JP6831914B2 - 直接金属レーザ溶接の冷却速度制御のためのインラインレーザスキャナ - Google Patents

Description

本技術は、一般に部品、より具体的にはガスタービンエンジンの部品の製造又は修理のための、直接金属レーザ溶融（ＤＭＬＭ）の使用に関する。

付加製造は、金属、セラミックス及びプラスチックを含む様々な材料の部品の「３Ｄプリンティング」を可能とする技術である。付加製造においては、金属粉末を水平に均し、高出力レーザ又は電子ビームを用いて層内の粉末を選択的に溶融することにより、部品を層ごとに構築する。各層の後に更なる粉末が追加されてレーザが次の層をパターン化し、同時にそれを前の層に融着して、粉末床内に埋め込まれた完全な部品を作製する。付加製造のシステム及びプロセスは、デジタルモデルからの精密な三次元部品の作製に使用される。

現行の粉末床システムで構造体を作製する場合、レーザビーム又は電子ビームを使用して粉末層を走査し、粉末床の層内に所望のパターンを焼結及び溶融する。適用されるものによっては、構築に何日もの処理時間を必要とすることがある。ＤＭＬＭの用途の１つは、航空機用ガスタービンエンジンのエアフォイルの作製及び修理である。エアフォイルの形状は、従来の鋳造技術での形成が困難であるために、ＤＭＬＭプロセス又は電子ビーム溶融プロセスを利用するエアフォイル作製が提案されてきた。層が１層ずつ積層され、断面と断面が相互に結合されて、所要形状をしたエアフォイル、又は修理のためなどのその一部、が作製可能である。エアフォイルは所望の構造特性を出すために後処理を必要とする場合がある。

ＤＭＬＭプロセスを用いた、三次元金属部品の作製では、極めて高い温度勾配と冷却速度が発生し、それが内部の部分応力と亀裂をもたらす。この問題は、高温で高い強度を保持し、それゆえエアフォイルでの関心が高い、ニッケル基の超合金に特に一般的である。亀裂なしの部品製造は、過熱された構築プラットフォームを使用して達成することができるが、所要温度を得るには特注の誘導加熱器を必要とする。第２のレーザを溶融プールの近傍に使用して冷却速度を変えることが可能である。ただし、現行の２レーザ構成では２組の独立した光学系とスキャナが必要であり、これはコスト高となり、かつ連動に課題がある。

本明細書に開示の技術の一例によれば、粉末床の溶融プールの冷却速度を制御する方法が、溶融プールを形成するために第１のレーザビームを粉末床に向け、第２のレーザビームを第１のレーザビームと同軸に整列させ、第２のレーザビームの焦点を溶融プールに対して横方向にずらすことを含む。ここで第２のレーザビームは焦点内の粉末を加熱するが溶融はしない。

本明細書に開示の技術の別の一例によれば、直接金属レーザ溶融製造システムが、第１のレーザビームと第２のレーザビームを生成するための少なくとも１つのレーザ光源と、２つの軸の周りに傾斜可能で、かつ第２のレーザビームを反射するように構成されたリフレクタと、第１のレーザビームを通過させ、かつリフレクタで反射された第２のレーザビームを反射するビームコンバイナと、第１と第２のレーザビームを同軸に整列させて、第１と第２のレーザビームを粉末床に向けさせる光学系であって、第１のレーザビームが粉末床に溶融プールを形成する光学系と、第２のレーザビームの焦点を溶融プールに関して横方向にずらすためにリフレクタを傾斜させるコントローラであって、第２のレーザビームは焦点内の粉末を加熱するが溶融させないコントローラと、を備える。

本明細書に開示の技術の更に別の例によれば、粉末床の溶融プールの冷却速度を制御する方法が、溶融プールを形成するために粉末床にレーザビームを向け、溶融プールに隣接する粉末の温度を制御するために、レーザビームを溶融プールに対して横方向に振動させることを含む。

