JP6964083B2 - 層の連続的な堆積を使用する部品を製造するための方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、層の連続的な堆積を使用して部品を製造するための付加製造方法および付加製造装置に関する。

特に、従来技術は、仏国特許出願公開第２８１６８３６号明細書、欧州特許出願公開第０５２９８１６号明細書、米国特許出願公開第２００４／０９９９８３号明細書、欧州特許出願公開第２１３５６９８号明細書、英国特許出願公開第２５０８３３５号明細書および仏国特許出願公開第２９９８４９６号明細書という文献を含む。

部品を得るために使用される付加製造方法は、少なくとも２種類存在する。部品は、溶融物の連続的な堆積（図１）によって製造され、または部品は、連続的な粉末床溶融結合操作によって製造される。

図１に提示の装置は、層または溶融物の連続的な堆積によって部品を製造するために使用される。部品は、基材８０上に層１０を重ね合わせることによって製造される。装置は、金属合金等の物質を溶融するビーム２２を放出するレーザヘッド２０を含む。

この付加製造法は、レーザによる堆積［レーザ金属堆積（ＬＭＤ）］、直接的な金属の堆積［ダイレクト金属堆積（ＤＭＤ）］、直接的なレーザによる堆積［ダイレクトレーザ堆積（ＤＬＤ）］、レーザによって工作されること［レーザ操作型ネットシェイピング（ＬＥＮＳ：Ｌａｓｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ Ｎｅｔ Ｓｈａｐｉｎｇ）］、レーザによるクラッディング［レーザクラッディング］、レーザ堆積溶接およびレーザ粉末溶融結合溶接（ｌａｓｅｒ ｐｏｗｄｅｒ ｆｕｓｉｏｎ ｗｅｌｄｉｎｇ）という、いくつかの名称で知られているが、これらの大部分は、様々なデバイス製造業者または研究施設の商用ブランドである。

図面に提示のように、レーザビーム２２は、例えばレーザヘッド２０を使用して粉末２４が堆積された基材８０上に溶融池を形成する。粉末が溶融し、融解によって基材に接着した層１０またはビードを形成する。次いで、複数の層またはビードが、部品を製造するために第１のビードの上に重ね合わされる。レーザヘッド２０は、一般に、ロボットによって制御される。

Ｔｉ−Ａｌ６−４Ｖ、Ｉｎｃｏｎｅｌ−７１８、Ｒｅｎｅ−１４２およびＳｔｅｌｌｉｔｅ−６を含む、チタン、ニッケル、コバルト、ＷＣ（炭化タングステン）および鋼からできた多種多様な合金が使用され得る。

標準的なレーザ源は、ＣＯ２、Ｙｂファイバ、Ｎｄ−ＹＡＧディスクである。

この技法は、例えば航空学において、航空機のターボジェットエンジンの特定の部品を製造するために使用される。

部品の付加製造のために上記技法を使用する場合、残留応力の増大のため、中実領域の変形が起きる可能性がある。このビードを重ねる型または層を重ねる型の急速凝固は、部品の冶金学的健全性を低下させる層間の酸化の危険性（機械的特性が不十分で、層間の凝着も不十分）、上側の層のずれを発生させる応力が著しい場合のビードの変形等、いくつかの欠点を有する。さらに、製造基材への指向性熱伝達は、最終的な材料が異方性になるように、粒子の円柱状成長を誘発する。実際には、健全な部品を製造できるように、微細構造の異方性および残存応力の発生を可能な限り最良に制御することが重要である。

仏国特許出願公開第２８１６８３６号明細書 欧州特許出願公開第０５２９８１６号明細書 米国特許出願公開第２００４／０９９９８３号明細書 欧州特許出願公開第２１３５６９８号明細書 英国特許出願公開第２５０８３３５号明細書 仏国特許出願公開第２９９８４９６号明細書

