KR20160099470A

KR20160099470A - 왁스 주입 동안 세라믹 코어를 그 길이를 따라서 지지하기 위해 플렉서블 왁스 패턴 툴을 활용하는 인베스트먼트 캐스팅

Info

Publication number: KR20160099470A
Application number: KR1020157034425A
Authority: KR
Inventors: 개리 비. 머릴; 알리스터 윌리엄 제임스; 케빈 씨. 쉬한; 벤자민 이. 헤네벨드; 이안 앨러스데어 프레이저
Original assignee: 지멘스 에너지, 인코포레이티드; 미크로 시스템즈, 인코포레이티드
Priority date: 2013-05-03
Filing date: 2014-04-30
Publication date: 2016-08-22
Also published as: RU2015147194A; JP2016516591A; MX2015014797A; EP2991787B1; EP2991787A1; WO2014179381A1; CN105592956B; US20130333855A1; RU2684004C2; CN105592956A

Abstract

인베스트먼트 캐스팅 프로세스(investment casting process)가 제공되는데, 여기서 에워싸인 세라믹 코어(enclosed ceramic core)(10)에 대한 컴플라이언트 지지(compliant support)를 제공하고, 그리고 심지어 캐스트 형상(cast shape)이 그렇지 않으면 다수의 풀 플레인(pull plane)들을 요구했을 때에도, 캐스트 왁스 패턴(cast wax pattern)(52)으로부터 툴의 제거를 가능하게 하도록, 왁스 패턴 툴(wax pattern tool)(42)이 플렉서블(flexible)하다. 포지셔닝 핀(positioning pin)들(106)이 플렉서블 툴(flexible tool)로부터 연장되어, 왁스 주입 단계(wax injection step) 동안 코어에 맞닿게 컴플라이언트 접촉할 수 있다. 핀(pin)들은 코어(core) 상에 형성된 페데스탈(pedestal)(128)과 협력하여, 왁스 주입 동안 다수의 축들을 따라서 코어를 지지할 수 있어서, 이로써 코어에 대한 손상 없이, 더 높은 왁스 주입 압력(higher wax injection pressure)이 허용된다.

Description

왁스 주입 동안 세라믹 코어를 그 길이를 따라서 지지하기 위해 플렉서블 왁스 패턴 툴을 활용하는 인베스트먼트 캐스팅{INVESTMENT CASTING UTILIZING FLEXIBLE WAX PATTERN TOOL FOR SUPPORTING A CERAMIC CORE ALONG ITS LENGTH DURING WAX INJECTION}

관련 출원들에 대한 상호-인용

본 출원은, 2010년 12월 07일자로 출원된 동시계속 출원 번호 12/961,740(대리인 관리번호 2010P13199US)의 일부계속출원이며, 이는 결과적으로, 2009년 12월 08일을 출원일로 하는 미국 가 출원 번호 61/267,519(대리인 관리번호 2009P22785US)를 우선권으로 청구한다.

본 발명은 일반적으로 인베스트먼트 캐스팅(investment casting)의 분야에 관한 것이고, 더욱 구체적으로는, 인베스트먼트 캐스팅 프로세스(investment casting process)의 일부로서 왁스 패턴(wax pattern)을 형성하기 위해 플렉서블 툴 또는 몰드(flexible tool or mold)를 사용하는 것에 관한 것이다.

인베스트먼트 캐스팅은, 그것이 처음 사용되었던 수천 년 전으로 거슬러 가면 구리, 청동 및 금과 같은 금속들로 세밀한 아트워크(artwork)를 제조하기 위한 가장 오래된 알려져 있는 금속-성형 프로세스(metal-forming process)들 중 하나이다. 산업 인베스트먼트 캐스팅들은, 제2차 세계 대전이 특수 금속 합금들로 형성된 정밀한 치수의 부품들에 대한 수요를 증가시킨 1940년대에 더 일반적이 되었다. 오늘날, 인베스트먼트 캐스팅은 항공우주 및 전력 산업들에서 복잡한 에어포일 형상(airfoil shape)들 및 내부 냉각 통로 기하구조들을 갖는 블레이드(blade)들 또는 베인(vane)들과 같은 가스 터빈 컴포넌트(gas turbine component)들을 제조하기 위해 흔히 사용된다.

인베스트먼트 캐스트 가스 터빈 블레이드 또는 베인(investment cast gas turbine blade or vane)의 제조는 세라믹 캐스팅 용기(ceramic casting vessel)를 제조하는 것을 수반하고, 이 세라믹 캐스팅 용기는, 에어포일 형상에 대응하는 내부 표면을 갖는 외부 세라믹 쉘(outer ceramic shell), 및 에어포일(airfoil) 내에 형성될 내부 냉각 통로들에 대응하는, 외부 세라믹 쉘 내에 포지셔닝(positioning)되는 하나 또는 그 초과의 세라믹 코어(ceramic core)들을 갖는다. 용융 합금(molten alloy)이 세라믹 캐스팅 용기에 유입되고, 이후, 냉각 및 경화되도록 허용된다. 이후, 기계적 또는 화학적 수단에 의해 외부 세라믹 쉘 및 세라믹 코어(들)가 제거되어, 세라믹 코어(들) 형상의 중공 내부 냉각 통로들 및 외부 에어포일 형상(external airfoil shape)을 갖는 캐스트 블레이드 또는 베인(cast blade or vane)이 드러난다.

원하는 코어 형상(core shape)을 고강도의 경화된 기계 스틸(machine steel)로 형성되는 메이팅 코어 몰드 하프(mating core mold half)들로 먼저 정밀 가공하고, 이후, 이 몰드 하프들을 결합시켜 원하는 코어 형상에 대응하는 주입 체적을 정의하고, 그리고 세라믹 몰딩 재료(ceramic molding material)를 이 주입 체적으로 진공 주입함으로써, 주입 캐스팅(injection casting)을 위한 세라믹 코어가 제조된다. 몰딩 재료(molding material)는 세라믹 파우더(ceramic powder)와 바인더 재료(binder material)의 혼합물이다. 일단 세라믹 몰딩 재료가 그린 상태(green state)로 경화되면, 몰드 하프(mold half)들이 분리되어 그린 상태의 세라믹 코어가 방출된다. 이후, 부서지기 쉬운 그린 상태의 코어(core)가 열적으로 프로세싱(processing)되어, 바인더(binder)가 제거되는 동시에 세라믹 파우더가 소결되어, 용융 합금의 캐스팅(casting)에서 살아남는데 필요한 온도 요건들을 견딜 수 있는 재료가 생성된다. 원하는 에어포일 형상에 대응하는 주입 체적을 정의하는, 다른 정밀 가공된 경화된 스틸 몰드(steel mold)(왁스 패턴 몰드(wax pattern mold) 또는 왁스 패턴 툴(wax pattern tool)로 지칭됨)의 두 개의 결합된 하프(half)들 내에 세라믹 코어를 포지셔닝시키고, 이후, 용융된 왁스(melted wax)를 세라믹 코어 주위의 왁스 패턴 몰드로 주입함으로써, 완전한 세라믹 캐스팅 용기가 형성된다. 일단 왁스(wax)가 경화되었다면, 몰드 하프들이 분리되고 제거되어, 왁스 패턴의 내부에 매입된 세라믹 코어가 드러나는데, 이 왁스 패턴이 이제 에어포일 형상에 대응한다. 이후, 왁스 패턴의 외부 표면이 예컨대 디핑 프로세스(dipping process)에 의해 세라믹 몰드 재료(ceramic mold material)로 코팅(coating)되어, 코어/왁스 패턴(core/wax pattern) 주위에 세라믹 쉘(ceramic shell)이 형성된다. 위에서 설명된 바와 같이, 쉘(shell)의 소결 및 그에 따른 왁스의 제거 시, 인베스트먼트 캐스팅 프로세스에서 용융 합금을 수용하기 위해 완성된 세라믹 캐스팅 용기가 이용 가능하다.

추가로, 왁스 패턴을 세라믹 몰드 재료로 코팅하기 전에, 포지셔닝 와이어들 또는 핀들(positioning wires or pins)을 왁스 패턴에 삽입시키는 것이 알려져 있다. 포지셔닝 와이어(positioning wire)들이 매입된 세라믹 코어와 가볍게 접촉할 때까지만 이 포지셔닝 와이어들이 왁스를 통해 삽입되고, 이에 따라 와이어(wire)의 추가적인 삽입은 그것이 부서지기 쉬운 세라믹 코어 재료에 손상을 유발하기 전에 종료된다. 와이어의 부분이 왁스 표면(wax surface)을 너머 연장된 채로 유지되고, 후속하여, 주변의 세라믹 몰드 재료(ceramic mold material) 내에 매입된다. 일단 왁스가 제거되면 그리고 후속하는 용융 금속 주입 단계 동안, 포지셔닝 와이어들은 코어에 기계적 지지를 제공하는 역할을 한다. 용융 금속이 완성된 세라믹 캐스팅 몰드(ceramic casting mold)로 주입되고 최종 캐스트 제품(final cast product)에 통합되게 된 후에, 와이어 재료(wire material), 통상적으로 백금이 용융될 것이다.

알려져 있는 인베스트먼트 캐스팅 프로세스는 값비싸고 시간 소모적이며, 새로운 블레이드 또는 베인 설계(blade or vane design)의 전개는 통상적으로, 완성되기에 여러 달이 걸리고 수십만 달러(dollar)를 요한다. 또한, 설계 선택들은 세라믹 코어들 및 왁스 패턴들의 제조 시 프로세스 제한(process limitation)들에 의해 제약된다. 금속 성형 산업은 이들 제한들을 인식했고, 적어도 몇몇의 점진적 개선들, 예컨대, 미국 특허 7,438,527에서 설명된 에어포일 트레일링 에지 냉각 채널(airfoil trailing edge cooling channel)들을 캐스팅하기 위한 개선된 프로세스(process)를 개발했다. 인베스트먼트 캐스팅 기술(investment casting technology) 분야에서 점진적 개선들이 제시되었지만, 본 발명자들은, 많은 분야들에서, 예컨대, 연소의 효율성을 개선시키기 위하여 발화 온도들이 계속해서 증가되고 그리고 전력 레벨(power level)들이 높아짐에 따라 가스 터빈 고온 가스 경로 컴포넌트 크기(gas turbine hot gas path component size)들이 계속해서 증가하는 차세대 가스 터빈 엔진(gas turbine engine)들에서, 계획된 진보들을 위한 컴포넌트 설계(component design)들을 크게 저해할 근본적인 제한들에 산업이 직면함을 인식했다.

