KR101879734B1 - 유동 부품 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유동 부품을 개시한다. 상기 부품 내에서 개개의 영역들 사이의 통로들은 노치들(notches)로 표시되며, 상기 노치의 부하 스펙트럼(load spectrum)은 계산될 수 있고, 상기 노치들은, 외부로부터 직접 접근하는 것이 어렵거나 및/또는 심지어 불가능하며, 그들의 기계적 부하에 따라서 기하학적으로 형성된다.

Description

유동 부품{Flow-conducting component}

본 발명은 특별히 기계적 부하(mechanical loading)가 고려된 유동 부품의 기하학적 구성과 이러한 부품의 제조에 관한 것이며, 상기 유동 부품 내에서 개개의 영역들 사이의 전이부들(transitions)은 노치들(notches)을 가지고, 상기 노치들의 부하 스펙트럼(load spectrum)은 산술적으로 수립될 수 있다.

유동 부품들은 다양한 실시예들로 알려져 있다. 사용 조건, 다시 말해서, 작동 압력, 이송 매체, 매체의 온도 또는 그 밖의 유사한 것에 따라, 부품은 특정한 재료로 생산된다. 하우징(housing)의 정적 구성 또한 사용 분야에 매우 의존한다.

특별한 부하를 받는 영역들, 그리고 특히 다른 영역들 사이의 전이부들(transitions)에서, 특별한 기계적 응력이 형성될 수 있다. 이는 사용 수명의 감소로 이어진다. 상기 노치의 유리한 실시예의 결과로서, 응력들은 상당히 감소될 수 있지만, 이는 공구들을 사용하여 전이 영역의 가공을 요구한다.

EP 1 785 590 A1은 펌프 또는 터빈의 임펠러(impeller)의 구성과 제조를 개시하며, 노치들의 구성에 특별한 주의가 보여진다. 임펠러는 몇몇의 층들로 용접되며, 응력들은 직접 방지된다. 방법은 제조 중에 상응하는 공구들을 사용하여 상기 노치들로의 접근을 요구한다.

노치들은 외측에서 어렵게 부분적으로 직접 접근할 수 있거나 및/또는 전혀 접근할 수 없기 때문에 주조 기술과 결합 기술 둘 다 유동 부품에서 빠르게 한계에 도달한다. 이는 부품의 기하학적 구성의 면에서 상당한 제한으로 이어진다.

본 발명의 목적은, 유동 부품의 전이 위치들(transition locations), 특히 노치들(notches)의 영역에서의 기계적 부하를 위한, 간단하고 비용 효과적인 방식으로 제조될 수 있는 기하학적 구성을 찾고 사용하기 위한 것이다.

그 해법은, 특히 외측으로부터 어렵게 접근할 수 있거나 및/또는 전혀 접근할 수 없는 위치의 노치들이 그들의 기계적 응력에 따라서 기하학적으로 형성되도록 하기 위해, 상기 노치의 부하 스펙트럼(load spectrum)이 산술적으로 수립되도록 준비한다.

이 경우에, 예를 들어, 원심 펌프를 위한 임펠러(impeller)일 수 있는 유동 부품이 종래의 장치 없이 구성될 수 있도록 하는 것이 유리하다. 상기 부품의 제조 중에 단지 기계적 및 유압적 특성이 중요하기 때문에 주조 기술 및/또는 결합 방법으로부터 기인한 한계는 고려할 필요가 없다. 이러한 전통적인 제조 원리들로부터의 자유는 임펠러의 완전히 새로운 구성을 가능하게 한다.

