JP7080903B2 - 積層造形を用いた航空機用ターボ機械ベーンの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、航空機用ターボ機械のディストリビュータ又は整流器セクタの一部とすることができる航空機用ターボ機械ベーンを積層造形によって製造する方法に関する。

先行技術は、仏国特許出願公開第２９９１６１３号明細書、仏国特許出願公開第３０３０３２３号明細書、国際公開第２０１２／００１３２４号、米国特許出願公開第２００４／０３１７８０号明細書および仏国特許出願公開第３００２１６７号明細書を含む。

ターボ機械のディストリビュータセクタは２つの円周壁、それぞれ上側及び下側の壁を備え、これらの間にベーンが延在し、これらのベーンは、壁の間に延在する前縁及び後縁の各々を備える。ベーンの前縁は、壁の第１の円周縁部の側部に配置され、これらの円周縁に対して少なくとも部分的に引き込まれたものとすることができる。同様に、ベーンの後縁は、壁の第２の円周縁部の側部に配置され、これらの円周縁部に対して少なくとも部分的に引き込まれたものとすることができる。

このようなディストリビュータセクタが、粉末床上でのレーザ溶融による積層造形によって製造される場合、ディストリビュータは第１の円周縁部または第２の円周縁部のいずれかが最初に支持板上に直接製造されるように、支持板上に製造される。このような場合、上述した引き込みにより、各ベーンの前縁又は後縁の全部又は一部と支持板との間に隙間が生じることになる。製造中での材料の沈下につながり得るこのような隙間を回避するために、一時的なベーン支持部材を使用することが可能であろう。これらの部材は、ベーンの高さで第１または第２の縁部と同時に製造され、支持板とベーンの前縁または後縁との間に延在する。

しかしながら、これらの支持部材は、製造後に除去されるべきである。これは、可能な限り最も単純な技術によって、ベーン及びディストリビュータセクタに損傷を与える危険性無しに、それらを除去するという問題を提起する。各支持部材を把持するためにグリッパを使用し、前後動作によって対応するベーンから支持部材を解放し、次いでグリッパと共に支持部材を取り外すことからなる解決策が可能であろう。しかしながら、作業者の操作は正確ではなく、部材の幾何学的形状および、その低い剛性のために、グリッパによって加えられる力の下で変形し、取り外すことをより困難にする可能性がある。

仏国特許出願公開第２９９１６１３号明細書 仏国特許出願公開第３０３０３２３号明細書 国際公開第２０１２／００１３２４号 米国特許出願公開第２００４／０３１７８０号明細書 仏国特許出願公開第３００２１６７号明細書

本発明は、これらの問題の少なくともいくつかに対して、単純で、効果的で、経済的な解決策を提供する。

本発明は積層造形を使用して航空機用ターボ機械の少なくとも１つのベーン（すなわち、任意の空気力学的プロファイル要素）を形成する方法を提案し、このベーンは２つの円周壁、それぞれ上側壁および下側壁を含み、これらの間には、少なくとも１つのベーンが延在し、各ベーンは前記壁の間に延在し、前記壁の第１および第２の円周縁部に対してそれぞれ少なくとも部分的に引き込まれた前縁および後縁を含む。

本方法は、
－ 前記ベーンの粉末床上でのレーザ溶融による積層造形ステップであって、前記第１または第２の円周縁部が、最初に前記支持板上に直接製造され、少なくとも１つの一時的な支持部材が前記または各ベーンの高さで、前記第１または第２の縁部と同時に製造され、前記支持板とベーンの前記前縁または後縁との間に延在するように、製造が支持板上で実行される、積層造形ステップと、
－ 関連する前縁または後縁との接続を切断することによって、前記各支持部材を除去するステップと、を備え、
前記除去は工具によって実行され、工具の少なくとも一端は前記または各支持部材の少なくとも１つの凹部に係合され、工具は関連する前縁または後縁に実質的に垂直な平面内で旋回することによって移動されることを特徴とする。

本発明は、単一のベーン、すなわち分離されたベーン、またはセクタと呼ばれるモノブロックアセンブリを形成する一連のベーンに適用することができる。セクタは、整流器セクタ（圧縮機用）またはディストリビュータセクタ（タービン用）とすることができる。

本発明によれば、上記課題を解決することができる。それは、支持部材を強化することを可能にするだけでなく、その取外し作業をより容易にし、より迅速にし、また、作業者の拘束をより少なくすることも可能にする。問題の１つは、部材の壁がグリッパの作用下で潰れる可能性があることによる剛性の欠如であった。凹部の存在および構造は部材の形状を単純化することを可能にし、したがって、部材は補強される。

