JP2021059771A - 積層造形物の製造方法及び積層造形物 - Google Patents

Abstract

【課題】歪みのない空洞部を有する造形物を容易にかつ効率よく造形することが可能な積層造形物の製造方法及び積層造形物を提供する。【解決手段】溶加材Ｍを溶融及び凝固させた複数の溶着ビードＢを積層させて空洞部Ｃを有する造形物を造形する積層造形物の製造方法であって、空洞部Ｃの外周部Ｗａを造形する外周部造形工程と、外周部Ｗａを除く他の部分である中実部Ｗｂを造形する中実部造形工程と、を含み、外周部造形工程では、中実部造形工程における溶着ビードＢよりも断面積の小さい小断面溶着ビードＢｓによって外周部Ｗａを造形する。【選択図】図２Ｄ

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。

例えば、チャンバ内の所定のターゲットにホッパから粉体を供給し、ターゲット内において特定された範囲に熱源であるビームを照射して粉体を溶融および凝固させて層を積層させることにより、流路を有するインペラを成形する技術が知られている（特許文献１参照）。

また、複数の電極のアレイを備えた電極ヘッドを移動させ、アレイによって材料を層毎に順次溶着させて３次元部品を形成する積層造形システムによって、第１の溶着速度で輪郭線部分を形成し、複数の電極のアレイのうちの可変の数の電極を使用し、第１の溶着速度よりも速い第２の溶着速度で充填部分を形成することも知られている（特許文献２参照）。

特開２０１７−１８０１７７号公報 特開２０１８−１８７６７９号公報

ところで、チャンバ内にホッパから粉体を供給し、ターゲットにビームを照射する特許文献１の技術、及び複数の電極のアレイを備えた電極ヘッドを繰り返し移動させる特許文献２の技術では、いずれも装置が大掛かりとなる。しかも、造形できる造形物の大きさがチャンバや電極ヘッドのアレイの数によって制限され、また、複雑形状の造形物の造形が困難である。

これに対して、溶接ワイヤを溶融及び凝固させて溶着ビードを積層させて造形物を造形する積層造形技術によれば、大掛かりな設備を必要とせずに、冷却流路などの空洞部を有する複雑形状の積層造形物を、大きさの制限を受けることなく造形することができる。

しかし、空洞部を有する積層造形物を積層造形によって造形する場合、その空洞部の外周部を形成する溶着ビードは、他の中実部を形成する溶着ビードと比べて重力等の影響による垂れが生じるおそれがある。このため、形成する空洞部の形状が歪みやすいという問題があった。

本発明は、上記事項に鑑みてなされたものであり、その目的は、歪みのない空洞部を有する造形物を容易にかつ効率よく造形することが可能な積層造形物の製造方法及び積層造形物を提供することにある。

本発明は下記構成からなる。
（１） 溶加材を溶融及び凝固させた複数の溶着ビードを積層させて空洞部を有する造形物を造形する積層造形物の製造方法であって、
前記空洞部の外周部を造形する外周部造形工程と、
前記外周部を除く他の部分である中実部を造形する中実部造形工程と、
を含み、
前記外周部造形工程では、前記中実部造形工程における前記溶着ビードよりも断面積の小さい小断面溶着ビードによって前記外周部を造形する、
積層造形物の製造方法。
（２） 溶加材を溶融及び凝固させた複数の溶着ビードが積層されて造形され、内部に空洞部が形成された積層造形物であって、
前記空洞部の外周部と、
前記外周部を除く他の部分である中実部と、
を有し、
前記外周部は、前記中実部を形成する前記溶着ビードよりも断面積の小さい小断面溶着ビードから形成されている、
積層造形物。

本発明によれば、歪みのない空洞部を有する造形物を容易にかつ効率よく造形することができる。

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。 積層造形物の製造手順を示す製造途中の積層造形物の概略断面図である。 積層造形物の製造手順を示す製造途中の積層造形物の概略断面図である。 積層造形物の製造手順を示す製造途中の積層造形物の概略断面図である。 積層造形物の製造手順を示す製造途中の積層造形物の概略断面図である。 積層造形物の製造手順を示す製造途中の積層造形物の概略断面図である。 他の実施形態に係る積層造形物の製造手順を示す製造途中の積層造形物の概略断面図である。 他の実施形態に係る積層造形物の製造手順を示す製造途中の積層造形物の概略断面図である。 他の形状の空洞部を有する積層造形物を示す図であって、図４の（ａ）及び図４の（ｂ）はそれぞれ積層造形物の概略断面図である。

