(57)【要約】【課題】【解決手段】溶融金属から鋳造構成要素を製造するシステムである。該システムは、貫通する開口２５４が形成された底部壁部材７０１を有するるつぼ１２２と、一体的に形成されたセラミック溶融金属のディスペンサ１２５とを備えている。
2005523819.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶顕微鏡組織を有する鋳造構成要素を製造する方法において、
セラミック充填樹脂の光重合化によって、約１．５２４ｍｍ（約０．０６０インチ）以下の肉厚を有する薄いシェルセラミック鋳造鋳型を形成するステップと、
シェルセラミック鋳造鋳型に対し追加的な支持体を提供せずに、溶融金属を薄いシェルセラミック鋳造鋳型内に鋳込むステップと、
薄いシェルセラミック鋳造鋳型を通じて熱勾配を動かして凝固させ、単結晶顕微鏡組織を有する鋳造構成要素となるようにするステップとを備える、単結晶顕微鏡組織を有する鋳造構成要素を製造する方法。
【請求項２】
指向性凝固した顕微鏡組織を有する鋳造構成要素を製造する方法において、
セラミック充填樹脂の選択的レーザ励起により約１．５２４ｍｍ（約０．０６０インチ）以下の肉厚を有する薄いシェルセラミック鋳造鋳型を形成するステップと、
熱鋳型キャリアを約１６４８．８９℃（約３０００°Ｆ）の温度まで加熱するステップと、
前記加熱後、薄いシェルセラミック鋳造鋳型を熱鋳型キャリア内に配置するステップと、
前記加熱後、熱鋳型キャリアの外面を絶縁して熱鋳型キャリアからの熱の伝導を最小にするステップと、
前記絶縁後、溶融金属を薄いシェルセラミック鋳造鋳型内に鋳込むステップと、
前記鋳込んだ後、約１４２６．６７℃ないし約１６４８．８９℃（約２６００°Ｆないし約３０００°Ｆ）の範囲内の温度を有する環境に対し熱キャリアを曝すステップと、
熱鋳型キャリアと薄いシェルセラミック鋳造鋳型との間の相対的な動きにより薄いシェルセラミック鋳造鋳型を低温の環境に曝すステップと、
約２５．４ｃｍ／時（１０インチ／時）ないし約２５４ｃｍ／時（１００インチ／時）の率にて金属を薄いシェルセラミック鋳造鋳型内で指向性凝固させるステップとを備える、指向性凝固した顕微鏡組織を有する鋳造構成要素を製造する方法。
【請求項３】
溶融金属を鋳込む装置において、
貫通する開口が形成された底部壁部材を有するるつぼと、
一体的に形成されたセラミック溶融金属のディスペンサとを備え、該ディスペンサが、
前記るつぼ内に配置され且つ、前記開口の周りに配置された第一の端部と、閉じられた別の第二の端部とを有する第一の立ち上がり管であって、溶融金属が前記るつぼから該第一の管まで流れるのを許容する少なくとも１つの入口と、溶融金属を受け入れるキャビティを画成する二重壁とを有する前記第一の立ち上がり管と、
該第一の管内に配置されて、第一の管の前記第一の端部に結合され且つ、前記開口と流体的に連通した一端と、前記第一の管からの鋳込み口を画成する他端とを有する第二の立ち上がり管と、
溶融金属が前記少なくとも１つの入口から前記鋳込み口まで進むための前記第二の管に沿って伸びる通路とを備える、溶融金属を鋳込む装置。
【請求項４】
鋳造構成要素を製造する方法において、
セラミック充填樹脂の光重合化により約１．５２４ｍｍ（約０．０６０インチ）の以下の肉厚を有し、一体的な中子を有する薄いシェルセラミック鋳造鋳型を形成するステップと、
薄いシェルセラミック鋳造鋳型に対し追加的な支持体を提供せずに、溶融金属を薄いシェルセラミック鋳造鋳型内に鋳込むステップと、
薄いシェルセラミック鋳造鋳型内で且つ薄いシェルセラミック鋳造鋳型の周りで溶融金属を凝固させ、１つの鋳造構成要素を形成するステップとを備える、鋳造構成要素を製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本出願は、１９９９年１1月２０日付けで出願された米国特許出願第０９／４４４，１５５号の一部継続出願である。該米国特許出願第０９／４４４，１５５号は、１９９８年１１月２０日付けで出願され、また、１９９９年５月２８日付けで出願された米国特許出願第０９／３２２，８６３号の一部継続出願である、米国特許出願第６０／１０９，２９８号の米国仮特許出願の利益を主張するものである。上述した特許出願の各々は、参考として引用し本明細書に含めてある。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、全体として、鋳造構成要素を製造する方法及び装置に関する。より具体的には、本発明の１つの実施の形態において、開始種（ｓｔａｒｔｅｒ  ｓｅｅｄ）を保持する精密鋳造鋳型内にて超合金を指向性凝固させることにより単一の鋳造した単結晶構造が形成される。本発明は、ガスタービンエンジン構成要素を鋳造するために開発されたが、この分野以外の特定の用途が可能である。
【背景技術】
【０００３】
ガスタービンエンジンの性能は、全体として、燃焼室から流れる高温度の作用流体の作動温度が上昇するに伴って向上する。作用流体の許容可能な温度を制限するものとガスタービンエンジンの設計者に認識されている１つの因子は、高温度の作用流体に曝されたとき、エンジン構成要素の性能が劣化し得ないことである。エンジン内の翼及び羽根のような翼型は、エンジンの作動中、顕著な熱及び運動負荷を受ける構成要素の１つである。
【０００４】
ガスタービンエンジン構成要素内にてしばしば利用される１つの冷却技術は、開口および通路の内部回路網である。冷却媒体の流れは、構成要素の内部通路を通り、構成要素の外面に排気される。冷却媒体が内部通路を通ることは、構成要素から冷却媒体への熱伝導を可能にすることになる。
【０００５】
参考として引用し本明細書に含めた、米国特許第５，２９５，５３０号には、高温度の薄肉厚の鋳造構造体を製造するための方法及び装置が記載されている。米国特許第５，２９５，５３０号には、真空炉内で水冷式の冷し板上に保持されたセラミック鋳造鋳型内に溶融金属を鋳込む方法が記載されている。溶融金属の射出圧力を時間に亙って変化させ、鋳造鋳型の壁がその過程の間、顕著に変形しないようにする。その後、鋳造鋳型内の溶融金属を指向性凝固させる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の技術は、内部通路及び開口を有する薄肉厚の鋳造構成要素を製造することができるが、依然として、１つの構成要素を鋳造する改良された方法及び装置が必要とされている。本発明は、新規且つ非自明な仕方にてこの必要性及びその他の必要性を満足させるものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
１つの形態において、本発明は、追加的な支持又は絶縁作用を受けない薄シェルセラミック鋳型内にて溶融金属を鋳込み且つ凝固させることにより鋳造構成要素を製造する方法とすることを考える。
【０００８】
別の形態において、本発明は、鋳造鋳型内にて溶融金属を指向性凝固させるシステムとすることを考える。熱質量が所定の温度まで加熱され、次に、絶縁されて熱質量からの熱伝導を最小にする。次に、熱質量は、絶縁され、その内部に鋳造鋳型を受け入れる。溶融金属は、鋳造鋳型内に供給され、また、熱勾配は、鋳造鋳型を通じて移動する。鋳造鋳型及び熱質量を順次に分離させて鋳造鋳型をより低温の環境に曝すことにより熱勾配は付与される。
【０００９】
本発明の更に別の形態において、本発明は、単結晶構造を有する鋳造構成要素を製造する方法であって、セラミック充填樹脂を光重合化することにより約１．５２４ｍｍ（０．０６０インチ）以下の肉厚を有する薄いシェルセラミック鋳造鋳型を形成するステップと、薄いシェルセラミック鋳造鋳型に対して追加的な支持体を提供せずに、溶融金属を薄いシェルセラミック鋳造鋳型内に鋳込むステップと、熱勾配を薄いシェルセラミック鋳造鋳型を通じて動かし、凝固させて単結晶構造を有する鋳造構成要素となるようにするステップとを備える、方法とすることを考える。
【００１０】
更に別の形態において、本発明は、指向性凝固した顕微鏡組織を有する鋳造構成要素を製造する方法であって、セラミック充填樹脂を選択的にレーザ励起させることにより約１．５２４ｍｍ（０．０６０インチ）以下の肉厚の薄いシェルセラミック鋳造鋳型を形成するステップと、熱鋳造キャリアを約１６４８．８９３℃（３０００°Ｆ）の温度で加熱するステップと、加熱後、熱鋳型キャリア内に薄いシェルセラミック鋳造鋳型を配置するステップと、加熱後、熱鋳型キャリアの外面を絶縁して熱鋳型キャリアからの熱伝導を最小にするステップと、絶縁後、溶融金属を薄いシェルセラミック鋳造鋳型内に鋳込むステップと、鋳込んだ後、熱キャリアを約１４２６．６７℃ないし約１６４８．８９３℃（約２６００°Ｆないし約３０００°Ｆ）の範囲の温度を有する環境に曝すステップと、熱鋳型キャリアと薄いシェルセラミック鋳造鋳型とを相対的に動かすことにより薄いシェルセラミック鋳造鋳型を低温の環境に曝すことと、及び薄いシェルセラミック鋳造鋳型内の金属を約２５．４ｃｍ／時（１０インチ／時）ないし約２５４ｃｍ／時（１００インチ／）時の率にて指向性凝固させるステップとを備える方法とすることを考える。
【００１１】
更に別の形態において、本発明は、貫通する開口が形成された底部壁部材を有するるつぼと、一体的に形成されたセラミック溶融金属のディスペンサとを備える、溶融金属を鋳込む装置であって、るつぼ内に配置されて、開口の周りに配置された第一の端部と、閉じた別の第二の端部とを有する第一の立ち上がり管であって、溶融金属がるつぼから第一の管まで進むのを許容する少なくとも１つの入口と、その内部に溶融金属を受け入れるキャビティを画成する二重壁とを有する上記第一の立ち上がり管と、第一の管内に配置されて、第一の管の第一の端部に結合され且つ、開口と流体的に連通した一端と、第一の管からの鋳込み口を画成する他端とを有する第二の立ち上がり管と、溶融金属が少なくとも１つの入口から鋳込み口まで進むための第二の管に沿って伸びる通路とを備える、装置とすることを考える。
【００１２】
本発明の１つの目的は、鋳造構成要素を製造する独創的なシステムを提供することである。
本発明の関連する目的及び有利な効果は、以下の説明から明らかになるであろう。
【好ましい実施の形態の説明】
【００１３】
本発明の原理の理解を促進する目的のため、次に、図面に図示した実施の形態について説明し、その説明のため、特定の語を使用する。しかし、これにより本発明の範囲を何ら限定することを意図するものではなく、本発明が関係する技術分野の当業者に通常、案出されるであろう、図示した装置の変更例及び更なる変更形態、並びに、図示した本発明の原理の更なる適用例とすることも考えられる。
【００１４】
図１を参照すると、航空機の飛行推進エンジンを製造し得るように互いに一体化された、ファン部分２１と、コンプレッサ部分２２と、燃焼器部分２３と、タービン部分２４とを有するガスタービンエンジン２０が示されている。この型式のガスタービンエンジンは、一般に、ターボファンと称されている。ガスタービンエンジンの１つの代替的な形態は、ファン部分の無い航空機の飛行推進エンジンを製造し得るように互いに一体化された、コンプレッサと、燃焼器と、タービンとを有している。航空機という語は、総称であり、ヘリコプター、飛行機、ミサイル、無人の宇宙空間装置及びその他の実質的に同様の任意の装置を含むものである。ガスタービンエンジンの構成要素を互いに連結することのできる多数の方法があることを認識することが重要である。
【００１５】
追加的なコンプレッサ及びタービンを追加し、コンプレッサと再加熱燃焼室との間を接続する中間冷却器をタービンの間に追加することができる。
ガスタービンエンジンは、工業用途にて使用するのにも等しく適している。歴史的に、ガス及び油の輸送管、発電及び船舶推進のための圧送装置のような、工業用ガスタービンエンジンの広い用途がある。
【００１６】
コンプレッサ部分２２は、複数のコンプレッサ翼２６が結合されたロータ２５を有している。該ロータ２５は、ガスタービン２０内で回転可能な軸２７に固定されている。複数のコンプレッサ羽根２８がコンプレッサ部分２２内に配置されて、流体の流れを翼２６に対して導く。タービン部分２４は、ロータ円板３１に結合された複数のタービン翼３０を有している。ロータ円板３１は、ガスタービンエンジン２０内にて回転可能な軸２７に固定されている。燃焼部分２３から出る熱いガスからタービン部分２４内で取り出されたエネルギは、軸２７を通じて伝達され、コンプレッサ部分２２を駆動する。更に、複数のタービン羽根３２がタービン部分２４内にて配置され、燃焼器部分２３から出る熱い気体状流れを導く。
【００１７】
タービン部分２４は、ファン部分２１を駆動するファンの軸３３に動力を提供する。ファン部分２１は、複数のファン翼３５を有するファン３４を備えている。空気は、矢印Ａの方向に向けてガスタービンエンジン２０に入り、ファン部分２１を通ってコンプレッサ部分２２及びバイパス管路３６内に流れる。翼型という語は、本明細書にて、文章中に特に別段の記載がない限り、ファン翼、ファン羽根、コンプレッサ翼、タービン翼、コンプレッサ羽根及びタービン羽根を意味するために使用するものとする。従来のガスタービンエンジンの原理及び構成要素の更なる詳細は、これらについては、当該技術分野の当業者に既知であることと考えられるため、本明細書にて説明しない。
【００１８】
図２ないし図７を参照すると、本発明の鋳造鋳型システムから製造することのできる鋳造構成要素の例が示されている。本開示は、本明細書にて特段の記載がない限り、図２ないし図７に示した例にのみ限定することを意図するものではない。より具体的には、図２を参照すると、ガスタービンエンジン翼３０が図示されている。１つの実施の形態において、ガスタービンエンジン翼３０は、冷却媒体が通るための内部流路を有する単一の鋳造物品を画成する。内部冷却路は、複数の熱伝達ペデスタル（ｐｅｄｅｓｔａｌ）３７を有する通路を備えている。１つの実施の形態において、複数のペデスタル３７は、１対の隔てた壁の間に一体的に形成されている。ペデスタルは、本発明の鋳造鋳型システムにより製造することのできる細部の型式の代表例である。冷却ペデスタルの形状、寸法及び分配は、熱伝導パラメータ及び設計特有のパラメータの関数であることが理解される。図３には、次の寸法を有するペデスタルとすることが特に考えられることを示すだけに利用され、表１には、通路及びペデスタルの１つの実施の形態の寸法が掲げられている。しかし、本明細書にてその他のペデスタル及び通路の寸法及び幾何学的形態とすることが考えられることが理解される。
【００１９】
表１
ペデスタル
長さ  ０．５０８−１．２７ｍｍ（０．０２０−０．０５０インチ）
幅    ０．５０８−１．２７ｍｍ（０．０２０−０．０５０インチ）
高さ  ０．３０４８−０．５０８ｍｍ（０．０１２−０．０２０インチ）
通路
長さ  不明
幅    ０．３０４８−０．５０８ｍｍ（０．０１２−０．０２０インチ）
高さ  ０．３０４８−０．５０８ｍｍ（０．０１２−０．０２０インチ）
図４及び図５を参照すると、当該システムにより製造可能な単一物から成る多数壁のガスタービンエンジン構成要素の１つの実施の形態を示す断面図が図示されている。更に、図６には、本発明のシステムにて製造可能な宇宙船４２の前縁４３が示されている。図７には、当該システムにより製造することのできる鋳造製品の型式の別の例を示す内部流体流動回路を有する液圧弁体４４が示されている。本明細書に示した製品は、限定的であることを意図するものではなく、非限定的に、宝石、歯科補綴物、一般的な補綴具、普通の機器、ゴルフクラブヘッド、プロペラ、電子品の包装、管、弁及び精密な許容公差及び（又は）細部となるように従来、インベストメント鋳造されていたその他の物品を含む、その他の鋳造製品を当該システムにて製造することが考えられる。
【００２０】
本発明の方法及び装置は、一般に、等軸、指向性凝固し又は単結晶として分類される顕微鏡組織を有する単一物から成る鋳造構成要素又は多数物から成る鋳造構成要素を製造するために利用することができる。本発明の好ましい鋳造鋳型システムは、実質的に任意の型式の鋳造金属製品を製造するのに適しているが、より好ましい実施の形態において、この鋳造システムは、薄い壁の単結晶構造を製造するのに特に有用である。鋳造構造体は、多くの異なる形状、寸法、形態を有することができ、多岐に亙る金属材料にて形成することができる。例えば、本発明のシステムは、約０．７６２ｍｍ（０．０３インチ）以下の厚さを有する少なくとも１つの壁を有する多数壁構造体を鋳造することを可能にする。更に、１つの好ましい実施の形態において、鋳造構造体／構成要素内に極めて薄い通路、及び１つのより好ましい実施の形態において、約０．１２７ｍｍないし約０．３８１ｍｍ（約０．００５インチないし０．０１５インチ）の幅を有する極めて薄い通路を形成することができる。しかし、その他の幅及び（又は）寸法並びに（又は）厚さの通路及び肉厚を有する鋳造品とすることが考えられる。
【００２１】
ガスタービンエンジン構成要素は、超合金組成物材料にて形成されることが好ましい。非限定的に、ニッケル系又はコバルト系組成物のような各種型式の超合金組成物が存在し、かかる組成物の製造は、全体として当該技術分野の当業者に既知である。関心がある殆どの超合金組成物は、ニッケル、クロム、アルミニウム及びその他の選択した元素の複雑な混合体である。
【００２２】
図８を参照すると、開始種３００から溶融金属を制御状態で凝固させる状態が示されている。溶融金属の制御した状態の凝固は、柱状粒子又は単結晶顕微鏡組織を有する製品を製造するために使用されることが好ましい。より具体的には、溶融金属の制御した状態の凝固は、溶融金属の指向性凝固によって実現される。指向性凝固は、凝固境界を溶融金属にて充填された鋳造鋳型３０１を通じて漸進的に動かすことを含む。多くの状況において、成長する結晶に対し厳格に方位決めした結晶構造を付与するため、金属開始種３００が使用される。金属開始種３００は鋳造鋳型３０１内に配置され、溶融金属３０２を鋳型３０１内に導入することにより、開始種は、当初の面３０３から液相境界面３０４として規定された面まで溶融する。本発明の１つの形態において、開始種が溶融することは、開始種から液体溶融金属のパドルを形成することになる。１つの実施の形態において、パドルの深さは約１．２７ｍｍ（０．０５０インチ）であるが、本発明にてその他のパドルの深さとすることが考えられる。凝固領域３０５は液相境界面３０４と固相境界面３０６との間に配置される。熱勾配が鋳型３０１内で溶融金属３０２を通って垂直に動くに伴い、材料は、樹枝状晶３０７の成長及びマトリックス材料の凝固を通じて凝固する。単結晶過程において、溶融金属は、種３０２の非溶融部分からエピタキシャアルに凝固する。
