(57)【要約】  本開示は、一般に、主要コア部、コア先端部、及びシェル部を含み、前記コア部と前記シェル部との間に少なくとも１つのキャビティを有する一体式コア−シェルインベストメント鋳型に関する。キャビティが、セラミックの型の鋳造及び取り外しの際に鋳造部品の形状を画定する。これらの型はまた、金属鋳造後コア部のための浸出経路を提供する、タービンブレード又はステータベーンの表面の冷却穴のパターンに対応するフィラメント構造を提供する。少なくとも２つのセラミック先端フィラメントが、コア先端部とシェル部とを接続し、鋳造中に先端プレナムコアを定位置に保持するための先端ピン又はシェルロックの必要性を排除する。本発明はまた、例えば鋳型のコア先端部において、浸出経路を補うために使用することができるコアフィラメントに関する。
2020515414.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックの型を製造する方法であって、
（ａ）加工物の硬化部分を液状セラミックフォトポリマーと接触させること、
（ｂ）前記液状セラミックフォトポリマーに接触する窓を通して前記硬化部分に隣接する前記液状セラミックフォトポリマーの一部を照射すること、
（ｃ）前記未硬化の液状セラミックフォトポリマーから前記加工物を取り出すこと、及び
（ｄ）セラミックの型が形成されるまで工程（ａ）〜（ｃ）を繰り返すこと
を含み、前記セラミックの型が、主要コア部、コア先端部、及びシェル部を含み、前記コア部と前記シェル部との間に少なくとも１つのキャビティを有し、前記キャビティが、前記セラミックの型の鋳造及び取り外しの際に鋳造部品の前記形状を画定するように適合され、少なくとも１つのセラミック先端フィラメントが前記コア先端部と前記シェル部とを接続している、方法。
【請求項２】
前記方法が、工程（ｄ）の後に、液状金属を鋳造用の型に注ぎ込み、前記液状金属を凝固させて前記鋳造部品を形成することを含む工程（ｅ）を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記方法が、工程（ｅ）の後に、前記鋳造部品から前記型を取り外すことを含む工程（ｆ）を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記鋳造部品から前記型を取り外すことが、機械的な力と化学的な浸出の組み合わせを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記浸出の少なくとも一部が、前記セラミック先端フィラメントによって形成された前記鋳造部品の先端の穴を通って生じる、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記鋳造部品がタービンブレードであり、前記セラミック先端フィラメントが少なくとも２ｍｍ２の断面積を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記鋳造部品がタービンブレードであり、前記セラミック先端フィラメントが前記先端プレナムに冷却穴のパターンをもたらす、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記鋳造部品がタービンブレード又はステータベーンであり、前記セラミックの型が、前記コア部とシェル部とを接合する複数の冷却穴フィラメントを含み、各フィラメントが前記コアとシェルとの間にまたがり、前記冷却穴フィラメントは、前記型を取り出すと、前記タービンブレード又は前記ステータベーンに複数の冷却穴を画定するよう適合される、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記冷却穴フィラメントが、０．０１〜２ｍｍ２の範囲の断面積を有する、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
鋳造部品を製造する方法であって、
セラミック鋳型に液状金属を注入し、前記液状金属を凝固させて前記鋳造部品を形成することであって、前記セラミックの型が、主要コア部、コア先端部、及びシェル部を含み、前記コア部と前記シェル部との間に少なくとも１つのキャビティを有し、前記キャビティが、前記セラミックの型の鋳造及び取り外しの際に鋳造部品の前記形状を画定するように適合され、少なくとも１つのセラミック先端フィラメントが前記コア先端部と前記シェル部とを接続すること、及び
前記鋳造部品から前記セラミック鋳型を取り外すこと
を含む方法。
【請求項１１】
前記鋳造部品から前記セラミック鋳型を取り外すことが、機械的な力と化学的な浸出の組み合わせを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記化学的な浸出を除去することがアルカリ性である、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記鋳造部品がタービンブレード又はステータベーンである、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記鋳造部品がタービンブレード又はステータベーンであり、前記セラミックの型が、前記コア部とシェル部とを接合する複数のフィラメントを含み、各フィラメントが前記コアとシェルとの間にまたがり、前記フィラメントは、前記型を取り出すと、前記タービンブレード又は前記ステータベーンに複数の冷却穴を画定するよう適合される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記冷却穴フィラメントが、０．０１〜２ｍｍ２の範囲の断面積を有する、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
セラミック鋳型であって、
主要コア部、コア先端部、及びシェル部を含み、前記コア部と前記シェル部との間に少なくとも１つのキャビティを有し、前記キャビティが、前記セラミックの型の鋳造及び取り外しの際に鋳造部品の前記形状を画定するように適合され、少なくとも１つのセラミック先端フィラメントが前記コア先端部と前記シェル部とを接続する、セラミック鋳型。
