JP2019093388A - 積層造形物の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶融金属の凝固スピードを向上させ、垂れ落ちを防止しつつ、造形効率を向上できる積層造形物の製造方法を提供する。【解決手段】積層造形物の製造方法は、複数層の溶着ビード２５の積層パスに応じて、温度の異なる複数のシールドガスＧを使用しながら、アークを用いて溶加材Ｍを溶融及び凝固させた溶着ビード２５を形成する。【選択図】図３

Description

本発明は、積層造形物の製造方法に関する。

近年、生産手段として３Ｄプリンタを用いた造形のニーズが高まっており、金属材料を用いた造形の実用化に向けて研究開発が進められている。金属材料を造形する３Ｄプリンタは、レーザや電子ビーム、さらにはアーク等の熱源を用いて、金属粉体や金属ワイヤを溶融させ、溶融金属を積層させることで造形物を作製する。特に、アークを用いた積層造形方法は、レーザと比較して入熱量が多く、造形効率（単位時間当たりの盛量）が高い。

従来のアーク溶接装置では、溶込み深さに影響するアークの緊縮性を向上させるため、シールドガスを強制的に冷却することが記載されている（例えば、特許文献１参照）。また、他の溶接方法としては、アフターシールドガスとして低温の不活性ガスを用いて溶接箇所を冷却し、高温の溶接箇所が空気に曝させるのを防止し、溶接箇所の裏面の温度上昇を抑制することで、該裏面を脆化させないようにしている（例えば、特許文献２参照）。

特開平９−２６７１７４号公報 特開２００２−３０１５７１号公報

ところで、積層造形では、マニピュレータを用いることにより、下向きのみならず、横向き・縦向き溶接など任意な方向の造形が行われる。しかしながら、横向き・縦向き溶接を実施した場合、溶融金属が重力の影響により垂れやすくなり、入熱量（電流・電圧）を低く抑えざるを得なくなり、造形効率（単位時間当たりの造形体積）を落とす必要がある。また、下向き溶接であっても、前層の温度が一定の温度以下に冷却される前に、新しい層を溶接した場合、垂れ落ちが発生する場合がある。この場合、アフターシールドガスを用いて冷却しても、凝固が完了してしまっていると、上記課題を解決することはできない。特許文献１及び２は、積層造形に関する記載はなく、また、溶接姿勢に応じた溶融金属の垂れ落ちについても記載されていない。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、溶融金属の凝固スピードを向上させ、垂れ落ちを防止しつつ、造形効率を向上できる積層造形物の製造方法を提供することにある。

本発明は下記構成からなる。
アークを用いて溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードを複数層積層する積層造形物の製造方法であって、
前記複数層の溶着ビードの積層パスに応じて、温度の異なる複数のシールドガスを使用しながら、前記溶着ビードを形成する、積層造形物の製造方法。

本発明によれば、溶融金属の凝固スピードを向上させ、垂れ落ちを防止しつつ、造形効率を向上できる。

本発明の積層造形物の製造システムを模式的に示す概略構成図である。 溶着ビードを積層させた積層造形物の概略斜視図である。 冷却したシールドガスにより、円筒状の積層造形物を連続造形する場合を示す側面図である。 冷却したシールドガスを使用する場合と、使用しない場合の最上層の積層造形物の温度の状態示す模式図である。 冷却したシールドガスにより、オーバーハング形状の積層造形物を連続造形する場合を示す側面図である。 冷却したシールドガスにより、縦向き溶接される積層造形物の１層目の溶着ビードを示す側面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は本発明の積層造形物の製造システムを模式的に示す概略構成図である。
本構成の製造システム１００は、積層造形装置１１と、積層造形装置１１を統括制御するコントローラ１５と、溶接電源５０と、を備える。

積層造形装置１１は、先端軸にトーチ１７を有する溶接ロボット１９と、トーチ１７に溶加材（溶接ワイヤ）Ｍを供給する溶加材供給部２３と、ガス冷却装置５１と、シールドガスボンベ６０と、を有する。

コントローラ１５は、ＣＡＤ／ＣＡＭ部３１と、軌道演算部３３と、記憶部３５と、これらが接続される制御部３７と、を有する。
溶接ロボット１９は、多関節ロボットであり、先端軸に設けたトーチ１７には、溶加材Ｍが連続供給可能に支持される。トーチ１７の位置や姿勢は、ロボットアームの自由度の範囲で３次元的に任意に設定可能となっている。

トーチ１７は、シールドノズル３０を有し（図３参照）、シールドノズル３０からシールドガスＧが供給される。アーク溶接法としては、被覆アーク溶接や炭酸ガスアーク溶接等の消耗電極式、ＴＩＧ溶接やプラズマアーク溶接等の非消耗電極式のいずれであってもよく、作製する積層造形物Ｗに応じて適宜選定される。