【００２３】
図９を参照すると、内部に溶融金属を受け入れる一体型鋳型４５ａが示されている。１つの実施の形態において、鋳型４５ａは、一般に立体印刷として知られる自由形態の製造技術により製造される。立体印刷システムにおいて、セラミック材料は、層に堆積されて直接的なセラミック鋳造鋳型を形成する。層の密度は堆積される材料のインチあたりのドット数により変化させることができる。立体印刷技術に関する情報は、米国特許第５，３４０，６５０号、米国特許第５，３８７，３８０号及び米国特許第５，２０４，０５５号に開示されている。立体印刷に対する商業的に利用可能なシステムは、カリフォルニア州、ノースリッジのソリゲン・テクノロジーズ・インコーポレーテッド（Ｓｏｌｉｇｅｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ．）から入手可能である。
【００２４】
一体型鋳型４５ａは、セラミック材料を層毎に印刷し且つバインディングすることにより形成され、層の各々が隣接する層に接合されてその内部に溶融金属を受け入れるセラミックシェルを形成する。装置４６ａは、材料及びバインダの層を堆積させ、設計ファイルに基づいて一体型鋳型４５ａを形成する。設計ファイルは構成要素のコンピュータ支援設計により発生されることが好ましい。好ましくは、鋳型４５ａは、凝固時に構成要素を画成し得るように溶融金属を受け入れる内部キャビティを有する主本体４７ａを備える薄壁のシェルであるものとする。内部の金属受け入れキャビティの一部は参照番号４８ａとして示してある。一体型鋳型４５ａは、複数の薄壁４８ａと、内部の鋳型中子５０ａと、内部金属受け入れキャビティとを有している。１つの実施の形態において、薄壁４９ａは、約０．１２７ｍｍないし約３．８１ｃｍ（約０．００５インチないし約１．５０インチ）の範囲の厚さを有し、より好ましくは、薄壁は、約１．０１６ｍｍ（０．０４０インチ）以下の厚さを有し、最も好ましくは、約０．５０８ｍｍ（０．０２０インチ）であるものとする。底部支持部材５１ａ、充填管５２ａ、支持部材５３ａ、壁部材５４ａが主本体４７ａと一体的に形成されている。１つの好ましい実施の形態において、壁部材５４ａはウェブ構造体により画成される。その他の一体型鋳型の様式とすることも考えられ、本発明は、図９の特定の鋳型の形態及び（又は）材料に限定することを意図するものではない。
【００２５】
図１０及び図１１を参照すると、溶融金属を内部に受け入れる鋳造鋳型システム４５の１つの実施の形態が示されている。該鋳造鋳型システム４５は、光硬化型セラミック樹脂から一体的に製造されたシェル鋳型及び中子を有するが、本発明は、一体型鋳造鋳型にのみ限定されるものではない。より具体的には、別の実施の形態において、非一体型の鋳造鋳型システムは、光硬化型セラミック樹脂にて形成された分離可能な中子及びシェル鋳型を有している。構成要素は、その後、機械的に結合されて鋳造鋳型システムを形成する。鋳型４５は、一般に選択的レーザ励起（ＳＬＡ）として既知の自由形態の製造技術により形成される。選択的レーザ励起は、エネルギ照射を受けたときに凝固する液体樹脂を利用する立体リソグラフィ法に基づく。本発明において、光硬化型セラミック充填樹脂は、エネルギ照射により光重合化されてセラミック粒子を互いに保持するポリマーバインダを形成する少なくとも１つのモノマーを有している。エネルギ照射は、当該技術分野の当業者に既知の複数のエネルギ源の任意の１つにより供給することができる。好ましくは、エネルギ照射は、電磁放射線により画成され、より好ましくは、エネルギ照射は、約２６０ないし３８０ｎｍ波長、最も好ましくは、約３５０ｎｍの波長を有するレーザ源から発せられる紫外線光である。しかし、その他の波長の光とすることも考えられる。選択的レーザ励起のための商業的に利用可能な機械は、カリフォルニア州、バレンシアのスリーディシステムズ（３Ｄ  ｓｙｓｔｅｍｓ）から入手可能である。選択的レーザ励起及び立体リソグラフィに関するその他の情報は、参考として引用し本明細書に含めた、米国特許第５，２５６，３４０号、米国特許第５，５５６，５９０号、米国特許第５，５７１，４７１号、米国特許第５，６０９，８１２号及び米国特許第５，６１０，８２４号に開示されている。
【００２６】
一体型鋳型４５は、セラミック充填樹脂をセラミック粒子層となるように光重合化することにより形成され、該セラミック粒子層は、ポリマーバインダにより互いに保持される。しかし、本発明は、セラミック充填樹脂に限定されず、１つの代替的な実施の形態は、金属粒子充填樹脂を含む。更に、その他のフィラーを利用することも考えられる。１つの実施の形態において、壁部材層は、概略図的に線４９ａ、４９ｂ、４９ｃ、４９ｄとして示した複数の隣接するセラミック材料部分により画成される。１つの層における隣接する線の数及び図面における層の数は、単に代表的なものであり、本発明を限定することを意図するものではないことが理解される。好ましくは、壁部材の個々の層は、セラミック樹脂内でエネルギビームにより描かれた１つないし約５つの線の間に形成される。より好ましくは、壁部材の個別の層は、エネルギビームによりセラミック樹脂内に描かれた２つの線により形成されるものとする。しかし、本発明は、１つの層内にその他の数の個別の線を有する個別の層とすることが考えられる。
【００２７】
壁部材層は、線により形成されたものとして示されているが、代替的な実施の形態において、壁部材は、隔たったドット及び（又は）連結したドットの層により形成されることが理解される。線４９ａ、４９ｂ、４９ｃ、４９ｄに対して上記のように画成した線は、また、一連のドットにより形成することができる。一連のドットは１つの層を画成し得るよう互いに隔てられ、複数の層は、１つの壁部材を画成し得るように配置されている。１つの実施の形態において、壁部材は、鋳造鋳型に鋳込まれた溶融金属を保持することのできる隔たったドットのグリッド構造体を有する。更に、別の実施の形態において、グリッド構造体は、気体を鋳型の内部キャビティから壁部材を通じて排気することを許容しつつ、鋳造鋳型内に鋳込まれた溶融金属を保持することができる。
【００２８】
層を形成する個別の線の幅は、エネルギビームの幅によって決定され、より好ましくは、レーザはエネルギビームを画成するものとする。１つの実施の形態において、エネルギビームの幅は、約０．１２７ｍｍないし約０．６３５ｍｍ（約０．００５インチないし約０．０２５）の範囲にあり、より好ましくは、約０．２０３２ｍｍ（約０．００８インチ）であるものとする。しかし、鋳造鋳型システム内で極めて微細な細部を形成するため、幅約０．０２５４ｍｍ（０．００１インチ）を有するエネルギビームを使用することが考えられる。更に、要求に基づいてエネルギビームの幅／寸法を変化させる能力とすることも本発明にて考えられる。より具体的には、１つの実施の形態において、エネルギビームの寸法は、構成要素内の特定の層にて及び（又は）層の間で変更可能である。１つの商業的に利用可能な立体リソグラフィ装置（スリーディシステムズからのＳＬＡ２５０）において、レーザ源は、セラミック樹脂の表面にて３０ｍワットのパワーを有するＨｅ／Ｃｄレーザである。しかし、異なるレーザ源を有するその他の立体リソグラフィ装置を採用することが考えられる。
【００２９】
鋳造鋳型システム４５の製造は、鋳造鋳型システムの３次元的形状を画成するデータファイルにより制御される。図１２を参照すると、セラミック鋳造鋳型を形成する方法を決定する構築ファイル１００５を形成するシステムの１つの実施の形態が示されている。ステップ１０００にて、構成要素（例えば、ガスタービン翼）のパラメータを画成するデータが収集され且つ、処理されて構成要素の設計の仕様値を画成する。ステップ１０００からのデータをステップ１００１にて利用し、コンピュータモデリングシステムを使用して構成要素鋳型を製造し、また、１つの実施の形態において、構成要素モデリングシステムは、コンピュータビジョン（ＣＶ）製品にて画成される。しかし、その他のモデリングシステムとすることも考えられる。ステップ１００１からのコンピュータ支援設計モデルは、鋳型モデリングステップ１００２にて処理されて鋳造鋳型システムのモデルを形成する。１つの好ましい実施の形態において、鋳造鋳型システムのモデルは、ステップ１００２にてユニグラフィックスシステム（Ｕｎｉｇｒａｐｈｉｃｓ  ｓｙｓｔｅｍ）により形成される。変換ステップ１００３を利用して、ステップ１００２にて製造された鋳造鋳型システムの鋳型モデルをＳТＬ又はＳＬＣのような特定のファイルフォーマットに変換する。次に、ステップ１００３からのファイルをステップ１００４にて処理して鋳造鋳型システムの層及び任意の必要な支持体を描くのに適した別個の２次元的スライスを形成する。ステップ１００５において、立体リソグラフィ装置内にてエネルギ源を駆動し且つ、鋳造鋳型システムを製造する構築ファイルが完成される。
【００３０】
１つの好ましい実施の形態において、走査レーザビーム４６ｂは、コンピュータにより導かれ、該コンピュータは、データファイルを読み取り且つセラミック充填した混合体内でモノマーを局所的に重合化し得るようにセラミック充填樹脂の量に基づいて３次元的形状の断面を描き得るように命令を与える。モノマー混合体をレーザにて照射することで固体ポリマーゲルが形成される。一体型鋳型４５は、製品となるように凝固し得るように溶融金属を内部に受け入れる内部キャビティを有する主本体４７を備える薄いシェルであることが好ましい。内部の金属受け入れキャビティの一部分は参照番号４８で示してある。一体型鋳型４５は、薄壁４９と、内部鋳型中子５０と、内部金属受け入れキャビティとを有している。１つの好ましい形態において、薄壁４９は、約１．５２４ｍｍ（約０．０６０インチ）以下の厚さを有し、より好ましくは、約０．３８１ｍｍないし約１．５２４ｍｍ（約０．０１５インチないし約０．０６０インチ）の範囲の厚さを有し、最も好ましくは、約０．５０８ｍｍ（約０．０２０インチ）の厚さを有するものとする。しかし、その他の肉厚を有する鋳造鋳型とすることも考えられる。１つの好ましい鋳造鋳型において、主本体４７、底部支持部材５１、充填管５２、支持部材５３及び壁部材５４が形成される。１つの好ましい実施の形態において、壁部材５４は、ウェブ構造体により画成される。図１０の図示した鋳造鋳型は、単に、本発明にて製造することのできる鋳造鋳型の型式の代表例である。より特定的には、その他の鋳造鋳型の形態とすることが考えられ、本発明は、図１０及び図１１に示した特定の鋳型にのみ限定することを意図するものではない。
【００３１】
図１３を参照すると、立体リソグラフィ装置５００内で製造される鋳造鋳型システム４５が示されている。立体リソグラフィ装置５００は、当該技術分野の当業者に一般に既知であると考えられ、全体として、鋳造鋳型システムの製造方法の説明を容易にし得るように著しく簡略化して示してある。流体保持リザーバ５０１、高さ変更部材５０２及びレーザ４６ｃは、立体リソグラフィ装置５００の一部分を備えている。リザーバ５０１には、鋳型システム４５を製造するある量の光硬化型セラミック充填樹脂が充填されている。
【００３２】
本発明の１つの好ましい形態において、高さ変更部材５０２は、それ以前に硬化した鋳造鋳型システム４５の層をセラミック充填樹脂内の所定の深さまで没入させ得るように可動である昇降装置を画成する。セラミック充填樹脂は、最上側の硬化層を非硬化セラミック充填樹脂にて再被覆する。より好ましい実施の形態において、昇降装置は、その過程の他の部分と調和して製造した鋳造鋳型をセラミック充填樹脂の浴内に増分的に下降させるコンピュータ制御式装置である。１つの実施の形態において、非硬化樹脂の公称厚さは、約０．１０１６ｍｍないし約０．２５４ｍｍ（約０．００４インチないし約０．０１０インチ）の範囲にあり、より好ましくは、約０．１０１６ｍｍ（約０．００４インチ）である。しかし、その他の層の厚さとすることも考えられる。更に、個別の層の厚さは、層毎に変化するようにし、又は、層の間にて実質的に同様の厚さに保つことができる。システムは、かなり低密度の樹脂に対し実質的に均一な再被覆厚さを保証する措置を有することが好ましい。樹脂を平準化するため次の技術を利用することが考えられる。すなわち、樹脂が自己平準化することを許容する時間的遅れ及び（又は）樹脂が平準化するのを助ける超音波加工法；及び（又は）樹脂が平準化するのを助ける機械的に支援される過程である。レーザビーム４６ｂは、３次元データファイル内のデータにより駆動され、光硬化型セラミック充填樹脂に鋳造鋳型の断面を描く。描くステップ及び再被覆するステップは、未加工のセラミック部品が完成される迄、続行する。
【００３３】
図１４を参照すると、構築方位角度θにて立体リソグラフィ装置５００にて製造される鋳造鋳型システム４５が示されている。構築方位角度θは、構築すべき所定の平坦面又はほぼ平坦面（又は中実な面の集合体）に対する正接角度が最大となるように選ばれる。構築方位角度θは、セラミック樹脂を充填したリザーバの面５０３に対し実質的に垂直に伸びる軸線Ｚから測定される。本発明の１つの形態は、セラミック充填樹脂に比較的大きい中断しない平坦面を描く状態を最小にし得るように断面を向き決めする。断面は、軸線Ｚに対し実質的に垂直に且つ、樹脂の面５０３に対し実質的に平行に画成し且つ描かれる。構築プラットフォーム５０５は、鋳造鋳型システム４５の製造を構築方位角度θにて向き決めし得るよう角度θにてリザーバ５０１内で製造する。好ましい実施の形態において、構築方位角度θは、鋭角度であり、より好ましくは、約１０°ないし約４５°の範囲の鋭角な角度、最も好ましくは約４５°とする。
【００３４】
簡単な２次元形状において、構築方位は、比較的容易に画成できる。例えば、複数のリングを各々にて製造することにより中空の円筒体を構築することが好ましい。中空の矩形の管は、複数の矩形の断面を互いに製造して比較的大きい非支持の天井を構築する必要がないようにすることが好ましい。ガスタービンエンジン翼用の中子付き鋳造鋳型のような複雑な形状は、最適な構築方位を計算するため全てのセラミック表面を分析することを必要とする。
【００３５】
図１５を参照すると、鋳造鋳型システム４５の一部を画成する複数の硬化した層５０６、５０７、５０８、５０９の拡大図が示されている。好ましいアルミナ充填樹脂における硬化層は、約０．０５０８ｍｍないし約０．２０３２ｍｍ（約０．００２インチないし約０．００８インチ）の範囲、より好ましくは、約０．１０１６ｍｍ（約０．００４インチ）の厚さを有するものとする。好ましいシリカ充填樹脂における硬化層は、約０．０５０８ｍｍないし約０．５０８ｍｍ（約０．００２インチないし約０．０２０インチ）の範囲の厚さ、より好ましくは、約０．１５２４ｍｍ（約０．００６インチ）の厚さを有するものとする。しかし、その他の硬化厚さとすることが考えられる。更に、個別の硬化層は、同一又は異なる厚さとすることができる。しかし、個別の硬化層の各々は、実質的に均一な厚さを有することが好ましい。
【００３６】
個別のセラミック粒子５１０の粒子寸法は、約２０μｍ以下、より好ましくは約０．１μｍないし約３．０μｍの範囲にあるものとする。粒子寸法を制御することは、セラミック鋳造鋳型システムを製造するその他の既知の技術と比較して、微細な細部及び実質的に滑らかな面を製造することを可能にする。
【００３７】
鋳造鋳型システムは、層状に構築した構造体であり、図１４及び図１５は、個別の硬化層を強調するために誇張して示してある。個別の層は、複数のセラミック粒子５１０及び粒子を個別の層内に互いに保持するポリマーバインダ５１１にて形成される。１つの実施の形態において、ポリマーバインダ５１１は、隣接する層の間を伸びて硬化層を互いに結合する。層５０６、５０７のような１対の隣接する硬化層の各々は、層の線６００にて当接するそれぞれの断面積を有している。１つの好ましい実施の形態において、隣接する層の相補的な面の間には、それぞれの面の各々の約１０％ないし約１００％の範囲の接続部がある。より好ましくは、シリカ充填樹脂の１つの実施の形態において、隣接する層の相補的な面の間には、それぞれの面の約１０％の接続部があり、アルミナ充填樹脂の１つの実施の形態において、隣接する層の相補的な面の間には、それぞれの面の約５０％の接続部がある。しかし、幾つかの代替的な実施の形態において、隣接する硬化層は、ポリマーバインダによって互いに接続されない。層は、機械的及び（又は）二次的化学反応により互いに保持される。
【００３８】
層の厚さは、再被覆し且つ非硬化の層の厚さ及びレーザビームの浸透深さに依存する。より具体的には、硬化深さは、硬化層の厚さプラス過硬化深さの値として表示される。１つの実施の形態において、過硬化深さは、硬化する層の真下における硬化厚さの層の約５０％である。１つの実施の形態において、その後の未加工の層剥離又は層の分離を最小にするため、アルミナ充填樹脂にて顕著に過硬化させることが必要とされる。しかし、本発明の実施の形態は、硬化層の約１０％ないし約１５０％の範囲の過硬化の硬化深さを利用する。しかし、本発明は、上記の硬化深さに限定されず、その他の硬化深さとすることも考えられる。
【００３９】