本技術のこれら及びその他の特徴、態様、利点は、以下の詳細な説明を添付の図面を参照して読むことにより、より理解が深まるであろう。図面全体を通して、同様の部品は同様の数字で表す。

直接金属レーザ溶融付加製造の冷却速度を制御するための、インラインレーザスキャナの概略図である。 直接金属レーザ溶融付加製造の冷却速度を制御するための、インラインレーザスキャン方式の概略図である。 直接金属レーザ溶融製造時の２つのレーザスポット間の、又は単一レーザスポットの２つの状態間の、関係を示す概略図である。 直接金属レーザ溶融製造時に単一のレーザスポットあるいは複数のレーザスポットが追従し得るパターンの概略図である。

図１を参照すると、ＤＭＬＭ製造プロセスの冷却速度を制御するためのインラインスキャナシステム２が、第１のレーザ光源４と第２のレーザ光源６とを備える。第１のレーザ光源４は第１のレーザビーム５を提供し、第２のレーザ光源６は第２のレーザビーム７を提供する。第１のレーザビーム５は、溶融プールレーザビームあるいは、主溶接レーザビームとも称される。また第２のレーザビーム７は加熱レーザビームとも称される。インラインスキャナシステム２は、第１のレーザビーム５に対する第１のレンズ８と第２のレーザビーム７に対する第２のレンズ１０を更に備えてもよい。二軸のチップ／チルトリフレクタすなわちミラー１４が第２のレーザビーム７をビームコンバイナ１６に向けさせる。リフレクタすなわちミラー１４は、ピエゾ駆動であってよい。リフレクタ１４は、ＭＥＭＳミラー（静電気式）、音響光学素子（回折式）、又は電気光学デフレクタであってよいことを理解されたい。また、リフレクタ１４はビームコンバイナの後方のガルボスキャナ（ｇａｌｖｏ ｓｃａｎｎｅｒ）（回転モータ式）１６であってもよいことを理解されたい。第１のレーザビーム５がビームコンバイナ１６を通過し、第２のレーザビーム７がビームコンバイナ（ｂｅａｍ ｃｏｍｂｉｎｅｒ）１６で反射される。

第２のレーザビーム７は、チップ／チルト（ｔｉｐ／ｔｉｌｔ）リフレクタ１４とビームコンバイナ１６で反射することにより第１のレーザビーム５に同軸に整列される。チップ／チルトリフレクタ１４は、第２のレーザビーム７の平行ビーム経路を、数ｋＨｚで十分の数度（すなわち０．１°のオーダ）だけ変えることができる。ビームコンバイナ１６はダイクロイック（ｄｉｃｈｒｏｉｃ）ビームコンバイナであって、加熱のために第２のレーザビーム７を反射しながら、第１のレーザビーム５を通過させてもよい。ダイクロイックビームコンバイナは、第１と第２のレーザ光源４、６の波長が異なる場合に適している。第１と第２のレーザ光源４、６が同一波長で直交偏光である場合には、偏光依存型のビームコンバイナを使用可能である。２つの同軸レーザビーム５、７は共通の光学系及び走査系１２を通過する。これは、第１と第２の焦点長さのレンズ１８、２０とガルバノメータ走査ヘッド２２とを用いて、（第１のレーザビーム５からの）第１のレーザスポット２４と（第２のレーザビーム７からの）第２のレーザスポット２６とを集束して粉末床に向ける。

リフレクタ１４の小さい傾斜角により、第１のレーザスポット２４により形成される粉末床３０内の溶接プールすなわち溶融プール３２に対して焦点２６を横方向にずらし、図２に示すように、第２のレーザスポット２６により形成される制御された冷却ゾーン３６を提供する。制御された温度ゾーン３６はパターン３４に沿って溶融プール３２を追跡又は先導することを理解されたい。溶融プール３２を先導する、制御された冷却ゾーン３６の場合には、第２のレーザスポット２６は溶融前の粉末の予熱に使用される。溶融プール３２に追随する、制御された冷却ゾーン３６の場合には、第２のレーザスポット２６は溶融プール３２内の粉末の固化の制御に使用される。いずれの場合にも、追加された熱により、固化中及び固化の直後における溶接プールの冷却速度をかなり減少させる。