【請求項１７】
前記鋳造部品がタービンブレード又はステータベーンであり、前記セラミックの型が、前記コア部とシェル部とを接合する複数のフィラメントを含み、各フィラメントが前記コアとシェルとの間にまたがり、前記フィラメントは、前記型を取り出すと、前記タービンブレード又は前記ステータベーンに複数の冷却穴を画定するよう適合される、請求項１６に記載のセラミック鋳型。
【請求項１８】
前記冷却穴フィラメントが、０．０１〜２ｍｍ２の範囲の断面積を有する、請求項１７に記載のセラミック鋳型。
【請求項１９】
前記セラミックが光重合セラミックである、請求項１７に記載のセラミック鋳型。
【請求項２０】
前記セラミックが硬化した光重合セラミックである、請求項１７に記載のセラミック鋳型。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は一般にインベストメント鋳造コア−シェル型部品及びこれらの部品を利用するプロセスに関する。本発明に従って製造されたコア−シェル型は、これらの型から製造された鋳造部品に穴、すなわち噴散冷却穴を形成するために利用できる型のコアとシェルとの間の一体式セラミックフィラメントを含む。コアとシェルとの間に十分なセラミックフィラメントを使用して、コアの蛇行のための浸出経路を探し出しかつ提供することはまた、ボールろう付けシュートを排除することを可能にする。先端プレナムコアとシェルとの間にセラミックフィラメントを設けて、浮動する先端プレナムを支持し、従来式の先端ピンの必要性、及びその後のろう付けによる閉鎖をなくし得る。一体式コア−シェル型は、ジェット航空機のエンジン又は発電用タービンの部品用のタービンブレード及びステータベーンを製造するために使用される超合金の鋳造などの鋳造作業において有用な特性を提供する。
【背景技術】
【０００２】
現代の多くのエンジン及び次世代のタービンエンジンは、入り組んだ複雑な形状を有する部品及び部分を必要とし、それらは新しいタイプの材料及び製造技術を必要とする。エンジンの部分及び部品を製造するための従来の技術は、面倒なインベストメントプロセス又はロストワックス鋳造を含む。インベストメント鋳造の一例は、ガスタービンエンジンに使用される典型的なロータブレードの製造を含む。タービンブレードは通常、エンジン内での作動中に加圧冷却空気を受けるための少なくとも１つ又は複数の入口を有するブレードのスパンに沿って延びる、半径方向のチャネルを有する中空のエーロフォイルを含む。ブレード内の様々な冷却通路は通常、前縁と後縁との間のエーロフォイルの中央に配置された蛇行チャネルを含む。エーロフォイルは通常、加圧冷却空気を受けるためにブレードを通って延びる入口を含み、これはエーロフォイルの加熱された側壁と内部冷却空気との間の熱伝達を増大させるための短いタービュレータリブ又はピンなどの局所的特徴を含む。
【０００３】
典型的には高強度超合金金属材料からのこれらのタービンブレードの製造は、図１に示される多数の工程を含む。第１に、タービンブレードの内側に望まれる複雑な冷却通路に適合するように精密なセラミックコアが製造される。そのエーロフォイル、プラットフォーム、及び一体式ダブテールを含むタービンブレードの正確な３次元外面を画定する精密なダイ又は型も作成される。このような型の構造の概略図を図２に示す。セラミックコア２００は、ブレードの生じる金属部分を画定する間に空間又は空隙を形成する２つのダイの半分の内側に組み立てられる。ワックスが、組み立てられたダイに注入されて空隙を充填し、その中に封入されたセラミックコアを取り囲む。２つのダイの半分は分割され、成形されたワックスから除去される。成形ワックスは、所望のブレードの正確な構成を有し、次いでセラミック材料で被覆されて周囲のセラミックシェル２０２を形成する。その後、ワックスが溶融されてシェル２０２から除去され、セラミックシェル２０２と内部セラミックコア２００及び先端プレナム２０４との間に対応する空隙又は空間２０１が残る。次いで、溶融した超合金金属をシェル内に注ぎ込み、その中の空隙を充填し、再びシェル２０２内に収容されているセラミックコア２００及び先端プレナム２０４を封入する。溶融した金属を冷却して凝固させ、次いで外部シェル２０２並びに内部コア２００及び先端プレナム２０４を適切に取り外して、内部冷却通路が見られる所望の金属タービンブレードを残す。浸出プロセスを介してセラミックコアの材料を除去するための経路を提供するために、ボールシュート２０３及び先端ピン２０５が設けられ、これらは浸出するとタービンブレード内にボールシュート及び先端穴を形成し、これは後にろう付けして閉鎖しなければならない。
【０００４】
次いで、鋳造タービンブレードは、次いでガスタービンエンジンでの運転中にエーロフォイルの外面に保護用冷却空気膜又はブランケットを形成する、内部に導かれた冷却空気のための出口を設けるため、所望するような、エーロフォイルの側壁を通るフィルム冷却穴の適切な列の穿孔など、ただしそれらに限定されない追加の鋳造後の修正を受け得る。タービンブレードがセラミックの型から取り外された後、セラミックコア２００のボールシュート２０３は、鋳造タービンブレードの内部空隙を通る所望の空気の通路を設けるために後でろう付け閉鎖される通路を形成する。しかし、これらの鋳造後の修正は制限され、タービンエンジンの複雑さが増すこと、及びタービンブレード内の特定の冷却回路の認識される効率性を考慮すると、より入り組んだ複雑な内部形状が必要とされる。インベストメント鋳造ではこれらの部品を製造することができるが、これらの従来の製造プロセスを使用して製造するには、位置の精度及び入り組んだ内部形状はより複雑なものになる。したがって、入り組んだ内部空隙を有する三次元部品のための改良された鋳造方法を提供することが望まれる。
【０００５】