セラミック充填樹脂は、焼結可能なセラミック材料、光硬化型モノマー、光開始剤及び分散剤を含む。セラミック充填樹脂は、焼結したとき亀裂に抵抗する未可能のセラミック鋳型を製造し得るよう立体リソグラフィ法にて特に使用し得るようにされている。充填した樹脂は、構成要素を予混合することにより作成され、約４，０００ｃＰｓ以下、より好ましくは、約９０ｃＰｓないし約３，０００ｃＰｓ、最も好ましくは、約１００ｃＰｓないし約１，０００ｃＰｓの範囲の粘度を有する充填樹脂を提供する。形成される充填樹脂は、樹脂内に約４０％ないし約６０％の範囲の固体装入分を有する。更に、１つの実施の形態において、充填樹脂は、約１．０ないし約４．０ｇ／ｍｌの範囲、より好ましくは、約１．５ないし２．５ｇ／ｍｌの範囲の密度を有するものとする。
【００４０】
本発明にて使用される焼結可能なセラミック樹脂は、多岐に亙るセラミック材料から選ぶことができる。特定の例は、アルミナ、イットリア、マグネシア、窒化ケイ素、シリカ及びその混合体を含む。焼結可能なセラミック樹脂は、充填樹脂の全体積に基づいて約５０体積％（ｖｏｌ．％）にて充填樹脂内に含められる。別の表現で表せば、充填樹脂は、充填樹脂の全重量に基づいて焼結可能なセラミック材料を約５０ないし約８５重量％（ｗｔ％）、最も好ましくは、約６５ないし約８０重量％含むものとする
一例において、焼結可能なセラミック材料としてシリカが選ばれる。シリカは、本発明に従って硬化した鋳型を提供し得るよう焼結するのに適した平均的な粒子寸法を有する乾燥粉体として提供することができる。好ましくは、粉体シリカは、約０．５μｍないし約２０．０μｍ、より好ましくは、約１．０μｍないし２０．０μｍ、最も好ましくは、約１．０μｍないし約５．０μｍの平均粒子寸法を有するように選ばれるものとする。好ましくは、シリカの量は、充填樹脂の全重量に基づいて約５０．０重量％ないし約７２．０重量％の範囲にあるものとする。
【００４１】
モノマーは、光開始剤の存在下にて照射されたとき、重合化をするよう誘導することができる任意の適宜なモノマーから選ばれる。モノマーの例は、アクリレートエステル及び置換したアクリレートエステルを含む。２つ又はより多数のモノマーの結合体を使用することができる。好ましくは、モノマーの少なくとも１つは、多機能モノマーであるものとする。多機能モノマーとは、モノマーが成長するポリマー鎖と共に結合部を形成することのできる２つ以上の機能分子を含むものであることが理解される。本発明と共に使用可能なモノマーの特定の例は、１、６−ヘキサンジオールジアクリレート（ＨＤＤＡ）及び２−フェノキシエチルアクリレート（ＰＯＥＡ）を含む。光硬化型モノマーは、充填樹脂の全重量に基づいて、約１０ないし約４０重量％、より好ましくは、約１０ないし約３５重量％、最も好ましくは、約２０ないし約３５重量％の範囲の量にて存在するものとする。
【００４２】
分散剤は、充填樹脂内でシリカの均一なコロイド状懸濁状態を維持するのに適した量にて提供される。分散剤は、多岐に亙る既知の界面活性剤から選ぶことができる。好ましい分散剤は、アンモニア塩、より好ましくは、テトラアルキルアンモニウム塩を含む。テトラアルキル基は、多岐に亙る置換物を含むことができる。本発明にて使用される分散剤の特定の例は、非限定的に、ポリオキシプロピレンジエチル−２−ヒドロキシエチルアンモニウムアセテート、及び塩化アンモニウムを含む。好ましくは、分散剤の量は、充填樹脂内のセラミックの全重量に基づいて、約１．０重量％ないし約１０重量％の範囲にあるものとする。
【００４３】
開始剤は、当該技術分野の当業者に既知の多数の光開始剤から選ぶことができる。光開始剤は、照射されたとき、所望のモノマーの重合化を誘導するのに適するように選ぶことができる。典型的に、光開始剤の選択は光重合化を誘導させるために使用される放射線の波長によって決まる。好ましい光開始剤は、ベンゾフェノン、トリメチルベンゾフェノン、ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、イソプロピルチオキサントン、２−メチル−１−［４（メチルチオ）フェニル］−２−モルホリノプロファノン及びそれらの混合体を含む。光開始剤は、充填した樹脂が適宜な波長の放射線にて照射されたとき、モノマーを迅速に重合化するのに十分な量にて添加される。好ましくは、光開始剤の量は、充填した樹脂内のモノマーの全重量に基づいて、約０．０５ないし約５重量％の範囲にあるものとする。
【００４４】
セラミック充填樹脂の１つの代替的な形態において、モノマーの量に代えてある量の非反応性稀釈剤が使用される。好ましくは、置換した非反応性稀釈剤の量は、樹脂中のモノマーの約５％ないし約２０％（重量又は体積比で）に等しいものとする。所定のセラミック樹脂組成物の一例は、代替的な形態において、モノマーの約５ないし２０重量％を非反応性稀釈剤にて置換する１００ｇのモノマー（すなわち、９５ないし８５ｇのモノマー＋５ないし２０ｇの非反応性稀釈剤）を必要とする。非反応性稀釈剤は、非限定的に、二塩基エステル又はデカヒドロナフタレンを含む。二塩基エステルの例は、純粋な形態又は混合体にて使用可能な、ジメチル琥珀酸塩、ジメチルグルタル酸塩、アジピン酸塩を含む。
【００４５】
充填樹脂は、最初に、モノマー、分散剤、及び焼結可能なセラミックを結合して均質な混合体を形成することで作成する。添加の順序は本発明にとって通常、重要ではないが、モノマー及び分散剤を、最初に結合し、次に、焼結可能なセラミックを添加する。好ましくは、焼結可能なセラミック材料は、約５ないし２０体積％の増分量にてモノマー／分散剤の結合体に添加される。セラミック材料を増分量添加する間、得られる混合体は、例えば、約５ないし１２０分間、ボールミルにて粉砕・混合させるといった任意な適宜な方法により完全に混合させる。焼結可能なセラミック材料の全てが添加されたとき、形成される混合体は、１０時間又はより長い時間の更なる時間、混合させる。樹脂に照射する直前、好ましくは、照射する前、約２時間以内に光開始剤を添加し且つ混合体中に混合させる。
【００４６】
好ましいシリカ充填樹脂は、約６７．１重量％のシリカ、約３１重量％のモノマー、約１．３７重量％の分散剤、約０．６１９重量％の光開始剤を備えている。重量％は、シリカ充填樹脂の全重量に基づくものである。好ましいアルミナ充填した樹脂は、約７８．２重量％のアルミナ、約２０．１重量％のモノマー、約１．５６重量％の分散剤、及び約０．１０１重量％の光開始剤を備えている。
【００４７】
表ＩＩを参照すると、好ましいシリカ充填した樹脂及び好ましいアルミナ充填した樹脂が記載されている。
表ＩＩ
重量／ｇ          体積ｃｃ        重量％        体積％
アルミナ      １９８０          ５００        ７８．２      ４８．０
モノマー      ５１０            ５００        ２０．１      ４８．８
分散剤        ３９．６          ３８．８      １．５６      ３．７３
光開始剤      ２．５５          ２．３２      ０．１０１    ０．２２３
−−−−          −−−−      −−−−−    −−−−−
合計          ２５３２          １０４１      １００％      １００％
シリカ        ２２１０        １０００        ６７．１      ４８．５
モノマー      １０２０        １０００        ３１．０      ４８．５
分散剤        ４４．２        ４３．３３      １．３７      ２．１４
光開始剤      ５．１０        ４．６３６      ０．６１９    ０．８９９
−−−−        −−−−−      −−−−−    −−−−−
合計          ３２７９        ２０４８        １００％      １００％
１つの代替的な実施の形態において、セラミック充填樹脂は、二重硬化樹脂として定義される。二重硬化樹脂は、モノマーの重合化を生じさせるため２つの型式の開始剤を利用する。１つの好ましい形態において、紫外線硬化のための１つの光開始剤及び熱硬化のための別の開始剤がある。熱硬化のための開始剤の一例は、過酸化ベンゾイルすなわちＡＩＢＮである。ＡＩＢＮは、２−２´−アゾ−ビス−イソブチリルニトリルを備えている。しかし、熱硬化のための開始剤は、当該技術分野の当業者に既知の多数のその他の開始剤から選ぶことができる。
【００４８】
図１６を参照すると、薄壁構造体４９の１つの代替的な実施の形態５５が示されている。複合的壁構造体５５は、隔たった１対の薄い外壁５６、５７を備え、複数の内壁部材５８がその外壁を接続している。複数のキャビティ６３が壁構造体５５に形成され、１つの実施の形態において、内部構造体５９を有している。１つの好ましい実施の形態において、内部中子構造体５９は、中空であり且つ、キャビティ６３を画成する壁に一体的に接続されている。
【００４９】
図１７を参照すると、一体型鋳型４５の薄壁構造体４９の第三の実施の形態６０が示されている。壁構造体６０は、多孔質内側部材６２を備えて形成され且つ、該内側部材に結合された１対の隔たった薄い外壁６１を有している。内側部材６２の密度は、外壁６１の密度よりも小さいことが好ましい。壁構造体６０、５５、４９は、設計により必要とされるように、共に又は別個に使用することができる。壁構造体４９、５５、６０は、本発明の壁構造体の単に一例であり、複合的壁構造体に対するその他の設計に関して制限することを意図するものではないことが理解される。
【００５０】
図１８及び図１９を参照すると、鋳型中子５０の一部分の代替的な形態６５、７０がそれぞれ示されている。鋳型中子６５は、内部の中空の中子構造体６７が形成された一体的な薄壁構造体６６を有している。多孔質構造体６９が外壁構造体６６と内部の中空の中子構造体６７との間に形成されている。鋳型中子７０は、内部の中空中子７２が形成された薄壁７１を有している。複数の補強リブ７４が外壁７１と内部の中空中子７２との間に形成されている。鋳型中子５０、６５、７０の形態は、本発明にて限定的であることを意図するものではなく、その他の鋳型中子の設計とすることも考えられる。
【００５１】
図２０及び図２１を参照すると、未加工の鋳造鋳型システムの別の実施の形態が示されている。鋳造鋳型５２５は、上述した鋳造鋳型システム４５と実質的に同様である。より具体的には、鋳造鋳型システム５２５は、一体型のセラミックシェル５２６及びセラミック中子５２７を有している。中子セラミックシェル５２６と中子５２７との間の容積５２８は、溶融金属材料から形成すべき構成要素を画成する。好ましくは、容積５２８は、溶融金属の受け入れを妨害するように伸びる支持構造体を何ら有しないものとする。より具体的には、より好ましい実施の形態において、断面を描くことは、容積５２８内の何らの構造体も描くことはない。しかし、本発明の別の実施の形態において、製造過程は、セラミックシェル５２６及び（又は）中子５２７を損傷させずに除去することのできる支持構造体を容積５２８内に形成するものである。１つの好ましい形態において、セラミックシェル５２６の内壁面５２９及び形成されたセラミック中子５２７の外面５３０は実質的に平滑である。壁面は、複数の当接層の一部分により画成される段付き面又は単一層の面により画成される平坦面の何れかとして画成されよう。より具体的には、未加工の構成要素は、約１０μｍないし約約３０μｍの範囲内の段付き面に対する形成された仕上げ面を有し、また、約０．５μｍないし約１０μｍの範囲内の平坦な面に対する形成された仕上げ面を有する。
【００５２】
鋳造鋳型システム５２５の１つの実施の形態において、中子５２７は実質的に中空である。薄い外壁シェル５４０は、該シェルと一体に形成された複数の隔たった内壁部材５４１を有している。中実な形態及び実質的に中空の形態を有する中子が本発明の範囲に属するものと考えられる。
【００５３】
図２２を参照すると、図２０の線２２−２２に沿った部分断面図が示されている。セラミック中子５２７は、溶融金属を受け入れ得るように形成された通路５３２を有している。より具体的には、溶融金属を受け入れ得るようにセラミック中子５２７に形成された複数の隔たった通路５３２がある。通路５３２は、構成要素に細部を鋳造することを許容する。１つの好ましい実施の形態において、通路５３２の各々は、約０．１２７ｍｍないし約０．７６２ｍｍ（約０．００５インチないし約０．０３０インチ）の範囲の形成された幅／直径を有し、より好ましくは、約０．５０８ｍｍ（約０．０２０インチ）以下の幅／直径を画成し、最も好ましくは、約０．２５４ｍｍ（約０．０１０インチ）の幅／直径を画成するものとする。図２３は、一体型の多数壁セラミック鋳造鋳型システムにおける別の実施の形態を示す図である。
【００５４】
図２４を参照すると、炉５５０内に配置された鋳造鋳型システム４５が概略図的に示されている。炉は、ポリマーバインダを未加工のセラミック鋳造鋳型から実質的に焼き尽くし且つ、セラミック粒子を焼結するのに必要な熱を提供する。１つの好ましい形態において、鋳造鋳型システムは、炉の面５５１に休止する個別の層の数を最小にし得るように炉内で向き決めされている。未加工セラミック鋳型システムの燃焼方策は、炉内の鋳型を分当たり約０．１℃ないし分当たり約５．０℃の率にて通常の室温から約３００℃ないし約５００℃の第一の温度まで加熱するステップを含む。その後、約０時間から約４時間の時間範囲に亙って最大温度を保持してポリマーバインダを焼き尽くす。加熱部分の後、高密度となった鋳造鋳型システムに対し焼結方策を行う。焼結方策は、炉内の温度を分当たり約５．０℃ないし分当たり約１０．０℃の率にて約１３００℃ないし約１６００℃の範囲内の第二の温度まで上昇させるステップを含む。鋳造鋳型システムは、約０時間ないし約４時間の時間範囲に亙って第二の温度に保持される。次に、鋳造鋳型システムを分当たり約５．０℃ないし分当たり１０．０℃の率にて室温まで冷却させる。鋳造鋳型システムは、約７０％以上の密度まで焼結させることが好ましく、より好ましくは、鋳造鋳型システムは、約９０ないし９８％の範囲の密度まで焼結させるものとする。最も好ましくは、鋳造鋳型システムは、実質的に全密度まで焼結されるものとする。１つの実施の形態において、焼結したセラミック鋳造鋳型システムは、約９９重量％セラミック粒子であり、より好ましくは約９９重量％アルミナであるものとする。
【００５５】
アルミナ系の未加工のセラミック鋳型システムに対する好ましい加熱方策は、炉内の鋳型を分当たり約１℃の率にて通常の室温から約３００℃の第一の温度まで加熱するステップと、約４時間、第一の温度を保持するステップとを含む。その後、分当たり約１℃の率にて温度を第一の温度から約５００℃の第二の温度まで上昇させる。約０時間、第二の温度を保持する。分当たり約１０℃の率にて温度を第二の温度から約１５５０℃の第三の温度まで上昇させる。約２時間、第三の温度を保持する。次に、鋳造鋳型システムを分当たり約５℃の率にて第三の温度から室温まで冷却させる。
【００５６】
シリカ系の未加工セラミック鋳型システムに対する好ましい加熱方策は、炉内の鋳型を分当たり約１℃の率にて通常の室温から約３００℃の第一の温度まで加熱するステップと、約４時間、第一の温度を保持するステップとを含む。その後、温度を分当たり約１℃の率にて第一の温度から約５００℃の第二の温度まで上昇させる。約０時間、第二の温度を保持する。温度を分当たり約１０℃の率にて第二の温度から約１５００℃の第三の温度まで上昇させる。約２時間、第三の温度を保持する。次に、鋳造鋳型システムは、分当たり約５℃の率にて第三の温度から室温まで冷却させる。
【００５７】
一体型の鋳造鋳型４５、４５ａは、異なる過程により製造され、これら鋳造鋳型は異なる性質を有する一方、これらは共に、溶融金属を内部を受け入れるセラミックシェルを形成する。しかし、本発明の別の形態において、セラミックシェルは、溶融材料以外に凝固させるべきその他の材料を受け入れることができる。セラミック鋳型を立体印刷法及び選択的レーザ励起により形成することについて説明したが、当該鋳造に関する本発明は、特段の記載がない限り、これら型式の鋳型にのみ限定することを意図するものではない。例えば、セラミックスラリー、樹脂シェル鋳型又は砂鋳型内に浸漬させることによりシェル形成される従来の中子及び模型の技術により製造された鋳型を採用することも考えられる。以下に、鋳造鋳型という語は、総称的に鋳造鋳型４５として説明し、反対の特段の記載がない限り、あらゆる型式のセラミック鋳造鋳型を含むことを意図するものとする。
【００５８】
図２５を参照すると、一体型鋳造鋳型４５の１つの実施の形態が示されている。完成した一体型鋳型４５は、基部部材５１と、頂部部材７７と、これら部材の間を伸びる主本体４７とを有している。支持部材５３は、底部部材５１と、頂部部材７７との間を伸びる一方、充填管５２は、充填鋳込み７８から主本体４７の底部分４７ａまで伸び且つ、鋳型の内部の金属受け入れキャビティと流体的に連通している。好ましくは、基部部材５１は、リング構造体により画成されるものとする。通気口７９は一体型鋳型４５に形成され且つ、内部の金属受け入れキャビティ内に開放して、気体状材料が鋳型に入り且つ鋳型から出るのを許容し、材料の除去を助け且つ、鋳型を充填することを助ける。代替的な実施の形態において、一体型鋳造鋳型４５は、異なる形態とし且つ、基部部材及び（又は）頂部部材のような造作構造部を含まないことが理解される。
【００５９】
１つの実施の形態において、頂部部材７７は、容器８０と接続可能な歯付きリング又は円板構造体の円板を画成する。好ましくは、一体型鋳型４５は、該鋳型を製造するのに必要な材料の量を最小にし得る設計とされ、また、このため、その薄いシェルにより、鋳型はその内部で鋳造される製品の輪郭に類似したものとなる。当該例において、鋳型４５は、ガスタービン翼に類似するが、その他の形状とすることも考えられる。更に、一体型鋳型は、その外面が一体型鋳型内で鋳造される製品／構成要素の形状に順応しないように形成することができる。
【００６０】