다른 실시예에 있어서, 상기 유동 부품에서 상기 노치는 아래의 방식으로 구성된다. 상기 부품 내에서 제1 영역(A)으로부터 제2 영역(B)으로의 전이부(transition)는 각도(α)를 가지며, 상기 각도(α)의 각 이등분선(angle bisector)이 설정되고, 각 이등분선을 따라서 점(point)(P)이 결정되며, 각각의 경우에 상기 점(P)으로부터 상기 각도(α)를 형성하는 측부들(1, 2) 중 하나에 수직선(perpendicular)이 내려지고, 상기 점(P)을 통과하여 각각의 수직선에 관해 45˚의 각도(8)로 직선이 배치되며, 이 직선과 각각의 측부들(2)의 교차의 결과로서 경로(path)(S, S')가 결정되고, 상기 경로 각각의 중심에 점들(Q, Q')이 결정되며, 각각의 경우에 상기 점들(Q, Q')에서 상기 경로들(S, S')에 관해 22.5˚의 각도(10)로 상기 측부들(A, B)과 점들(R, R')에서 교차하는 직선들이 배치되며, 이 구성의 포락선(envelope)(E, E')은 상기 노치의 기하학적 구성을 미리 결정한다.

이 간단한 구성 방법은, 방향에 따라 구별된 방식으로 상기 부품 내의 기계적 부하를 고려하는 기하학적 구조를 매우 간단한 방식으로 수립할 수 있게 한다. 작용하는 힘들은 이송되는 매체의 작용과 제공된 작동 조건들 하에 분석되고, 최소 및 최대 값들이 설정된다. 이 값들에 따라, 기계적 안정성의 면에서 상기 임펠러의 요건이 설정된다. 계산 방법은 기하학적 구성을 설정하며, 그 결과 사용될 재료와 가공물의 가공 방법을 설정한다.

유리한 실시예에 있어서, 상기 부품은, 특히 금속 분말들이, 예를 들어, 레이저 또는 전자빔 용융과 같은 빔 용융 방법(beam melting method)에 의해 연결됨으로써 부품을 형성하는 생성 방법(generative method)을 사용하여 제조된다. 이는, 상기 임펠러가 매우 간단하며 그렇더라도 매우 안정된 방식으로 제조될 수 있는 이점을 가진다. 언급된 상기 방법은 높은 수준의 정밀성으로 유체-기밀(fluid-tight) 부품들의 제조를 가능하게 한다. 이 방법을 사용하면, 추가적으로 상기 부품에 특별한 표면 구조, 예를 들어, 기계적 및 유압적 특성들을 추가적으로 향상시키는 상어가죽 모양의(sharkskin) 구조를 제공하는 것이 가능하다.

다른 유리한 실시예에 있어서, 상기 유동 부품에 있어서, 적어도 하나의 노치가, 상기 부품 내부에, 특히 빈 공간(hollow space) 및/또는 언더컷(undercut) 부분에 배치된다. 이는, 기계적 마무리 가공을 위해 접근할 수 없는 상기 부품의 기하학적 구성 내의 위치들이 유리하게 성형될 수 있는 이점을 가진다. 이러한 상세한 구성은 더 적은 재료를 사용하여 기계적으로 더욱 회복력 있는 부품들의 제조를 가능하게 한다.

또 다른 실시예에 있어서, 상기 유동 부품은 펌프 부품, 특히 원심 펌프의 부품이다. 상기 기하학적 구성은 원심 펌프의 임펠러 및/또는 가이딩 휠(guiding wheel)에 특히 유리하다. 이 부품들은 특히 무거운 기계적 부하를 겪는다. 가이딩 휠/임펠러 베인(vane)과 커버 플레이트 사이의 전이부들은 때로는 접근하기가 매우 어렵다. 원심 펌프 임펠러를 포함하여, 순수한 기하학적 일반 구조에 추가하여, 상기 임펠러와 유체 사이의 경계층이 영향을 받을 수 있도록 개개의 임펠러 베인들의 표면들이 자유롭게 구성되는 것도 물론 가능하다. 그 중에서도, 유도체(inducer)를 포함하여, 부품들이 속이 빈(hollow) 방식으로 구성되는 것도 유리하며, 상당한 재료의 절감이 가능하게 된다. 그래서 상기 부품은, 속이 빈 공간 내부에 대응되는 지주들(struts)을 구성하고, 상기한 구성 원칙에 따라 기계적으로 안정화시키는 영역들 사이에 전이부들을 구성함으로써 기계적 안정성을 얻어야 한다.

