(57)【要約】      （修正有）【課題】一体的に形成された多孔性構造を有する多孔性フィルムおよびレイアップツールなどの向上された多孔性ツール、ならびにこのような多孔性ツールを作製する向上された方法を提供すること。【解決手段】多孔性ツール１１２は、型枠体４００と、型枠体の表面に貼付された付加製造フィルム３００とを含む。フィルムは、多孔性レイヤと、非多孔性支持レイヤとを含む。多孔性レイヤは、表面孔開口３０８のアレイを有する表面３０６と、表面孔開口と流体連通する相互接続路３１２のネットワークと、相互接続路と流体連通する縁部孔開口のアレイを有する1つまたは複数の側方縁部とを含み得る。多孔性ツールを形成する方法は、フィルムを形成するために指向性エネルギー堆積システムを使用して構築面上に付加材料を堆積すると同時に、レーザーアブレーションを使用して付加材料の選択された部分をフィルムから除去するステップを含む。【選択図】図５Ａ
2020032463.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔性ツール（１１８）を形成する方法であって、前記方法は、
フィルム（３００）を形成するために指向性エネルギー堆積システム（１００）を使用して構築面上に付加材料（１１６）を堆積すると同時に、前記フィルム（３００）に多孔性レイヤ（３０４）、（３１０）を形成するためにレーザーアブレーションを使用して前記付加材料（１１６）の選択された部分を前記フィルム（３００）から除去するステップであって、前記多孔性レイヤ（３０４）、（３１０）は相互接続路（３１２）のネットワークを備える、ステップを備える、方法。
【請求項２】
前記フィルム（３００）のための支持レイヤ（３１６）を形成するために前記指向性エネルギー堆積システム（１００）を使用して前記構築面上に付加材料（１１６）の第１のレイヤを堆積するステップと、
前記指向性エネルギー堆積システム（１００）を使用して前記第１のレイヤ上に付加材料（１１６）の第２のレイヤ（３１０）を堆積すると同時に、前記第２のレイヤ（３１０）を貫通してｘ方向および／またはｙ方向に横断する相互接続路（３１２）を形成するためにレーザーアブレーションを使用して前記第２のレイヤ（３１０）の選択された部分を除去するステップと、
前記指向性エネルギー堆積システム（１００）を使用して前記第２のレイヤ（３１０）上に付加材料（１１６）の第３のレイヤを堆積すると同時に、前記第３のレイヤを貫通してｚ方向に横断する孔（３０２）のアレイを形成するためにレーザーアブレーションを使用して前記第３のレイヤの選択された部分を除去するステップであって、前記孔（３０２）のアレイは前記相互接続路（３１２）と流体連通する、ステップと、
を備える、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記指向性エネルギー堆積システム（１００）を使用して前記構築面上に付加材料（１１６）の第１のレイヤ（３０４）を堆積すると同時に、前記第１のレイヤ（３０４）を貫通してｚ方向に横断する孔（３０２）のアレイを形成するためにレーザーアブレーションを使用して前記第１のレイヤ（３０４）の選択された部分を除去するステップと、
前記指向性エネルギー堆積システム（１００）を使用して前記第１のレイヤ（３０４）上に付加材料（１１６）の第２のレイヤ（３１０）を堆積すると同時に、前記第２のレイヤ（３１０）を貫通してｘ方向および／またはｙ方向に横断する相互接続路（３１２）を形成するためにレーザーアブレーションを使用して前記第２のレイヤ（３１０）の選択された部分を除去するステップであって、前記相互接続路（３１２）は前記孔（３０２）のアレイと流体連通する、ステップと、
前記フィルム（３００）のための支持レイヤ（３１６）を形成するために前記指向性エネルギー堆積システム（１００）を使用して前記第２のレイヤ（３１０）上に付加材料（１１６）の第３のレイヤを堆積するステップと、
を備える、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
表面孔開口（３０８）のアレイを備える表面処理された表面（３０６）を提供するために前記フィルム（３００）の表面（３０６）を表面処理するステップであって、前記表面孔開口（３０８）は、前記第１のレイヤ（３０４）における前記孔（３０２）のアレイと流体連通する、ステップを備える、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
縁部孔開口（３０４）のアレイを備える表面処理された側方縁部を提供するために前記多孔性ツール（１１８）の側方縁部を表面処理するステップであって、前記縁部孔開口（３０４）は、前記相互接続路（３１２）と流体連通する、ステップを備える、請求項３に記載の方法。
【請求項６】
前記構築面から前記フィルム（３００）を分離し、前記フィルム（３００）を型枠体（４００）に貼付するステップであって、前記多孔性ツール（１１８）は、前記フィルム（３００）が貼付された前記型枠体（４００）を備える、ステップを備える、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
型枠体（４００）を形成するために前記指向性エネルギー堆積システム（１００）を使用して前記フィルム（３００）上に追加的な付加材料（１１６）を堆積するステップを備える、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記指向性エネルギー堆積システム（１００）を使用して構築プラットフォーム（１０４）上に付加材料（１１６）を堆積することによって、前記構築面を形成するステップであって、前記構築面は、前記フィルム（３００）のための支持レイヤ（３１６）を規定するステップを備える、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
１つまたは複数の外形を含むように前記フィルム（３００）を形成するステップであって、前記１つまたは複数の外形は、成形用材料を前記１つまたは複数の外形によって規定される形状に一致させるように構成される、ステップを備える、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記指向性エネルギー堆積システム（１００）は、化学気相堆積（ＣＶＤ）システム、レーザー加工ネットシェイプ（ＬＥＮＳ）システム、電子ビーム付加溶融（ＥＢＡＭ）システム、または高速プラズマ堆積（ＲＰＤ）システムを備える、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記付加材料（１１６）は金属または金属合金を含み、前記金属または金属合金は、タングステン、アルミニウム、銅、コバルト、モリブデン、タンタル、チタニウム、および／またはニッケルを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
１つまたは複数のレイヤにおいて前記相互接続路（３１２）のネットワークを形成するステップであって、前記１つまたは複数のレイヤは、１００から１，０００ミクロンの厚さを有する、ステップを備える、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記多孔性ツール（１１８）は、支持レイヤ（３１６）を備え、前記支持レイヤ（３１６）は、１から１０ミリメートルの厚さを有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記相互接続路（３１２）は、１から２５ミクロンの平均断面幅を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
型枠体（４００）と、
前記型枠体（４００）の表面に貼付された付加製造フィルム（３００）であって、前記付加製造フィルム（３００）は、１００から１，０００ミクロンの厚さを有する多孔性レイヤ（３０４）、（３１０）と、１から１０ミリメートルの厚さを有する非多孔性支持レイヤ（３１６）とを備え、前記多孔性レイヤ（３０４）、（３１０）は、
表面孔開口（３０８）のアレイを有する表面（３０６）と、
前記表面孔開口（３０８）と流体連通する相互接続路（３１２）のネットワークと、
前記相互接続路（３１２）と流体連通する縁部孔開口（３０４）のアレイを備える１つまたは複数の側方縁部と、
を含む、付加製造フィルム（３００）と、
を備える、多孔性ツール（１１８）。
【請求項１６】
前記多孔性レイヤ（３０４）、（３１０）は、
付加材料（１１６）の第１のレイヤ（３０４）であって、前記第１のレイヤ（３０４）を貫通してｚ方向に横断する孔（３０２）のアレイを備える、第１のレイヤ（３０４）と、
付加材料（１１６）の第２のレイヤ（３１０）であって、前記第２のレイヤ（３１０）を貫通してｘ方向および／またはｙ方向に横断する相互接続路（３１２）を備え、前記相互接続路（３１２）は前記孔（３０２）のアレイと流体連通する、第２のレイヤ（３１０）と、
を備える、請求項１５に記載の多孔性ツール（１１８）。
【請求項１７】
前記孔および／または前記相互接続路（３１２）は、１から２５ミクロンの平均断面幅を有する、請求項１６に記載の多孔性ツール（１１８）。
【請求項１８】
型枠体（４００）と、前記型枠体（４００）に貼付される前記付加製造フィルム（３００）と、を備え、前記付加製造フィルム（３００）は、前記型枠体（４００）に接着されるか、または前記型枠体（４００）と一体的に形成される、請求項１５に記載の多孔性ツール（１１８）。
【請求項１９】
成形コンポーネントを形成する方法であって、前記方法は、
