする電極６１６を引っ張るように、または取り除こうとする電極６１６を内部通路６１２の外へ押し出すように構成される。

図９は、図６に示され、付加製造法によって部分的に形成された電極６１６の模式図である。図９では、電極６１６は、第１の部分６２０および第２の部分６２２から構成される非導電性マンドレル６１０を含む。第１の部分６２０および第２の部分６２２を、図２に示した付加製造装置２０２などの付加製造装置を使用して一緒に形成する。

例示的な実施形態では、第１の部分６２０の各々を非導電性材料から作り、第２の部分６２２の各々も非導電性材料からやはり作る。第１の部分６２０および第２の部分６２２を、電極６１６とワークピース６００との間の電気的な分離を与えるようなサイズにする。非限定的な例として、図６に示したように、電極６１６とワークピース６００との間に電気的な分離を与えるように、各第２の部分６２２の幅を各第１の部分６２０の幅よりも大きくなるようなサイズにする。

例示的な実施形態では、第１の部分６２０の各々および第２の部分６２２の各々を隣り合わせて組み立てる。

特定の実施形態では、第１の部分６２０の各々を、堅固なプラスチック材料から作り、第２の部分６２２の各々を、軟らかいプラスチック材料から作る。１つの実施形態では、堅固なプラスチック材料は、ポリ塩化ビニル、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、等を含み、軟らかいプラスチック材料は、ポリプロピレン、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、等を含む。

例示的な実施形態では、図２の付加製造装置２０２などの付加製造装置を用いて電極６１６を部分的に製造するための方法を提供する。本明細書において使用する付加製造装置は、選択的レーザ溶融装置、電子ビーム溶融装置、熱溶解積層装置、またはステレオリソグラフィ装置、などの装置を呼び、ここでは材料を、電極６１６を作り出す目的で層毎の方式で逐次的に加える。方法は、電極６１６の、ＣＡＤ（コンピュータ支援設計）モデルなどのディジタル表現を用意するステップと、上記ディジタル表現に基づいて層のシーケンスまたは積層物を作り出すステップと、上記ディジタル表現に基づいて上記層の各々に製造パラメータを適用するステップと、全体の電極６１６が完成するまで前の層の上に各層用の材料を逐次的に付加するステップおよび固めるステップによって物理的電極６１６を生産するステップとを含む。

材料を付加するステップおよび固めるステップを、並列に、または逐次的に、または両者の組み合わせで実行することができる。

ある種の実施形態では、付加製造プロセスを使用することは、電極６１６のディジタル表現にしたがって１つまたは複数の層もしくは層の領域内の堅固なプラスチック材料を固めながら、一方で電極６１６のディジタル表現にしたがって交互の層または層の領域内の軟らかいプラスチック材料を固めるステップを含むことができる。第１の部分６２０および第２の部分６２２を含む電極６１６の最終形状が得られるまで、この付加製造プロセスを繰り返す。

１つの実施形態では、堅固なプラスチック材料の粉末を、構築した層または層の領域に付加的に分配しながら、レーザなどの熱源を使用して粉末を一緒に結合させる。所望の形状の第１の部分６２０が得られるまでプロセスを繰り返す。次いで、軟らかいプラスチック材料の粉末を交互の層または層の領域に加えて分配して、第１の部分６２０と一緒に結合させ、所望の形状の第２の部分６２２が得られるまでプロセスを繰り返す。付加製造プロセスを使用して堅固なプラスチック材料および軟らかいプラスチック材料を分配することおよび結合させることを、第１の部分６２０および第２の部分６２２を含む電極６１６の最終形状が得られるまで交互に行うことおよび／または繰り返すことができる。

もう１つの実施形態では、堅固なプラスチック部分（第１の部分６２０）を１台の付加製造装置によって製造し、軟らかいプラスチック部分（第２の部分６２２）をもう１つの付加製造装置によって製造する。十分な数の第１の部分６２０および第２の部分６２２が生産されるまでプロセスを繰り返し、電極６１６を従来の手法によって組み立てる。

図１０は、図６に示されかつ付加製造の後で電気メッキによって形成された電極６１６の模式図である。図１０では、電極６１６は、導電性コーティング６３０および導電性ストリップ６３２を含む。導電性コーティング６３０をそれぞれの第１の部分６２０上に形成し、導電性ストリップ６３２をそれぞれの第２の部分６２２上に形成する。１つの実施形態では、導電性ストリップ６３２の各々を、対応する第２の部分６２２の中央に形成する。

