JP6884862B2 - 鋳造部品を製造するための一体型鋳造コアシェル構造およびフィルタ - Google Patents

Description

本開示は一般に、インベストメント鋳造一体型コアシェル型およびこれらの一体型の型を利用する方法に関する。本発明によって製造されたコアシェル型は、溶融金属を型に加える時に濾過するための一体型セラミックフィルタを含む。これらのコアシェル型はまた、型のコアとシェルとの間に一体型のセラミックフィラメントを含み、これはこれらの型から作られた鋳造部品に孔、すなわちエフュージョン冷却孔を形成するのに利用できる。一体型コアシェル型は、ジェット航空機エンジン用のタービンブレードおよび静翼または発電用タービン構成要素を製造するために使用される超合金の鋳造などの鋳造作業において有用な特性を提供する。

現代の多くのエンジンおよび次世代のタービンエンジンは、入り組んで複雑な形状を有する構成要素および部品を必要とし、それらは新しいタイプの材料および製造技術を必要とする。エンジン部品および構成要素を製造するための従来技術は、インベストメント鋳造またはロストワックス鋳造の面倒な工程を含む。インベストメント鋳造の一例は、ガスタービンエンジンに使用される典型的なロータブレードの製造を含む。タービンブレードは通常、エンジン内での作動中に加圧冷却空気を受けるための少なくとも１つ以上の入口を有するブレードのスパンに沿って延びる径方向チャネルを有する中空の翼形部を含む。ブレード内の様々な冷却通路は通常、前縁と後縁との間の翼形部の中央に配置された蛇行チャネルを含む。翼形部は通常、翼形部の加熱された側壁と内部冷却空気との間の熱伝達を増大させるための短いタービュレータリブまたはピンなどの局所的特徴を含む、加圧冷却空気を受けるためにブレードを通って延びる入口を含む。

典型的には高強度超合金金属材料からのこれらのタービンブレードの製造は、図１に示す多数の工程を含む。第１に、タービンブレードの内側に望まれる入り組んだ冷却通路に適合するように精密セラミックコアが製造される。その翼形部、プラットフォーム、および一体型ダブテールを含むタービンブレードの正確な３次元外面を画定する精密なダイまたは型も作られる。このような型構造の概略図を図２Ａ〜２Ｃに示す。セラミックコア２００は、間に空間または空隙を形成する２つのダイ半体の内側に組み立てられ、この空間または空隙が結果として生じるタービンブレードの金属部分を画定する。組み立てられたダイにワックスが注入されて空隙を充填し、その中に封入されたセラミックコアを取り囲む。２つのダイ半体は分割され、成形ワックスから取り出される。成形ワックスは、所望のタービンブレードの正確な構成を有する。封入されたセラミックコア２００を有する成形ワックスブレード２０１は、次にワックスツリー構造２０２に取り付けられ、ワックスツリー構造２０２はセラミック型内への溶融金属のための流路を最終的に画定する。ワックスブレードはコアを定位置に保持するためのピン２０５を含む。ツリー構造２０２は、溶融金属を型に加えるための漏斗形部分２０４を含み得る。図２Ａに示すように、ツリー構造２０２は、鋳造作業において溶融金属を濾過するためのセラミックフィルタ２０３を含む。

当技術分野において既知のセラミックフィルタは、図２Ｄに示すようなセラミックフォームフィルタ（ＣＦＦ）を含む。これらのフィルタは、網状ポリウレタンフォームにセラミックスリップを含浸させ、フォームを絞ることによって余分なスリップを除去し、次にＣＦＦを形成する本体を乾燥させ焼成することによって形成される。他の既知のセラミックフィルタは、図２Ｅに示す標準的なフラット一次フィルタのような対称フィルタを含む。ごく最近では、セラミックフィルタは様々な積層技術を使って作られている。例えば、「セラミックフィルタ」と題する米国特許出願公開第２０１６／００３８８６６号は、付加的に製造されたセラミックフィルタについて記載している。別の例は、国立エネルギー技術研究所（ＮＥＴＬ）のウェブサイトで入手可能な「単結晶鋳造収率を改善するための高度な濾過−ミクロシステム」である。これらのフィルタは、図２Ａに示すようにワックスツリーに組み込むことができ、次いで図２Ｂに示すようにセラミック型に組み込むことができる独立型フィルタとして販売されている。

ワックス注入後、ワックスツリー構造２０２全体、セラミックフィルタ２０３、およびワックスタービンブレード２０１をセラミック材料で被覆して、図２Ｂに示すようにセラミックシェル２０６を形成する。その後、ワックスが溶融されてシェル２０６から除去され、セラミックシェル２０６と内部セラミックコア２００との間に対応する空隙または空間２０７が残る。ワックスがピン２０５によって除去された後、セラミックコアは定位置に保持される。次に、図２Ｃに示すように、溶融超合金金属２０８をシェル内に注入されてその中の空隙２０７を充填し、シェル２０６内に収容されているセラミックコア２０２を再度封入する。溶融金属を冷却して凝固させ、次いで外部シェル２０６ならびに内部コア２０２を適切に除去して所望の金属タービンブレードを残す。