본 발명은 인베스트먼트 캐스팅을 위한 완전히 새로운 연대(regiment)의 일부이고, 본 발명은 세라믹 코어 주위에 왁스 패턴을 캐스팅할 때 플렉서블 툴(flexible tool)의 사용에 초점을 맞춘다. 특히, 세라믹 코어는, 이 세라믹 코어의 길이를 따르는 지점들에서 왁스 주입 단계(wax injection step) 동안 플렉서블 툴로부터 지지된다. 본 발명은, 왁스 주입 단계 동안 코어의 움직임 또는 손상의 발생을 감소시키면서, 왁스 주입을 위해 더 높은 압력들이 사용되도록 허용한다. 본 발명이 어떻게 새로운 연대 내에 들어맞고 이 새로운 연대에 기여하는지를 독자가 인식할 수 있도록, 전체적인 인베스트먼트 캐스팅 프로세스가 본원에서 설명된다.

코핀 몰드(coffin mold) 내에 플렉서블 인서트(flexible insert)를 갖는 하이브리드 툴(hybrid tool)로서 플렉서블 왁스 패턴 몰드(flexible wax pattern mold)가 형성될 수 있다. 캐스트 피처(cast feature)들 주위에 플렉서블 인서트를 변형시킴으로써, 플렉서블 인서트는 캐스트 왁스 패턴(cast wax pattern)으로부터의 왁스 패턴 툴(wax pattern tool)의 제거를 가능하게 하고, 이는 그렇지 않으면 하드 툴링(hard tooling)에 대한 다수의 풀 플레인(pull plane)들을 요구했을 것이다. 이 플렉서블 인서트는, 비교적 저비용의 낮은 경도의 재료, 예컨대, 알루미늄(aluminum) 또는 마일드 스틸(mild steel)로 가공되는 마스터 툴(master tool)로부터 캐스팅될 수 있다.

몇몇의 원하는 표면 지형들은 너무 미세해서, 이 표면 지형들은 후속하는 처리 및 세라믹 쉘 형성 단계(ceramic shell forming step)들 동안 왁스의 표면에서 살아남지 못할 수 있다. 이러한 실시예들의 경우, 플렉서블 왁스 패턴 몰드(flexible wax pattern mold)와 함께 세라믹 인서트(ceramic insert)가 사용될 수 있다. 세라믹 인서트는 원하는 복잡한 표면 지형을 포함하도록 형성될 수 있다. 세라믹 인서트는 플렉서블 왁스 패턴 몰드에 세팅(setting)되고, 그리고 왁스 주입 체적(wax injection volume)을 정의하는 표면의 일부를 형성한다. 왁스 주입 및 고형화 후에, 플렉서블 왁스 패턴 몰드가 제거될 때, 세라믹 인서트는 왁스 패턴에 부착된 채로 유지된다. 후속하여, 세라믹 쉘이 예컨대 위에서 설명된 바와 같이 디핑 프로세스에 의해 왁스 패턴 및 이 왁스 패턴에 부착된 인서트(insert) 주위에 형성되고, 그리고 발화 시, 이 인서트는 세라믹 쉘의 통합 부분이 된다.

또한, 플렉서블 왁스 패턴 몰드에 배치된 세라믹 인서트는, 추후에 캐스팅되는 금속 부품(subsequently cast metal part)의 표면-오프닝 통로(surface-opening passage)들, 예컨대, 가스 터빈 블레이드(gas turbine blade)를 위한 트레일링 에지 냉각 홀(trailing edge cooling hole)들을 정의하는데 사용될 수 있다. 이 실시예에서, 세라믹 인서트는 냉각 홀(cooling hole)들의 원하는 형상에 대응하는 돌출부들을 포함할 것이다. 돌출부들이 세라믹 코어와 접촉하도록 연장되어, 이로써 추후에 캐스팅되는 부품(subsequently cast part)에 냉각 채널(cooling channel)들이 정의되며, 이 냉각 채널들은 블레이드의 중공 내부 부분(세라믹 코어에 의해 정의됨)으로부터 블레이드 표면(blade surface)(세라믹 쉘(ceramic shell)의 내부 표면에 의해 정의됨)으로 연장된다. 돌출부의 말단부는, 세라믹 코어 상에 형성되는 협력하는 피처(cooperating feature)와 메이팅(mating)하는 피처(feature)를 갖게 형성될 수 있다. 코어와 세라믹 인서트 돌출부(ceramic insert projection) 사이의 기계적 접촉은, 플렉서블 왁스 패턴 몰드 내에 세라믹 코어를 정밀하게 위치시키고 그리고 또한 후속하는 왁스 및 금속 주입 단계들 동안 세라믹 코어를 기계적으로 지지하는 역할을 한다.

왁스 패턴 몰드의 플렉서블 인서트는 정렬 피처(alignment feature)들을 포함하도록 형성될 수 있고, 이 정렬 피처들은 인서트가 주변의 코핀 몰드에 대해 정밀하게 위치되도록 허용하며, 이는 결국, 왁스 주입 단계 동안, 에워싸인 세라믹 코어에 대해 인서트 및 인서트 상에 형성된 임의의 피처를 정밀하게 위치시킬 수 있다.

플렉서블 몰드(flexible mold) 또는 플렉서블 몰드 인서트(flexible mold insert)를 형성하는데 사용되는 몰딩 재료(molding material)에는, 플렉서블 인서트가 원하는 방식으로 반응하도록 허용하는 재료 또는 디바이스(device)가 인퓨징(infusing)될 수 있거나, 또는 이 재료 또는 디바이스 주위에 이 몰딩 재료가 캐스팅될 수 있다; 본원에서는, 리액티브 엘리먼트(reactive element)를 포함하는 플렉서블 인서트로서 폭넓게 설명된다. 리액티브 엘리먼트는, 원하는 특징을 추후에 큐어링되는 재료(subsequently cured material)에 부여(imparting)하는 필링 재료(filling material)일 수 있다. 예컨대, 자기 입자들이 필러(filler)로서 사용된다면, 큐어링된 플렉서블 인서트(cured flexible insert)는 자기 에너지(magnetic energy)에 반응할 것이다. 이 특징은, 코핀 몰드가 영구 자석 또는 전자석을 포함하도록 형성될 때 주변의 코핀 몰드 내에 플렉서블 인서트를 고정시키는데 유용할 수 있다. 열적 전도성 또는 열적 절연 재료들이 필러로서 사용된다면, 플렉서블 인서트를 통한 열 전달은 이 플렉서블 인서트의 사용 동안에 더욱 편리하게 제어될 수 있다.

그것이 형성될 때 플렉서블 몰드 또는 인서트(flexible mold or insert) 내에 임베딩(embedding)될 수 있는 다른 타입(type)의 리액티브 엘리먼트는 액티브 디바이스(active device)이다. 이러한 액티브 디바이스들은, 온도 센서(temperature sensor), 압력 센서(pressure sensor), 기계식 바이브레이터(mechanical vibrator), 가열 또는 냉각 디바이스(heating or cooling device), 또는 후속 왁스 주입 프로세스(subsequent wax injection process) 동안 플렉서블 인서트가 사용될 때 유용할 수 있는 다른 디바이스를 포함할 수 있다.

포지셔닝 핀(positioning pin)들(와이어(wire)들)은 금속 캐스팅(metal casting) 동안 에워싸인 세라믹 코어를 기계적으로 지지하기 위해 플렉서블 왁스 패턴 몰드와 함께 사용될 수 있고, 중요하게, 이들은 왁스 주입 단계 전에 세라믹 코어에 맞닿게 포지셔닝될 수 있다. 특수 핀 지지 엘리먼트(specialized pin supporting element)들이 플렉서블 인서트의 표면의 리세스(recess)들에 위치되어, 이로써 왁스 주입 전에, 핀(pin)들이 세라믹 코어에 대해 정밀하게 포지셔닝된다. 이는 왁스 주입 동안 핀들이 코어를 지지하도록 허용하고, 이는 또한, 핀들이 이미 캐스팅된 왁스 패턴을 통해 삽입될 것을 요구했던 종래 기술의 프로세스에서보다 더욱 정밀하게 핀들이 위치되도록 허용한다. 그 결과, 부서지기 쉬운 세라믹 코어에 대한 손상이 감소되고, 프로세스 수율(process yield)이 증가된다. 핀이 두 개의 축들을 따라서 코어에 지지를 제공하도록 허용하기 위하여, 세라믹 코어는, 핀의 단부와 협력하도록 특정하게 치수화 및 포지셔닝된 표면 피처(surface feature)를 갖게 형성될 수 있다.

본 발명에서 활용되는 가능한 기술은 미국 특허들 7,141,812 및 7,410,606 및 7,411,204에서 설명되며, 이들 전부는 버지니아(Virginia) 샬로츠빌(Charlottesville)의 Mikro Systems, Inc.에 양도되었고 인용에 의해 본원에 통합된다. 이 기술은 보통, 토모 리소그래픽 몰딩 기술(Tomo Lithographic Molding Technology)(이후에, "토모 프로세스(Tomo process)"로 지칭됨)로 지칭되고, 이 기술은 플렉서블 유도 몰드(flexible derived mold)를 제조하기 위해 금속성 포일 스택 라미네이션 몰드(metallic foil stack lamination mold)의 사용을 수반하고, 결과적으로, 이 플렉서블 유도 몰드는 이후 컴포넌트 부품(component part)을 캐스팅하는데 사용된다. 컴포넌트 설계(component design)는 먼저, 디지털 모델(digital model)로 구현되고, 이후, 디지털 방식으로(digitally) 슬라이싱(slicing)되며, 포토리소그래피(photolithography) 또는 다른 정밀 재료 제거 프로세스(precision material removal process)를 사용하여 각각의 슬라이스(slice)에 대응하는 금속 포일(metal foil)이 형성된다. 이차원 재료 제거 프로세스(two-dimensional material removal process)의 내재적 정밀도는, 삼차원에서 다양한 슬라이스들의 두께를 제어하는 설계자의 능력과 결합하여, 이전에 표준 몰드 가공 프로세스(standard mold machining process)들을 사용하여서는 이용 가능하지 않았던, 어느 정도의 삼차원 제조 허용오차 정밀도를 제공한다. 포일(foil)들이 함께 적층되어, 적절한 플렉서블 몰딩 재료(flexible molding material)를 수용하기 위한 라미네이션 몰드(lamination mold)가 형성된다. 본원에서, 용어 "플렉서블(flexible)"은 상온 경화성(RTV:room temperature vulcanizing) 실리콘 고무(silicon rubber)와 같은 재료를 지칭하는데 사용되거나, 또는 종래 기술의 금속 몰드(metal mold)들처럼 경성이 아니라, 몰드 안에 캐스팅된 구조로부터 몰드(mold)의 제거를 가능하게 하는 정도로 몰드가 휘어지고 스트레칭(stretching)되도록 허용하는 "플렉서블 몰드"를 형성하는데 사용될 수 있는 다른 재료를 지칭하는데 사용된다. 또한, 본원에서, 용어들 "플렉서블 몰드(flexible mold)" 및 "플렉서블 툴(flexible tool)"은, 자립형 플렉서블 구조(self-standing flexible structure) 뿐만 아니라 경성 코핀 몰드(rigid coffin mold) 내에 포함된 플렉서블 라이너 또는 인서트(flexible liner or insert)를 포함하도록 사용될 수 있다. 이후, 컴포넌트(component)가 플렉서블 몰드로 직접적으로 캐스팅된다. 몰드 재료(mold material)의 유연성은, 캐스트 부품(cast part)이 몰드의 밖으로 빼내질 때 피처 주위에서 변형하는 플렉서블 몰드 재료(flexible mold material)의 능력으로 인해, 돌출한 언더컷(undercut)들 및 리버스 단면 테이퍼(reverse cross-section taper)들을 갖는 컴포넌트 피처(component feature)들의 캐스팅을 가능하게 한다.

