CN110461509B - 层叠造型物的制造方法及制造*** - Google Patents

层叠造型物的制造方法及制造*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种层叠造型物的制造方法，在该制造方法中，对上一层的熔融焊缝(61)进行造型，并通过温度传感器(30)对该熔融焊缝(61)的温度进行监视。下一层的熔融焊缝的造型在上一层的熔融焊缝(61)的温度成为容许的道次间温度以下时开始。由此，能够在确保造型精度的同时，以最佳的造型时间进行稳定的造型。

Description

层叠造型物的制造方法及制造***
技术领域
本发明涉及层叠造型物的制造方法及制造***，更详细而言，涉及使用电弧对焊料进行熔融及固化来进行层叠造型的层叠造型物的制造方法及制造***。
背景技术
近年来，作为生产单元的3D打印机的需求不断高涨，特别是对向金属材料的应用，在飞机行业等中面向实用化进行了研究开发。使用了金属材料的3D打印机使用激光、电弧等热源，使金属粉末、金属焊丝熔融，使熔融金属层叠而成型造型物。
以往，作为层叠熔融金属来对造型物进行造型的技术，已知有使用焊接焊缝来制造模具的技术(例如，参照专利文献1)。在专利文献1中记载了一种模具的制造方法，包括：生成表现模具的形状的形状数据的工序；基于所生成的形状数据，将模具分割成沿着等高线的层叠体的工序；以及基于得到的层叠体的形状数据，制作供给焊料的焊炬的移动路径的工序。
另外，以往，作为由焊接进行的配管彼此的接合方法，已知有如下多层焊接方法，即，为了提高焊接效率，使电弧停止的焊炬移动到不超过对于由上一层的焊接道次形成的焊接焊缝的道次间温度的限制的最短距离的位置，来焊接下一层(例如，参照专利文献2)。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第3784539号公报
专利文献2：日本特开2016－22480号公报
发明内容
发明要解决的课题
但是，使用电弧的层叠造型方法与激光相比，由于输入热量多，造型效率(每单位时间的***量)也高，因此冷却速度变慢。如图6A所示，在使用焊炬101层叠N层的焊接焊缝102而成形层叠造型物100时，在对第N层的焊接焊缝104进行造型时，如果第N－1层的焊接焊缝103的温度保持较高，则产生第N层的焊缝104扁平化(参照图6B)、或垂落(参照图6C)等问题，造型变得不稳定。另一方面，如果延长造型时间，则虽然没有焊缝104的扁平化、垂落的问题，但存在造型生产率降低的问题，为了提高生产率，需要缩短每一层的层叠时间。
在专利文献1的制造方法中，未考虑上述问题。专利文献2不是与层叠造型相关的技术，另外，对于由上一层的焊接道次形成的焊接焊缝，从不超过道次间温度的限制的最短距离的位置起进行下一层的焊接道次，因此无法应对使端部位置一致而进行的层叠造型。
本发明是鉴于前述课题而完成的，其目的在于提供能够在确保造型精度的同时，进行稳定的造型的层叠造型物的制造方法及制造***。
用于解决课题的方案
本发明的上述目的通过下述结构来实现。
(1)一种层叠造型物的制造方法，其使用电弧对焊料进行熔融及固化，层叠形成多层熔融焊缝而制作造型物，其中，
所述层叠造型物的制造方法包括：
对上一层的所述熔融焊缝进行造型的造型工序；以及
对所述上一层的所述熔融焊缝的温度进行监视的工序，
下一层的所述熔融焊缝的造型在所述上一层的熔融焊缝的温度成为容许的道次间温度以下时开始。