鋳造タービンブレードはその後、これに限定されるわけではないが、内部に導かれた冷却空気のための出口を設けるのに望ましいように、翼形部の側壁を通るフィルム冷却孔の適切な列の穿孔といった追加の鋳造後修正を受けることができ、これによって、ガスタービンエンジンの運転中に、翼形部の外面上に保護用の冷却空気膜またはブランケットが形成される。しかしながら、これらの鋳造後の修正は制限されており、タービンエンジンの複雑さが増し続けていることやタービンブレード内の特定の冷却回路の認識されている効率性を考慮すると、より複雑で入り組んだ内部形状が必要とされる。インベストメント鋳造はこれらの構成要素を製造することができるが、位置精度および複雑な内部形状はこれらの従来の製造方法を使用して製造することがより複雑になる。したがって、入り組んだ内部空隙を有する３次元構成要素のための改良された鋳造方法を提供することが望まれる。

ロールスロイス社に付与された米国特許第８，８５１，１５１号は、セラミックコアシェル型を製造する３Ｄプリント方法について記載している。型を製造する方法は、マサチューセッツ工科大学に付与された米国特許第５，３８７，３８０号に開示されているような粉末床セラミック法、および３Ｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｉｎｃ社に付与された米国特許第５，２５６，３４０号に開示されているような選択的レーザ活性化（ＳＬＡ）を含む。‘１５１特許によるセラミックコアシェル型は、これらの方法のプリント解像度能力によって制限されている。図３に示すように、一体型コアシェル型のコア部分３０１およびシェル部分３０２は、型の下端に設けられた一連の結合構造体３０３を介して一緒に保持されている。‘１５１特許では、短いシリンダによって連結された千鳥状の垂直キャビティを含む冷却通路が提案されており、その長さはその直径とほぼ同じである。次いで、‘１５１特許に開示され、参照により本明細書に組み込まれる既知の技術を使用して、超合金タービンブレードが一体型コアシェル型内に形成される。タービンブレードがこれらのコアシェル型のうちの１つの中に鋳造された後、型は取り去られて鋳造超合金タービンブレードが現れる。

鋳造工程の最終製品において細部の詳細な鋳造特徴を提供することができる、より高精細な方法を使用して製造されたセラミックコアシェル型を製造する必要性が依然としてある。

一実施形態では、本発明はセラミック型の製造方法に関し、（ａ）加工物の硬化部分を液体セラミックフォトポリマーと接触させることと、（ｂ）硬化部分に隣接する液体セラミックフォトポリマーの一部に液体セラミックフォトポリマーに接触する窓を通して光照射することと、（ｃ）未硬化の液体セラミックフォトポリマーから加工物を取り出すことと、（ｄ）セラミック型が形成されるまで工程（ａ）〜（ｃ）を繰り返すこととを含み、セラミック型はコア部分、シェル部分、およびフィルタ部分を含み、コア部分とシェル部分との間に少なくとも１つのキャビティが設けられ、キャビティは、鋳造およびセラミック型の除去の際に鋳造部品の形状を画定するように適合され、フィルタ部分は、型のキャビティ内に流れ込む溶融金属の経路内に配向されている。この方法は、工程（ｄ）の後、鋳造部品を形成するために、鋳型に液体金属を注入し、液体金属を凝固させることを含む工程（ｅ）をさらに含む。工程（ｅ）の後、鋳造部品から型を除去することを含む工程（ｆ）が実施されてもよい。

別の実施形態では、本発明はまた、鋳造部品の製造方法に関し、鋳造部品を形成するために、液体金属をセラミック鋳型に注入し、液体金属を凝固させることを含み、セラミック鋳型は、コア部分、シェル部分、およびフィルタ部分を含み、コア部分とシェル部分との間に少なくとも１つのキャビティが設けられ、キャビティは、鋳造およびセラミック型の除去の際に鋳造部品の形状を画定するように適合され、フィルタ部分は、型のキャビティ内に流れ込む溶融金属の経路内に配向されており、セラミック鋳型は、コア部分とシェル部分とを連結する複数のセラミックフィラメントを含み、前記製造方法は、フィラメントによって形成された鋳造部品の孔を通してセラミックコアの少なくとも一部を浸出させることにより鋳造部品からセラミック鋳型を除去することをさらに含む。

一態様では、鋳造部品は、タービンブレードまたは静翼である。好ましくは、タービンブレードまたは静翼は、例えば航空機エンジンまたは発電のガスタービンエンジンに使用される。タービンブレードは、上述のセラミックフィラメントによって画定された冷却孔パターンを有する単結晶鋳造タービンブレードであることが好ましい。好ましくは、フィラメントは、各フィラメントがコアとシェルとの間にまたがってコアとシェルとを連結し、フィラメントは０．０１〜２ｍｍ^２の範囲の断面積を有する。

別の実施形態では、本発明は、コア部分、シェル部分、およびフィルタ部分を含み、コア部分とシェル部分との間に少なくとも１つのキャビティが設けられ、キャビティは鋳造およびセラミック型の除去の際に鋳造部品の形状を画定するように適合され、フィルタ部分は、型のキャビティ内に流れ込む溶融金属の経路内に配向されており、そしてコア部分とシェル部分とを連結する複数のセラミックフィラメントを含むセラミック鋳型に関し、各フィラメントはコアとシェルとの間にまたがり、型の除去の際に、コア部分によって画定される鋳造部品内のキャビティと鋳造部品の外面との間に流体連通を提供する複数の孔を画定するように適合されている。好ましくは、鋳造部品はタービンブレードまたは静翼であり、コア部分とシェル部分とを連結する複数のフィラメントは、型の除去の際にタービンブレードまたは静翼内に複数の冷却孔を画定する。コア部分とシェル部分とを連結する複数のフィラメントは、０．０１〜２ｍｍ^２の範囲の断面積を有する。セラミックは、光重合セラミックまたは硬化光重合セラミックであり得る。

