(57)【要約】  固化した粉末材料によって形成された複数の固化した層を備えるターボ機械用インペラ（１２０）が説明されている。インペラは、中実スキン構造（Ｓ）によって囲まれた格子構造（Ｌ）から作製された少なくとも１つの部分を備える。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層造形工程において粉末材料を使用して、ハブ（１２１）および複数のブレード（１２５）を備えるターボ機械用インペラ（１２０）を製造する方法であって、
高エネルギー源を用いて前記粉末材料にエネルギーを加えるステップと、
前記粉末材料を固化させるステップと
を含み、
前記ハブ（１２１）の少なくとも１つの分厚い部分（１２３Ａ、１３１）が照射され、前記粉末材料が、格子構造（Ｌ）を包む中実スキン構造（Ｓ）によって囲まれた前記格子構造（Ｌ）に固化する方法。
【請求項２】
ターゲット表面（ＴＳ）上に前記粉末材料の第１の層を堆積させるステップと、
前記高エネルギー源を用いて前記粉末材料の前記第１の層の第１の部分を照射し、前記粉末材料の前記第１の部分を固化させるステップであって、前記第１の部分が、前記ターボ機械用インペラ（１２０）の第１の断面領域に対応するステップと、
前記第１の部分上に前記粉末材料の第２の層を堆積させるステップと、
前記高エネルギー源を用いて前記粉末材料の前記第２の層の第２の部分を照射し、前記粉末材料の前記第２の部分を固化させるステップであって、前記第２の部分が、前記ターボ機械用インペラ（１２０）の第２の断面領域に対応し、前記第１の部分および前記第２の部分が互いに結合されるステップと、
前の部分上に前記粉末材料の一連の層を堆積させていくのと並行して、前記一連の層のそれぞれの部分を照射していって、複数の固化した層部分を備える前記ターボ機械用インペラ（１２０）を生産するステップであって、前記層部分のそれぞれが、前記ターボ機械用インペラ（１２０）の断面領域に対応するステップと、
を含み、
前記一連の固化される層部分の少なくとも一部が、外側の中実スキン構造（Ｓ）部分によって囲まれる格子構造（Ｌ）によって形成される少なくとも１つの内側部分を有し、前記格子構造（Ｌ）が、前記インペラハブ（１２１）の前記分厚い部分（１２３Ａ、１３１）を少なくとも形成する請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記高エネルギー源が、電子ビーム発生器（１０１）を備える、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記高エネルギー源が、レーザ光源を備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記粉末材料の前記層が、加熱される閉じ込め構造（１１１）内で堆積される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記層部分の形成後に前記ターボ機械用インペラ（１２０）の温度を制御して、前記ターボ機械用インペラ（１２０）における高い温度勾配を回避し、これにより、残留応力を最小限に抑えるステップを含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記粉末材料が、溶解され、固化される、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記粉末材料が、焼結によって固化される、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記高エネルギー源が、前記格子構造（Ｌ）を生成するためにパルス化される、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記ターボ機械用インペラ（１２０）の前記ハブ（１２１）の内側体積部に格子構造（Ｌ）を形成するステップを含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記格子構造（Ｌ）が、インペラフット（１３１）に形成される、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