(2)根据(1)所述的层叠造型物的制造方法，其中，
所述层叠造型物的制造方法还包括对所述上一层的熔融焊缝的温度从造型开始时刻的温度起冷却至容许的道次间温度为止的冷却时间进行测量的工序，
所述熔融焊缝的每一层的造型时间被设定为所述冷却时间以上。
(3)根据(2)所述的层叠造型物的制造方法，其中，
所述熔融焊缝的每一层的造型时间被设定为所述冷却时间。
(4)一种层叠造型物的制造方法，其使用电弧对焊料进行熔融及固化，层叠形成多层熔融焊缝而制作造型物的层叠造型物的制造方法，
所述层叠造型物的制造方法包括：
对所述熔融焊缝进行造型的工序；
对所述熔融焊缝的温度进行监视的工序；以及
对所述熔融焊缝的温度从造型开始时刻的温度起到冷却至容许的道次间温度为止的冷却时间进行测量的工序，
对所述熔融焊缝进行造型时的焊炬的根数被设定为以所述熔融焊缝的每一层的造型时间除以所述冷却时间而得到的商的整数值。
(5)根据(2)至(4)中任一项所述的层叠造型物的制造方法，其中，
使所述造型工序中的输入热量在所述熔融焊缝的每单位长度上为固定，并且通过变更所述造型工序中的电流、电压、及焊接速度中的至少一者来调整所述熔融焊缝的每一层的造型时间。
(6)根据(2)至(4)中任一项所述的层叠造型物的制造方法，其中
以所述造型工序中的所述熔融焊缝的截面积为固定的方式，通过变更所述造型工序中的电流、电压、及焊接速度中的至少一者来调整所述熔融焊缝的每一层的造型时间。
(7)一种层叠造型物的制造***，其层叠形成多层熔融焊缝而制作造型物，其中，
所述层叠造型物的制造***包括：
层叠装置，其基于将所述造型物分割成相互平行的多个层的、表示各所述层的形状的层形状数据，使用电弧对焊料进行熔融及固化，从而层叠形成多层所述熔融焊缝；
温度传感器，其在每次形成所述熔融焊缝时对所述熔融焊缝的温度进行测定；以及
控制装置，其以下一层的所述熔融焊缝的造型在上一层的所述熔融焊缝的温度成为容许的道次间温度以下时开始的方式对所述层叠装置进行控制。
发明效果
根据本发明的层叠造型物的制造方法及制造***，对上一层的熔融焊缝进行造型，并且通过温度传感器对上一层的熔融焊缝的温度进行监视。而且，下一层的熔融焊缝的造型在上一层的熔融焊缝的温度成为容许的道次间温度以下时开始。由此，能够在确保造型精度的同时，实现由稳定的电弧进行的层叠造型。
另外，根据本发明的层叠造型物的制造方法，对熔融焊缝进行造型，通过温度传感器对熔融焊缝的温度进行监视，并且测量熔融焊缝的温度从造型开始时刻的温度起到冷却至容许的道次间温度为止的冷却时间。而且，将对熔融焊缝进行造型时的焊炬的根数设定为以熔融焊缝的每一层的造型时间除以冷却时间而得到的商的整数值。由此，能够高效地成形层叠造型物。
附图说明
图1是表示本发明的第一实施方式的层叠造型物的制造***的结构的示意图。
图2是表示由图1所示的层叠造型物的制造***制作的圆筒形的层叠造型物的立体图。
图3是表示熔融焊缝的层叠时间间隔与单位层叠高度及顶层的饱和温度的关系的曲线图。
图4是表示由层叠造型物的制造***制作的“コ”字形的层叠造型物的立体图。
图5是表示本发明的第二实施方式的层叠造型物的制造***的结构的示意图。
图6A是表示利用多层(N层)的熔融焊缝成形层叠造型物的状态的侧视图。
图6B是表示通过在上一层的熔融焊缝的温度高的状态下层叠熔融焊缝而使熔融焊缝扁平化的情况的示意图。
图6C是表示通过在上一层的熔融焊缝的温度高的状态下层叠熔融焊缝而在熔融焊缝上产生垂落的情况的示意图。