セラミックコア−シェル型を製造するために３Ｄ印刷を使用する方法は、Ｒｏｌｌｓ−Ｒｏｙｃｅ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎに譲渡された米国特許第８，８５１，１５１号明細書に記載されている。型を製造する方法は、マサチューセッツ工科大学に譲渡された米国特許第５，３８７，３８０号明細書に開示されているものなどの粉体層セラミック法、及び３Ｄ  Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｉｎｃに譲渡された米国特許第５，２５６，３４０号明細書に開示されているものなどの選択的レーザ活性化（ＳＬＡ）を含む。特許‘１５１号によるセラミックコア−シェル型は、これらのプロセスの印刷分解能によって制限されている。図３に示すように、一体式コア−シェル型のコア部３０１とシェル部３０２とは、型の下縁に設けられた一連の結合構造体３０３を介して一緒に保持されている。特許‘１５１号では、短いシリンダによって接合された千鳥状の垂直キャビティを含む冷却通路が提案されている。その長さはその直径とほぼ同じである。次いで、超合金タービンブレードが、特許‘１５１号に開示されている既知の技術を使用してコア−シェル型内に形成される。また、それは参照により本明細書に組み込まれる。タービンブレードがこれらのコア−シェル型のうちの１つの中に鋳造された後、型は取り去られて、鋳造超合金タービンブレードが現れる。
【０００６】
鋳造プロセスの最終的な製造物において細部のキャスティング特徴を提供することができる、より高分解能の方法を利用して製造されたセラミックコア−シェル型を製造する必要性が依然としてある。
【発明の概要】
【０００７】
一実施形態では、本発明は、工程（ａ）〜（ｄ）を含むセラミックの型の製造方法に関する。工程（ａ）は、加工物の硬化部分を液状セラミックフォトポリマーと接触させることを含む。工程（ｂ）は、液状セラミックフォトポリマーに接触する窓を通して硬化部分に隣接する液状セラミックフォトポリマーの一部を照射することを含む。工程（ｃ）は、未硬化の液状セラミックフォトポリマーから加工物を取り出すこと、及び工程（ｄ）はセラミックの型が形成されるまで工程（ａ）〜（ｃ）を繰り返すことを含む。このプロセスで形成されたセラミックの型は、主要コア部、コア先端部、及びシェル部を含み、コア部とシェル部との間に少なくとも１つのキャビティを有する。キャビティが、セラミックの型の鋳造及び取り外しの際に鋳造部品の形状を画定する。少なくとも１つのセラミック先端フィラメントが、コア先端部とシェル部とを接続している。先端フィラメントが、鋳造中にコア先端部を支持し、鋳造中に先端プレナムを定位置に保持するための先端ピン又はシェルロックの必要性を排除する。先端フィラメントが先端プレナムに冷却穴のパターンを形成するとき、フィラメントは、冷却穴を作るのに使用されるもののオーダーの断面積、０．０１〜２ｍｍ２を有する。冷却穴のパターンを形成するために使用される多数のフィラメントは、先端コアを支持するのに十分な強度を付与し得る。先端フィラメントが先端プレナムコアを支持するように作られている場合、それらはより大きく、すなわち＞２ｍｍの断面積で作られてもよく、はるかに少ない数のフィラメント、又は単一のフィラメントが使用されてもよい。ただし、２〜４本のこれらよりも大きなフィラメントが、望ましい数である。鋳造後、フィラメントの結果として先端プレナム側壁に残っているいずれかの穴又はノッチをろう付けして閉じるか、タービンブレード又はステータベーン設計に組み込むことができる。
【０００８】
別の態様では、本発明は鋳造部品の製造方法に関する。この方法は、液状金属を鋳造用の型に注ぎ込み、液状金属を凝固させて鋳造部品を形成することを含む。このプロセスで形成されたセラミックの型は、主要コア部、コア先端部、及びシェル部を含み、コア部とシェル部との間に少なくとも１つのキャビティを有する。キャビティが、セラミックの型の鋳造及び取り外しの際に鋳造部品の形状を画定する。少なくとも１つのセラミック先端フィラメントが、コア先端部とシェル部とを接続している。
【０００９】
他の態様において、本発明はセラミック鋳型を含む。セラミック鋳型は、主要コア部、コア先端部、及びシェル部を含み、コア部とシェル部との間に少なくとも１つのキャビティを有する。キャビティが、セラミックの型の鋳造及び取り外しの際に鋳造部品の形状を画定する。少なくとも１つのセラミック先端フィラメントが、コア先端部とシェル部とを接続している。好ましくは、鋳造部品がタービンブレード又はステータベーンであり、セラミックの型が、コア部とシェル部とを接合する複数の冷却穴フィラメントを含み、各フィラメントがコアとシェルとの間にまたがる。好ましくは、タービンブレードは、例えば航空機エンジン又は発電におけるガスタービンエンジンに使用される。タービンブレード又はステータベーンは、好ましくは、上述のセラミックフィラメントによって画定された冷却穴のパターンを有する単結晶鋳造タービンブレード又はステータベーンである。冷却穴フィラメントは、型の取り外し時にタービンブレード又はステータベーンに複数の冷却穴を画定するように適合されている。冷却穴フィラメントは、０．０１〜２ｍｍ２の範囲の断面積を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】従来のインベストメント鋳造の工程を示す流れ図である。
【図２】従来のプロセスで製造されたボールシュート付きコア−シェル型の従来の方式の例を示す概略図である。
【図３】コア部とシェル部とを結ぶ結合部を伴う、先行技術の一体式コア−シェル型の斜視図を示す。
【図４】直接光処理（ＤＬＰ）のための方法のシーケンスの連続した段階を実行するための装置の概略的な横断面図を示す。
【図５】直接光処理（ＤＬＰ）のための方法のシーケンスの連続した段階を実行するための装置の概略的な横断面図を示す。
【図６】直接光処理（ＤＬＰ）のための方法のシーケンスの連続した段階を実行するための装置の概略的な横断面図を示す。
