WO2023018000A1

WO2023018000A1 - 왁스rp용 3d프린팅이 이용된 가스터빈용 블레이드 제작방법

Info

Publication number: WO2023018000A1
Application number: PCT/KR2022/009110
Authority: WO
Inventors: 윤병관
Original assignee: 윤병관
Priority date: 2021-08-13
Filing date: 2022-06-27
Publication date: 2023-02-16
Also published as: KR20230025067A; KR102549163B1

Abstract

본 발명에 따른 왁스RP용 3D프린팅이 이용된 가스터빈용 블레이드 제작방법은 세라믹코어 제작할 경우 정해진 온도에서 소성제거되는 왁스재질의 금형을 3D프린팅한 후 세라믹재질의 슬러리를 주입하는 것으로 세라믹코어를 제작하여 기존 고가의 세라믹 전용 사출기가 불필요하여 생산단가를 대폭 저하시킬 수 있고, 불필요하게 오랜 걸리던 제작기간을 대폭 단축시켜 제작효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

왁스RP용 3D프린팅이 이용된 가스터빈용 블레이드 제작방법

본 발명은 왁스RP용 3D프린팅이 이용된 가스터빈용 블레이드 제작방법에 관한 것으로서 보다 상세하게는 기존 가스터빈용 블레이드의 제작시 고가의 세라믹 전용 사출기가 불필요하고 제작기간이 대폭 단축되도록 정해진 온도에서 제거되는 왁스재질의 금형을 3D프린팅한 후 세라믹재질의 슬러리를 주입하는 것으로 세라믹코어를 제작하는 왁스RP용 3D프린팅이 이용된 가스터빈용 블레이드 제작방법에 관한 것이다.

일반적으로 복합화력발전소에서 사용하는 가스터빈용 블레이드는 열역학 및 유체역학적으로 터빈 입구온도와 압력을 최대화시키고, 구조적으로 발생하는 열부하를 냉각시키기 위하여 내부에 세밀한 구조의 냉각유로가 형성되어야 함으로써 그 구조가 정밀하게 제작되어야 한다.

여기서, 종래의 냉각방법으로는 터빈의 압축기로부터 방출되는 냉각유체를 블레이드 내부에 있는 유로를 통해 주입하여 강제대류를 발생시켜 냉각시키는 방법이다.

한편, 종래의 가스터비용 블레이드에 관한 기술문헌으로 국내등록특허 제10-1883564호가 개시되었다.

이러한 가스터빈용 블레이드를 제작하는 제작방법으로는 구조가 정밀한 제품을 제작하는 정밀주조법으로 제작되고 있고, 상기 가스터빈용 블레이드의 내부에 형성된 냉각유로를 형성하는 세라믹코어는 사출성형법으로 현재 제작되고 있다.

그러나, 기존의 세라믹코어 제작방법 즉, 사출성형법은 우선 세라믹코어의 금형을 제작해야 하는데 그 구조가 매우 정밀하고 복잡하여 금형제작단가가 높고, 정밀한 구조로 인하여 여러번의 수정작업도 동반되어야 하는 것으로 금형제작에 대한 경제적인 부담이 증가하고, 복잡한 형상의 제작에 대한 제약을 받으며, 제작시간 또한 오래걸려 전체적으로 제작효율이 저하되는 문제점이 있었다.

또한, 종래의 세라믹코어 제작방법은 고가의 세라믹코어용 전용사출기가 준비되어야 하는 것으로 이 또한 경제적부담이 증가하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로 본 발명의 목적은 세라믹코어 제작할 경우 정해진 온도에서 소성제거되는 왁스재질의 금형을 3D프린팅한 후 세라믹재질의 슬러리를 주입하는 것으로 세라믹코어를 제작하여 기존 고가의 세라믹 전용 사출기가 불필요하여 생산단가를 대폭 저하시킬 수 있고, 불필요하게 오랜 걸리던 제작기간을 대폭 단축시켜 제작효율을 향상시킬 수 있는 왁스RP용 3D프린팅이 이용된 가스터빈용 블레이드 제작방법을 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 왁스RP용 3D프린팅이 이용된 가스터빈용 블레이드 제작방법은 가스터빈용 블레이드의 내부에 형성된 냉각유로의 형상과 동일한 형상의 세라믹코어를 제작하는 세라믹코어 제작단계와; 상기 세라믹코어를 삽입한 후 정밀주조로 가스터빈용 블레이드를 제작하는 블레이드 제작단계로 구성되고;