一体型鋳型４５を設計し且つ形成するとき、次のものを含む、考慮すべき多数のパラメータがある、すなわち、（１）鋳型の所望の強度及び剛性；（２）鋳型を製造することができる速度；（３）金属が凝固するのに伴い鋳型内の中子が圧潰する能力；（４）鋳造する間の加熱／冷却率；（５）中子の除去／浸出速度；及び（６）凝固後、冷却する間、鋳造品を拘束することである。溶融金属が鋳型の周りで凝固するときの鋳型部分の圧潰可能性は、構成要素の密度、構造体及び多孔率を変化させることで対処することができる。例えば、図１８及び図１９を参照すると、溶融金属が内部で凝固するとき部分的に圧潰し／延びる多孔質構造体６８及び補強ウェブ構造体７４を有する中子構造体６５、７０が示されている。
【００６１】
図２６を参照すると、炉８１内に配置された鋳型容器８０及び一体型鋳型４５が示されている。鋳型容器８０は、その内部に一体型鋳型４５が配置された状態で示されているが、その他の型式の鋳型を鋳型容器８０内に配置することも可能であることが理解される。鋳型容器８０は、鋳造過程の間、一体型鋳型４５を保持する設計及び構造とされている。容器８０の外壁部材８２は、鋳型容器の内面と基部部材５１の外面５１ａ及び頂部部材７７の外面７７ｂの一部分との間に締まり嵌め状態を提供し得るような寸法とされた貫通する開口部を有している。１つの実施の形態において、鋳型容器８０は、底部部材５１及び頂部部材７７にシュリンク嵌めされた厚い肉厚の繊維状セラミック管により画成される。本明細書にて使用する管という語は、中空の部材を規定するが、特段の記載がない限り、中空の円筒状の構造体に限定することを意図するものではない。代替的な実施の形態における容器は、全体としてカップ形状の容器を画成する一体型の底壁部材を有している。しかし、その他の容器形状とすることも考えられる。更に、代替的な実施の形態において、容器及び鋳型は締まり嵌めしていない。
【００６２】
１つの好ましい実施の形態において、鋳型容器８０は、細長い円筒状の形状の管によって画成される。１つの形態において、外壁部材８２に対する肉厚は、約０．２５４ｍｍないし約２．５４ｃｍ（約０．０１０インチないし約１インチ）の範囲にあり、より好ましくは、約１．２７ｃｍ（約０．５インチ）とする。その他の肉厚とすることも考えられる。外壁部材８２は、特定の熱伝導条件に合うように選ばれたセラミック材料にて形成される。１つの実施の形態において、部材は熱をその外面８２ａから迅速に伝導して取り扱いを容易にする一方、別の実施の形態において、部材は、一体型鋳型４５を絶縁し得る設計とされている。非限定的に、多孔質セラミック、セラミック繊維マット、金属及び熱障壁被覆を有する金属のような材料を外壁部材８２に対し使用することが考えられる。
【００６３】
少なくとも１つの支持部材８３が一体型鋳型４５の外壁８２の内面８４と外面４５ａとの間の空間内に配置されている。支持部材は、鋳造過程の間、薄壁の一体型鋳型４５に対する支持体を提供する。補強した鋳型容器８０は溶融金属を高圧にて薄いシェル鋳型まで供給することを許容する。１つの実施の形態において、補強した薄壁の一体型鋳型に対し約７．６２ｃｍないし約６０．９６ｃｍ（約３インチないし約２４インチ）ニッケル範囲の溶融金属圧力を使用することが考えられる。しかし、その他の溶融金属圧力とすることも考えられる。
【００６４】
１つの好ましい実施の形態において、支持部材８３は、複数の支持部材により画成され、より好ましくは、複数のセラミック媒体部材により画成されるものとする。１つの実施の形態において、約０．２５４ｍｍないし約２．５４ｍｍ（約０．０１０インチないし約０．１００インチ）の範囲の寸法を有する複数の支持部材が球形／ボールとして規制される。しかし、その他の寸法とすることも考えられる。複数の支持部材は、鋳型容器８０内の空間を充填し且つ、一体型鋳型の外面４５ｄと当接する。複数の支持部材の形状は、非限定的に、タブレット形、球形又は繊維状のものを含むことが理解される。更に、本発明の１つの代替的な実施の形態において、鋳型容器内の支持部材は、外壁８２の内面８４と、一体型鋳型４５の外面４５ｄとの間に形成された連続的なセラミック材料、アルミナ、ムライト、シリカ、ジルコニカ（ｚｉｒｃｏｎｉｃａ）又はジルコンのようなセラミック発泡材によって画成することができる。ウェブ構造体５４は、複数の支持部材８３が容器８０から進むのを阻止する底部壁部材を形成するために利用される材料の量を最小にし得るような設計及び構造とされている。しかし、非限定的に、中実壁のようなその他の構造体とすることが考えられる。再使用及び（又は）リサイクルのため、複数のセラミック支持媒体８３は、容器から容易に除去することができる。
【００６５】
図２７を参照すると、補助的な鋳型ヒータ９１を更に有する鋳型容器８０が示されている。補助的な鋳型ヒータ９１は、溶融金属が凝固し且つ、一体型鋳型キャビティ内で結晶が成長する間に必要とされるエネルギを追加するように制御される。１つの形態において、補助的な鋳型ヒータ９１は、鋳型容器８０の外壁８２の内面８４に結合され且つ、鋳型容器８０の頂部分に配置されている。しかし、鋳型容器に沿ったその他の位置とすることも考えられる。
【００６６】
図２８を参照すると、内部に一体型鋳型４５が配置された鋳型容器８０の断面図が示されている。断面図は、内部に溶融金属を受け入れる内部キャビティの翼型形成部分に相応する、図２７の線２８−２８に沿った図である。溶融金属をキャビティ４８内に鋳込む間、複数の支持部材８３が外面４５ｄと当接して薄壁４９を支持する。複数の支持部材８３は、一体型鋳型４５から外壁８２への熱伝導を阻止する絶縁体として機能する、その部材の間の空間９４を有している。更に、複数の支持部材８３は、容器の外壁８２までの不連続的な熱伝導路を画成する。複数の部材８３は、一体型鋳型４５からの輻射熱を保持して、一体型鋳型４５に対する所望の温度を維持することを助ける機能を果たす。
【００６７】
図２９を参照すると、内部に一体型鋳造鋳型が配置された鋳型容器８０が示されている。局所的な鋳型ヒータ９３が容器８０の外壁８２と鋳型４５の外面４５ａとの間に画成された空間内に配置されて、一体型鋳型４５の一部分を加熱する。鋳型容器内での局所的な鋳型ヒータ９３の利用は、鋳型４５の外面４５ａの任意の部分に隣接し又は近接する位置とすることができる。局所的な鋳型ヒータ９３は、１つの面に沿って連続的とし又は１つの面に沿って不連続的とし、或いは鋳型の設計に関連したパラメータにより必要とされるように１つの面から隔てることができる。図２９の補助的な鋳型ヒータの説明は、限定的であることを意図するものではない。
【００６８】
図３０及び図３１を参照すると、非接合材料４００を一体型鋳型４５の内部キャビティから除去する方法及び装置が示されている。この過程は、互いに接合された複数の材料層を有する自由形態に製造された鋳型と共に示されているが、この過程はまた、金属受け入れキャビティ内に配置された非接合粒子を有するその他の鋳型構造体にも有用であると考えられる。非接合材料とは、粉体、微粒子及びキャビティ４８内で一体型鋳型４５の壁に接合していないその他の材料を意味する。１つの形態において、非接合材料を鋳造金属の受け入れキャビティ内から除去する過程は、粉体層を印刷し且つ接着して直接、セラミック鋳造鋳型を形成することにより製造される鋳型に関する。別の実施の形態において、一体型鋳型４５は、キャビティ内の非接合材料を乾燥させるように加熱されている。別の形態において、非接合材料を鋳造金属の受け入れキャビティ内から除去する過程は、選択的レーザ励起技術によりセラミックシェルを形成することにより製造された鋳型に関するものである。非ゼリー状のスラリーを乾燥させ且つ除去し、また、非乾燥状態にて除去することができる。
【００６９】
一体型鋳型４５を有する鋳型容器８０は傾斜角度θにて配置され且つ、軸線Ｚの周りを回転する。好ましい実施の形態において、角度θは、約５°ないし約９０°の範囲の鋭角度であり、より好ましくは、角度θは約１５°である。しかし、代替的な実施の形態において、角度θは、変更可能である。一体型鋳型４５が回転し且つ動くことにより、非接合材料４００は内部キャビティを画成する壁から転位し、内部キャビティと連通した出口開口１０１を通り且つ、受け入れ部１０４内に進む。１つの代替的な実施の形態において、一体型鋳型は、非接合材料４００が内部キャビティから除去された後、出口開口１０１内に配置される栓（図示せず）を有している。１つの好ましい実施の形態において、出口開口１０１は、鋳造工程の間に利用した金属開始種を受け入れて特定の結晶構造及び（又は）急速な凝固を容易にし得るような寸法とされている。
【００７０】
１つの形態において、一体型鋳型４５のスプロケット７７は、駆動装置１０２と係合している。駆動装置１０２は、容器が分当たり約０．１ないし２回転の範囲の速度にて回転し、より好ましくは、分当たり約１／３回転の速度にて回転するように駆動されるが、その他の速度とすることも考えられる。一体型鋳型の回転中の休止時間は、約１５分ないし約２日の範囲とし、より好ましくは、約２時間とする。しかし、その他の休止時間とすることも考えられる。容器８０は、容器が軸線Ｚの周りで回転するとき、矢印Ｐの方向に向けて容器支持体１０３に沿って進む。容器スペーサ１０５が対の鋳型容器８０の間に配置されて容器同士の接触を阻止する。更に、容器８０は、必要に応じて上下逆にし、内部キャビティからの材料４００の除去を容易にし、また、洗浄流体を内部キャビティに導入して材料の除去を容易にすることができる。内部キャビティ内への流体の導入は、通常の状態又は上下逆さの状態で行うことができる。
【００７１】
一体型鋳型４５に対し、溶融金属をその内部キャビティ内に受け入れる前に熱処理工程が行われる。一体型鋳型４５は、立体印刷又は選択的レーザ励起過程により製造されたかどうかを問わず、鋳造過程に十分でない未加工強度を有し、従って、上述したように加熱されたとき、その強度を増す。幾つかの鋳型構造において、未加工の鋳型内の存在するポリマー及びその他の材料を焼き尽くす必要がある。より具体的には、選択的レーザ励起過程により製造された一体型鋳型の場合、未加工の鋳型内でポリマーを焼き尽くす必要がある。立体印刷技術により製造された鋳型は、全体として、未加工の一体型鋳型４５から除去すべき顕著な材料が存在しないため、焼き尽くす過程は不要である。最後に、鋳型は、所望の顕微鏡組織の成長を容易にし得るよう選んだ適宜な温度まで予加熱しなければならない。柱状粒組織の場合、鋳型を予加熱するのに望ましい温度は、約１４８２．２２℃（２７００°Ｆ）であり、単結晶鋳造品の場合、鋳型を予加熱するのに所望の温度は、約１５３７．７８℃（２８００°Ｆ）である。
【００７２】
本発明の１つの形態において、一体型鋳型４５に対して一貫熱処理工程を行うことが好ましい。一貫熱処理は、未加工の鋳型４５を加熱するステップと、未加工の鋳型内の不要な材料を焼き尽くすステップと、所望の顕微鏡組織を鋳造するのに必要な所望の温度まで鋳型を予加熱するステップとを含む。次に、加熱し且つ焼結する工程の後、鋳型を冷却し、検査し、必要なように修理し且つ、鋳造の準備をする。その後、鋳型を予熱するのに望ましい温度まで鋳型の温度を上昇させる。より好ましい形態において、これらのステップの各々が同一の炉内にて実質的に連続的な状態で行われる。鋳型の熱循環を解消することは、複雑／傷付き易い通路を有する中空の構造体を鋳造する能力を向上させることになる。
【００７３】
図３２を参照すると、内部に一体型鋳型４５を有する鋳型容器８０のような鋳造鋳型に鋳造金属１０８の装入分を供給する鋳造装置４２０の機能図が示されている。本発明は、実質的に連続的に又はバッチ処理状態にて機能する鋳造装置とすることが考えられる。鋳造装置と共に利用される鋳造鋳型は、特定の鋳型の様式又は構造に限定することを意図するものではない。鋳造装置は、炉１０７内に配置された精密な溶融金属供給システム１０６を有している。本発明の１つの好ましい形態において、炉１０７は、二重チャンバの真空炉により画成される。しかし、空気溶融又は加圧型鋳造炉のようなその他の型式の炉とすることも考えられることが理解される。ある量の溶融金属を鋳型８０に排出する精密な鋳造鋳型供給システムが環境的に制御されたチャンバ１０９内に配置されている。溶融金属の供給システム１０６には、るつぼ１１１内で溶融金属の表面の下方から溶融金属が供給される。金属材料１１０の供給分は、チャンバ１０９内に進み且つ、るつぼ１１１内で溶融する。るつぼ内の金属材料の供給分は、鋳造タービンエンジン構成要素と関係した合金の場合、１７６．６６７ないし２０４．４４４℃（３５０ないし４００°Ｆ）の範囲である、過熱状態まで加熱される。しかし、これらの合金及びその他の型式の金属に対しその他の過熱温度とすることが考えられる。
【００７４】
１つの実施の形態において、制御チャンバ１０９には、遮蔽体及び（又は）膜を形成してるつぼ１１１内の溶融金属の表面蒸発を遅くする不活性気体１１２が供給される。溶融金属の分与は、溶融金属の供給システム１０６と鋳型８０との間の圧力差によって制御される。１つの実施の形態において、溶融金属の排出は、溶融金属の表面に正圧力を付与することで制御される一方、該正圧は、ある量の溶融金属をるつぼ１１１から鋳型８０内に駆動する。鋳型８０は、真空炉の第二のチャンバ内に配置され且つ、溶融金属の供給システム１０６よりも低圧である。
【００７５】
図３３及び図３４を参照すると、本発明による鋳造装置の１つの実施の形態１１５が示されている。該鋳造装置１１５は、壁１１４により分離された上側チャンバ１１７及び下側チャンバ１１８を有する二重チャンバの真空炉１１６を有している。チャンバ内に圧力差が生じることを利用して溶融金属の装入分を鋳型に供給する。鋳型の入口ポート１１９は参照番号８０で示すような鋳造鋳型を導入し且つ、下側チャンバ１１８から除去することを許容する。本発明の１つの形態において、鋳型の入口ポート１１９は、鋳型容器８０が除去され又は下側チャンバ内に挿入されるとき、下側チャンバ１１８内に真空環境を維持することを可能にする流体密の相互係止部を画成する。溶融金属が鋳込まれ且つ凝固する間、鋳型８０を保持する回転可能な保持具１２１が下側チャンバ内に配置されている。開始種４２１が鋳型容器８０に対し配置され且つ、保持具１２１と結合されている。本発明の１つの好ましい形態において、保持具１２１は、開始種４２１と熱伝導可能に連通して、開始種からエネルギを吸引して鋳型４５内の溶融金属を指向性凝固させる熱伝導装置を有している。
【００７６】
金属材料フィーダ１２０は、非溶融金属材料１３７を上側チャンバ１１７内に配置された溶融るつぼ内に導入することを可能にする。本発明の１つの形態において、非溶融金属材料１３７は、棒材の形態をしており且つ、鋳造装置１１５の作動を妨害せずに、るつぼ内に進むようにされる。好ましい実施の形態において、溶融るつぼ１２２は、金属材料が誘導ヒータ１２３により誘導的に加熱される耐火性るつぼを画成する。非限定的に、るつぼ１２２内の金属材料を溶融させ且つ金属材料の温度を上昇させる、浮揚型及び抵抗型のような、その他の形態のヒータとすることが考えられる。るつぼ１２２は、ある量の溶融金属を保持する設計及び構造とされており、この溶融金属から個別の鋳型を充填するより少量の溶融金属の装入分が除去される。るつぼが保持することのできる溶融金属の量は、約２．２６７９６ｋｇないし９０．７１８５ｋｇ（約５ないし２００ポンド）の範囲にあることが好ましく、より好ましくは、約２２．６７９６ｋｇ（約５０ポンド）であるようにする。しかし、上述したように、るつぼは、連続的過程に十分な容量を有し又は、個別の一回の鋳込みに合った寸法とすることができる。１つの実施の形態において、溶融金属のリザーバを保持するるつぼは、溶融金属の装入分の供給及び非溶融金属材料を溶融のため、るつぼ内に導入することに関連した温度の変動を減少させる。溶融るつぼ１２２内の溶融金属１２４は溶融金属の分与システム内に進む。１つの実施の形態において、溶融金属の分与システムは、溶融金属をノズル２５３を通じて充填管５２の精密に配置された鋳込み口７８内に精密に鋳込む装置を画成する。溶融金属の分与システム１２５及び溶融金属をるつぼ１２２から分与する代替的な実施の形態について以下に、より詳細に説明する。
【００７７】
本発明の１つの実施の形態において、回転可能な保持具１２１は、液体冷却式であり、真空炉の下側チャンバ１１８内に配置されている。熱伝導システムは、鋳造鋳型４５の各々に結合され、また、溶融金属が凝固する間、熱伝導路を維持する。回転可能な保持具は、複数の鋳型容器ホルダ１２９を有している。図３４の実施の形態において、鋳型容器ホルダ１２９は、スポーク部材であるが、鋳型が溶融金属にて充填され且つ、凝固して所望の特定の顕微鏡組織となるとき、これらの鋳型を保持するその他の構造とすることも考えられる。鋳型容器８０は、充填管の鋳込み口７８が鋳込みノズル２５３と整合する位置１３１まで回転させる。
【００７８】
図３５を参照すると、鋳造装置の１つの代替的な実施の形態１３５が示されている。鋳造装置１３５は、鋳造装置１１５と実質的に同様であり、同様の造作部は同様の造作部番号で示してある。鋳造装置１３５と鋳造装置１１５との主要な相違点は、非溶融金属材料１３７が上側チャンバ１１７内に動くとき、該金属材料に対する流体密のシールを形成するシール１３６を含む点である。１つの好ましい形態において、シール１３６は、非溶融金属材料１３７の外面１３７ａと当接する。金属ストック１３７が矢印Ｓの方向に向けて上側チャンバ１１７内に前進することにより、るつぼ１２２内で溶融合金１２４に作用する圧力は上昇する。溶融金属１２４に作用する圧力及び（又は）力が上昇することは、金属ストック１３７が溶融金属１２４内に前進することに起因し且つ（又は）弁１２６を通じて供給される不活性気体１２７の圧力が上昇することによるものである。１つの好ましい形態において、不活性気体は、アルゴン又はヘリウムであり、不活性気体と関係した圧力差は６０ミリトル（７．９９９３Ｐａ）である。
【００７９】