インペラシュラウド（１２３）を形成するステップを含む、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記インペラシュラウド（１２３）の内側体積部に格子構造（Ｌ）を形成するステップを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記格子構造（Ｌ）が、インペラアイ（１２３Ａ）に形成される、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記中実スキン構造（Ｓ）によって囲まれた前記格子構造（Ｌ）から固化されていない粉末材料を除去するための、前記中実スキン構造（Ｓ）を貫通する少なくとも１つの開口（Ａ）を形成するステップを含む、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
前記ターボ機械用インペラ（１２０）の前記層のすべてが完全に形成された後で固化されていない粉末材料を前記格子構造（Ｌ）から除去するステップを含む、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
前記固化されていない粉末材料が、前記格子構造（Ｌ）を経由してガス流を吹き込むか、または吸い込むことによって除去される、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
ターボ機械用インペラ（１２０）であって、固化した粉末材料によって形成された複数の固化した層を備え、前記ターボ機械用インペラ（１２０）のハブ（１２１）の少なくとも１つの内側部分が、中実スキン構造（Ｓ）によって囲まれた格子構造（Ｌ）を有するターボ機械用インペラ（１２０）。
【請求項１９】
前記格子構造（Ｌ）が、前記ハブ（１２１）のインペラフット（１３１）に配置されている、請求項１８に記載のターボ機械用インペラ（１２０）。
【請求項２０】
インペラシュラウド（１２３）を備え、前記インペラシュラウド（１２３）の少なくとも１つの内側部分が、格子構造（Ｌ）を有しており、前記中実スキン構造（Ｓ）によって囲まれている、請求項１８または１９に記載のターボ機械用インペラ（１２０）。
【請求項２１】
前記格子構造（Ｌ）が、インペラアイ（１２３Ａ）に配置されている、請求項２０に記載のターボ機械用インペラ（１２０）。
【請求項２２】
前記中実スキン構造（Ｓ）が、少なくとも１つの開口（Ａ）を有し、前記格子構造（Ｌ）が、前記開口（Ａ）を介して前記ターボ機械用インペラ（１２０）の外面と流体連通している、請求項１８〜２１のいずれか一項に記載のターボ機械用インペラ（１２０）。
【請求項２３】
前記中実スキン構造（Ｓ）が、２つの開口（Ａ）を備え、前記中実スキン構造（Ｓ）によって囲まれた前記格子構造（Ｌ）が、前記２つの開口（Ａ）を介して前記ターボ機械用インペラ（１２０）の外面と流体連通している、請求項２２に記載のターボ機械用インペラ（１２０）。
【請求項２４】
チタン合金、ステライト、鋼、ステンレス鋼、オーステナイト系ニッケルクロム基超合金、鋼１７−４を含む群から選択される材料から作製されている、請求項１８〜２３のいずれか一項に記載のターボ機械用インペラ（１２０）。
【請求項２５】
Ｔｉ６Ａｌ４Ｖから作製されている、請求項１８〜２４のいずれか一項に記載のターボ機械用インペラ（１２０）。
【請求項２６】
請求項１８〜２５のいずれか一項に記載のインペラ（１２０）を含むターボ機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般に、遠心圧縮機、遠心ポンプ、またはターボエキスパンダ用のインペラなどのターボ機械用インペラの製造に関する。本開示は、より具体的には、積層造形（ａｄｄｉｔｉｖｅ−ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）方式の生産工程によってターボ機械用インペラを製造することに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば遠心圧縮機または遠心ポンプ用のターボ機械用インペラは、複雑な幾何学的形状の部品である。図１は、例示的な遠心圧縮機用インペラの斜視図を示している。図２は、圧縮機用シュラウド付きインペラの部分のラジアル平面に沿った例示的な断面を示している。
【０００３】
全体として１によって示されているインペラは、入口２および出口３を備える。入口２から出口３まで延在する、圧縮されるガスのための流路は、ハブ４とシュラウド５との間に形成されている。ブレード６は、ハブ４とシュラウド５との間に配置されている。隣接するブレード６間には、ガス入口２からガス出口３まで延在する整流ベーン７が形成されている。インペラ１は、圧縮機シャフト（図示せず）が貫通する中央孔を有する。中央孔を囲んでいる、ハブ４の部分は、「インペラフット（ｉｍｐｅｌｌｅｒ  ｆｏｏｔ）」と名付けられており、参照符号８によって示されている。