또 다른 실시예에 있어서, 상기 부품은 철-기반(iron-based) 재료로 제조된다. 이는 대량 생산에 접합한 도구들에서 간단하고 비용-효과적인 제조를 가능하게 한다. 유리하게는, 상기 철-기반 재료는 오스테나이트(austenitic) 또는 마르텐사이트(martensitic) 또는 페라이트(ferritic) 또는 듀플렉스(duplex) 재료이다. 이는 내식성 부품들의 제조를 가능하게 한다. 언급된 고-에너지 빔 방법을 위해 요구되는 분말들의 제조도 비용-효과적이고 간단하다. 이는, 상기 철-기반 재료가 유리하게는 회주철(grey cast iron) 재료 또는 구상흑연주철(spheroidal graphite iron) 재료일 때 더욱 명확하게 된다.

본 발명은 실시예를 참조하여 보다 상세하게 설명된다.
도 1은 유동 부품의 두 개의 영역들 사이에 노치를 구성하기 위한 본 발명에 따른 방법을 보여준다.
도 2는 원심 펌프 임펠러 상에 구성하기 위한 본 발명에 따른 방법의 사용과 포괄 생산의 이점들을 설명한다.

도 1은 부품의 윤곽(contour)이 제1 영역(1)으로부터 비연속적인(non-continuous) 방식으로 제 영역(2)으로 병합되는 어느 위치를 보여준다. 상기 두 개의 영역들은 그들 사이에 각도(3)를 가진다. 이러한 비연속적인 위치에, 상당한 응력들(stresses)이 발달하게 되며 적정하게 구성된 기하학적 경로(geometric path)에 의해 극히 중요한 방식으로 영향을 받을 수 있다. 원하는 파괴 위치(breaking location)에서는, 한계 부하(threshold loading)의 경우에 비연속적인 위치에서 선택적인 방식으로 상기 부품이 파괴될 수 있도록 하기 위해 응력들을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 그러나, 대부분의 경우에, 그 반대가 바람직하며, 비연속적인 위치는 작용하는 힘들에 대해 충분히 회복력이 있도록 의도된다. 전통적으로, 이러한 경우에는 선택된 반경을 가진 라운딩(rounding)에 의해 예각(sharp angle)을 구성하는 소위 엔지니어의 노치(engineer's notch)가 제공된다.

현실적으로, 다양한 관찰을 참조하면, 최소의 구성 및 제조 복잡성으로 상기 부품의 부하가 매우 상당히 감소될 수 있는 방식으로, 구성이 간단하며 그렇더라도 비연속적인 위치에 관련된 힘을 흡수하는 노치를 구성하는 방법이 개발되어 왔다. 이 목적을 위해, 각 이등분선(angle bisector)(4)이 상기 각도(3)를 통과하도록 구성된다. 이 각 이등분선(4) 상에 점(point)(5)이 선택된다. 이 점(5)을 통과하는 직선들(6, 7)이 상기 영역들(1, 2)에 직각으로 배치된다. 상기 점(5)에서 이 직선들(6, 7)에 대해 45˚의 각도(8)로 상기 영역들(1, 2)과 교차하는 직선들이 배치되며, 교차점(intersection)(11)은 상기 영역(2)에 결정된다. 상기 점(5)과 교차점(11) 사이의 경로를 반분할 하는 점(9)이 얻어지며, 이 점(9)에서 22.5˚의 각도(10)로 직선이 배치되고, 이 직선은 점(13)에서 상기 영역(2)과 교차한다. 상기 점(9)과 점(13) 사이의 경로를 다시 반분할 하는 점(12)이 얻어지며, 이 점(12)에서 11.2˚의 각도(14)로 직선이 배치되고, 이 직선은 점(15)에서 상기 영역(2)과 교차한다. 이러한 구성의 포락선(envelope)이 다양한 비연속적인 위치들을 가지는 윤곽(contour)을 형성한다. 이는 절단 가공 작업에서는 차라리 불리할 수 있다. 가공물이 개개의 체적 요소들(volume elements) 또는 재료 층들을 함께 배치함으로써 제조되며, 따라서 가공이 개별 유닛들로 수행되는, 생성 제조 방법(generative production method)에 있어서는, 이러한 구성이 가공물 내에 이상적으로 수행될 수 있다.

