JP2021181209A - 積層造形物の製造方法及び積層造形システム - Google Patents

Abstract

【課題】平滑な外面を有する高品質な積層造形物を製造することが可能な積層造形物の製造方法及び積層造形システムを提供する。【解決手段】溶加材Ｍを溶融及び凝固させた溶着ビードＢを積層させて積層造形物Ｗを造形する積層造形物の製造方法であって、成形部材４５をベースプレート５１上に配置させる配置工程と、成形部材４５に接触させながら成形部材４５に沿って溶着ビードＢをベースプレート５１上に積層させて積層造形物Ｗを造形する造形工程と、を含み、成形部材４５として、酸化ジルコニウムを基材とするセラミックス製の部材を用いる。【選択図】図２Ｂ

Description

本発明は、積層造形物の製造方法及び積層造形システムに関する。

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、更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。

このような造形技術として、特許文献１には、モールド材に沿ってビードを形成することにより、造形物を造形するビードの形状を整えながら積層させて造形することが開示されている。

中国特許出願公開第１０７８０３５６８号明細書

ところで、ビードを積層させて造形物を造形する積層造形では、精密な形状の造形が困難である。このため、造形物の造形後に、精度が必要な箇所を機械加工によって形成することとなり、手間を要する。

特許文献１に記載の造形技術によれば、モールド材に沿って形成した面の精度をある程度高めることができる。しかし、単に、モールド材に沿ってビードを形成するだけでは、モールド材にビードが貼り付いたり、モールド材が熱によって損傷したりするため、成形面を平滑に形成するには限度があった。

本発明の目的は、平滑な外面を有する積層造形物を製造することが可能な積層造形物の製造方法及び積層造形システム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溶着ビードを積層させて積層造形物を造形する積層造形物の製造方法であって、
成形部材を母材上に配置させる配置工程と、
前記成形部材に接触させながら前記成形部材に沿って前記溶着ビードを前記母材上に積層させて積層造形物を造形する造形工程と、
を含み、
前記成形部材として、酸化ジルコニウムを基材とするセラミックス製の部材を用いる、
積層造形物の製造方法。
（２） 溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードを積層させて積層造形物を造形する積層造形装置と、前記積層造形物の外面の少なくとも一部を成形する成形装置と、を備えた積層造形システムであって、
前記積層造形装置は、
前記溶着ビードを形成するトーチと、
前記トーチを移動させて溶着ビードを積層させる移動機構と、
を有し、
前記成形装置は、
酸化ジルコニウムを基材とするセラミック製の成形部材と、
前記成形部材を移動させて前記溶着ビードの積層方向に沿う位置に配置させ、積層される前記溶着ビードに前記成形部材を接触させる移動機構と、
を有する、
積層造形システム。

そこで、本発明は、平滑な外面を有する高品質な積層造形物を製造することが可能な積層造形物の製造方法及び積層造形システムを提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係る製造システムの模式的な概略構成図である。 積層造形物の製造工程を示す製造途中の積層造形物の概略側面図である。 積層造形物の製造工程を示す製造途中の積層造形物の概略側面図である。 積層造形物の製造工程を示す製造途中の積層造形物の概略側面図である。 積層造形物の製造工程を示す製造途中の積層造形物の概略側面図である。 溶着ビードを積層させた積層造形物の表面粗さを示すグラフであって、（Ａ）は成形部材を用いて造形した積層造形物の表面の凹凸状態を示すグラフ、（Ｂ）は成形部材を用いずに造形した積層造形物の表面の凹凸状態を示すグラフである。 溶着ビードを積層させた積層造形物の画像であって、（Ａ）は成形部材を用いて造形した積層造形物の画像、（Ｂ）は成形部材を用いずに造形した積層造形物の画像である。 表面に離型剤を塗布した砂型からなる板材を当て板として用いて造形した積層造形物の画像である。 アルミナ及びシリカを主に含有するセラミック製の板材を当て板として用いて造形した積層造形物の画像である。

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、本発明の実施形態に係る製造システムの模式的な概略構成図である。
図１に示すように、本構成の積層造形システム１００は、積層造形装置１１と、成形装置１２と、積層造形装置１１及び成形装置１２を統括制御するコントローラ１３と、電源装置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。トーチ１７は、溶加材Ｍを先端から突出した状態に保持する。

溶接ロボット１９は、多関節ロボットであり、ロボットアームの先端軸に取り付けたトーチ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５１上に溶加材Ｍの溶融凝固体である線状の溶着ビードＢが形成され、この溶着ビードＢからなる積層造形物Ｗが造形される。