１つまたは複数の成形用材料（５０２）を、多孔性ツール（１１８）を使用して、ある形状に一致させるステップであって、前記多孔性ツール（１１８）は、型枠体（４００）と、前記型枠体（４００）の表面に貼付された付加製造フィルム（３００）と、を備え、前記付加製造フィルム（３００）は、１００から１，０００ミクロンの厚さを有する多孔性レイヤ（３０４）、（３１０）と、１から１０ミリメートルの厚さを有する非多孔性支持レイヤ（３１６）と、を備える、ステップと、
前記付加製造フィルム（３００）の前記多孔性レイヤ（３０４）、（３１０）を通じて前記１つまたは複数の成形用材料（５０２）から発生ガスを排気するステップであって、前記発生ガスは、前記１つまたは複数の成形用材料（５０２）と接触する前記付加製造フィルム（３００）の表面（３０６）に位置する表面孔開口（３０８）のアレイを通じて前記多孔性レイヤ（３０４）、（３１０）に入り、相互接続路（３１２）のネットワークを通じて前記多孔性レイヤ（３０４）、（３１０）を横断し、前記付加製造フィルム（３００）の１つまたは複数の側方縁部に位置する縁部孔開口（３０４）のアレイを通じて前記多孔性レイヤ（３０４）、（３１０）から抜け出る、ステップと、
を備える、方法。
【請求項２０】
前記１つまたは複数の成形用材料（５０２）を、ターボマシンのためのシュラウドコンポーネントの形状、または、ターボマシンのためのタービンブレードコンポーネントの形状に一致させるステップであって、前記１つまたは複数の成形用材料（５０２）は、セラミックマトリックス複合（ＣＭＣ）材料、ポリマーマトリックス複合（ＰＭＣ）材料、および／または超合金を含む、ステップを備える、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一体的に形成された多孔性構造を有する多孔性フィルムおよびレイアップツールなどの多孔性ツール、ならびに、複合材加工および/または付加製造プロセスを使用してこのような多孔性ツールを作製する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
多孔性フィルムは、フィルムにランダムな方向を向いた穴を生むために、焼結プロセスを使用して作製されてきた。しかしながら、焼結プロセスは、行き止まりの孔またはそうでないとしても所望の深さが不足している孔などサイズおよび深さにムラがある孔を生む傾向がある。結果的に、焼結プロセスを使用して作製された多孔性フィルムでは、ばらつきおよび/または不確実性の度合いが、特定の用途のためには適切でないことがある。
【０００３】
複合材加工および付加製造技術などの成形技術は、減量、オートクレービング、硬化および/または熱分解プロセスなどの様々なプロセスにおいて多孔性フィルムを利用する。このようなプロセスにおいて、多孔性フィルムは、発生ガスを分離および排気しつつ、他の材料の通過を防止するためのフィルタとして使用され得る。例えば、いくつかのプロセスにおいて、複合材または付加製造材料などの成形用材料は、レイアップツールを覆って形成され得、ときに空気抜きフィルムと呼ばれる多孔性フィルムは、レイアップツールの上に、またはその周りに置かれ得る。レイアップツール、成形用材料および多孔性フィルムの結果的なアセンブリは、減量、オートクレービング、硬化および/または熱分解システムに置かれ得、発生ガスは空気抜きフィルムを通って排気される。典型的には、空気抜きフィルムは、使い捨ての製品と見なされ、一回使用されただけで廃棄され得るが、このことは、廃棄材料の蓄積をもたらす。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
それ故、一体的に形成された多孔性構造を有する多孔性フィルムおよびレイアップツールなどの向上された多孔性ツール、ならびにこのような多孔性ツールを作製する向上された方法に対する需要が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
態様および利点は、以下の説明において部分的に明記され、または、説明から明らかであり得、または、ここに開示される主題の実践を通じて承知され得る。
【０００６】
一態様において、本開示は多孔性ツールを包含する。例示的な多孔性ツールは、型枠体と、型枠体の表面に貼付された付加製造フィルムとを含む。フィルムは、多孔性レイヤと、非多孔性支持レイヤとを含む。多孔性レイヤは、100から1,000ミクロンの厚さを有し得る。非多孔性支持レイヤは、1から25ミリメートルの厚さを有し得る。多孔性レイヤは、表面孔開口のアレイを有する表面と、表面孔開口と流体連通する相互接続路のネットワークと、相互接続路と流体連通する縁部孔開口のアレイを有する1つまたは複数の側方縁部とを含み得る。
【０００７】
別の態様において、本開示は、多孔性ツールを形成する方法を包含する。例示的な方法は、フィルムを形成するために指向性エネルギー堆積システムを使用して構築面上に付加材料を堆積すると同時に、フィルムに多孔性レイヤを形成するためにレーザーアブレーションを使用して付加材料の選択された部分をフィルムから除去するステップであって、多孔性レイヤは相互接続路のネットワークを含む、ステップを含む。
【０００８】
なおも別の態様において、本開示は、成形コンポーネントを形成する方法を包含する。例示的な方法は、1つまたは複数の成形用材料を、型枠体と、付加製造フィルムとを含む多孔性ツールを使用して、ある形状に一致させるステップを含む。付加製造フィルムは、型枠体の表面に貼付され得、または型枠体の一部として一体的に形成され得る。例示的な方法は、フィルムの多孔性レイヤを通じて1つまたは複数の成形用材料から発生ガスを排気するステップを含む。多孔性レイヤは、100から1,000ミクロンの厚さを有し得る。フィルムは、追加的に、非多孔性支持レイヤを含み得、これは1から25ミリメートルの厚さを有し得る。排気される発生ガスは、1つまたは複数の成形用材料と接触するフィルムの表面に位置する表面孔開口のアレイを通じて多孔性レイヤに入り得る。発生ガスは、相互接続路のネットワークを通じて多孔性レイヤを横断し得、フィルムの1つまたは複数の側方縁部に位置する縁部孔開口のアレイを通じて多孔性レイヤから抜け出得る。
【０００９】
これらのおよび他の特徴、態様および利点は、以下の説明および添付の特許請求の範囲を参照することで、より良く理解されよう。本明細書に組み込まれ、その一部を構成する添付の図面は、例示的な実施形態を示し、説明とともに、ここに開示される主題の特定の原理を解説する役割を果たす。
【００１０】
当業者に向けられた、その最良の形態を含む、完全で実施可能な程度の開示が、本明細書において記載され、これは添付の図面を参照している。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】多孔性ツールを形成するための例示的な多孔性ツール製造システムを図示する図である。
【図１Ｂ】多孔性ツールを形成するための例示的な多孔性ツール製造システムを図示する図である。
【図１Ｃ】多孔性ツールを形成するための例示的な多孔性ツール製造システムを図示する図である。
【図２Ａ】多孔性ツールを形成する例示的な方法におけるステップを示すフローチャートである。
【図２Ｂ】多孔性ツールを形成する例示的な方法におけるステップを示すフローチャートである。
【図２Ｃ】多孔性ツールを形成する例示的な方法におけるステップを示すフローチャートである。
【図３Ａ】例示的な多孔性ツールにおける様々なレイヤの一連の断面図のうちの1つである。
【図３Ｂ】例示的な多孔性ツールにおける様々なレイヤの一連の断面図のうちの1つである。
【図３Ｃ】例示的な多孔性ツールにおける様々なレイヤの一連の断面図のうちの1つである。
【図３Ｄ】例示的な多孔性ツールにおける様々なレイヤの一連の断面図のうちの1つである。
【図３Ｅ】例示的な多孔性ツールにおける様々なレイヤの一連の断面図のうちの1つである。
【図３Ｆ】例示的な多孔性ツールにおける様々なレイヤの一連の断面図のうちの1つである。
【図３Ｇ】例示的な多孔性ツールにおける様々なレイヤの一連の断面図のうちの1つである。
【図３Ｈ】例示的な多孔性ツールにおける様々なレイヤの一連の断面図のうちの1つである。
【図３Ｉ】例示的な多孔性ツールにおける様々なレイヤの一連の断面図のうちの1つである。
【図４Ａ】多孔性構造と型枠体とを含む例示的な多孔性ツールの断面図である。
【図４Ｂ】多孔性構造と型枠体とを含む例示的な多孔性ツールの断面図である。
【図５Ａ】多孔性ツールの1つまたは複数の外形によって規定された形状に成形用材料を一致させるために使用されている別の例示的な多孔性ツールの断面図である。
【図５Ｂ】多孔性ツールの1つまたは複数の外形によって規定された形状に成形用材料を一致させるために使用されている別の例示的な多孔性ツールの断面図である。
【図６】多孔性ツールを使用して複合材または付加製造コンポーネントを形成する例示的な方法におけるステップを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本明細書および図面において繰り返し使用される参照記号は、本開示の同一のまたは類似の特徴または要素を表すものと意図される。
【００１３】
次に、ここに開示される主題の例示的な実施形態が、詳細に参照され、その1つまたは複数の例は、図面において示される。各例は、説明のために提供されるものであり、本開示を限定するものと解釈されるべきではない。実際上、本開示おいて、本開示の範囲または主旨から逸脱することなく、様々な修正および変形がなされ得ることは、当業者には明らかであろう。例えば、1つ実施形態の一部として示され、または説明された特徴が、なおも更なる実施形態を生むために別の実施形態とともに使用され得る。それ故、本開示は、添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物の範囲内にあるものとして、そのような修正および変形をカバーするものと意図される。