本発明による方法は、以下の特徴または工程の内の１つ以上を、互いに単独で、またはそれらの組み合わせを備えてもよい。

－ 前記工具はねじ回しであり、好ましくは平坦な端部または頭部である。

－ 各部材は、１つから３つ以上の凹部を含む。凹部の数は、例えば、支持部材とベーンとの間の接触面に依存する。

－ 各部材は、主凹部と、主凹部の対向する２つの側部に配置された２つの副凹部とを含むことができる。

－ 前記主凹部は副凹部を画定する壁よりも厚い壁によって画定され、これにより、除去力が加えられたときに部材が十分な強度を有することが可能になる。

－ この方法は、同じディストリビュータまたは整流器セクタに属する一連のベーンに適用される。

また、本発明は上述の方法によって製造された航空機用ターボ機械ベーンであって、上側および下側の２つの円周壁をそれぞれ備え、それらの間に少なくとも１つのベーンが延在し、各ベーンの前縁および後縁が前記壁の間に延在し、前記壁の第１および第２の円周縁部に対してそれぞれ少なくとも部分的に引き込まれており、少なくとも１つの一時的な支持部材が前記または各ベーンの前縁または後縁の高さに位置し、前記第１または第２の縁を通過する平面と前記または各ベーンの前記前縁または後縁との間に延在し、前記または各支持部材が、前記部材を旋回除去するために、工具の少なくとも１つの端部を受け入れるように構成された少なくとも１つの凹部を備えることを特徴とする航空機用ターボ機械ベーンにも関する。

本発明によるベーンは、互いに分離して、または互いに組み合わせて取られる、以下の特徴またはステップの内の１つまたは複数を備えることができる。

－ 各部材は、１～３個またはそれ以上の凹部を備える。

－ 各凹部は、横方向の補強壁によって画定されている。

－ 各部材は、下側壁の側部に位置する一方の端部と、上側壁の側部に位置する反対側の端部との間で変化する厚さを有する。

－ 各部材は少なくとも１つの軽量化キャビティを備え、このタイプのキャビティは、積層造形中の溶融時間および粉末消費を低減することもできる。

－ 各軽量化キャビティは、軽量化ノッチを備える部材の側壁によって画定される。

－ 前記軽量化ノッチはそれぞれ、一般的なＶ字形を有し、この構成は積層造形操作の終了時の脱粉末操作中に、キャビティからの粉末の除去を容易にすることを可能にし、溶融時間および粉末消費を低減することも可能にする。

本発明は非限定的な例として、添付の図面を参照してなされる以下の説明を読むことでより良く理解され、本発明の他の詳細、特徴、および利点がより明確になるであろう。

図１は、圧縮機用整流器セクタの積層造形のための設備の非常に概略的な図である。 図２は、積層造形によって製造された整流器セクタの概略斜視図であり、整流器は本発明に従う。 図３は、図２の整流器セクタの一部の拡大図である。 図４ａは、整流器セクタの斜視図であり、整流器支持部材を除去する手動ステップを示す。 図４ｂは、整流器セクタの斜視図であり、整流器支持部材を除去する手動ステップを示す。 図４ｃは、整流器セクタの斜視図であり、整流器支持部材を除去する手動ステップを示す。 図４ｄは、整流器セクタの斜視図であり、整流器支持部材を除去する手動ステップを示す。 図５は、図３に対応する、本発明の実施形態の変形例を表す図である。

図１は、積層造形によって、特に、レーザビームのような高エネルギビームを介した粉末床の選択的な融解によって、整流器セクタを形成するための設備を示す。

この機械は金属合金等の材料の粉末を収容したフィーダトレイ１７０と、この粉末をこのトレイ１７０から転写し、この粉末の第１の層１１０を構造支持トレイ１８０上に広げるローラ１３０とを備える。

この機械はまた、支持板１８０上に粉末層を広げた後に、使用済み粉末（特に、未溶融または未焼結粉末）および過剰の粉末（大部分）を回収するためのリサイクルトレイ１４０を含む。したがって、リサイクルトレイ内の粉末の大部分は、新しい粉末である。また、このリサイクルトレイ１４０は一般に、当業者によってオーバーフロートレイまたはアッシュトレイと呼ばれる。

この機械はまた、エネルギビーム（例えば、レーザ）１９５の発生器１９０と、このビーム１９５を支持板１８０の任意の領域に向けて、任意の領域を粉末層で走査することができる制御システム１５０とを備える。エネルギビーム（レーザ）の成形及び焦点面上でのその径の変化は、それぞれビーム拡張器１５２及び集束システム１５４によって行われ、全体が光学システムを構成する。