상기 세라믹코어 제작단계는 상기 가스터빈용 블레이드의 내부에 형성된 냉각유로형태의 금형을 3D 모델링하는 모델링단계와; 왁스를 통하여 모델링된 상기 금형을 3D프린팅하는 3D프린팅 몰드성형단계와; 3D프린팅된 금형의 내부에 세라믹재질의 슬러리를 주입하고 경화시키는 세라믹 주입단계와; 상기 슬러리가 경화된 후 상기 금형을 태워 제거하여 내부에 경화된 세라믹코어를 형성하는 금형제거 코어형성단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 모델링단계에는 상기 슬러리의 주입이 용이해지도록 보조통로 및 에어벤트홀이 추가적으로 모델링되는 유도홀모델링단계가 더 포함된 것을 특징으로 한다.

상기 금형제거 코어형성단계 이후 상기 유도홀모델링단계로 상기 세라믹코어에 형성된 상기 보조통로 및 에어벤트홀을 제거하는 유도홀제거단계가 포함된 것을 특징으로 한다.

상기 금형제거 코어형성단계의 소결온도는 상기 왁스가 연소되고 세라믹의 외부가 소결되는 1100℃ ~1200℃로 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 블레이드 제작단계는 상기 가스터빈용 블레이드의 외형과 동일한 왁스틀을 제작하는 블레이드틀 제작단계와; 상기 왁스틀의 내부에 상기 세라믹코어를 삽입하는 세라믹코어 결합단계와; 상기 세라믹코어가 삽입된 왁스틀을 주형제에 다수회 담금질하여 상기 주형제를 상기 왁스틀의 외표면에 밀착시키는 주형제 담금질단계와; 상기 주형제가 밀착된 왁스틀을 소성하여 상기 왁스틀을 제거하는 소성제거단계와; 상기 왁스틀이 제거된 주형제를 정해진 온도로 예열하여 용탕을 주입하는 용탕주입단계와; 상기 왁스틀의 제거된 공간에 쇳물을 주입한 후 정해진 온도로 소성하는 쇳물소성단계와; 상기 주형제를 두드려 제거하는 주형제 제거단계와; 주형제를 제거한 후 정해진 약품을 통하여 상기 세라믹코어를 제거하여 내부에 냉각유로가 형성된 가스터빈용 블레이드를 제작하는 세라믹코어 제거단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 주형제 담금질단계에서 상기 주형제는 세라믹 분말 77중량％과 세라믹 바인더 23중량％로 혼합되어 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 주형제의 1회 담금질 두께는 0.5mm 내지 1.0mm의 두께로 형성된 것을 특징으로 한다.

이와 같이 본 발명에 따른 왁스RP용 3D프린팅이 이용된 가스터빈용 블레이드 제작방법 은 아래와 같은 효과가 있다.

첫째, 세라믹코어 제작할 경우 정해진 온도에서 연소 제거되는 왁스재질의 금형을 3D프린팅한 후 세라믹재질의 슬러리를 주입하는 것으로 세라믹코어를 제작함으로써, 기존 고가의 세라믹 전용 사출기가 불필요하여 생산단가를 대폭 저하시킬 수 있고

둘째, 세라믹재질의 슬러리를 주입하는 것으로 세라믹코어를 제작함으로써, 기존 오래걸리던 제작기간을 대폭 단축시켜 제작효율을 향상시킬 수 있으며,

셋째, 점성을 지닌 슬러리가 쉽게 주입되도록 금형의 내부에 보조통로 및 에어벤트홀을 추가적으로 형성함으로써, 보조통로를 통하여 다수회 굴곡진 냉각유로에서 슬러리를 쉽게 이동시킬 수 있고, 에어벤트홀을 통하여 슬러리의 이동시 압력을 외부로 배출시켜 주입효율을 향상시킬 수 있으며,

넷째, 주형제의 1회 담금질 두께는 0.5mm 내지 1.0mm의 두께로 형성시킴으로써, 쇳물을 지지함과 더불어 쉽게 깨질 수 있는 최적의 두께로 형성하여 작업의 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 가스터빈용 블레이드를 나타내 보인 사진 및 부분단면사진이고,

