JP2020168642A - 積層造形物の製造方法及び積層造形物 - Google Patents

Abstract

【課題】ビードを並べたビード層を積層して表面の凹凸を極力小さくし高品質な積層造形物を形成することが可能な積層造形物の製造方法を提供する。【解決手段】アークを用いて溶加材Ｍを溶融及び凝固させた複数のビード２５を隣接して並べたビード層３４が複数層に積層された積層造形物Ｗの製造方法であって、ビード層３４となる複数のビード２５を形成するビード造形工程と、該ビード層３４の形状を計測する工程と、該計測されたビード層３４の形状に応じて、ビード層３４を平滑にするための平滑用ビード２８を形成する平滑用ビード造形工程と、を含む。【選択図】図３

Description

本発明は、積層造形物の製造方法及び積層造形物に関する。

近年、生産手段としての３Ｄプリンタのニーズが高まっており、特に金属材料への適用については航空機業界等で実用化に向けて研究開発が行われている。金属材料を用いた３Ｄプリンタは、レーザや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て造形物を造形する。

このような造形物を造形する技術として、溶加材を供給する溶接トーチを移動させることで、溶融金属を積層させて金型などの造形物を造形する溶接技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、特許文献２では、比較的厚板の下側鋼板と比較的薄板の上側鋼板とを、上側鋼板に形成された栓溶接用穴を埋めるように消耗電極式アーク溶接トーチを用いてアーク溶接する栓溶接方法が開示されている。この栓溶接方法は、厚板溶接条件ビードを形成する工程と、厚板溶接条件ビードによって発生する栓溶接用穴の周辺部の溶け落ちを穴埋めする薄板溶接条件ビードを形成する工程と、厚板溶接条件ビードと、薄板溶接条件ビードとの上部の凹凸を滑らかにするビード平滑用ビードを形成する工程と、を備える。

特開２０００−１５３６３号公報 特開２００５−２３８２６２号公報

ところで、溶接トーチによってビードを並べて複数のビードからなるビード層を形成し、このビード層を積層して造形物を形成する場合、ビード層における凹凸、即ち、該ビード層おける各ビード間で、各ビードの上面に高低差が発生し、積層を重ねるごとにビード層における凹凸は蓄積されていく。このため、造形途中において、該凹凸を修正することが望まれる。

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、ビードを並べたビード層を積層して表面の凹凸を極力小さくし高品質な積層造形物を形成することが可能な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。
（１） アークを用いて溶加材を溶融及び凝固させた複数のビードを隣接して並べたビード層が複数層に積層された積層造形物の製造方法であって、
前記ビード層となる前記複数のビードを形成するビード造形工程と、
該ビード層の形状を計測する工程と、
該計測されたビード層の形状に応じて、前記ビード層を平滑にするための平滑用ビードを形成する平滑用ビード造形工程と、
を含む積層造形物の製造方法。

本発明によれば、ビードを並べたビード層を積層して表面の凹凸を極力小さくし高品質な積層造形物を形成することができる。

本発明の積層造形物を製造する製造システムの模式的な概略構成図である。 所定数層のビード層を積層させた積層造形物の断面図である。 平滑用ビード及び凹み埋め用ビードを形成した積層造形物の断面図である。 凹み埋め用ビードを形成するための条件を説明するための模式図である。 図３と異なる手法で平滑用ビードを形成した積層造形物の断面図である。

以下、本発明の一実施形態に係る積層造形物の製造方法について、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を製造する製造システムの模式的な概略構成図である。
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、造形過程において、ビード層３４の形状を計測する形状計測手段１６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、不図示のシールドノズルを有し、シールドノズルからシールドガスが供給される。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、シールドノズルの内部には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２４上に溶加材Ｍの溶融凝固体である線状のビード２５が形成される。

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。

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。

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２４上に供給する。これにより、図１に示すように、ベースプレート２４上には、複数の線状のビード２５が凝固して一列に隣接して並べられたビード層３４が形成され、さらに、このビード層３４が複数層に積層された積層造形物Ｗが造形される。