【図７】直接光処理（ＤＬＰ）のための方法のシーケンスの連続した段階を実行するための装置の概略的な横断面図を示す。
【図８】図７のＡ−Ａ線に沿った概略断面図を示す。
【図９】コア部とシェル部とを接続する中空フィラメントを有する一体式コア−シェル型の側面図を示す。
【図１０】本発明の一実施形態による一体式コア−シェル型の側面図を示す。
【図１１】本発明の実施形態による、超合金充填一体式コア−シェル型の側面図を示す。
【図１２】本発明の実施形態による、ブレード先端の上方に出るコア印刷フィラメントを有する一体式コア−シェル型の概略図である。
【図１３】本発明の実施形態による、ブレード先端のそばに出るコア印刷フィラメントを有する一体式コア−シェル型の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
添付の図面に関連して以下に記載される詳細な説明は、様々な構成の説明として意図されており、本明細書で説明される概念が実施され得る唯一の構成を表すことは、意図されていない。詳細な説明は、様々な概念の完全な理解をもたらす目的のための特定の詳細を含む。しかし、これらの概念がこれらの具体的な詳細なしに実施されてもよいことは当業者に明らかである。例えば、本発明は鋳造金属部品、好ましくはジェット航空機エンジンの製造に使用される鋳造金属部品を製造するための好ましい方法を提供する。具体的には、タービンブレード、ベーン、及びシュラウド部品などの単結晶ニッケルベースの超合金鋳造部品の製造は、本発明に従って有利に製造することができる。しかし、他の鋳造金属部品は本発明の技術及び一体式セラミックの型を用いて製造することができる。
【００１２】
一体式コア−シェル型を製造するための公知の従来のプロセスは、完成したタービンブレードに噴散冷却穴を生じるのに十分小さいサイズ及び量の型のコア部とシェル部との間に延びるフィラメントを印刷するのに必要な微細な分解能を欠いているということを、本発明者らは認識した。マサチューセッツ工科大学に譲渡された米国特許第５，３８７，３８０号明細書に開示されているものなどの初期の粉体層法の場合、粉体層リコータアームの作用が、鋳造部分の噴散冷却穴のパターンをもたらすコアとシェルの間に延びる十分に細かいフィラメントの形成を妨げる。トップダウン照射技術を使用する３Ｄ  Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｉｎｃ．に譲渡された米国特許第５，２５６，３４０号明細書に開示されているものなどの選択的レーザ活性化（ＳＬＡ）などの他の既知の技術は、本発明による一体式コア−シェル型の製造に利用することができる。しかし、これらのシステムの利用可能な印刷の分解能は、鋳造の最終的な製造物において有効な冷却穴として役立てるのに十分に小さいサイズのフィラメントを製造する能力を著しく制限する。
【００１３】
本発明者らは、本発明の一体式コア−シェル型を、直接光処理（ＤＬＰ）を用いて製造できることを見出した。ＤＬＰは、ポリマーの光硬化が樹脂のタンクの底部の窓を通して行われるという点で上記の粉体層法及びＳＬＡ法と異なり、それはプロセスが行われるにつれて持ち上げられる構築プラットフォーム上に光を投影する。ＤＬＰで、硬化したポリマーの全層が同時に製造され、レーザを用いてパターンを走査する必要性が排除される。さらに、下にある窓と造られる物体の最後の硬化層との間で、重合が起こる。下にある窓は、別個の支持構造を必要とせずに材料の細いフィラメントを製造することを可能にする支持を提供する。言い換えれば、造形物の２つの部分を橋渡しする材料の細いフィラメントを製造することは困難であり、従来技術において典型的に回避されていた。例えば、本願の背景技術の項で上述した特許‘１５１は、短いシリンダと接続された垂直プレート構造を使用し、その長さはそれらの直径のオーダーであった。特許‘１５１に開示された粉体層及びＳＬＡの技術は、垂直に支持されたセラミック構造を必要とし、この技術はフィラメントを確実に製造することが不可能であるという事実により、互い違いの垂直キャビティが必要とされる。さらに、粉体層内にある利用可能な分解能は１／８インチ程度であり、従来式の冷却穴の製造は実用的ではない。例えば、円形の冷却穴は一般に、３．２ｍｍ２未満の冷却穴の面積に対応する２ｍｍ未満の直径を有する。いくつかのボクセルから穴を製造する必要性を考えると、そのような寸法の穴の製造により、実際の穴のサイズをはるかに下回る分解能が必要となる。この分解能は、粉体層法では単純に利用できない。同様に、ステレオリソグラフィーは、支持の欠如及びレーザの散乱に伴う分解能の問題のために、そのようなフィラメントを製造するその能力において、制限されている。しかし、ＤＬＰがフィラメントの全長を露出させ、それを窓と構築板の間にて支持するという事実により、コアとシェルとの間の全長に亘って十分に細いフィラメントを製造して、所望の冷却穴部分を有するセラミックの物体を形成することが可能になる。粉体層及びＳＬＡを使用してフィラメントを製造することができるが、上述のように十分に細いフィラメントを製造するそれらの能力は限られている。
【００１４】
１つの適切なＤＬＰプロセスは、Ｉｖｏｃｌａｒ  Ｖｉｖａｄｅｎｔ  ＡＧ及びＴｅｃｈｎｉｓｃｈｅ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔａｔ  Ｗｉｅｎに譲渡された米国特許第９，０７９，３５７号明細書、並びに国際公開第２０１０／０４５９５０号パンフレット及び米国特許出願公開第２０１１３１０３７０号明細書に開示されている。その各々は参照により本明細書に組み込まれ、図４〜図７を参照しながら後述される。装置は、露光ユニット４１０の少なくとも一部を覆う少なくとも１つの半透明底部４０６を有するタンク４０４を含む。露光ユニット４１０は光源及び変調器を含み、それによって制御ユニットの制御下で強度を位置選択的に調整することができ、現在底部に形成されている層にとって望ましい幾何学的形状の露光フィールドをタンク底部４０６に生成する。代替として、レーザを露光ユニットに使用することができ、その光ビームは、制御ユニットによって制御される可動ミラーによって、所望の明度のパターンで露光フィールドを連続的に走査する。
