JP2011083778A

JP2011083778A - 三次元造形方法及び三次元造形装置

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Publication number: JP2011083778A
Application number: JP2009235938A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Sasahara; 弘之笹原; Keizo Tanaka; 敬三田中; Reo Yoshimaru; 玲欧吉丸
Original assignee: Tokyo University of Agriculture and Technology NUC; Tokyo University of Agriculture
Current assignee: Tokyo University of Agriculture and Technology NUC; Tokyo University of Agriculture
Priority date: 2009-10-13
Filing date: 2009-10-13
Publication date: 2011-04-28

Abstract

【課題】三次元形状物の形状精度を向上することが可能な三次元造形方法及び三次元造形装置を提供すること。
【解決手段】三次元形状物ＦＴが造形される基板３２を冷却タンク３０の中に配置し、冷却タンク３０内の冷却水の水位ＷＬが溶接面ＷＳの下になるように冷却タンク３０内の冷却水の水位ＷＬを調節するとともに、冷却タンク内３０の冷却水ＣＷを循環させる。基板３２を、内部に水路が設けられた冷却用部材３４に載置し、水路内の冷却水を循環させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、溶接ビードを積層して三次元形状物を造形する三次元造形方法及び三次元造形装置に関する。

従来から、ＮＣマシンと溶接装置とを組み合わせて、ＣＡＤ／ＣＡＭデータに基づき溶接トーチを駆動して溶接ビードを積層し、金型などの三次元形状物を造形する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。この方法によれば、鋳造を経ずに金型を製作することができ、金型製作のためのリードタイムを短縮することができる。

特開２０００−１５３６３号公報

しかしながら、従来の方法では、金属を溶融する際の入力熱が大きくワーク（三次元形状物）側に熱が蓄積していく傾向の場合に、溶融金属の凝固が遅れることにより溶接ビードの形状が乱れ、ひいては三次元形状物全体の形状精度が低下するといった問題点があった。

本発明は、以上のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、三次元形状物の形状精度を向上することが可能な三次元造形方法及び三次元造形装置を提供することにある。

（１）本発明は、基板上に溶接ビードを積層して三次元形状物を造形する三次元造形方法において、
前記基板を冷却タンクの中に配置し、前記冷却タンク内の冷却液の水位が溶接面の下になるように前記冷却タンク内の冷却液の水位を調節するとともに、前記冷却タンク内の冷却液を循環させることを特徴とする。

本発明によれば、冷却タンク内の冷却液により効率良く三次元形状物を冷却することができ、三次元形状物の形状精度を向上することができる。

（２）また、本発明に係る三次元造形方法では、
前記基板を、内部に水路が設けられた冷却用部材に載置し、前記水路内の冷却液を循環させるようにしてもよい。

本発明によれば、冷却タンク内の冷却液により三次元形状物を冷却することに加えて、冷却用部材により効率良く基板と三次元形状物とを冷却することができ、三次元形状物の形状精度を向上することができる。

（３）本発明は、基板上に溶接ビードを積層して三次元形状物を造形する三次元造形方法において、
前記基板を、内部に水路が設けられた冷却用部材に載置し、前記水路内の冷却液を循環させることを特徴とする。

本発明によれば、冷却用部材により効率良く基板と三次元形状物とを冷却することができ、三次元形状物の形状精度を向上することができる。

（４）本発明は、基板上に溶接ビードを積層して三次元形状物を造形する三次元造形装置において、
前記基板が配置される冷却タンクと、
前記冷却タンク内の冷却液の水位が溶接面の下になるように前記冷却タンク内の冷却液の水位を調節するための手段と、
前記冷却タンク内の冷却液を循環させる手段とを含むことを特徴とする。

（５）また、本発明に係る三次元造形装置では、
前記基板が載置され、内部に水路が設けられた冷却用部材と、
前記水路内の冷却液を循環させる手段とを更に含むようにしてもよい。

（６）本発明は、基板上に溶接ビードを積層して三次元形状物を造形する三次元造形装置において、
前記基板が載置され、内部に水路が設けられた冷却用部材と、
前記水路内の冷却液を循環させる手段とを含むことを特徴とする。

本実施形態の三次元造形装置の構成の一例を示す図。本実施形態の三次元造形装置の構成の一例を示す図。冷却タンク内の冷却水の水位の調節について説明するための図。冷却用部材の構成の一例を示す図。溶接ビード表面の温度を測定した結果を示す図。温度測定時の装置構成を示す図。造形された積層物を撮像した画像を示す図。造形された積層物の積層壁面を撮像した画像を示す図。造形された積層物の積層壁面の形状を測定した結果を示す図。

以下、本実施形態について説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また本実施形態で説明される構成の全てが、本発明の必須構成要件であるとは限らない。