直接金属堆積（ＤＭＤ）法に同化可能な方法を粉末に適用するこの機械は、レーザビーム１９５の代わりに、このビームが第１の場合には溶融するか、または他の場合には粉末粒子と粒子が載っている材料の一部との間にカラーまたはブリッジを形成するのに十分なエネルギーを有する限り、任意の高エネルギビームを使用することができる。

ローラ１３０は、ワイパーブレード、ナイフ、またはブラシに関連付けられたディスペンサ（またはホッパ）のような、粉末を層状に移送し、広げることができる他の適切な分配システムに置き換えることができる。

制御システム１５０は、例えば、集束システム１５４に含まれる、表面の各点が集束レンズに対して常に同じ高さに位置する粉末層に到達する前にレーザビーム１９５が反射される少なくとも１つの操縦可能なミラー１５５を備え、このミラー１５５の角度位置はレーザビームが第１の粉末層の少なくとも１つの領域を走査し、したがって、事前に確立された部分プロファイルに従うように、ガルバノメトリックヘッドによって制御される。

この機械は次のように動作する。材料の粉末の第１の層１１０は、ローラ１３０の助けを借りて支持板１８０に塗布され、この粉末はローラ１３０の前方移動中にフィーダトレイ１７０から移送され、次いで、ローラ１３０の１回（または複数回）の戻り移動中に拭い落とされ、場合によってはわずかに圧縮される。過剰の粉末はリサイクルトレイ１４０に回収される。この粉末の第１の層１１０の領域は、この粉末の溶融温度（液相線温度）よりも高い温度までレーザビーム１９５で走査される。ガルバノメトリックヘッドは、製造される部品のコンピュータ支援設計および製造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に従って制御される。従って、第１の層１１０のこの領域の粉末粒子１６０は溶融され、支持板１８０と一体の第１のコード１１５を形成する。この段階で、この第１の層とは独立したいくつかの領域をレーザビームで走査して、材料を溶融し固化した後に、互いに分離されたいくつかの第１のコード１１５を形成することもできる。支持板１８０は、第１の層の既に規定された厚さに対応する高さ（２０～１００μｍ、一般に３０～５０μｍ）だけ下げられる。溶融または圧密化される粉末層の厚さは粉末床の多孔度およびその平坦度に大きく依存するため、１つの層から別の層まで可変値のままであり、一方、支持板１８０の予めプログラムされた変位は隙間を除いて変化することができない値である。次に、粉末の第２の層１２０が第１の層１１０およびこの第１のコード１１５に塗布され、次いで、この第１のコード１１５の上に部分的にまたは完全に位置する第２の層１２０の領域が、レーザビーム１９５に曝されることによって加熱され、その結果、第２の層１２０のこの領域の粉末粒子が第１のコード１１５の少なくとも一部と共に溶融され、１つのピースまたは統合された第２のコード１２５を形成し、これらの２つのコード１１５および１２５のすべてが、１つのピースのブロックを形成する。この目的のために、第２のコード１２５は、有利にはこの第２のコード１２５の一部が第１の部材１１５に結合するとすぐに、既に完全に結合される。構成される部品の輪郭に応じて、特にアンダーカット表面の場合、第１の層１１０の上述の領域は、部分的であっても、第２の層１２０の上述の領域の下に位置することができず、したがって、この場合、第１のコード１１５および第２のコード１２５は一体のブロックを形成しないことが理解される。部品を層毎に構築するこのプロセスは、次いで、既に形成されたアセンブリ上に粉末の追加の層を加えることによって続けられる。ビーム１９５による走査は、各層を、製造される部品の幾何学的形状、例えば上述の格子構造に応じた形状にすることによって構成することを可能にする。部品の下層は、部品の上層が構築されるにつれて、多かれ少なかれ急速に冷却する。

部品の汚染、例えば、溶解酸素、酸化物、または他の汚染物質による汚染を、上述のように層毎に製造する間に低減するために、この製造は、制御された程度の湿度測定を有するエンクロージャ内で実行されなければならず、かつ、その低減力について知られている少量の水素（Ｈ２）の添加の有無にかかわらず、窒素（Ｎ２）、アルゴン（Ａｒ）、またはヘリウム（Ｈｅ）などの、考慮中の材料に対して中性ガス（非反応性）で充填された方法／材料の組み合わせに適合されなければならない。これらのガスの少なくとも２つの混合物も考慮することができる。汚染、特に周囲環境からの酸素による汚染を防止するために、このエンクロージャを過剰に加圧することが通例である。

