JP6802773B2

JP6802773B2 - 積層造形物の製造方法及び積層造形物

Info

Publication number: JP6802773B2
Application number: JP2017204443A
Authority: JP
Inventors: 伸志佐藤; 山田　岳史; 岳史山田; 雄幹山崎
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2017-10-23
Filing date: 2017-10-23
Publication date: 2020-12-23
Anticipated expiration: 2037-10-23
Also published as: JP2019076916A

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。

一方、特許文献１では、レーザ溶接において、ビードの断面形状にばらつきが生じることを抑制するため、ガス供給量制御手段が、算出された光強度の変化率に応じて溶接部に供給するシールドガスの流量を制御することが記載されている。
また、特許文献２では、ＭＩＧ溶接において、シールドガスとして酸化成分の多いＣＯ_２ガスを使用して、補助ビードを予め形成しておき、その後、Ａｒガスを使用して、補助ビードよりも幅広で嵩高い溶接ビードを形成することが記載されている。

特開２０１６−９３８２５号公報特開２０１５−９３２７５号公報

ところで、溶接トーチによって溶着ビードを並べて複数列の溶着ビードからなる溶着ビード層を形成し、この溶着ビード層を積層して造形物を形成する場合、溶着ビード層における各溶着ビードは、溶接条件ごとのビード形状に律則されるため、場合によっては余肉量が増大してしまう。

特許文献１に記載のレーザ溶接装置では、ビード形状を安定させる方法であり、任意のビード形状を作るものではない。また、特許文献２に記載のＭＩＧ溶接も、溶接時のアークの指向性を向上させるものであり、任意のビード形状を作るものではない。

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、溶着ビードのビード形状の自由度を向上させることにより、余肉量を減少させ、ニアネット造形を行う事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）アークを用いて溶加材を溶融及び凝固させた複数の溶着ビードを隣接して並べた溶着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、
前記各層の溶着ビード層の目標幅に対する、前記複数の溶着ビードによって得られる溶着ビード層の余剰幅が小さくなるように、シールドガスの比率及び組成の少なくとも一つを調整しながら、前記溶着ビードを形成する、積層造形物の製造方法。
（２）アークを用いて溶加材を溶融及び凝固させた複数の溶着ビードを隣接して並べた溶着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、
前記各層の溶着ビード層の目標幅及び目標厚みに対する、前記複数の溶着ビードによって得られる溶着ビード層の余剰幅及び余剰厚みが小さくなるように、シールドガスの比率及び組成の少なくとも一つを含む、複数の溶接条件を調整しながら、前記溶着ビードを形成する、積層造形物の製造方法。
（３）アークを用いて溶加材を溶融及び凝固させた複数の溶着ビードが隣接して並べられて溶着ビード層とされ、前記溶着ビード層が複数層に積層される、（１）又は（２）に記載の製造方法によって得られた積層造形物であって、
前記各層の溶着ビード層は、前記溶着ビードの高さが略等しく、且つ、幅の異なる少なくとも２種類の溶着ビードを含む積層造形物。

本発明によれば、溶着ビードのビード形状の自由度を向上させることができ、余肉量を減少させ、ニアネット造形を行う事が可能となる。

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。溶着ビード層を積層させた積層造形物の概略斜視図である。ＣＯ_２が１００％のシールドガスで造形される複数の溶着ビードを一列に並べた溶着ビード層の断面図である。最後の溶着ビードの溶着量を増加した、ＣＯ_２が１００％のシールドガスで造形される複数の溶着ビードを一列に並べた溶着ビード層の断面図である。ＣＯ_２が１００％のシールドガスで造形される溶着ビードの断面図である。Ａｒが８０％とＣＯ_２が２０％のシールドガスで造形される溶着ビードの断面図である。ＣＯ_２が１００％のシールドガスと、Ａｒが８０％とＣＯ_２が２０％のシールドガスとの両方で造形される複数の溶着ビードを一列に並べた溶着ビード層の断面図である。

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。本発明の積層造形物は、アークを用いて溶加材を溶融及び凝固させた複数の溶着ビードを隣接して並べた溶着ビード層が複数層に積層されることで製造される。

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、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。
さらに、本実施形態の場合、トーチ１７は、シールドノズルから供給されるシールドガスを変更できるように構成されることが好ましい。例えば、シールドガスボンベを複数個用意し、複数のボンベから供給されるガスを所定の比率で混合する混合装置を介し、トーチ１７に混合シールドガスを供給する構成を有する。

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。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。

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、複数の線状の溶着ビード２５が凝固して一列に並べられた溶着ビード層３４が形成され、さらに、この溶着ビード層３４が複数層に積層された積層造形物Ｗが造形される。

ここで、各層の溶着ビード層３４は、複数の溶着ビード２５をそれぞれ重ねながら目標幅Ｗ_Ｔになるまで造形する。例えば、１層目の溶着ビード層３４を造形する際、図３Ａに示すように、シールドガスの比率及び組成（例えば、ＣＯ_２：１００％）を含む、溶接条件を同一として、各溶着ビード２５を造形すると、目標幅Ｗ_Ｔに対して最後に造形した溶着ビード２５は、余剰幅Ｗ_Ｓが大きくなり、無駄が多くなる。