【０００４】
図１に示されているようなシュラウド５を備えるインペラの製造は、非常に複雑である。詳細には、立体的なブレードは、放電加工または電解加工などの製造工程の使用を必要とする。シュラウド付きインペラは、ブレードを機械加工した後でハブ上にシュラウドを溶接すること、または、中実の金属片から開始される、数値制御された５軸工作機械を用いた完全なフライス加工によってシュラウドを機械加工することをさらに必要とする。
【０００５】
この種類の部品のより効率的でより費用のかからない製造を達成するために、最近では、積層造形方式の生産工程が研究されている。これらの工程の１つが、いわゆる電子ビーム層溶解工程（ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｂｅａｍ  ｌａｙｅｒ  ｍｅｌｔｉｎｇ  ｐｒｏｃｅｓｓ）である。この製造工程は、複雑な部品の層ごとの構成を可能にする。複雑な部品は、溶解され、次に固化される粉末材料の層を連続的に供給することによって製造される。各層は、該当する層の高さに製造される、物品の断面の範囲によって決定される、層の部分に沿って溶解され、固化される。
【０００６】
ターボ機械用インペラは、大きくて動的な機械的応力にさらされるものであり、また、場合によっては、非常に厳しい環境下で（例えば、酸性ガスまたは湿性ガスが圧縮機によって処理される場合に）機能することが求められる。さらに、必要な機械的および化学的な物理的耐性を維持しながらインペラの重量を低減することが、変わらずに求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】欧州特許出願公開第２４０２１１２号公報
【発明の概要】
【０００８】
積層造形方式の生産工程によって製造されるターボ機械用インペラの重量の低減は、中実構造（すなわち、中実の連続的な外面を備える一種のスキン）によって囲まれた内部の格子構造が、ターボ機械用インペラの分厚い部分に形成されるように粉末材料の溶解または焼結を行うために使用される高エネルギー源を制御することによって達成される。格子構造は、高エネルギー源によって供給されるエネルギーを適切に制御することによって得ることができる。このとき、粉末材料は、スポット的に溶解され、溶解された粉末材料の個々の体積部は、固化して互いに付着し、こららの間には、粉末材料が溶解されていない体積部が残される。次に、ここの粉末材料が、固化した材料内に隙間を残しつつ除去され、この結果、格子構造が形成される。
【０００９】
一実施形態によれば、粉末材料を使用して層ごとにターボ機械用インペラを製造する方法が提供される。粉末材料は、高エネルギー源によって照射されて溶解され、インペラを形成するように固化する。高エネルギー源は、ターボ機械用インペラの少なくとも１つの分厚い部分が照射され、粉末材料が、格子構造を包む中実スキン構造によって囲まれた格子構造に固化するように制御される。
【００１０】
特に好適な実施形態では、電子ビーム源が使用される。電子ビーム銃によって生成された電子ビームは、粉末材料を局所的に溶解する。溶解された材料のその後の冷却は、ターボ機械用インペラの各層の最終構造を生成する。
【００１１】
以下の詳細な説明では、具体的に電子ビーム源に言及しているが、本明細書に開示されている方法は、異なる高エネルギー源を使用して同様に実行されてもよい。高エネルギー源の選択は、例えば、使用される材料の種類に依存してもよい。例えば、レーザ光源が、電子ビーム銃の代わりに使用されてもよい。他の実施形態では、電気エネルギーが、例えば適切に配置され、制御された電極を使用して、固化される粉末材料に加えられてもよい。
【００１２】
「固化する」および「固化」という用語は、本明細書で使用される場合、粉末状の粉末材料を、所定の形状を有する硬質の物体に変形させる何らかの作用または過程として一般に理解されるべきである。一部の実施形態では、粉末材料は、溶解され、次に固化される。しかしながら、他の実施形態では、粉末材料は、溶解およびその後の固化の工程ではなく、異なる固化工程（例えば、焼結工程）を経てもよい。
【００１３】