설명된 구성은 부품의 비대칭적인 부하에 근거한다. 만약, 예를 들어, 좌측 방향/우측 방향의 회전이 교대로 일어남으로써, 상기 부품에 대칭적으로 부하가 걸리게 되면, 상기 구성은 유사한 방식으로 상기 제1 영역(1)의 방향에서 대칭적으로 완성될 수 있을 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 구성과 제조 방법의 예시적인 적용예를 보여준다. 도 2a에는, 예를 들어, 원심 펌프에 사용되는 임펠러(impeller)(16)가 도시된다. 상기 임펠러(16)는 허브 영역(17)과 커버 플레이트(20)를 가진다. 더 상세한 구성은 도 2b로부터 얻을 수 있다. 이 경우에, 임펠러 베인들(vains)(18)과 다른 커버 플레이가 보여진다. 두 개의 커버 플레이트들(20, 19)을 가진 이러한 임펠러는 닫힌 임펠러(closed impeller)로 언급된다. 상기 임펠러 베인들(18)은 상기 임펠러 허브(17)의 영역과 상기 커버 플레이트들(19, 20)의 영역 내에서 각각 전이부들(transitions)(21, 22)을 가지며, 이들은 도 1에 도시된 것들과 대응된다. 상기 커버 플레이트(19)의 영역에서, 상기 전이부(21)는, 상기 커버 플레이트(19)의 면이 상기 제1 영역(21)이 되고 상기 임펠러(16)가 상기 제2 영역(2)이 되는 이러한 방식으로 설명될 수 있다. 상기 두 개의 영역들(1, 2) 사이의 비연속적인 장소에서 발생되는 힘들은 상기 임펠러, 상기 펌프의 유체 및 적용예의 파라미터들(parameters)로부터 수립될 수 있다. 이러한 힘들을 참조하면, 상기 점(5)은 구성될 노치(notch) 내에 정의된다. 상기 노치는 이 점을 가지도록 구성된다. 만약, 상기 임펠러(16)가, 예를 들어, 3D 프린팅 방법으로 제조될 경우에, 상기 임펠러의 각각의 장소에서 상기 전이부들(21, 22)의 윤곽은, 어떠한 마감 가공 공정을 요구하지 않고, 프린팅 방법의 해상도(resolution)의 정밀도로 형성될 수 있다. 이는, 종래의 칩(chip) 제거 방법을 사용한 형상의 대응되는 정밀도로서는 형성될 수 없는 특히 유리한 윤곽이고, 심지어 도 2에서 처음으로 직접 얻을 수 없는 마무리 가공 공정을 위한 공구가 전혀 닿을 수 없는 위치에서도 형성될 수 있다.

설명된 구성 및 제조 원리는, 원칙적으로 3D 화소들(voxels) 또는 층들이 가공물에 결합되는 별개의 요소들로 작용하는 포괄적인 3D 프린팅 제조 방법의 효과를 비연속적인 표면의 기하학적 구조를 최적화하는 방법과 관련시킨다. 따라서, 연속적인 몸체를 형성하기 위해 생산물의 개개의 층들을 "매끈하게(smoothed)" 하는 가공물의 추가적인 마무리 가공 공정을 없애는 것이 가능하게 된다.