１．構成
図１、図２は、本実施形態の三次元造形装置の構成の一例を示す図である。

三次元造形装置１は、床面に設置される第１の不動部材１０と、第１の不動部材１０上に設置され水平面（ＸＹ平面）内で前後左右方向（Ｘ軸及びＹ軸方向）に往復移動可能な第１の可動部材１２（テーブル）とを備える。第１の可動部材１２の移動は、第１の不動部材１０内に組み込まれた駆動モータなどの駆動機構（図示せず）によって位置決め可能に制御される。また、第１の可動部材１２上には、冷却水（冷却液の一例）を溜めることが可能な冷却タンク３０が配置され、冷却タンク３０内には、溶接ビードが形成される基板３２（ワークピース）が配置される。

第１の不動部材１０には、第２の不動部材１４が固定され、第２の不動部材１４には、垂直方向（Ｚ軸方向）に往復移動可能な第２の可動部材１６が装着される。第２の可動部材１６の移動は、第２の不動部材１４内に組み込まれた駆動モータなどの駆動機構（図示せず）によって位置決め可能に制御される。第２の可動部材１６には、溶接トーチ２０が支持される。溶接トーチ２０の位置（基板３２に対する位置）は、第１の不動部材１０に対する第１の可動部材１２のＸ軸及びＹ軸方向移動と、第２の不動部材１４に対する第２の可動部材１６のＺ軸方向移動の組み合わせによって規定される。

溶接トーチ２０には、ワイヤリール（図示せず）から溶加ワイヤ２２が供給される。溶接トーチ２０は、溶接電源（図示せず）から供給される電流、電圧を利用して、供給されてくる溶加ワイヤ２２を溶融する。溶融された溶加ワイヤ２２は、溶加材（溶融金属）として基板３２上に供給され、基板３２上で冷やされた溶加材は溶接ビードを形成する。そして、形成された溶接ビード上に溶加材が連続的に積み重ねられる。このように、三次元造形装置１では、基板３２上に溶接ビードを積層することによって金属三次元形状物を造形する。

溶接トーチ２０の基板３２に対する位置や溶接トーチ２０の動作は、ＮＣコントローラ及び溶接電源インタフェースを備える制御部４０により制御される。ＮＣコントローラは、ＣＡＤ／ＣＡＭ（コンピュータ支援設計／コンピュータ支援製造）システム４２からのＮＣデータに基づき駆動機構を制御し、第１の不動部材１０に対する第１の可動部材１２のＸ軸及びＹ軸方向移動、第２の不動部材１４に対する第２の可動部材１６のＺ軸方向移動を制御する。溶接トーチ２０は、これら移動の組み合わせによって、予め設定された移動経路に沿って基板３２に対して移動することになる。溶接電源インタフェースは、同様にＣＡＤ／ＣＡＭシステム４２からの溶接データに基づき溶接トーチ２０を作動させる。

ＣＡＤ／ＣＡＭシステム４２では、三次元形状データで表現される三次元形状物が、複数の等高線によって複数の積層体に分割される。そして各積層体の三次元形状データから、積層体ごとに溶接トーチ２０の移動経路が作成される。三次元形状物を造形する際には、最下層の積層体について作成された移動経路に従って溶接トーチ２０が移動し、この移動に伴う溶加材の供給によって最下層の積層体が溶接ビードで造形される。続いて、最下層の積層体に重ねられる２層目の積層体が同様に溶接ビードで造形される。この手順が繰り返され、最終的に三次元形状物が一体的に造形される。

本実施形態では、図２に示すように、基板３２を冷却タンク３０の中に配置し、冷却タンク３０内の冷却水ＣＷによって、基板３２上に造形される三次元形状物ＦＴを冷却する。冷却タンク３０内の冷却水ＣＷは、供給ポンプ６２と供給パイプ５２によって供給タンク６０から供給され、排出パイプ５４によって供給タンク６０に排出される。すなわち、供給パイプ５２、供給ポンプ６２及び排出パイプ５４を用いて、冷却タンク３０内の冷却水ＣＷを循環させている。冷却タンク３０内の冷却水ＣＷを循環させることにより、基板３２上に造形される三次元形状物ＦＴを効率良く冷却することができる。また、供給タンク６０内の冷却水ＣＷは、冷却ファンと放熱板からなる冷却装置６４により冷却される。

また、本実施形態では、図２に示すように、冷却タンク３０内の冷却水の水位ＷＬが溶接面ＷＳ（溶接トーチ２０によって溶加ワイヤ２２が溶融される水平面）の下になるように、冷却タンク３０内の冷却水の水位ＷＬを調節している。水位ＷＬの調節は、供給パイプ５２に取り付けられたバルブ５３や、排出パイプ５４に取り付けられたバルブ５５の開閉を調節することにより行うことができる。