【００１４】
本開示は、概して、複合材または付加製造コンポーネントの形成において使用されるための多孔性ツール、このような多孔性ツールを形成する方法、および成形コンポーネントを形成するためにこのような多孔性ツールを使用する方法に関する。例示的な実施形態において、多孔性ツールは、一体的に形成された多孔性構造を有するフィルタおよび/またはレイアップツールを具現化し得る。ここに開示される多孔性ツールは、型枠体と、型枠体の表面に貼付され得る、または型枠体とともに一体的に形成され得る付加製造フィルムとを含む。付加製造フィルムは、表面孔開口のアレイを有する多孔性表面を有する多孔性レイヤと、表面孔開口と流体連通する相互接続路のネットワークと、相互接続路と流体連通する縁部孔開口のアレイを有する1つまたは複数の側方縁部とを含む。多孔性レイヤは、任意の所望の多孔性構造を含み得る。多孔性表面は、1つまたは複数の外形を含み得、これは、複合材料または付加製造材料などの成形用材料を、1つまたは複数の外形によって規定される形状に一致させるように構成される。多孔性レイヤは、複合材加工および/または付加製造プロセス中に、発生ガスが成形用材料から流出することを可能にする。例えば、発生ガスは、成形用材料を多孔性ツールの多孔性表面に一致させている間に、多孔性レイヤを通じて流出し得る。多孔性構造は、所与の温度および圧力において、発生ガスの特定の所望の質量流束を提供するように構成および配置され得る。
【００１５】
有利には、ここに開示される多孔性ツールは、特定の複合材または付加製造プロセス、および/または特定の複合材または付加製造コンポーネントに合うように調整され得、向上された性能および信頼性を可能にする。例えば、ここに開示される多孔性ツールは、多孔性ツールの異なる部分の間で発生ガスのより均一な質量流束を提供し得、このことは、より均一なまたは向上したコンポーネントの密度、および/またはより均一なまたはより向上したコンポーネントの強度特性を提供し得る。発生ガスのより均一な質量流束は、発生ガスの排気を伴うプロセスに割り当てられる処理時間も減少させ得、および/または、より安定した処理時間を提供し得、このことも、より均一なまたは向上した密度および/または強度特性に寄与し得る。追加的に、ここに開示される多孔性ツールは、一般に減量、オートクレービング、硬化および/または熱分解プロセスにおいて発生ガスを排気するためにレイアップツールの周りに置かれる空気抜きフィルムの代替となり得る。空気抜きフィルムは、概して、使い捨て製品と見なされており、従って、ここに開示される多孔性ツールは、廃棄材料を有利に減少または排除し得る。
【００１６】
ここに開示される多孔性ツールは、協同的または同時的に動作されて多孔性ツールをレイヤごとに生むように構成された付加材料源とエネルギー源とを含む多孔性ツール製造システムを使用して形成され得る。多孔性ツールを形成する例示的な方法は、構築面上に付加材料を堆積すると同時に、多孔性レイヤを形成するために付加材料の選択された部分を除去するステップを含む。有利には、多孔性ツール製造システムの協同的または同時的な動作は、多孔性ツールを生産するためのより迅速な生産時間を提供し得るとともに、焼結プロセスに伴うばらつきおよび/または不確実性を無くすことによってなど、正確性も向上させる。追加的に、ここに開示される多孔性ツールは、成形コンポーネントを形成する方法において使用され得、有利には、発生ガスのより均一な排気と、使い捨て空気抜きフィルムの排除とを可能にする。
【００１７】
「上部」「底部」「外側に」「内側に」などの語は、利便性のための語であって、制限語として解釈されるべきではないことが理解される。本明細書において使用されるとき、「第1」「第2」および「第3」という語は、1つのコンポーネントを別のコンポーネントから区別するために交換可能に使用され得、個々のコンポーネントの場所または重要性を示すものとは意図されない。「1つの(aおよびan)」という語は、量の限定を表すものではなく、むしろ、言及されるアイテムのうちの少なくとも1つが存在することを表す。
【００１８】
ここで、ならびに本明細書および特許請求の範囲の全体を通じて、範囲の限定は、組み合わせおよび交換され、文脈または文言がそうでないことを示さない限り、このような範囲は特定され、それに含まれる全ての部分範囲を含むものである。例えば、本明細書において開示される全ての範囲は、端点を含むものであり、端点は、互いに対して個々に組み合わされるものである。
【００１９】
近似的文言は、本明細書および特許請求の範囲の全体を通じて使用されるとき、それが関連する基本的機能の変更をもたらすことなく、許容範囲内で変化することができる任意の定量的表現を修飾するために適用される。故に、「約(about)」、「およそ(approximately)」、および「実質的に(substantially)」などの1つまたは複数の語によって修飾された値は、指定された厳密な値に限定されるものではない。少なくともいくつかの場合において、近似的文言は、値を測定するための機器の精度、または、コンポーネントおよび/またはシステムを構築もしくは製造するための方法または機械の精度に対応し得る。
【００２０】
次に、図1A〜図1Cを参照すると、例示的な多孔性ツール製造システム100の様々な実施形態が図示されている。例示的な製造システム100は、付加製造技術を含む。図1Aにおいて図示されるように、多孔性ツール製造システム100は、化学気相堆積(CVD:chemical vapor deposition)システム、レーザー加工ネットシェイプ(LENS:laser engineered net shape)システム、電子ビーム付加溶融(EBAM:electron beam additive melting)システム、または高速プラズマ堆積(RPD:rapid plasma deposition)システムなどの指向性エネルギー堆積(DED:directed energy deposition)システムを含み得る。図1Bにおいて図示されるように、多孔性ツール製造システム100は、直接金属レーザー溶融(DMLM:direct metal laser melting)システム、電子ビーム溶融(EBM:electron beam melting)システム、直接金属レーザー焼結(DMLS:directed metal laser sintering)システム、選択的レーザー溶融(SLM:selective laser melting)システム、または選択的レーザー焼結(SLS:selective laser sintering)システムなどの粉末床溶融結合(PBF:powder bed fusion)システムを含み得る。図1Cにおいて図示されるように、多孔性ツール製造システム100は、超音波製造(UAM:ultrasonic manufacturing)システムなどの薄膜積層(LOM:laminated object manufacturing)システムを含み得る。利便性のために、例示的な多孔性ツール製造システム100は、本明細書において、ときに、全体としてシステム100と称される。
【００２１】
例示的なシステム100は、処理チャンバ102と、構築プラットフォーム104と、付加材料源106と、エネルギービーム110を射出するように構成されたエネルギー源108とを含む。付加材料源106およびエネルギー源108は、本明細書において説明されるように、構築プラットフォーム104上に多孔性ツール12をレイヤごとに生むために協同的または同時的に動作され得る。例示的なエネルギー源108は、レーザービーム、電子ビーム、プラズマアークなどのビーム110を射出するように構成され得る。エネルギー源108は、付加材料源106からの付加材料を結合させるなどの付加プロセスにおいて利用され得る。エネルギー源108の例示的な付加プロセスは、特定のシステム100に適用可能な反応、焼結、溶融、硬化などを含み得る。追加的に、または代替的に、エネルギー源108は、多孔性ツールを形成するために付加材料を取り除くためなど、除去プロセスにおいて利用され得る。除去プロセスは、特定のシステム100に適用可能なアブレーション、蒸発、昇華、微細加工などを含み得る。例示的な実施形態において、多孔性ツール製造システム100は、指向性エネルギー堆積システムとレーザーアブレーションシステムとを含み得る。
【００２２】
本明細書において説明される例示的なシステム100は、単なる例として提供されるものであり、限定的な意味で理解されるべきではない。むしろ、図1A〜図1Cにおいて図示され、本明細書において説明される例示的なシステムの組み合わせを含む様々な他のシステムが、単独で、または組み合わされて利用され得、それらは全て本開示の主旨および範囲内にあることが理解されよう。例示的なシステム100は1つのエネルギー源108を図示しているが、実際上、複数のエネルギー源108など1つまたは複数のエネルギー源108が設けられ得ることが理解されよう。例えば、第1のエネルギー源108が付加プロセスのために設けられ得、第2のエネルギー源108が除去プロセスのために設けられ得る。代替的に、または追加的に、共通のエネルギー源108が、付加プロセスおよび除去プロセスの両方に利用されてよい。
【００２３】