したがって、選択的融合または選択的レーザ焼結は、その三次元形状が複雑であり得る、良好な寸法精度で低汚染部品を構築することを可能にする。

選択的融解または選択的レーザ焼結はまた、好ましくは清浄な（すなわち、合成からの残留部材によって汚染されていない）、非常に微細な（各粒子のサイズは１～１００μｍ、好ましくは４５～９０μｍである）球状形態の粉末を使用し、これは完成部品の優れた表面仕上げを得ることを可能にする。

また、選択的な溶融または選択的なレーザ焼結は、鋳造、射出、または機械加工された部品と比較して、製造時間、コスト、および固定コストを低減する。

本発明は、ターボ機械の整流器セクタ１０を製造するために、粉末床上でのレーザ溶融による積層造形を使用する。図２は、本発明の実施形態を示す。この整流器セクタ１０は２つの円周壁、それぞれ上部壁１２および下部壁１４を備え、それらの間にベーン１６が延在し、ベーン１６の各々は壁１２、１４の間に延在し、これらの壁の第１および第２の円周縁部２２、２４に対してそれぞれ少なくとも部分的に引き込まれた前縁１８および後縁２０を有する。一時的な支持部材２６は、１６枚のベーンの前縁１８又は後縁２０の高さに配置され、第１又は第２の縁部２２、２４を通過する平面とベーンの前縁１８又は後縁２０との間に延びる。図面に示されるように、支持部材２６の各々は、この部材２６を旋回して取り外すために、平らなねじ回しの自由端のような工具３０の少なくとも一端を受け入れるように構成された少なくとも１つの凹部２８を備える。

図２～図４ｄの実施形態の例では部材２６が一つの凹部２８を備えるが、図５の実施形態の変形例では３つなど、いくつかを含むことができる。

各部材２６は細長い形状であり、壁１２、１４の間を長手方向に延在している。図示の例では、上部壁１２の側に位置するその横方向の厚さは、下部壁１４の側に位置するその下端の厚さよりも大きい。

各部材２６は縁部２２、２４に実質的に平行な平面内に延在し、底壁２６ａに実質的に垂直な周壁２６ｂ、２６ｃ、２６ｄに接続された細長い底壁２６ａを含む。上壁２６ｂは上部壁１２の側部に位置し、下壁２６ｄは下部壁１４の側部に位置し、側壁２６ｃは壁１２と１４との間で互いに距離を有して延びている。

凹部２８は部材２６の実質的に中央に位置し、一方では側壁２６ｃによって、他方では２つの横方向補強壁２６ｅによって画定される。各凹部２８は部材の伸長軸に沿って細長い形状を有し、工具３０の先端を受け入れるように形成されている。凹部２８と壁２６ｂ、２６ｄとの間で、部材は壁２６ｃの間に、軽量化キャビティ３２を備える。壁２６ｃはこれらのキャビティ３２の高さに、軽量化ノッチ３４を含む。これらのノッチは、ここでは一般的なＶ字形状を有する。

凹部２８を画定する壁２６ｃの部分は、これらの壁の残りの部分と比較して過度に厚い。加えて、これらの壁部分２６ｃは、脱粉、すなわち積層造形作業の終わりに凹部２８内に位置する粉末の除去を容易にするように構成された横方向ノッチ３３を含む。壁２６ｅはまた、特に壁２６ｃの上述した残りの部分と比較して、過度に厚い。

（ターボ機械内のガス流を参照して）下流縁部のような第１の縁部２２が積層造形中に最初に作られる場合、整流器の下流面は図１の支持板１８０と接触する下面であり、ベーンの後縁は、支持板１８０に向かって配向されることが理解される。

この場合、支持部材２６は、積層造形によって縁部２２と同時に製造され、ベーン１６の支持を確実にして、それらが潰れるのを回避する。したがって、これらは、図示の例では板１８０とベーンの後縁との間に延在するように意図されている。それらは、ここでは支持板１８０上の壁２６ｂ、２６ｃ、２６ｄによって支持され、それらの壁２６ａによって、材料の連続性によりベーン１６に接続される。

本発明によれば、各支持部材２６の取外しは工具３０によって行われ、その少なくとも一端は各支持部材２６の凹部に係合され、関連する前縁（または後縁）に実質的に垂直な平面内で旋回される。

