(57)【要約】【課題】複合型付加製造及び機械加工システムを提供する。【解決手段】本出願は複合型付加製造及び機械加工システム（１００）を提供する。複合型付加製造及び機械加工システム（１００）は、アウターチャンバ（２７０）と、アウターチャンバ（２７０）内に配置された付加製造ツール（１２０）と、アウターチャンバ（２７０）内に配置された加工ツール（１８０）と、加工ツール（１８０）と連通する冷却流体源（２１０）とを含んでもよい。【選択図】図１
2017113871.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複合型付加製造及び機械加工システム（１００）であって、
アウターチャンバ（２７０）と、
アウターチャンバ（２７０）内に配置された付加製造ツール（１２０）と、
アウターチャンバ（２７０）内に配置された加工ツール（１８０）と、
加工ツール（１８０）と連通する低温流体源と
を備えるシステム。
【請求項２】
付加製造ツール（１２０）がレーザ堆積溶接ツール（１３０）を含む、請求項１に記載の複合型付加製造及び機械加工システム（１００）。
【請求項３】
付加製造ツール（１２０）がレーザ（１７０）を含む、請求項１に記載の複合型付加製造及び機械加工システム（１００）。
【請求項４】
付加製造ツール（１２０）が、金属源と連通するノズル（１４０）を含む、請求項１に記載の複合型付加製造及び機械加工システム（１００）。
【請求項５】
金属源が金属粉末流（１５０）又は金属線を含む、請求項４に記載の複合型付加製造及び機械加工システム（１００）。
【請求項６】
金属源が超合金を含む、請求項４に記載の複合型付加製造及び機械加工システム（１００）。
【請求項７】
加工ツール（１８０）がツールヘッド（１９０）を含む、請求項１に記載の複合型付加製造及び機械加工システム（１００）。
【請求項８】
ツールヘッド（１９０）が、低温流体源に連通する冷却ノズル（２００）を含む、請求項７に記載の複合型付加製造及び機械加工システム（１００）。
【請求項９】
低温流体源が、不活性流体を含む、請求項１に記載の複合型付加製造及び機械加工システム（１００）。
【請求項１０】
不活性流体がヘリウム又はアルゴンを含む、請求項９に記載の複合型付加製造及び機械加工システム（１００）。
【請求項１１】
低温流体源が窒素又は二酸化炭素を含む、請求項１に記載の複合型付加製造及び機械加工システム（１００）。
【請求項１２】
付加製造ツール（１２０）及び／又は加工ツール（１８０）を位置決めするための、１つ以上のツールシャトル（２３０）をさらに含む、請求項１に記載の複合型付加製造及び機械加工システム（１００）。
【請求項１３】
作業台（２４０）をさらに含む、請求項１に記載の複合型付加製造及び機械加工システム（１００）。
【請求項１４】
作業台（２４０）が、回転台（２５０）及び／又はスイズルアセンブリ（２６０）を含む、請求項１３に記載の複合型付加製造及び機械加工システム（１００）。
【請求項１５】
部品（１１０）の製造及び仕上げ加工の方法であって、
チャンバ（２７０）内に超合金を積層する工程と、
エネルギー源（１７０）を用いて超合金を溶着して部品（１１０）を作成する工程と、
チャンバ（２７０）内で低温に冷却された加工ツール（１８０）を用いて部品（１１０）を機械加工する工程と
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、製造システム及び方法に概して関し、より詳しくは、高品質超合金部品等の複合型付加製造及び機械加工システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、ガスタービンエンジン等の燃焼システムの高温ガス経路で使用される部品は、高温耐性及び高耐食性を有する超合金材料から形成されうる。例としては、インコネル等のニッケル基合金及びチタン等の他の材料が挙げられる。これらの部品は、鋳造した後に機械加工により仕上げ加工してもよい。しかしながら、材料の性質のために、加工ツールは、一般に、動作中に冷却する必要がありうる。実際、一般的に、加工ツールを保護するためには冷却剤及び潤滑剤が必要である。
【０００３】
付加製造システムは、異なるタイプの超合金に適応しうる。付加製造システムは、ほとんど無駄を出さずに、非常に複雑な３次元部品を作成しうる。付加製造システムは、多孔性等の不具合を回避することができるように、一般に、非常に清浄な表面を必要とする。しかしながら、加工ツールは、一般に冷却剤及び潤滑剤を必要とし、使用時に塵埃及びデブリを生成しうる。これらを考慮すると、付加製造システム及び加工ツール、特に従来の冷却タイプのツールは、典型的には、離間されうる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第９１１０４５８号明細書