図1Aにおいて図示されるように例示的なシステム100が指向性エネルギー堆積(DED)システムを含むとき、処理チャンバ102は堆積チャンバを具現化し得る。付加材料源106は、付加材料の流れ116を供給するように構成されたノズル114を含み得、この流れ116は、特定のDEDシステムに適用可能なガス、粉末、またはワイヤもしくはフィラメント材料などを含み得る。エネルギー源108は、付加プロセスおよび/または除去プロセスにおいて利用され得る。例えば、付加プロセスにおいて、エネルギー源108は、構築プラットフォーム104または多孔性ツール112の表面などの構築面に堆積されるように材料を蒸発させるために使用されるビームを射出し得る。追加的に、または代替的に、エネルギー源108は、アブレーション、蒸発、昇華または微細加工を含む除去プロセスにおいて利用され得る。例示的な実施形態において、エネルギー源108は、レーザーを含み、ビーム110は、レーザーアブレーションを実施するように構成されたレーザービームである。化学気相堆積(CVD)システムにおいて、構築プラットフォーム104に配置された基板(不図示)は、前駆体材料の形態の付加材料の流れ116に晒され得、これは、基板上で反応および/または分解して付加材料の薄いフィルムを生む。前駆体材料は、特定のCVDシステムに適用可能なガス、液体/ガスエアロゾル、液体、溶媒に溶解された液体などを含み得る。本開示に従って、低圧力CVDシステム、超高真空CVDシステムを含む任意のCVDシステムが利用され得、これらの各々は、負圧環境を提供する処理チャンバとともに動作する。超高真空CVDシステムの場合には、処理チャンバ102は、10-7Pa未満など、10-6Pa未満の圧力などの負圧環境を提供し得る。
【００２４】
レーザー加工ネットシェイプ(LENS)システムにおいて、ノズル114は、加圧された搬送ガスによって供給され得る粉末の形態の付加材料の流れ116を供給し得、エネルギー源108は、レーザービーム110を射出して粉末を溶融させ、付加材料の薄いフィルムを構築プラットフォーム104上に形成し得る。電子ビーム付加溶融(EBAM)システムにおいて、ノズル114は、粉末の形態またはワイヤもしくはフィラメントの形態の付加材料の流れ116を供給し得、エネルギー源108は、電子ビーム110を射出して粉末、ワイヤ、またはフィラメントを溶融させ、付加材料の薄いフィルムを構築プラットフォーム104上に形成し得る。高速プラズマ堆積(RPD)システムにおいて、ノズル114は、ワイヤまたはフィラメントの形態の付加材料の流れ116を供給し得、堆積チャンバ102は、アルゴンガス環境を供給し得る。エネルギー源108は、プラズマアーク110を射出してワイヤまたはフィラメントを溶融させ、付加材料の薄いフィルムを構築プラットフォーム104上に形成し得る。
【００２５】
特定のDEDシステムに関係なく、付加材料116は、有限な場所においてビーム110によって溶融されて、多孔性構造を有する逐次的なレイヤを形成し得、および/または逐次的に連続レイヤが、適用可能な付加プロセスによって形成され得、協同的または同時的に多孔性構造がエネルギー源108を使用してレーザーアブレーションなどの除去プロセスで形成される。
【００２６】
図1Bにおいて図示されるように例示的なシステム100が粉末床溶融結合(PBF)システムを含むとき、処理チャンバ102は、負圧環境を提供してもしなくてもよい筐体を具現化し得る。付加材料源106は、粉末の形態の付加材料のレイヤを供給するように構成されたローラ118を含み得、エネルギー源108は、粉末化された付加材料120を溶融または焼結させて薄いフィルムを構築プラットフォーム104上に形成するビーム110を射出する。選択的レーザー焼結(SLS)システムまたは直接金属レーザー焼結(DMLS)システムにおいて、粉末化された付加材料は、ローラ118が付加材料の逐次的なレイヤを適用するにつれ、エネルギー源からのビーム110によってレイヤごとに焼結される。直接金属レーザー溶融(DMLM)システムまたは選択的レーザー溶融(SLM)システムにおいて、粉末化された付加材料は、ローラ118が付加材料の逐次的なレイヤをレイヤごとに適用するにつれ、典型的には、焼結されるのではなく完全に溶融される。特定のPBFシステムに関係なく、付加材料116は、有限な場所においてビーム110によって溶融または焼結されて、多孔性構造を有する逐次的なレイヤを形成し得、および/または逐次的に連続レイヤが、適用可能な付加プロセスによって形成され得、協同的または同時的に多孔性構造がエネルギー源108を使用してレーザーアブレーションなどの除去プロセスで形成される。
【００２７】
図1Cにおいて図示されるように例示的なシステム100が薄膜積層(LOM)システムを含むとき、処理チャンバ102は、負圧環境を提供してもしなくてもよい筐体を具現化し得る。付加材料源106は、フィルム、シート、リボンまたはフォイル124の形態の付加材料を供給するように構成されたスプール122を含み得、フィルム、シート、リボンまたはフォイル124は接着剤によって被覆され得る。エネルギー源108は、フィルム、シート、リボンまたはフォイル124にパターンを刻むビーム110を射出する。付加材料のフィルム、シート、リボンまたはフォイル124の逐次的なレイヤは、引き上げスプール126によってその残りが構築プラットフォームを越えて引張られるにつれて、順に重ねられて適用される。特定のLOMシステムに関係なく、付加材料は、ビーム110によって刻まれて、多孔性構造を有する逐次的なレイヤを形成し得、および/または逐次的に連続レイヤが、適用可能な付加プロセスによって形成され得、協同的または同時的に多孔性構造がエネルギー源108を使用して除去プロセスで形成される。
【００２８】
任意の所望の付加材料が、適切な例示的な多孔性ツール製造システム100を使用して多孔性ツールを製造するために使用され得る。例示的な付加材料としては、金属または金属合金、およびセラミックマトリックス複合(CMC:ceramic matrix composite)材料などの複合材が挙げられる。例示的な金属または金属合金としては、タングステン、アルミニウム、銅、コバルト、モリブデン、タンタル、チタニウム、ニッケルおよびこれらの組み合わせ、ならびに、オーステナイト系ニッケル-クロムベースの超合金などの超合金が挙げられる。例示的なCMC材料としては、炭化ケイ素、シリコン、シリカ、またはアルミナマトリックス材料、およびこれらの組み合わせが挙げられる。セラミック繊維が、マトリックス内に埋め込まれ得、これは、サファイアおよび炭化ケイ素(SiC)などのモノフィラメント、ならびに炭化ケイ素、アルミノシリケートならびに刻まれたウィスカおよび繊維を含むヤーン、ならびに任意選択的に、セラミック粒子(例えば、Si、Al、Zr、Yの酸化物およびそれらの組み合わせ)および無機性の充填剤(例えば、パイロフィライト、ウォラストナイト、マイカ、タルク、カイヤナイト、モンモリロナイト)を含む酸化安定性強化繊維などのセラミック繊維である。更なる例として、CMC材料は、炭化ケイ素(SiC)または炭素繊維布も含み得る。いくつかの実施形態において、CMC材料は、炭素繊維強化炭素(C/C)、炭素繊維強化炭化ケイ素(C/SiC)、または炭化ケイ素強化炭化ケイ素(SiC/SiC)を含み得る。
【００２９】
次に、図2A〜図2Cを参照すると、多孔性ツール112を形成する例示的な方法が論じられる。多孔性ツール112を形成する例示的な方法200は、多孔性ツール製造システム100を使用して実施され得る。図2Aにおいて図示されるように、例示的な方法200は、多孔性構造300を有する複数のレイヤを形成するように付加材料源およびエネルギー源を協同的または同時的に動作させるステップを含む。例示的な方法200は、フィルムを形成するために構築面上に付加材料を堆積する(204)と同時に、フィルムに多孔性レイヤを形成するために付加材料の選択された部分をフィルムから除去する(206)ステップを含み得る。追加的に、または代替的に、例示的な方法200は、フィルムを形成するために構築面上に付加材料を堆積し(204)、これに続いて、フィルムに多孔性レイヤを形成するために付加材料の選択された部分をフィルムから除去する(206)ステップを含み得る。付加材料の堆積は、指向性エネルギー堆積システムを使用して実施され得、付加材料の選択された部分の除去は、レーザーアブレーションを使用して実施され得る。方法200は、負圧環境を提供する堆積チャンバなどの処理チャンバ102、または負圧環境を提供してもしなくてもよい筐体において実行され得る。多孔性ツール112は、処理チャンバ102内に位置する構築プラットフォーム104上に形成され得る。
【００３０】
図2Bおよび図2Cは、多孔性ツール112を形成する例示的な方法200による、多孔性構造300を有する複数のレイヤを形成する例示的な実施形態を図示する。図2Bにおいて図示されるように、いくつかの実施形態において、多孔性構造300を有する複数のレイヤを形成するステップは、フィルムのための支持レイヤを形成するために指向性エネルギー堆積システムを使用して構築面上に付加材料の第1のレイヤを堆積する(208)ステップを含み得る。付加材料の第2のレイヤが、指向性エネルギー堆積システムを使用して第1のレイヤ上に堆積され得ると同時に、第2のレイヤを貫通してx方向および/またはy方向に横断する相互接続路を形成するためにレーザーアブレーションを使用して第2のレイヤの選択された部分を除去する(210)。付加材料の第3のレイヤが、指向性エネルギー堆積システムを使用して第2のレイヤ上に堆積され得ると同時に、第3のレイヤを貫通してz方向に横断する孔のアレイを形成するためにレーザーアブレーションを使用して第3のレイヤの選択された部分を除去し、この孔のアレイは相互接続路のネットワークと流体連通する(212)。
【００３１】