図３においては、共通の光学及び走査系１２の長焦点レンズ１８、２０による角度増幅によって、０．１°程の傾斜角で、第２のスポット２６を最大１ｍｍの距離Ｄ３だけずらすことができる。２つのレーザビーム５、７を同じ軸上に結合することで、溶接プール３２上に中心を持つ局所座標系が生成される。これにより、別々であるが位置合わせされた２つのヘッドを使用する場合に生じる、２つの座標系を持つことが排除される。第１のレーザスポット２４が第１の直径Ｄ１を持ち、第２のレーザスポット２６が第２の直径Ｄ２を持ってもよい。第２の直径Ｄ２は、第１の直径Ｄ１の１〜１０倍であってもよい。第２のレーザスポット２６の出力及び／又は出力密度もまた、第１のレーザスポット２４とは異なってもよい。

リフレクタ１４は数ｋＨｚで動的に駆動することができ、ガルバノメータスキャナよりも少なくとも１桁（すなわち少なくとも１０倍）高速である。ただし運動範囲は比較的小さい。高速の傾斜角調節を用いて、溶接プール３２の周りに走査パターン３４を形成することが可能であり、これにより制御された冷却ゾーン３６にカスタマイズされた加熱パターンを生成して冷却速度を変えることができる。このパターン３４は溶融プール３２を先導しても、あるいはそれに追随してもよい。粉末溶融に使用される高出力レーザは、ｋＨｚの速度で変調されて、加熱領域（例えばパターン３４）と連動して溶融プール３２のまわりでレーザ出力を動的に変化させる更なる機会を加えてもよい。

これに代わって、リフレクタ１４とガルバノメータ走査ヘッド２２とを連動して動的に傾斜させることにより、粉末溶融と制御冷却の両者に１つのレーザを使用してもよい。レーザ出力もまたｋＨｚの速度で変更可能であり、ミラーの傾斜と連携して調整することが可能である。単一レーザの使用は、第１のレーザを除いて第２のレーザ光源６のみを使用して行われ、制御された冷却ゾーンを実現する場合と同様に第２のレーザビーム７をリフレクタ１４で反射させる。例えば、第２のレーザビーム７を使用して、レーザスポット２６を粉末床上で第１の方向に与えて粉末を予熱し、次いでリフレクタ１４を傾斜させてレーザスポット２６を第１の方向とは逆の第２の方向に動かして予熱された粉末に溶融プールを形成するようにできる。別の例としては、第２のレーザスポット２６を第１の方向に移動させて溶融プールを形成し、次いで第２のレーザスポットを第１の方向とは逆の第２の方向に移動させて溶融プールの冷却速度を制御してもよい。レーザスポット２６の逆方向の経路は正確に逆方向、すなわち第１の方向の鏡像である必要はないことを理解されたい。例えば図３に示すように、パターン３４はジグザグ形状であり、レーザスポット２６は第１の方向に直線移動し、そして第２の方向ではパターン３４に従って移動してもよい。または、その逆であってもよい。レーザスポット２６あるいは複数のレーザスポット２４、２６のパターンは、図４に示すような揺動パターン３８などの他のパターンに従って制御されてもよいことも理解されたい。レーザスポットの移動は非常に高速で発生し、本質的に溶融プールの周りあるいは近辺で振動しなければならないこともさらに理解されたい。