【発明の概要】
【０００５】
本願発明は、このようにして複合型付加製造及び機械加工システムを提供する。本複合型付加製造及び機械加工システムは、アウターチャンバ、アウターチャンバ内に配置された付加製造ツール、アウターチャンバ内に配置された加工ツール、及び加工ツールと連通する低温流体を備えた低温流体源を含んでもよい。
【０００６】
本願発明は、部品の製造及び仕上げ加工の方法を、さらに提供する。本方法は、チャンバ内に超合金を積層する工程と、エネルギー源を用いて超合金を溶着して部品を作成する工程と、チャンバ内で低温に冷却された加工ツールを用いて部品を機械加工する工程とを含んでもよい。
【０００７】
本願発明は、部品を作成し、仕上げ加工するための複合型付加製造及び機械加工システムを、さらに提供する。複合型付加製造及び機械加工システムは、アウターチャンバと、アウターチャンバ内に配置された付加製造ツールと、アウターチャンバ内に配置された加工ツールと、加工ツールと連通する低温流体源と、付加製造ツール及び／又は加工ツールを位置決めするための、１つ以上のツールシャトルと、部品を保持するための作業台とを含んでもよい。
【０００８】
本願発明のこれらの及び他の特徴及び改善は、いくつかの図面及び添付の特許請求の範囲と併せて、以下の詳細な説明を検討することにより、当業者には明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本明細書に記載される複合型付加製造及び機械加工システムの概略図である。
【図２】図１の複合型付加製造及び機械加工システムの、付加製造ツールの例示的なノズルの概略図である。
【図３】図１の複合型付加製造及び機械加工システムの、例示的な加工ツールの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
次に図面を参照すると、いくつかの図面の全体にわたって類似の要素には同一の番号を付しており、図１は本明細書に記載されうる複合型付加製造及び機械加工システム１００の１例を示す。本付加製造及び機械加工システム１００は、部品１１０を製造するために使用されてもよい。部品１１０は、超合金又は任意の適切な材料から作られてもよい。部品１１０は、タービン部品又は任意のタイプの高強度の部品又は高温部品等であってもよい。部品１１０は、任意の適切な大きさ、形状、又は構造を有していてもよい。
【００１１】
複合型付加製造及び機械加工システム１００は、付加製造ツール１２０を含んでもよい。この実施例では、付加製造ツール１２０は、レーザ堆積溶接ツール１３０であってもよい。一般的に説明すると、図２に示すように、レーザ堆積溶接ツール１３０はノズル１４０を含み、これを通って、金属粉末流１５０が流れる。ノズル１４０は、金属粉末源１６０と連通していてもよい。金属粉末源１６０は、超合金等を含む任意のタイプの金属粉末を含んでもよい。また、レーザ堆積溶接ツール１３０は、金属線等を用いてもよい。レーザ堆積溶接ツール１３０は、ノズル１４０の周りに配置されたレーザ１７０をも含む。レーザ１７０は、例えば、ダイオードレーザ等であってもよい。任意の適切なサイズ、形状、構成、又は能力の、任意のタイプの適切なレーザ装置又はエネルギー源を使用してもよい。レーザ堆積溶接ツール１３０は、金属粉末流１５０の層を塗布した後に、レーザ１７０によりその層を融着させて部品１１０を生成してもよい。不活性シールドガス／不活性キャリアガスを用いてもよい。他のタイプの付加製造ツール１２０及び技術が使用されてもよい。他の部品及び他の構成が使用されてもよい。
【００１２】
また、複合型付加製造及び機械加工システム１００は、加工ツール１８０を含んでもよい。加工ツール１８０は、ツールヘッド１９０を含んでもよい。ツールヘッド１９０は、従来の設計でよく、任意の適切なサイズ、形状、構成、又は能力を有していてもよい。ツールヘッド１９０は、中空であってもよく、その中に冷却ノズル２００を含んでもよい。冷却ノズル２００は、冷却流体源２１０と連通していてもよい。冷却流体源２１０は、低温流体２２０又は他のタイプの冷却流体を含んでもよい。低温流体２２０は、不活性ガス等であってもよい。適切な不活性ガスは、ヘリウム、アルゴン等を含んでもよい。他のタイプの冷却流体は、窒素、二酸化炭素等を含んでもよい。低温流体２２０は、ツールヘッド１９０が部品１１０を加工している間にツールヘッド１９０を冷却しうる。他の部品及び他の構成が使用されてもよい。