【００１５】
露光ユニット４１０の反対側には、製造プラットフォーム４１２がタンク４０４の上方に設けられている。露光ユニット４１０の上方の領域でタンク底部４０６の上に高さ調整可能な方法で保持されるように、それは持ち上げ機構（図示せず）によって支持される。製造プラットフォーム４１２は、同様に透明又は半透明にして、光を製造プラットフォームの上方でさらなる露光ユニットで照らすことができ、その結果少なくとも製造プラットフォーム４１２の下側に第１の層を形成するときに、製造プラットフォームにおいて最初に硬化させた層が、はるかに高い信頼性でそれに接着するように、それを上方から露出することもできるようにする。
【００１６】
タンク４０４は、高粘性光重合性材料４２０の充填物を収容する。充填物の材料の高さは、位置選択的な露光のために規定することを意図している層の厚み部よりはるかに高い。光重合性材料の層を画定するために、以下の手順が採用される。製造プラットフォーム４１２は、制御下で持ち上げ機構により下げて、（第１の露光工程の前に）その下側が光重合性材料４２０の充填物に浸漬され、正確に所望の層の厚み部Δ（図５参照）が製造プラットフォーム４１２の下側とタンク底部４０６との間に残ることができる程度に、タンク底部４０６に近づくようにする。この浸漬プロセスの間、光重合性材料は製造プラットフォーム４１２の下側とタンク底部４０６との間の間隙から排除される。層の厚み部Δが設定された後、それを所望の形状に硬化させるために、所望の位置選択層の露光がこの層に対して行われる。特に第１の層を形成するとき、上からの露光も透明又は半透明の製造プラットフォーム４１２を介して行われ得るので、特に製造プラットフォーム４１２の下側と光重合性材料との間の接触領域において確実で完全な硬化が起こる。それ故、第１の層が製造プラットフォーム４１２に良好に接着することが確実になる。層が形成された後、製造プラットフォームは持ち上げ機構によって再び持ち上げられる。
【００１７】
続いてこれらの工程が数回繰り返され、最後に形成された層４２２の下側からタンク底部４０６までの距離が、それぞれ所望の層の厚み部Δに設定され、次の層が所望の方法で位置選択的に硬化される。
【００１８】
露光工程に続いて製造プラットフォーム４１２が持ち上げられた後、図６に示されるように、露光領域は材料が不足している。これは、厚み部Δで定めた層を硬化させた後、この層の材料が、製造プラットフォーム及びその上に既に形成されている成形体の一部と共に、硬化されて持ち上がるからである。したがって、既に形成されている成形体部の下側とタンク底部４０６との間に欠けている光重合性材料を、露光領域を囲む領域由来の光重合性材料４２０の充填物から、充填しなければならない。しかし、材料の粘度が高いために、それ自体が、成形体部の下側とタンク底部との間の露出領域に逆流することはなく、材料の窪み又は「穴」がその場所に残る可能性がある。
【００１９】
露光領域に光重合性材料を補充するために、細長い混合要素４３２を、タンク内の光重合性材料４２０の充填物を通して移動させる。図４〜図８に示す例示的実施形態では、混合要素４３２は、タンク４０４の側壁に移動可能に取り付けられた２つの支持アーム４３０の間に引っ張られる細長いワイヤを含む。支持アーム４３０は、タンク４０４の側壁のガイドスロット４３４に移動可能に取り付けることができ、その結果、支持アーム４３０間に引っ張られたワイヤ４３２は、支持アーム４３０をガイドスロット４３４にて動かすことによって、タンク底部４０６と平行に、タンク４０４に対して移動できる。細長い混合要素４３２には寸法があり、細長い混合要素４３２の上端が露光領域外側にあるタンク内の光重合性材料４２０の充填物の材料の高さより下に留まるように、その動きはタンク底部に対して誘導される。図８の断面図に見られるように、混合要素４３２はワイヤの全長に亘ってタンク内の材料の高さより下にあり、支持アーム４３０のみがタンクの材料の高さを超えて突き出ている。細長い混合要素をタンク４０４の材料の高さより下に配置する効果は、細長い混合要素４３２が、露出領域を経てタンクに対して移動している間にその前の材料を実質的に移動させることではなく、むしろわずかな上方への移動を実行しながらこの材料が混合要素４３２を流れることである。図６に示される位置から、例えば矢印Ａで示される方向での新しい位置への混合要素４３２の移動が、図７に示される。タンクの光重合性材料に対するこの種の作用によって、材料が製造プラットフォーム４１２と露光ユニット４１０との間の材料が枯渇した露光領域に逆流するように効果的に刺激されることが分かった。
【００２０】
タンクに対する細長い混合要素４３２の移動は、最初に、固定タンク４０４を用いて、製造プラットフォーム４１２と露光ユニット４１０との間の露光領域を通る細長い混合要素４３２の所望の動きを達成するために、支持アーム４３０をガイドスロット４３４に沿って移動させる線形駆動装置によって実行することができる。図８に示すように、タンク底部４０６は両側に凹部４０６’を有する。支持アーム４３０はそれらの下端でこれらの凹部４０６’内に突出する。これにより、タンク底部４０６を通る支持アーム４３０の下端部の動きを妨げることなく、細長い混合要素４３２をタンク底部４０６の高さに保持することが可能になる。
【００２１】
本発明の一体式コア−シェル型を製造するために、ＤＬＰの他の代替的な方法を使用してもよい。例えば、タンクは回転可能なプラットフォームに配置してもよい。ワークピースが連続する構築工程の間に粘性ポリマーから引き出されると、タンクはプラットフォーム及び光源に対して回転されて、粘性ポリマーの新しい層を提供し、その中に構築プラットフォームを浸して連続層を構築する。
【００２２】