図2Cにおいて図示されるように、いくつかの実施形態において、多孔性構造を有する複数のレイヤは、指向性エネルギー堆積システムを使用して構築面上に付加材料の第1のレイヤを堆積すると同時に、第1のレイヤを貫通してz方向に横断する孔のアレイを形成するためにレーザーアブレーションを使用して第1のレイヤの選択された部分を除去する(214)ステップを含む例示的な方法200に従って形成され得る(202)。付加材料の第2のレイヤが、指向性エネルギー堆積システムを使用して第1のレイヤ上に堆積され得ると同時に、第2のレイヤを貫通してx方向および/またはy方向に横断する相互接続路を形成するためにレーザーアブレーションを使用して第2のレイヤの選択された部分を除去し、この相互接続路は孔のアレイと流体連通する(216)。付加材料の第3のレイヤは、フィルムのための支持レイヤを形成するために指向性エネルギー堆積システムを使用して第2のレイヤ上に堆積され得る(218)。
【００３２】
いくつかの実施形態において、例示的な方法200は、表面孔開口のアレイを有する表面処理された表面を提供するためにフィルムの表面を表面処理するステップであって、表面孔開口は、第1のレイヤにおける孔のアレイと流体連通する、ステップを含み得る(220)。追加的に、または代替的に、例示的な方法200は、縁部孔開口のアレイを有する表面処理された側方縁部を提供するためにフィルムの側方縁部を表面処理するステップであって、縁部孔開口は、相互接続路と流体連通する、ステップを含み得る(222)。表面および/または側方縁部は、除去プロセスにおけるエネルギー源108、研磨ツール、および/または任意の他の適切な表面処理ツールを使用して表面処理され得る。
【００３３】
いくつかの実施形態において、例示的な方法200は、構築面からフィルムを分離し、フィルムを型枠体に貼付するステップであって、多孔性ツールは、フィルムが貼付された型枠体を含む、ステップを含み得る。追加的に、または代替的に、例示的な方法200は、型枠体を形成するために、例えば、指向性エネルギー堆積システムを使用して、フィルム上に追加的な付加材料を堆積するステップを含み得る。いくつかの実施形態において、構築面は、指向性エネルギー堆積システムを使用して、構築プラットフォーム上に付加材料を堆積することによって形成され得る。構築面は、フィルムのための支持レイヤを規定し得る。
【００３４】
なおも更なる例示的な実施形態において、複数のレイヤは、付加材料源から付加材料を供給し、構築プラットフォーム上に付加材料の逐次的なレイヤを付加形成することによって、少なくとも部分的に形成され得る。いくつかの実施形態において、1つまたは複数の多孔性構造は、付加材料を反応、焼結、溶融または硬化させるなど、付加プロセスにおいてエネルギー源108を利用して形成され得る。このような付加プロセスにおいて、エネルギー源108は、付加プロセスを介して少なくとも部分的に多孔性構造を形成するように逐次的なレイヤを付加形成するときに利用され得る。追加的に、または代替的に、1つまたは複数の多孔性構造は、付加材料の逐次的なレイヤのアブレーション、蒸発、昇華および/または微細加工など、除去プロセスにおいてエネルギー源108を利用して形成され得る。例示的な方法200に従って形成される1つまたは複数の多孔性構造は、表面孔開口のアレイを有する多孔性表面を含み得、表面孔開口のアレイは、孔のアレイおよび/または相互接続路のネットワークへとつながり得る。孔のアレイおよび/または相互接続路のネットワークは、複合材加工および/または付加製造プロセス中に、1つまたは複数の成形用材料を多孔性ツールの多孔性表面に一致させている間に、発生ガスが複合材または付加製造材料などの1つまたは複数の成形用材料から流出することを可能にするように構成され得る。
【００３５】
例示的な実施形態において、付加プロセスは、化学気相堆積(CVD)システム、レーザー加工ネットシェイプ(LENS)システム、電子ビーム付加溶融(EBAM)システム、または高速プラズマ堆積(RPD)システムなどの指向性エネルギー堆積(DED)システムを含む。例えば、一実施形態において、例示的な方法200は、指向性エネルギー堆積(DED)システムを使用して付加材料の逐次的なレイヤを付加形成し、協同的または同時的に、レーザーアブレーション、蒸発、昇華または微細加工などの除去プロセスにおいてエネルギー源を利用して逐次的なレイヤに多孔性構造を形成するステップを含む。追加的に、または代替的に、多孔性ツール112は、任意の他の多孔性ツール製造システム100を使用して、例示的な方法200に従って形成され得る。例として、例示的な方法200に従って形成される多孔性ツール112は、一体的に形成された多孔性構造を有するフィルタおよび/またはレイアップツールを具現化し得る。
【００３６】
次に、図3A〜図3Iを参照すると、例示的な多孔性ツール112が論じられる。図3A〜図3Iは、例示的な多孔性ツール112の一連の断面図を図示する。いくつかの実施形態において、図3A〜図3Iにおいて図示される断面図は、多孔性ツール112を形成する例示的な方法におけるステップに対応し得る。任意の多孔性ツール製造システム100が、本明細書において説明される例示的な実施形態を含む多孔性ツール112を形成するために使用され得る。図3A〜図3Cは、多孔性ツール112および/または多孔性ツール112の第1のレイヤの一実施形態の断面図を図示する。図3D〜図3Fは、多孔性ツール112および/または多孔性ツール112の第2のレイヤの別の実施形態の断面図を図示する。図3G〜図3Iは、多孔性ツール112および/または多孔性ツール112の第3のレイヤのなおも別の実施形態の断面図を図示する。それぞれの断面図は、デカルト座標系を基準として図示されている。それぞれの断面において図示される例示的な多孔性ツール112は、本開示の主旨および範囲から逸脱することなく、デカルト座標系の周りを回転され得ることは理解されよう。
【００３７】
多孔性ツール112は多孔性構造300を含む。多孔性構造は、孔、アパチャ、穴、スリット、開口、流路、スロットなどの、またはそれらの組み合わせのアレイを有する1つまたは複数の多孔性レイヤを含み得、本明細書において、これらはときに、集合的に孔302のアレイと称される。図3A〜図3Iに図示される例示的な実施形態において、多孔性構造300は付加製造フィルムを含む。図3A〜図3Cにおいて図示されるように、付加製造フィルムなどの多孔性ツール112の第1の多孔性レイヤ304は、表面孔開口308のアレイを有する多孔性表面306を含み、それぞれの表面孔開口308の各々は、フィルムの多孔性構造300内の対応する孔302へとつながっている。多孔性表面306は、1つまたは複数の外形を含み得、これは、複合材または付加製造材料などの成形用材料を、1つまたは複数の外形によって規定される形状に一致させるように構成される。1つまたは複数の外形は、多孔性ツール112を使用して形成されるべきコンポーネントの形状に対応する任意のやり方によって構成され得る。多孔性表面306の断面図は、全体的に、直線的な外形を有するように図示されているが、1つまたは複数の外形は、多孔性ツール112を使用して形成されるべきコンポーネントの形状の全体または一部分に対応し得る任意の所望の曲線、角部、形状または平面を含み得ることは理解されよう。多孔性構造300は、減量、オートクレービング、硬化、熱分解などのプロセス、および/または、成形、複合材加工および/または付加製造に関連する他のプロセス中に、発生ガスが1つまたは複数の成形用材料から流出することを可能にするように構成され得る。孔302のアレイは、多孔性構造300を貫通して、例えば多孔性構造300の第1の多孔性レイヤ304を貫通して、図3A〜図3Cにおいて図示されるようなz方向などの任意の所望の1つまたは複数の方向に横断するように構成および配置され得る。いくつかの実施形態において、多孔性ツール112は、多孔性構造300を横断する孔302のアレイへとつながる表面孔開口308のアレイを規定する多孔性構造300を含み得る。
【００３８】
追加的に、または代替的に、多孔性ツール112は、本明細書において説明されるように、第1の多孔性レイヤ304と組み合わされた更なるレイヤを有する付加製造フィルムなどの多孔性構造300を含み得る。例えば、図3D〜図3Fにおいて図示されるように、第2の多孔性レイヤ310が、多孔性ツール112の第1の多孔性レイヤ304の上または下に形成され得る。多孔性開口308は、第2の多孔性レイヤ310および/または第1の多孔性レイヤ304によって規定される相互接続路312のネットワークとの流体連通を提供し得る。相互接続路312のネットワークは、複数の縁部孔開口314との流体連通を提供する。縁部孔開口314は、フィルムの任意の1つまたは複数の側方縁部に沿って位置し得る。図3D〜図3Fにおいて図示されるように、表面孔開口308は、孔302のアレイおよび相互接続路312のネットワークによって、縁部孔開口314と流体連通する。
【００３９】
相互接続路312のネットワークは、多孔性構造300を貫通して、例えば多孔性構造300の第2の多孔性レイヤ310および/または第1の多孔性レイヤ304を貫通して、図3D〜図3Eにおいて図示されるようなxおよび/またはy方向などの任意の所望の1つまたは複数の方向に横断するように構成および配置され得る。いくつかの実施形態において、多孔性ツール112は、多孔性構造300の1つまたは複数の側方縁部に位置する縁部孔開口314のアレイへと多孔性構造300を横断する相互接続路312のネットワークとの流体連通を提供する孔302のアレイにつながる表面孔開口308のアレイを規定する多孔性構造300を含み得る。孔のアレイは、z方向などの第1の方向において、多孔性構造300、例えば多孔性構造300の第1の多孔性レイヤ304および/または第2の多孔性レイヤ310を横断し得る。相互接続路312のネットワークは、x方向などの第2の方向および/またはy方向などの第3の方向において、多孔性構造300、例えば第2のレイヤ310および/または第1のレイヤ304を横断し得る。それとともに、孔302のアレイおよび相互接続路312のネットワークは、多孔性ツール112の多孔性表面306における表面孔開口308から1つまたは複数の側方縁部における縁部孔開口314まで連続した通路を提供する。減量、オートクレービング、硬化、熱分解などのプロセス、ならびに/あるいは、成形、複合材加工および/または付加製造に関連する他のプロセス中などに、発生ガスは、このような連続した通路を通って流動し得る。
