JP2020001059A - 積層造形物の積層計画方法、積層造形物の製造方法及び製造装置 - Google Patents
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Abstract
Description
(1) 溶融金属を積層する積層造形装置により、積層造形物を該積層造形物の3次元形状データを用いて造形する積層造形物の積層計画方法であって、
前記3次元形状データを取得する工程と、
前記3次元形状データの形状を層分解した各層を前記溶融金属で形成するための前記積層造形装置の軌道、及び前記積層造形装置が前記溶融金属を形成する加熱条件を定める積層計画を作成する工程と、
作成された前記積層計画により前記積層造形物を造形した際の、冷却により熱収縮した前記積層造形物の形状と前記3次元形状データの形状との差分を演算により求める工程と、
前記差分が予め定めた許容範囲に収まるまで、前記軌道及び前記加熱条件を変更して前記積層計画を補正する工程と、
をこの順で実施する積層造形物の積層計画方法。
(2) (1)に記載の積層造形物の積層計画方法により作成した前記積層計画に基づいて、前記積層造形物を積層造形する積層造形物の製造方法。
(3) 溶融金属を積層する積層造形装置により、積層造形物を該積層造形物の3次元形状データを用いて造形する積層造形物の製造装置であって、
前記3次元形状データを取得する入力部と、
前記3次元形状データの形状を層分解した各層を前記溶融金属で形成するための前記積層造形装置の軌道、及び前記積層装置が前記溶融金属を形成する加熱条件を定める積層計画を作成する積層計画作成部と、
作成された前記積層計画により前記積層造形物を造形した際の、冷却により熱収縮した前記積層造形物の形状と前記3次元形状データの形状との差分を演算により求める変形量計算部と、
前記寸法差が予め定めた許容範囲に収まるまで、前記軌道及び前記加熱条件を変更して前記積層計画を補正する制御部と、
を備える積層造形物の製造装置。
<積層造形物の製造装置>
図1は本発明に係る積層造形物の製造装置の概略構成図である。
本構成の積層造形物の製造装置100は、造形部11と、造形部11を統括制御する造形コントローラ13と、電源装置15と、を備える。
次に、単純なモデルとして例示した図示例の積層造形物27に対する積層造形の手順を簡単に説明する。
図2Aは積層造形物27の平面図、図2Bは積層造形物27の側面図である。
つまり、図1に示す溶接ロボット19が、動作プログラムに従って、指示された軌道に沿ってトーチ17を移動させ、このトーチ17の移動と共にアークを発生させる。これにより、トーチが移動する軌道に沿ってビード25が形成される。ビード25は、溶加材Fmを溶融及び凝固させて形成され、形成されたビード層に次層のビード層が繰り返し積層される。
この場合は、トーチ17を図3の奥行き方向(紙面垂直方向)に移動させ、シールドガスG雰囲気中で発生させたアークにより、ベース材23にビード25A,25B,25Cを隣接させて形成する。一層目の各ビード25A,25B,25Cは、発生させたアークによりビード形成の目標位置付近を加熱し、加熱により溶融した溶加材Fmが目標位置で凝固することで形成される。2層目のビード層H2は、1層目のビード層H1のビード25Aとビード25Bとの間にビード25Dを形成し、更にビード25Dに隣接してビード25Eを形成する。このようにして、ビード形成を繰り返す。
次に、図2A,図2Bに一例として示した積層造形物27の積層計画の作成と、積層造形手順を詳細に説明する。
図4は積層造形物の積層計画と製造方法の手順を示すフローチャートである。以下、このフローチャートを用いて各手順を順次に説明する。
造形コントローラ13の積層計画作成部31は、取得した3次元形状データの形状に応じて、その形状をビードで形成する積層計画を作成する(S2)。積層計画には、トーチ17を移動させる軌道を表す軌道計画を作成すること、アークを加熱源としてビードを形成する際の、溶接電流、アーク電圧、溶接速度、トーチ角等の溶接条件を設定することが含まれる。