具体实施方式
以下，基于附图对本发明的各实施方式的层叠造型物的制造方法及制造***进行详细说明。需要说明的是，以下的实施方式是将本发明具体化的一例，并不限定于本发明的技术范围。
(第一实施方式)
如图1所示，本实施方式的层叠造型物的制造***10具备焊接机器人20、温度传感器30、控制装置50、CAD/CAM装置51、轨道计划单元52、以及存储器53。即，在本实施方式中，作为本发明的层叠装置，使用现有的焊接机器人20。
也参照图2，层叠造型物的制造***10一边利用焊接机器人20熔融焊料(焊丝)W，一边基于表示层叠造型物11的各层L1···Lk的形状的层形状数据使焊炬22移动，通过将熔融焊缝61在多层L1···Lk上层叠而成形层叠造型物11。
需要说明的是，图1及图2所示的层叠造型物11示出了将熔融焊缝61呈螺旋状连续层叠(即，上一层的熔融焊缝61的末端部与下一层的熔融焊缝61的始端部连续)而成型为大致圆筒形状的一例，但层叠造型物11能够设定为任意的形状。
焊接机器人20为多关节机器人，在前端臂21的前端部具备焊炬22。前端臂21能够三维地移动，通过由控制装置50控制前端臂21的姿势及位置，焊炬22能够以任意的姿势移动到任意的位置。
焊炬22具备供给保护气体的大致筒状的保护喷嘴、配置于保护喷嘴的内部的未图示的导电嘴、以及保持于导电嘴并供给熔融电流的焊料W。焊炬22在进给焊料W的同时，一边使保护气体流通一边产生电弧而使焊料W熔融及固化，在基台60上层叠熔融焊缝61而形成层叠造型物11。需要说明的是，焊炬22也可以是从外部供给焊料的非熔化极式。
温度传感器30用于测定之前层叠的熔融焊缝61的温度，也可以使用接触式的测定传感器，但由于层叠的熔融焊缝61为高温，因此优选红外热摄像仪、红外线温度传感器等非接触式的测定传感器。
需要说明的是，在本实施方式中，温度传感器30测定各层的造型的始端位置的温度。
控制装置50控制焊接机器人20、及温度传感器30，层叠多个熔融焊缝61而成形层叠造型物11。
CAD/CAM装置51在制作形成的层叠造型物11的形状数据之后，分割成多个层(参照图2)，生成表示各层L1···Lk的形状的层形状数据。轨道计划单元52基于层形状数据生成焊炬22的移动轨迹。存储器53存储所生成的层形状数据、焊炬22的移动轨迹、道次间温度Tp等。
控制装置50基于存储于存储器53的层形状数据、焊炬22的移动轨迹、及道次间温度Tp、由温度传感器30测定的之前层叠的熔融焊缝61的温度等，对焊接机器人20的动作进行控制。另外，控制装置50内置有计时器54，该计时器54测量各层的熔融焊缝61的温度从造型开始时刻的温度到冷却至容许的道次间温度Tp为止的冷却时间tc。
接着，也参照图2及图3，对利用本实施方式的层叠造型物的制造***10成形层叠造型物11的步骤进行详细说明。需要说明的是，在此，以在垂直方向上层叠熔融焊缝61而成形大致圆筒形的层叠造型物11的情况为例进行说明。
首先，通过CAD/CAM装置51制作表示层叠造型物11的形状的形状数据，将输入的形状数据(CAD数据)分割为多个层L1…Lk，生成表示各层L1…Lk的形状的层形状数据。表示各层L1…Lk的形状的层形状数据成为焊炬22的移动轨迹、即熔融焊缝61的层叠轨迹。
层叠造型物11的形状数据向多层的分割优选在相对于熔融焊缝61的层叠方向大致正交方向上进行分割。即，在将熔融焊缝61沿垂直方向层叠而形成层叠造型物11的情况下沿水平方向分割，在将熔融焊缝61沿水平方向层叠而形成层叠造型物11的情况下沿垂直方向分割。