【００４０】
縁部孔開口314は、1つまたは複数の側方縁部において、多孔性ツール112が、実質的に非多孔性のレイヤを含むことができるような場所に位置付けられ得る。図3G〜図3Iにおいて図示されるように、多孔性ツール112は、多孔性構造300に対する支持を提供する第3のレイヤ316を含み得る。第3のレイヤ316は、非多孔性支持レイヤを含み得る。第3のレイヤ316は、多孔性ツール112の第2のレイヤ310の上に形成され得る。第3のレイヤ316は、実質的に非多孔性であり得、多孔性構造は第3のレイヤ316を横断していない。いくつかの実施形態において、第3のレイヤ316は、多孔性ツール112のための支持レイヤとしての役割を果たし得る。例えば、いくつかの実施形態において、多孔性ツール112は、多孔性レイヤ(例えば、第1の多孔性レイヤ304および/または第2の多孔性レイヤ310)と非多孔性レイヤ(例えば、第3のレイヤ316)とを有する付加製造フィルムを含む多孔性構造300を含み得る。多孔性レイヤは、表面孔開口308のアレイを有する多孔性表面306と、表面孔開口308と流体連通する相互接続路312のネットワークと、相互接続路312のネットワークと流体連通する縁部孔開口314のアレイを有する1つまたは複数の側方縁部とを含み得る。多孔性ツールは、表面孔開口308と相互接続路312のネットワークとの間に流体連通を提供する孔302のアレイを含み得る。付加製造フィルムまたは多孔性構造300は、その1つまたは複数の側部に、実質的に非多孔性のレイヤ(例えば、第3のレイヤ316)を含み得る。
【００４１】
次に図4Aおよび図4Bを参照すると、例示的な多孔性ツール112は、付加製造フィルムなどの多孔性構造300と、型枠体400とを含み得る。多孔性構造300は、図4Aにおいて図示されるように、適切な接着剤などによって型枠体400に貼付され得る。代替的に、図4Bにおいて図示されるように、多孔性構造300は型枠体400の一部として一体的に形成されてよく、またはその逆であってもよい。いくつかの実施形態において、多孔性ツール112は、図3A〜図3Cおよび/または図3D〜図3Fにおいて図示される1つまたは複数の多孔性レイヤ304、310と、図3G〜図3Iに図示される非多孔性レイヤ316とを有する多孔性フィルムなどの多孔性構造300を含み得る。いくつかの実施形態において、本明細書において説明されるように、多孔性ツール112は、一体的に形成された多孔性構造300を含むレイアップツールを、少なくとも部分的に具現化し得る。例えば、レイアップツールは、図3A〜図3Cおよび/または図3D〜図3Fにおいて図示されるものなど、孔302のアレイおよび/または相互接続路312のネットワークを含み得る。レイアップツールは、追加的に、図3G〜図3Iにおいて図示されるものなど、実質的に非多孔性のレイヤ316を含み得る。例示的な多孔性ツール112は、複合材加工および/または付加製造システムなどの成形プロセスにおいて、フィルタおよび/またはレイアップツールとして使用され得、減量、オートクレービング、硬化および/または熱分解などの様々な処理ステップ中に、発生ガスが成形用材料(例えば、複合材または付加製造材料)から流出することを可能にする。ここに開示される多孔性構造は、行き止まりの孔またはそうでないとしても所望の深さが不足している孔を有利に回避し、それによって、本明細書において説明されるように、発生ガス排気を向上させる。
【００４２】
多孔性ツール製造システム100は、任意の所望の構成および配置、ならびに任意の所望の幾何学的構造およびサイズを有する多孔性構造300を含む多孔性ツール112を形成するように構成され得る。孔302の構成、配置、幾何学的構造および/またはサイズは、多孔性ツール112の所望の多孔性の特性に従って選択され得る。多孔性ツール112の所望の特性は、所与の構成、配置、幾何学的構造および/またはサイズを有する孔のアレイを有する多孔性ツールを選択的に形成することによって得ることができる。いくつかの実施形態において、多孔性ツール112は、所与の温度および圧力において発生ガスの所望の質量流束を提供するように構成され得る。多孔性レイヤ(例えば、第1の多孔性レイヤ304および/または第2の多孔性レイヤ310)は、規則正しいアレイまたはランダムもしくはセミランダムなアレイを具現化するパターンなどの任意の所望のパターンまたはパターンの組み合わせに構成および配置された孔302および/または相互接続路312のネットワークを含み得る。表面孔開口308、孔302、相互接続路312および/または縁部孔開口314は、任意の所望の構成、形状および/またはサイズを有し得る。いくつかの実施形態において、表面孔開口308、孔302、相互接続路312および/または縁部孔開口314は、以下の輪郭、すなわち、円形、半円形、卵形、楕円形、三日月形、曲線形、多角形、不規則形、ランダム、セミランダム、および/またはそれらの組み合わせのうちの1つまたは複数を含む断面形状を有し得る。
【００４３】
いくつかの実施形態において、表面孔開口308、孔302、相互接続路312および/または縁部孔開口314は、1から1,000ミクロンの平均断面幅を有し得、例えば、25から750μm、50から750μm、100から750μm、250から750μm、150から500μm、250から750μm、500から750μm、750から1,000μm、1から250μm、5から150μm、10から100μm、1から75μm、5から50μm、1から25μm、または5から25μmなどの平均断面幅を有し得る。表面孔開口308、孔302、相互接続路312および/または縁部孔開口314は、少なくとも1ミクロンの平均断面幅を有し得、例えば、少なくとも5μm、少なくとも10μm、少なくとも25μm、少なくとも50μm、少なくとも100μm、少なくとも150μm、少なくとも200μm、少なくとも250μm、少なくとも350μm、少なくとも500μm、少なくとも750μm、または少なくとも900μmなどの平均断面幅を有し得る。表面孔開口308、孔302、相互接続路312および/または縁部孔開口314は、1,000ミクロン以下の平均断面幅を有し得、例えば、900μm以下、750μm以下、500μm以下、350μm以下、250μm以下、200μm以下、150μm以下、100μm以下、50μm以下、25μm以下、10μm以下、または5μm以下などの平均断面幅を有し得る。
【００４４】
いくつかの実施形態において、多孔性ツール112は、図3G〜図3Iに図示される第3のレイヤ316などの支持レイヤを含み得る。支持レイヤは、任意の所望の厚さ、例えば、1から25ミリメートル、1から10mm、2.5から10mm、2.5から5mm、5から20mm、10から25mm、15から25mmなどの厚さを有し得る。支持レイヤは、少なくとも1ミリメートルの厚さ、例えば、少なくとも2mm、少なくとも6mm、少なくとも12mm、少なくとも16mm、少なくとも22mmなどの厚さを有し得る。支持レイヤは、25ミリメートル未満の厚さ、例えば、21mm未満、17mm未満、13mm未満、9mm未満、7mm未満、3mm未満などの厚さを有し得る。次に、図5Aおよび図5Bを参照すると、レイアップツール500などの別の例示的な多孔性ツール112が図示されている。レイアップツール500は、複合材または付加製造コンポーネントなどの成形コンポーネントを形成するために、複合材加工および/または付加製造プロセスなどの成形プロセスにおいて使用され得る。例えば、1つまたは複数の成形用材料(例えば、複合材または付加製造材料)502は、レイアップツール500によって規定される形状に一致され得る。本明細書において説明されるように、レイアップツール500は多孔性構造300を含む。レイアップツール500は、1つまたは複数の型枠もしくはマンドレルなどの1つまたは複数の型枠体400を含み得る。図5Aおよび図5Bにおいて図示されるように、例示的なレイアップツール500は、第1の型枠体504および/または第2の型枠体506を含む。第1の型枠体504は外部型枠体400を含み得、第2の型枠体506は内部型枠体400を含み得る。型枠体は1つまたは複数の発生ガス通気孔508を含み得る。発生ガス通気孔508は、発生ガスが側方縁部孔314から型枠体504、506を通って流動するため通路を提供するように、側方縁部孔314のうちの1つまたは複数と整列し得る。1つまたは複数の発生ガス通気孔508の各々は、側方縁部孔314のうちの1つまたは複数と整列し得る。例えば、各側方縁部孔314が、個々に対応する発生ガス通気孔508を有する必要はなく、代わりに、1つの発生ガス通気孔が、複数の側方縁部孔から発生ガスが流動するための通路を提供し得る。しかしながら、いくつかの実施形態において、発生ガス通気孔508は、相互接続路312のネットワークの延長であると見なされ得、例えば、各側方縁部孔314が対応する発生ガス通気孔508を有してもよい。いくつかの実施形態において、発生ガス通気孔508は、対応する側方縁部孔314に比べてより大きな断面幅を有し得る。このような比較的より大きな発生ガス通気孔508は、図4Aにおいて図示されるような、多孔性構造300が型枠体400に接着されるような実施形態において、発生ガス通気孔との側方縁部孔の整列の容易化を可能にし得る。追加的に、または代替的に、発生ガス通気孔508は、より容易な洗浄を可能にし得、および/または発生ガス通気孔を塞ぐ汚れまたは堆積した材料の蓄積を最小化し得る。いくつかの実施形態において、発生ガス通気孔508は、図3A〜図3Iにおいて図示されるものと類似の相互接続路のネットワークなどの多孔性構造を含み得る。いくつかの実施形態において、1つまたは複数の発生ガス通気孔508は、多孔性構造に負圧を提供するような継手などのプロセス継手とインターフェースするように構成され得る。このような負圧は、発生ガスを排気すること、および/または1つまたは複数の成形用���料502をレイアップツール500の多孔性表面306の1つまたは複数の外形によって規定される形状に一致させることを助け得る。