도 2는 본 발명에 따른 세라믹코어의 모델링을 나타내 보인 사진이며,

도 3은 본 발명에 따른 가스터빈용 블레이드 제작방법을 나타내 보인 공정도이고,

도 4는 본 발명에 따른 세라믹코어 제작단계를 나타내 보인 공정도이며,

도 5는 도 4의 세라믹주입단계와 금형제거 코어형성단계를 나타내 보인 사진이고,

도 6은 본 발명의 유도홀 모델링단계 및 유도홀 제거단계를 나타내 보인 모델링사진이며,

도 7은 본 발명에 따른 블레이드 제작방법을 나타내 보인 공정도이며,

도 8은 본 발명에 따른 블레이드 제작방법을 세부적으로 나타내 보인 공정도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 왁스RP용 3D프린팅이 이용된 가스터빈용 블레이드 제작방법은 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 가스터빈용 블레이드(B)의 내부에 형성된 냉각유로(H)의 형상과 동일한 형상의 세라믹코어(SC)를 제작하는 세라믹코어 제작단계(S10)와; 상기 세라믹코어(SC)를 삽입한 후 정밀주조로 가스터빈용 블레이드(B)를 제작하는 블레이드 제작단계(S20)로 구성된다.

이때, 상기 세라믹코어 제작단계(S10)는 도 4 내지 도 5에 도시된 바와 같이 상기 가스터빈용 블레이드(B)의 내부에 형성된 냉각유로형태의 금형(M1)을 3D 모델링하는 모델링단계(S11)와; 상기 모델링단계(S11)이후 상기 금형(M1)의 모델링된 데이터를 왁스(W)로 3D프린팅하는 3D프린팅 몰드성형단계(S12)와; 3D프린팅된 금형(M1)의 내부에 세라믹재질의 슬러리(S)를 주입하고 경화시키는 세라믹 주입단계(S13)와; 상기 슬러리(S)가 경화된 후 상기 금형(M1)을 태워 제거하여 내부에 경화된 세라믹코어(SC)를 형성하는 금형제거 코어형성단계(S14)로 이루어진다.

한편, 상기 슬러리(S)는 세라믹 내화재료와 바인더를 정해진 비율로 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 모델링단계(S11)에는 도 6에 도시된 바와 같이 상기 슬러리(S)의 주입이 용이해지도록 상기 금형(M1)의 내부에 보조통로(L1) 및 에어벤트홀(L2)이 추가적으로 모델링되는 유도홀모델링단계(S111)가 더 포함된다.

또한, 상기 금형제거 코어형성단계(S14) 이후 상기 유도홀모델링단계(S111)로 상기 세라믹코어(SC)에 형성된 상기 보조통로(L1) 및 에어벤트홀(L2)을 제거하는 유도홀제거단계(S141)가 포함된다.

그리고, 상기 금형제거 코어형성단계(S14)의 소결온도는 상기 왁스(W)가 연소되고 세라믹의 외부가 소결되는 1100℃ ~1200℃로 형성된다.

또한, 상기 블레이드 제작단계(S20)는 도 6 내지 8에 도시된 바와 같이 상기 가스터빈용 블레이드(B)의 외형과 동일한 왁스틀(M2)을 제작하는 블레이드틀 제작단계(S21)와; 상기 왁스틀(M2)의 내부에 상기 세라믹코어(SC)를 삽입하는 세라믹코어 결합단계(S22)와; 상기 세라믹코어(SC)가 삽입된 왁스틀(M2)을 주형제(I)에 다수회 담금질하여 상기 주형제(I)를 상기 왁스틀(M2)의 외표면에 밀착시키는 주형제 담금질단계(S23)와; 상기 주형제(I)가 밀착된 왁스틀(M2)을 소성하여 상기 왁스틀(M2)을 제거하는 소성제거단계(S24)와; 상기 왁스틀(M2)이 제거된 주형제(I)를 정해진 온도로 예열하여 용탕(F)을 주입하는 용탕주입단계(S25)와; 상기 주형제(I)를 두드려 제거하는 주형제 제거단계(S26)와; 주형제(I)를 제거한 후 정해진 약품을 통하여 상기 세라믹코어(SC)를 제거하여 내부에 냉각유로(H)가 형성된 가스터빈용 블레이드(B)를 제작하는 세라믹코어 제거단계(S27)로 이루어진다.