従来のインベストメント鋳造の工程を示すフロー図である。 タービンブレードのインベストメント鋳造のためにワックスツリー構造に取り付けられた従来のセラミック型を示す概略図である。 ワックスが除去された後の図２Ａの従来のセラミック型を示す概略図である。 溶融金属を型に注入した後の図２Ａの従来のセラミック型を示す概略図である。 従来のセラミックフォームフィルタである。 従来のセラミックフラット一次フィルタである。 コア部分とシェル部分とを接続する結合部を有する従来技術の一体型コアシェル型の斜視図を示す。 直接光処理（ＤＬＰ）のための方法の連続した段階を実行するための装置の概略横断面図を示す。 直接光処理（ＤＬＰ）のための方法の連続した段階を実行するための装置の概略横断面図を示す。 直接光処理（ＤＬＰ）のための方法の連続した段階を実行するための装置の概略横断面図を示す。 直接光処理（ＤＬＰ）のための方法の連続した段階を実行するための装置の概略横断面図を示す。 図７のＡ−Ａ線に沿った概略断面図を示す。 一体型セラミックフィルタを含むコアシェル型の側面図を示す。 溶融金属がフィルタに添加された後の図９の一体型フィルタを示す。 図９の一体型フィルタを使用して製造されたタービンブレードを示す。 複数のブレードが共通のセラミックフィルタを共有する複数ブレードのセラミック型ツリーの断面図を示す。

添付の図面に関連して以下に記載される詳細な説明は、様々な構成の説明として意図されており、本明細書で説明される概念が実施され得る唯一の構成を表すことを意図されていない。詳細な説明は、様々な概念の完全な理解を提供するための特定の詳細を含む。しかしながら、これらの概念がこれらの具体的な詳細なしに実施されてもよいことは当業者には明らかであろう。例えば、本発明は鋳造金属部品、好ましくはジェット航空機エンジンの製造に使用される鋳造金属部品を製造するための好ましい方法を提供する。具体的には、タービンブレード、静翼、およびシュラウド構成要素などの単結晶ニッケル基超合金鋳造部品の製造は、本発明によって有利に製造することができる。しかしながら、他の鋳造金属構成要素は本発明の技術および一体型セラミック型を用いて製造することができる。

本発明者らは、一体型コアシェル型を製造するための既知の従来の方法は、完成タービンブレードにエフュージョン冷却孔をもたらすのに十分小さいサイズおよび量の型のコア部分とシェル部分との間に延びるフィラメントをプリントするのに必要な微細解像能力を欠いていることを認識した。マサチューセッツ工科大学に付与された米国特許第５，３８７，３８０号に開示されているような初期の粉末床法の場合、粉末床リコータアームの作用は、鋳造部分にエフュージョン冷却孔をもたらすためにコアとシェルとの間に延びる十分に細かいフィラメントの形成を妨げる。３Ｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｉｎｃ社に付与された米国特許第５，２５６，３４０号に開示されているような選択的レーザ活性化（ＳＬＡ）のような、トップダウン照射技術を使用する他の既知の技術は、本発明による一体型コアシェル型を製造するのに使用されてもよい。しかしながら、これらのシステムの利用可能なプリント解像度は、鋳造最終製品において有効な冷却孔として機能するのに十分に小さいサイズのフィラメントを製造する能力を著しく制限する。

本発明者らは、本発明の一体型コアシェル型を直接光処理（ＤＬＰ）を用いて製造できることを見出した。ＤＬＰは、プロセスが行われるにつれて上昇する造形プラットフォーム上に光を投射する樹脂タンクの底部の窓を通してポリマーの光硬化が起こるという点で上記の粉末床法およびＳＬＡプロセスとは異なる。ＤＬＰを用いると、硬化したポリマーの全層が同時に製造され、レーザを用いてパターンを走査する必要性が排除される。さらに、下にある窓と造形物の最後の硬化層との間で重合が起こる。下にある窓は、別の支持構造を必要とせずに材料の薄いフィラメントを製造することを可能にする支持を提供する。言い換えれば、造形物の２つの部分を橋渡しする材料の薄いフィラメントを製造することは困難であり、従来技術において一般的に回避されていた。例えば、本願の背景技術の項で上述した‘１５１特許は、短いシリンダと接続された垂直プレート構造を使用し、その長さはほぼそれらの直径であった。‘１５１特許において開示された粉末床およびＳＬＡ技術が垂直に支持されたセラミック構造を必要とし、また、この技術ではフィラメントを確実に製造することが不可能であるという事実によって、千鳥状の垂直キャビティが必要とされる。さらに、粉末床内で利用可能な解像度は１／８インチ程度であり、伝統的な冷却孔の製造は実用的ではなくなる。例えば、円形の冷却孔は一般に、３．２ｍｍ^２未満の冷却孔面積に対応して２ｍｍ未満の直径を有する。そのような寸法の孔の製造は、いくつかのボクセルから孔を作る必要性を考慮すると、実際の孔のサイズをはるかに下回るサイズの解像度を必要とする。この解像度は、粉末床法では事実上利用できない。同様に、ステレオリソグラフィは、支持体の欠如およびレーザ散乱に関連する解像度の問題のために、そのようなフィラメントを製造する能力において制限がある。しかし、ＤＬＰがフィラメントの全長を露出させ、それを窓と構築板との間に支持するという事実は、コアとシェルとの間の全長にわたって十分に細いフィラメントを製造して所望の冷却孔パターンを有するセラミック物体を形成することを可能にする。粉末床法およびＳＬＡはフィラメントを製造するために使用され得るが、それらが上述のように十分に細いフィラメントを製造する能力は限られている。