また、形状計測手段１６は、コントローラ１５に接続されており、ビード層３４の凹凸形状を計測する。形状計測手段１６としては、３次元形状計測が利用可能なＴＯＦカメラやＣＭＯＳカメラ等が適用可能であり、また、本実施形態では、凹凸形状のうち、ビード層の凸部と凹部の高低差が最大となる凸部と凹部が分かればよいので、形状計測手段１６は、レーザ距離計であってもよい。

さらに、制御部３７は、形状計測手段１６によって得られたビード層３４の凹凸形状に応じて、後述する平滑用ビード造形工程と、凹み埋め用ビード造形工程と、を実行するように、層形状データやトーチ１７の移動軌跡を含む、これらの工程の溶接条件を作成する。さらに、平滑用ビード造形工程と凹み埋め用ビード造形工程とを実行した場合には、制御部３７は、通常のビード２５を形成するための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補正する。

ここで、図２に示すように、ビード２５を一列に接合させたビード層３４が積層されると、ビード層３４における凹凸の高低差が生じ、そのままさらに積層すると、該高低差はさらに大きくなってしまう場合がある。このため、本実施形態では、ビード層３４を形成する度に、形状計測手段１６によって得られたビード層３４の凹凸形状を計測し、必要に応じて、平滑用ビード造形工程と、凹み埋め用ビード造形工程と、を実行する。

具体的には、所定のビード層３４Ａの凸部２６と凹部２７の高低差の最大値Ｈｍａｘが所定の閾値（例えば、ビード２５の狙い高さ）を超えた場合に、制御部３７は、図２に示すように、所定数層（本実施形態では、２層）の平滑ビード形成領域Ａ１、Ａ２を設定し、該平滑ビード形成領域Ａ１、Ａ２とビード２５の最上面との高さに応じて、平滑用ビード２８を形成する。なお、平滑ビード形成領域Ａ１、Ａ２の高さは、平滑用ビード２８の高さに応じて設定されている。

この場合、所定のビード層３４Ａの各ビード２５を左から２５ａ〜２５ｆとすると、ビード２５ｅのみの最上面の高さが下方の平滑ビード形成領域Ａ１を越えて、上方の平滑ビード形成領域Ａ２内に位置している。このため、図３に示すように、ビード２５ｅの上方のみ１層の平滑用ビード２８を形成し、残りのビード２５ａ〜２５ｄ、２５ｆの上方には、２層の平滑用ビード２８を形成する。

また、この平滑用ビード２８を形成する際は、ビード２５を形成する際の溶接電圧よりも大きく設定されることで、ビード２５を形成する際と同じ溶加材Ｍを用いた場合でも、平滑用ビード２８は、ビード２５よりもより高さの低い扁平な形状とすることができる。また、平滑用ビード２８は、併せて、ウィービングを施すことで、ビードの並び方向に幅広に形成して、ビード２５間の凹部２７を埋めるようにしてもよい。これにより、図３に示すように、ビード層３４Ａ上に形成された平滑用ビード２８の凹凸の高低差の最大値Ｈ１ｍａｘは、所定のビード層３４Ａの凹凸の高低差の最大値Ｈｍａｘよりも小さくなる。

さらに、図３に示すように、平滑用ビード２８を形成する前に、ビード層３４の所定の凹部２７、即ち、Ｖ字状の深い凹部２７を埋めるように凹み埋め用ビード２９を形成する。

即ち、図４に示すように、凹み埋め用ビード造形工程は、積層される上層のビード２５によって再溶融される想定のビード２５の高さを溶融高さＭＨとした時、凹部２７を形成する隣り合うビード２５のうち低い側のビード２５の再溶融される高さ位置（即ち、ビード２５の最上面から溶融高さＭＨを引いた高さ位置）Ｈ２から凹部２７までの深さＤが、溶融高さＭＨより大きい場合に、凹み埋め用ビード２９を形成する。したがって、本実施形態の場合、ビード２５ａ、２５ｂ間、及びビード２５ｃ、２５ｄ間に、凹み埋め用ビード２９が形成される。