図４ａ～図４ｄは整流器セクタ１０から最後の部材２６を除去するステップを示し、他の部材は既に除去されている。工具３０の先端は部材２６の凹部２８に挿入され（図４ａ）、次いで、工具３０は材料がベーンの後縁と部材２６との間で破断するまで（図４ｂ及び図４ｃ）、上述の平面内で旋回される。部材は、工具によって旋回され、ベーンから離れ、整流器セクタの壁１２、１４の間の空間から持ち上げられる。

本発明によれば、部材２６の変形の危険性が制限される。さらに、取外し作業は、部材内での工具の正確な位置決めのため、迅速かつ反復可能であるため、容易になる。

図５の変形例の特定の場合には、部材２６が部材の伸長軸と同じ平行平面内に整列された３つの凹部２８を備え、このタイプの部材を取り外すための工具は部材の凹部内にそれぞれ挿入される３つの端部または先端を有することができる。これにより、部材の除去力をその長さに亘って分散させることができる。

本発明は整流器セクタを参照して説明されたが、ディストリビュータセクタに適用される。図示の例では、セクタはいくつかのベーンを含む。代替的に、それは、壁１２及び１４を有するベーンを形成する単一のベーンのみを含むことができる。言い換えれば、本発明は単一のベーンまたはセクタ、すなわち、１つまたは複数のベーン１６が間に延在する壁１２、１４を備える任意のモノブロックアセンブリに適用可能である。

Claims (11)

1. 積層造形を使用して少なくとも１つの航空機用ターボ機械ベーンを製造する方法であって、このベーンは２つの円周壁、それぞれ上部壁（１２）および下部壁（１４）を備え、これらの間には少なくとも１つのベーン（１６）が延在し、これらのベーンはそれぞれ、前記壁の間に延在し、かつ前記壁の第１および第２の円周縁部に対してそれぞれ少なくとも部分的に引き込まれた前縁（１８）および後縁（２０）を備え、該方法は、
   － 前記ベーンの粉末床上でのレーザ溶融による積層造形ステップであって、前記第１又は第２の円周縁部が前記支持板上に最初に直接製造されるように、少なくとも１つの一時的な支持部材（２６）が前記または各ベーンの高さで前記第１又は第２の縁部と同時に製造されるように、かつ前記支持板とベーンの前記前縁又は後縁との間に延在するように、製造が支持板（１８０）上で実施される、積層造形ステップと、
   － 関連する前縁または後縁との接続を解除することによって、前記または各支持部材を除去するステップと、を備え、
   取外しが工具（３０）によって行われ、工具（３０）の少なくとも一端は前記または各々の支持部材の少なくとも１つの凹部（２８）に係合され、工具（３０）は関連する前縁又は後縁に垂直な平面内で旋回することによって動かされることを特徴とする、方法。
2. 方法は、同じディストリビュータまたは整流器セクタ（１０）に属する一連のベーンに適用される、請求項１に記載の方法。
3. 前記工具（３０）が、ねじ回しである、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記ねじ回しが、平坦な端部または頭部を有する、請求項３に記載の方法。
5. 請求項１～４のいずれか１項に記載の方法であって、前記ベーンは２つの円周壁、それぞれ上側壁（１２）および下側壁（１４）を備え、その間に少なくとも１つのベーン（１６）が延在し、該ベーンは、各前縁（１８）および後縁（２０）が前記壁の間に延在し、前記壁の第１および第２の円周縁部に対してそれぞれ少なくとも部分的に引き込まれており、少なくとも１つの一時的な支持部材（２６）が前記または各ベーンの前縁または後縁の高さに位置し、前記第１または第２の縁部を通過する平面と前記または各ベーンの前記前縁または後縁との間に延在し、前記または各支持部材が、前記部材の旋回除去のために、工具（３０）の少なくとも１つの端部を受け入れるように構成された少なくとも１つの凹部（２８）を備えることを特徴とする、方法。
6. 前記または各凹部（２８）は、横方向補強壁（２６ｅ）によって画定されている、請求項５に記載の方法。
7. 各部材（２６）は、下側壁（１４）の側に位置する端部と、上側壁（１２）の側に位置する反対側の端部との間で変化する厚さを有する、請求項５または６に記載の方法。
8. 各部材（２６）が少なくとも１つの軽量化キャビティ（３２）を備える、請求項５～７のいずれか１項に記載の方法。
9. 各軽量化キャビティ（３２）は、軽量化ノッチ（３４）を含む部材の側壁（２６ｃ）によって画定される、請求項８に記載の方法。
10. 前記軽量化ノッチ（３４）は、それぞれ、一般的なＶ字形を有する、請求項９に記載の方法。
11. セクタがモノブロックアセンブリを形成する、請求項２に記載の方法。

Images