１つの適切なＤＬＰプロセスは、Ｉｖｏｃｌａｒ Ｖｉｖａｄｅｎｔ ＡＧおよびＴｅｃｈｎｉｓｃｈｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔａｔ Ｗｉｅｎに付与された米国特許第９，０７９，３５７号、ならびに国際公開ＷＯ２０１０／０４５９５０号および米国特許第２０１１３１０３７０号に開示されており、これらの各々は、参照により本明細書に組み込まれ、図４〜図８を参照して以下に論じられる。装置は、露光ユニット４１０の少なくとも一部を覆う少なくとも１つの半透明底部４０６を有するタンク４０４を含む。露光ユニット４１０は光源および変調器を含み、それによって制御ユニットの制御下で強度を位置選択的に調整することができ、造形中の層に望ましい形状でタンク底部４０６に露光フィールドを生成する。代替として、レーザを露光ユニットに使用することができ、その光ビームは、制御ユニットによって制御される可動ミラーによって所望の強度パターンで露光フィールドを連続的に走査する。

露光ユニット４１０の反対側には製造プラットフォーム４１２がタンク４０４の上方に設けられており、これは、露光ユニット４１０の上方の領域においてタンク底部４０６上で高さ調整可能な方法で保持されるように、持ち上げ機構（図示せず）によって支持されている。製造プラットフォーム４１２は、少なくとも製造プラットフォーム４１２の下側に第１の層を形成するときに、製造プラットフォームの上のさらなる露光ユニットによって光を入射させることができるように透明または半透明であってもよく、製造プラットフォームは、製造プラットフォーム上で最初に硬化した層がさらに高い信頼性で接着するように上から露出することもできる。

タンク４０４は、高粘性の光重合性材料４２０の充填物を収容する。充填物の材料レベルは、位置選択的露光用に画定されることが意図されている層の厚さよりはるかに高い。光重合性材料の層を画定するために、以下の手順が採用される。製造プラットフォーム４１２は、（第１の露光工程の前に）その下側が光重合性材料４２０の充填物に浸されるように、そして製造プラットフォーム４１２の下側とタンク底部４０６との間に所望の層厚Δ（図５参照）が正確に残るようにタンク底部４０６に近づくように昇降機構によって制御された方法で下げられる。この浸漬プロセスの間、光重合性材料は製造プラットフォーム４１２の下側とタンク底部４０６との間の間隙から排除される。層厚Δが設定された後、所望の位置選択層露光がこの層に対して行われ、これを所望の形状に硬化させる。特に第１の層を形成するとき、上からの露光もまた透明または半透明の製造プラットフォーム４１２を介して行われるので、特に製造プラットフォーム４１２の下側と光重合性材料との間の接触領域において確実で完全な硬化が起こり、それゆえ、第１の層の製造プラットフォーム４１２への良好な接着が保証される。層が形成された後、製造プラットフォームは昇降機構によって再び持ち上げられる。

続いてこれらの工程が数回繰り返され、最後に形成された層４２２の下側からタンク底部４０６までの距離がそれぞれ所望の層厚Δに設定され、その上の次の層が所望の方法で位置選択的に硬化される。

露光工程に続いて製造プラットフォーム４１２が持ち上げられた後、図６に示すように露光領域では材料が不足している。これは、厚さΔで層を硬化させた後、この層の材料が、製造プラットフォームおよびその上に既に形成された成形体の一部と共に硬化されて持ち上がるからである。したがって、既に形成された成形体の下側とタンク底部４０６との間で失われた光重合性材料は、露光領域を囲む領域からの光重合性材料４２０の充填物から充填されなければならない。しかしながら、粘度が高いので材料自体が成形体の下側とタンク底部との間の露出領域に逆流することはなく、材料の窪みまたは「孔」がここに残ることがある。

露光領域に光重合性材料を補充するために、細長い混合要素４３２をタンク内の光重合性材料４２０の充填物中で移動させる。図４〜図８に示す例示的実施形態では、混合要素４３２は、タンク４０４の側壁に移動可能に取り付けられた２つの支持アーム４３０間に引っ張られた細長いワイヤを含む。支持アーム４３０は、タンク４０４の側壁のガイドスロット４３４内に移動可能に取り付けられてもよく、その結果、支持アーム４３０間に引っ張られたワイヤ４３２は、ガイドスロット４３４内の支持アーム４３０を移動することによって、タンク４０４に対してタンク底部４０６に平行に移動できる。細長い混合要素４３２は寸法を有し、細長い混合要素４３２の上端が露光領域の外側のタンク内の光重合性材料４２０の充填物の材料レベルより下に留まるように、その動きはタンク底部に対して案内される。図８の断面図に見られるように、混合要素４３２はワイヤの全長にわたってタンク内の材料レベルより下にあり、支持アーム４３０のみがタンク内の材料レベルを超えて突出している。細長い混合要素をタンク４０４内の材料レベルより下に配置することの効果は、細長い混合要素４３２が露出領域の中でタンクに対する移動中に混合要素４３２自体の前にある材料を実質的に移動させるのではなく、むしろ、わずかな上方への移動を実行しつつこの材料が混合要素４３２上を流れることである。図６に示す位置から、例えば矢印Ａで示す方向の新しい位置への混合要素４３２の移動が図７に示されている。タンク内の光重合性材料に対するこの種の動きによって、製造プラットフォーム４１２と露光ユニット４１０との間の材料が枯渇した露光領域に逆流するように材料が効果的に動かされることが分かった。