この場合、凹み埋め用ビード２９は、ビード造形工程のビード２５よりも径が小さい溶加材を用いることで、各ビード２５間の凹部２７を狙ってビード２５よりも高さ及び幅の小さな凹み埋め用ビード２９を形成することができる。
なお、図３では、ビード２５間や平滑用ビード２８間に空隙がみられるが、実際には、ビード間のオーバーラップ量や、溶融した溶加材Ｍの凹部２７への流れ込みによって、空隙が生じない積層造形部Ｗが形成される。

そして、ビード層３４毎に、上記平滑用ビード造形工程と、凹み埋め用ビード造形工程とを必要に応じて行いながら、ビード層３４を積層して、これを積層造形物Ｗが得られるまで繰り返し行う。

なお、ベースプレート２４は、必要に応じて、ワイヤーソーやダイヤモンドカッター等による切断機で切断することで、所望の形状の積層造形物Ｗとすることができる。

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、ビード２５を形成して隣接して並べるとともにビード２５からなるビード層３４を複数層に積層させることで、積層造形物Ｗを容易に作製できる。

しかも、本実施形態に係る積層造形物Ｗの製造方法では、ビード層３４の複数のビード２５を形成した際に、該ビード層３４の形状を計測する工程と、ビード層３４の凸部２６と凹部２７の高低差の最大値が所定の閾値を超えた場合、ビード層３４を平滑にするための平滑用ビード２８を形成する平滑用ビード造形工程と、を含むので、ビード層３４の表面の凹凸を極力小さくして滑らかにすることができる。

また、本実施形態に係る積層造形物Ｗの製造方法によれば、平滑用ビード造形工程は、ビード層３４の凸部２６と凹部２７の高低差の最大値Ｈｍａｘが所定の閾値を超えた場合に、所定数層の平滑ビード形成領域Ａ１、Ａ２を設定し、該平滑ビード形成領域Ａ１、Ａ２とビード２５の最上面との高さに応じて、平滑用ビードを形成する。これにより、ビード２５の最上面の高さに応じて、平滑用ビード２８の層数を決めることができ、ビード層３４の表面の凹凸を極力小さくして滑らかにすることができる。

さらに、本実施形態に係る積層造形物Ｗの製造方法によれば、平滑用ビード造形工程は、溶接電圧がビード造形工程のものよりも大きく設定され、且つ、ウィービングが施される。これにより、扁平かつ幅広の平滑用ビード２８を形成することができ、ビード層３４の表面の凹凸を容易に小さくできると共に、ビード２５間に形成される深い凹部２７を埋めることができ、製造する積層造形物Ｗの品質をさらに高めることができる。

また、本実施形態に係る積層造形物Ｗの製造方法によれば、ビード層の所定の凹部２７を埋めるように凹み埋め用ビード２９を形成する、凹み埋め用ビード造形工程をさらに備えるので、ビード２５間に形成される深い凹部２７を凹み埋め用ビード２９によって埋めることができ、製造する積層造形物Ｗの品質をさらに高めることができる。

また、本実施形態に係る積層造形物Ｗの製造方法によれば、凹み埋め用ビード造形工程は、該ビードの上に積層されるビードによって再溶融されるビードの高さを溶融高さＭＨとした時、凹部２７を形成する隣り合うビード２５のうち低い側のビード２５の再溶融される高さ位置から凹部２７までの深さＤが、溶融高さＭＨより大きい場合に、凹み埋め用ビード２９を形成する。これにより、深さが深い凹部２７に対して凹み埋め用ビード２９を形成することができ、効率よく、ビード層３４の表面の凹凸を小さくすることができる。

また、本実施形態に係る積層造形物Ｗの製造方法によれば、凹み埋め用ビード２９は、ビード造形工程のビード２５よりも径が小さい溶加材を用いるので、各ビード２５間の凹部２７を狙って凹み埋め用ビード２９を形成することができる。