コントローラ２８は各レーザ光源４、６及び各レーザビーム５、７を制御可能し得る。コントローラ２８はリフレクタ１４及び共通の光学系及び走査系１２も制御し得る。コントローラは、第１と第２のレーザビーム５、７の出力、プロファイル、持続時間、及びオフにしたときの各レーザ光源４、６の出力減少速度を制御することができる。例えば修理するエアフォイル上の粉末の与えられた層に対して、レーザ光源４、６を作動させて、コントローラ２８に入力されるか格納されたＣＡＤ設計に従って、所望の形状に粉末を溶融する。所望の領域を構築するためにこのプロセスが必要な回数だけ反復されてよい。例えばエアフォイルである部品の作製に使用されるシステムの場合には、部品の構築にはこのプロセスが必要な回数だけ反復される。コントローラ２８は、粉末層が追加されてレーザビーム５、７による処理が続行されるときに、粉末床３０の支持体を下方向へ移動させるアクチュエータの制御も行うことができる。形成される各層は、例えば約１μｍ〜約１ｍｍの厚さであってよい。エアフォイルの修理の場合には、各層は例えば約１０μｍ〜１００μｍの厚さに形成されてよい。

コントローラ２８は、コンピュータプロセッサ又は他の論理ベースデバイス、ソフトウェア部品（例えばソフトウェアアプリケーション）、及び／又はハードウェア部品とソフトウェア部品の組み合わせ（例えば、コンピュータプロセッサ又は他の論理ベースデバイスと、関連するソフトウェアアプリケーション、コンピュータプロセッサ、あるいは結線された制御命令を有するその他の論理ベースデバイス、など）であってよい。

リフレクタ１４はコントローラ２８によって制御されて、溶融粉末の冷却速度を変更するために、溶融プール３２の近く又は近接する粉末の温度を制御してもよい。コントローラ２８はまた、第２のレーザ光源６及び第２のレーザビーム７をリフレクタ１４と共に制御して、粉末床３０及び／又は修理する部品を予熱してもよい。第２のレーザビーム７の予熱出力密度は、約１０〜１００、０００ワット／ｃｍ^２であってよい。粉末床３０及び／又は部品の予熱、及び／又は溶融領域の近く又は隣接領域の加熱によって、温度勾配が、実質的に粉末床の法線方向にのみにあるように制御することができる。これにより、早い凝固冷却速度に敏感な、材料内の亀裂を減少させる。層の表面に垂直な、望ましい結晶成長は、粉末床層の面状冷却により達成可能である。これにより、エアフォイル型構造のビルド方式の修理を用いて、一方向性凝固（ＤＳ）型の結晶粒構造又は単結晶構造の形成が可能となる。第１のレーザ光源４及び第１のレーザビーム５を制御して粉末床３０を加熱し、溶融プール３２の温度及び温度勾配を制御することも理解されたい。溶融領域の温度及び温度勾配を制御することで、例えば粉末の蒸発、凝固層の結晶粒構造、及び／又は修理品又は部品の表面仕上げに対する制御を可能とする。各ビルド層の二次元平面での冷却速度を空間制御することで、各ビルド層の結晶粒構造が制御可能となり、また複数のビルド層が付加されて構造体を形成する時に３５での結晶粒構造が制御可能となる。各ビルド層の二次元平面での冷却速度を空間制御することにより、三次元構造体又はその一部の表面を形成する体積部分への特定の処理も可能となる。これにより、表面粗さ及び表面の密度（気孔率）の制御が可能となり、部品の機械的性質、例えば疲労特性を改善することができる。

粉末床３０の材料は、金属粉末、例えばニッケル、コバルト又は鉄ベースのスーパーアロイであってよい。例えば、粉末はＣｏＣｒＭｏ粉末であってよい。粉末床の粒子直径は、例えば１０〜１００μｍであり、例えば４０〜６０μｍであってよい。例えばプラスチック、セラミック、ガラスなどの他の材料が粉末床に使用され得ることを理解されたい。粉末床内の材料によって、溶接レーザビーム５の出力は約１００〜約１０００ワットであってよい。