図９は、コア部９００とシェル部９０１とを接続するフィラメント９０２を有する一体式コア−シェル型の概略側面図を示す。上記のＤＬＰ印刷プロセスを使用してセラミックの型を印刷することによって、コアとシェルとの間の接続点が、フィラメント９０２を通して設けられることを可能にするように、型を作製することができる。一体式コア−シェル型の先端部では、シェル９０１と先端プレナムコア９０４との間に空隙又は空間９０３が存在する。コア−シェル型が印刷されると、それは、印刷されたセラミックポリマー材料を硬化させる熱による後処理工程を受けることができる。次いで、超硬タービンブレードの製造に使用される従来式の鋳造工程と同様に、硬化セラミック鋳型を使用することができる。特に、中空フィラメント９０２は、タービンブレードの表面に噴散冷却穴のパターンを形成することと一致して大量に設けられるので、図２に示すようなボールシュート構造の必要性を、排除することができる。この実施形態では、先端プレナムコア９０４をコア９００に接続する先端ピン９０５が保持される。セラミックの型を取り外した後、コア９００と先端プレナムコア９０４との間に先端の穴が存在し、これは続いてろう付けで閉じることができる。しかし、先端ピン９０５を省いて、コアキャビティと先端プレナムとを接続する先端穴をろう付けして閉じる必要性を回避することができる。
【００２３】
フィラメント９０２は、好ましくは円筒形又は楕円形であるが、湾曲していても非線形でもよい。それらの正確な寸法は、特定の鋳造金属部品のための所望のフィルム冷却方式に従って変えてもよい。例えば、冷却穴は、０．０１〜２ｍｍ２の範囲の断面積を有し得る。タービンブレードでは、断面積は、０．０１〜０．１５ｍｍ２、より好ましくは０．０５〜０．１ｍｍ２、最も好ましくは約０．０７ｍｍ２の範囲であり得る。ベーンの場合、冷却穴は、０．０５〜０．２ｍｍ２、より好ましくは０．１〜０．１８ｍｍ２、最も好ましくは約０．１６ｍｍ２の範囲の断面積を有することができる。冷却穴の間隔は、典型的には、冷却穴の直径の２倍〜１０倍の範囲、最も好ましくは穴の直径の約４〜７倍の範囲の冷却穴の直径の倍数である。
【００２４】
フィラメント９０２の長さは、鋳造部品の厚さ、例えばタービンブレード又はステータベーンの壁の厚さ、及び冷却穴が鋳造部品の表面に対して配置される角度によって決まる。典型的な長さは、０．５〜５ｍｍ、より好ましくは０．７〜１ｍｍ、最も好ましくは約０．９ｍｍの範囲である。冷却穴が配置される角度は、表面に対して約５〜３５°、より好ましくは１０〜２０°、最も好ましくは約１２°である。本発明による鋳造方法は、鋳造部品の表面に対して、従来の機械加工技術を用いて現在利用可能なものよりも小さい角度を有する冷却穴の形成を可能にすることを理解されたい。
【００２５】
図１０は、本発明の一実施形態による一体式コア−シェル型の側面図を示す。図９に示す概略図と同様に、コア１０００は、いくつかのフィラメント１００２を介してシェル１００１に接続されている。コア−シェル型１０００／１００１は、タービンブレードをインベストメント鋳造するためのキャビティ１００３を画定する。図１１は、ニッケルベースの金、すなわちインコネルなどの金属１００４で充填されたキャビティ１００３を示す。セラミックコア−シェルが浸出すると、得られる鋳造物は、ブレードの表面に冷却穴部分を有するタービンブレードである。図１０〜図１１はタービンブレードの前縁及び後縁における冷却孔を示す断面図を提供するが、タービンブレードの側面又は他の任意の位置を含む所望の場合には追加の冷却孔を設けることができることを理解されたい特に、本発明を使用して、任意の特定の設計で鋳造プロセス内に冷却穴を形成することができる。言い換えれば、冷却穴を形成するために以前に穿孔が使用されていた任意のパターンに、従来の冷却穴は生成することができる。しかし、本発明は、鋳造部品内に冷却穴を形成する、すなわち穿穴のための従来技術の限界に起因してこれまで達成できなかった冷却穴のパターンを可能にする。
【００２６】
図１２は、浮動する先端プレナムコア１２０３を有する一体式コア−シェル型の概略図である。先端プレナムコア１２０３は、コア印刷フィラメント１２０４でシェルに対して定位置に保持され、図９に示すような先端ピン又は従来のインベストメント鋳造で使用されるような先端プレナムコアをシェルに取り付けるためのシェルロックの必要性を排除する。この実施形態では、コア印刷フィラメント１２０４は、先端プレナムコア１２０３の最上部又は最上部付近で出る。コア印刷フィラメント１２０４は、先端プレナムコア１２０３を定位置に保持する追加の支持体を提供し、キャスティングプロセス中に先端プレナムコアの重量を支えるのに十分大きい断面積を有する。例えば、コア印刷フィラメントの断面積は一般に冷却穴フィラメントの断面積よりも大きい。ある場合には、コア印刷フィラメントの断面積は２ｍｍ２より大きく、平方センチメートルのオーダーの面積を有してもよい。
【００２７】
先端プレナムコアとシェルとの間に冷却穴フィラメントがない場合、又はフィラメントの量又はサイズが金属鋳造工程中に先端プレナムコアを所定の位置に保持するのに不十分である場合、コア印刷フィラメント１２０４が必要となり得る。コア印刷フィラメント１２０４を設けることにより、先端プレナムコア１２０３を上方に浮かせてメインコアから切り離すことができる。これは、先端プレナムを通して露出されたタービンブレードの表面をタービンブレードのメインコアキャビティに接続する先端穴をもたらす先端ピンの必要性を排除する。先端穴を排除することは、先端穴をろう付けして閉じる鋳造後の工程を排除するので有利である。この設計は、新規なコア−シェル構造を提供し、シェルに対して先端コアを穿孔するための先端ピン及び／又はシェルロックなどの従来の構造を排除する。
【００２８】
浸出後、コア印刷フィラメントからタービンブレードにおいて生じる穴は、必要ならばろう付けして閉じることができる。そうでなければ、コア印刷フィラメントによって残された穴は、内部冷却通路の設計に組み込まれ得る。或いは、金属鋳造工程中にチッププレナムコアを定位置に保持するのに十分な量でチッププレナムコアをシェルに接続するために、冷却穴フィラメントを設けてもよい。図１３は、コアフィラメントがブレード先端プレナム１２０３の側面に出る代替の設計を提供する。