接下来，轨道计划单元52基于层形状数据，制作各层L1…Lk中的焊炬22的移动轨迹、层叠有各层L1…Lk的熔融焊缝61的熔融焊缝61的计划高度等具体的熔融焊缝61的层叠计划。
如图2所示，焊接机器人20使焊炬22沿着计划的移动轨迹移动，将上一层(例如，第1层L1)的熔融焊缝61在基台60上造型之后，温度传感器30测定层叠的熔融焊缝61的温度。接下来，求出测定位置(例如，造型开始点)的熔融焊缝61的温度从造型开始时刻的温度冷却至容许的道次间温度Tp为止的冷却时间tc。
而且，下一层(第2层)的熔融焊缝61的造型在上一层(第1层)的熔融焊缝61的温度成为容许的道次间温度Tp以下时开始。由此，可抑制下一层的熔融焊缝61的扁平化、垂落等的产生。此后，直至到达所有的层Lk为止，与上述同样地，一边监视上一层的温度，一边重复进行造型，从而能够成行良好的层叠造型物11。
图3是表示直至层叠下一层的熔融焊缝为止的层叠时间间隔与熔融焊缝的单位层叠高度及层叠的熔融焊缝的饱和温度的关系的一例的曲线图，随着层叠时间间隔变短，熔融焊缝的单位层叠高度变低。这是表示，如果层叠时间间隔短，则熔融焊缝61的温度未冷却到容许的道次间温度Tp，产生了下一层的熔融焊缝61的扁平化、垂落等。另一方面，熔融焊缝的饱和温度随着层叠时间间隔变长而降低。
在图3所示的实施例中，如图中虚线所示，单位层叠高度的变化大致饱和时的层叠时间间隔t为冷却时间tc。因此，可知只要将每一层的熔融焊缝61的造型时间tf设定为冷却时间tc以上即可。
另外，通过将熔融焊缝61的每一层的造型时间tf设定为冷却时间tc，从而能够在不使电弧暂时停止的情况下以最短时间连续层叠熔融焊缝61，提高生产效率。
熔融焊缝61的每一层的造型时间tf的设定也可以通过使造型工序中的输入热量在熔融焊缝61的每单位长度上为固定，变更造型工序中的电流、电压、及焊接速度中的至少一个焊接条件来进行调整。
或者，熔融焊缝61的每一层的造型时间tf的设定也可以通过以使造型工序中的熔融焊缝61的截面积为固定的方式，变更造型工序中的电流、电压、及焊接速度中的至少一个焊接条件来进行调整。由此，能够维持高造型效率，确保造型精度，并且能够进行稳定的造型。
如上所说明的那样，根据本实施方式的层叠造型物的制造方法及制造***，对上一层的熔融焊缝进行造型，并利用温度传感器30对上一层的熔融焊缝61的温度进行监视。而且，下一层的熔融焊缝的造型在上一层的熔融焊缝61的温度成为容许的道次间温度Tp以下时开始。由此，能够在确保造型精度的同时，能够实现由稳定的电弧进行的层叠造型。
即，测量上一层的熔融焊缝61的温度从造型开始时刻的温度到冷却至容许的道次间温度为止的冷却时间tc，熔融焊缝61的每一层的造型时间tf设定为冷却时间tc以上即可。
需要说明的是，从提高制造效率的观点出发，优选以每一层的造型时间tf为冷却时间tc以上，且每一层的造型时间tf与冷却时间tc之差变小的方式设定造型时间tf。
图4示出了制作层叠的各层的熔融焊缝的始端位置P1与末端位置P2不同的变形例的层叠造型物11的情况。在该情况下，下一层的熔融焊缝61的造型也在上一层的熔融焊缝61的温度成为容许的道次间温度Tp以下时开始。
在该情况下，熔融焊缝61的每一层的造型时间tf也可以设定为冷却时间tc以上，但通过将熔融焊缝61的每一层的造型时间tf与焊炬22的移动时间的合计设定为冷却时间tc以上，从而能够进一步提高生产效率。