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、積層造形物Ｗの更なる品質向上に寄与できる。

溶加材Ｍは、あらゆる市販の溶接ワイヤを用いることができる。例えば、軟鋼，高張力鋼及び低温用鋼用のマグ溶接及びミグ溶接ソリッドワイヤ（ＪＩＳ Ｚ ３３１２）、軟鋼，高張力鋼及び低温用鋼用アーク溶接フラックス入りワイヤ（ＪＩＳ Ｚ ３３１３）等で規定されるワイヤを用いることができる。

成形装置１２は、成形ロボット４１を備えている。成形ロボット４１は、溶接ロボット１９と同様に、多関節ロボットであり、先端アーム４３の先端部に、成形部材４５を備える。成形ロボット４１は、コントローラ１３により、成形部材４５が任意の姿勢を取り得るように、３次元的に移動可能となっている。

成形ロボット４１は、積層造形装置１１の溶接ロボット１９によってベースプレート５１に溶着ビードＢを積層する際に、成形部材４５をベースプレート５１上に配置させる。

この成形装置１２の成形ロボット４１に保持された成形部材４５は、酸化ジルコニウム（ジルコニア：ＺｒＯ_２）を基材とするセラミックス（ジルコニアセラミックス）製の板材である。ジルコニアセラミックスは、機械的強度、破壊靭性、耐摩耗性及び絶縁性に優れたセラミックスである。具体的には、この成形部材４５は、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）を主成分としたセラミックスの板材であり、全成分のうちの不可避不純物などの残部を除いた各成分の比率は、酸化ジルコニウムが９５重量％、酸化カルシウムが４．２重量％とされている。

コントローラ１３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。

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。また、軌道演算部３３は、形状データに基づいて成形部材４５を配置すべき位置情報を求める。記憶部３５は、積層造形物Ｗの形状データ、生成された層形状データ、トーチ１７の移動軌跡及び成形部材４５の位置情報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１３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を移動させ、ベースプレート５１上に溶着ビードＢを形成する。また、制御部３７は、記憶部３５に記憶された位置情報に基づく駆動プログラムを実行して、成形ロボット４１を駆動する。これにより、成形ロボット４１の先端アーム４３に設けられた成形部材４５がベースプレート５１における位置情報に基づいた位置に配置される。

なお、ベースプレート５１は、鋼板等の金属板からなり、基本的には積層造形物Ｗの底面（最下層の面）より大きいものが使用される。なお、ベースプレート５１は、板状に限らず、ブロック体や棒状等、他の形状のベースであってもよい。

次に、上記の積層造形システム１００による積層造形物の製造方法について説明する。
図２Ａ〜図２Ｄは、積層造形物の製造工程を示す製造途中の積層造形物の概略側面図である。

（配置工程）
図２Ａに示すように、成形装置１２の成形部材４５を、成形ロボット４１の駆動により移動させ、ベースプレート５１上に立設させた状態に配置させる。

（造形工程）
図２Ｂに示すように、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を溶融させる。そして、溶融した溶加材Ｍからなる溶着ビードＢをベースプレート５１上に供給し、ベースプレート５１上に溶着ビードＢを積層させる。

このとき、溶着ビードＢを、ベースプレート５１上に立設させた成形部材４５に接触させながら、この成形部材４５に沿って積層させる。そして、図２Ｃに示すように、溶着ビードＢの積層を複数列にわたって行う。その後、溶着ビードＢを目標数の列にわたって積層したら、図２Ｄに示すように、成形装置１２の成形ロボット４を駆動させ、成形部材４５をベースプレート５１上から退避させる。なお、成形部材４５は、一列目の溶着ビードＢの積層後にベースプレート５１上から退避させてもよい。

上記の工程を行うことにより、ベースプレート５１上に、溶着ビードＢを積層させた積層造形物Ｗが造形される。

以上、説明したように、本実施形態に係る積層造形物の製造方法及び積層造形システムによれば、溶着ビードＢを積層させて積層造形物Ｗを造形する際に溶着ビードＢを成形部材４５に接触させながら成形部材４５に沿って積層させる。これにより、積層造形物Ｗは、成形部材４５に接触させた面が成形部材４５に沿って平滑に形成される。