이미 도시된 닫힌 임펠러에 사용하는 것은, 제조에 있어서 그리고 정밀한 구성으로 재료를 절감할 수 있다는 가능성에 있어서 이점들을 보여준다. 특히 유리한 방식으로서, 본 발명에 따른 방법은 블랭크(blank)의 제조 후에 외부로부터 전혀 접근할 수 없는 내부 공간에 사용될 수 있다.

1. 제1 영역
2. 제2 영역
3. 각도
4. 각도 이등분선
5. 점
6. 직각
7. 직각
8. 45˚의 각도
9. 점
10. 22.5˚의 각도
11. 교차점
12. 점
13. 점
14. 12.25˚의 각도
15. 점
16. 임펠러
17. 임펠러 허브
18. 임펠러 베인
19. 커버 플레이트
20. 커버 플레이트
21. 전이부(transition)
22. 전이부(transition)

Claims (10)

1. 원심 펌프 임펠러(impeller)로서,
   상기 임펠러 내에서, 임펠러 베인들(vanes), 임펠러 허브, 및 커버 플레이트를 포함하는 개개의 영역들 사이의 전이부들(transitions)은 노치들(notches)을 가지고, 상기 노치의 부하 스펙트럼(load spectrum)은 산술적으로 수립될 수 있으며,
   상기 임펠러의 외측으로부터 공구들이 직접적으로 접근하는 것이 어렵거나 또는 전혀 접근할 수 없는 상기 노치들은 그들의 기계적 응력에 따라서 기하학적으로 형성되고,
   상기 임펠러 내에서 상기 개개의 영역들 중 어느 하나인 제1 영역(1)으로부터 상기 개개의 영역들 중 다른 하나인 제2 영역(2)으로의 전이부(transition)는 각도(3)를 가지며, 상기 각도(3)의 각 이등분선(angle bisector)이 설정되고, 이 각 이등분선을 따라서 점(point)(5)이 결정되며, 각각의 경우에 상기 점(5)으로부터 상기 각도(α)를 형성하는 상기 영역들(1, 2) 중 하나에 수직선(perpendicular)이 내려지고, 상기 점(5)을 통과하여 상기 수직선에 대해 45˚의 각도(8)로 직선이 배치되며, 이 직선과 상기 영역(2)의 교차의 결과로서 경로(path)가 결정되고, 상기 경로의 중심에 점(9)이 결정되며, 상기 점(9)에서 상기 경로에 관해 22.5˚의 각도(10)로 상기 영역(2)과 점(11)에서 교차하는 직선이 배치되며, 이 구성의 포락선(envelope)은 상기 노치의 기하학적 구성을 미리 결정하는, 이러한 방식으로 상기 노치가 구성되는, 원심 펌프 임펠러.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 임펠러는, 금속 분말들이 빔 용융 방법(beam melting method)에 의해 연결됨으로써 부품을 형성하는 생성 방법(generative method)을 사용하여 제조되는, 원심 펌프 임펠러.
4. 제 1항 또는 제 3항에 있어서,
   상기 임펠러 내부의 빈 공간(hollow space) 또는 언더컷(undercut) 부분에 적어도 하나의 노치가 배치되는, 원심 펌프 임펠러.
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 제 1항 또는 제 3항에 있어서,
   상기 임펠러는 철-기반(iron-based) 재료로 제조되는, 원심 펌프 임펠러.
9. 제 8항에 있어서,
   상기 철-기반 재료는 오스테나이트(austenitic) 또는 마르텐사이트(martensitic) 또는 페라이트(ferritic) 또는 듀플렉스(duplex) 재료인, 원심 펌프 임펠러.
10. 제 8항에 있어서,
    상기 철-기반 재료는 회주철(grey cast iron) 또는 구상흑연주철(spheroidal graphite iron) 재료인, 원심 펌프 임펠러.

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