三次元形状物ＦＴは、溶接ビードを上方に（＋Ｚ軸方向に）積層することによって造形されるため、造形の際に溶接面ＷＳは時間の経過に従って上昇する。そこで、本実施形態では、図３に示すように、冷却水ＣＷの水位ＷＬが、溶接面ＷＳとの位置関係（水位ＷＬが溶接面ＷＳの下となる位置関係）を保ちつつ所定の速度で上昇するように、冷却水ＣＷの水位ＷＬを調節する。また、水位ＷＬが溶接面ＷＳと所定の間隔を保ちつつ上昇するように、水位ＷＬを調節するようにしてもよい。この場合には、溶接トーチ２０の＋Ｚ軸方向の移動に応じて水位ＷＬが上昇するように水位ＷＬを制御するようにしてもよい。

溶接トーチ２０によって溶接面ＷＳに供給される溶加材（溶融金属）への水分の付着は、ブローホールの発生の原因となる。本実施形態によれば、溶接面ＷＳの直下を冷却するように冷却水ＣＷの水位を調節することで、ブローホールの発生を防止しつつ、三次元形状物ＦＴの大部分を冷却することができる。

また、本実施形態では、図２に示すように、基板３２を、内部に水路が設けられた冷却用部材３４の上に載置し、冷却用部材３４によって基板３２と三次元形状物ＦＴとを冷却する。なお、基板３２はボルト等により冷却用部材３４に固定され、これにより、基板３２が三次元形状物ＦＴからの熱によって反ってしまうことを防止している。冷却用部材３４の水路内の冷却水は、供給ポンプ６２と供給パイプ５６によって供給タンク６０から供給され、排出パイプ５８によって供給タンク６０に排出される。すなわち、供給パイプ５６、供給ポンプ６２及び排出パイプ５８を用いて、冷却用部材３４の水路内の冷却水を循環させている。

本実施形態によれば、基板３２を内部に水路が設けられた冷却用部材３４に載置し、冷却用部材３４の水路内の冷却水を循環させることで、基板３２と基板３２上に造形される三次元形状物ＦＴとを効率良く冷却することができるとともに、基板３２上に造形される三次元形状物ＦＴから第１の可動部材１２の駆動機構への熱の流動を遮断して、駆動機構が熱によりダメージを受けることを抑制することができる。

図４は、冷却用部材３４の構成の一例を示す図である。図４に示す冷却用部材３４は、金属部材で構成され、その内部に蛇行する水路３６を有する。また、水路３６の２つの開口３７、３８のそれぞれには、供給パイプ５６と排出パイプ５８が取り付けられる。このようにして、冷却用部材３４の水路３６内の冷却水を循環させている。

２．実験結果
角筒形状の積層物（三次元形状物）を造形し、造形の際に冷却タンク３０内の冷却水ＣＷと冷却用部材３４による冷却を行った場合（本実施形態の手法により冷却を行った場合）と、冷却を行わなかった場合（空冷のみの場合）とで比較を行った。ここでは、溶接ビードの積層数（積層体の数）を２０とし、溶接トーチ２０に供給する電源、電圧をそれぞれ６０Ａ、１５Ｖとし、溶接トーチ２０の移動速度を３００ｍｍ／ｍｉｎとした。

図５に、溶接ビード表面の温度を測定した結果を示す。ここでは、図６に示すように、溶接トーチ２０に放射温度計ＳＭを取り付け、溶接面における溶接直前及び溶接直後１０ｍｍの位置の表面温度を測定した。図５では、横軸が経過時間を示し、縦軸が溶接ビードの表面温度を示す。なお、図５において、表面温度が周期的に変化しているのは、溶接トーチ２０が周回する度に、温度の測定位置が溶接直前の位置となったり溶接直後の位置となったりするからである。

図５を見ると、冷却を行わなかった場合には、時間の経過に従って（溶接ビードの積層が進むに従って）溶接ビード表面の温度が上昇していることがわかる。また、この場合には、６層目から溶融垂れ現象（溶融金属の凝固が遅れて積層壁面を溶融金属のまま垂れる現象）が発生し、積層物の積層壁面の乱れが始まっていることが確認された。一方、図５を見ると、本実施形態の手法により冷却を行った場合には、時間が経過しても溶接ビード表面の温度は上昇しておらず、溶接直前の位置での表面温度が概ね３００℃以下に保たれていることがわかる。