導電性コーティング６３０および導電性ストリップ６３２を一緒につなげて、電極６１６の導電性を実現する。

導電性コーティング６３０は、金属コーティングを含み、金属コーティングを、電気メッキを使用してそれぞれの第１の部分６２０上に形成する。導電性ストリップ６３２は、金属ストリップを含み、金属ストリップを、電気メッキを使用してそれぞれの第２の部分６２２上に形成する。

電極６１６を、付加製造法によって非導電性マンドレル６１０を形成する第１のステップと、電気メッキによってそれぞれの非導電性第１の部分６２０上に導電性コーティング６３０を形成し、電気メッキによってそれぞれの非導電性第２の部分６２２上に導電性ストリップ６３２を形成する第２のステップとを含む一連のステップで作る。マンドレル６１０のコーティングされていない区域は、ＥＣＭ中にアノードとカソードとの間の電気的な分離を維持する。

物品９９０、これは例えば図５に示されてもよい、を形成するため、先ず、図３のＥＣＭデバイス３００によってワークピース１００の内面１１０を電解加工することまたは図７のＥＣＭデバイス７００によってワークピース６００の内面６１０を電解加工すること、次いで、電極１１６をワークピース１００の内部通路１１２内から完全に取り除くことまたは電極６１６をワークピース６００の内部通路６１２内から完全に取り除くことのために、本発明の実施形態を使用する。

開示を、例示的な実施形態を参照して説明してきているが、開示の意図から乖離することなく、様々な変更を行うことができそして等価物で実施形態の要素を置き換えることができることを、当業者なら理解するだろう。加えて、開示の基本的な意図から乖離することなく、開示の教示に対して特定の状況または材料を適合させるために、多くの修正を行うことができる。それゆえ、本開示は、この開示を実行するために予期される最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるのではなく、本開示は、別記の特許請求の範囲の範囲内になるすべての実施形態を含むものとする。

１００ ワークピース
１０２ 底面
１０３ 隙間
１０４ ビルドプレート
１０６ ボディ部分
１０８ 外面
１１０ 内面
１１２ 内部通路
１１４ アクセスポート
１１６ 電極
１１８ 固定具
１２０ 第１の端部部分
１２２ 第２の端部部分
１２４ 主部分
２００ 付加製造システム
２０２ 付加製造装置
２０４ 粉末配送装置
２０６ コンピュータ
２０８ レーザ
２１０ 金属粉末
２１２ 粉末床
２１４ 第１の側壁
２１６ 第２の側壁
２１８ ビルドプレート
２２０ ピストン
２２２ 作業面
２２４ 粉末供給部
２２６ 粉末分配器
２２８ レーザビーム
３００ ＥＣＭデバイス
３０２ 支持プレート
３１０ 電解液供給部
３１２ 電解液源
３１４ 電解液
３１５ コンジット
３１６ ポンプ
３１８ ノズル
３１９ 容器
３２０ 電力供給部
３２２ 電源
３２４ 正リード線
３２６ 負リード線
３２８ コントローラ
４００ 除去装置
４１０ エッチング溶液供給部
４１２ エッチング溶液源
４１４ エッチング溶液
４１５ コンジット
４１６ ポンプ
４１８ ノズル
４１９ 容器
４２０ 耐腐食コーティング
５００ システム
６００ ワークピース
６０２ 第１の端部
６０３ 隙間
６０４ 第２の端部
６１０ 内面
６１２ 内部通路
６１６ 電極
６２０ 第１の部分
６２２ 第２の部分
６３０ 導電性コーティング
６３２ 導電性ストリップ
６４０ 引出し線
７００ ＥＣＭデバイス
７１０ 電解液供給部
７１２ 電解液源
７１４ 電解液
７１５ コンジット
７１６ ポンプ
７１８ ノズル
７１９ 容器
７２０ 電力供給部
７２２ 電源
７２４ 正リード線
７２６ 負リード線
７２８ コントローラ
８００ 除去装置
８１０ 引出し線
９００ システム
９９０ 物品

Claims (16)