なお、平滑用ビード造形工程は、ビード層３４の凸部２６と凹部２７の高低差の最大値Ｈｍａｘが所定の閾値を超え、さらに、図２に示すように、高さが最大となるビード２５ｅの最上面が、複数のビード２５の並び方向で、該凸部２６から遠い側の端部のビード２５ａの最上面を結んだ直線の並び方向に対する傾きθが所定傾きを超えた場合に、平滑用ビード２８を形成するようにしてもよい。即ち、ビード２５の並び方向における長さが比較的長い等、ビード層３４の凸部２６と凹部２７の高低差の最大値が所定の閾値を超えた場合でも、比較的平滑な表面形状と見なされる場合に、平滑用ビード造形工程を省略することができる。

なお、本実施形態の変形例として、図５に示すように、図３に示す平滑用ビード２８よりもさらに高さの低いより扁平な平滑用ビード２８ａを使用し、３層の平滑ビード形成領域を設定して、高さが最も低いビード２５ｂの上に３層の平滑用ビード２８を形成した場合には、ビード層３４の表面の凹凸をさらに滑らかにすることができる。

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、上記実施形態では、ビード層の凸部と凹部の高低差の最大値が所定の閾値を超えた場合に、平滑用ビードを形成するようにしたが、本発明は、これに限らず、複数のビードの最上面の高低差の最大値が所定の閾値を超えた場合に、平滑用ビード２８を形成するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、積層するビード層３４ごとの各ビード２５は、ビード２５の並び方向における位置を変えずに、等ピッチで形成されているが、本発明は、これに限らず、ビード層３４ごとに、各ビード２５の並び方向における位置を変えてもよい。具体的には、下層のビード２５間に形成される凹部２７の上に上層のビード２５が形成されるように、上下方向に隣り合うビード層３４の各ビード２５同士が並び方向に１／２ピッチずれて形成されてもよい。

さらに、平滑用ビード２８が形成される並び方向の位置も、上記実施形態のように、各ビード２５と同じ並び方向における位置であってもよいし、各ビード２５と並び方向における位置を変えて形成してもよい。

加えて、上記実施形態では、最も高い凸部２６を形成するビード２５の上にも平滑用ビード２８を形成するようにしているが、該ビード２５の上に平滑用ビード２８を形成せず、残りのビード２５のみに平滑用ビード２８を形成するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、ビード層３４を形成する度に、形状計測手段１６によってビード層３４の形状を計測し、必要に応じて、平滑用ビード造形工程と、凹み埋め用ビード造形工程と、を実行するとしたが、本発明はこれに限らず、例えば、最上層のビード層３４を形成した後に、ビード層３４の形状を計測し、必要に応じて、平滑用ビード造形工程と、凹み埋め用ビード造形工程と、を実行するようにしてもよい。

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複数のビードを隣接して並べたビード層が複数層に積層された積層造形物の製造方法であって、
前記ビード層となる前記複数のビードを形成するビード造形工程と、
該ビード層の形状を計測する工程と、
該計測されたビード層の形状に応じて、前記ビード層を平滑にするための平滑用ビードを形成する平滑用ビード造形工程と、
を含む積層造形物の製造方法。
（２） 前記平滑用ビード造形工程は、前記ビード層の凸部と凹部の高低差の最大値が所定の閾値を超えた場合又は、前記複数のビードの最上面の高低差の最大値が所定の閾値を超えた場合に、前記平滑用ビードを形成する、（１）に記載の積層造形物の製造方法。
（３） 前記平滑用ビード造形工程は、前記ビード層の凸部と凹部の高低差の最大値が所定の閾値を超えた場合又は、前記複数のビードの最上面の高低差の最大値が所定の閾値を超えた場合に、所定数層の平滑ビード形成領域を設定し、該平滑ビード形成領域と前記ビードの最上面との高さに応じて、前記平滑用ビードを形成する、（２）に記載の積層造形物の製造方法。
（４） 前記平滑用ビード造形工程は、前記ビード層の凸部と凹部の高低差の最大値が所定の閾値を超える、又は、前記複数のビードの最上面の高低差の最大値が所定の閾値を超え、さらに、高さが最大となる前記ビードの最上面が、前記複数のビードの並び方向で、該凸部から遠い側の端部のビードの最上面を結んだ直線の前記並び方向に対する傾きが所定傾きを超えた場合に、前記平滑用ビードを形成する、（２）又は（３）に記載の積層造形物の製造方法。
（５） 前記平滑用ビード造形工程は、溶接電圧が前記ビード造形工程よりも大きく設定され、且つ、ウィービングが施される、（１）〜（４）のいずれかに記載の積層造形物の製造方法。
（６） ビード層の所定の凹部を埋めるように凹み埋め用ビードを形成する、凹み埋め用ビード造形工程をさらに備える、（１）〜（５）のいずれかに記載の積層造形物の製造方法。
（７） 前記凹み埋め用ビード造形工程は、積層される上層のビードによって再溶融される前記ビードの高さを溶融高さとした時、前記凹部を形成する隣り合う前記ビードのうち低い側の前記ビードの再溶融される高さ位置から前記凹部までの深さが、前記溶融高さより大きい場合に、前記凹み埋め用ビードを形成する、（６）に記載の積層造形物の製造方法。
（８） 前記凹み埋め用ビードは、前記ビード造形工程の前記ビードよりも径が小さい溶加材を用いる、（６）又は（７）に記載の積層造形物の製造方法。