총괄하여, 하기에서 더욱 완전히 설명되는 바와 같이, 이들 개선들은 종래 기술의 제한들, 특히, 인베스트먼트 캐스팅 프로세스의 왁스 패턴 부분(wax pattern portion)에서의 제한들 중 많은 제한들을 극복하는, 인베스트먼트 캐스팅에 대한 새로운 연대를 정의한다.

본 발명은, 하기를 도시하는 도면들을 고려하여 하기의 설명에서 상세히 설명된다:
도 1은 종래 기술의 세라믹 코어이다.
도 2a-도 2b는 인베스트먼트 캐스팅 프로세스에 대한 왁스 패턴 툴링(wax pattern tooling)을 제조하기 위한 단계들을 예시한다.
도 3은 세라믹 코어를 포지셔닝시키고 왁스 주입 동안 이 세라믹 코어를 지지하기 위해 플렉서블 왁스 패턴 몰드(flexible wax pattern mold)와 세라믹 코어 사이에 위치된 스페이서(spacer)를 예시한다.
도 4a-도 4h는 인베스트먼트 캐스팅 프로세스의 단계들을 예시하는데, 여기서 엔지니어링(engineering)된 표면 지형이 금속 부품 표면(metal part surface)으로 직접적으로 캐스팅된다.
도 5는 토모-프로세스 플렉서블 툴링(Tomo-process flexible tooling)으로부터 생성되는 제1 왁스 패턴 표면(first wax pattern surface)이다.
도 6은 토모-프로세스 플렉서블 툴링으로부터 생성되는 제2 왁스 패턴 표면(second wax pattern surface)이다.
도 7은 돌출한 표면 패턴(protruding surface pattern)을 갖는 왁스 패턴 표면(wax pattern surface)이다.
도 8a-도 8c는 점진적인 그릿 블라스팅(progressive grit blasting)을 겪는 단일 마스터 툴(single master tool)로부터 유도되는 왁스 표면들을 도시한다.
도 9a-도 9c는 인베스트먼트 캐스트 부품(investment cast part)에서 엔지니어링된 표면을 제조하기 위한 단계들을 예시한다.
도 10a-도 10b는 캐스트 금속 부품(cast metal part)에서 표면 오프닝 통로(surface opening passageway)들을 정의하는데 사용되는 왁스 패턴 툴 인서트(wax pattern tool insert)를 예시한다.
도 11은 코핀 몰드에 부착된 자석들 및 리액티브 (자기) 입자(reactive (magnetic) particle)들을 포함하는 플렉서블 왁스 주입 몰드 인서트(flexible wax injection mold insert)의 부분적인 단면도이다.
도 12는 코핀 몰드에 포지셔닝된 플렉서블 왁스 주입 몰드 인서트의 부분적인 단면도인데, 여기서 라이너(liner)가 액티브 디바이스를 캡슐화(encapsulating)한다.
도 13a-도 13e는 플렉서블 몰드 인서트(flexible mold insert)와 코어 포지셔닝 와이어(core positioning wire)의 사용을 예시하고, 이로써 왁스 주입 단계 전에 와이어는 코어에 맞닿게 포지셔닝된다.
도 14는 빗(comb) 설계를 갖는 인서트(insert)를 예시한다.
도 15 및 도 16은 왁스 주입 동안 다수의 축들을 따라서 코어를 지지하기 위해, 세라믹 코어 상에 형성된 페데스탈(pedestal)과 협력하는 코어 포지셔닝 와이어(core positioning wire)의 사용을 예시한다.
도 17은 툴 풀 플레인(tool pull plane)에 대해 얕은 각도(shallow angle)로 배치된 코어 포지셔닝 와이어에 대한 일시적 지지 엘리먼트(fugitive supporting element)의 사용을 예시한다.

이와 같은 인베스트먼트 캐스팅 프로세스의 일부가, 복잡한 내부 냉각 통로들을 갖는 가스 터빈 블레이드(gas turbine blade) 또는 다른 컴포넌트를 캐스팅하기 위해 사용될 수 있기 때문에, 세라믹 코어가 먼저 제조되고, 이 세라믹 코어는 내부 냉각 통로들의 형상을 정의할 것이다. 도 1은 임의의 알려져 있는 프로세스에 의해 형성될 수 있는 이러한 하나의 세라믹 코어(10)의 예시이다.

일단 세라믹 코어가 제조되면, 인베스트먼트 캐스팅 프로세스의 다음 차례의 단계는, 캐스트 블레이드(cast blade) 또는 다른 캐스트 부품의 궁극적인 외부 표면 형상을 정의하기 위해 코어 주위에 왁스를 캐스팅하기 위한 왁스 패턴 툴(wax pattern tool)의 일부로서 코어를 사용하는 것이다. 종래 기술의 왁스 패턴 툴링 설계(wax pattern tooling design)는, 부품의 기하구조로 인해 왁스 패턴 또는 캐스트 부품으로부터 이 툴링(tooling)의 제거를 위해 다수의 풀 플레인(pull plane)들이 요구될 때, 특히 복잡하고 값비싸다. 본 발명은, 툴(tool) 제조 시간 및 비용을 통상적인 왁스 패턴 툴링에 대해 요구되는 것의 작은 부분(fraction)으로 감소시키는 왁스 패턴 툴링에 대한 신규한 접근법을 제공하고, 추가로, 더 큰 컴포넌트 설계 유연성(component design flexibility) 및 더 높은 캐스팅 수율(casting yield)들을 야기하는 개선된 능력들을 제공한다. 종래 기술의 값비싼 기계 툴 스틸 툴링(machine tool steel tooling) 대신에, 단순한 저비용의 알루미늄(aluminum) 또는 소프트 스틸(soft steel)(또는 소프트 금속(soft metal)으로 총괄하여 지칭되는, 쉽게 가공되는 다른 재료) 마스터 툴링(master tooling)이 사용된다. 이후, 마스터 몰드(master mold)로부터 저압력 주입 프로세스(low pressure injection process)를 사용하여, 유도된 플렉서블 왁스 패턴 몰드(flexible wax pattern mold)(툴)가 제조된다. 도 2a는 플렉서블 왁스 패턴 툴(flexible wax pattern tool)(16)의 하나의 면(side)(16a)을 제조하기 위해, 플렉서블 몰드 재료(flexible mold material)(14)를 수용하는 가공된 알루미늄과 같은 소프트 금속으로 형성된 마스터 툴(master tool)(12)의 섹션(section)을 예시하고, 이 플렉서블 왁스 패턴 툴(16)의 다른 하나의 면(16b)이 유사한 방식으로 제조된다. 플렉서블 왁스 패턴 툴은 완전히 플렉서블 몰드 재료로 형성될 수 있거나, 또는 이 플렉서블 왁스 패턴 툴은 하기에서 예시 및 논의되는 고체 코핀 몰드(solid coffin mold)와 함께 사용되는 플렉서블 몰드 인서트(flexible mold insert)(또는 라이너(liner))의 하이브리드 형태(hybrid form)를 취할 수 있다. 플렉서블 왁스 패턴 툴의 어셈블링(assembling)되는 두 개의 면들이 도 2b에 도시되고, 이 도 2b는 플렉서블 몰드 면(flexible mold side)들 사이에 정의되는 주입 캐비티(injection cavity)(18)로의 세라믹 코어의 배치를 예시한다.

마스터 툴은 하나 또는 그 초과의 정밀 인서트(precision insert)들(20)을 수용하도록 형성될 수 있고, 도 2a-도 2b의 실시예에서, 이 정밀 인서트들(20)은, 코어에 인접하는 몰드의 플렉서블 내부 표면(flexible inner surface)(24)과 통합되도록 형성되는, 예컨대 플렉서블 포지셔닝 핀(flexible positioning pin)들의 형상의 포지셔닝 피처(positioning feature)들(22)을 형성하는데 사용된다. 다양한 형상들의 정밀 인서트들이, 하기에서 더욱 완전히 설명되는 바와 같이, 예컨대, 이후에 캐스팅되는 금속 부품(later-cast metal part)에 적용될 코팅(coating)의 부착을 가능하게 하는 엔지니어링된 표면 거칠기(engineered surface roughness)를 포함하는 고화질 세부사항의 개선된 영역들을 정의하는데 필요하다면, 마스터 툴의 임의의 영역에서 사용될 수 있다. 토모 프로세스(Tomo process), 스테레오 리소그래피(stereo lithography), 직접 금속 제작(direct metal fabrication) 또는 다른 고화질 프로세스(high definition process)를 사용하여 인서트들이 형성될 수 있다. 이후, 마스터 툴링(master tooling)의 하이브리드 표면(hybrid surface)(26)(가공된 알루미늄 표면(aluminum surface) 및 정밀 인서트 표면(precision insert surface))이 마스터 툴의 세부사항을 복제하는 왁스 주입 몰드(wax injection mold)의 플렉서블 내부 표면에 모사된다.