図３６を参照すると、本発明の鋳造装置の別の実施の形態１４０が示されている。鋳造装置１４０は、鋳造装置１３５と実質的に同一であり、同格の造作部番号は、同様の造作部を示す。鋳造装置１４０は、ノズル２５３を金属充填管５２の鋳込み口７８内に配置することを可能にする。ノズルを充填管に結合することは、出口圧力を上昇させて充填を向上させることを可能にする。更に、１つの形態において、システムは、時間に亙って溶融金属の圧力を制御するため適用可能である。このため、溶融金属をノズルから排出したとき、溶融合金が充填管５２に至るときに通る狭小な通路がある。ノズル２５３を鋳型容器８０の鋳込み口７８と合わせるため、回転可能な保持具１２１は、垂直方向に可動である。保持具１２１は、鋳型容器８０を鋳型交換器１３０から受け取り得るように下降させ、次に、溶融金属の装入分を鋳型内に鋳込むことが望まれるとき、上昇させて、鋳型容器を着座する関係に配置する。
【００８０】
図３７を参照すると、図３３ないし図３６の従来の鋳造装置と実質的に同様の鋳造装置１４５が示されており、顕著な相違点は、より大型の鋳造鋳型を取り扱う鋳造装置１４５の能力である。鋳造装置１４５は、より大型の鋳造鋳型５２５を下側チャンバ５２８に隣接する出入口１４６を通じて導入することを許容する。１つの実施の形態において、溶融金属１２４は、溶融金属の分与システムから鋳型キャビティ５２５の鋳込み口５２３内に供給される。その後、鋳型５２２は、昇降装置５４８によりチャンバ５２８に対する鋳込み位置から引き出される。
【００８１】
図３８を参照すると、金属開始種１５１と熱伝導させる熱伝導装置１５０の１つの実施の形態が示されている。１つの好ましい形態において、種を亙る熱勾配は時間と共に変化する。より具体的には、１つの実施の形態において、熱勾配は、核形成する間、低く、結晶が成長する間、実質的に高い。１つの形態における熱勾配は、流体−固体の境界面にて約２８７．７７８℃／２５．４ｍｍ（約５５０°Ｆ／インチ）以上である。１つの実施の形態において、開始種１５１は、約６．３５ｍｍないし約７６．２ｍｍ（約０．２５インチないし約３．００インチ）の範囲の長さ「Ｂ」を有するが、その他の開始種の長さとすることが考えられる。熱伝導装置１５０は、ジョーの表面１５４を開始種１５１の本体と熱伝導可能に当接する配置となるように配置し得るように、通常、機械的に偏倚される１対のジョー１５２を有している。ジョー１５２は、溶融金属が凝固するとき、開始種１５１に対する熱伝導路を維持する。機械的な作動構造体１５３は、通常、閉じた位置に向けてばね偏倚される１対の可動のアーム１５５を有しており、このため、表面１５４は、開始種１５１と接触する状態に維持される。アーム１５４、１５５の端部に機械的力Ｆを付与することにより、開始種１５１は、熱伝導装置１５０から容易に分離する。
【００８２】
１対のジョー１５２の各々は、ある量の熱伝導媒体１６１を受け入れて開始種１５１の温度を変化させる内部冷却通路５３０を有している。熱伝導装置１５０は能動型冷却システムを利用するが、本明細書は、受動型冷却システムを使用するようにすることも考える。好ましくは、熱伝導媒体１６１は、金属開始種１５１からエネルギ／熱を吸引する冷却剤／シンクであるものとする。熱は、鋳型キャビティ内で凝固する溶融金属から開始種までの伝導により伝えられる。その後、冷却媒体がジョー１５２を通ることにより、開始種を通じて熱伝導が行われ、鋳型キャビティ内に溶融金属の熱勾配を生じさせ且つ指向性凝固させる。更に、多数型式の冷却媒体を使用することができる。最も簡単な型式のものは、非限定的に、銅のような、その熱容量及び（又は）相変化のため魅力的とされる固体である。水及び（又は）アルゴンのような流体が冷却媒体を画成するものとすることができる。更に、より大きい熱伝導容量又は熱伝導率を有する熱伝導冷却媒体は、アルミニウム、スズ又は水銀のような液体金属を含む。
【００８３】
図３９を参照すると、本発明の熱伝導装置の１つの代替的な実施の形態１６５が示されている。１つの好ましい形態において、種を亙る熱勾配は時間と共に変化する。より具体的には、１つの実施の形態において、熱勾配は、核形成する間、低く、また、結晶が成長する間、実質的に高い。１つの形態における熱勾配は、液体と固体の境界面にて約２８７．７７８℃／２５．４ｍｍ（約５５０°Ｆ／インチ）以上である。熱伝導装置１６５は、熱伝導装置１５０と実質的に同様であり、相違点は、金属開始種１５１を対のジョー１６６を通じて局所的に加熱する能力である。更に、１つの実施の形態において、開始種を同時に局所的に加熱し且つ冷却することができる。加熱する能力を利用して種と溶融金属の境界面における熱流を調節することになる。熱伝導装置１５０及び熱伝導装置１６５は実質的に同様であるから、同様の造作部は、同一の造作部番号で示してある。熱伝導装置１６５の１つの好ましい実施の形態において、ジョー１６６は、リード５３１により電源に接続され、電流が１６６を流れることにより、金属開始種１５１は抵抗加熱される。金属開始種１５１を局所的に加熱し得ることは、開始種１５１からの結晶構造の成長を制御するために望ましいことである。
【００８４】
図４０及び図４１を参照すると、金属開始種１７１に対し熱伝導する熱伝導装置の別の実施の形態１７０が示されている。１つの好ましい形態において、種を亙る熱勾配は時間と共に変化する。より具体的には、１つの実施の形態において、熱勾配は、核形成する間、低く、結晶が成長する間、実質的により高い。１つの形態における熱勾配は約２８７．７７８℃／２５．４ｍｍ（約５５０°Ｆ／インチ）以上である。開始種１７１は金属開始種１５１と実質的に同様であり、１対の精密位置決め造作部１７２を更に有している。金属開始種１７１は鋳型容器８０の開口部内に配置され且つ、金属受け入れキャビティと連通する状態に配置されて、その内部に溶融金属が鋳込まれたとき、金属開始種１７１の一部分が溶融金属を受け取り且つ部分的に溶融される。精密位置決め造作部１７２は、１対のジョー１７３の各々の接触端部１７４を受け入れ得るような設計及び構造とされている。ジョー１７３の各々の熱除去端部１７５がハウジング１８０内に配置されている。ハウジング１８０は、冷却媒体が通るための通路１７６を有している。冷却媒体がハウジング１８０を貫通し且つ、ジョーの熱除去端部１７５を横断して通過する状態は、矢印で線図的に示されている。１つの実施の形態において、局所的ヒータ１７８が機械的ハウジング１８０に結合されている。ヒータ１７８は、対のジョー１７３と熱伝達可能な熱伝導関係にあり、ジョーの接触端部１７４を通じてエネルギを開始種１７１に与える。局所的ヒータ１７８は、溶融金属と金属開始種との間の境界面における熱流を調節し得るように制御される。機械式アクチュエータ１７７を利用して熱伝導装置ジョー１７３を図４０に示した位置から開放し、次に、対のジョー１７３を図４１に示した位置に対して閉じる。アクチュエータ１７７は、液圧アクチュエータであることが好ましいが、鋳造環境にて機能するために必要な性質を備えるその他のアクチュエータとすることも考えられる。
【００８５】
図４２を参照すると、溶融金属を受け入れる内部キャビティ１８６を有する鋳型１８５が示されている。鋳型１８６は、気体状材料が内部キャビティ１８６まで及び内部キャビティ１８６から通るための通気端部１８７と、金属開始種１８８を受け入れ且つ、該金属開始種ときちっと係合する開始種受け入れ口１８９とを有している。金属開始種１８８は、表面１８８ａに溶融金属を受け取り得るように配置されている。金属開始種は、その他の種の形状とすることも考えられるから、図４２に示した種の形状にのみ限定することを意図するものではない。開始種の補助ヒータ１９５及び補助的鋳型ヒータ１９６は金型１８５内に配置されている。絶縁体１９０が鋳型１８５の下面１８５ａと熱伝導装置１９１との間に配置されて鋳造鋳型１８５からの熱伝導を最小にする。１つの好ましい形態において、種を亙る熱勾配は時間と共に変化する。より具体的には、１つの実施の形態において、熱勾配は、核形成する間、低く、結晶が成長する間、実質的に高い。１つの形態における熱勾配は、液体と固体の境界面にて約２８７．７７８℃／２５．４ｍｍ（約５５０°Ｆ／インチ）以上である。
【００８６】
熱伝導装置１９１は、開始種１８８の表面１９８と当接し且つ該表面１９８との接触状態を維持する位置に可動である１対のアーム１９３、１９４を有している。熱伝導装置１９１と開始種１９９との当接関係は、アーム１９３、１９４が開始種１８８から確実に解放される迄、維持することができる。精密位置決め部材１９２は、開始種１８８の底面１８８ｂと接触し、溶融面１８８ａの垂直方向高さを溶融金属受け入れキャビティ１８６内に精密に位置決めする。冷却媒体通路１９７は、冷却媒体が貫通して通るため対のアーム１９３、１９４の各々に形成されている。キャビティ１８５内の溶融金属は、熱を開始種１８８に伝導する一方、熱を表面１９８を通じて冷却した対のアーム１９３、１９４に伝導する。通路１９７を通って流れる冷却媒体は、アーム１９３、１９４から熱を除去する。このように、開始種１８８を通って温度勾配が形成され、溶融金属をキャビティ１８６内にて指向性凝固させる。
【００８７】
図４３を参照すると、熱伝導装置１９１と結合された鋳型容器２００が示されている。鋳型容器２００は、鋳型容器８０と実質的に同様であり、実質的に同様の造作部は、同様の造作部番号で示す。薄壁の一体型鋳型４５は、頂部分１８６ａ、底部分１８６ｂ、及び側部分１８６ｃを有する内部キャビティ１８６を備えている。熱い気体状材料がキャビティ１８６まで及びキャビティ１８６から通れるのを許容する通気口７９が頂部分１８６ａに近接して配置されている。開始種受け入れ口１８９は、底部分１８６ｂに形成され、また、側部分１８６ｃは、絶縁されて鋳型の側壁４９からの熱伝導を最小にする。１つの好ましい実施の形態において、種を亙る熱勾配は、時間と共に変化する。より具体的には、１つの実施の形態において、熱勾配は、核形成する間、低く、また、結晶が成長する間、実質的に高い。１つの形態における熱勾配は、液体と固体の境界面にて約２８７．７７８℃／２５．４ｍｍ（約５５０°Ｆ／インチ）以上である。溶融金属受け入れキャビティ１８６の形状は、全く一例であり、本発明に対して限定することを意図するものではない。
【００８８】
図４４を参照すると、鋳造鋳型内に配置された開始種を通じて熱を吸引する熱伝導装置の１つの代替的な実施の形態２０１が示されている。１つの好ましい形態において、種を亙る熱勾配は、時間と共に変化する。より具体的には、１つの実施の形態において、熱勾配は、核形成する間、低く、また、結晶が成長する間、実質的に高い。１つの形態における熱勾配は、約２８７．７７８℃／２５．４ｍｍ（約５５０°Ｆ／インチ）以上である。１つの実施の形態において、一体型の熱伝導装置２０１は、開始種部分２０２、精密位置決め面２０３、及び貫通する通路２０４を有している。開始種部分２０２は、鋳型の薄いセラミックシェル内に受け入れられ且つ、該シェルの表面５５０と当接する。開始種部分２０２の垂直方向位置は、精密位置決め面２０３と当接する精密位置決め部材１９２により固定される。通路２０４は、熱伝導装置２０１に形成され且つ、熱伝導媒体を通すような設計とされている。より具体的には、通路は、熱伝導装置に形成された支承面２０６と確実に係合し且つ、整合可能な１対のカプラー２０５（その１つのみを図示）と結合し得るような設計とされている。対のカプラー２０５が熱伝導装置２０１と接続され且つ、通路２０４と整合された状態にて、熱伝導媒体の流れは、カプラー２０５内の通路５５１を通って流れ且つ、熱伝導装置２０１の通路２０４内に入る。
【００８９】
カプラー２０５の各々における支承面２０６及び相応する表面は、継手の周りからの冷却媒体の漏洩を防止する実質的に流体密のシールを形成する。更に、１つの実施の形態において、支承面２０６は、電気接点を形成し、対のカプラー２０５が熱伝導装置２０１と合わさったとき、回路が完成され、電流は熱伝導装置２０１を流れ、種部分２０２を加熱するヒータを形成することができる。熱伝導装置２０１は、開始種部分２０２を局所的に加熱し且つ、開始種部分２０２上にて鋳型内で凝固する溶融金属からエネルギを吸引することを許容する。
【００９０】
図４５を参照すると、鋳型の薄いセラミックシェルとのその当接関係から除去されたエネルギ伝導装置２０１の１つの実施の形態が斜視図にて示されている。１つの形態において、エネルギ伝導装置２０１は、開始種部分２０２を有する一体型の主本体２０７を備えている。開始種部分は、鋳造鋳型の種受け入れ部分内に配置し、溶融金属が矢印Ｆの方向に向けて溶融金属の面２０８を亙って流れるようにすることができる。しかし、本発明は、一体型システムにのみ限定されず、また、多岐に亙る幾何学的形態及び流路を有する組立てシステムを備えている。
【００９１】
図４６Ａ及び図４６Ｂを参照すると、鋳造鋳型２１０の一部分が図示されている。１つの好ましい形態において、鋳造鋳型２１０は、選択的レーザ励起又は立体印刷により形成されるが、鋳型は、これら過程により形成された鋳型に限定することを意図するものではなく、当該技術分野の当業者に既知のその他の過程によって製造することができる。鋳造鋳型２１０は、溶融金属を一体型鋳造鋳型２１０内のキャビティ２１２に送り込む通路を提供する鋳込み管２１１を有する。１つの実施の形態において、開始種２１３は、鋳造鋳型２１０内に配置され且つ、位置決め部材２１４によって配置され、開始種２１３の最初の溶融面２１５ａをディフューザ２１１ａの排出部分２１６に対する所定の位置に配置する。ディフューザ２１１ａは、開始種の最初の溶融面２１５ａを溶融金属にて完全に覆うことを可能にする。ディフューザ部分２１１ａの壁は、１５ないし４５°の範囲内にあることが好ましい角度φにて開放する。ディフューザ部分２１１ａは、開始種を亙る該溶融金属の動きを遅くし、開始種本体の一部分が最初に溶融する間、開始種２１３に伝導されるエネルギを増大させる。１つの実施の形態において、最初の溶融面２１５の高さ位置及びディフューザ部分２１１ａの形態は、種の一部分を溶融させ得るように、溶融金属から除去され且つ、開始種２１３に伝導される熱の量を最大にするように選ばれる。
【００９２】
本発明の１つの実施の形態において、可溶融部材２２０は、鋳造鋳型２１０内に位置決めし、溶融金属の流れが、部材２２０を溶融させ且つ、可溶融部材を備える材料を溶融金属と共に、鋳型キャビティ２１２内に供給するようにする。可溶融部材２２０は、鋳込み管２１１の一部分内に位置決めされる。しかし、可溶融部材２２０の配置位置は、ディフューザ２１１ａのようなその他の位置とすることができる。１つの好ましい形態において、部材２２０は、充填管２１１を通る溶融金属の流れを実質的に妨害せず、また、溶融金属の熱によって容易に溶融されるワイヤー又はメッシュである。可溶融部材２２０は、溶融し且つ、溶融した合金と混合し、非限定的に、改良された展性及び（又は）酸化抵抗性のような性質を鋳造構成要素に付与する。１つの形態において、可溶融部材２２０は、非限定的に、希土類元素のような反応性金属にて形成される。
【００９３】
図４７Ａないし図４７Ｃを参照すると、溶融金属が溶融体の表面１８８ａを亙って矢印Ｇの方向に向けて流れるとき、開始種１８８の一部分が溶融することが示されている。開始種１８８は、溶融体端部と、部材に対し及び（又は）部材から熱を伝導すべく熱伝導装置と接触可能な基部端部とを有する金属部材である。溶融体加速部分２２５は、溶融体の端部に形成され、また、Ｐで示した材料の最初の高さを有している。図４７Ａを参照すると、非溶融状態にある溶融部分が示されており、該溶融部分は、基部端部の断面積よりも小さい断面積を有している。溶融金属が表面１８８ａを亙って流れる、ある時間の後、溶融体部分２２５は、部分的に溶融した。表面１８８ｂ（図４７Ｂ）は、溶融金属がある時間、通った後の溶融体部分２２５の輪郭外形を示し、その高さはＱで示されている。図４７Ｃを参照すると、追加の溶融金属が溶融体部分２２５を亙って流れるとき、溶融過程が続き、その輪郭外形は１８８Ｃで示し、また、Ｒで示した高さを有している。溶融体部分２２５の溶融が続くとき、凝固する金属からの熱伝導が行われる溶融体部分の表面積は、開始種１８８の基部２２６の表面積と同一寸法に近付き始める。１つの実施の形態において種の溶融が完了したとき、溶融体部分は、基部端部と実質的に等しい断面積を有し、溶融金属から開始種への熱伝導を制限することはない。
【００９４】
図４８及び図４９を参照すると、本発明にて考えられる開始種のその他の実施の形態が示されている。開始種２３０は、半円形の断面である溶融体加速部分２３１を有するが、非限定的に、溝付き面及び（又は）粗加工面のようなその他の幾何学的形状とすることも考えられる。開始種２３５は、溶融体部分２３５ａと、熱伝導媒体が通るために形成された通路２３６とを有している。開始種はその他の幾何学的形状を有し且つ、溶融体の加速部分２３５ａを有しないが、依然として熱伝導材料が流れるための通路を有するようにすることが可能であることが理解される。１つの代替的な実施の形態において、より複雑な冷却通路を形成し得るよう複数の内部通路があるようにすることが考えられる。
【００９５】
図５０を参照すると、鋳造装置１１５のような鋳造装置から溶融金属を分与する装置の別の実施の形態２３０が示されている。溶融るつぼ２３１は、溶融金属が底部壁部材の開口を通って流れない点を除いて、溶融るつぼ１２２と実質的に同一である。溶融金属の送り込み通路２３２は、供給端２３３及び排出端２３４を有する。供給端２３３には、溶融金属の表面の下方から溶融金属が供給され、通路２３２は、るつぼ２３１内で溶融金属の柱の高さまで充填される。送り込み通路２３２から鋳型容器８０内への溶融金属の排出は、チャンバ１１７及びチャンバ１１８の間の圧力差によって制御される。
【００９６】
溶融金属の送り込み通路２３２は、受動型の溶融金属の流れ制御造作部を有している。１つの実施の形態において、通路２３２の部分２３２ａは、流れ制御手段として機能する。るつぼ内の溶融金属に十分な圧力を加えたとき、通路２３２は溶融金属にて充填される。加えられた圧力を解放すると、溶融金属はるつぼに戻り、また、るつぼ内の溶融金属の高さにほぼ等しい通路内の高さに維持される。１つの形態において、溶融金属を部分２３２ａ及びノズル６００から送り込むことは、高さ「Ｃ」プラスチャンバ１１７及びチャンバ１１８の間の圧力差により制御された所定の圧力及び速度を受けることになる。通路２３２を充填するのに必要な作動エネルギは「Ｄ」で示されている。
【００９７】