２５ ビード
２６ 凸部
２７ 凹部
２８ 平滑用ビード
２９ 凹み埋め用ビード
３４ ビード層
Ｍ 溶加材
Ｗ 積層造形物

Claims (8)

1. アークを用いて溶加材を溶融及び凝固させた複数のビードを隣接して並べたビード層が複数層に積層された積層造形物の製造方法であって、
   前記ビード層となる前記複数のビードを形成するビード造形工程と、
   該ビード層の形状を計測する工程と、
   該計測されたビード層の形状に応じて、前記ビード層を平滑にするための平滑用ビードを形成する平滑用ビード造形工程と、
   を含む積層造形物の製造方法。
2. 前記平滑用ビード造形工程は、前記ビード層の凸部と凹部の高低差の最大値が所定の閾値を超えた場合又は、前記複数のビードの最上面の高低差の最大値が所定の閾値を超えた場合に、前記平滑用ビードを形成する、請求項１に記載の積層造形物の製造方法。
3. 前記平滑用ビード造形工程は、前記ビード層の凸部と凹部の高低差の最大値が所定の閾値を超えた場合又は、前記複数のビードの最上面の高低差の最大値が所定の閾値を超えた場合に、所定数層の平滑ビード形成領域を設定し、該平滑ビード形成領域と前記ビードの最上面との高さに応じて、前記平滑用ビードを形成する、請求項２に記載の積層造形物の製造方法。
4. 前記平滑用ビード造形工程は、前記ビード層の凸部と凹部の高低差の最大値が所定の閾値を超える、又は、前記複数のビードの最上面の高低差の最大値が所定の閾値を超え、さらに、高さが最大となる前記ビードの最上面が、前記複数のビードの並び方向で、該凸部から遠い側の端部のビードの最上面を結んだ直線の前記並び方向に対する傾きが所定傾きを超えた場合に、前記平滑用ビードを形成する、請求項２又は３に記載の積層造形物の製造方法。
5. 前記平滑用ビード造形工程は、溶接電圧が前記ビード造形工程よりも大きく設定され、且つ、ウィービングが施される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の積層造形物の製造方法。
6. ビード層の所定の凹部を埋めるように凹み埋め用ビードを形成する、凹み埋め用ビード造形工程をさらに備える、請求項１〜５のいずれか１項に記載の積層造形物の製造方法。
7. 前記凹み埋め用ビード造形工程は、積層される上層のビードによって再溶融される前記ビードの高さを溶融高さとした時、前記凹部を形成する隣り合う前記ビードのうち低い側の前記ビードの再溶融される高さ位置から前記凹部までの深さが、前記溶融高さより大きい場合に、前記凹み埋め用ビードを形成する、請求項６に記載の積層造形物の製造方法。
8. 前記凹み埋め用ビードは、前記ビード造形工程の前記ビードよりも径が小さい溶加材を用いる、請求項６又は７に記載の積層造形物の製造方法。

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