ここで、成形部材４５は、酸化ジルコニウムを基材とするセラミック製であることから、溶着ビードＢの貼り付きや溶着ビードＢの熱による損傷を抑えることができる。これにより、溶着ビードＢを積層してなる積層造形物Ｗの外面を平滑に成形することができ、さらに、積層させた溶着ビードＢ間の凹凸の発生も抑えることができる。したがって、平滑な外面を有する高品質な積層造形物Ｗを製造することができる。

本実施形態に係るジルコニアを基材とするセラミック製の成形部材を用いて溶着ビードＢを積層した積層造形物ＷＡと、成形部材を用いずに溶着ビードＢを積層した積層造形物ＷＢのそれぞれの表面粗さの測定及び表面状態の観察を行った。溶着ビードＢは、同一の溶接条件（溶接速度及び溶接電流）によって形成して積層させた。なお、表面粗さとしては、表面の凹凸最大差Ｒｚ及び算術平均粗さＲａを求めた。算術平均粗さＲａは、凹凸を平均にならした値であり、具体的には、積層造形物の表面における凸部（山）の面積の和と凹部（谷）の面積の和とが同一となる中心線を求め、この中心線で凹部（谷）を折り返した図形の面積を長さ（積層造形物の高さ方向の寸法）で割った値である。

図３は、溶着ビードを積層させた積層造形物の表面粗さを示すグラフであって、（Ａ）は成形部材を用いて造形した積層造形物の表面の凹凸状態を示すグラフ、（Ｂ）は成形部材を用いずに造形した積層造形物の表面の凹凸状態を示すグラフである。図４は、溶着ビードを積層させた積層造形物の画像であって、（Ａ）は成形部材を用いて造形した積層造形物の画像、（Ｂ）は成形部材を用いずに造形した積層造形物の画像である。

成形部材を用いて造形した積層造形物ＷＡでは、図３の（Ａ）に示すように、表面の位置が高さ方向に沿って均等となった。そして、この積層造形物ＷＡでは、表面の凹凸の最大差Ｒｚが０．１００ｍｍ、算術平均粗さＲａが０．０１６ｍｍであり、しかも、高さ方向にわたる傾きも抑えられていた。また、図４の（Ａ）に示すように、積層造形物ＷＡの表面状態は、その外観も平滑であり、各溶着ビードＢの継ぎ目も目立たないことが確認された。

成形部材を用いずに造形した積層造形物ＷＢでは、図３の（Ｂ）に示すように、表面の位置が高さ方向に沿って変動した。そして、この積層造形物ＷＢでは、表面の凹凸の最大差Ｒｚが０．６７１ｍｍ、算術平均粗さＲａが０．１２０ｍｍであり、しかも、高さ方向にわたって傾きが生じていることが確認された。また、図４の（Ｂ）に示すように、積層造形物ＷＢの表面状態は、各溶着ビードＢの継ぎ目が目立つ状態であった。

このように、ジルコニアを基材とするセラミック製の成形部材を用いて造形した積層造形物ＷＡは、成形部材を用いずに造形した積層造形物ＷＢに比べ、表面の凹凸及び表面粗さを大幅に小さくすることが可能であることがわかった。

次に、他の板状の部材を当て板として用い、この当て板に接触させながら溶着ビードＢを積層した積層造形物ＷＣ，ＷＤを造形し、それぞれの外観を観察した。積層造形物ＷＣでは、表面に離型剤を塗布した砂型からなる板材を当て板として用い、積層造形物ＷＤでは、アルミナ及びシリカを主に含有するセラミック製の板材を当て板として用いた。
図５は、表面に離型剤を塗布した砂型からなる板材を当て板として用いて造形した積層造形物の画像である。図６は、アルミナ及びシリカを主に含有するセラミック製の板材を当て板として用いて造形した積層造形物の画像である。

図５に示すように、表面に離型剤を塗布した砂型からなる板材を当て板として用いて造形した積層造形物ＷＣでは、溶着ビードＢの形成時にスパッタが多発し、当て板が損傷してしまい、当て板に沿って溶着ビードＢを積層させることが困難であった。このため、造形された積層造形物ＷＣの形が崩れてしまい、表面を平滑に形成することができなかった。

図６に示すように、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）及びシリカ（ＳｉＯ_２）を主に含有するセラミック製の板材を当て板として用いて造形した積層造形物ＷＤでは、溶着ビードＢを積層させることは可能であったが、溶着ビードＢの積層途中に当て板の一部が溶融し、表面を平滑に形成することができなかった。