一部の実施形態では、本方法は、ターゲット表面上に粉末材料の第１の層を堆積させるステップと、高エネルギー源を用いて粉末材料の第１の層の第１の部分を照射し、粉末材料の第１の部分を固化させるステップであって、第１の部分が、ターボ機械用インペラの第１の断面領域に対応するステップと、第１の部分上に粉末材料の第２の層を堆積させるステップと、高エネルギー源を用いて粉末材料の第２の層の第２の部分を照射し、粉末材料の第２の部分を固化させるステップであって、第２の部分が、ターボ機械用インペラの第２の断面領域に対応し、第１の部分および第２の部分が互いに結合されるステップと、前の部分上に粉末材料の一連の層を堆積させていくのと並行して、一連の層のそれぞれの部分を照射していって、複数の固化した層部分を備えるターボ機械用インペラを生産するステップであって、層部分のそれぞれが、ターボ機械用インペラの断面領域に対応するステップとを含む。
【００１４】
一連の固化される層部分の少なくとも一部は、外側の中実スキン構造部分によって囲まれる格子構造によって形成される少なくとも１つの内側部分を有する。各層は、前の層が固化されたか、または部分的にのみ固化されたか、または依然として溶解状態にあるときに前の層の上に堆積されてもよい。
【００１５】
格子構造は、インペラの分厚い部分（すなわち、塊状部分）に少なくとも配置され、つまりは、インペラの中央孔の周囲の、ハブの半径方向内側部分（すなわち、インペラフット）に少なくとも配置される。シュラウド付きインペラは、シュラウドのより厚い部分（すなわち、インペラアイ（ｉｍｐｅｌｌｅｒ  ｅｙｅ））の内部に格子構造を含んでもよい。好適には、格子構造は、インペラの軸の周囲に周方向に展開される。
【００１６】
積層造形工程は、軸流タービンのブレードなどのターボ機械部品を製造するために使用されてきた。これらの部品は、狭い断面を有する比較的小さな部品である。ブレードの内部は、通常、冷却目的のために中空になっている。また、積層造形工程は、ブレードの機械的強度を改善するために、タービンブレードの内部に付加的な格子構造を設けるために使用されてきた（独国特許出願公開第１０２００９０４８６６５号明細書）。
【００１７】
積層造形工程は、塊状の金属部品の製造にはほとんどまたはまったく適用されていない。塊状部品の分厚い構造に発生する熱応力は、製造工程中に形成される個々の層の変形の原因となる。大きな塊状部品の場合、粉末材料の１つの層の溶解およびその後の固化の最中の熱応力によって発生する変形は、非常に広範囲に及ぶので、低く固化して変形した層が、次の粉末層を供給するために使用されるラックの移動を妨害するため、次の粉末層の堆積に悪影響を及ぼすか、または妨害しさえする可能性がある。
【００１８】
中実構造ではなく格子構造を形成するために粉末材料を固化させることによって、インペラの分厚い部分では、放熱性が改善され、熱応力および熱変形が防止または低減されるため、塊状のインペラの積層造形が実現可能となる。中実構造と比べて、格子構造を生成するために必要とされる熱エネルギーはより少ない。したがって、放散されるべき熱の総量が低減される。さらに、放熱がより容易でより迅速な自由空間が、層の溶解されていない部分に残される。双方の要因が、熱変形の低減の一因となる。
【００１９】
「照射する」という用語は、本明細書で使用される場合、高エネルギー源からのエネルギーを粉末材料に加える何らかの作用として理解されるべきである。
【００２０】
一部の実施形態によれば、粉末材料の層は、加熱される閉じ込め構造内で堆積される。これにより、インペラの温度が制御されてもよい。最終製品内の残留応力が、例えば使用される材料、製品の形状、使用される高エネルギー源の種類、または他の工程パラメータに応じて温度対時間の曲線を制御することによって防止または低減されてもよい。
【００２１】
一般に、インペラの任意の部分が、格子構造によって製造されてもよい。外側の中実の不浸透性のスキン構造が、通常、内側の格子構造の周囲に設けられるため、内側の格子構造は、インペラのより分厚い部分、一般的には、ハブのより分厚い部分、例えば、ハブおよび／またはシュラウド（存在する場合）の回転軸により近いより分厚い部分に形成されることが好ましい。
【００２２】
格子構造は、機械的応力および熱応力に耐えるほど十分に強固である一方で、インペラの他の部分を形成する中実材料よりも低い比重量を有するため、インペラの全重量を低減する。格子構造内に残った固化されていない粉末材料は、例えば吹き込みまたは吸い込みによって除去されてもよい。残留している固化されていない粉末材料の除去を容易にするために、１つ以上の開口が、格子構造を囲んでいる中実スキン構造に設けられてもよい。