タンクに対する細長い混合要素４３２の移動は、最初に、固定タンク４０４を用いて、露光領域の中における製造プラットフォーム４１２と露光ユニット４１０との間の細長い混合要素４３２の所望の移動を達成するために、ガイドスロット４３４に沿って支持アーム４３０を移動させる線形駆動装置によって実行することができる。図８に示すように、タンク底部４０６は両側に凹部４０６’を有する。支持アーム４３０はそれらの下端でこれらの凹部４０６’内に突出する。これにより、タンク底部４０６における支持アーム４３０の下端部の移動を妨げることなく、細長い混合要素４３２をタンク底部４０６の高さに保持することが可能になる。

本発明の一体型コアシェル型を準備するために、ＤＬＰの他の代替方法を使用してもよい。例えば、タンクは回転可能なプラットフォーム上に配置されてもよい。連続する造形工程の間に加工物が粘性ポリマーから引き出されると、タンクはプラットフォームおよび光源に対して回転されて粘性ポリマーの新しい層を提供し、その中に造形プラットフォームを浸して連続層を構築する。

図９は、一体型のコア９００とシェル部分９０１とを接続するフィラメント９０２を有する一体型コアシェル型の概略側面図を示す。上記のＤＬＰプリントプロセスを使用してセラミック型をプリントすることによって、コアとシェルとの間の接続点がフィラメント９０２を介して提供されることを可能にするように型を作ることができる。コアシェル型がプリントされると、プリントされたセラミックポリマー材料を硬化させるために後熱処理工程を受けることができる。次いで、超合金タービンブレードおよび静翼の製造に使用される伝統的な鋳造工程と同様に、硬化セラミック型を使用することができる。

型はまた、液体金属を一体型の型内に注入するためのチューブ９０３および漏斗部９０４を含む。図９に示すように、一体型フィルタ９０５が液体金属用の流路内に設けられている。

ポート９０９は、熱処理および／または金属添加の前に一体型コアシェル型を洗浄するために設けられている。ＤＬＰによってセラミック型をプリントした後、型部分またはフィルタ部分内に未硬化樹脂が存在する可能性がある。ポート９０９は、未硬化樹脂を除去するために使用される溶媒用の流路を可能にするために設けられている。図９に示す実施形態では、ポート９０９はチューブ９０３の下に配置されている。必要に応じて、チューブ部分またはコアシェル型部分にいくつかの洗浄ポートを設けることができる。ポート９０９は、ＤＬＰプロセスにおいて直接プリントすることができるスクリューキャップを含み得る。しかしながら、ポートを閉じる任意の方法を使用することができる。例えば、一態様では、洗浄ポートは、溶媒洗浄工程が実行された後に型を硬化させる前に、後でセラミック材料でパッチすることができるチューブまたは型部分における単なる孔である。

本発明の一態様によれば、フィラメントは冷却孔パターンを形成するためには使用されない。代わりに、金属が型に注入されている間にセラミックコア９００を定位置に単に保持するために２本以上のフィラメントが設けられる。

フィラメント９０２は、好ましくは円柱形または楕円形であるが、湾曲していても非線形でもよい。それらの正確な寸法は、特定の鋳造金属部品のための所望のフィルム冷却方式によって変わってもよい。例えば、冷却孔は、０．０１〜２ｍｍ^２の範囲の断面積を有し得る。タービンブレードでは、断面積は０．０１〜０．１５ｍｍ^２、より好ましくは０．０５〜０．１ｍｍ^２の範囲、最も好ましくは約０．０７ｍｍ^２であり得る。静翼の場合、冷却孔は、０．０５〜０．２ｍｍ^２、より好ましくは０．１〜０．１８ｍｍ^２の範囲の、最も好ましくは約０．１６ｍｍ^２の断面積を有することができる。冷却孔の間隔は、典型的には冷却孔の直径の倍数であって、冷却孔の直径の２倍から１０倍の範囲、最も好ましくは孔の直径の約４〜７倍の範囲である。

フィラメント９０２の長さは、鋳造部品の厚さ、例えばタービンブレードまたは静翼の壁の厚さ、および冷却孔が鋳造部品の表面に対して配置される角度によって決まる。典型的な長さは、０．５〜５ｍｍ、より好ましくは０．７〜１ｍｍの範囲、最も好ましくは約０．９ｍｍである。冷却孔が配置される角度は、表面に対して約５〜３５°、より好ましくは１０〜２０°、最も好ましくは約１２°である。本発明による鋳造方法は、従来の機械加工技術を用いて現在利用可能なものよりも、鋳造部品の表面に対して小さい角度を有する冷却孔の形成を可能にすることを理解されたい。