需要说明的是，作为本实施方式的第一变形例，预先与层叠造型物11同样地形成与层叠造型物11相同的造型模型11A(参照图2)，通过该造型模型11A的各层的温度监视及冷却时间取得，形成造型物11。
即，在第一变形例的层叠造型物的制造方法中，使用电弧对焊料进行熔融及固化，层叠形成多层熔融焊缝61，制作与造型物11相同的造型模型11A。此时，对造型模型11A中的各层的熔融焊缝61的温度进行监视。进而，通过测量或计算，取得造型模型11A中的各层的熔融焊缝61的温度从造型开始时刻的温度到冷却至容许的道次间温度为止的各冷却时间。然后，相对于造型物11的上一层的熔融焊缝61，下一层的熔融焊缝61的造型在从造型模型11A的上一层的熔融焊缝61的造型开始时刻起成为上一层的冷却时间以上的时刻开始。根据这样的第一变形例的制造方法，也能够在确保造型精度的同时，实现由稳定的电弧进行的层叠造型。
另外，如果该造型物11中的熔融焊缝的每一层的造型时间tf也与本实施方式同样地设定为冷却时间，则能够提高制造效率。
需要说明的是，形成造型模型11A时的各层的熔融焊缝61的造型时间被设定为比造型模型11A确实不会变得不稳定的、形成造型物11时的造型时间长。
另外，作为本实施方式的第二变形例，各层的熔融焊缝的温度从造型开始时刻的温度到冷却至容许的道次间温度的冷却时间也可以通过利用模拟解析来计算。
即，第二变形例的层叠造型物的制造方法包括：解析各层的熔融焊缝61的温度从造型开始时刻的温度起到冷却至容许的道次间温度的冷却时间的工序，相对于各层，下一层的熔融焊缝61的造型在从各层的熔融焊缝61的造型开始时刻起成为各层的冷却时间以上的时刻开始。
(第二实施方式)
接着，参照图5对本发明的第二实施方式的层叠造型物的制造方法及制造***进行详细说明。需要说明的是，对与第一实施方式相同或等同部分标注相同的附图标记并省略或者简化说明。
在本实施方式中，在使用一根焊炬22进行造型的熔融焊缝61的每一层的造型时间tf与冷却时间tc相比非常长的情况下，通过使用多台焊炬22同时层叠多个熔融焊缝61，从而会提高生产效率。
即，将对熔融焊缝61进行造型时的焊炬22的根数设定为以使用一根焊炬22进行造型的熔融焊缝61的每一层的造型时间tf除以冷却时间tc而得到的商的整数值。例如，如图5所示，在将一根焊炬22中的熔融焊缝61的每一层的造型时间tf除以冷却时间tc而得到的商的整数值为2的情况下，使用两根焊炬22进行造型。
需要说明的是，在本实施方式中，对于冷却时间tc，在上一层的熔融焊缝61中，测量从造型开始时刻的温度起到冷却至容许的道次间温度为止的冷却时间，在对下一层的熔融焊缝61进行造型时，确定焊炬22的根数。但是，在制造相同的造型物的情况下等，在制造最初的造型物时，在所有层的熔融焊缝61中，测量从造型开始时刻的温度起冷却至容许的道次间温度为止的冷却时间，将最长的时间设为冷却时间tc，也可以基于该冷却时间tc，设定制造第2个之后的造型物时的焊炬22的根数。
对于其他结构及作用，与第一实施方式相同。
需要说明的是，本发明并不限定于前述的实施方式，能够适当地进行变形、改良等。
例如，温度传感器30监视各层的造型的始端位置的温度，在能够预先预测从所测定的熔融焊缝61的温度到成为容许的道次间温度为止的冷却时间的情况下，也可以基于予测的冷却时间tc，开始进行下一层的熔融焊缝的造型。