【００２３】
開口は、層ごとの製造工程中に形成されてもよい。他の実施形態では、開口は、完成したインペラに機械加工されてもよい。
【００２４】
また、本開示は、ハブおよび複数のブレードを少なくとも有するターボ機械用インペラであって、前記インペラの内側体積部の少なくとも１つの部分が、中実スキン構造によって囲まれた格子構造を備えるターボ機械用インペラに具体的に言及している。格子構造および格子構造を囲む中実スキン構造は、インペラの他の部分を形成するのと同じ材料から作製される。好適には、格子構造を囲む中実スキン構造は、インペラの他の中実部分と一体の物体を形成する。このことは、積層造形方式の生産工程を用いて達成されてもよい。
【００２５】
一般論として、インペラは、格子構造からなる１つより多くの内側体積部分を備えてもよい。
【００２６】
したがって、さらに本開示は、固化した粉末材料によって形成された複数の固化した層を備えるターボ機械用インペラであって、ターボ機械用インペラの少なくとも１つの部分が、中実スキン構造によって囲まれた格子構造を有するターボ機械用インペラに関する。
【００２７】
一部の実施形態では、ハブの半径方向の最も内側の部分が、中実スキン構造によって囲まれた格子構造を含む。一般的には、インペラフットが格子構造を含む。
【００２８】
インペラは、インペラアイを有するインペラシュラウドを備えてもよい。好適な実施形態では、シュラウドの少なくとも１つの内側部分が、前記中実スキン構造によって囲まれた格子構造を有する。シュラウドの格子構造は、インペラアイに配置されることが好ましい。
【００２９】
一部の実施形態では、粉末材料は、チタン合金を含んでもよい。適切なチタン合金は、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖである。他の実施形態では、コバルトクロム合金（ステライトなど）が使用されてもよい。
【００３０】
他の実施形態では、オーステナイト系ニッケルクロム基超合金が使用されてもよい。
【００３１】
この種類の適切な超合金の例は、インコネル（登録商標）６２５およびインコネル（登録商標）７１８である。さらなる実施形態によれば、鋼（ステンレス鋼、鋼１７−４、またはターボ機械部品の製造に適した他の鋼）が使用されてもよい。
【００３２】
特徴および実施形態は、本明細書の以下において開示され、本明細書に不可欠の部分をなす添付の特許請求の範囲においてさらに説明される。上記の簡単な説明は、以下に続く詳細な説明がより良く理解され得るようにするために、および、当該技術への本発明の貢献がより良く理解され得るようにするために、本発明の様々な実施形態の特徴について説明している。言うまでもなく、以下の本明細書で説明され、添付の特許請求の範囲で説明される、本発明の他の特徴も存在する。この点に関して、本発明のいくつかの実施形態について詳細に説明する以前に、本発明の様々な実施形態が、その適用に関して、以下の説明で説明されるか、または図面に示される部品の構造の詳細および配置に限定されるわけではないことが理解される。本発明は、他の実施形態も可能であり、様々な方法で実施され、実行され得る。また、本明細書に採用されている表現および用語は、説明目的のためのものであり、限定的なものと見なされるべきではないことが理解されるべきである。
【００３３】
したがって、当業者は、本開示が基礎を置く概念が、本発明のいくつかの目的を実行するための他の構造、方法、および／またはシステムを設計するための基礎として容易に利用され得ることを理解するであろう。したがって、このような均等な構造が本発明の精神および範囲から逸脱しない限り、特許請求の範囲が、このような均等な構造を含むものと見なされることは重要である。
【００３４】
本発明の開示されている実施形態のより完全な理解およびこれに付随する利点の多くは、添付図面に関連して検討される場合に以下の詳細な説明を参照することによってより良く理解されるときに容易に得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】現状技術によるシュラウド付きインペラの斜視図を示している。
【図２】現状技術によるシュラウド付きインペラの概略断面図を示している。
【図３】電子ビーム溶解装置の概略図を示している。
【図４】本開示に係るシュラウド付きインペラの断面図を示している。