特に、図９に示すコアは中空コア構造である。中空コアをプリントする１つの利点は、それが金属鋳造後にコアを除去するのに必要な浸出の程度を減らすことである。一態様では、コアは、後で浸出させることができる完全に中実のセラミック材料である。本発明の別の態様では、コアおよび接続フィラメントの両方が中空であり、鋳造後のセラミック型材料の迅速な浸出を可能にする。

セラミックフィルタは、鋳型に注入されるときの溶融金属の濾過に適している。上記のＤＬＰプロセスは、溶融金属を濾過するためのセラミックフィルタに多孔性を提供するのに十分な解像度を提供するのに特に適している。本発明に関して使用されるフィルタの特定の形状は、使用される金属の特性および最終製品の設計要件に依存するであろう。図２Ｄおよび図２Ｅに示す従来のセラミックフィルタの形状を使用してもよい。好ましくは、フィルタは、円柱の高さがフィルタの直径よりも小さい円柱形状を有する。セラミックフィルタは、入口面と出口面と、入口面からフィルタを通過して出口面を通過する液体金属の通路を提供する複数の空隙部（ｏｐｅｎｉｎｇｓ）とを含むことが好ましい。空隙部は、好ましくは、セラミックフィルタの全体積の少なくとも６０％から少なくとも約９０％を占める。より好ましくは、空隙部は、セラミックフィルタの全体積の少なくとも７０％から少なくとも約８５％を占める。

図１０は、ニッケル基合金、すなわちインコネルなどの鋳造金属１０００で充填された図９の一体型コアシェル型を示す。一体型コアシェル型およびフィルタを形成した後、セラミックは、ポート９０９を通して溶媒をすすぐことによって洗浄される。それからポートは閉じられるかまたは塞がれる。中空コアキャビティ９０８は充填されないままで、金属１０００がキャビティ９０７内に充填される。鋳造後、セラミックコア９００、シェル９０１およびフィラメント９０２は、化学的および機械的プロセスの組み合わせを用いて除去される。コア９００の中空の性質は、必要とされる化学的浸出の量を最小にしながらセラミック型の除去を可能にする。これにより時間が節約され、製造工程におけるエラーの可能性が減少する。上記のように、必要ならば、中空コアの代わりに中実コアを使用してもよい。同様に、中実フィラメントの代わりに中空フィラメントを使用してもよい。

セラミックコアシェルが浸出する際、得られる鋳造物は、ブレードの表面に冷却孔パターンを有するタービンブレードである。図９〜図１０はタービンブレードの前縁および後縁における冷却孔を示す断面図を提供するが、必要ならばタービンブレードの側面または他の任意の位置を含む追加の冷却孔を設けることができることを理解されたい。特に、本発明を使用して、鋳造プロセス中に任意の特定の設計で冷却孔を形成することができる。言い換えれば、冷却孔を形成するために以前は穿孔が使用されていた任意のパターンで従来の冷却孔を形成することができるであろう。しかしながら、本発明は、鋳造部品内に冷却孔を形成するための従来技術、すなわち穿孔の限界のためにこれまで達成できなかった冷却孔パターンを可能にするであろう。上記のように、フィラメントは鋳造中にコアを定位置に保持するために使用することができる。その場合、フィラメントによって提供される表面の孔は、ろう付けまたは同等の操作を使用して閉じることができる。図１０に示すように、フィルタ９０５は、漏斗を通してそしてフィルタを通して注入される金属１０００を含む。図１１は、ブレード表面をブレードの中空コア１１０３に接続する冷却孔１１０１、１１０２を有する鋳造タービンブレード１１００を示す。

図１２は、フィルタ要素１２００が第１のタービンブレード型１２０１の第１のキャビティおよび第２のタービンブレード型１２０２の第２のキャビティに入る前に溶融金属を濾過するように配向されている例を示す。追加のタービンブレード型を紙面から出る方向に設けてもよい（提供される断面図には示さず）。ポート１２０３は、金属で充填する前に未硬化セラミックポリマーを型からすすぐために金属供給管１２０４の最下部に位置する。

浸出後、コアプリントフィラメントから得られるタービンブレードの孔は、必要ならばろう付けして閉じることができる。そうでなければ、コアプリントフィラメントによって残された孔は、内部冷却通路の設計に組み込まれてもよい。あるいは、金属鋳造工程中に先端プレナムコアを定位置に保持するのに十分な量で先端プレナムコアをシェルに接続するために冷却孔フィラメントを設けてもよい。

本発明によってコアシェル型構造をプリントした後、セラミックコアフォトポリマー材料の要件に応じてコアシェル型を硬化および／または焼成することができる。溶融金属を型に流し込んで、一体のコアシェル型によって提供される形状を有しかつ特徴を有する鋳造物体を形成することができる。タービンブレードまたは静翼の場合、溶融金属は、従来のインベストメント鋳型で使用されることが知られている技術を使用して単結晶超合金タービンブレードまたは静翼に形成される超合金金属であることが好ましい。

一態様では、本発明は、同様の方法で製造された他のコアシェル型の特徴を組み込んだ、または組み合わせた本発明のコアシェル型構造に関する。以下の特許出願は、これらの様々な態様およびそれらの使用の開示を含む。