本発明は、これらの問題に対する簡単で、効果的で、コスト効率が高い解決法を提供する。

したがって、
ａ）基材上に第１の金属ビードを形成するように、基材上に第１の溶融金属層を堆積させる工程と、
ｂ）前記第１のビード上に第２の金属ビードを形成するように、前記第１のビード上に第２の溶融金属層を堆積させる工程と、
ｃ）部品の少なくとも一部が形成されるまで、新たな各金属層が先行のビード上に堆積されるように工程ａ）および工程ｂ）を繰り返す工程と
を含む、層の連続的な堆積によって部品の少なくとも一部を製造するための方法であって、
ｎが１以上であるとき、ｎ回の堆積工程の後に、形成されたビードが圧縮される工程を含み、圧縮工程が、高温で実施される、すなわち、前記ビードの完全な冷却の前に実施されることを特徴とする、方法を提供する。

したがって、本発明は、ビードの特性を、当該ビードが後続のビードによって被覆される前に、堆積直後に当該ビードを処理することによって改善することを希求している。ビードを重ねる型または層を重ねる型の圧縮処理は、ビードに加えられた応力の修正／除去、ビードの材料の硬化、および、酸化物の酸洗いを可能にし、これにより、変形の態様、構造の異方性および結合による欠陥を取り扱うことができる。表面を硬化させることによって、エピタキシャル成長を防止するように構造が再生される。ショットピーニングが、後続の層の堆積前に酸化物層を除去するため、付着を改善するため、または、ショットピーニングされた層の微細構造を変化させるために使用されることも可能である。

この目的のために、本発明は、非常に異なる２種の方法、すなわち、層の連続的な堆積による付加製造と、例えばショットピーニングによるこれらの層の圧縮とを組み合わせる。これらの２種のプロセスは、粉末の形態または粒子の状態の材料を使用することができ、これらの材料は、製造されている部品を汚染しないように同一であってよい。

本発明による方法は、次の特徴のうちの１つ以上を個別にまたは組合せとして含むことができる。

圧縮工程が、前記ビードの材料が３０℃超、好ましくは１００℃超、より好ましくは２００℃超、例えば約３００℃の温度であるときに実施される。

圧縮工程が、気体、例えば圧縮空気または窒素の流れを前記ビード上に放射することによって実施される。

圧縮工程が、前記ビードをショットピーニングすることによって実施される。

ショットピーニングが、ビードの製造のために使用された粉末の材料と同一の材料の粒子によって実施され、前記粒子のサイズが、好ましくは、前記粉末の粒子のサイズと異なる。これは、粉末の再処理および管理を単純化し、または、他の合金による汚染を防止する。

ショットピーニングが、ビードを製造するために使用された材料と異なる材料の粒子によって実施される。これは、選択された媒体および付加製造に使用された材料の相対硬度に作用することによって、発生した残留応力に関する柔軟性（到達するレベルおよび深さ）を高めることを可能にする。

圧縮工程が、
ｉ．変形を最小化するという目的で、融解によって発生した残留引張応力に対抗するための、残留圧縮応力の導入、および／または
ｉｉ．ビードの表面上に発達した何らかの酸化物層の酸洗い、および／または
ｉｉｉ．（多方向性であるまたは粒度が低減された）均一な微細構造を得るためのショットピーニングによる（異方性または円柱状の）初期ビード微細構造の修正、および／または
ｉｖ．付加製造プロセスによって誘導された多孔度を減少させるために堆積物の緻密化
を可能にするように構成される。

この一連の工程は、部品の最終的な機械的特性を改善し、これにより、ひび割れ現象を防止するが（工程ｉ）、部品中における１以上の微細構造の発達を制御するために使用されることも可能である。これらの微細構造は、所期の工業的用途（工程ｉｉｉ）に応じて、完成した部品のスケールで均一であってもよいし、または局在化していてもよい。

本発明は、
ビードを製造する目的でフィラーメタルを溶融するように構成されたレーザヘッドと、
前記ビードの圧縮のためのノズルと
を備えることを特徴とする、上述した方法を実施するための装置にも関する。

有利には、レーザヘッドおよびノズルは、共有されたロボットアームによって支持されている。

添付の図面を参照しながら、限定されるわけではないが例として提供された下記の説明を読めば、本発明がより深く理解され、本発明の他の詳細、特徴および利点もより明確になる。

従来技術による付加製造を使用して部品を製造するための装置の概略的な斜視図である。 本発明の一般原理の非常に概略的な図である。 本発明による装置の一実施形態の非常に概略的な図である。 本発明による装置の別の実施形態の非常に概略的な図である。