도 2b에 예시된 포지셔닝 피처들은, 세라믹 코어와의 약한 접촉을 위해, 높은 기계적 히스테리시스(mechanical hysteresis)를 갖는 플렉서블 몰드(flexible mold)의 몸체로부터 연장되며, 이로써 플렉서블 왁스 패턴 몰드(flexible wax pattern mold) 내에서 코어의 적절한 포지션(position)이 보장된다. 포지셔닝 피처들은, 왁스 주입 동안 코어에 기계적 지지를 제공하면서, 코어/몰드 인터페이스(core/mold interface)(28)에서 어느 정도의 컴플라이언스(compliance)를 제공한다. 종래 기술의 툴링은 코어와의 강한 접촉을 위해 금속 핀(metal pin)들을 포함하는 것으로 알려져 있지만, 이러한 강한 접촉은 종종, 몰드 클로저(mold closure) 동안 비교적 부서지기 쉬운 세라믹 코어에 손상을 유발한다. 본원에 설명되는 플렉서블 피처들은 어느 정도의 관대함(forgiveness)을 제공하고, 이 관대함은 코어에 대한 감소된 손상 기회로 인해 수용 가능한 부품들의 더 높은 수율로 해석된다. 포지셔닝 피처들의 유연성의 정도는 가변할 수 있지만, 이 포지셔닝 피처들은 그들이 접촉하는 코어 표면(core surface)보다 훨씬 더 유연할 수 있어, 세라믹 코어 재료(ceramic core material)에 대한 손상을 유발하지 않고, 이 포지셔닝 피처들이 코어에 의해 변형될 수 있다. 그에 반해서, 종래 기술의 포지셔닝 핀(positioning pin)들은 코어 재료(core material)보다 더 경성이고, 이 종래 기술의 포지셔닝 핀들은 세라믹 코어 재료에 대한 손상을 유발하지 않고는 코어에 의해 변형될 수 없다. 유리하게, 포지셔닝 피처(positioning feature)들은 몰드 재료(mold material)의 플렉서블 특성(flexible nature)으로 인해 풀 플레인들과 평행하게 위치될 필요가 없고, 이는 제거를 가능하게 하기 위해 이 포지셔닝 피처들이 휘어지도록 허용한다.

도 3에 예시된 다른 실시예에서, 코어를 포지셔닝시키고 코어에 기계적 지지를 제공하기 위하여, 플렉서블 몰드에 통합되지 않는 플렉서블 핀 또는 스페이서(flexible pin or spacer)(30)가 코어와 플렉서블 몰드 사이에 위치될 수 있다. 이러한 비-통합 스페이서(non-integral spacer)는, 코어에 대한 손상을 유발하지 않고 세라믹 코어와 맞물릴 수 있는 거품 또는 왁스 또는 임의의 재료로 형성될 수 있다. 스페이서(spacer)는 접착제(32)로 적소에 홀딩(holding)될 수 있고, 그리고/또는 이 스페이서는 플렉서블 몰드에 형성된 오프닝(opening)(34)에 삽입될 수 있다. 스페이서는, 왁스 주입(wax injection) 후에 쉘 경화(shell hardening) 동안 태워지도록 설계될 수 있거나, 또는 이 스페이서는 쉘링(shelling) 전에 왁스 패턴의 밖으로 빼내질 수 있다. 대안적으로, 스페이서는 세라믹 캐스팅 재료(ceramic casting material)로 형성될 수 있고, 이 스페이서는 왁스 패턴에 의해 인트랩핑(entrapping)된 채로 유지될 수 있고, 이후, 후속하여 적용되는 세라믹 쉘 재료(ceramic shell material)로 코팅되고 이 세라믹 쉘 재료와 통합될 수 있다. 용융 금속 합금 캐스팅(molten metal alloy casting) 시, 인트랩핑된 세라믹 스페이서(entrapped ceramic spacer)가 캐스트 금속 부품(cast metal part)의 표면-오프닝 통로(surface-opening passageway)를 정의하도록 기능할 것이다. 이들 옵션(option)들 중 임의의 옵션에서, 플렉서블 몰드의 플렉서블 내부 표면 뿐만 아니라 스페이서 자체의 유연성이 왁스 주입 단계 동안 코어에 어느 정도의 컴플라이언트 지지(compliant support)를 제공하는 역할을 한다.

왁스 패턴 툴링(wax pattern tooling)을 제조하기 위한 위에서 설명된 연대는, 하기의 표 1에서 요약된 바와 같이, 알려져 있는 종래 기술의 프로세스들에 비해 낫다.

종래 기술의 특징들	본 발명의 특징들	종래 기술의 능력	본 발명의 능력
하드 정밀 툴링(Hard Precision Tooling)	소프트 정밀 툴링(Soft Precision Tooling)
		선형 추출(linear extraction) 전용.	곡선 추출 능력.
		단일 단면 풀 플레인(single cross section pull plane)	다수의 단면 풀 플레인들(multiple cross section pull planes)
		하드 핀(hard pin)들이 하드 툴(hard tool) 내에 코어를 위치시킨다.	플렉서블 몰드 익스텐더(flexible mold extender)들이 플렉서블 몰드 내에 코어를 위치시킨다.
코어 인터페이스(core interface)에 대한 하드 툴(hard tool).	코어 인터페이스에 대한 소프트 툴(soft tool).	툴 인터페이스(tool interface)에 대한 제한된 코어가 더 낮은 확실성의 코어 위치(core location)를 제공한다.	소프트 툴 인터페이스(soft tool interface)에 코어의 덜 견고한 영역들을 위치시킬 수 있다. 코어 위치에 대한 더 많은 제어.
		유연하지 않은 툴 세트(tool set), 높은 수정 비용.	저비용의 모듈식 수정(modular modification)들이 가능함.
		경성 몰드 캐비티(rigid mold cavity), 정밀 선형 툴 분리(precision linear tool separation).	플렉서블 몰드 캐비티(flexible mold cavity), 비-선형 몰드 분리(non-linear mold separation).

도 4a-도 4h는 인베스트먼트 캐스팅 프로세스의 단계들을 예시하는데, 엔지니어링된 표면 지형(engineered surface topography)(36)이 금속 부품 표면(metal part surface)(38)으로 직접적으로 캐스팅된다. 도 4a에서, 코핀 몰드(다이(die))(40)의 두 개의 하프들이 도시되는데, 각각의 하프는 원하는 표면 지형을 포함하는 노출된 표면을 갖는 플렉서블 몰드 인서트(라이너)(42a, 42b)를 포함한다. 플렉서블 인서트들은, 토모 프로세스로 또는 다른 정밀 프로세스(precision process)로 형성된 마스터 몰드(master mold)로부터 직접적으로 제조될 수 있다. 도 4b는, 세라믹 코어 주위에 플렉서블 왁스 패턴 툴(44)로서 서로 어셈블링되며, 이로써 추후에 캐스팅되는 금속 부품(46)의 원하는 형상에 컨포밍(conforming)하는 주입 캐비티(18)가 정의되게 하는 코핀 몰드 하프(coffin mold half)들을 도시한다. 코어 프린트(core print)(48)로서 알려져 있는 세라믹 코어의 단부들이 연장되어 코핀 몰드와 접촉하여, 코핀 몰드 및 플렉서블 몰드 인서트에 대해 코어가 지지된다. 이후, 도 4c에 예시된 바와 같이, 주입 프로세스(injection process)를 사용하여, 주입 캐비티가 왁스(50)로 필링(filling)된다. 왁스가 경화된 후에, 툴이 제거되어, 도 4d에 도시된 왁스 패턴(52)이 드러나고, 이 왁스 패턴(52)은 자신의 외부 표면에 원하는 지형을 갖는다. 이후, 기술분야에서 알려져 있는 기술들을 사용하여 이 왁스 패턴이 세라믹 재료(ceramic material)로 코팅(쉘링(shelling))되어, 도 4e에 도시된 왁스-필링된 세라믹 캐스팅 용기(wax-filled ceramic casting vessel)(54)가 형성된다. 이후, 예컨대 가열에 의해 왁스가 제거되어, 도 4f에 도시된 캐스팅 용기(casting vessel)(56)가 제조된다. 이후, 도 4g에 도시된 바와 같이, 용융 금속 합급(molten metal alloy)(58)이 캐스팅 용기로 캐스팅되고, 그리고 세라믹 캐스팅 용기(ceramic casting vessel)가 파괴적으로 제거되어 컴포넌트 부품(component part)(46)이 드러나는데, 이 컴포넌트 부품(46)은 자신의 표면(38) 상에 도 4h에 예시된 바와 같이 통합적으로 캐스팅된 엔지니어링된 표면 지형(integrally cast engineered surface topography)(36) 및 내부 캐비티(internal cavity)(60)를 갖는다.

언급된 미국 특허들 7,141,812 및 7,410,606 및 7,411,204에서 설명된 바와 같이, 도 4a의 플렉서블 몰드 인서트들은 토모 프로세스 마스터 몰드(Tomo process master mold)로부터 직접적으로 유도될 수 있다. 대안적으로, 토모 프로세스 몰드 또는 다른 정밀 마스터 몰드(Tomo process mold or other precision master mold)는 하나 또는 그 초과의 중간 몰드(intermediate mold)들을 형성하는데 사용될 수 있는데, 이 중간 몰드(들)는, 표면 지형을 수정하고 추가로 개선시키는 추가적인 프로세스 단계(process step)를 겪는다. 일 실시예에서, 금속 포일 마스터 토모 프로세스 몰드(metal foil master Tomo process mold)가 제1 플렉서블 몰드(first flexible mold)를 캐스팅하는데 사용되고, 이 제1 플렉서블 몰드는 섬유질 재료 중간 몰드(fibrous material intermediate mold)를 캐스팅하는데 사용된다. 이후, 중간 몰드가 그릿 블라스팅되어, 몰드의 표면에서 섬유들 중 일부가 노출된다. 이후, 제2 플렉서블 몰드(second flexible mold)가 중간 몰드로 캐스팅되고, 이 제2 플렉서블 몰드는 노출된 섬유들의 형상을 자신의 표면 지형의 일부로서 모사할 것이다. 이후, 이 제2 플렉서블 몰드는 도 4a의 코핀 다이(coffin die)에서 사용된다.

플렉서블 툴링(flexible tooling)은, 자신의 가장 단순한 형태로, 왁스의 표면에 일반적으로 리세싱(recessing)될 수 있는 왁스 패턴의 표면에 견고한 피처(robust feature)들을 생성하는데 사용된다. 통상적으로, 이 피처들은, 인터로크 기하구조(interlock geometry)를 생성하고 겹쳐진 코팅(overlying coating)과의 인터페이스(interface)의 표면적을 증가시키기 위해, 에지(edge)에서 높은 각도 스텝(high angle step)들을 생성하려는 목표로, 비교적 작은(low) 각도를 이룰 것이며 얕은 프로파일(profile)을 가질 것이다. 육각형 타입 구조(hexagonal type structure) 또는 허니콤 구조(honeycomb structure)가 사용될 수 있다. 도 5는 위에서 설명된 단계들을 사용하여 왁스 패턴의 표면에서 견고한 것으로 발견된 이러한 하나의 표면(62)을 도시한다. 왁스 패턴들의 이러한 표면들은 인베스트먼트 캐스팅들에서 변환 가능한 허니콤-형 표면(honeycomb-like surface)들을 제조하고, 이는 (매크로 범위(macro range)에서) 주기적으로 거친 표면을 야기하며, 이 주기적으로 거친 표면은 겹쳐진 코팅층(overlying coating layer)과의 본드 무결성(bond integrity)을 위한 높은 정도의 인터로크(interlock) 및 증가된 표면적을 생성한다. 또한, 표면을 가로질러 증가된 중간 코팅부 두께(increased intermittent coating thickness)로부터 부가적인 이득이 얻어질 수 있다.