図1に示す造形部11が形状モデル43に対応する動作プログラムを実行することで、形状モデル43の形状に従ってビード25が形成される。このビード25の積層後、完成した積層造形物は加熱により高温となった状態から常温に冷却される。すると、図7に示すように積層造形物27は熱収縮によって最終形状に変形する。図示例の積層造形物27Aでは、ベース材23から最も離れた最終層27A10において最大の変形量となり、形状モデル43の形状から半径方向にΔLの変形が生じる。
ここでは、図7に示す積層造形物27Aの中心軸Lcを中心とする半径方向の変形量ΔLを、形状モデル43の各分割層43S1,43S2,43S3,・・・,43S10に対応させて、ΔLi(ΔL1,ΔL2,ΔL3,・・・,ΔL10)として示している。
補正形状モデル45は、積層造形されて熱収縮した後の積層造形物の形状が、元の形状モデル43の形状になるように、形状モデル43を、変形量ΔLiを用いて補正したモデルである。
元の形状モデル43(図6も参照)は、層分解された分割層43S1〜43S10を有する。各分割層43S1〜43S10は、いずれも同径の円筒体の一部を形成する形状である。補正形状モデル45は、各分割層43S1〜43S10のモデルに、変形方向(径方向内側に向かう方向)と逆向きの方向(径方向外側に向かう方向)へ変形量ΔLiだけ延ばす補正を施すことで得られる。
形状モデル43の各分割層43S1〜43S10(図9参照)の形状が補正された補正形状モデル45は、変形量ΔLiの大きさに応じて拡径された、逆円錐形の側面形状を有する。
補正形状モデル47を再度変更する場合は、S6の工程で求めた変形量ΔLiを用いて、積層計画を再度作成する。このときも、軌道計画の他に、加熱条件を再設定してもよい。そして、補正された積層計画により積層造形を実施した場合に、積層造形物に生じる変形量ΔLiを解析的に求める。求めた変形量ΔLiで変形した積層造形物の形状と、最初の形状モデル43の形状(3次元形状データの形状)との差分Δdを求め、この差分Δdが予め定めた許容範囲εに収まるまで、S4〜S7の工程を繰り返す。
例えば、本技術は、溶接により積層造形物を作製する場合に限らず、例えば、粉体材料に対面する加工ヘッドを走査させて、粉体材料を選択的に溶融、凝固させた層を積層し、3次元形状の積層造形物を得る場合にも好適に適用可能である。
(1) 溶融金属を積層する積層造形装置により、積層造形物を該積層造形物の3次元形状データを用いて造形する積層造形物の積層計画方法であって、
前記3次元形状データを取得する工程と、
前記3次元形状データの形状を層分解した各層を前記溶融金属で形成するための前記積層造形装置の軌道、及び前記積層造形装置が前記溶融金属を形成する加熱条件を定める積層計画を作成する工程と、
作成された前記積層計画により前記積層造形物を造形した際の、冷却により熱収縮した前記積層造形物の形状と前記3次元形状データの形状との差分を演算により求める工程と、
前記差分が予め定めた許容範囲に収まるまで、前記軌道及び前記加熱条件を変更して前記積層計画を補正する工程と、
をこの順で実施する積層造形物の積層計画方法。
この積層造形物の積層計画方法によれば、積層造形物を造形する際に、目標形状に応じた積層造形装置の軌道に加え、溶融金属を形成する加熱条件を含めて積層計画を作成するため、造形時の入熱量に応じた熱収縮量が正確に求められる。その結果、積層造形物に生じる変形量を正確に把握でき、より高い形状精度の積層造形物の作製が可能となる。
この積層造形物の積層計画方法によれば、熱弾塑性解析、固有ひずみ法解析、熱弾性解析によって、高精度な変形量の予測が可能となる。
この積層造形物の積層計画方法によれば、発生する変形を複雑な演算を要することなく簡単にキャンセルできる。
この積層造形物の積層計画方法によれば、溶接によるビードで形成される高強度な積層造形物を造形する積層計画が得られる。
この積層造形物の積層計画方法によれば、高い自由度で任意形状の積層造形物を造形する造形計画が得られる。
この積層造形物の積層計画方法によれば、積層造形物への入熱量を正確に把握でき、発生する熱収縮量を正確に予測できる。これにより、より高い形状精度の積層造形物を造形する積層計画が得られる。
この積層造形物の製造方法によれば、より高い形状精度の積層造形物の作製が可能となる。