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、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２１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。本構成で用いら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２１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１０に溶加材Ｍの溶融凝固体である線状の溶着ビードＢが形成される。

なお、溶加材Ｍを溶融させる熱源としては、上記したアークに限らない。例えば、アークとレーザとを併用した加熱方式、プラズマを用いる加熱方式、電子ビームやレーザを用いる加熱方式等、他の方式による熱源を採用してもよい。電子ビームやレーザにより加熱する場合、加熱量を更に細かく制御でき、溶着ビードの状態をより適正に維持して、積層構造物の更なる品質向上に寄与できる。

ＣＡＤ／ＣＡＭ部３１は、作製しようとする積層造形物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１０上に供給する。これにより、例えば、水平に配置させたベースプレート１０上に複数の線状の溶着ビードＢが水平方向に積層された積層造形物Ｗが造形される。

図１においては、水平に設置された鋼板からなるベースプレート１０上に複数の溶着ビードＢを積層させて複数の空洞部Ｃが水平方向に沿って形成された積層造形物Ｗを造形する様子を示している。このように、この製造システム１００による造形技術によれば、大掛かりな設備を必要とせずに、空洞部Ｃを有する複雑形状の積層造形物Ｗを容易に造形することができる。この空洞部Ｃは、例えば、流体が通される流路等として用いられる。具体的には、この積層造形物Ｗを、例えば、ミキサーやポンプなどのロータとして用いる際に、空洞部Ｃに冷却水などの冷却媒体が流される。そして、この冷却媒体が空洞部Ｃへ流れることで、積層造形物Ｗが冷却される。

ところで、空洞部Ｃを有する積層造形物Ｗを積層造形によって造形する場合、その空洞部Ｃの外周部を形成する溶着ビードＢは、他の中実部を形成する溶着ビードＢと比べて重力等の影響による垂れが生じるおそれがある。このため、形成する空洞部Ｃの形状が歪みやすいという問題がある。

このため、本実施形態では、歪みのない空洞部Ｃを有する積層造形物Ｗを造形するために、以下のように積層造形物Ｗを製造する。
図２Ａ〜図２Ｅは、積層造形物の製造手順を示す製造途中の積層造形物の概略断面図である。

図２Ａに示すように、水平に設置したベースプレート１０に対して、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、積層造形装置１１のトーチ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、ベースプレート１０上に溶着ビードＢを形成する。そして、この溶着ビードＢを積層させて積層部Ｗ１を造形する（中実部造形工程）。

図２Ｂ及び図２Ｃに示すように、積層部Ｗ１を空洞部Ｃの外周部Ｗａの造形予定位置（図２Ｂ及び図２Ｃにおける点線部分）に達するまで造形したら、外周部Ｗａの造形予定位置に、小断面溶着ビードＢｓを形成する（外周部造形工程）。この小断面溶着ビードＢｓは、外周部Ｗａを除く他の部分である中実部Ｗｂを造形する溶着ビードＢよりも小さい断面積を有している。

ここで、溶着ビードＢと小断面溶着ビードＢｓとは、異なる施工速度で形成する。例えば、小断面溶着ビードＢｓに対して４倍の施工速度で中実部Ｗｂの溶着ビードＢを形成する。換言すれば、溶着ビードＢに対して１／４の施工速度で小断面溶着ビードＢｓを形成する。これにより、中実部Ｗｂを造形する溶着ビードＢに対して小断面溶着ビードＢｓの断面積が相対的に小さくされる。なお、施工速度を上げて小断面溶着ビードＢｓよりも大きな断面の溶着ビードＢを形成するには、例えば、小断面溶着ビードＢｓを形成する場合と比べ、溶加材Ｍの送給速度を速くすればよい。

図２Ｄに示すように、積層部Ｗ１を外周部Ｗａの形成予定位置の上部近傍まで造形したら、さらに外周部Ｗａの形成予定位置に小断面溶着ビードＢｓを形成し、外周部Ｗａを造形する。これにより、外周部Ｗａが形成されて空洞部Ｃの上部が閉塞された積層部Ｗ１を造形する。

図２Ｅに示すように、外周部Ｗａを形成して空洞部Ｃを閉塞させたら、外周部Ｗａを除く他の中実部Ｗｂに小断面溶着ビードＢｓよりも大きな断面積を有する溶着ビードＢを積層させる。これにより、小断面溶着ビードＢｓからなる外周部Ｗａによって囲われた空洞部Ｃを有する積層造形物Ｗが得られる。