부가적인 표면 엔지니어링(additional surface engineering)이 예컨대 도 6에서 보여지는 훨씬 더 넓은 표면적 증가 및 인터로크를 야기할 수 있는데, 여기서 육각형 형태의 에지들이 둥글게 되어 기어-코그 타입 층(gear-cog type layer)들(64)이 형성된다. 통상적인 표면 피처 깊이(surface feature depth)들이 0.38 mm 및 0.66 mm 둘 다에서 제조되고 효과적인 것으로 도시었지만, 이들 깊이들이 최적화를 표현하는 것이 아니며 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 높은 표면 모남의 영역들(예컨대, 에어포일 또는 에어포일/플랫폼 교차점(airfoil/platform intersection)의 리딩 에지 섹션(leading edge section) 또는 트레일링 에지 섹션(trailing edge section))에서는, 표면으로부터의 패턴 돌출부(pattern protrusion)들이 유리할 수 있다. 이러한 돌출부들은 제2세대 플렉서블 몰드(second generation flexible mold)들(즉, 플렉서블 몰드 마스터(flexible mold master)들로부터의 플렉서블 몰드 모사(flexible mold replication))로부터 제조될 수 있다. 도 7은 이러한 몰드 기술(mold technique)에 의해 제조되는 돌출된 왁스 표면 패턴(protruded wax surface pattern)(66)의 예를 도시한다. 돌출한 몰드(protruding mold)들은 표면에 언더컷(undercut)들을 제조하도록 엔지니어링될 수 있어서, 이로써 코팅과의 기계적 인터로크의 정도가 증가된다. 이는, 상당한 스트레스(stress)가 가해지는 코팅들의 영역들에서 특히 유용하다. 언더컷들이 디프레스된 표면 피처(depressed surface feature)들에서 또한 생성될 수 있음이 주목된다.

마스터 툴링은 추가로, 넌-토모 표면 수정 기술(non-Tomo surface modifying technique)들, 예컨대 그릿 블라스팅에 의해, 또는 샌딩(sanding)에 의해, 또는 표면에 레이저-유도된 마이크로 포트 마크(laser-derived micro pot mark)들을 제조함으로써, 또는 예컨대 에폭시(epoxy)와 같은 접착제를 이용하여 마스터 툴(master tool)의 표면에 본딩(bonding)되는 제2 위상 재료의 부가에 의해 수정될 수 있다. 이러한 재료들은 실리콘 카바이드 입자(silicon carbide particle)들 또는 초핑된 섬유(chopped fiber)들(이들로 제한되지 않음)을 포함할 수 있고, 이들은 랜덤하게(randomly) 또는 미리결정된 패턴(predetermined pattern)으로 표면에 적용될 수 있다. 표면 수정 기술 또는 제2 위상 재료는 툴의 표면에 랜덤 표면 어레이(random surface array)를 제조하며, 이 랜덤 표면 어레이는, 플렉서블 몰드 툴(flexible mold tool)의 표면을 정의하는데 사용될 수 있고 제2세대 플렉서블 몰드 툴(second generation flexible mold tool)로부터 잠재적으로 복제될 수 있다. 예로서, 도 8a-도 8c는, 고유한 마이크로 표면 피처(unique micro surface feature)들을 제조하기 위해 다양한 정도들의 하이브리드화된 표면(hybridized surface)들로 점진적으로 수정된 마스터 툴로부터 제조되는 왁스 패턴 표면들(wax pattern surface)(68, 70, 72)을 도시한다. 이 경우, 마스터 툴은 점진적으로 그릿 블라스팅되었고, 기본적인 토모 프로세스 형상(Tomo process shape)이 점진적으로 부식(eroding)되며, 이는 표면들(68)로부터 표면(72)으로 진행될 때 훨씬 더 둥글게 된 구조를 야기하지만, 토모 프로세스 피처(Tomo process feature)의 기본적인 형상을 여전히 유지시킨다. 리세스된 또는 돌출한 엔지니어링된 표면(recessed or protruding engineered surface)들을 제조하기 위해 토모 프로세스의 능력과 결합되는 이러한 하이브리드화(hybridization)는, 캐스트 직후 상태 부품(as-cast part)의 폭넓게 다양한 엔지니어링된 표면(engineered surface)들을 제조하기 위한 프로세스의 실질적인 유연성을 나타낸다. 유리하게, 본 프로세스는, 부가적인 실제 그릿 블라스팅에 대한 필요 없이, 그릿 블라스팅된 마스터 툴(grit blasted master tool) 내에 캐스팅되는 플렉서블 인서트들의 다수의 생성들을 통해, 그릿 블라스팅된 마스터 툴 표면(grit blasted master tool surface)의 복제를 허용하고, 이에 따라 정확한 부품-대-부품 모사(part-to-part replication)가 보장된다. 일단 원하는 마스터 툴 표면(master tool surface)이 제조되었다면, 마스터 툴로부터 유도되는 모든 결과적 표면들이 동일하기 때문에, 프로세스는 효과적으로, 표면 수정 프로세스 변동(surface modification process variation)에 무감각하게 된다.

도 9a-도 9c는 인베스트먼트 캐스트 부품(investment cast part)의 엔지니어링된 표면을 제조하기 위한 다른 실시예를 예시하는데, 여기서 원하는 표면 피니쉬(surface finish)는 왁스 패터닝 스테이지(wax patterning stage)에서 너무 부서지기 쉬워서 쉘 코팅부(shell coating)(74)로 효과적으로 변환되지 못한다. 이러한 표면들은 통상적으로, 처리 및 쉘 코팅(shell coating) 동안 쉽게 손상 입을 왁스 패턴에서의 부서지기 쉬운 돌출부들을 야기할 수 있는 것들일 것이다. 이 실시예에서, 소모품의 세라믹 인서트(76)는 원하는 표면 지형(36)을 갖도록 토모 프로세스로 또는 다른 방식으로 형성될 수 있다. 도 9a에 도시된 바와 같이 소모품의 인서트는 플렉서블 왁스 주입 몰드(flexible wax injection mold)(16)의 일부를 형성하지만, 도 9b에 도시된 바와 같이 이 인서트는 몰드로부터 탈착되고, 캐스트 왁스 패턴으로부터 몰드의 제거 시 왁스 패턴(52)으로 유지될 수 있다. 도 9c에 도시된 바와 같이, 왁스 패턴이 쉘링되고 쉘(74)이 열적으로 처리될 때, 인서트는, 캐스팅 용기(56)에 대한 외부 캐비티 벽(outer cavity wall)(78)을 정의하는 쉘 구조(shell structure)의 일부로서 유지된다. 인서트의 내부 표면은 캐스트 부품의 궁극적인 금속 표면의 원하는 지형을 포함하고, 그 세부사항은 이후, 왁스를 통해 지형을 변환시켜야 하는 대안적 방법들을 이용하여, 더욱 견고한 형태로 유지된다. 이 프로세스는, 그렇지 않다면 부서지기 쉬움으로 인해 왁스 패턴에서 타협되었을 표면의 세부사항을 유지시키는데 사용될 수 있다. 예컨대, 노출되는 에어포일 영역(airfoil area)들, 예컨대, 에어포일의 리딩 에지(leading edge) 및 트레일링 에지(trailing edge)에 대해 부가적인 앵커링(anchoring)이 요구되는 경우, 이러한 프로세스가 모듈성(modularity)에 적합하다. 왁스 주입 툴(wax injection tool)에 대한 적용 전에, 이러한 세라믹 인서트들은 부분적으로 열적으로 프로세싱될 수 있다.

도 10a-도 10b는 최종 캐스트 금속 부품(final cast metal part)의 표면 오프닝 통로(surface opening passageway)를 정의하기 위한 소모품의 인서트(80)의 다른 사용을 예시하는데, 예컨대, 가스 터빈 블레이드(gas turbine blade)의 트레일링 에지 냉각 통로(trailing edge cooling passage)들을 형성하는데 유용할 수 있다. 인서트는 실리카(silica), 세라믹(ceramic) 또는 석영 재료(quartz material)로 만들어질 수 있고, 이 인서트는, 플렉서블 왁스 패턴 몰드(flexible wax pattern mold)(16)의 슬롯(slot) 또는 오프닝과 같이 협력하는 리세스(82) 내에 들어맞도록 설계된다. 인서트, 플렉서블 왁스 패턴 몰드, 및 코어(10)는 전부 적당한 정밀도로, 예컨대, 토모 프로세스를 이용하여 형성될 수 있어, 도 10a에 도시된 바와 같이, 인서트의 돌출한 레그(projecting leg)들(84)이 코어에 인접하거나 또는 코어의 협력하는 오프닝(cooperating opening)(86)과 메이팅하여, 그 사이에 기계적 인터페이스(mechanical interface)가 생성된다. 이 기계적 인터페이스는 맞대기 이음(butt joint) 또는 리세스된 이음(recessed joint) 또는 다른 협력하는 기하구조일 수 있다. 도 10b에 도시된 바와 같이, 플렉서블 왁스 패턴 몰드가 제거된 후에, 인서트가 왁스 패턴(52)에서 유지되고, 이 인서트는 추후의 쉘 형성 프로세스(shell forming process) 동안 쉘(shell)(미도시)과 통합하게 된다. 인서트의 돌출한 레그들은 코어에 의해 정의된 내부 통로와 쉘 내부 표면(shell inner surface)에 의해 정의된 부품의 외부 표면 사이에서 캐스트 금속 부품의 통로들을 생성하고, 이 레그(leg)들은 또한, 왁스 및 금속 주입 단계들 동안 코어에 대한 기계적 지지를 제공한다. 토모 프로세스와 같은 정밀 프로세스를 이용하여 플렉서블 왁스 패턴 몰드 인서트를 형성함으로써, 이전에 종래 기술들로는 가능하지 않았던 형상들, 각도들, 종횡비들, 테이퍼(taper)들, 스파이럴(spiral)들 등을 갖는 블레이드 트레일링 에지 냉각 통로(blade trailing edge cooling passage)들을 제조하는 것이 이제 가능하다. 일 예는 도 10a 및 도 10b의 인서트(80)에 의해 형성될 비-선형 냉각 채널(non-linear cooling channel)이다. 유리하게, 인서트는 일반적으로 컴포넌트의 표면에 평행하게 이어지는 부분(81)을 포함하며, 이로써 냉각 채널(cooling channel)의 효율성이 증가된다. 이러한 타입(type)의 기하구조는 표준 포스트-캐스팅 가공 프로세스(standard post-casting machining process)들로는 획득될 수 없다. 각각의 인서트는 단일 냉각 채널(single cooling channel)을 정의할 수 있거나, 또는 대안적으로, 도 14에 예시된 바와 같이, 콤 설계(comb design)로 형성된 인서트(83)에 의해 복수의 냉각 채널들이 정의될 수 있다.