【００２９】
本発明に従ってコア−シェル型構造を印刷した後、セラミックコアフォトポリマー材料の要件に応じて、コア−シェル型を硬化及び／又は焼成することができる。溶融金属を鋳型に流し込んで、一体のコア−シェル型によって実現される形状であり特徴を有する鋳造物を形成することができる。タービンブレードの場合、溶融金属は、従来のインベストメント鋳造の型で使用されることが知られている技術を使用して単結晶超合金タービンブレードに形成される超合金金属であることが好ましい。
【００３０】
態様では、本発明は、同様の方法で製造された他のコア−シェル型の特徴を組み込んだ、又は組み合わせた本発明のコア−シェル型構造に関する。以下の特許出願は、これらの様々な態様及びそれらの使用の開示を含む。
【００３１】
２０１６年１２月１３日に出願された、代理人整理番号０３７２１６．０００３６／２８４９７６号の「ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ  ＣＡＳＴＩＮＧ  ＣＯＲＥ−ＳＨＥＬＬ  ＳＴＲＵＣＴＵＲＥ」という名称の米国特許出願公開第［］号明細書。
【００３２】
２０１６年１２月１３日に出願された、代理人整理番号０３７２１６．０００３３／２８４９０９号の「ＭＵＬＴＩ−ＰＩＥＣＥ  ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ  ＣＯＲＥ−ＳＨＥＬＬ  ＳＴＲＵＣＴＵＲＥ  ＦＯＲ  ＭＡＫＩＮＧ  ＣＡＳＴ  ＣＯＭＰＯＮＥＮＴ」という名称の米国特許出願公開第［］号明細書。
【００３３】
２０１６年１２月１３日に出願された、代理人整理番号０３７２１６．０００４２／２８４９０９Ａ号の「ＭＵＬＴＩ−ＰＩＥＣＥ  ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ  ＣＯＲＥ−ＳＨＥＬＬ  ＳＴＲＵＣＴＵＲＥ  ＷＩＴＨ  ＳＴＡＮＤＯＦＦ  ＡＮＤ／ＯＲ  ＢＵＭＰＥＲ  ＦＯＲ  ＭＡＫＩＮＧ  ＣＡＳＴ  ＣＯＭＰＯＮＥＮＴ」という名称の米国特許出願公開第［］号明細書。
【００３４】
２０１６年１２月１３日に出願された、代理人整理番号０３７２１６．０００３２／２８４９１７号の「ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ  ＣＡＳＴＩＮＧ  ＣＯＲＥ  ＳＨＥＬＬ  ＳＴＲＵＣＴＵＲＥ  ＷＩＴＨ  ＰＲＩＮＴＥＤ  ＴＵＢＥＳ  ＦＯＲ  ＭＡＫＩＮＧ  ＣＡＳＴ  ＣＯＭＰＯＮＥＮＴ」という名称の米国特許出願公開第［］号明細書。
【００３５】
２０１６年１２月１３日に出願された、代理人整理番号０３７２１６．０００３９／２８５０２１号の「ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ  ＣＡＳＴＩＮＧ  ＣＯＲＥ−ＳＨＥＬＬ  ＳＴＲＵＣＴＵＲＥ  ＡＮＤ  ＦＩＬＴＥＲ  ＦＯＲ  ＭＡＫＩＮＧ  ＣＡＳＴ  ＣＯＭＰＯＮＥＮＴ」という名称の米国特許出願公開第［］号明細書。
【００３６】
２０１６年１２月１３日に出願された、代理人整理番号０３７２１６．０００４１／２８５０６４号の「ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ  ＣＡＳＴＩＮＧ  ＣＯＲＥ  ＳＨＥＬＬ  ＳＴＲＵＣＴＵＲＥ  ＦＯＲ  ＭＡＫＩＮＧ  ＣＡＳＴ  ＣＯＭＰＯＮＥＮＴ  ＷＩＴＨ  ＮＯＮ−ＬＩＮＥＡＲ  ＨＯＬＥＳ」という名称の米国特許出願公開第［］号明細書。
【００３７】
２０１６年１２月１３日に出願された、代理人整理番号０３７２１６．０００５５／２８５０６４号の「ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ  ＣＡＳＴＩＮＧ  ＣＯＲＥ  ＳＨＥＬＬ  ＳＴＲＵＣＴＵＲＥ  ＦＯＲ  ＭＡＫＩＮＧ  ＣＡＳＴ  ＣＯＭＰＯＮＥＮＴ  ＷＩＴＨ  ＣＯＯＬＩＮＧ  ＨＯＬＥＳ  ＩＮ  ＩＮＡＣＣＥＳＳＩＢＬＥ  ＬＯＣＡＴＩＯＮＳ」という名称の米国特許出願公開第［］号明細書。
【００３８】
２０１６年１２月１３日に出願された、代理人整理番号０３７２１６．０００５３／２８５０６４号の「ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ  ＣＡＳＴＩＮＧ  ＣＯＲＥ  ＳＨＥＬＬ  ＳＴＲＵＣＴＵＲＥ  ＦＯＲ  ＭＡＫＩＮＧ  ＣＡＳＴ  ＣＯＭＰＯＮＥＮＴ  ＨＡＶＩＮＧ  ＴＨＩＮ  ＲＯＯＴ  ＣＯＭＰＯＮＥＮＴＳ」という名称の米国特許出願公開第［］号明細書。
【００３９】
これらの出願の各々の開示は、それらが本明細書に開示されているコア−シェル型と併せて使用することができるコア−シェル型及びその製造方法のさらなる態様を開示する限りにおいて、その全体が本明細書に組み込まれる。
【００４０】
本明細書は、いかなる当業者も、好ましい実施形態を含む本発明を開示するために、また任意の装置又はシステムを製造及び使用すること、並びに任意の組み込まれた方法を実行することを含めて、本発明を実施できるようにすべく、例を利用している。本発明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、当業者が思い付く他の例を含み得る。そのような他の例は、それらが請求項の文字通りの文言と異ならない構造要素を有する場合、又はそれらが請求項の文字通りの文言と実質的に異なる同等の構造要素を含む場合、請求項の範囲内にあることが意図される。記載された様々な実施形態から得る態様、並びにそのような各態様に対する他の既知の均等物は、本願の原理に従って追加の実施形態及び技術を構築するために、当業者によって混合及び適合され得る。