「一体型鋳造コアシェル構造」と題され、代理人整理番号０３７２１６．０００３６／２８４９７６で２０１６年１２月１３日に出願された米国特許出願番号第［］号。

「浮動先端プレナムを有する一体型鋳造コアシェル構造」と題され、代理人整理番号０３７２１６．０００３７／２８４９９７で２０１６年１２月１３日に出願された米国特許出願番号［］。

「鋳造部品を製造するためのマルチピース一体型コアシェル構造」と題され、代理人整理番号０３７２１６．０００３３／２８４９０９で２０１６年１２月１３日に出願された米国特許出願番号［］。

「鋳造部品を製造するためのスタンドオフおよび／またはバンパを備えたマルチピース一体型コアシェル構造」と題され、代理人整理番号０３７２１６．０００４２／２８４９０９Ａで２０１６年１２月１３日に出願された米国特許出願番号［］。

「鋳造部品を製造するためのプリントされたチューブを有する一体型鋳造コアシェル構造」と題され、代理人整理番号０３７２１６．０００３２／２８４９１７で２０１６年１２月１３日に出願された米国特許出願番号［］。

「非線形孔を有する鋳造部品を製造するための一体型鋳造コアシェル構造」と題され、代理人整理番号０３７２１６．０００４１／２８５０６４で２０１６年１２月１３日に出願された米国特許出願番号［］。

「アクセス不能な位置に冷却孔を有する鋳造部品を製造するための一体型鋳造コアシェル構造」と題され、代理人整理番号０３７２１６．０００５５／２８５０６４Ａで２０１６年１２月１３日に出願された米国特許出願番号［］。

「薄い根元構成要素を有する鋳造部品を製造するための一体型鋳造コアシェル構造」と題され、代理人整理番号０３７２１６．０００５３／２８５０６４Ｂで２０１６年１２月１３日に出願された米国特許出願番号［］。

これらの出願の各々の開示は、それらがコアシェル型のさらなる態様およびここに開示されたコアシェル型と共に使用することができるその製造方法を開示する限りにおいてその全体が本明細書に組み込まれる。

本明細書は、好ましい実施形態を含む本発明を開示するために、また任意の装置またはシステムを製造および使用することならびに任意の組み込まれた方法を実行することを含めて当業者が本発明を実施することを可能にするために実施例を使用する。本発明の特許性のある範囲は特許請求の範囲によって定義され、当業者が思い付く他の例を含み得る。そのような他の例は、それらが特許請求の範囲の文言と異ならない構造要素を有する場合、またはそれらが特許請求の範囲の文言と実質的に差異を有しない均等な構造要素を含む場合、特許請求の範囲の範囲内にあることが意図される。記載された様々な実施形態からの態様、ならびにそのような各態様に対する他の既知の均等物は、本願の原理によって追加の実施形態および技術を構築するために当業者によって混合および適合され得る。
付記１
セラミック型を製造する方法であって、
（ａ）加工物の硬化部分を液体セラミックフォトポリマーと接触させることと、
（ｂ）前記硬化部分に隣接する前記液体セラミックフォトポリマーの一部に前記液体セラミックフォトポリマーに接触する窓を通して光照射することと、
（ｃ）未硬化の液体セラミックフォトポリマーから前記加工物を取り出すことと、
（ｄ）セラミック型が形成されるまで工程（ａ）〜（ｃ）を繰り返すこととを含み、前記セラミック型が、コア部分、シェル部分、およびフィルタ部分を含み、前記コア部分と前記シェル部分との間に少なくとも１つのキャビティが設けられ、前記キャビティが、鋳造および前記セラミック型の除去の際に鋳造部品の形状を画定するように適合され、前記フィルタ部分が、前記型の前記キャビティ内に流れ込む溶融金属の経路内に配向されている、方法。
付記２
前記方法が、工程（ｄ）の後に、前記鋳造部品を形成するために、鋳型に液体金属を注入し、前記液体金属を凝固させることを含む工程（ｅ）を含む、付記１に記載の方法。
付記３
前記方法が、工程（ｅ）の後に、前記鋳造部品から前記型を除去することを含む工程（ｆ）を含む、付記２に記載の方法。
付記４
前記鋳造部品から前記型を除去することが、機械的な力と化学的浸出との組み合わせを含む、付記３に記載の方法。
付記５
前記セラミック型が、前記コア部分とシェル部分とを連結する複数のフィラメントを含む、付記１に記載の方法。
付記６
前記セラミックフィルタが円柱形フィルタである、付記１に記載の方法。
付記７
前記セラミックフィルタが、入口面と出口面と、前記入口面から前記フィルタを通過して前記出口面を通過する液体金属の経路を提供する複数の空隙部とを含む、付記１に記載の方法。
付記８
前記空隙部が、前記セラミックフィルタの全体積の少なくとも６０％から少なくとも約９０％を占める、付記７に記載の方法。
付記９
前記空隙部が、前記セラミックフィルタの全体積の少なくとも７０％から少なくとも約８５％を占める、付記７に記載の方法。
付記１０
鋳造部品の製造方法であって、
前記鋳造部品を形成するために、液体金属をセラミック鋳型に注入し、前記液体金属を凝固させることを含み、前記セラミック鋳型が、コア部分、シェル部分、およびフィルタ部分を含み、前記コア部分とシェル部分との間に少なくとも１つのキャビティが設けられ、前記キャビティが鋳造および前記セラミック型の除去の際に鋳造部品の形状を画定するように適合され、前記フィルタ部分が、前記型の前記キャビティ内に流れ込む溶融金属の経路内に配向されており、前記セラミック鋳型が、前記コア部分とシェル部分とを連結する複数のセラミックフィラメントを含み、
前記フィラメントによって形成された前記鋳造部品の孔を通して前記セラミックコアの少なくとも一部を浸出させることにより前記鋳造部品から前記セラミック鋳型を除去することをさらに含む、方法。
付記１１
前記鋳造部品から前記セラミック鋳型を除去することが、機械的な力と化学的浸出との組み合わせを含む、付記１０に記載の方法。
付記１２
前記セラミックフィルタが円柱形フィルタである、付記１０に記載の方法。
付記１３
前記セラミックフィルタが、入口面と出口面と、前記入口面から前記フィルタを通過して前記出口面を通過する液体金属の経路を提供する複数の空隙部とを含む、付記１０に記載の方法。
付記１４
前記空隙部が、前記セラミックフィルタの全体積の少なくとも６０％から少なくとも約９０％を占める、付記１３に記載の方法。
付記１５
前記空隙部が、前記セラミックフィルタの全体積の少なくとも７０％から少なくとも約８５％を占める、付記１３に記載の方法。
付記１６
セラミック鋳型であって、
コア部分、シェル部分、およびフィルタ部分を含み、前記コア部分と前記シェル部分との間に少なくとも１つのキャビティが設けられ、前記キャビティが、鋳造および前記セラミック鋳型の除去の際に鋳造部品の形状を画定するように適合され、前記フィルタ部分が、前記型の前記キャビティに流れ込む溶融金属の経路内に配向されており、
前記コア部分とシェル部分とを連結する複数のフィラメントをさらに含む、セラミック鋳型。
付記１７
前記セラミックフィルタが円柱形フィルタである、付記１６に記載のセラミック鋳型。
付記１８
前記セラミックフィルタが、入口面と出口面と、前記入口面から前記フィルタを通過して前記出口面を通過する液体金属の経路を提供する複数の空隙部とを含む、付記１６に記載のセラミック鋳型。
付記１９
前記空隙部が、前記セラミックフィルタの全体積の少なくとも６０％から少なくとも約９０％を占める、付記１８に記載のセラミック鋳型。
付記２０
前記空隙部が、前記セラミックフィルタの全体積の少なくとも７０％から少なくとも約８５％を占める、付記１８に記載のセラミック鋳型。