付加製造は、成形部品、射出部品またはビレットから機械加工された部品に比較して短縮された製造時間、低減されたコストおよび低減された製造間接費等、数多くの利点を有する。

しかしながら、付加製造によって製造された部品は、凝固中に新たな層のそれぞれに伴って残留引張応力が発生し、ひび割れを起こす可能性があるといった、いくつかの欠点を特徴とする。

本発明は、図２に提示の製造装置を使用してこれらの欠点を改善することを希求しており、図２に提示の製造装置は、
基材８０上に粉末１０２を堆積させるための第１のノズル１００と、
レーザビーム１０６を放出するヘッド１０４と、
ビード１１０が形成された後で、ビード１１０が後続のビードによって被覆される前に、ビード１１０を圧縮するための第２のノズル１０８と
を備える。

図１に提示のように、ノズル１００の機能は、レーザヘッド１０４に統合されてもよい。この場合、装置は、基材８０上に粉末１０２を堆積させるように構成されたレーザヘッド１０４およびノズル１０８を特徴とするであろう。

本発明による方法は、層またはビードが製造される各工程の後に、ビード１１０が圧縮される工程を含む。

好ましくは、ビード１１０の圧縮は、層上に至るまでビーム１０６が通過して、層を重ねる型またはビードを重ねる型の処理を実施し、圧縮応力を加えた後、または必要な微細構造を得た後に、ショットピーニングまたは気体によるビードの冷却によって達成される。ショットピーニングまたは冷却は、基材の温度、ビーム１０６を放出するヘッド１０４の位置決め等に応じて、異なる効果を有する。例えば、この温度は、各ビード１１０の表面等温線を識別することによって管理され得る。

ビードが周囲温度であるときにビードが圧縮される特定の場合において、層とヘッド１０４との作動距離Ｌは約１５０ｍｍであってよい。このヘッド１０４は、６ｍｍの直径を有し得、ショットピーニングは、０．２〜０．８ＭＰａの圧力において約１００μｍの直径を有する粒子を堆積させることによって実施され得る。

ビードが高温（例えば約３００℃）であるときに圧縮が実施される特定の場合において、ショットピーニングは、０．６ＭＰａの圧力において１．０ｍｍのショットで実施され得る。これらのショットピーニング操作には、マイクロショットピーニング型の処理が後続してもよく、マイクロショットピーニング型の処理は、０．６ＭＰａの圧力において０．１ｍｍのショットで実施される。

高い硬度（６００〜１０００ＨＶ）を特徴とする鋼ビードに本発明を適用することにより、約−３５０〜−５００ＭＰａの表面応力、約−４００〜−２０００ＭＰａの最大圧縮応力、約５から２０μｍの最大応力深さおよび５０から１００μｍの範囲の圧縮深さが達成される。

ショットピーニング操作のために、１０から１００μｍの粒径を有する微粉末を使用して、誘導式のマイクロショットピーニングノズルが使用され得る。衝撃面は、数平方ミリメートルであり、影響される深さは、５０から１５０μｍの間の範囲であり得る。

これは、ダイレクトレーザ堆積法と適合する。ダイレクトレーザ堆積法の場合、融合した層の厚さは約２００〜５００μｍである。融合した粉末は同じ粒度を有する。部品を汚染しないように同じ粉末を使用することを検討することは可能である。ショットピーニングは、上記付加製造方法と同じスケールで作用する。

応力関連の態様の場合、深さ方向の応力の修正は、調節されることが可能である。キャリアガスの冷却効果を使用して、応力値を変化させ、酸化を限定することも可能である。

上記のように、圧縮は、物質のビードを焼戻し、その中に残留応力を導入するために、マイクロショットピーニング等の媒体の使用なしで、キャリアガスによって導入されることも可能である。排出された気体は、中性気体または試薬気体であってよい。好ましくは、流れは、支持体の中を通る伝導より速くビードの冷却を促進するのに十分である。

マイクロショットピーニングまたは気体流放出ノズル１０８は、例えばノズルとヘッドとの距離ｄに基づいて決定されるわずかな遅れを伴って硬化ビードに衝突するようにヘッド１０４に追従しなければならず、ｄは、ビードの冷却温度およびビードの圧縮に適した温度の因子である。実際、ショットピーニングノズルの方向付けの誘導は、好ましくは、放射ノズルの誘導と差別化される。