前記3次元形状データを取得する入力部と、
前記3次元形状データの形状を層分解した各層を前記溶融金属で形成するための前記積層造形装置の軌道、及び前記積層造形装置が前記溶融金属を形成する加熱条件を定める積層計画を作成する積層計画作成部と、
作成された前記積層計画により前記積層造形物を造形した際の、冷却により熱収縮した前記積層造形物の形状と前記3次元形状データの形状との差分を演算により求める変形量計算部と、
前記寸法差が予め定めた許容範囲に収まるまで、前記軌道及び前記加熱条件を変更して前記積層計画を補正する制御部と、
を備える積層造形物の製造装置。
この積層造形物の製造装置によれば、積層造形物を造形する際に、目標形状に応じた積層造形装置の軌道に加え、溶融金属を形成する加熱条件を含めて積層計画を作成するため、造形時の入熱量に応じた熱収縮量が正確に求められる。その結果、積層造形物に生じる変形量を正確に把握でき、より高い形状精度の積層造形物の作製が可能となる。
13 造形コントローラ
17 トーチ
19 溶接ロボット
25,25A,25B,25C,25D,25E ビード
27,27A,27B 積層造形物
31 積層計画作成部
33 変形量計算部
35 プログラム作成部
39 入力部
41 制御部
43 形状モデル
45 補正形状モデル
100 積層造形物の製造装置
Claims (8)
- 溶融金属を積層する積層造形装置により、積層造形物を該積層造形物の3次元形状データを用いて造形する積層造形物の積層計画方法であって、
前記3次元形状データを取得する工程と、
前記3次元形状データの形状を層分解した各層を前記溶融金属で形成するための前記積層造形装置の軌道、及び前記積層造形装置が前記溶融金属を形成する加熱条件を定める積層計画を作成する工程と、
作成された前記積層計画により前記積層造形物を造形した際の、冷却により熱収縮した前記積層造形物の形状と前記3次元形状データの形状との差分を演算により求める工程と、
前記差分が予め定めた許容範囲に収まるまで、前記軌道及び前記加熱条件を変更して前記積層計画を補正する工程と、
をこの順で実施する積層造形物の積層計画方法。 - 前記差分を演算により求める工程は、前記熱収縮による変形量を、熱弾塑性解析、固有ひずみ法解析、熱弾性解析のいずれかを用いて求める請求項1に記載の積層造形物の積層計画方法。
- 前記積層計画の補正は、前記熱収縮による変形が生じる方向と逆方向に前記軌道を変更する請求項1又は2に記載の積層造形物の積層計画方法。
- 前記積層造形物は、溶加材を溶融及び凝固させた複数のビードでビード層を形成し、該形成されたビード層に次層のビード層を繰り返し積層して造形される請求項1〜3のいずれか一項に記載の積層造形物の積層計画方法。
- 前記ビードは、多軸ロボットのロボットアームの先端に支持されたトーチから発生させたアークにより、前記溶加材を溶融させて形成される請求項4に記載の積層造形物の積層計画方法。
- 前記加熱条件は、前記ビードを形成する溶接電流、アーク電圧、溶接速度、トーチ角度の少なくともいずれかを含む請求項5に記載の積層造形物の積層計画方法。
- 請求項1〜6のいずれか一項に記載の積層造形物の積層計画方法により作成した前記積層計画に基づいて、前記積層造形物を積層造形する積層造形物の製造方法。
- 溶融金属を積層する積層造形装置により、積層造形物を該積層造形物の3次元形状データを用いて造形する積層造形物の製造装置であって、
前記3次元形状データを取得する入力部と、
前記3次元形状データの形状を層分解した各層を前記溶融金属で形成するための前記積層造形装置の軌道、及び前記積層造形装置が前記溶融金属を形成する加熱条件を定める積層計画を作成する積層計画作成部と、
作成された前記積層計画により前記積層造形物を造形した際の、冷却により熱収縮した前記積層造形物の形状と前記3次元形状データの形状との差分を演算により求める変形量計算部と、
前記差分が予め定めた許容範囲に収まるまで、前記軌道及び前記加熱条件を変更して前記積層計画を補正する制御部と、
を備える積層造形物の製造装置。
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