このように、本実施形態に係る積層造形物の製造方法及び積層造形物によれば、空洞部Ｃの外周部Ｗａを、この外周部Ｗａを除く他の中実部Ｗｂを造形する際の溶着ビードＢよりも断面積の小さい小断面溶着ビードＢｓによって造形する。これにより、空洞部Ｃの外周部Ｗａを造形する際には、その上部においても、重力等による垂れを抑制することができ、また、その他の中実部Ｗｂを造形する際には、大きな断面積の溶着ビードＢによって効率よく造形することができる。特に、精度が要求される空洞部Ｃの外周部Ｗａを造形した後に、中実部Ｗｂにおける未造形部分を小断面溶着ビードＢｓより大きな断面積の溶着ビードＢによって造形する。これにより、歪みのない空洞部Ｃを有する積層造形物Ｗを容易にかつ効率よく迅速に造形することができる。

次に、他の実施形態に係る積層造形物の製造方法及び積層造形物について説明する。
図３Ａ及び図３Ｂは、他の実施形態に係る積層造形物の製造手順を示す製造途中の積層造形物の概略断面図である。
図３Ａに示すように、他の実施形態では、小断面溶着ビードＢｓで外周部Ｗａを形成して空洞部Ｃを閉塞させたら、その外周部Ｗａの一部である上部に、小断面溶着ビードＢｓを積層させて補強層Ｗｃを形成する。これにより、外周部Ｗａの上部を小断面溶着ビードＢｓからなる補強層Ｗｃによって覆う。

その後、図３Ｂに示すように、外周部Ｗａ及び補強層Ｗｃを除く他の中実部Ｗｂに小断面溶着ビードＢｓよりも大きな断面積を有する溶着ビードＢを積層させる。これにより、小断面溶着ビードＢｓからなる外周部Ｗａによって囲われた空洞部Ｃを有する積層造形物Ｗが得られる。

この他の実施形態に係る積層造形物の製造方法及び積層造形物によれば、重力の影響を受けやすい外周部Ｗａの上部を小断面溶着ビードＢｓで覆って補強することができる。これにより、空洞部Ｃの外周部Ｗａの上部に溶着ビードＢを積層させて中実部Ｗｂを造形する際に、この溶着ビードＢから受ける外力による影響を抑えることができる。また、溶着ビードＢを積層する際の入熱量が大きくても外周部Ｗａの一部が溶け落ちることを抑制できる。

なお、製造する積層造形物Ｗにおける空洞部Ｃは、断面円形状に限らない。例えば、空洞部Ｃとしては、図４の（ａ）に示すように、水平方向に長い断面長円形状であってもよい。また、図４の（ｂ）に示すように、上部がアーチ状に形成された縦長形状であってもよい。

このように、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。

以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
（１） 溶加材を溶融及び凝固させた複数の溶着ビードを積層させて空洞部を有する造形物を造形する積層造形物の製造方法であって、
前記空洞部の外周部を造形する外周部造形工程と、
前記外周部を除く他の部分である中実部を造形する中実部造形工程と、
を含み、
前記外周部造形工程では、前記中実部造形工程における前記溶着ビードよりも断面積の小さい小断面溶着ビードによって前記外周部を造形する、
積層造形物の製造方法。

上記（１）の構成の積層造形物の製造方法によれば、空洞部の外周部を、この外周部を除く他の中実部を造形する際の溶着ビードよりも断面積の小さい小断面溶着ビードによって造形する。これにより、空洞部の外周部を造形する際には、重力等による垂れを抑制することができ、また、その他の中実部を造形する際には、大きな断面積の溶着ビードによって効率よく造形することができる。つまり、歪みのない空洞部を有する積層造形物を容易にかつ効率よく造形することができる。

（２） 前記外周部造形工程による前記外周部の造形完了後に、前記中実部造形工程によって前記中実部における未造形部分を造形する、
（１）に記載の積層造形物の製造方法。

上記（２）の構成の積層造形物の製造方法によれば、精度が要求される空洞部の外周部を造形した後に、中実部における未造形部分を小断面溶着ビードより大きな断面積の溶着ビードによって迅速に効率よく造形することができる。

（３） 前記外周部造形工程において、前記外周部の少なくとも一部を前記小断面溶着ビードで覆う、
（１）または（２）に記載の積層造形物の製造方法。

上記（３）の構成の積層造形物の製造方法によれば、例えば、重力等の外力の影響を受けやすい外周部の一部を小断面溶着ビードで覆って補強することができる。これにより、空洞部の外周部に溶着ビードを積層させて中実部を造形する際に、この溶着ビードから受ける外力による影響を抑えることができる。