装置の１つの好ましい形態において、溶融金属の排出は、るつぼ２３１内の溶融金属に圧力を加えることで制御される。上記に説明したように、溶融金属に加えられる圧力は、金属ストック１３７を溶融金属内に前進させ及び（又は）不活性気体によって溶融金属の表面に圧力を加えることによって形成することができる。溶融金属の表面の圧力が上昇すると、追加的な溶融金属が供給端２３３及び送り込み通路２３２を通じて排出端２３４まで強制的に供給される。排出端２３４にて溶融金属はノズル６００を通って鋳型容器の鋳込み口まで流れる。溶融金属に加えられた圧力を解放すると、点２３５を越える溶融金属は送り込まれ、通路内に残る溶融金属は、その箇所に留まり且つ（又は）るつぼ２３１内に戻される。このため、鋳型容器８０への溶融金属の送り込みは、チャンバ１１７、１１８の間の圧力差によって制御される。１つの代替的な実施の形態において、溶融金属に加わる圧力を上昇させるのではなくて、容器の周りの圧力を下降させることにより、溶融金属を鋳型容器８０まで進めることができる。
【００９８】
図５１を参照すると、溶融金属を鋳造装置１１５のような鋳造装置から排出する溶融金属の分与システムの１つの代替的な実施の形態２４０が示されている。より具体的には、溶融金属の分与システム２４０は、上側チャンバ１１７内に配置され、鋳型８０は下側チャンバ１１８内に配置されている。るつぼ２４１はるつぼ１２２と実質的に同様であり且つ、ヒータ１２３により加熱されて金属材料ストックを溶融させる。るつぼの排出開口２４２がるつぼに形成され且つ、壁部材１１４を通る通路２４３と整合されている。ストッパロッド２４４が上側チャンバ１１７内に配置され且つ、密封面２４５が開口２４２の周りでるつぼの壁と係合して溶融金属の進行を阻止する位置と、密封面２４５が開口２４２の周りで壁と当接する関係から除去される別の位置との間にて可動である。ストッパロッドの密封面２４５がその密封位置から除去されると、溶融金属は、重力によって鋳型８０内に進むことができる。
【００９９】
図５２を参照すると、溶融金属の分与システム１２５がその内部に配置されたるつぼ１２２の拡大図が示されている。るつぼ１２２は、開口７００を有している。溶融金属の分与システム１２５は、互いに且つ、るつぼ１２２と流体的に連通した外側通路２５０及び内側通路２５１を有している。複数の充填開口２５２は、るつぼ１２２内の溶融金属がシステム１２５の外側通路２５０内に流れるのを可能にする。外側通路２５０が溶融金属にて充填されると、溶融金属は内側通路２５１の供給端２５１ａ内に溢れ出ることができる。内側通路２５１は、溶融金属がノズル２５３まで流れるときに通る排出端２５１ｂを有している。ノズルを２５３の周りの内側通路２５１の一部分２５５は、溶融金属が蓄積することを許容し、この蓄積は、ノズル２５３の温度を溶融金属のるつぼの温度近くに維持するために使用される。
【０１００】
１つの実施の形態において、熱遮蔽体及び（又は）ヒータ２５４がノズル２５３から隔てられ且つ、該ノズル２５３の周りに配置されて、ノズルを機械的に保護し、また、ノズルからの熱損失を減少させる。ノズル２５３はるつぼの開口７００を通り、また、集中的な溶融金属の流れを提供し得る設計とされた排出開口を有している。１つの形態において、溶融金属の流れは実質的に垂直に排出されるが、代替的な実施の形態において、流れはその他の相対的な方向に排出される。１つの実施の形態において、排出開口は、約３．１７５ｍｍ（約０．１２５インチ）の直径を有するが、その他の寸法とすることも考えられる。更に、ノズルは、溶融金属の排出が完了する毎に、それ自体にてパージする点にて自己洗浄型である。より具体的には、１つの実施の形態において、ノズル２５３は、鋭角な端部２５３ａを有している。
【０１０１】
溶融金属の分与システム１２５の構造は、複数の鋳込み口充填穴２５２が形成された外側部材２５７と、該外側部材から隔てられた内側部材２５６とを有することが好ましい。内側部材２５６及び外側部材２５７は、アルミナ又はその他の焼結可能なセラミックにて形成され、外側部材は等間隔に隔てられた４つの鋳込み口充填穴２５２を有することが好ましいが、鋳込み口の穴のその他の数及び間隔とすることも考えられる。内側部材及び外側部材はるつぼ１２２の基部に結合されている。より好ましくは、分与システム１２５は、一端にて閉じられた第一の立ち上がり外管２５７と、該外管から内方に隔てられた第二の立ち上がり内管２５６とを画成する。内管２５６及び外管２５７は、るつぼ１２２の底部壁部材７０１に結合され且つ、開口７１０の周りに配置されている。１つの好ましい実施の形態において、内管２５６は、所定の量の溶融金属を内部に保持する計測供給キャビティを画成する。
【０１０２】
図５２ａを参照すると、溶融金属の分与システムの１つの代替的な実施の形態が示されている。溶融金属の分与システム６５０は、機械的ハウジング／るつぼ６５１内に配置されている。機械的ハウジングは、溶融金属を内部に受け入れ得るようにされた内部容積６５２を有している。溶融金属の分与システムは、通路６５４が形成された部材６５３を有している。通路６５４の一端には、溶融金属鋳込み口６５５があり、他端には、溶融金属出口がある。１つの代替的な実施の形態において、溶融金属分与システムの一部分のみが溶融金属が配置される内部容積内に配置されている。屈曲部分６５５が通路６５４内に画成されている。溶融金属は通路６５４に入り且つ、通路を通ってハウジング６５１内の溶融金属の高さまで流れる。機械的ハウジング内の溶融金属に圧力を加えたとき、溶融金属は、屈曲部分６５５まで駆動され、通路６５４を通って溶融金属出口まで続き且つ、排出される。１つの形態において、溶融金属は、矢印Ａで示した第一の方向に向けて屈曲部分６５５まで流れ且つ、屈曲部分６５５から矢印Ｂで示した第二の方向に流れる。溶融金属鋳込み口６５５は、内部容積内で溶融金属の表面６７０の下方に配置される。１つの実施の形態において、溶融金属の分与システムは、一体的に形成される。
【０１０３】
溶融金属の分与システム６５０の１つの好ましい形態において、通路は、屈曲部分と合わさって実質的にＵ字形の通路を形成する実質的な立ち上がり部分を有する。更に、屈曲部分は機械的ハウジング／るつぼ６５１内で溶融金属の高さよりも上方にあることが好ましい。１つの形態において、通路の一部分は、溶融金属の鋳込み口と溶融金属の出口との間にて断面積が変化する。より好ましい形態において、屈曲部分の前方の通路の少なくとも一部分は、テーパー付きとされ、より好ましくは、截頭円錐形の形状を有する通路を画成するようにする。１つの実施の形態において、通路６５４は、該通路と流体的に連通する状態に配置された通気口７００を有している。しかし、１つの代替的な実施の形態において、通路は、該通路と接続された通気口７００を備えていない。通気口は通路を通気し且つ、通路を加圧流体にてパージングするのを許容するために利用される。本発明は、溶融金属の分与システムの構成要素に対し、その他の幾何学的形状及び寸法とすることを考える。
【０１０４】
図５３Ａないし図５３Ｅを参照すると、溶融金属の分与システム１２５の１つの実施の形態から溶融金属を分与する過程が示されている。非溶融金属材料１３７がるつぼ１２２内に前進すると、金属は溶融され且つ、ある量の溶融金属１２４を形成する。溶融金属１２４は、複数の充填開口２５２を通ってシステム１２５の外側通路２５０内に流れる。非溶融金属ストック１３７がるつぼ内に連続的に前進し且つ、その後に溶融すると、るつぼ１２２内の溶融金属の高さＨは内側通路２５１の供給端２５１ａの高さまで上昇する。内側通路／計測供給チャンバ２５１を溶融金属にて充填するためには、チャンバ内の溶融金属１２４に追加的な力を加えることが必要である。
【０１０５】
非溶融金属材料１３７をるつぼ内の量の溶融金属内に続けて前進させることにより、追加的な力を加えることができる。るつぼ内の溶融金属１２４に加わる圧力を上昇させる第二の方法は、加圧された不活性気体を溶融合金の表面に対し導入することである。溶融金属に加わる追加的な力により、溶融金属は充填開口２５２を通じて連続的に流れる。その後、溶融金属は、外側通路２５０から内側通路の供給端２５１ａに溢れ出る。充填開口２５２はノズル２５３よりも著しく多量の材料の流入量を内側通路から排出することができるような寸法とされているから、内側通路の充填は比較的迅速な過程である。内側通路２５１が溶融金属にて実質的に充填されたとき、表面１２４ａに加わる圧力を除去し、内側通路２５１が最早、外側通路２５０から溶融金属を受け取らず、内側通路は、その溶融金属の装入分を集中的な流れにてノズル２５３を通じて排出する。
【０１０６】
溶融金属の分与システムの１つの実施の形態において、ノズルからの溶融金属の最初の流れを検知し得るようにセンサ８００（図５３Ｄ）がノズル２５３に近接して配置されている。ノズル２５３からの溶融金属の最初の流れを検知したとき、センサは、溶融金属の表面１２４ａから追加的な圧力が除去されるようにする信号を送る。１つの実施の形態において、信号は、溶融金属に対する圧力の付与を制御するコントローラに送られる。ノズル２５３からの僅かな溶融金属の排出を早期に表示することは、充填開口２５２の全体寸法とノズル開口との差に起因して、内側通路２５１の充填の完了と実質的に同時に行われる。１つの実施の形態において、充填開口２５２を通じての材料の流入は、ノズル開口を通って出る材料の流出量よりも著しく多量である。
【０１０７】
図５４を参照すると、時間の関数として溶融金属の圧力が表示されている。図３６に示した１つの実施の形態において、ノズル２５３は、充填管５２の鋳込み口７８と流体的に連通している。次に、チャンバ１１７内の圧力を上昇させ又はチャンバ１１８内の圧力を降下させることの何れかにより、溶融金属の流れを開始させることができる。チャンバ１１８内の圧力を降下させることは、鋳型の内部キャビティを真空圧にし且つ、これにより残留する粉体のようなルーズな材料を除去し及び（又は）鋳型の気体量を減少させ、アルミニウム、チタン及びハフニウムのような反応性元素を保護する機能を果たすことができる。更に、チャンバ１１７内の圧力の上昇は、鋳型キャビティ内の細部を充填することを助ける。チャンバ１１７内の高圧を使用して多くの材料中の反応を抑制し且つ、凝固に起因する収縮を減少させることができる。
【０１０８】
図５５を参照すると、鋳造後の工程が行われるように炉８０１内に配置されたガスタービンエンジン翼３０が示されている。単結晶及び（又は）柱状粒子鋳造品に対する鋳造後の処理工程は、熱間等静圧圧縮工程、均質化工程及び急冷工程を含む。熱間等静圧圧縮工程は、構成要素３０を炉８０１内に配置し、構成要素に高温度及び圧力を加えて鋳造構造体から孔を除去するステップを含む。１つの実施の形態において、熱間等静圧圧縮法は、約１３０１．６７ないし１３１５．５６℃（約２３７５ないし２４００°Ｆ）の温度及び平方インチ当たり約３０，０００ｌｂｓの圧力にて行われる。圧力は、アルゴンのような不活性気体により付与されることが好ましい。図５５を参照すると、圧力は矢印８０２で示し、温度は矢印８０３で示されている。
【０１０９】
熱間等静圧圧縮工程の後、構成要素に対し均質化工程を行い、この均質化工程は、凝固過程の間、分離するであろう要素間に拡散を生じさせ且つ、鋳造構造体の早期の融点を上昇させる設計とされている。均質化サイクルは、構成要素に対し急冷ステップを行い、その後に、焼鈍工程を行うことで終了する。
【０１１０】
本発明の１つの実施の形態において、３つの鋳造後の工程は組み合わされて炉８０１内の連続的な過程となる。熱間等静圧圧縮工程は、鋳造品の多孔度を減少させるように、ある時間、炉８０１内の温度を及び圧力を上昇させることで炉８０１内で行われる。その後、炉８０１内の温度を構成要素３０を形成する金属の初期融点の約−３．８８９℃（約２５°Ｆ）の範囲の値まで上昇させる。好ましくは、炉８０１内の温度は、ある時間、材料の融点の−１５．００℃（５°Ｆ）の範囲まで上昇させるものとする。均質化工程の完了後、低温の不活性気体を炉８０１内に高圧移送することにより急冷工程が行われる。鋳造構成要素の熟成は真空圧又は所望の圧力にて続行することができる。
【０１１１】
鋳造工程の１つの好ましい形態は、約２５４．００ｃｍ／時（約１００インチ／時）以内の率、より好ましくは、約１５２．４００ｃｍ／時（約６０インチ／時）の率にて単結晶が成長することを可能にする。しかし、その他の成長率とすることも考えられる。これらの率にて、結晶を成長させる能力は、より遅い凝固過程の間、生ずる合金中の元素の析出を最小にする。合金中の元素の析出が低下するため、鋳造後の工程の均質化サイクルは、約２４時間以内にて行うことができ、より好ましくは、約２時間にて行われるものとする。高熱勾配及び比較的短い開始種を利用する結果、より迅速な加工、改良された疲労特性を与える低収縮率及びより高応力破裂強度を促進する低い析出となる。
【０１１２】
図５６を参照すると、金属柱状粒子開始種９００が示されている。開始種９００は、指向性凝固した柱状粒子構成要素９０１を成長させる設計とされている。開始種９００は、鋳造構成要素にて複製することが望ましい極めて微細な粒子９０２を有している。金属開始種９００のこの厳格に方位決めされた結晶構造は、この構造を鋳造構成要素に付与するために使用される。
【０１１３】
図５７を参照すると、溶融金属の鋳造鋳型４５内に排出し得るよう配置されたノズル２５３を有する鋳造装置１４０が示されている。鋳造装置１４０は、図３６に示した鋳造装置と同一である。しかし、１つの形態において、鋳造鋳型４５は、上述した立体リソグラフィ法により形成され、追加的な材料によって補強又は裏当てされない薄いシェルの設計のものである。しかし、本発明は、鋳造鋳型がその他の製造技術にて製造されるその他の実施の形態とすることも考えられる。上述したように、本発明は、一体型の中子を有する一体型鋳型及び分離可能な中子及びシェル鋳型を有する非一体型の鋳造鋳型システムの双方とすることも考える。全体として強化した鋳型システムの１つの形態にて利用される薄いシェルセラミック鋳造鋳型は、約１．５２４ｍｍ（約０．０６０インチ）以下の肉厚を有し、より好ましくは、約０．３８１ｍｍないし約１．５２４ｍｍ（約０．０１５インチないし約０．０６０インチ）の範囲の肉厚を有し、最も好ましくは、約０．５０８ｍｍ（約０．０２０インチ）の肉厚を有するものとする。しかし、肉厚は上記の値に特に限定されるものではないことが分かる。
【０１１４】
非支持又は非強化形態において、薄いシェルセラミック鋳造鋳型を利用する場合、厚さは、約０．５０８ｍｍないし約２．０３２ｍｍ（約０．０２０インチないし約０．０８０インチ）の範囲にあることが好ましい。より好ましい肉厚の範囲は、約０．５０８ｍｍないし約１．２７ｍｍ（約０．０２０インチないし約０．０５０インチ）の範囲にあり、１つの実施の形態において、肉厚は、約１．１４３ｍｍ（約０．０４５インチ）である。薄いシェルセラミック鋳造鋳型は、理論的密度となるように焼結されることが好ましい。
【０１１５】
薄いシェルの鋳造鋳型４５は、絶縁材料にて裏当てされず且つ、熱応答性であることが好ましい。本発明の１つの形態において、薄いシェルセラミック鋳造鋳型は、数分以下の時間で、周囲の室温から所望の鋳造温度まで加熱される。より具体的には、１つの実施の形態において、アルミナ鋳型は、予加熱炉内で室温から１４００℃まで加熱し、次に、溶融金属をその内部で鋳造した。ガスタービンエンジン構成要素を鋳造するための所望の温度に達するまでの時間は１分以下であった。本発明の１つの形態において、望ましい鋳造温度は、約９８２．２２２℃ないし約１６４８．８９℃（約１８００°Ｆないし約３０００°Ｆ）の温度範囲にある。しかし、本発明は、その他の温度及び温度範囲とすることを考え、反対の特段の記載がない限り、上記の値に限定することを意図するものではない。
【０１１６】
次に、薄いシェルセラミック鋳造鋳型を冷却して、非限定的に、等軸、指向性凝固及び（又は）単結晶を含む、任意の型式の顕微鏡組織を有する鋳造品を形成することができる。本発明の１つの好ましい形態において、薄いシェルセラミック鋳造鋳型に対し、単結晶又は指向性凝固した顕微鏡組織を形成するのに適した熱勾配を加える。本発明の１つの形態において、熱勾配は、約６５．５５６度／２５．４ｍｍ（約１５０°Ｆ／インチ）ないし、約２８７．７７８℃／２５．４ｍｍ（約５５０°Ｆ／インチ）の範囲にある。本発明の別の形態において、熱勾配は、約２８７．７７８℃／２５．４ｍｍ（約５５０°Ｆ／インチ）以上である。しかし、本発明は、これらの勾配に限定することを意図するものではなく、その他の熱勾配とすることも考えられる。更に、非支持／非裏当て形態における薄いシェルセラミック鋳造鋳型の１つの形態は、約７６．２ｍｍないし約６０９．６ｍｍ（約３ないし約２４インチ）ニッケル範囲の溶融金属の圧力に耐えることができる。薄いシェルセラミック鋳型の実施の形態は、顕著な／有害な亀裂を形成せずに、上記の溶融金属の出口圧力及び冷却勾配に耐えるような設計とされている。しかし、その他の溶融金属の圧力に耐えることのできる薄いシェルセラミック鋳造鋳型を使用することも考えられる。
【０１１７】
図５８を参照すると、鋳込みるつぼ１２２内に配置された金属補給るつぼ２００１を有する鋳造装置２０００が開示されている。１つの形態において、金属の補給るつぼ２００１から鋳込みるつぼ１２２までの溶融金属の移送は、補給るつぼ２００１及び鋳込みるつぼ１２２に加えられる圧力差によって制御される。１つの好ましい形態において、圧力差は、真空圧の差によって規定される。補給るつぼに対する鋳込みるつぼに加えられる真空圧の差は、弁２００２を通じて吸引される真空圧を増大させ及び（又は）弁２００３を通じて補給るつぼに加えられる真空圧を減少させ及び（又は）弁２００３を通じて正圧を加えることにより、減少させることができる。チャンバ２０１０内の真空圧の相対的な上昇を利用して溶融金属をるつぼ１２２内に移送することができる。弁２００２、２００３は、真空圧を発生させることのできる真空源（図示せず）に結合される。１つの好ましい形態において、チャンバ２０１０内の真空圧は、約１９．９９８Ｐａ（約１５０ミリトル）以下であり、より好ましくは、約０．１３３３Ｐａないし約１３．３３２Ｐａ（約１ミリトルないし約１００ミリトル）の範囲にあるものとする。しかし、その他の圧力値とすることも考えられる。