그리고, 상기 주형제 담금질단계(S23)에서 상기 주형제(I)는 세라믹 분말 77중량％과 세라믹 바인더 23중량％로 혼합되어 형성된다.

또한, 상기 주형제(I)의 1회 담금질 두께는 0.5mm 내지 1.0mm의 두께로 형성된다.

상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 왁스RP용 3D프린팅이 이용된 가스터빈용 블레이드 제작방법의 작용을 살펴보면 다음과 같다.

즉, 상기 가스터빈용 블레이드(B)의 내부에 형성된 냉각유로(H)가 형성되도록 냉각유로 형상과 동일한 형상의 세라믹코어(SC)를 먼저 제작한 후 상기 세라믹코어(SC)를 내부에 삽입 후 정밀주조로 가스터빈용 블레이드(B)를 제작하게 된다.

이때, 상기 세라믹코어 제작단계(S10)는 도 4 내지 도 5에 도시된 바와 같이 냉각유로형태의 금형(M1)을 왁스(W)로 3D프린팅하여 제작하고, 제작된 금형(M1)의 내부로 세라믹 재질의 슬러리(S)를 흘려 주입하여 소성한 후 상기 왁스(W)를 제거하는 것으로 상기 세라믹코어(SC)를 제작함으로써, 기존 고가의 세라믹 전용 사출기가 불필요하여 생산단가를 대폭 저하시킬 수 있게 된다.

여기서, 상기 세라믹코어 제작단계(S10)는 3D프린팅으로 신속하게 왁스재질의 금형(M1)을 제작하고, 그 금형(M1)에 슬러리(S)를 흘려 주입한 후 금형(M1)을 태워 제거하는 것으로 기존 제작기간이 오래걸리는 것을 대폭 단축시킬 수 있게 된다.

그리고, 상기 모델링단계(S11)에는 도 6에 도시된 바와 같이 상기 금형(M1)의 내부에 보조통로(L1) 및 에어벤트홀(L2)이 추가적으로 모델링되는 유도홀모델링단계(S111)가 더 포함됨으로써, 상기 슬러리(S)의 주입시 상기 보조통로(L1)를 통하여 다수회 굴곡진 냉각유로(H)에서 상기 슬러리(S)를 쉽게 이동시킬 수 있고, 상부에 에어벤트홀(L2)를 형성하여 상기 슬러리(S)의 이동시 압력을 외부로 배출시켜 주입효율을 향상시킬 수 있게 된다.

또한, 상기 블레이드 제작단계(S20)는 도 7 내지 도 8에 도시된 바와 같이 상기 세라믹코어(SC)와 왁스틀(M2)을 결합한 후 그 외표면에 주형제(I)를 담금질하고, 상기 주형제(I)가 고착된 후 상기 왁스틀(M2)을 소성 제거하여 그 내부에 용탕을 주입하여 상기 가스터빈용 블레이드(B)의 외형을 성형할 수 있게 된다.

이후, 상기 주형제(I)를 두드려 깨서 제거한 후 내부에 있는 세라믹코어(SC)를 약품처리로 제거하는 것으로 최종 가스터빈용 블레이드(B)를 제작할 수 있게 된다.

이때, 상기 주형제(I)의 1회 담금질 두께는 0.5mm 내지 1.0mm의 두께로 형성시킴으로써, 쇳물을 지지함과 더불어 쉽게 깨질 수 있는 최적의 두께로 형성하여 작업의 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

*부호의 설명

B : 가스터빈용 블레이드 H : 냉각유로

SC : 세라믹코어 M1 : 금형

M2 : 왁스틀 S : 슬러리

L1 : 보조통로 L2 : 에어벤트홀

W : 왁스 I : 주형제

S10 : 세라믹코어 제작단계 S11 : 모델링단계

S111 : 유도홀모델링단계 S12 : 3D프린팅 몰드성형단계

S13 : 세라믹 주입단계 S14 : 금형제거 코어형성단계

S141 : 유도홀제거단계 S20 : 블레이드 제작단계

S21 : 블레이드틀 제작단계 S22 : 세라믹코어 결합단계

S23 : 주형제 담금질단계 S24 : 소성제거단계

S25 : 용탕주입단계 S26 : 주형제 제거단계

S27 : 세라믹코어 제거단계

Claims

가스터빈용 블레이드(B)에 형성된 냉각유로(H)와 동일한 형상의 세라믹코어(SC)를 제작하는 세라믹코어 제작단계(S10)와;