도 11은 플렉서블 몰드 인서트(flexible mold insert)(42)를 갖는 코핀 몰드(40)의 실시예를 예시하는데, 여기서 몰드 및 인서트는 협력하는 정렬 피처(cooperating alignment feature)들을 갖게 형성되고, 이 정렬 피처들은 코핀 다이(coffin die)로의 플렉서블 몰드 인서트의 배치를 단순화하고 그 사이에 적절한 정렬을 보장한다. 도 11은 인서트의 표면 상의 사다리꼴 형상의 돌출부들(88) 및 코핀 다이의 표면 상의 미러 이미지 형상의 그루브(mirror image shaped groove)들(90)의 사용을 예시하지만, 당업자는 임의의 다양한 협력하는 형상들이 사용될 수 있음을 인식할 것이다. 플렉서블 몰드들의 사용의 장점들 중 하나로는 이 플렉서블 몰드들의 저비용 및 상호교환성이 있고, 이러한 정렬 피처(alignment feature)들의 사용은 단일 코핀 다이와 함께 사용되는 다수의 플렉서블 몰드 인서트들 각각이 적절하게 포지셔닝됨을 보장한다. 또한, 플렉서블 인서트의 적절한 포지셔닝은, 코어가 코핀 몰드로부터 지지될 때 인서트가 코어에 적절하게 인덱싱(indexing)됨을 보장한다.

다양한 리액티브 엘리먼트들이 플렉서블 왁스 주입 몰드 또는 몰드 인서트 내에 매입될 수 있다. 일 예에서, 도 11은 몰드 재료(mold material)에서 리액티브 엘리먼트로서 필러 입자(filler particle)들(92)의 사용을 예시하고, 이 몰드 재료가 플렉서블 인서트(42)를 형성하는데 사용된다. 몰드 재료가 몰드 형상(mold shape)으로 캐스팅되기 전에, 이 몰드 재료가 여전히 액체 상태로 있는 동안, 필러 입자들이 몰드 재료와 혼합된다. 입자들은, 총괄하여 원하는 특징을 몰드 라이너(mold liner)에 부여하는 다양한 재료들 중 임의의 재료 또는 재료들의 결합들일 수 있다. 예컨대, 입자들은 원하는 열적 전도율 특징을 갖도록 선택될 수 있는데, 예컨대, 인서트의 열적 전도율을 증가시키기 위하여 열 에너지(heat energy)에 대해 매우 전도성일 수 있다. 다른 실시예들에서, 입자들은 열적으로 절연성일 수 있다. 도 11의 필러 입자들 중 적어도 일부는 자성일 수 있고, 코핀 다이에 장착된 자석들(94)에 끌어 당겨지며, 이로써 플렉서블 인서트가 코핀 다이 내의 자신의 적절한 포지션(position)에서 홀딩된다. 자석들은 영구 자석들 또는 전자석들일 수 있고, 이 전자석들은 추가로, 이 전자석들에 에너지(energy)가 공급되지 않을 때 코핀 다이로부터 인서트의 방출을 가능하게 한다. 다른 실시예에서, 자석들은 마스터 몰드에서 사용되고, 이 마스터 몰드가 플렉서블 몰드 인서트를 캐스팅하는데 사용되어, 몰드 재료가 큐어링(curing)되는 동안 액체 몰드 재료(liquid mold material) 내의 자성 입자들이 자석들을 향해 끌어 당겨지며, 이로써 자석들에 근접한 몰드의 구역들에서 입자들의 우선적인 분포가 야기된다.

도 12는 리액티브 엘리먼트의 사용을 예시하고, 이 리액티브 엘리먼트는 플렉서블 인서트(42) 내의 액티브 디바이스(96)이다. 이 액티브 디바이스가 몰드 재료의 캐스팅 동안 마스터 몰드(미도시) 내에 포지셔닝되어, 이 디바이스(device)는 몰드 재료 내에 매입되게 된다. 본원에서, 용어 "액티브 디바이스"는, 플렉서블 몰드의 사용 동안 몰드의 효율성을 개선시키도록 기능하는, 몰드 재료 이외의 임의의 물체 또는 보이드(void)를 포함하도록 사용된다. 액티브 디바이스들의 예들은, 캐스팅 프로세스(casting process)를 모니터링(monitoring)하는데 사용될 수 있는 온도 또는 압력 센서(temperature or pressure sensor)와 같은 센서(sensor); 주입 캐비티 전체에 걸쳐 캐스팅 재료의 흐름을 가능하게 하는데 사용될 수 있는 기계식 바이브레이터(mechanical vibrator)와 같은 작동기; 캐스팅 프로세스 동안 온도를 조절하는데 사용될 수 있는 가열 또는 냉각 유체의 통로를 위한 유체 채널(fluid channel) 또는 저항 가열기와 같은 온도 조절 디바이스(temperature regulating device); 등을 포함하지만, 이들로 제한되지는 않는다. 액티브 디바이스는 연관된 시스템(system)(98), 예컨대, 몰드 재료의 밖에 위치되는 전자 회로 또는 유체 시스템(fluid system)에 연결될 수 있거나, 또는 이 디바이스는 몰드 재료 내에 격리될 수 있고 문의 RF 신호 또는 사운드 에너지(sound energy)와 같은 원격 통신 신호에 반응할 수 있다.

위에서 본 발명의 배경기술에서 설명된 바와 같이, 종래 기술에서는, 왁스 패턴이 형성된 후에, 임베딩된 세라믹 코어(embedded ceramic core)와 접촉하도록 백금 와이어(platinum wire)들(또는 핀들)을 왁스 패턴에 삽입하는 것이 알려져 있다. 이러한 프로시저(procedure)는 불안정한데, 그 이유는 극단적인 백금 와이어들의 삽입은 세라믹 코어에 대한 손상을 야기할 수 있고, 금속성 부품이 캐스팅되고 캐스팅 후 검사(post-casting inspection)가 실패할 때까지, 이는 검출되지 않은 채로 유지될 수 있기 때문이다. 또한, 종래 기술의 백금 와이어들은 왁스 주입 단계 동안 코어에 대한 어떠한 지지도 제공하지 않는데, 그 이유는 왁스가 캐스팅될 때까지, 이 백금 와이어들이 포지션에 배치되지 않기 때문이다. 본 발명은, 와이어들에 의해 제공되는 지지에 어느 정도의 유연성을 제공하기 위해 그리고 추가로 왁스 주입 단계 전에 와이어들이 세라믹 코어에 맞닿게 포지셔닝되도록 허용하기 위해, 플렉서블 왁스 패턴 몰드와 함께, 이러한 포지셔닝 와이어들 또는 핀들의 사용을 고려한다. 도 13a-도 13e는 이것이 어떻게 달성될 수 있는지에 대한 일 실시예를 예시한다.

도 13a에 도시된 바와 같이, 플렉서블 인서트(42)는 디스크(disk)(102)와 같이 제거 가능한 지지 엘리먼트(removable supporting element)를 수용하기 위한 표면 리세스(surface recess)(100)를 갖게 형성된다. 다른 실시예들에서, 지지 엘리먼트(supporting element)는 다른 형상들을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 화학적 및 열적 팽창 호환성을 보장하기 위하여, 플렉서블 인서트 및 디스크는 동일한 재료로 형성될 수 있다. 이 디스크는, 알려져 있는 백금 포지셔닝 와이어(platinum positioning wire)와 같은 포지셔닝 핀(106)을 수용하기 위한 홀(hole) 또는 오프닝(104)을 갖게 형성된다. 당업자는, 특정한 세라믹 코어 설계(ceramic core design)의 지지를 위해 인서트와 연관된 다수의 이러한 디스크들 및 와이어들이 존재할 수 있음을 인식할 것이다. 플렉서블 몰드는 바닥 플렉서블 인서트(bottom flexible insert)(도시됨) 및 상단 플렉서블 인서트(top flexible insert)(미도시)로 형성될 수 있다. 와이어들, 디스크들 및 인서트들이 프리어셈블링(preassembling)되고, 이후, 세라믹 코어(10)가 플렉서블 몰드 내에 포지셔닝되어 와이어들의 상단 표면들과 가볍게 접촉한다. 예시된 수평 실시예에서, 바닥 인서트(bottom insert)는 베드(bed)를 형성하고, 이 베드 상에 코어가 놓이며, 이후, 상단 인서트(top insert)(미도시)가 코어 위로 낮춰져 플렉서블 몰드가 형성된다. 코어를 와이어들로 균등하게 프리-로딩(pre-loading)시키기 위해 약한 핑거 압력(finger pressure)이 가해질 수 있다. 일 실시예에서, 디스크를 통한 와이어의 움직임에 대한 약한 저항을 제공하기 위해, 디스크에 형성되는 홀의 지름이 와이어의 지름과 비교하여 0.005-0.010 인치(inch) 언더사이징(undersizeing)될 수 있고, 이로써 코어 재료에 대한 손상을 유발하지 않고 코어를 지지하는데 필요한 만큼, 디스크로 또는 디스크를 통해 와이어가 연장되도록 허용된다. 단일 플렉서블 인서트 설계(single flexible insert design)가 다수의 코어 설계(core design)들과 함께 사용되는 실시예에서, 인서트에 리세스가 존재하지만 특정한 코어 설계를 지원하기 위해 어떤 와이어도 필요 없는 영역들에 대해 블랭크 디스크(blank disk)(즉, 홀(104)이 없음)가 제공될 수 있다.