【０１１８】
図５９ないし図６１を参照すると、溶融金属を鋳込み及び（又は）溶融金属が凝固する間、鋳造鋳型を取り扱うシステム２９９９が示されている。システム２９９９及びその関係した使用方法に関し、立体リソグラフィ法により形成された薄いシェルセラミック鋳型４５について説明する。しかし、本発明のシステムは、反対の特段の記載がない限り、その他の型式及び厚さの鋳造鋳型に適用可能である。システム２９９９の１つの好ましい実施の形態は、セラミック立体リソグラフィ法により製造された薄いシェルセラミック鋳型を利用する。本発明のシステム２９９９の１つの形態において、熱キャリア３０００は、所望の材料を加工し且つ、凝固した部品にて所望の顕微鏡組織を得るのに適した所定の温度まで加熱する。熱キャリア３０００は、真空炉３００１内で誘導加熱されることが好ましい熱質量体を画成する。熱キャリア３０００を加熱する方法は、誘導加熱に限定されず、非限定的に、抵抗加熱及び収束エネルギ源をも含むことができる。熱質量体３０００に対して考えられる材料は、炭素、タングステン、アルミナ、モリブデン、炭素複合材の高温度セラミック及び耐火性金属を含む。
【０１１９】
熱キャリア３０００は、鋳造鋳型４５を内部に受け入れ得るようにされた内部容積３００３を有している。鋳造鋳型４５は、内部容積３００３内に嵌まり且つ、壁部材３００７から隔てられている。本発明の１つの好ましい形態において、鋳造鋳型４５は、非裏当て／非支持の薄いシェルセラミック鋳造鋳型である。しかし、その他の型式の鋳造鋳型とすることが考えられる。１つの実施の形態において、熱キャリア３０００は、１つの開放端３００４及び１つの閉塞端３００５を有する管である。しかし、１つの代替的な実施の形態において、管は、一端にて一体的に閉じられておらず、鋳型トレー／移送機構と当接する。熱キャリアに関し本明細書にて使用した管という語は、中空の内部キャビティを有する部材を規定するものであり、特段の記載がない限り、円筒状構造体に限定することを意図するものではない。本発明の１つの好ましい形態において、熱キャリア３０００は、一端に一体型の底部材３００６を有し、他端にキャップを有する円筒状管である。１つの形態において、熱キャリア３０００は、鋳型の長さに実質的に適合する長さを有する。１つの形態において、熱キャリア３０００は、約１５２．４ｍｍ（約６インチ）の長さ及び約７６．２ｍｍ（約３インチ）の内径を有する。熱キャリア３０００は、真空圧内で約１６４８．８９℃（約３０００°Ｆ）以内の温度まで受け入れることができる設計とされている。
【０１２０】
絶縁性部材３００８は、熱キャリア３０００の外面の周りに配置される。絶縁性部材３００８は、熱キャリア３０００を絶縁し且つ、熱を実質的に熱キャリア３０００内に維持する機能を果たす。絶縁性材料は、全体として、熱キャリア３０００の化学的性質に適合し且つ、所望の温度に耐えるように選ばれる。多岐に亙る絶縁システムの例は、輻射遮蔽体／反射器、熱ブランケット、絶縁性材料、熱質量体及び排気した絶縁システムを含む。１つの好ましい絶縁性材料は、多孔質アルミナである。１つの形態において、絶縁性部材３００８は、約２５．４ｍｍ（約１インチ）の厚さを有するが、その他の厚さとすることが考えられる。更に、絶縁性部材は、熱キャリアの周りにルーズに滑り嵌めし得るような寸法とされている。熱キャリア３０００の外面３０１０は、絶縁性部材の内面３０１１の内方に配置されている。
【０１２１】
溶融金属を鋳込み及び（又は）凝固させる間に鋳造鋳型４５を取り扱うシステム２９９９について説明したが、次に、その１つの使用方法について説明する。熱キャリア３０００は、炉３００１内に配置され且つ、所定の温度まで加熱される。１つの好ましい形態において、炉は、真空炉である。１つの形態において、温度は、約１４２６．６７℃ないし約１６４８．８９℃（約２６００°Ｆないし約３０００°Ｆ）の範囲にあるが、その他の温度とすることも考えられる。熱キャリア３０００の加熱が完了した後、絶縁性部材３００８を熱キャリア３０００の外面の周りに配置する。本発明の１つの形態において、絶縁性部材３００８は、熱キャリア３０００の外面上に押す。鋳造鋳型４５を熱キャリアの内部容積３００３内に配置する。次に、内部に鋳造鋳型４５を有する、鋳造鋳型を取り扱うシステム２９９９を所要位置に動かして溶融金属を溶融金属の送り込み装置から送り込む。本発明の１つの形態において、システム２９９９は、上述した精密鋳込み金属送り込みシステムの１つから溶融金属を受け取るように配置される。しかし、当該過程は、特段の記載がない限り、上述した鋳込みシステムの１つを利用することにのみ限定されず、多くのその他の型式の溶融金属送り込みシステムと共に使用するよう適用可能である。溶融金属は、溶融金属分与システムから鋳造鋳型４５内に分与され、その後、凝固が開始する。
【０１２２】
本発明の１つの形態において、鋳造鋳型４５は、熱キャリア３０００内に配置する前に、予加熱される。本発明の別の形態において、鋳造鋳型４５は、熱キャリア３０００内に配置され且つ、熱キャリアを加熱する過程の間、加熱される。本発明の更に別の形態において、鋳型４５は、溶融金属がその内部に鋳込まれる前に、雰囲気温度から予加熱されることはない。鋳型内に鋳込んだ過熱した金属からのエネルギの移送は、鋳型４５を加熱することとなる。過熱した金属からのエネルギは、鋳型の壁を通って伝わり該金属の壁を加熱する。更に、鋳型の壁から伝わるエネルギは、反射面により反射されて戻り鋳型の加熱を続行する。１つの好ましい形態において、鋳込み点における過熱した金属は、金属材料の溶融温度プラス２０４．４４４℃（４００°Ｆ）の値にほぼ等しい温度を有する。
【０１２３】
図６１を参照すると、鋳造鋳型４５内にて溶融金属を凝固させるシステム２９９９の１つの実施の形態が示されている。本発明の１つの形態において、溶融金属を有する鋳造鋳型４５は、比較的低温度の機械的ハウジング３１００内に配置される。
【０１２４】
相対的に低い温度は、１３１５．５６℃（２４００°Ｆ）以下、より好ましくは、約３７．７８℃（約１００°Ｆ）以下であるものとする。しかし、機械的ハウジング３１００内にてその他の温度とすることが考えられる。所望の顕微鏡組織を発生させる熱勾配を形成するため、システム２９９９及び鋳造鋳型４５を互いに動かす。図６１に示した過程において、システム２９９９は、鋳造鋳型４５から引き出される。しかし、図６１ａに示した１つの代替的な形態において、鋳造鋳型４５を静止システム２９９９に対し動かす。システム２９９９と鋳造鋳型４５との間の相対的動きは、熱勾配が凝固する金属を通じて動き且つ、所望の顕微鏡組織を生じさせることを可能にする。図面は、垂直方向への動きを示すが、その相対的動きは、非限定的に、水平方位を含むその他の方向に行われるようにすることが考えられる。
【０１２５】
図６２を参照すると、熱勾配を鋳造鋳型４５内で凝固する金属を通じて動かす別のシステムが示されている。熱キャリア３０００は、その内部容積３００３が鋳造鋳型４５を内部に受け入れ得るような寸法とされている。内側断熱スリーブ３０１５は、内部容積内を前進し、熱キャリア３０００から鋳造鋳型４５への熱伝導を減少させ得るようにされている。内側断熱スリーブ３０１５が熱キャリア３０００内にて前進すると、熱勾配は凝固する溶融金属を通じて動く。このシステム内の熱キャリアは、システム２９９９内にあるときと同様に、所定の温度まで加熱され、鋳造鋳型４５は、その内部に配置される。鋳造鋳型４５には、溶融金属送り込みシステムからの溶融金属にて充填され、その後、内側断熱スリーブ３０１５を熱キャリア３０００と鋳造鋳型４５との間に導入することにより、指向性制御された凝固が開始する。図６２には、垂直方向への相対的動きが示されているが、特段の記載がない限り、動く方向に対し何ら制限することを意図するものではない。
【０１２６】
図６３及び図６４を参照すると、その内部に配置された１つの代替的な実施の形態による溶融金属分与システム４０００を有するるつぼ１２２が示されている。るつぼ１２２は、溶融金属が通るための開口７００を有している。溶融金属の分与システム４０００は、互いに及びるつぼ１２２と流体的に連通した外側通路４２５０及び内側通路４２５１を有している。複数の充填開口４２５２は、るつぼ１２２内の溶融金属がシステム４０００の外側通路４２５０内に流入するのを許容する。外側通路４２５０が溶融金属にて充填されたならば、溶融金属は、内側通路４２５１の供給端４２５１ａ内にあふれ出ることができる。内側通路４２５１は、溶融金属が内側ノズル４２５３から流れ出るときに通る排出端４２５１ｂを有している。外側通路４２５０内の溶融金属は、内側ノズル４２５３を取り巻き且つ、鋳込む間、内側ノズル４２５３を熱い状態に保つ機能を果たす。内側ノズル４２５３を熱い状態に保つ能力は、金属が凝固し及びその後に鋳込む間に、ノズルが詰まるのを防止する。
【０１２７】
通路４２６０は、内側ノズル４２５３を流れ連通状態にあり且つ、集中した溶融金属の流れを送り込む機能を果たす。溶融金属の分与システム４０００は、溶融金属にて充填し得るようにされた外側リザーバ４２７０を有している。本発明の１つの好ましい実施の形態において、外側リザーバ４２７０は、二重構造体内に画成されている。外側リザーバ４２７０は、システム４０００の周りで周方向に且つ、充填開口と端部４３００との間を顕著な長さに沿って伸びることが好ましい。最初に溶融金属の分与システム４０００を充填する間、溶融金属は、充填開口部４３０１を通って流れ、外側リザーバ４２７０を溶融金属にて充填する。溶融金属は、外側リザーバ４２７０内に留まり、鋳込む間、内側ノズル４２５３を熱い状態に保ち且つ、溶融金属分与システム４０００の長さに亙って実質的に一定の温度を保つ。更に、本発明の１つの形態において、外側リザーバ４２７０内の溶融金属は、気体の流れに対する実質的な障壁を提供する機能を果たし、このため、密封／障壁機能を提供する。１つの実施の形態において、複数の充填開口４２５２の全鋳込み口面積は、ノズル４２５３の面積よりも大きい。このため、溶融金属は、外側通路４２５０内に蓄積し且つ、内側通路４２５１及び外側リザーバ４２７０内にあふれ出ることができる。１つの形態において、溶融金属の流れは、実質的に垂直に排出されるが、代替的な実施の形態において、流れは、その他の相対的な方向に排出される。溶融金属分与システム４０００は、鋳込む間、柱状の溶融金属を安定的に中断せずに供給することを可能にする。
【０１２８】
溶融金属分与システム４０００の構造は、複数の鋳込み口充填穴４２５２が形成された外側部材４２５７と、該外側部材から隔てられた内側部材４２５６とを有することが好ましい。内側部材４２５６及び外側部材４２５７は、アルミナ又はその他の焼結可能なセラミックにて形成されることが好ましく、１つの実施の形態において、外側部材は、等しく隔てられた約３ないし約６つの鋳込み口充填穴４２５２を有するが、鋳込み口穴のその他の数及び間隔とすることが考えられる。より好ましくは、分与システム４０００は、一端にて閉じられた第一の立ち上がり外管４２５７と、該外管から隔てられた第二の立ち上がり内管４２５６とを画成する。第一の立ち上がり管４２５７及び第二の立ち上がり管４２５６は、複数の支え材４３０１によって互いに結合されている。更に、床４２６１は、外管４２５７及び内管４２５６と一体的に結合されている。１つの好ましい実施の形態において、内管４２５６は、所定の量の溶融金属をその内部に保持する計測供給キャビティを画成する。
【０１２９】
溶融金属の分与システム４０００は、上述したセラミック立体リソグラフィ法のような、自由形態の製造技術に適合可能な設計とされている。溶融金属の分与システム４０００の１つの好ましい形態は、一体的に形成されたセラミック構成要素である。立体リソグラフィ法にて製造するための更なる設計において、システム４０００の構築中に捕捉される容積を解消し又は最小にするため床４２６１に形成された複数のドレーン穴が設けられる。ドレーン穴は、その後、溶融金属を鋳型内に導入する前に、塞がれる。図６３及び図６４の実施の形態において、ドレーン穴は、組立体が接着剤によりるつぼ１２２に結合されたときに塞がれる。本発明は、鋳型内の必要に応じたその他の位置にドレーン穴を設け、材料を捕捉された容積から除去することを可能にすることを考える。更に、床４２６１は、セラミック立体リソグラフィ法にて構築することがより困難である水平面を最小にし得るように傾斜させてある。本発明の別の形態において、溶融金属の分与システム及びるつぼは、一体的に形成される。更に、溶融金属分与システム４０００は、その他の自由形態の製造技術により形成し及び（又は）互いに機械的に結合される構成要素にて製造することができる。本明細書にて、金属的及び金属という語は、反対の特段の記載がない限り、合金、超合金、元素金属、耐火性金属及び異種金属である材料を含むため利用する。
【０１３０】
本発明は、図面及び上記の説明にて詳細に示し且つ記述したが、これは、単に一例であり、特徴を限定するものではなく、好ましい実施の形態のみを示し且つ記載したものであり、本発明の精神に属する全ての変更及び変更形態が保護されれることを望むものであることが理解される。上記の説明にて、好ましい、好ましくは又は好まれるという語を使用することは、そのように説明した造作部であることがより望ましいことを示すが、それは、不必要なこともあり、それを欠く実施の形態が本発明の範囲に属すると考えることができ、本発明の範囲は、特許請求の範囲により画成される。特許請求の範囲を読むにあたり、「１つ」、「少なくとも１つ」、「少なくとも一部分」というような語が使用されるとき、特許請求の範囲に反対の特段の記載がない限り、請求項を１つの物品にのみ制限することを意図するものではないことが理解される。更に、「少なくとも一部分」及び（又は）「一部分」という語が使用されるとき、物品は、反対の特段の記載がない限り、物品の一部分及び（又は）全体を含むことができる。
【図面の簡単な説明】
【０１３１】
【図１】ガスタービンエンジンの説明図である。
【図２】図１のガスタービンエンジン内のガスタービンエンジン翼の斜視図である。
【図３】図２のガスタービンエンジン翼の一部分を備える内部冷却通路の１つの実施の形態を示す平面図である。
【図４】薄い外壁を有する鋳造翼型の１つの実施の形態を示す断面図である。
【図５】鋳造多数壁構造体の１つの実施の形態を示す図である。
【図６】本発明の１つの面による過程にて製造された前縁を有する大気／宇宙空間乗物の１つの実施の形態を示す図である。
【図７】鋳造弁体の１つの実施の形態を示す図である。
【図８】開始種から樹状晶へ成長する状態の図である。
【図９】本発明の１つの実施の形態による鋳造鋳型の一部分を示す説明図である。
【図１０】本発明の別の実施の形態による鋳造鋳型の一部分を示す説明図である。
【図１１】構築サイクルが実質的に完了したときの図１０の鋳造鋳型を示す説明図である。
【図１２】鋳造鋳型システムに対する構築ファイルを形成する１つの方法に対する１つの実施の形態を示すフローチャートである。
【図１３】立体リソグラフィ法により製造される図１０の鋳造鋳型の説明図である。
【図１４】拡大した層状構築構造体の層を画成する境界を有する図１０の鋳造鋳型を示す説明図である。
【図１５】図１４の層状構築構造体の一部分を示す拡大図である。
【図１６】図１０の鋳造鋳型の一部分を備える壁構造体の１つの代替的な実施の形態を示す説明図である。
【図１７】図１０の鋳造鋳型の一部分を備える壁構造体の１つの代替的な実施の形態を示す説明図である。
【図１８】図１０の鋳造鋳型の一部分を備える中子の１つの代替的な実施の形態を示す説明図である。
【図１９】図１０の鋳造鋳型の一部分を備える中子の１つの代替的な実施の形態を示す説明図である。
【図２０】本発明による鋳造鋳型の１つの代替的な実施の形態を示す説明的断面図である。
【図２１】図２０の鋳造鋳型の斜視図である。
【図２２】図２０の鋳造鋳型の線２２−２２に沿った断面図である。
【図２３】本発明による鋳造鋳型の別の実施の形態を示す説明的断面図である。
【図２４】未加工セラミック鋳型を焼結する炉内の鋳造鋳型の概略図である。
【図２５】頂部部材を更に備える、本発明の１つの実施の形態に従って自由形態にて製造された一体型鋳造鋳型の図である。
【図２６】図２５の一体型鋳造鋳型が内部に配置された鋳型容器の部分的に分節化した図である。
【図２７】加熱リングを更に備える、図２６の鋳型容器の１つの代替的な実施の形態を示す部分的に分節化した図である。
【図２８】線２８−２８に沿った図２７の断面図である。
【図２９】ヒータを更に有する、図２７の鋳型容器の１つの代替的な実施の形態を示す断面図である。
【図３０】非接合材料を鋳造鋳型から除去するシステムの図である。
【図３１】非接合材料を鋳造材料から除去する図３０のシステムの１つの実施の形態を示す説明図である。
【図３２】本発明の鋳造システムの１つの実施の形態を示す説明図である。
【図３３】本発明の１つの構成要素を鋳造する鋳造装置の１つの実施の形態を示す説明的断面図である。
【図３４】図３３の鋳造装置の説明的平面図である。
【図３５】本発明の１つの構成要素を鋳造する鋳造装置の１つの代替的な実施の形態を示す説明的断面図である。
【図３６】本発明の１つの構成要素を鋳造する鋳造装置の１つの代替的な実施の形態を示す説明的断面図である。
【図３７】本発明の１つの構成要素を鋳造する鋳造装置の１つの代替的な実施の形態を示す説明的断面図である。
【図３８】開始種によりエネルギを伝導する熱伝導装置の１つの実施の形態を示す説明的斜視図である。
【図３９】開始種を加熱する電気的手段を更に備える、図３８の熱伝導装置を示す説明的斜視図である。
【図４０】鋳型容器内に配置された開始種によりエネルギを伝導する熱伝導装置の１つの代替的な実施の形態を示し、装置が開放位置にあるときの説明的断面図である。
【図４１】図４０の熱伝導装置が閉じた位置にあるときの説明的断面図である。