1. ワークピース（１００、６００）を機械加工するためのシステム（５００、９００）であって、前記ワークピース（１００、６００）が内部通路（１１２、６１２）を画定する内面（１１０、６１０）を含み、前記システム（５００、９００）が、
   前記内部通路（１１２、６１２）内に設置されかつ前記ワークピース（１００、６００）とは電気的に分離された電極（１１６、６１６）と、
   前記電極（１１６、６１６）と前記ワークピース（１００、６００）との間の隙間（１０３、６０３）に電解液（３１４、７１４）を循環させるための電解液供給部（３１０、７１０）と、
   前記内面（１１０、６１０）を平滑化することを促進させるために前記電極（１１６、６１６）と前記ワークピース（１００、６００）との間に電圧を印加するための電力供給部（ ３ ２ ０ 、７ ２ ０ ） と、
   前記内面（１１０、６１０）を平滑化した後で前記内部通路（１１２、６１２）内から前記電極（１１６、６１６）を完全に取り除くための除去装置（４００、８００）と
   を備え、
   前記電極（１１６、６１６）が、付加製造装置（２０２）を使用して前記内部通路（１１２、６１２）内に形成され、
   前記除去装置（４００、８００）が、エッチング溶液供給部（４１０）を備え、前記エッチング溶液供給部（４１０）のエッチング溶液（４１４）が、前記電極（１１６、６１６）を完全に溶解させるために、前記内部通路（１１２、６１２）内から前記電解液（３１４、７１４）を取り除いた後で前記内部通路（１１２、６１２）へと循環させるが前記平滑化した内面（１１０、６１０）とは接触しないように構成される、システム（５００、９００）。
2. 前記除去装置（４００、８００）は、前記エッチング溶液（４１４）によって溶解されることから前記平滑化した内面（ １ １ ０ 、６ １ ０ ） を保護するために前記平滑化した内面（１１０、６１０）に堆積された耐腐食コーティング（４２０）を含み、
   前記耐腐食コーティング（４２０）が、前記内部通路（１１２、６１２）内から前記エッチング溶液（４１４）を取り除いた後で前記内部通路（１１２、６１２）内から取り除かれる、請求項１記載のシステム（５００、９００）。
3. 前記耐腐食コーティング（４２０）が、ワックスまたはスラリによって形成される、請求項２記載のシステム（５００、９００）。
4. 前記耐腐食コーティング（４２０）が、加熱またはエッチングによって前記内部通路（１１２、６１２）内から取り除かれる、請求項２記載のシステム（５００、９００）。
5. 前記電極（１１６、６１６）が、中実電極、中空電極、またはこれらの組み合わせを含む、請求項１記載のシステム（５００、９００）。
6. 前記電極（１１６、６１６）が前記内部通路（１１２、６１２）へと挿入され得ることを確実にするために、前記電極（１１６、６１６）はフレキシブルであり、
   前記除去装置（４００、８００）が、前記電解液（３１４、７１４）を前記内部通路（１１２、６１２）内から取り除いた後で、取り除こうとする前記電極（１１６、６１６）を前記内部通路（１１２、６１２）の外へ引き出すまたは押し出すための引出し線（６４０、８１０）を含む、請求項１記載のシステム（５００、９００）。
7. 前記内部通路（１１２、６１２）が、らせん状もしくは捻じれた内部通路（１１２、６１２）である、または軸方向に変化する断面寸法を有する、請求項６記載のシステム（５００、９００）。
8. 前記電極（１１６、６１６）が、
   第１の部分（６２０）と、
   前記それぞれの第１の部分（６２０）上に形成された導電性コーティング（６３０）と、
   第２の部分と、
   前記それぞれの第２の部分（６２２）上に形成された導電性ストリップ（６３２）とを備え、
   前記第１の部分（６２０）および前記第２の部分（６２２）が付加製造装置（２０２）を使用して一緒に形成され、前記導電性コーティング（６３０）および前記導電性ストリップが前記電極（１１６、６１６）の導電性を与えるために一緒につなげられる、請求項６記載のシステム（５００、９００）。
9. 前記第１の部分（６２０）の各々および前記第２の部分（６２２）の各々が、隣り合わせに組み立てられる、請求項８記載のシステム（５００、９００）。
10. 前記第１の部分（６２０）の各々が、非導電性材料から作られ、前記第２の部分（６２２）の各々が、非導電性材料から作られ、
    前記第１の部分（６２０）および前記第２の部分（６２２）が、前記電極（１１６、６１６）と前記ワークピース（１００、６００）との間に電気的な分離を与えるようなサイズにされる、請求項８記載のシステム（５００、９００）。