도 13a로부터, 왁스 주입 단계 전에, 포지셔닝 와이어들이 코어와 근접 접촉하는(즉, 가볍게 접촉하거나 또는 아주 가깝게 있는) 위치에 있고, 이로써 캐스트 왁스 패턴을 통한 와이어들의 적절한 포지셔닝에 대한 종래 기술의 문제점이 극복되고, 그리고 또한 이러한 핀들의 종래 기술의 사용은 추후의 금속 캐스팅 단계 동안에만 코어의 지지를 위한 것이었던 반면에, 왁스 주입 동안 코어에 어느 정도의 기계적 지지가 제공됨이 인식될 것이다. 이후, 도 13b에 도시된 바와 같이 왁스(108)가 주입되고, 일단 왁스가 고형화되었다면, 도 13c에 도시된 바와 같이, 플렉서블 인서트 및 포지셔닝 디스크(positioning disk)가 제거되고, 왁스 패턴(52)이 드러나고 그리고 각각의 와이어의 부분(110)이 왁스 표면(112) 너머로 연장된 채로 남겨진다. 각각의 와이어가 그 위치에서 코어의 표면에 일반적으로 직각이 되도록 포지셔닝될 수 있기 때문에, 와이어들로부터 플렉서블 인서트의 제거를 위해서는 다수의 풀 플레인들이 필요할 수 있다. 디스크의 테이퍼형 형상(tapered shape)과 플렉서블 인서트에서의 그에 협력하는 리세스는 특정한 코어에 대해 사용될 수 있는 복수의 포지셔닝 핀들로부터 인서트의 제거를 가능하게 한다. 각각의 몰드 하프(mold half)의 와이어들이 전부 일반적으로 서로 평행한 실시예들의 경우 어떤 포지셔닝 디스크도 필요하지 않을 수 있음을 당업자는 인식할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 각각의 와이어는 플렉서블 인서트로 직접적으로 형성되는 개개의 홀에 수용될 수 있다.

이후, 도 13d에 도시된 바와 같이 와이어들의 돌출한 부분을 포함하도록, 세라믹 쉘 코팅부(ceramic shell coating)(74)가 알려져 있는 디핑 프로세스(dipping process)에 의해 왁스 패턴으로 형성되고, 이후, 도 13e에 도시된 바와 같이, 왁스가 제거되어, 프리-포지셔닝된 코어 지지 와이어(pre-positioned core support wire)들을 포함하는 완성된 세라믹 캐스팅 용기(56)가 드러난다.

도 15는 플렉서블 왁스 주입 툴(flexible wax injection tool)(124) 내에서 세라믹 코어(122)를 지지하기 위한 코어 포지셔닝 와이어(core positioning wire)(120)의 사용의 다른 실시예를 예시한다. 이 실시예에서, 와이어(120)가 툴(124)의 표면에 형성된 홀(126)에서 유지된다. 코어(122)는 페데스탈(128)을 포함하도록 형성되고, 이 페데스탈(128)이 코어의 가운데 표면(median surface)(130)으로부터 돌출하여 밸리(valley)(132)가 정의되고, 코어(122)가 툴(124) 내에 포지셔닝될 때 이 밸리(132) 안으로 와이어(120)가 연장된다. 코어(122)를 툴(124)에 어셈블링할 때 중요치 않은 위치상 오류들을 처리하기 위해 와이어(120)를 수용하기 위한 비교적 더 큰 오프닝을 제시하기 위하여, 밸리(132)는 경사진 벽들(134)을 갖게 형성될 수 있다. 도 15에서 단면으로 예시되지만, 벽들(134)이 와이어(120)를 둘러싸서, 와이어(120)와 페데스탈(128)의 벽들(134) 사이의 기계적 간섭이 왁스 주입 단계 동안 다수의 축들을 따라서 코어(122)에 지지를 제공할 것임을 당업자는 인식할 것이다.

도 16은 세라믹 코어(142) 상에 형성된 페데스탈(140)의 다른 실시예를 예시한다. 이 페데스탈(140)은 돌출한 언더컷(144)을 포함하고, 이 돌출한 언더컷(144)은, 왁스 주입 동안 핀(148)이 플렉서블 왁스 주입 툴(150)과 맞물릴 때 세라믹 코어(142)에 대한 지지를 제공하도록, 핀(148)의 세로방향 축을 따라서 두 개의 대향하는 방향들로 핀(148)의 헤드(head)(146)와의 기계적 간섭을 제공한다.

도 13a, 도 15 및 도 16에 예시된 와이어들 또는 핀들 중 임의의 것이, 자신의 세로방향 축이 툴의 국부 표면에 직각이 되고 세라믹 코어의 국부 표면에 직각이 되도록 설치될 수 있거나, 또는 자신의 축이 그에 비스듬히 되도록 설치될 수 있는데, 그 이유는 왁스 주입 단계 후의 핀으로부터 툴의 제거가 툴 표면(tool surface)의 유연성에 의해 가능하게 되기 때문임이 주목된다. 이 방식으로, 세라믹 코어의 길이를 따라서 임의의 원하는 방향으로 기계적 지지를 제공하기 위해 그리고 특히 복수의 비-평행 축들을 따라서 하나의 핀 또는 복수의 핀들이 사용될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 플렉서블 툴(flexible tool)의 국부 표면에 대해 매우 큰(high) 각도로 핀을 포지셔닝시키는 것이 원해질 수 있고, 이로써 툴 표면 재료(tool surface material)의 유연성에도 불구하고 그리고 도 13a의 디스크(102) 상에 형성된 테이퍼형 측면들에도 불구하고 왁스 주입 후에 툴을 제거하는 것이 어렵게 된다. 하나의 이러한 실시예가 도 17에 예시되는데, 여기서 핀(160)이 세라믹 코어(162)에 근접하게 왁스 패턴 툴 내에 포지셔닝되고 예컨대 얕은 접근 각도 A로, 예컨대 45도 미만으로 플렉서블 툴 표면(flexible tool surface)(164)으로부터 지지된다. 핀(160)은, 왁스 주입 단계 후에 툴을 제거하는데 사용되는 풀 플레인(172)에 거의 평행하게 배치되는 측면들(170)을 갖는 리세스(168) 내에 세팅된 지지 엘리먼트(166)에 의해 적소에서 홀딩된다. 왁스 패턴이 툴로부터 제거된 후에 핀(160)의 단부를 노출시키기 위한 지지 엘리먼트(166)의 제거는, 일시적 재료, 즉, 가용성 왁스(soluble wax)와 같은 재료, 또는 왁스 패턴을 캐스팅하는데 사용되는 비-가용성 왁스(non-soluble wax)의 파괴 없이 핀(160) 주위에서부터 용해될 수 있는 다른 재료의 지지 엘리먼트(166)를 형성함으로써 가능하게 될 수 있다. 대안적으로, 지지 엘리먼트(166)는 왁스 패턴과 동일한 왁스로 형성될 수 있고, 이 지지 엘리먼트(166)는 국부화된 용융 또는 기계적 제거에 의해 제거될 수 있다. 지지 엘리먼트(166) 및 핀(160)은 리세스(168)에 설치되기 전에 어셈블리(assembly)로서 미리-형성될 수 있거나, 또는 핀(160)이 리세스(168)에서 원하는 포지션에 포지셔닝될 수 있고, 이후, 지지 엘리먼트(166)를 형성하는 일시적 재료가 리세스(168)에 부어지고 이후 고형화될 수 있다.

본원에 설명된 플렉서블 툴에 의해 제공되는 증가된 컴플라이언스의 결과로서, 왁스 주입 동안 세라믹 코어에 대한 손상은, 하드 툴(hard tool)로부터 코어를 견고하게 지지하는 종래 기술의 시스템들과 비교할 때 완화된다. 이러한 장점은, 용융된 왁스(melted wax)를 종래 기술에서 가능한 것보다 더 높은 압력들로 주입함으로써 활용될 수 있다. 예컨대, 20번의 테스트(test)들 중 20번에서 코어에 대한 어떤 손상도 없이, 종래 기술의 통상적인 150 psig의 두 배인 300 psig로 테스트 왁스 몰드(test wax mold)들이 주입된 반면에, 종래 기술의 하드 금속 툴(hard metal tool)을 사용하는 300 psig 주입 압력은 대부분의 경우들에서 세라믹 코어를 파괴할 가능성이 있었을 것이다. 더 높은 주입 압력이 경제적으로 매력적인데, 그 이유는 더 높은 주입 압력이 고온 왁스(hot wax)의 더 나은 분포를 제공하고 게이팅(gating) 전에 더 적은 준비가 필요하게 야기하기 때문이다. 150 psig을 초과하거나, 또는 175 psig를 초과하거나, 또는 200 psig을 초과하거나, 또는 예컨대 150 내지 300 psig 또는 그 초과의 범위의 어디에든 종래 기술의 압력들 외의 임의의 압력의 왁스 주입 압력들이 사용될 수 있음이 본 발명의 범위 내에서 생각된다.

위에서 설명된 인베스트먼트 캐스팅 연대(investment casting regiment)는 캐스팅 산업(casting industry)에 대한 새로운 비즈니스 모델(business model)을 나타낸다. 종래 기술의 비즈니스 모델은, 신속한 주입 및 큐어링 시간들로 단일 마스터 툴(single master tool)로부터 다수의 세라믹 캐스팅 용기들(그리고 후속하여 캐스트 금속 부품들)을 제조하기 위해, 매우 값비싼, 긴 리드 타임(lead time)의 강건한 툴링(rugged tooling)을 활용한다. 그에 반해서, 본원에 개시된 새로운 연대는 덜 값비싸고 더 신속하게 제조되며 덜 강건한 마스터 툴, 그리고 이 마스터 툴로부터 유도되는 중간 플렉서블 몰드(intermediate flexible mold)를 활용하여, 훨씬 더 느린 주입 및 큐어링 시간들로 세라믹 캐스팅 용기를 제조한다. 따라서, 새로운 캐스팅 연대는 유리하게, 신속한 프로토타이핑 및 개발 테스팅 애플리케이션(prototyping and development testing application)들에 적용될 수 있는데, 그 이유는 이 새로운 캐스팅 연대가 종래 기술의 방법들을 이용하는 것보다 훨씬 더 빠르고 더 저렴한 최초 종류 세라믹 캐스팅 용기(first-of-a-kind ceramic casting vessel)(그리고 후속하여 제조되는 캐스트 금속 부품)의 생성을 가능하게 하기 때문이다. 설계 피처(design feature)들이 가변되도록 상호 교환 가능한 인서트들을 사용함으로써, 단일 마스터 툴로부터 다수의 상이한 프로토타입 설계(prototype design)들이 비교적 쉽게 제작될 수 있다. 또한, 새로운 연대는 높은 체적 제조 애플리케이션(volume production application)들에서 효과적으로 적용될 수 있는데, 그 이유는 단일 마스터 툴로부터 다수의 동일한 중간 플렉서블 몰드들이 캐스팅될 수 있고, 이로써 종래 기술에 비하여 상당한 비용 장점을 여전히 유지하면서도, 종래 기술의 방법들의 제조 능력에 매칭(matching)되거나 또는 이를 능가하도록 다수의 세라믹 캐스팅 용기들이 동시에 제조되는 것을 허용하기 때문이다. 본 연대의 시간 및 비용 절약들은, 마스터 툴 제조의 감소된 비용 및 노력뿐만 아니라, 종래 기술에서 특정한 설계 피처들, 예컨대, 트레일링 에지 냉각 홀(trailing edge cooling hole)들 또는 표면 거칠기를 제조하는데 필요한 특정한 금속 캐스팅 후 단계(post-metal casting step)들의 제거도 또한 포함하는데, 그 이유는 이러한 피처들이 본원에 개시된 새로운 연대를 사용하여 금속 부품으로 직접적으로 캐스팅될 수 있는 반면에, 종래 기술에서는 이 피처들이 캐스팅 후 프로세싱(post-casting processing)을 요구하기 때문이다. 본 발명은 수용 가능한 부품들의 개선된 수율에 대한 가능성을 제공하는데, 그 이유는 본 발명이 부서지기 쉬운 세라믹 코어에 맞닿는 포지셔닝 와이어들의 배치의 위험을 감소시키고, 그리고 또한, 종래 기술의 하드 툴링을 이용하여 가능한 것보다 더욱 많은 기계적 컴플라이언스(mechanical compliance)로 코어가 플렉서블 왁스 주입 몰드 내에서 지지되므로, 본 발명이 세라믹 코어에 대한 손상 없이 더 높은 왁스 주입 압력들에 대한 가능성을 제공하기 때문이다. 본 발명은 플렉서블 몰드(flexible mold)를 통해 고정밀 부품들을 제조할 뿐만 아니라, 본 발명은 종래 기술의 플렉스 몰드 프로세스(flex mold process)들로는 얻어질 수 없었던 정도까지의 부품-대-부품 정밀도(part-to-part precision)를 또한 가능하게 한다. 마지막으로, 본 연대는 이들 비용 및 제조 장점들을 제공하면서, 동시에, 이전에는 종래 기술들의 능력 내에 있지 않았던 설계 피처들의 캐스팅을 가능하게 하며, 이로써 처음으로, 컴포넌트 설계자(component designer)들이 차세대 가스 터빈 설계 목표(next generation gas turbine design goal)들을 달성하는데 필요한 하드웨어 피처(hardware feature)들을 제조하도록 허용한다.