放出ヘッド１０４および第２のノズル１０８ならびに第１のノズル１００は、好ましくは、共有されたロボットアームによって支持されている。

図３から図４はそれぞれ、本発明による装置の２つの実施形態を示している。図３において、アーム１２０は、軸１２２、例えば垂直軸の周りを回転運動可能である。ヘッド１０４は、軸１２２を中心としており、マイクロショットピーニングノズルの出力は、軸１２２を中心とした円周上に配置されている。アームは、図面の平面のような軸１２２を含む平面に沿って移動され、アームの進行方向に対してビーム１０６から下流側に配置されたノズル１０８が、ビームを圧縮するために使用される。

図４に提示のように、アーム１２０は、ショットピーニングノズル１０８およびビーム放出ヘッド１０４を支持しており、ショットピーニングノズル１０８とビーム放出ヘッド１０４との距離は、ノズルをアームに対して平行移動させることによって変更可能である。アームは、ヘッド１０４の軸１２２を取り巻くような平行移動と回転移動の両方により、長手方向に回転運動可能である。

ショットピーニング粒子が粉末粒子と同じ性質のものである場合、粉末の損失がより多くなる危険性がある。１つの解決策は、より粗大な粒径を有する粉末を使用するものであり、この結果、粒子は、ふるい分けによって回収可能であり、または、磁気分離によって回収され得るセラミック等の異なる材料の粉末を使用して回収可能である。

Claims (7)

1. 層の連続的な堆積によって部品の少なくとも一部を製造するための方法であって、
   ａ）基材上に第１の金属ビードを形成するように、基材（８０）上に第１の溶融金属層（１１０）を堆積させる工程と、
   ｂ）前記第１のビード上に第２の金属ビードを形成するように、前記第１のビード上に第２の溶融金属層を堆積させる工程と、
   ｃ）前記部品の少なくとも一部が形成されるまで、新たな各金属層が先行のビード上に堆積されるように工程ａ）および工程ｂ）を繰り返す工程と
   を含み、
   ｎが１以上であり、ｎ回の堆積工程の後に、形成されたビードが圧縮される工程を含み、圧縮工程が、前記ビードの冷却の前に実施され、圧縮工程が、前記ビードの材料が１００℃超の温度にあるとき前記ビードのショットピーニングによって実施されることを特徴とする、
   方法。
2. 圧縮工程が、前記ビードの材料が２００℃超、例えば３００℃の温度にあるときに達成される、請求項１に記載の方法。
3. ショットピーニングが、ビードの製造に使用された粉末の材料と同一の材料の粒子によって実施される、請求項１または２に記載の方法。
4. ショットピーニングが、ビードを製造するために使用された材料と異なる材料の粒子によって実施される、請求項１または２に記載の方法。
5. 圧縮工程が、
   ｉ）ビードの変形を最小化するという目的で、融解によって発生した残留引張応力に対抗するための、残留圧縮応力の導入、および
   ｉｉ）ビードの表面上に発達した何らかの酸化物層の酸洗い、および
   ｉｉｉ）均一な微細構造を達成するためのショットピーニングによる初期ビード微細構造の修正、および
   ｉｖ）付加製造プロセスによって誘導された多孔度を低減するための堆積物の緻密化
   を可能にするように構成される、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. ビードを製造するという目的でフィラーメタルを溶融させるように構成されたレーザヘッド（１０４）と、
   前記ビード（１１０）の圧縮のためのノズル（１０８）と
   を備え、
   ノズル（１０８）は、ノズル（１０８）とレーザヘッド（１０４）との距離ｄに基づいて決定されるわずかな遅れを伴ってビード（１１０）に衝突するようにレーザヘッド（１０４）に追従するように構成されており、ｄは、ビード（１１０）の冷却温度およびビード（１１０）の圧縮に適した温度の因子であることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法を実施するための装置。
7. レーザヘッド（１０４）およびノズル（１０８）が、共有されたロボットアーム（１２０）によって支持されている、請求項６に記載の装置。

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