상기 세라믹코어(SC)를 삽입한 후 정밀주조로 가스터빈용 블레이드(B)를 제작하는 블레이드 제작단계(S20)로 구성되고;

상기 세라믹코어 제작단계(S10)는 상기 가스터빈용 블레이드(B)의 내부에 형성된 냉각유로형태의 금형(M1)을 3D 모델링하는 모델링단계(S11)와;

상기 모델링단계(S11)이후 상기 금형(M1)의 모델링된 데이터를 왁스(W)로 3D프린팅하는 3D프린팅 몰드성형단계(S12)와;

3D프린팅된 금형(M1)의 내부에 세라믹재질의 슬러리(S)를 주입하고 경화시키는 세라믹 주입단계(S13)와;

상기 슬러리(S)가 경화된 후 상기 금형(M1)을 태워 제거하여 내부에 경화된 세라믹코어(SC)를 형성하는 금형제거 코어형성단계(S14)로 이루어진 것을 특징으로 하는 왁스RP용 3D프린팅이 이용된 가스터빈용 블레이드 제작방법.
제 1 항에 있어서,

상기 모델링단계(S11)에는 상기 슬러리(S)의 주입이 용이해지도록 상기 금형(M1)의 내부에 보조통로(L1) 및 에어벤트홀(L2)이 추가적으로 모델링되는 유도홀모델링단계(S111)가 더 포함된 것을 특징으로 하는 왁스RP용 3D프린팅이 이용된 가스터빈용 블레이드 제작방법.
제 2 항에 있어서,

상기 금형제거 코어형성단계(S14) 이후 상기 세라믹코어(SC)에 형성된 상기 보조통로(L1) 및 에어벤트홀(L2)을 제거하는 유도홀제거단계(S141)가 포함된 것을 특징으로 하는 왁스RP용 3D프린팅이 이용된 가스터빈용 블레이드 제작방법.
제 1 항에 있어서,

상기 금형제거 코어형성단계(S14)의 소결온도는 상기 왁스(W)가 연소되고 세라믹의 외부가 소결되는 1100℃ ~1200℃로 형성된 것을 특징으로 하는 왁스RP용 3D프린팅이 이용된 가스터빈용 블레이드 제작방법.
제 1 항에 있어서,

상기 블레이드 제작단계(S20)는 상기 가스터빈용 블레이드(B)의 외형과 동일한 왁스틀(M2)을 제작하는 블레이드틀 제작단계(S21)와;

상기 왁스틀(M2)의 내부에 상기 세라믹코어(SC)를 삽입하는 세라믹코어 결합단계(S22)와;

상기 세라믹코어(SC)가 삽입된 왁스틀(M2)을 주형제(I)에 다수회 담금질하여 상기 주형제(I)를 상기 왁스틀(M2)의 외표면에 밀착시키는 주형제 담금질단계(S23)와;

상기 주형제(I)가 밀착된 왁스틀(M2)을 소성하여 상기 왁스틀(M2)을 제거하는 소성제거단계(S24)와;

상기 왁스틀(M2)이 제거된 주형제(I)를 정해진 온도로 예열하여 용탕(F)을 주입하는 용탕주입단계(S25)와;

상기 주형제(I)를 두드려 제거하는 주형제 제거단계(S26)와;

주형제(I)를 제거한 후 정해진 약품을 통하여 상기 세라믹코어(SC)를 제거하여 내부에 냉각유로(H)가 형성된 가스터빈용 블레이드(B)를 제작하는 세라믹코어 제거단계(S27)로 이루어진 것을 특징으로 하는 왁스RP용 3D프린팅이 이용된 가스터빈용 블레이드 제작방법.
제 5 항에 있어서,

상기 주형제 담금질단계(S23)에서 상기 주형제(I)는 세라믹 분말 77중량％과 세라믹 바인더 23중량％로 혼합되어 형성된 것을 특징으로 하는 왁스RP용 3D프린팅이 이용된 가스터빈용 블레이드 제작방법.
제 5 항에 있어서,

상기 주형제(I)의 1회 담금질 두께는 0.5mm 내지 1.0mm의 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 왁스RP용 3D프린팅이 이용된 가스터빈용 블레이드 제작방법.