【図４２】鋳造鋳型内の開始種によりエネルギを伝導する熱伝導装置の１つの代替的な実施の形態を示す説明的断面図である。
【図４３】鋳造鋳型内の開始種によりエネルギを伝導する熱伝導装置の１つの代替的な実施の形態を示す説明的断面図である。
【図４４】鋳造鋳型から熱を除去する熱伝導装置の１つの代替的な実施の形態を示す説明的断面図である。
【図４５】図４４の熱伝導装置の斜視図である。
【図４６】４６Ａは、金属開始種を内部に有する鋳造鋳型の一部分の説明図である。４６Ｂは、図４６Ａの線４６−４６に沿った説明的断面図である。
【図４７】４７Ａは、金属開始種の１つの実施の形態を示す説明的斜視図である。４７Ｂは、ある量の溶融金属がその上を通過した後の図４７Ａの金属開始種を示す説明的斜視図である。４７Ｃは、ある量の溶融金属がその上を通過した後の図４７Ｂの金属開始種を示す説明的斜視図である。
【図４８】本発明の開始種の１つの代替的な実施の形態を示す説明図である。
【図４９】貫通する通路を有する本発明の開始種を示す説明図である。
【図５０】鋳造装置内に配置された溶融金属の送り込みシステムの１つの代替的な実施の形態を示す説明的断面図である。
【図５１】鋳造装置内に配置された溶融金属の送り込みシステムの１つの代替的な実施の形態を示す説明的断面図である。
【図５２】図３３の溶融金属の送り込みシステムの拡大図である。５２ａは、溶融金属の送り込みシステムの１つの代替的な実施の形態を示す説明図である。
【図５３】５３Ａは、第一の段階にある図５２の溶融金属の送り込みシステムを示す説明図である。５３Ｂは、第二の段階にある図５２の溶融金属の送り込みシステムを示す説明図である。５３Ｃは、第三の段階にある図５２の溶融金属の送り込みシステムを示す説明図である。５３Ｄは、第四の段階にある図５２の溶融金属の送り込みシステムを示す説明図である。５３Ｅは、第五の段階にある図５２の溶融金属の送り込みシステムを示す説明図である。
【図５４】時間と共に変化する装入圧力の過程のグラフ図である。
【図５５】ある圧力及び温度環境内における図２のガスタービンエンジン翼の説明図である。
【図５６】指向性凝固した多結晶製品を形成する溶融金属凝固が行われた、指向性凝固した開始結晶を示す説明図である。
【図５７】溶融金属を薄いセラミック鋳造鋳型内に送り込み得るようにされた本発明による鋳造装置の１つの実施の形態を示す説明図である。
【図５８】代替的な金属補給システムを備える本発明の鋳造装置を示す説明図である。
【図５９】機械的ハウジング内で加熱される熱応答性鋳型キャリアの説明図である。
【図６０】外側熱絶縁スリーブを有する熱応答性鋳型キャリアの説明的断面図である。
【図６１】鋳型と熱鋳型キャリアとの間の相対的な動きにより鋳造鋳型内で溶融金属を凝固させる過程を示す説明図である。６１ａは、鋳型を熱鋳型キャリアに対して動かすことにより鋳造鋳型内の溶融金属を凝固させる過程の別の実施の形態を示す説明図である。
【図６２】熱応答性鋳型キャリアが、金属が凝固する間、熱勾配を形成し得るように可動である絶縁性管を備える１つの代替的なシステムの説明図である。
【図６３】本発明の金属送り込みシステムの１つの代替的な実施の形態を示す説明的断面図である。
【図６４】図６３の金属送り込みシステムの一部分を備える鋳込みノズルの拡大図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
2005523819.tif 000031
【図３０】
2005523819.tif 000032
【図３１】
2005523819.tif 000033
【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６Ａ】
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【図４６Ｂ】
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【図４７Ａ】
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【図４７Ｂ】
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【図４７Ｃ】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５２ａ】
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【図５３Ａ】
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【図５３Ｂ】
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【図５３Ｃ】
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【図５３Ｄ】
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【図５３Ｅ】
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【図５４】
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【図５５】
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【図５６】
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【図５７】
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【図５８】
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【図５９】
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【図６０】
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【図６１】
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【図６１ａ】
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【図６２】
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【図６３】
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【図６４】
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【手続補正書】
【提出日】平成16年12月28日(2004.12.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳造構成要素を製造する方法において、
セラミック充填樹脂の光重合化によって、約１．５２４ｍｍ（約０．０６０インチ）以下の肉厚を有する薄いシェルセラミック鋳造鋳型を形成するステップと、
シェルセラミック鋳造鋳型に対し追加的な支持体を提供せずに、溶融金属を薄いシェルセラミック鋳造鋳型内に鋳込むステップと、
薄いシェルセラミック鋳造鋳型内の溶融金属を通じて熱勾配を動かして凝固させて、単結晶又は指向性凝固した顕微鏡組織を有する鋳造構成要素となるようにするステップとを備える、鋳造構成要素を製造する方法。
【請求項２】
請求項１の方法において、
前記薄いシェルセラミック鋳造鋳型を形成するステップが、薄いセラミック鋳造鋳型と一体的な少なくとも１つの中子を製造するステップを含む、方法。
【請求項３】
請求項１の方法において、
前記薄いシェルセラミック鋳造鋳型を形成するステップが、鋳造構成要素に外面を画成する少なくとも１つの鋳造鋳型面と、鋳造構成要素内に少なくとも１つの開口部を画成し得るようにセラミック鋳造鋳型と一体的な少なくとも１つの中子とを有する薄いシェルセラミック鋳造鋳型を製造するステップを含む、方法。
【請求項４】
請求項３の方法において、
前記薄いシェルセラミック鋳造鋳型を形成するステップが、セラミック鋳造鋳型と一体的に形成された複数の中子を製造し、
複数の一体的中子の各々が鋳造構成要素内に内部造作部を形成し得るようにされた、方法。
【請求項５】
請求項１の方法において、
前記薄いシェルセラミック鋳造鋳型を形成するステップが、約０．５０８ｍｍ（約０．０２０インチ）の肉厚を有する鋳造鋳型を製造する、方法。
【請求項６】
請求項１の方法において、
前記鋳込む前に、前記薄いシェル鋳造鋳型を数分以内にて所望の鋳造温度まで加熱するステップを含む、方法。
【請求項７】
請求項１の方法において、
薄いシェルセラミック鋳造鋳型内の溶融金属の圧力が、薄いシェルセラミック鋳造鋳型に有害な亀裂を形成せずに、約７６．２ｍｍないし約６０９．６ｍｍ（約３ないし約２４インチ）ニッケル範囲内にある、方法。
【請求項８】
請求項１の方法において、
前記鋳込む前に、薄いシェルセラミック鋳造鋳型を焼結するステップを更に含む、方法。
【請求項９】
請求項１の方法において、
前記薄いシェルセラミック鋳造鋳型を形成するステップが、薄いシェルセラミック鋳造鋳型と一体的な少なくとも１つの鋳造中子を画成し、
前記鋳込むことにより、薄いシェルセラミック鋳造鋳型に有害な亀裂を形成せずに、約７６．２ｍｍないし約６０９．６ｍｍ（約３ないし約２４インチ）ニッケル範囲の溶融金属の圧力が薄いシェルセラミック鋳造鋳型内にて発生され、
前記鋳込む前に、薄いシェルセラミック鋳造鋳型を焼結するステップを更に含む、方法。
【請求項１０】
請求項２の方法において、
前記薄いシェルセラミック鋳造鋳型を形成するとき、少なくとも１つの中子が実質的に中空である、方法。
【請求項１１】
請求項１の方法において、
セラミック鋳造鋳型が、約０．５μｍないし約１０μｍの範囲内の表面仕上げを有する内壁面を備える、方法。
【請求項１２】
請求項２の方法において、
少なくとも１つの中子及び薄いシェルセラミック鋳造鋳型を焼結するステップを更に含む、方法。
【請求項１３】
指向性凝固した顕微鏡組織を有する鋳造構成要素を製造する方法において、
セラミック充填樹脂の選択的レーザ励起によりシェルセラミック鋳造鋳型を形成するステップと、
熱鋳型キャリアを第一の鋳造温度まで加熱するステップと、
前記加熱後、薄いシェルセラミック鋳造鋳型を熱鋳型キャリア内に配置するステップと、
前記加熱後、熱鋳型キャリアの外面を絶縁して熱鋳型キャリアからの熱の伝導を最小にするステップと、
前記絶縁後、溶融金属を薄いシェルセラミック鋳造鋳型内に鋳込むステップと、
前記鋳込んだ後、約１４２６．６７℃ないし約１６４８．８９℃（約２６００°Ｆないし約３０００°Ｆ）の範囲内の温度を有する環境に対し熱キャリアを曝すステップと、
熱鋳型キャリアと薄いシェルセラミック鋳造鋳型との間の相対的な動きにより薄いシェルセラミック鋳造鋳型を低温の環境に曝すステップと、
金属を薄いシェルセラミック鋳造鋳型内で指向性凝固させるステップとを備える、指向性凝固した顕微鏡組織を有する鋳造構成要素を製造する方法。
【請求項１４】
請求項１３の方法において、
少なくとも前記加熱、前記鋳込み及び前記指向性凝固の間、薄いセラミック鋳造鋳型が非支持状態にある、方法。
【請求項１５】
請求項１３の方法において、
前記位置決めする前に、鋳造鋳型を加熱するステップを更に含む、方法。
【請求項１６】
鋳造構成要素を製造する方法において、
一体的に形成された鋳造中子及び溶融金属の受け入れキャビティを有し、鋳造中子が溶融金属の受け入れキャビティ内に伸びて鋳造構成要素に少なくとも１つの開口部を形成する、自由形態に製造された薄いシェルセラミック鋳造鋳型を形成するステップと、
薄いシェルセラミック鋳造鋳型に対し追加的な機械的支持体を提供せずに、溶融金属を溶融金属の受け入れキャビティ内に鋳込むステップと、
溶融金属を溶融金属の受け入れキャビティ内で且つ一体的な鋳造中子の周りで凝固させるステップとを備える、鋳造構成要素を製造する方法。
【請求項１７】
請求項１６の方法において、
前記薄いシェルセラミック鋳造鋳型を形成するステップが、セラミック鋳造鋳型と一体的に形成され且つ、溶融金属の受け入れキャビティ内に伸びる複数の鋳造中子を製造し、
複数の鋳造中子の各々は、鋳造構成要素の内部に１つの内部造作部を形成し得るようにされた、方法。
【請求項１８】
請求項１６の方法において、
前記薄いシェルセラミック鋳造鋳型を形成するステップが、約１．５２４ｍｍ（約０．０６０インチ）以下の外側肉厚を有する鋳造鋳型を製造する、方法。
【請求項１９】
請求項１６の方法において、
前記凝固させるステップが、溶融金属を凝固させて単結晶又は指向性凝固した顕微鏡組織となるように溶融金属内に熱勾配を発生させるステップを含む、方法。
【請求項２０】
請求項１６の方法において、
前記鋳込むとき、溶融金属の受け入れキャビティ内の溶融金属の圧力が、薄いシェルセラミック鋳造鋳型に有害な亀裂を形成せずに、約７６．２ｍｍないし約６０９．６ｍｍ（約３ないし約２４インチ）ニッケル範囲内にある、方法。
【請求項２１】
請求項１６の方法において、
前記鋳込む前に、薄いシェルセラミック鋳造鋳型を焼結するステップを更に含む、方法。
【請求項２２】
請求項２１の方法において、
前記焼結がセラミックの理論密度となるように行われる、方法。
【請求項２３】
請求項１６の方法において、
前記薄いシェルセラミック鋳造鋳型を形成するステップが、セラミック充填樹脂を光重合化するステップを含む、方法。
【請求項２４】
請求項１６の方法において、
前記薄いシェルセラミック鋳造鋳型を形成するステップが、セラミック材料を立体印刷するステップを含む、方法。
【請求項２５】
請求項１６の方法において、
前記凝固させるステップが、溶融金属内に熱勾配を発生させ、凝固して単結晶又は指向性凝固した顕微鏡組織となるようにするステップを含み、
溶融金属の受け入れキャビティ内の溶融金属の圧力が、薄いシェルセラミック鋳造鋳型に有害な亀裂を形成せずに、約７６．２ｍｍないし約６０９．６ｍｍ（約３ないし約２４インチ）ニッケル範囲内にあり、
前記鋳込む前に、薄いシェルセラミック鋳造鋳型を焼結するステップを更に含む、方法。
【請求項２６】
請求項２５の方法において、
鋳造中子が複数の鋳造中子を画成し、該鋳造中子の各々が鋳造構成要素内に内部造作部を形成し得るようにされ、
前記鋳込む前に、薄いシェル鋳造鋳型を所望の鋳造温度まで加熱するステップを更に含む、方法。
【請求項２７】
請求項１６の方法において、
前記薄いシェルセラミック鋳造鋳型を形成するとき、鋳造中子が中空である、方法。
【請求項２８】
請求項１６の方法において、
薄いシェルセラミック鋳造鋳型及び鋳造中子を焼結するステップを更に含む、方法。
【請求項２９】
請求項１６の方法において、
セラミック鋳造鋳型が、約０．５μｍないし約１０μｍの範囲内の表面仕上げを有する内壁面を備える、方法。
【請求項３０】
請求項１６の方法において、
前記薄いシェルセラミック鋳造鋳型を形成するステップが、立体リソグラフィ装置内で行われる、方法。
【請求項３１】
鋳造構成要素を製造する方法において、
薄い外壁と、該外壁と一体的に形成され且つ、該外壁と少なくとも１つの鋳造中子との間に配置された溶融金属の受け入れキャビティを有する少なくとも１つの鋳造中子とを備える、自由形態に製造されたセラミック鋳造鋳型を形成するステップと、
溶融金属を溶融金属の受け入れキャビティ内に鋳込むステップと、
溶融金属の受け入れキャビティ内及び一体的な鋳造中子の周りで溶融金属を凝固させるステップとを備える、鋳造構成要素を製造する方法。
【請求項３２】
請求項３１の方法において、
前記薄いシェルセラミック鋳造鋳型を形成するステップが、セラミック充填樹脂を光重合化するステップを含む、方法。
【請求項３３】
請求項３１の方法において、
前記薄い外壁が該薄い外壁に有害な亀裂を形成せずに、溶融金属の圧力に耐えることができる、方法。
【請求項３４】
請求項３１の方法において、
前記鋳込むステップが、鋳造鋳型内に約７６．２ｍｍないし約６０９．６ｍｍ（約３ないし２４インチ）ニッケル範囲内の溶融金属の圧力を発生させる、方法。
【請求項３５】
請求項３１の方法において、
前記鋳込む前に、薄いシェルセラミック鋳造鋳型を焼結するステップを更に含む、方法。
【請求項３６】
請求項３１の方法において、
前記薄いシェルセラミック鋳造鋳型を形成するステップが、セラミック鋳造鋳型と一体的に形成される複数の中子を製造し、
一体型の中子の各々は、鋳造構成要素の内部に１つの内部造作部を形成し得るようにされた、方法。
【請求項３７】
請求項３１の方法において、
前記凝固させるステップが、溶融金属を凝固させて単結晶又は指向性凝固した顕微鏡組織となるように溶融金属内に熱勾配を発生させるステップを含む、方法。
【請求項３８】
請求項３１の方法において、
前記薄いシェルセラミック鋳造鋳型を形成するステップが、セラミック充填樹脂を光重合化するステップを含む、方法。
【請求項３９】
溶融金属を鋳込む装置において、
貫通する開口が形成された底部壁部材を有するるつぼと、
一体的に形成されたセラミック溶融金属のディスペンサとを備え、該ディスペンサが、
前記るつぼ内に配置され且つ、前記開口の周りに配置された第一の端部と、閉じられた別の第二の端部とを有する第一の立ち上がり管であって、溶融金属が前記るつぼから該第一の管まで流れるのを許容する少なくとも１つの入口と、溶融金属の受け入れキャビティを画成する二重壁とを有する前記第一の立ち上がり管と、
該第一の管内に配置されて、第一の管の前記第一の端部に結合され且つ、前記開口と流体的に連通した一端と、前記第一の管からの鋳込み口を画成する他端とを有する第二の立ち上がり管と、を備え、
溶融金属が前記少なくとも１つの入口から前記鋳込み口まで進むための前記第二の管に沿って伸びる通路を備える、溶融金属を鋳込む装置。
【国際調査報告】
2005523819.tif 000076