【００４５】
複合材または付加製造コンポーネントなどの成形コンポーネントは、外部型枠体504および/または内部型枠体506を含む多孔性ツール112を使用して、1つまたは複数の成形用材料502から形成され得る。レイアップツール500などの多孔性ツール112を使用して成形コンポーネントを形成するとき、成形用材料502は、多孔性ツール112の多孔性表面306の形状に一致される。外部型枠体504および内部型枠体506は、成形コンポーネントを形成するシステムとして互いに一緒に使用されるように構成され得る。代替的に、または追加的に、外部型枠体504または内部型枠体506は、別個のプロセスまたはプロセスの別個のステップにおいてなど、個々に、または互いに別個に使用されるように構成されてもよい。
【００４６】
いくつかの実施形態において、図5Bにおいて図示されるように、レイアップツール500は、成形用材料502から形成された成形コンポーネント内に「捕らわれる」内部型枠体506を含み得る。内部型枠体506は、機械的および/または化学的なプロセスを使用して取り除かれ得る。例えば、レイアップツール500(例えば、内部型枠体506)は、苛性または酸性溶液を使用して、任意選択的には高温および/または高圧において、浸出され得るセラミック材料から形成され得る。
【００４７】
多孔性ツール112は、複合材または付加製造コンポーネントなどの成形コンポーネントを形成するために使用され得る。成形コンポーネントを形成するために、1つまたは複数の成形用材料502は、外部型枠体504および/または内部型枠体506を含むレイアップツール500の形状に一致され得る。例えば、複合材または付加製造コンポーネントは、図6において図示される例示的な方法600に従って形成され得る。例示的な方法600は、1つまたは複数の成形用材料(例えば、複合材または付加製造材料)を、多孔性ツールによって規定される形状に一致させるステップを含む(602)。多孔性ツールは、型枠体と、多孔性レイヤおよび非多孔性支持体を有する付加製造フィルムとを含み得る。フィルムは型枠体の表面に貼付され得(604)、またはフィルムは型枠体の一部として一体的に形成され得る(606)。フィルムが型枠体の表面に貼付されるかまたは型枠体の一部として一体的に形成されるかに関わらず、例示的な方法は、フィルムの多孔性レイヤを通じて1つまたは複数の成形用材料から発生ガスを排気するステップを含む(608)。発生ガスは、1つまたは複数の成形用材料と接触するフィルムの表面に位置する表面孔開口のアレイを通じて多孔性レイヤに入り得る。次いで、発生ガスは、相互接続路のネットワークを通じて多孔性レイヤを横断し得、フィルムの1つまたは複数の側方縁部に位置する縁部孔開口のアレイを通じて多孔性レイヤから抜け出得る。多孔性ツールはレイアップツールを含み得、例示的な方法600は、外部型枠体を使用して外部表面を形成するステップ(602)と、および/または内部型枠体を使用して内部表面を形成するステップ(604)と、レイアップツールの多孔性構造を通じて成形用材料から発生ガスを排気するステップ(606)とを含み得る。例示的な方法は、多孔性ツールにおける1つまたは複数の発生ガス通気孔508を通じて発生ガスを排気するステップを含み得る。いくつかの実施形態において、例示的な方法600は、複合材または付加製造コンポーネント内に捕らわれた内部型枠体を、苛性または酸性溶液による浸出などによって、任意選択的には高温および/または高圧において、取り除くステップを含み得る。
【００４８】
ここに開示される多孔性ツール112は、プラスチック、複合材、および金属合金ならびにそれらの組み合わせなどの任意の1つまたは複数の成形用材料502から任意の成形コンポーネントを形成するために使用され得る。いくつかの実施形態において、成形用材料502はセラミックマトリックス複合(CMC)材料を含み得る。CMC材料は、セラミックマトリックス材料と、補強繊維または布とを含む。例示的なセラミックマトリックス材料は、炭化ケイ素(SiC)および/または炭素(C)を含む。例示的なCMC材料は、炭素繊維強化炭素(C/C)、炭素繊維強化炭化ケイ素(C/SiC)、または炭化ケイ素強化炭化ケイ素(SiC/SiC)を含む。
【００４９】
いくつかの実施形態において、成形用材料502は、ポリマーマトリックス複合(PMC:polymer matrix composite)材料を含み得る。PMC材料は、ポリマーマトリックス材料と、補強繊維または布とを含む。例示的なPMC材料は、繊維強化プラスチックおよび高度複合材料を含む。例示的なポリマーマトリックス材料は、熱硬化性樹脂、例えば、エポキシ、フェノール、ポリウレタン、ポリイミド、ビスマレイミド、シアン酸エステル、フェノール、ベンゾオキサジン、フタロニトリルなどを含む。いくつかの実施形態において、ポリイミドが特に適している。例示的なポリイミドとしては、フェニルエチニル末端イミド(PETI)オリゴマー、ビフェニル二無水物ベースの2,2'-ジメチルベンジジン、超高温HFPEがある。いくつかの実施形態において、例示的なポリイミドは、4-フェニルエチニルフタル酸無水物(PEPA)および/または非対称オキシジフタル酸無水物(a-ODPA)エンドキャップなどのエンドキャップを含み得る。
【００５０】
CMCまたはPMC材料において利用され得る例示的な強化繊維または布としては、炭素繊維、セラミック繊維、ファイバグラス、グラファイト繊維、およびアラミド繊維がある。強化繊維または布は、レイアップツール500の形状または外形に形成され得、次いで、繊維または布はマトリックス材料に浸潤され得る。例示的な強化繊維としては、モノフィラメント、ヤーン、刻まれたウィスカまたは繊維、および/または粒子がある。いくつかの実施形態において、セラミック繊維は、炭化ケイ素(SiC)、炭素繊維(C)、サファイア、アルミノシリケート、および/またはSi、Al、Zr、Yの酸化物、ならびにそれらの組み合わせなどの材料から形成され得る。強化繊維は、追加的に、無機性の充填剤、例えば、シリカ、クオーツ、パイロフィライト、ウォラストナイト、マイカ、タルク、カイヤナイト、および/またはモンモリロナイト、ならびにそれらの組み合わせを含み得る。
【００５１】
CMCまたはPMC材料などの成形用材料は、任意の成形、複合材加工および/または付加製造プロセスを使用して、多孔性ツール112(例えば、レイアップツール500)に適用され得る。CMCまたはPMC材料からコンポーネントを形成するための例示的なプロセスとしては、化学気相堆積(CVD)、化学気相浸潤(CVI:chemical vapor infiltration)、ポリマー含浸および熱分解(PIP:polymer impregnation and pyrolysis)、溶融浸潤(MI:melt infiltration)、樹脂注入成形(RTM:resin transfer molding)、化学反応、焼結、または電気泳動がある。多孔性ツール112(例えば、レイアップツール500)の多孔性構造300は、複合材加工または付加製造プロセスの様々な処理ステップ中に、発生ガスが成形用材料から流出することを可能にするように構成され得る。このような発生ガスは、例えば、減量、オートクレービング、硬化および/または熱分解プロセス中に生成され得る。
【００５２】
任意の所望の成形、複合材または付加製造コンポーネントが、ここに開示される多孔性ツールのうちの任意の1つまたは複数を使用して形成され得る。故に、ここに開示される多孔性ツールは、任意の所望の成形コンポーネント、複合材コンポーネント、または付加製造コンポーネントを形成するように構成され得る。例示的なコンポーネントとしては、ターボジェット、ターボファン、ターボプロップ、ターボシャフト、ラムジェット、ロケットジェット、パルスジェット、タービン、ガスタービン、蒸気タービン、船舶用エンジンなどのターボマシンにおいて使用されるものがある。例として、多孔性ツールは、商用、軍用、および民間航空機などの航空機において一般的に使用されるターボファンエンジンなどのターボマシンのためのシュラウドコンポーネントまたはタービンブレードを形成するように構成され得る。例示的な実施形態において、コンポーネントは、セラミックマトリックス複合(CMC)材料、ポリマーマトリックス複合(PMC)材料、および/または超合金を含み得る。ここに記載された説明は、最良の形態を含むここに開示される主題を説明するために、および、任意のデバイスまたはシステムを作製および使用すること、ならびに任意の組み込まれた方法を実施することを含むこのような主題の実践をいかなる当業者にも可能とするために、例示的な実施形態を使用している。ここに開示される主題の特許性のある範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の実施例を含み得る。このような他の実施例は、それらが特許請求の範囲の逐語的な文言と異ならない構造要素を含む場合、または特許請求の範囲の逐語的な文言と実質的な差異を有さない等価の構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にあるものと意図される。
【００５３】