【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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【手続補正書】
【提出日】令和1年7月18日(2019.7.18)
【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】
セラミックの型を製造する方法であって、
（ａ）加工物の硬化部分を液状セラミックフォトポリマーと接触させること、
（ｂ）前記液状セラミックフォトポリマーに接触する窓を通して前記硬化部分に隣接する前記液状セラミックフォトポリマーの一部を照射すること、
（ｃ）前記未硬化の液状セラミックフォトポリマーから前記加工物を取り出すこと、及び
（ｄ）セラミックの型が形成されるまで工程（ａ）〜（ｃ）を繰り返すこと
を含み、前記セラミックの型が、主要コア部（１２００）、コア先端部（１２０３）、及びシェル部（１２０１）を含み、前記コア部と前記シェル部との間に少なくとも１つのキャビティを有し、前記キャビティが、前記セラミックの型の鋳造及び取り外しの際に鋳造部品の前記形状を画定するように適合され、少なくとも１つのセラミック先端フィラメント（１２０４）が前記コア先端部と前記シェル部とを接続している、方法。
【請求項２】
前記方法が、工程（ｄ）の後に、液状金属を鋳造用の型に注ぎ込み、前記液状金属を凝固させて前記鋳造部品を形成することを含む工程（ｅ）を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記方法が、工程（ｅ）の後に、前記鋳造部品から前記型を取り外すことを含む工程（ｆ）を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記鋳造部品がタービンブレード又はステータベーンであり、前記セラミック先端フィラメントが少なくとも２ｍｍ２の断面積を有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記鋳造部品がタービンブレード又はステータベーンであり、前記セラミック先端フィラメントが前記先端プレナムに冷却穴のパターンをもたらす、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記鋳造部品がタービンブレード又はステータベーンであり、前記セラミックの型が、前記主要コア部と前記シェル部とを接合する複数の冷却穴フィラメント（１２０２）を含み、各フィラメントが前記主要コアと前記シェルとの間にまたがり、前記冷却穴フィラメントは、前記型を取り出すと、前記タービンブレード又は前記ステータベーンに複数の冷却穴を画定するよう適合される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記冷却穴フィラメントが、０．０１〜２ｍｍ２の範囲の断面積を有する、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
鋳造部品を製造する方法であって、
セラミック鋳型に液状金属を注入し、前記液状金属を凝固させて前記鋳造部品を形成することであって、前記セラミックの型が、主要コア部（１２００）、コア先端部（１２０３）、及びシェル部（１２０１）を含み、前記コア部と前記シェル部との間に少なくとも１つのキャビティを有し、前記キャビティが、前記セラミックの型の鋳造及び取り外しの際に鋳造部品の前記形状を画定するように適合され、少なくとも１つのセラミック先端フィラメント（１２０４）が前記コア先端部と前記シェル部とを接続すること、及び
前記鋳造部品から前記セラミック鋳型を取り外すこと
を含む方法。
【請求項９】
前記鋳造部品がタービンブレード又はステータベーンであり、前記セラミックの型が、前記主要コア部と前記シェル部とを接合する複数の冷却穴フィラメント（１２０２）を含み、各フィラメントが前記主要コアと前記シェルとの間にまたがり、前記冷却穴フィラメントは、前記型を取り出すと、前記タービンブレード又は前記ステータベーンに複数の冷却穴を画定するよう適合される、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記冷却穴フィラメントが、０．０１〜２ｍｍ２の範囲の断面積を有する、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
セラミック鋳型であって、
主要コア部（１２００）、コア先端部（１２０３）、及びシェル部（１２０１）を含み、前記コア部と前記シェル部との間に少なくとも１つのキャビティを有し、前記キャビティが、前記セラミックの型の鋳造及び取り外しの際に鋳造部品の前記形状を画定するように適合され、少なくとも１つのセラミック先端フィラメント（１２０４）が前記コア先端部と前記シェル部とを接続する、セラミック鋳型。
【請求項１２】
前記鋳造部品がタービンブレード又はステータベーンであり、前記セラミックの型が、前記コア部とシェル部とを接合する複数の冷却穴フィラメント（１２０２）を含み、各フィラメントが前記主要コアと前記シェルとの間にまたがり、前記冷却穴フィラメントは、前記型を取り出すと、前記タービンブレード又は前記ステータベーンに複数の冷却穴を画定するよう適合される、請求項１１に記載のセラミック鋳型。
【請求項１３】
前記冷却穴フィラメントが、０．０１〜２ｍｍ２の範囲の断面積を有する、請求項１２に記載のセラミック鋳型。
【請求項１４】
前記セラミックが光重合セラミックである、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載のセラミック鋳型。
【請求項１５】
前記セラミックが硬化した光重合セラミックである、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載のセラミック鋳型。
【国際調査報告】
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