上記の実施形態では、平滑面を有する板材からなる成形部材４５を用いる場合を例示したが、成形部材４５としては、板材に限らず、例えば、曲面を有するブロック材などの板材以外の部材でもよい。

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溶着ビードを積層させて積層造形物を造形する積層造形物の製造方法であって、
成形部材を母材上に配置させる配置工程と、
前記成形部材に接触させながら前記成形部材に沿って前記溶着ビードを前記母材上に積層させて積層造形物を造形する造形工程と、
を含み、
前記成形部材として、酸化ジルコニウムを基材とするセラミックス製の部材を用いる、
積層造形物の製造方法。

この積層造形物の製造方法によれば、溶着ビードを積層させて積層造形物を造形する際に溶着ビードを成形部材に接触させながら成形部材に沿って積層させる。これにより、積層造形物は、成形部材に接触させた面が成形部材に沿って平滑に形成される。
ここで、成形部材は、酸化ジルコニウムを基材とするセラミック製であることから、溶着ビードの貼り付きや溶着ビードの熱による損傷を抑えることができる。これにより、溶着ビードを積層してなる積層造形物の外面を平滑に成形することができ、さらに、積層させた溶着ビード間の凹凸の発生も抑えることができる。したがって、高品質な積層造形物を製造することができる。

（２） 前記積層造形物の外面となる少なくとも一部に前記成形部材を接触させて前記積層造形物を造形する、（１）に記載の積層造形物の製造方法。

この積層造形物の製造方法によれば、造形した積層造形物における成形部材と接触した外面を平滑に形成することができる。これにより、平滑な外面を有する積層造形物を製造することができる。

（３） 溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードを積層させて積層造形物を造形する積層造形装置と、前記積層造形物の外面の少なくとも一部を成形する成形装置と、を備えた積層造形システムであって、
前記積層造形装置は、
前記溶着ビードを形成するトーチと、
前記トーチを移動させて溶着ビードを積層させる移動機構と、
を有し、
前記成形装置は、
酸化ジルコニウムを基材とするセラミック製の成形部材と、
前記成形部材を移動させて前記溶着ビードの積層方向に沿う位置に配置させ、積層される前記溶着ビードに前記成形部材を接触させる移動機構と、
を有する、
積層造形システム。

この積層造形システムによれば、溶着ビードを積層させて積層造形物を造形する際に溶着ビードを成形部材に接触させながら成形部材に沿って積層させることができる。これにより、積層造形物の成形部材に接触させた面を成形部材に沿って平滑に形成することができる。また、成形部材は、酸化ジルコニウムを基材とするセラミック製であることから、溶着ビードの貼り付きや溶着ビードの熱による損傷を抑えることができる。これにより、溶着ビードを積層してなる積層造形物の外面を平滑に成形することができ、さらに、積層させた溶着ビード間の凹凸の発生も抑えることができる。したがって、高品質な積層造形物を製造することができる。

１１ 積層造形装置
１２ 成形装置
１７ トーチ
１９ 溶接ロボット（移動機構）
４１ 成形ロボット（移動機構）
４５ 成形部材
５１ ベースプレート（母材）
１００ 積層造形システム
Ｂ 溶着ビード
Ｍ 溶加材
Ｗ 積層造形物

Claims (3)

1. 溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードを積層させて積層造形物を造形する積層造形物の製造方法であって、
   成形部材を母材上に配置させる配置工程と、
   前記成形部材に接触させながら前記成形部材に沿って前記溶着ビードを前記母材上に積層させて積層造形物を造形する造形工程と、
   を含み、
   前記成形部材として、酸化ジルコニウムを基材とするセラミックス製の部材を用いる、
   積層造形物の製造方法。
2. 前記積層造形物の外面となる少なくとも一部に前記成形部材を接触させて前記積層造形物を造形する、
   請求項１に記載の積層造形物の製造方法。
3. 溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードを積層させて積層造形物を造形する積層造形装置と、前記積層造形物の外面の少なくとも一部を成形する成形装置と、を備えた積層造形システムであって、
   前記積層造形装置は、
   前記溶着ビードを形成するトーチと、
   前記トーチを移動させて溶着ビードを積層させる移動機構と、
   を有し、
   前記成形装置は、
   酸化ジルコニウムを基材とするセラミック製の成形部材と、
   前記成形部材を移動させて前記溶着ビードの積層方向に沿う位置に配置させ、積層される前記溶着ビードに前記成形部材を接触させる移動機構と、
   を有する、
   積層造形システム。

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