本発明のさらなる態様は、以下の項の主題によって提供される。
【００５４】
［項１］多孔性ツールを形成する方法であって、方法は、フィルムを形成するために指向性エネルギー堆積システムを使用して構築面上に付加材料を堆積すると同時に、フィルムに多孔性レイヤを形成するためにレーザーアブレーションを使用して付加材料の選択された部分をフィルムから除去するステップであって、多孔性レイヤは相互接続路のネットワークを備える、ステップを備える、方法。
【００５５】
［項２］フィルムのための支持レイヤを形成するために指向性エネルギー堆積システムを使用して構築面上に付加材料の第１のレイヤを堆積するステップと、指向性エネルギー堆積システムを使用して第１のレイヤ上に付加材料の第２のレイヤを堆積すると同時に、第２のレイヤを貫通してｘ方向および／またはｙ方向に横断する相互接続路を形成するためにレーザーアブレーションを使用して第２のレイヤの選択された部分を除去するステップと、指向性エネルギー堆積システムを使用して第２のレイヤ上に付加材料の第３のレイヤを堆積すると同時に、第３のレイヤを貫通してｚ方向に横断する孔のアレイを形成するためにレーザーアブレーションを使用して第３のレイヤの選択された部分を除去するステップであって、孔のアレイは相互接続路と流体連通する、ステップとを備える、任意の前項に記載の方法。
【００５６】
［項３］指向性エネルギー堆積システムを使用して構築面上に付加材料の第１のレイヤを堆積すると同時に、第１のレイヤを貫通してｚ方向に横断する孔のアレイを形成するためにレーザーアブレーションを使用して第１のレイヤの選択された部分を除去するステップと、指向性エネルギー堆積システムを使用して第１のレイヤ上に付加材料の第２のレイヤを堆積すると同時に、第２のレイヤを貫通してｘ方向および／またはｙ方向に横断する相互接続路を形成するためにレーザーアブレーションを使用して第２のレイヤの選択された部分を除去するステップであって、相互接続路は孔のアレイと流体連通する、ステップと、フィルムのための支持レイヤを形成するために指向性エネルギー堆積システムを使用して第２のレイヤ上に付加材料の第３のレイヤを堆積するステップとを備える、任意の前項に記載の方法。
【００５７】
［項４］表面孔開口のアレイを備える表面処理された表面を提供するためにフィルムの表面を表面処理するステップであって、表面孔開口は、第１のレイヤにおける孔のアレイと流体連通する、ステップを備える、任意の前項に記載の方法。
【００５８】
［項５］縁部孔開口のアレイを備える表面処理された側方縁部を提供するために多孔性ツールの側方縁部を表面処理するステップであって、縁部孔開口は、相互接続路と流体連通する、ステップを備える、任意の前項に記載の方法。
【００５９】
［項６］構築面からフィルムを分離し、フィルムを型枠体に貼付するステップであって、多孔性ツールは、フィルムが貼付された型枠体を備える、ステップを備える、任意の前項に記載の方法。
【００６０】
［項７］型枠体を形成するために指向性エネルギー堆積システムを使用してフィルム上に追加的な付加材料を堆積するステップを備える、任意の前項に記載の方法。
【００６１】
［項８］指向性エネルギー堆積システムを使用して構築プラットフォーム上に付加材料を堆積することによって、構築面を形成するステップであって、構築面は、フィルムのための支持レイヤを規定するステップを備える、任意の前項に記載の方法。
【００６２】
［項９］１つまたは複数の外形を含むようにフィルムを形成するステップであって、１つまたは複数の外形は、成形用材料を１つまたは複数の外形によって規定される形状に一致させるように構成される、ステップを備える、任意の前項に記載の方法。
【００６３】
［項１０］指向性エネルギー堆積システムは、化学気相堆積（ＣＶＤ）システム、レーザー加工ネットシェイプ（ＬＥＮＳ）システム、電子ビーム付加溶融（ＥＢＡＭ）システム、または高速プラズマ堆積（ＲＰＤ）システムを備える、任意の前項に記載の方法。
【００６４】
［項１１］付加材料は金属または金属合金を含み、金属または金属合金は、タングステン、アルミニウム、銅、コバルト、モリブデン、タンタル、チタニウムおよび／またはニッケルを含む、任意の前項に記載の方法。
【００６５】
［項１２］１つまたは複数のレイヤにおいて相互接続路のネットワークを形成するステップであって、１つまたは複数のレイヤは、１００から１，０００ミクロンの厚さを有する、ステップを備える、任意の前項に記載の方法。
【００６６】
［項１３］多孔性ツールは、支持レイヤを備え、支持レイヤは、１から１０ミリメートルの厚さを有する、任意の前項に記載の方法。
【００６７】
［項１４］相互接続路は、１から２５ミクロンの平均断面幅を有する、任意の前項に記載の方法。
【００６８】
［項１５］型枠体と、型枠体の表面に貼付された付加製造フィルムであって、フィルムは、１００から１，０００ミクロンの厚さを有する多孔性レイヤと、１から１０ミリメートルの厚さを有する非多孔性支持レイヤとを備え、多孔性レイヤは、表面孔開口のアレイを有する表面と、表面孔開口と流体連通する相互接続路のネットワークと、相互接続路と流体連通する縁部孔開口のアレイを備える１つまたは複数の側方縁部とを備える、付加製造フィルムとを備える、多孔性ツール。
【００６９】
［項１６］多孔性レイヤは、付加材料の第１のレイヤであって、第１のレイヤを貫通してｚ方向に横断する孔のアレイを備える、第１のレイヤと、付加材料の第２のレイヤであって、第２のレイヤを貫通してｘ方向および／またはｙ方向に横断する相互接続路を備え、相互接続路は孔のアレイと流体連通する、第２のレイヤとを備える、任意の前項に記載の多孔性ツール。
【００７０】
［項１７］孔および／または相互接続路は、１から２５ミクロンの平均断面幅を有する、任意の前項に記載の多孔性ツール。
【００７１】
［項１８］型枠体と、型枠体に貼付される付加製造フィルムとを備え、付加製造フィルムは、型枠体に接着されるか、または型枠体と一体的に形成される、任意の前項に記載の多孔性ツール。
【００７２】
［項１９］成形コンポーネントを形成する方法であって、方法は、１つまたは複数の成形用材料を、多孔性ツールを使用して、ある形状に一致させるステップであって、多孔性ツールは、型枠体と、型枠体の表面に貼付された付加製造フィルムとを備え、フィルムは、１００から１，０００ミクロンの厚さを有する多孔性レイヤと、１から１０ミリメートルの厚さを有する非多孔性支持レイヤとを備える、ステップと、フィルムの多孔性レイヤを通じて１つまたは複数の成形用材料から発生ガスを排気するステップであって、発生ガスは、１つまたは複数の成形用材料と接触するフィルムの表面に位置する表面孔開口のアレイを通じて多孔性レイヤに入り、相互接続路のネットワークを通じて多孔性レイヤを横断し、フィルムの１つまたは複数の側方縁部に位置する縁部孔開口のアレイを通じて多孔性レイヤから抜け出る、ステップとを備える、方法。
【００７３】
［項２０］１つまたは複数の成形用材料を、ターボマシンのためのシュラウドコンポーネントの形状、または、ターボマシンのためのタービンブレードコンポーネントの形状に一致させるステップであって、１つまたは複数の成形用材料は、セラミックマトリックス複合（ＣＭＣ）材料、ポリマーマトリックス複合（ＰＭＣ）材料、および／または超合金を含む、ステップを備える、任意の前項に記載の方法。
【符号の説明】
【００７４】
100  指向性エネルギー堆積システム、多孔性ツール製造システム
102  処理チャンバ、堆積チャンバ
104  構築プラットフォーム
106  付加材料源
108  エネルギー源
110  ビーム
112  多孔性ツール
114  ノズル
116  付加材料、付加材料の流れ
118  ローラ
120  付加材料
122  スプール
124  フィルム、シート、リボン、またはフォイル
126  引き上げスプール
300  フィルム、付加製造フィルム、多孔性構造
302  孔
304  多孔性レイヤ、第1のレイヤ、第1の多孔性レイヤ
306  表面、多孔性表面
308  表面孔開口、多孔性開口
310  多孔性レイヤ、第2のレイヤ、第2の多孔性レイヤ
312  相互接続路
314  縁部孔開口、側方縁部孔
316  支持レイヤ、非多孔性支持レイヤ、第3のレイヤ
400  型枠体、内部型枠体、外部型枠体
500  レイアップツール
502  成形用材料
504  第1の型枠体、外部型枠体
506  第2の型枠体、内部型枠体
508  発生ガス通気孔
【図１Ａ】
2020032463.tif 000003
【図１Ｂ】
2020032463.tif 000004
【図１Ｃ】
2020032463.tif 000005
【図２Ａ】
2020032463.tif 000006
【図２Ｂ】
2020032463.tif 000007
【図２Ｃ】
2020032463.tif 000008
【図３Ａ】
2020032463.tif 000009
【図３Ｂ】
2020032463.tif 000010
【図３Ｃ】
2020032463.tif 000011
【図３Ｄ】
2020032463.tif 000012
【図３Ｅ】
2020032463.tif 000013
【図３Ｆ】
2020032463.tif 000014
【図３Ｇ】
2020032463.tif 000015
【図３Ｈ】
2020032463.tif 000016
【図３Ｉ】
2020032463.tif 000017
【図４Ａ】
2020032463.tif 000018
【図４Ｂ】
2020032463.tif 000019
【図５Ａ】
2020032463.tif 000020
【図５Ｂ】
2020032463.tif 000021
【図６】
2020032463.tif 000022
【外国語明細書】
2020032463000001.pdf