11. 前記第１の部分（６２０）の各々が、堅固なプラスチック材料から作られ、前記第２の部分（６２２）の各々が、軟らかいプラスチック材料から作られる、請求項８記載のシステム（５００、９００）。
12. 前記導電性コーティング（６３０）が、金属コーティングを含み、前記金属コーティングが、電気メッキを使用して前記それぞれの第１の部分（６２０）上に形成され、
    前記導電性ストリップが、金属ストリップを含み、前記金属ストリップが、電気メッキを使用して前記それぞれの第２の部分（６２２）上に形成される、請求項８記載のシステム（５００、９００）。
13. 前記システム（５００、９００）が、
    前記内部通路（１１２、６１２）内に設置されかつ前記ワークピース（１００、６００）とは電気的に分離された複数の電極（１１６、６１６）を備え、
    前記電解液供給部（３１０、７１０）が、前記電極（１１６、６１６）の各々と前記ワークピース（１００、６００）との間の前記隙間（１０３、６０３）に前記電解液（３１４、７１４）を循環させるために構成され、前記電力供給部（３２０、７２０）が、前記内面（１１０、６１０）の平滑化を促進させるために前記電極（１１６、６１６）の各々と前記ワークピース（１００、６００）との間に電圧を印加するために構成され、前記除去装置（４００、８００）が、前記内面（１１０、６１０）を平滑化した後で前記内部通路（１１２、６１２）内から電極（１１６、６１６）を完全に取り除くために構成される、
    請求項１記載のシステム（５００、９００）。
14. ワークピース（１００、６００）を機械加工するための方法であって、前記ワークピース（１００、６００）が内部通路（１１２、６１２）を画定する内面（１１０、６１０）を含み、前記方法が、
    前記内部通路（１１２、６１２）内に設置されかつ前記ワークピース（１００、６００）とは電気的に分離された電極（１１６、６１６）を設けるステップと、
    前記電極（１１６、６１６）と前記ワークピース（１００、６００）との間の隙間（１０３、６０３）に電解液（３１４、７１４）を循環させるステップと、
    前記内面（１１０、６１０）を平滑化することを促進させるために前記電極（１１６、６１６）と前記ワークピース（１００、６００）との間に電圧を印加するステップと、
    前記内面（１１０、６１０）を平滑化した後で前記内部通路（１１２、６１２）内から前記電極（１１６、６１６）を完全に取り除くステップと
    を含み、
    前記ワークピース（１００、６００）が、付加製造法によって形成され、
    前記内部通路（１１２、６１２）内に設置される前記電極（１１６、６１６）を設けるステップが、
    前記内部通路（１１２、６１２）内に付加製造法によって前記電極（１１６、６１６）を形成するステップ
    を含み、
    前記内部通路（１１２、６１２）内から前記電極（１１６、６１６）を完全に取り除くステップが、
    前記電極（１１６、６１６）を完全に溶解させるために、前記内部通路（１１２、６１２）内から前記電解液（３１４、７１４）を取り除いた後で前記内部通路（１１２、６１２）へと循環されるが前記平滑化した内面（１１０、６１０）とは接触しないエッチング溶液（４１４）を供給するステップ
    を含む、方法。
15. 前記エッチング溶液（４１４）によって溶解されることから前記平滑化した内面（１１０、６１０）を保護するために前記平滑化した内面（１１０、６１０）上に耐腐食コーティング（４２０）を堆積するステップと、
    前記内部通路（１１２、６１２）内から前記エッチング溶液（４１４）を取り除いた後で前記内部通路（１１２、６１２）内から前記耐腐食コーティング（４２０）を取り除くステップと
    をさらに含む、請求項１４記載の方法。
16. 前記内部通路（１１２、６１２）内に設置される前記電極（１１６、６１６）を設けるステップが、
    前記電極（１１６、６１６）が前記内部通路（１１２、６１２）へと挿入され得ることを確実にするために、フレキシブルである前記電極（１１６、６１６）を設けるステップを含み、
    前記内部通路（１１２、６１２）内から前記電極（１１６、６１６）を完全に取り除くステップが、
    前記内部通路（１１２、６１２）内から前記電解液（３１４、７１４）を取り除いた後で、取り除こうとする前記電極（１１６、６１６）を前記内部通路（１１２、６１２）の外へ引き出すステップまたは押し出すステップ
    を含む、請求項１４記載の方法。