Claims (11)

1. セラミック型を製造する方法であって、
   （ａ）加工物の硬化部分を液体セラミックフォトポリマーと接触させることと、
   （ｂ）前記硬化部分に隣接する前記液体セラミックフォトポリマーの一部に前記液体セラミックフォトポリマーに接触する窓を通して光照射することと、
   （ｃ）未硬化の液体セラミックフォトポリマーから前記加工物を取り出すことと、
   （ｄ）セラミック型が形成されるまで工程（ａ）〜（ｃ）を繰り返すこととを含み、前記セラミック型が、コア部分（９００）、シェル部分（９０１）、およびフィルタ部分（９０５）を含み、前記コア部分と前記シェル部分との間に少なくとも１つのキャビティが設けられ、前記キャビティが、鋳造および前記セラミック型の除去の際に鋳造部品の形状を画定するように適合され、前記フィルタ部分が、前記セラミック型の前記キャビティ内に流れ込む溶融金属の経路内に配向されている、方法。
2. 前記方法が、工程（ｄ）の後に、さらに前記鋳造部品を形成するために、鋳型に液体金属（１０００）を注入し、前記液体金属を凝固させることを含む工程（ｅ）を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記方法が、工程（ｅ）の後に、さらに前記鋳造部品から前記セラミック型を除去することを含む工程（ｆ）を含む、請求項１または請求項２に記載の方法。
4. 前記セラミック型が、前記コア部分とシェル部分とを連結する複数のフィラメント（９０２）を含む、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記フィルタ部分が、入口面と出口面と、前記入口面から前記フィルタ部分を通過して前記出口面を通過する液体金属の経路を提供する複数の空隙部とを含む、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記空隙部が、前記フィルタ部分の全体積の少なくとも６０％から少なくとも９０％を占める、請求項５に記載の方法。
7. 前記空隙部が、前記フィルタ部分の全体積の少なくとも７０％から少なくとも８５％を占める、請求項５または請求項６に記載の方法。
8. 請求項１の前記鋳造部品を製造する方法であって、
   前記鋳造部品を形成するために、液体金属（１０００）を前記セラミック型に注入し、前記液体金属を凝固させることを含み、前記セラミック型が、前記コア部分とシェル部分とを連結する複数のフィラメントを含み、
   前記複数のフィラメントによって形成された前記鋳造部品の一つまたは複数の孔を通して前記コア部分の少なくとも一部を浸出させることにより前記鋳造部品から前記セラミック型を除去することをさらに含む、方法。
9. 前記フィルタ部分が、入口面と出口面と、前記入口面から前記フィルタ部分を通過して前記出口面を通過する前記液体金属の経路を提供する複数の空隙部とを含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記空隙部が、前記フィルタ部分の全体積の少なくとも６０％から少なくとも９０％を占める、請求項９に記載の方法。
11. 前記空隙部が、前記フィルタ部分の全体積の少なくとも７０％から少なくとも８５％を占める、請求項９または請求項１０に記載の方法。

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