另外，熔融焊缝61的温度的监视也可以在多个部位进行，在该情况下，在各监视部位中，优选在对下一层的熔融焊缝进行造型时，使温度为容许的道次间温度以下。
需要说明的是，本申请是基于2017年3月27日提交的日本专利申请(特愿2017－061063)的申请，其内容作为参考引用于此。
附图标记说明：
10 层叠造型物的制造***
11 层叠造型物(造型物)
11A 造型模型
20 焊接机器人(层叠装置)
30 温度传感器
50 控制装置
61 熔融焊缝
L1···Lk 层
tc 冷却时间
tf 熔融焊缝的每一层的造型时间
Tp 道次间温度。

Claims (6)

1.一种层叠造型物的制造方法，其使用电弧对焊料进行熔融及固化，层叠形成多层熔融焊缝而制成造型物，其中，
所述层叠造型物的制造方法包括：
对上一层的所述熔融焊缝进行造型的造型工序；
对所述上一层的所述熔融焊缝的温度进行监视的工序；以及
对所述上一层的造型开始点的熔融焊缝的温度从造型开始时刻的温度起到冷却至即使层叠下一层的熔融焊缝也不会产生焊缝的扁平化或垂落的道次间温度为止的冷却时间进行测量的工序，
将层叠于所述上一层的下一层的造型在所述上一层的造型开始点的熔融焊缝的温度成为所述道次间温度以下时开始，并且将所述下一层的造型时间设定为所述冷却时间以上。
2.根据权利要求1所述的层叠造型物的制造方法，其中，
所述熔融焊缝的每一层的造型时间被设定为所述冷却时间。
3.一种层叠造型物的制造方法，其使用电弧对焊料进行熔融及固化，层叠形成多层熔融焊缝而制成造型物，其中，
所述层叠造型物的制造方法包括：
对所述熔融焊缝进行造型的工序；
对所述熔融焊缝的温度进行监视的工序；以及
对所述熔融焊缝的温度从造型开始时刻的温度起到冷却至容许的道次间温度为止的冷却时间进行测量的工序，
对所述熔融焊缝进行造型时的焊炬的根数被设定为以所述熔融焊缝的每一层的造型时间除以所述冷却时间而得到的商的整数值。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的层叠造型物的制造方法，其中，
使所述造型工序时的输入热量在所述熔融焊缝的每单位长度上为固定，并且通过变更所述造型工序时的电流、电压、以及焊接速度中的至少一者来调整所述熔融焊缝的每一层的造型时间。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的层叠造型物的制造方法，其中，
以所述造型工序时的所述熔融焊缝的截面积为固定的方式，通过变更所述造型工序时的电流、电压、以及焊接速度中的至少一者来调整所述熔融焊缝的每一层的造型时间。
6.一种层叠造型物的制造***，其层叠形成多层熔融焊缝而制成造型物，其中，
所述层叠造型物的制造***包括：
层叠装置，其基于将所述造型物分割成相互平行的多个层的、表示各所述层的形状的层形状数据，使用电弧对焊料进行熔融及固化，从而层叠形成多层所述熔融焊缝；
温度传感器，其在每次形成所述熔融焊缝时对所述熔融焊缝的温度进行测定；以及
控制装置，其以如下方式对所述层叠装置进行控制：下一层的所述熔融焊缝的造型在上一层的造型开始点的所述熔融焊缝的温度成为即使层叠下一层的熔融焊缝也不会产生焊缝的扁平化或垂落的道次间温度以下时开始，并且将所述下一层的造型时间设定为所述上一层的造型开始点的所述熔融焊缝的温度从造型开始时刻的温度起到冷却至所述道次间温度为止的冷却时间以上。
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