例えば、消耗電極式の場合、シールドノズル３０の内部にコンタクトチップが配置され、溶融電流が給電される溶加材Ｍがコンタクトチップに保持される。トーチ１７は、溶加材Ｍを保持しつつ、シールドガス雰囲気で溶加材Ｍの先端からアークを発生する。溶加材Ｍは、ロボットアーム等に取り付けた不図示の繰り出し機構により、溶加材供給部２３からトーチ１７に送給される。そして、トーチ１７を移動しつつ、連続送給される溶加材Ｍを溶融及び凝固させると、ベースプレート２７上に溶加材Ｍの溶融凝固体である線状の溶着ビード２５が形成される。

また、シールドガスＧを供給するガス冷却装置５１は、シールドガスボンベ６０に接続されており、冷却を行わない第１ガス流路５２と、第１ガス流路５２から分岐して、シールドガスＧを冷却する不図示の冷却機構を持った第２ガス流路５３と、を備える。第２のガス流路５３には、第１ガス流路５２との入口及び出口付近に、制御弁５４，５５をそれぞれ有しており、また、両制御弁５４，５５の間には、冷却に伴ってシールドガスＧの圧力又は流量を調整する圧力・流量調整ユニット５６が設けられている。

したがって、ガス冷却装置５１は、制御弁５４，５５を開制御することで、第２ガス流路５３内を通過するシールドガスＧを冷却して、シールドノズル３０へ供給することができる。なお、図示の例では、第２ガス流路５３を通過して冷却されたシールドガスＧは、第１ガス流路５２を通過するシールドガスＧと混合して供給されるが、第１ガス流路５２に制御弁を設けて、第２ガス流路５３を通過するシールドガスＧのみを供給するようにしてもよい。

ＣＡＤ／ＣＡＭ部３１は、作製しようとする積層造形物Ｗの形状データを作成した後、複数の層に分割して各層の形状を表す層形状データを生成する。軌道演算部３３は、生成された層形状データに基づいてトーチ１７の移動軌跡を求める。記憶部３５は、生成された層形状データやトーチ１７の移動軌跡等のデータを記憶する。

制御部３７は、記憶部３５に記憶された層形状データやトーチ１７の移動軌跡に基づく駆動プログラムを実行して、溶接ロボット１９を駆動する。つまり、溶接ロボット１９は、コントローラ１５からの指令により、軌道演算部３３で生成したトーチ１７の移動軌跡に基づき、溶加材Ｍをアークで溶融させながらトーチ１７を移動する。
また、制御部３７は、ガス冷却装置５１の図示しない冷却機構の冷却温度、制御弁５４，５５の開閉、及び圧力・流量調整ユニット５６の調整を制御する。

溶接電源５０は、図示しないパワーケーブルによりトーチ１７、及びワークＷの母材と接続され、制御部３７からの指令によって、パワーケーブルを通じて各部に溶接電流を供給する。

上記構成の製造システム１００は、設定された層形状データから生成されるトーチ１７の移動軌跡に沿って、トーチ１７を溶接ロボット１９の駆動により移動させながら、溶加材Ｍを溶融させ、溶融した溶加材Ｍをベースプレート２７上に供給する。これにより、図２に示すように、ベースプレート２７上には、線状の溶着ビード２５を垂直方向に積層して略円筒形の積層造形物Ｗが造形される。具体的には、ベースプレート２７上に、１層目Ｌ１の溶着ビード２５を環状に形成し、この環状の溶着ビード２５の上に所定の積層時間間隔で順次Ｎ層目まで積層することで、積層造形物Ｗを造形する。なお、積層時間間隔は、次層の溶着ビード２５の扁平化や垂れ落ちなどの発生が抑制されるように、前層の溶着ビード２５が許容されるパス間温度以下となるように設定されている。

ここで、造形初期における１層目から所定数の層の溶着ビード２５は、ベースプレート２７の抜熱によって冷却される。このため、冷却を行わない第１ガス流路５２を通過したシールドガスＧを用いて溶着ビード２５を造形した場合でも、積層時間間隔は比較的短く設定することができる。一方、所定数を越えた層の溶着ビード２５では、ベースプレート２７の影響を受けないので、該溶着ビード２５の温度は下がりにくくなる。このため、積層時間間隔を造形初期のものを基準に設定すると、図３に破線で示すように、扁平化や垂れ落ちが発生する可能性がある。この結果、従来では、積層時間間隔は、パス間温度を考慮して造形初期よりも長く設定する必要があった。

このため、本実施形態では、所定数を越えた層の溶着ビード２５を造形する際には、ガス冷却装置５１の制御弁５４，５５を開制御し、第２ガス流路５３を通過した冷却シールドガスＧを使用して、溶融池の凝固スピードを速くする。これにより、積層時間間隔を造形初期と同じに設定、或いは、造形初期より大幅に長く設定しなくても、扁平化や垂れ落ちが発生する可能性がなく、造形効率を向上することができる。