【図５Ａ】インペラの分厚い領域に形成され得る選択可能な一格子構造を概略的に示している。
【図５Ｂ】インペラの分厚い領域に形成され得る選択可能な別の格子構造を概略的に示している。
【図５Ｃ】インペラの分厚い領域に形成され得る選択可能なさらに別の格子構造を概略的に示している。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
例示的な実施形態に関する以下の詳細な説明では、添付図面が参照される。異なる図中の同じ参照符号によって、同じまたは類似の要素が識別される。さらに、図は、必ずしも一定の縮尺で描かれていない。また、以下の詳細な説明は、本発明を限定するものではない。その代わりに、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって規定される。
【００３７】
「一実施形態」または「実施形態」または「一部の実施形態」への本明細書の全体にわたる言及は、実施形態に関連して説明されている特定の特徴、構造、または特性が、開示されている主題の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味している。したがって、「一実施形態において」または「実施形態において」または「一部の実施形態において」という句が登場する、本明細書の全体にわたる様々な場所では、必ずしも同じ実施形態に言及しているわけではない。さらに、特定の特徴、構造、または特性は、１つ以上の実施形態において任意の適切な方法で組み合わされてもよい。
【００３８】
図３は、全体として１００によって示されている電子ビーム溶解装置を示している。電子ビーム溶解装置の構造および動作は、それ自体で知られているため、本明細書ではそれほど詳細には説明されない。電子ビーム溶解装置１００は、電子ビームＥＢを生成する電子エミッタ１０３を備える電子ビーム銃１０１を含む。電子ビームＥＢは、電子ビーム銃１０１の下方に配置されたターゲット表面ＴＳに向けられている。電子ビーム経路に沿って、集束コイル１０５および偏向コイル１０７が配置されている。集束コイル１０５は、電子ビームの焦点をターゲット表面ＴＳに合わせ、偏向コイル１０７は、粉末材料の溶解および固化が行われるべきパターンに沿って電子ビームＥＢの移動を制御する。コンピュータ装置１０９は、偏向コイル１０７を制御し、電子ビームＥＢの移動を制御する。電子ビームＥＢの移動は、製造される三次元製品を表すファイルからのデータに基づいてコンピュータ装置１０９によって制御される。
【００３９】
電子ビーム銃１０１の下方には、閉じ込め構造１１１が配置されている。閉じ込め構造１１１は、例えば１１３で概略的に示さている加熱器（例えば、電気加熱器）を備える温度制御手段と組み合わされてもよい。可動テーブル１１５は、閉じ込め構造１１１内に配置されてもよい。可動テーブル１１５は、両矢印ｆ１１５に沿って垂直に移動するように制御されてもよい。可動テーブル１１５の垂直移動は、コンピュータ装置１０９によって制御されてもよい。粉末材料容器１１７は、ターゲット表面ＴＳの上方に配置されており、例えばコンピュータ装置１０９の制御下で両矢印ｆ１１７に沿って水平に移動するように制御される。
【００４０】
電子ビーム溶解装置１００によって実行される製造工程は、以下のように要約することができる。粉末材料の第１の層が、ターゲット表面ＴＳの高さに配置された可動テーブル１１５に沿って粉末材料容器１１７を矢印ｆ１１７に従い１回以上移動させることによって、粉末材料容器１１７から可動テーブル１１５上に供給される。粉末材料の第１の層が供給されると、電子ビーム銃１０１が作動され、電子ビームＥＢが、製造される製品の断面に対応する、層の限定された部分の粉末材料を局所的に溶解するために偏向コイル１０７によって制御される。溶解後、粉末材料は、冷却され、固化される。製造される製品の断面の範囲以外の粉末材料は、粉末状のままである。上述したように第１の層が処理されると、可動テーブル１１５が下げられ、粉末材料の次の層が、第１の層の上に供給される。次に、粉末材料の第２の層が、選択的に溶解され、その次に冷却され、固化される。溶解および固化は、各層部分が前に形成された層部分に付着するように実行される。この工程は、他の粉末材料層の後にもう１つの粉末材料層を続けて付加し、製品の次の断面に対応する層部分を選択的に溶解し、固化することによって、完全な製品が形成されるまで段階的に繰り返される。