【００１３】
複合型付加製造及び機械加工システム１１０は、１つ以上のツールシャトル２３０を含んでもよい。ツールシャトル２３０により、付加製造ツール１２０及び加工ツール１８０を、任意の所望の方向に操縦できるようになる。付加製造ツール１２０及び加工ツール１８０は、ツールシャトル２３０を共有してよく、又は各ツールは固有のシャトル２３０を有していてもよい。付加製造ツール１２０及び加工ツール１８０は、ツールシャトル２３０を介して交換しうる。付加製造ツール１２０及び加工ツール１８０は互いに隣接して配置されるものとして示されているが、付加製造ツール１２０及び加工ツール１８０は別の構造体であってもよく、組合せて又は別個に移動してもよい。ツールシャトル２３０は、２軸以上の移動軸を有するＸ−Ｙ移動装置であってもよい。ツールシャトル２３０は、従来の設計でよく、任意の適切な大きさ、形状、又は構造を有していてもよい。他の部品及び他の構成が使用されてもよい。
【００１４】
また、複合型付加製造及び機械加工システム１００は、作業台２４０を含んでもよい。作業台２４０は、製造及び加工中に部品１１０を載せて支持しうる。この例では、作業台２４０は、回転台２５０であってもよい。回転台２５０により、部品１１０が回転できるようになる。また、作業台２４０は、旋回アセンブリ２６０を含んでもよい。旋回アセンブリ２６０により、２、３、４、又は５軸の移動軸により、所望に応じた部品１１０の位置決めが可能になる。作業台２４０は、従来の設計でよく、任意の適切な大きさ、形状、又は構造を有していてもよい。他の部品及び他の構成が使用されてもよい。
【００１５】
複合型付加製造及び機械加工システム１００は、付加製造ツール１２０と加工ツール１８０を全体的に又は部分的に取り囲むアウターチャンバ２７０を含んでもよい。アウターチャンバ２７０は、任意の適切な大きさ、形状、又は構造を有していてもよい。アウターチャンバ２７０は、内部低温流体２３０、他のタイプの冷却流体、及び不活性ガスを維持するように、高い気密を有してもよい。正圧は、低温のガスを蒸発させることにより得ることができる。アウターチャンバ２７０の内部は、任意の都合のよいやり方でアクセスされてもよい。また、アウターチャンバ２７０の内部は、加熱又は冷却されてもよい。他の部品及び他の構成が使用されてもよい。
【００１６】
使用において、複合型付加製造及び機械加工システム１００は、付加製造ツール１２０により部品１１０を作成しうる。詳しくは、レーザ堆積溶接ツール１３０は、金属粉末流１５０の層上に層を構築した後、レーザ１７０により層を溶着する。部品１１０が完成し、冷却した後、加工ツール１８０は、必要に応じて部品１１０を仕上げ加工しうる。或いは、複雑な内部構造、及び通路等を作成するように、付加製造ツール１２０及び加工ツール１８０を何回か交換してもよい。ツールシャトル２３０及び作業台２４０により、全処理の間中、部品１１０及び／又はツールを正確に位置決めすることが可能になる。低温流体２２０又は他のタイプの冷却流体の使用により、超合金等の正確な加工が可能となる。詳しくは、低温流体２２０は、ツールヘッド１９０に適切なレベルの冷却剤／潤滑剤を提供する。蒸発させると、低温流体２２０は、付加製造ツール１２０及び付加工程のための不活性雰囲気を供給しうる。他の部品及び他の構成が使用されてもよい。
【００１７】
前述の記載が本願発明のいくつかの実施形態にのみ関するものであることは明らかである。当業者は、添付の特許請求の範囲及びその等価物により定義される本発明の一般的な趣旨及び範囲から逸脱することなく、多くの変更及び修正を行うことができる。
［実施態様１］
複合型付加製造及び機械加工システム（１００）であって、
アウターチャンバ（２７０）と、
アウターチャンバ（２７０）内に配置された付加製造ツール（１２０）と、
アウターチャンバ（２７０）内に配置された加工ツール（１８０）と、
加工ツール（１８０）と連通する低温流体源とを含むシステム。
［実施態様２］
実施態様１に記載の複合型付加製造及び機械加工システム（１００）であって、
付加製造ツール（１２０）がレーザ堆積溶接ツール（１３０）を含む、システム。
［実施態様３］
実施態様１に記載の複合型付加製造及び機械加工システム（１００）であって、
付加製造ツール（１２０）がレーザ（１７０）を含む、システム。
［実施態様４］