例えば、図４に示すように、積層造形物Ｗを造形する際に、所定の円周方向位置における最上層における温度を検知すると、アークで溶融した金属は、通常の冷却しないシールドガスとの温度差よりも冷却したシールドガスとの温度差が大きいため、凝固温度Ｔ１（鉄系材料であれば、１４５０℃程度）に達するまでの間に素早く冷却される。一方、冷却したシールドガスで冷却される造形物の領域はアーク発生位置近傍のみであり、溶融温度が凝固温度Ｔ１より低くなる時間には溶接トーチが進んでいるため、アーク発生位置から離れており、シールドガスの影響が小さくなるので、冷却カーブは、通常時とほぼ平行になる。このため、本実施形態では、最上層における温度が、通常の冷却しないシールドガスと比較して、次層積層可能温度Ｔ２になるまでの時間が早くなり、次層の溶着ビード２５を造形するまでの時間を短くできることで造形効率を向上させることが可能となる。
なお、本実施形態において、使用されるシールドガスの種類は、例えば、ＭＡＧ溶接であれば、Ａｒ８０％、ＣＯ_２２０％が使用され、ＭＩＧ溶接であれば、Ａｒ１００％が使用され、炭酸ガス溶接であれば、ＣＯ_２１００％が使用される。

以上、説明したように、本実施形態に係る積層造形物Ｗの製造方法によれば、複数層の溶着ビード２５の積層パス（即ち、溶着ビード２５を造形するための一回の溶接操作、溶接経路）に応じて、温度の異なる複数のシールドガスＧを使用しながら、溶着ビード２５を形成することで、溶着ビード２５が扁平化や垂れ落ちすることなく、造形効率を向上することができる。

また、複数のシールドガスＧは、冷却シールドガスを含むので、造形効率をより向上することができる。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、実施形態の各構成を相互に組み合わせることや、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。

例えば、図５に示す積層造形物Ｗは、各層とも複数の溶着ビード２５を隣接して並べて造形すると共に、下層の溶着ビード２５に対して上層の溶着ビード２５が幅方向（同層の溶着ビード２５の並び方向）に対してオフセットして積層されるオーバーハング形状を有する。この場合に、破線で示すように、下層の溶着ビード２５がない箇所の溶着ビード２５が垂れ落ちる可能性がある。このため、冷却したシールドガスＧを用いることで、実線で示すように、垂れ落ちが抑制され、良好なビード形状を有する溶着ビード２５が形成される。

また、図６に示すように、各層の溶着ビード２５が縦向き溶接で造形される、即ち、水平方向に対する積層パスの傾斜角θが９０°である場合に、破線で示すように、溶着ビード２５が垂れ落ちながら凝固し、溶着ビード２５が波打ってしまう可能性がある。このため、この例では、冷却したシールドガスＧを用いることで、実線で示すように、垂れ落ちが抑制され、良好なビード形状を有する溶着ビード２５が形成される。なお、造形初期における所定数の層の溶着ビード２５を造形した後は、さらに冷却されたシールドガスＧを用いることで、垂れ落ちを抑制しつつ、造形効率を向上する。

以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
（１） アークを用いて溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードを複数層積層する積層造形物の製造方法であって、
前記複数層の溶着ビードの積層パスに応じて、温度の異なる複数のシールドガスの温度を調整しながら、前記溶着ビードを形成する、積層造形物の製造方法。
（２） 前記複数のシールドガスは、冷却シールドガスを含む、（１）に記載の積層造形物の製造方法。
（３） 水平方向に対する前記積層パスの傾斜角に応じて、前記シールドガスの温度を調整する、（１）又は（２）に記載の積層造形物の製造方法。
（４） 下層の溶着ビードに対して上層の溶着ビードが幅方向にオフセットして積層される際に、前記冷却シールドガスを用いて前記溶着ビードを形成する、（２）に記載の積層造形物の製造方法。

２５ 溶着ビード
２７ ベースプレート
Ｍ 溶加材
Ｗ 積層造形物

Claims (4)

1. アークを用いて溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードを複数層積層する積層造形物の製造方法であって、
   前記複数層の溶着ビードの積層パスに応じて、温度の異なる複数のシールドガスを使用しながら、前記溶着ビードを形成する、積層造形物の製造方法。
2. 前記複数のシールドガスは、冷却シールドガスを含む、請求項１に記載の積層造形物の製造方法。
3. 水平方向に対する前記積層パスの傾斜角に応じて、前記シールドガスの温度を調整する、請求項１又は２に記載の積層造形物の製造方法。
4. 下層の溶着ビードに対して上層の溶着ビードが幅方向に対してオフセットして積層される際に、前記冷却シールドガスを用いて前記溶着ビードを形成する、請求項２に記載の積層造形物の製造方法。

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