【００４１】
製品が完成した時点で、溶解も固化もされなかった粉末材料が、除去され、再利用されてもよい。このようにして得られた製品は、必要に応じて、表面仕上げ工程または機械加工などのさらなる処理を経てもよい。
【００４２】
上述した工程は、加熱器１１３によって制御された温度条件下で実行されてもよい。閉じ込め構造１１１内の温度は、全工程が高温で実行され、残留応力が製造サイクルの局面で製品内に実質的に残らないように制御される。構成工程が完了した後、製品は、最終製品内の残留応力を防止する冷却曲線に従って処理温度から環境温度まで冷却されてもよい。
【００４３】
閉じ込め構造１１１の内部は、粉末材料および溶解された材料による酸素吸収が防止されるように高真空状態に維持されることが好ましい。
【００４４】
図３の描写では、上で要約された積層造形方式の製造工程の中間段階にあるインペラ１２０が概略的に示されている。
【００４５】
電子ビーム放射を適切に制御することによって、粉末材料の完全な溶解およびその後の固化が可能となり、この結果、緻密な中実の最終構造が得られる。あるいは、粉末材が、限られた体積部のみに関して、すなわち、部分的な方法で溶解され、次に固化されるように電子ビーム放射を制御することも可能である。このようにすることによって、粉末材料の限定された体積部が、溶解され、次に固化される。このとき、前記体積部は、これらが互いに結合して格子構造を形成するように互いに隣接して配置される。得られた格子構造は、溶解されなかった粉末材料の層に埋まっている。次に、この残りの粉末材料が、空洞のある格子構造を残して除去されてもよい。
【００４６】
本開示によれば、最終製品（例えば、ターボ機械用インペラ） を共に形成する中実部分および格子構造部分を備える混合構造が提案される。
【００４７】
図４には、上述した層ごとの製造工程を用いて製造された、遠心ターボ機械用のインペラの断面図が示されている。インペラ１２０は、ハブ１２１、シュラウド１２３、およびハブ１２１とシュラウド１２３との間の体積部の内部に延在するブレード１２５を備える。ベーン１２６は、互に隣接するブレード１２５間に形成されている。
【００４８】
インペラ１２０は、シャフト（図示せず）用の中央孔１２９を備える。中央孔１２９は、一般的には「インペラフット」と名付けられている、インペラ１２０のハブ１２１の分厚い部分１３１によって囲まれている。
【００４９】
図４の断面図から理解され得るように、インペラ１２０の様々な部分を形成している材料の厚さは、インペラの部分ごとに異なっている。例えば、ブレード１２５は、ハブ１２１の半径方向外側部分（すなわち、１２１Ａの符号が付けられている、ハブ１２１の部分）と同様に比較的薄い断面を有する。ハブ１２１の半径方向内側部分は、上で言及されたインペラフット１３１を形成しており、その厚さは、ハブ１２１の他の部分に比べて極めて厚い。
【００５０】
また、シュラウド１２３は、半径方向内側部分１２３Ａに比べて薄い半径方向外側部分１２３Ｂを有する。
【００５１】
図４に示されている例示的な実施形態において、インペラ１２０のより分厚い部分の内部、より具体的には、インペラフット１３１の内部およびシュラウド１２３のより分厚い部分１２３Ａ（一般的には、インペラアイと名付けられている）は、Ｌの符号が付けられた格子構造によって製造されている。格子構造Ｌは、上で言及されているように、電子ビームＥＢを適切に制御することによって生産されてもよい。格子構造Ｌは、流体不浸透性で緻密な中実のスキン構造またはスキン部分Ｓによって囲まれている。
【００５２】
図４に示されている例示的な実施形態において、インペラは、格子構造によって形成された２つの領域のみを有する。しかしながら、当業者は、格子構造部分の異なる配置がインペラの設計に応じて実現されてもよいことを理解するであろう。例えば、シュラウドは、限定された厚さを有する場合、内部に格子構造を有さない単一の緻密な中実の部分として製造されてもよい。同様に、シュラウドの付いていないインペラは、ハブの他の部分に比べてより分厚い構造を有するインペラハブ（好ましくは、インペラフット）のみに格子構造を備えてもよい。ハブおよびシュラウド（存在する場合）の双方における格子構造の半径方向の範囲は、ラジアル平面におけるインペラの断面の形状に依存する。格子構造を有するブレードまたはブレード部分を設けることも、ブレードの断面の寸法および形状が許す限り排除されない。
【００５３】