実施態様１に記載の複合型付加製造及び機械加工システム（１００）であって、
付加製造ツール（１２０）が、金属源と連通するノズル（１４０）を含む、システム。
［実施態様５］
実施態様４に記載の複合型付加製造及び機械加工システム（１００）であって、
金属源が金属粉末流（１５０）又は金属線を含む、システム。
［実施態様６］
実施態様４に記載の複合型付加製造及び機械加工システム（１００）であって、
金属源が超合金を含む、システム。
［実施態様７］
実施態様１に記載の複合型付加製造及び機械加工システム（１００）であって、
加工ツール（１８０）がツールヘッド（１９０）を含む、システム。
［実施態様８］
実施態様７に記載の複合型付加製造及び機械加工システム（１００）であって、
ツールヘッド（１９０）が、低温流体源に連通する冷却ノズル（２００）を含む、システム。
［実施態様９］
実施態様１に記載の複合型付加製造及び機械加工システム（１００）であって、
低温流体源が、不活性流体を含む、システム。
［実施態様１０］
実施態様９に記載の複合型付加製造及び機械加工システム（１００）であって、
不活性流体がヘリウム又はアルゴンを含む、システム。
［実施態様１１］
実施態様１に記載の複合型付加製造及び機械加工システム（１００）であって、
低温流体源が窒素又は二酸化炭素を含む、システム。
［実施態様１２］
付加製造ツール（１２０）及び／又は加工ツール（１８０）を位置決めするための、１つ以上のツールシャトル（２３０）をさらに含む、実施態様１に記載の複合型付加製造及び機械加工システム（１００）。
［実施態様１３］
作業台（２４０）をさらに含む、実施態様１に記載の複合型付加製造及び機械加工システム（１００）。
［実施態様１４］
実施態様１３に記載の複合型付加製造及び機械加工システム（１００）であって、
作業台（２４０）が、回転台（２５０）及び／又は旋回アセンブリ（２６０）を含む、システム。
［実施態様１５］
部品（１１０）の製造及び仕上げ加工の方法であって、
チャンバ（２７０）内に超合金を積層する工程と、
エネルギー源（１７０）を用いて超合金を溶着して部品（１１０）を作成する工程と、
チャンバ（２７０）内で低温に冷却された加工ツール（１８０）を用いて部品（１１０）を機械加工する工程とを含む、方法。
［実施態様１６］
部品（１１０）を作成し、仕上げ加工するための複合型付加製造及び機械加工システム（１００）であって、
アウターチャンバ（２７０）と、
アウターチャンバ（２７０）内に配置された付加製造ツール（１２０）と、
アウターチャンバ（２７０）内に配置された加工ツール（１８０）と、
加工ツール（１８０）と連通する低温流体源と、
付加製造ツール（１２０）及び／又は加工ツール（１８０）を位置決めするための、１つ以上のツールシャトル（２３０）と、
部品（１１０）を支持するための作業台（２４０）とを含む、システム。
［実施態様１７］
実施態様１６に記載の複合型付加製造及び機械加工システム（１００）であって、
付加製造ツール（１２０）がレーザ堆積溶接ツール（１３０）を含む、システム。
［実施態様１８］
実施態様１６に記載の複合型付加製造及び機械加工システム（１００）であって、
付加製造ツール（１２０）が、金属源と連通しているレーザ（１７０）及びノズル（１４０）を含む、システム。
［実施態様１９］
実施態様１６に記載の複合型付加製造及び機械加工システム（１００）であって、
加工ツール（１８０）が、低温流体源と連通しているツールヘッド（１９０）及び冷却ノズル（２００）を含む、システム。
［実施態様２０］
実施態様１６に記載の複合型付加製造及び機械加工システム（１００）であって、
低温流体源が、ヘリウム、アルゴン、窒素、二酸化炭素を含む、システム。
【符号の説明】
【００１８】
１００  複合型付加製造及び機械加工システム
１１０  部品
１２０  付加製造ツール
１３０  レーザ堆積溶接ツール
１４０  ノズル
１５０  金属粉末流
１６０  金属粉末源
１７０  レーザ
１８０  加工ツール
１９０  ツールヘッド
２００  冷却ノズル
２１０  冷却流体源
２２０  低温流体
２３０  ツールシャトル
２４０  作業台
２５０  回転台
２６０  旋回アセンブリ
２７０  アウターチャンバ
【図１】
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【図２】
2017113871.tif 000004
【図３】
2017113871.tif 000005
【外国語明細書】
2017113871000001.pdf