（４） 前記外周部造形工程及び前記中実部造形工程によって、水平方向に沿う前記溶着ビードを上下方向に積層させ、前記空洞部の少なくとも上部が閉塞された前記造形物を造形する、
（１）から（３）のいずれか一つに記載の積層造形物の製造方法。

上記（４）の構成の積層造形物によれば、空洞部の外周部を小断面溶着ビードによって形成するので、重力の影響が大きい空洞部の外周部における上部においても、溶着ビードの垂れ落ちによる空洞部の歪みが抑制される。これにより、歪みが抑えられた空洞部を有する積層造形物を容易にかつ効率よく造形することができる。

（５） 溶加材を溶融及び凝固させた複数の溶着ビードが積層されて造形され、内部に空洞部が形成された積層造形物であって、
前記空洞部の外周部と、
前記外周部を除く他の部分である中実部と、
を有し、
前記外周部は、前記中実部を形成する前記溶着ビードよりも断面積の小さい小断面溶着ビードから形成されている、
積層造形物。

上記（５）の構成の積層造形物によれば、空洞部の外周部が、中実部の溶着ビードよりも断面積の小さい小断面溶着ビードから形成されている。これにより、この積層造形物の空洞部の外周部を造形する際には、重力等による垂れを抑制することができ、また、その他の中実部を造形する際には、大きな断面積の溶着ビードによって効率よく造形することができる。これにより、歪みのない空洞部を有し、しかも、容易にかつ効率よく造形することが可能な積層造形物とすることができる。

（６） 前記外周部の少なくとも一部が前記小断面溶着ビードで覆われている、
（５）に記載の積層造形物。

上記（６）の構成の積層造形物によれば、溶着ビードを積層させて造形する際に、例えば、重力等の外力の影響を受けやすい外周部の一部を小断面溶着ビードで覆って補強し、空洞部の外周部に溶着ビードを積層させて中実部を造形する際に、この溶着ビードから受ける外力による影響を抑えることができる。

（７） 水平方向に沿う前記溶着ビードが上下方向に積層され、前記空洞部の少なくとも上部が閉塞されている、
（５）または（６）に記載の積層造形物。

上記（７）の構成の積層造形物によれば、空洞部の外周部が小断面溶着ビードによって形成されているので、重力の影響が大きい空洞部の外周部における上部においても、溶着ビードの垂れ落ちによる空洞部の歪みが抑制される。これにより、歪みが抑えられた空洞部を有する積層造形物とすることができる。

Ｂ 溶着ビード
Ｂｓ 小断面溶着ビード
Ｃ 空洞部
Ｍ 溶加材
Ｗ 積層造形物
Ｗａ 外周部
Ｗｂ 中実部

Claims (7)

1. 溶加材を溶融及び凝固させた複数の溶着ビードを積層させて空洞部を有する造形物を造形する積層造形物の製造方法であって、
   前記空洞部の外周部を造形する外周部造形工程と、
   前記外周部を除く他の部分である中実部を造形する中実部造形工程と、
   を含み、
   前記外周部造形工程では、前記中実部造形工程における前記溶着ビードよりも断面積の小さい小断面溶着ビードによって前記外周部を造形する、
   積層造形物の製造方法。
2. 前記外周部造形工程による前記外周部の造形完了後に、前記中実部造形工程によって前記中実部における未造形部分を造形する、
   請求項１に記載の積層造形物の製造方法。
3. 前記外周部造形工程において、前記外周部の少なくとも一部を前記小断面溶着ビードで覆う、
   請求項１または請求項２に記載の積層造形物の製造方法。
4. 前記外周部造形工程及び前記中実部造形工程によって、水平方向に沿う前記溶着ビードを上下方向に積層させ、前記空洞部の少なくとも上部が閉塞された前記造形物を造形する、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の積層造形物の製造方法。
5. 溶加材を溶融及び凝固させた複数の溶着ビードが積層されて造形され、内部に空洞部が形成された積層造形物であって、
   前記空洞部の外周部と、
   前記外周部を除く他の部分である中実部と、
   を有し、
   前記外周部は、前記中実部を形成する前記溶着ビードよりも断面積の小さい小断面溶着ビードから形成されている、
   積層造形物。
6. 前記外周部の少なくとも一部が前記小断面溶着ビードで覆われている、
   請求項５に記載の積層造形物。
7. 水平方向に沿う前記溶着ビードが上下方向に積層され、前記空洞部の少なくとも上部が閉塞されている、
   請求項５または請求項６に記載の積層造形物。

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