冷却速度が小さければ、ＤＭＬＭを用いて作製される部品内の応力が低減される。第２のレーザビーム７をチップ／チルトリフレクタ１４で同軸に整列させることで、同じ走査光学系セット１２を用いて第２のスポット２６を溶融プール３２の周りに投射することが可能となる。ピエゾミラーはガルボスキャナよりも１０倍超高速なので、カスタム化した加熱パターンを溶接プール３２の近くに適用し得る。これは、第２の独立したレーザ光源を使用する場合には、ガルバノメータが本質的に応答が遅いために不可能である。

リフレクタ１４は、０．２５°未満だけ傾斜して冷却スポット２６を横方向にずらし、かつガルボスキャンヘッドより１０倍超速く動作可能である。ピエゾミラーの高速性により、単一レーザを、粉末溶融と制御冷却の両方に使用することが可能となる。この構成により、部品コストが減少し、かつ溶融プール３２の周りに、固有の局所的な冷却パターン３４を生成する新しい機会が与えられる。この技術は、市販の部品で実装して、様々なＤＭＬＭ装置に適合させることができる。

制御された冷却速度により、従来ＤＭＬＭでは加工できなかった合金において亀裂のない部品が作製可能となる。そのことを出願人はプラットフォーム加熱によって証明した。本明細書に開示したこの技術は、全ての市販のＤＭＬＭに適用可能であり、かつ第２のレーザ光源を超える最小の追加システムコストで、部品応力、亀裂、及び歪を低減することが可能である。プラットフォームヒータの熱平衡到達へ依存することに代わり、第２のレーザが冷却速度を制御するので、粉末を再被覆する間の時間を短縮可能である。

本技術は部品の修理機能に適用可能であるが、本技術は新規作製部品の付加製造構築にも適用可能であることを理解されたい。

上記のような目的又は利点は必ずしもすべてが任意の特定の実施例に従って達成されるとは限らないことは理解されるべきである。したがって例えば、本明細書に記載のシステム及び技術は、本明細書で教示した１つの利点又は一群の利点を達成もしくは最適化し、本明細書で教示されるか示唆される他の目的又は利点を必ずしも達成しないで、具現化又は遂行され得ることを、当業者は認識するであろう。

本明細書においては本技術の特定の特徴のみを例示して説明したが、当業者には多くの修正及び変更が想起されるであろう。したがって、そのような修正および変更の全てを添付の特許請求の範囲が網羅するように意図されていることを理解されたい。

Claims (22)