본 발명의 다양한 실시예들이 본원에서 도시 및 설명되었지만, 이러한 실시예들이 예로서만 제공됨이 명백할 것이다. 본원의 본 발명으로부터 벗어남 없이, 많은 변형들, 변경들 및 치환들이 이루어질 수 있다.

Claims

인베트스먼트 캐스팅 프로세스(investment casting process)를 위한 왁스 패턴(wax pattern)을 제조하는 방법으로서,
왁스 패턴 몰드(wax pattern mold) 내에 세라믹 코어(ceramic core)를 포지셔닝(positioning)하는 단계;
상기 몰드(mold)의 플렉서블 표면(flexible surface)으로부터 상기 세라믹 코어를 지지하는 단계;
상기 세라믹 코어 주위의 상기 몰드 안으로 용융된 왁스(melted wax)를 주입하는 단계; 및
상기 왁스(wax)가 경화된 후에, 왁스 패턴의 내부에 매입된 상기 세라믹 코어를 드러내기 위해, 상기 몰드를 제거하는 단계
를 포함하는,
인베트스먼트 캐스팅 프로세스를 위한 왁스 패턴을 제조하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 용융된 왁스를 175 psig를 초과하는 압력으로 주입하는 단계
를 더 포함하는,
인베트스먼트 캐스팅 프로세스를 위한 왁스 패턴을 제조하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 몰드의 상기 플렉서블 표면으로부터 연장되어 개개의 복수의 비-평행 축들을 따라서 상기 코어(core)와 근접하게 접촉하도록 개개의 복수의 핀(pin)들을 위치시킴으로써, 상기 용융된 왁스를 주입하는 단계 동안 상기 세라믹 코어를 상기 세라믹 코어의 길이를 따르는 복수의 위치들에서 지지하는 단계
를 더 포함하는,
인베트스먼트 캐스팅 프로세스를 위한 왁스 패턴을 제조하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 몰드의 상기 플렉서블 표면으로부터 연장되어 상기 코어와 근접하게 접촉하도록 핀을 위치시킴으로써, 상기 용융된 왁스를 주입하는 단계 동안 상기 세라믹 코어를 상기 세라믹 코어의 길이를 따르는 위치에서 지지하는 단계
를 더 포함하는,
인베트스먼트 캐스팅 프로세스를 위한 왁스 패턴을 제조하는 방법.
제 4 항에 있어서,
상기 코어 상에 형성된 페데스탈(pedestal)과 근접하게 접촉하여 복수의 축들을 따라서 상기 코어에 대한 지지를 제공하도록 상기 핀을 정렬시키는 단계
를 더 포함하는,
인베트스먼트 캐스팅 프로세스를 위한 왁스 패턴을 제조하는 방법.
제 5 항에 있어서,
경사진 벽들에 의해 정의된, 상기 핀을 수용하기 위한 오프닝(opening)을 갖도록 상기 페데스탈을 형성하는 단계
를 더 포함하는,
인베트스먼트 캐스팅 프로세스를 위한 왁스 패턴을 제조하는 방법.
제 4 항에 있어서,
상기 몰드의 상기 플렉서블 표면에 리세스(recess)를 형성하는 단계;
상기 리세스 내에 지지 엘리먼트(supporting element)를 배치하는 단계; 및
상기 코어를 향해 연장되도록, 상기 핀을 오프닝을 통해 상기 지지 엘리먼트에 설치하는 단계
를 더 포함하는,
인베트스먼트 캐스팅 프로세스를 위한 왁스 패턴을 제조하는 방법.
제 7 항에 있어서,
협력하는 테이퍼형 면(cooperatively tapered side)들을 갖도록 상기 리세스 및 상기 지지 엘리먼트를 형성하는 단계
를 더 포함하는,
인베트스먼트 캐스팅 프로세스를 위한 왁스 패턴을 제조하는 방법.
제 4 항에 있어서,
상기 몰드의 상기 플렉서블 표면에 리세스를 형성하는 단계;
상기 리세스 내에 배치된 일시적 재료로부터 상기 핀을 지지하는 단계; 및
상기 몰드를 제거하는 단계 후에, 상기 일시적 재료를 제거하는 단계
를 더 포함하는,
인베트스먼트 캐스팅 프로세스를 위한 왁스 패턴을 제조하는 방법.
제 1 항에 있어서,
왁스 주입 단계 전에, 상기 몰드의 상기 표면에 형성된 리세스 안으로 정밀 세라믹 인서트(precision ceramic insert)를 삽입하는 단계; 및
상기 왁스가 경화된 후에, 상기 세라믹 인서트(ceramic insert)가 경화된 왁스(hardened wax)의 표면 상에서 유지되는 채로, 상기 왁스 패턴을 드러내기 위해, 상기 몰드를 제거하는 단계
를 더 포함하는,
인베트스먼트 캐스팅 프로세스를 위한 왁스 패턴을 제조하는 방법.
인베트스먼트 캐스팅 프로세스를 위한 왁스 패턴을 제조하기 위한 툴(tool)로서,
상기 왁스 패턴의 원하는 외부 표면 기하구조를 정의하는 플렉서블 내부 표면(flexible inner surface)을 포함하는 툴 몸체(tool body);
상기 툴 몸체 내에 배치된 코어 ―상기 코어는, 왁스 주입 단계 후 상기 왁스 패턴의 일부를 형성하고, 상기 코어와 상기 플렉서블 내부 표면 사이의 왁스 주입 체적(wax injection volume)을 정의함―; 및
상기 플렉서블 내부 표면에 의해 지지되고, 그리고 왁스 주입 단계 동안 상기 코어를 지지하기에 효과적이 되도록, 상기 왁스 주입 체적을 통해 상기 코어에 근접한 포지션(position)으로 연장되는 금속 핀(metal pin)
을 포함하는,
인베트스먼트 캐스팅 프로세스를 위한 왁스 패턴을 제조하기 위한 툴.
제 11 항에 있어서,
상기 툴 몸체의 상기 플렉서블 내부 표면의 리세스;
상기 리세스 내에 배치된 지지 엘리먼트; 및
상기 지지 엘리먼트에 형성된, 상기 핀의 단부를 수용하기 위한 오프닝
을 더 포함하는,
인베트스먼트 캐스팅 프로세스를 위한 왁스 패턴을 제조하기 위한 툴.
제 11 항에 있어서,
상기 지지 엘리먼트는, 상기 리세스의 테이퍼형 면들과 협력하게 형상화된 테이퍼형 면들을 갖도록 형성되는,
인베트스먼트 캐스팅 프로세스를 위한 왁스 패턴을 제조하기 위한 툴.
제 11 항에 있어서,
상기 플렉서블 내부 표면에 의해 지지되고, 그리고 왁스 주입 단계 동안 상기 코어를 개개의 복수의 축들을 따라서 지지하기에 효과적이 되도록, 상기 왁스 주입 체적을 통해 상기 코어에 근접한 복수의 포지션들로 연장되는 복수의 금속 핀들
을 더 포함하는,
인베트스먼트 캐스팅 프로세스를 위한 왁스 패턴을 제조하기 위한 툴.
제 14 항에 있어서,
상기 축들 중 적어도 두 개는 평행하지 않은,
인베트스먼트 캐스팅 프로세스를 위한 왁스 패턴을 제조하기 위한 툴.
제 11 항에 있어서,
복수의 축들을 따라서 상기 핀과의 기계적 간섭을 제공하도록, 상기 핀에 근접한 상기 코어 상에 형성되는 페데스탈
을 더 포함하는,
인베트스먼트 캐스팅 프로세스를 위한 왁스 패턴을 제조하기 위한 툴.
제 16 항에 있어서,
상기 페데스탈의 경사진 벽들에 의해 형성된, 상기 핀을 수용하기 위한 오프닝
을 더 포함하는,
인베트스먼트 캐스팅 프로세스를 위한 왁스 패턴을 제조하기 위한 툴.
제 16 항에 있어서,
상기 페데스탈은, 상기 핀의 헤드(head)와의 기계적 간섭을 야기하기 위한 돌출한 언더컷(protruding undercut)을 포함하는,
인베트스먼트 캐스팅 프로세스를 위한 왁스 패턴을 제조하기 위한 툴.
제 12 항에 있어서,
상기 지지 엘리먼트는 일시적 재료로 형성되는,
인베트스먼트 캐스팅 프로세스를 위한 왁스 패턴을 제조하기 위한 툴.
제 11 항에 있어서,
툴 몸체 내부 표면(tool body inner surface) 상에 배치된 정밀 세라믹 인서트
를 더 포함하는,
인베트스먼트 캐스팅 프로세스를 위한 왁스 패턴을 제조하기 위한 툴.