図７に、造形された角筒形状の積層物を撮像した画像を示す。図７に示すように、本実施形態の手法により冷却を行った場合には、冷却を行わなかった場合と比較して、三次元形状物の積層高さが２０％増加し、意図した高さとなった。また、本実施形態の手法により冷却を行った場合には、積層物の肉厚が４．５ｍｍで安定しているのに対して、冷却を行わなかった場合には、積層物の肉厚が４．５ｍｍ〜５ｍｍの範囲でばらついた。

図８に、造形された積層物の積層壁面を撮像した画像を示す。図８を見ると、冷却を行わなかった場合には、溶融垂れ現象により積層壁面が荒れた面となっていることが分かる。一方、本実施形態の手法により冷却を行った場合には、積層壁面を構成する溶接ビードの形状が安定していることが分かる。

図９に、造形された積層物の積層壁面の形状を測定した結果を示す。図９では、縦軸が積層物の底面からの垂直方向の距離を示し、横軸が基準位置から積層壁面（側面）までの水平方向の距離（ズレ量）を示す。図９を見ると、本実施形態の手法により冷却を行った場合には、冷却を行わなかった場合と比較して、積層壁面の形状が安定し、積層壁面の形状が意図した形状に近づいていることが分かる。

このように本実施形態によれば、溶接ビードを積層して三次元形状物を造形する際に、三次元形状物を効率良く冷却することができ、これにより、溶接ビードの形状を安定化させ、三次元形状物の積層高さ、肉厚、積層側面の形状精度を向上することができる。また、金属である三次元形状物を急速に冷却することで、金属結晶を微細化することができ、三次元形状物の硬度、耐摩耗性等の品質を向上することができる。例えば、三次元形状物として金型を造形する場合には、プレス時の型表面の磨耗を低減することができる。

３．変形例
なお、本発明の適用は上述した実施例に限定されず、種々の変形が可能である。

例えば、本実施形態では、冷却タンク３０内の冷却液及び冷却用部材３４の水路内の冷却液として冷却水を用いる場合について説明したが、冷却液として、液体金属ナトリウム等の液体金属や液体窒素、液体水素等を用いるようにしてもよい。冷却液としては、熱容量が大きく沸点が高い液体を用いることが好ましい。

また、本実施形態では、冷却タンク３０内の冷却液と、内部に水路を有する冷却用部材３４により三次元形状物を冷却する場合について説明したが、冷却用部材３４を配置せずに冷却タンク３０内の冷却液のみで冷却するようにしてもよいし、冷却タンク３０を配置せずに冷却用部材３４を直接第１の可動部材１２上に配置して冷却用部材３４のみで冷却するようにしてもよい。冷却用部材３４による冷却は、三次元形状物と基板３２の接触面積が大きい場合に特に有効である。

１三次元造形装置、１０第１の不動部材、１２第１の可動部材、１４第２の不動部材、１６第２の可動部材、２０溶接トーチ、２２溶加ワイヤ、３０冷却タンク、３２基板、３４冷却用部材、３６水路、３７開口、３８開口、３９ボルト、４０制御部、４２ＣＡＤ／ＣＡＭシステム、５２供給パイプ、５３バルブ、５４排出パイプ、５５バルブ、５６供給パイプ、５８排出パイプ、６０供給タンク、６２供給ポンプ、６４冷却装置

Claims

基板上に溶接ビードを積層して三次元形状物を造形する三次元造形方法において、
前記基板を冷却タンクの中に配置し、前記冷却タンク内の冷却液の水位が溶接面の下になるように前記冷却タンク内の冷却液の水位を調節するとともに、前記冷却タンク内の冷却液を循環させることを特徴とする三次元造形方法。
請求項１に記載の三次元造形方法において、
前記基板を、内部に水路が設けられた冷却用部材に載置し、前記水路内の冷却液を循環させることを特徴とする三次元造形方法。
基板上に溶接ビードを積層して三次元形状物を造形する三次元造形方法において、
前記基板を、内部に水路が設けられた冷却用部材に載置し、前記水路内の冷却液を循環させることを特徴とする三次元造形方法。
基板上に溶接ビードを積層して三次元形状物を造形する三次元造形装置において、
前記基板が配置される冷却タンクと、
前記冷却タンク内の冷却液の水位が溶接面の下になるように前記冷却タンク内の冷却液の水位を調節するための手段と、
前記冷却タンク内の冷却液を循環させる手段とを含むことを特徴とする三次元造形装置。
請求項４に記載の三次元造形装置において、
前記基板が載置され、内部に水路が設けられた冷却用部材と、
前記水路内の冷却液を循環させる手段とを更に含むことを特徴とする三次元造形装置。
基板上に溶接ビードを積層して三次元形状物を造形する三次元造形装置において、
前記基板が載置され、内部に水路が設けられた冷却用部材と、
前記水路内の冷却液を循環させる手段とを含むことを特徴とする三次元造形装置。