1. 粉末床の溶融プールの冷却速度を制御する方法であって、
   溶融プールを形成するために第１のレーザビームを前記粉末床に向け、
   第２のレーザビームを前記第１のレーザビームと同軸に整列させ、
   前記第２のレーザビームの焦点を前記溶融プールに対して横方向にずらす、
   ことを含み、
   前記第２のレーザビームは前記焦点内の粉末を加熱するが溶融させず、
   前記第２のレーザビームを横方向にずらすことが、前記第２のレーザビームを２つの軸の周りに傾斜可能なリフレクタで反射させることを含む、
   方法。
2. 前記リフレクタは、二軸のチップ／チルトリフレクタである、請求項１に記載の方法。
3. 前記リフレクタは、ピエゾ駆動ミラー、ＭＥＭＳミラー、音響光学デフレクタ、電気光学デフレクタ、又はガルボスキャナ（ｇａｌｖｏ ｓｃａｎｎｅｒ）である、請求項２に記載の方法。
4. 前記第２のレーザビームを前記第１のレーザビームと同軸に整列させることは、前記第１のレーザビームにビームコンバイナを通過させ、ミラーから反射した前記第２のレーザビームを前記ビームコンバイナで反射させ、前記第１のレーザビームと前記第２のレーザビームに共通の光学系を通過させることを含む、請求項２に記載の方法。
5. 前記第１のレーザビームと前記第２のレーザビームは異なる波長を有し、かつ前記ビームコンバイナはダイクロイックビームコンバイナである、請求項４に記載の方法。
6. 前記第１のレーザビームと前記第２のレーザビームは同一波長であって直交偏光を有し、かつ前記ビームコンバイナは偏光依存型のビームコンバイナである、請求項４に記載の方法。
7. 前記第１のレーザビームと、前記横方向にずれた第２のレーザビームを前記粉末床に対して走査することを更に含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記第２のレーザビームは、前記第１のレーザビームを追跡する、請求項７に記載の方法。
9. 前記第１のレーザビームと、前記横方向にずれた第２のレーザビームを走査することは、前記第２のレーザビームの前記焦点を、パターン状に移動することを更に含む、請求項７に記載の方法。
10. 前記リフレクタを傾斜させるときに、前記第１のレーザビーム又は前記第２のレーザビームの少なくとも１つの出力及び／又は出力密度を調節することを更に含む、請求項２に記載の方法。
11. 前記第２のレーザビームを前記リフレクタで反射させることは、ミラーを０．１°〜０．２５°の間で傾斜させることを含む、請求項２に記載の方法。
12. 直接金属レーザ溶融製造システムであって、
    第１のレーザビームと第２のレーザビームを生成するための少なくとも１つのレーザ光源と、
    ２つの軸の周りに傾斜可能で、かつ前記第２のレーザビームを反射するように構成されたリフレクタと、
    前記第１のレーザビームを通し、かつ前記リフレクタで反射された第２のレーザビームを反射するビームコンバイナと、
    前記第１のレーザビームと前記第２のレーザビームを同軸に整列させて、前記第１のレーザビームと前記第２のレーザビームを粉末床に向けさせる光学系であって、前記第１のレーザビームが前記粉末床に溶融プールを形成する光学系と、
    前記第２のレーザビームの焦点を前記溶融プールに対して横方向にずらすために前記リフレクタを傾斜させるコントローラであって、前記第２のレーザビームは前記焦点内の粉末を加熱するが溶融させない、コントローラと、
    を備える、直接金属レーザ溶融製造システム。
13. 前記第１のレーザビームと前記第２のレーザビームは異なる波長を有し、かつ前記ビームコンバイナはダイクロイックビームコンバイナである、請求項１２に記載の直接金属レーザ溶融製造システム。
14. 前記第１のレーザビームと前記第２のレーザビームは同一波長であって直交偏光を有し、かつ前記ビームコンバイナは偏光依存型のビームコンバイナである、請求項１２に記載の直接金属レーザ溶融製造システム。
15. 前記第１のレーザビームと、前記横方向にずれた第２のレーザビームを前記粉末床に対して走査するためのスキャナを更に含む、請求項１２に記載の直接金属レーザ溶融製造システム。
16. 前記第２のレーザビームは、前記第１のレーザビームを追跡する、請求項１５に記載の直接金属レーザ溶融製造システム。
17. 前記スキャナは前記横方向にずれた第２のレーザビームを前記溶融プールの周りにパターン状に走査する、請求項１５に記載の直接金属レーザ溶融製造システム。
18. 前記コントローラは、前記リフレクタを傾斜させるときに前記第１のレーザビーム又は前記第２のレーザビームの少なくとも１つの出力を調節する、請求項１２に記載の直接金属レーザ溶融製造システム。
19. 前記コントローラは、前記リフレクタを０．１°〜０．２５°の間で傾斜させる、請求項１２に記載の直接金属レーザ溶融製造システム。
20. 前記少なくとも１つのレーザ光源は、１０〜６０ワットの出力で前記第１と前記第２のレーザビームを生成する、請求項１２に記載の直接金属レーザ溶融製造システム。
21. 前記コントローラは、前記第２のレーザビームの前記焦点を最大で０．１ｍｍ迄ずらすようにミラーを傾斜させる、請求項１２に記載の直接金属レーザ溶融製造システム。
22. 前記リフレクタは、ピエゾ駆動ミラー、ＭＥＭＳミラー、音響光学デフレクタ、電気光学デフレクタ、又はガルボスキャナを備える、請求項１２に記載の直接金属レーザ溶融製造システム。