一般に、インペラの各格子構造部分は、流体不浸透性バリアを形成する中実スキン構造に囲まれ、包まれており、これにより、ガスまたは液体が内部の格子構造に侵入することが防止され、ターボ機械によって処理される流体のための滑らかな外側の流面が形成される。中実スキン構造は、例えば表面仕上げ目的で、インペラの任意の他の中実部分と同じ方法で機械加工されてもよい。
【００５４】
したがって、インペラ１２０の外面全体は、無孔性の連続的な中実構造によって形成され、一方、格子構造Ｌは、前記中実スキン構造の内部に閉じ込められ、インペラ１２０の外側には出ない。
【００５５】
上で短く述べたように、ターボ機械用インペラの格子構造Ｌおよび中実部分（中実スキン構造Ｓを含む）の双方は、電子ビーム放射を適切に制御することによって層ごとに製造されてもよい。粉末材料の同じ層に沿って、電子ビームＥＢは、格子構造Ｌを囲む中実スキン構造Ｓを含む中実構造を形成するための層の部分に沿って粉末材料の完全な溶解をもたらすために制御されてもよい。格子構造Ｌが必要とされる層の領域（インペラフットなど）では、電子ビームは、例えば、粉末材料がスポット的に溶解され、溶解された材料の各スポットが、溶解された材料の隣接するスポットに接触し、必要とされる格子構造Ｌに固化するようにパルス化（すなわち、断続化）されて移動されてもよい。
【００５６】
格子構造Ｌの溶解され、固化されたスポット間に閉じ込められたままの粉末状の粉末材料をより容易に除去するために、一部の実施形態によれば、１つ以上の開口が、インペラの内側体積部に形成された格子構造Ｌのそれぞれを囲んでいる中実スキン構造Ｓに設けられる。
【００５７】
図４では、インペラフット１３１の格子構造Ｌを囲んでいる中実スキン構造Ｓの２つの開口Ａが、例として示されている。開口Ａは、格子構造Ｌを経由して空気を吹き込むか、または空気を吸い込むことによって固化されていない粉末材料をそこから除去するために使用されてもよい。開口Ａは、図面に示されている例に示されているように、インペラによって処理される流体の流れに悪影響を与えないようにインペラの外面に配置されることが好ましい。
【００５８】
図５Ａ〜図５Ｃは、電子ビームによる局所的な溶解によって得られる可能性のある格子構造を概略的に示している。これらの図から理解され得るように、格子構造は、大きな空洞の体積部を含んでおり、これにより、インペラを形成する材料の全体量が低減され、したがって、インペラの重量が低減される。
【００５９】
本明細書で説明された主題に関して開示された実施形態が、図面において示され、いくつかの例示的な実施形態に関連して具体的かつ詳細に上で十分に説明されたが、本明細書で説明された新規の教示、原理、および概念ならびに添付の特許請求の範囲に記載されている主題の利点から実質的に離れることなく、多くの修正、変更、および省略が可能であることは、当業者には明らかである。
【００６０】
したがって、開示されているイノベーションの適切な範囲は、すべてのこのような修正、変更、および省略を包含するように、添付の特許請求の範囲の最も広い解釈のみによって決定されるべきである。さらに、任意の工程ステップまたは方法ステップの順序または順番は、代替的な実施形態に応じて変更されてもよいし、または順序付けし直されてもよい。
【符号の説明】
【００６１】
１、１２０  インペラ
２  入口、ガス入口
３  出口、ガス出口
４、１２１  ハブ
５、１２３  シュラウド
６、１２５  ブレード
７  整流ベーン
８  インペラフット
１００  電子ビーム溶解装置
１０１  電子ビーム銃
１０３  電子エミッタ
１０５  集束コイル
１０７  偏向コイル
１０９  コンピュータ装置
１１１  閉じ込め構造
１１３  加熱器
１１５  可動テーブル
１１７  粉末材料容器
１２１Ａ  ハブの半径方向外側部分
１２３Ａ  シュラウドの半径方向内側部分、シュラウド１２３のより分厚い部分、インペラアイ
１２３Ｂ  シュラウドの半径方向外側部分
１２６  ベーン
１２９  中央孔
１３１  インペラ１２０のハブ１２１の分厚い部分、インペラフット
ｆ１１５、ｆ１１７  両矢印
Ａ  開口
ＥＢ  電子ビーム
Ｌ  格子構造
Ｓ  中実スキン構造、スキン部分
ＴＳ  ターゲット表面
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【国際調査報告】
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