一方、図３Ｂに示すように、特定のシールドガスの比率及び組成（例えば、ＣＯ_２：１００％）を使用したまま、最後の溶着ビード２５を他の溶着ビード２５よりも溶着量を多くして造形すると、目標幅Ｗ_Ｔには近づけることはできるが、最後の溶着ビード２５が目標厚みＴ_Ｔに対して余剰厚みＴ_Ｓ分だけ高くなってしまい、高さが揃わなくなってしまう。

このため、本実施形態では、各層の溶着ビード層３４の目標幅Ｗ_Ｔ及び目標厚みＴ_Ｔに対する、複数の溶着ビード２５によって得られる溶着ビード層３４の余剰幅Ｗ_Ｓ及び余剰厚みＴ_Ｓが小さくなるように、シールドガスの比率及び組成の少なくとも一つを調整しながら、溶着ビード２５を形成する。これによって、各溶着ビード層３４のビード形状の縦横比・サイズをコントロールする。

具体的には、図４Ａに示す、ＣＯ_２が１００％のシールドガスで造形される溶着ビード２５ａは、図４Ｂに示す、Ａｒが８０％とＣＯ_２が２０％のシールドガスで造形される溶着ビード２５ｂに比べて、断面高さが高くなる一方、断面幅が狭くなる。このため、本実施形態では、溶着ビード２５の造形は、シールドガスの比率及び組成の他、溶接電流、溶接電圧、溶接速度等、複数の溶接条件を変更することで、溶着ビード２５の所望の溶着量、溶着ビード２５の所望の断面高さや断面幅に変更する。

したがって、本実施形態では、各層の溶着ビード層３４の目標幅Ｗ_Ｔ及び目標厚みＴ_Ｔに対する、複数の溶着ビード２５によって得られる溶着ビード層３４の余剰幅Ｗ_Ｓ及び余剰厚みＴ_Ｓが小さくなるように、シールドガスの比率及び組成の少なくとも一つを含む、複数の溶接条件を調整しながら、溶着ビード２５を形成する。

例えば、図５に示すように、各層の溶着ビード層３４の目標幅Ｗ_Ｔに対する、複数の溶着ビード２５によって得られる溶着ビード層３４の余剰幅Ｗ_Ｓが小さくなるように、溶着ビード層３４は、少なくとも３本（図５では、４本）の溶着ビード２５を含む。また、溶着ビード層３４は、溶着ビード２５の並び方向において両側に位置する、ＣＯ_２が１００％のシールドガスで造形される２本の溶着ビード２５ａと、内側に位置する、Ａｒが８０％とＣＯ_２が２０％のシールドガスで造形される２本の溶着ビード２５ｂと、で構成される。このように造形した場合には、並び方向における溶着ビード層３４の側面形状を略等しくすることができ、外観性を向上できる。

表１は、シールドガスの比率と組成、溶接電流、及び溶接速度を変更しながら造形した場合の溶着ビード２５の断面高さ及び断面幅の具体例を表している。

例えば、隣り合う溶着ビード２５の境界で適正な融合を行うための重なり量を４割とし、２５ｍｍの幅の溶着ビード層３４を造形すると仮定する。この場合、Ｎｏ．１の条件だけで溶着ビード２５を造形すると、６本のビードが必要となり、２．６ｍｍの余剰幅が生じる。また、Ｎｏ．２の条件だけで溶着ビード２５を造形すると、７本のビードが必要となり、３．５２ｍｍの余剰幅が生じる。一方、Ｎｏ．２とＮｏ．３の条件を組合せ、４本のＮｏ．２と２本のＮｏ．３で溶着ビードを造形すると、０．１６ｍｍの余剰幅ですむ。
なお、重なり量とは、両側に溶着ビード２５が設けられた溶着ビード２５において、断面幅全体Ｗ_Ｈに対する、重なった部分の断面幅Ｗ_１，Ｗ_２の合計の割合である（図５参照）。

このため、コントローラ１５の記憶部３５では、シールドガスの比率及び組成と、他の溶接条件によって造形される溶着ビード２５の断面高さ及び断面幅とを関連付けて記憶しておき、制御部３７では、設定された層形状データから、各層の溶着ビード層３４の目標幅及び目標厚みを生成する際に、併せて、複数の溶着ビード２５によって得られる溶着ビード層３４の余剰幅及び余剰厚みが小さくなるように、適切なシールドガスの比率及び組成を含む、複数の溶接条件を選択する。なお、隣り合う溶着ビード２５の重なり量は、予め設定されていてもよいし、入力するようにしてもよい。

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、各層の溶着ビード層３４の目標幅Ｗ_Ｔ及び目標厚みＴ_Ｔに対する、複数の溶着ビード２５によって得られる溶着ビード層３４の余剰幅Ｗ_Ｓ及び余剰厚みＴ_Ｓが小さくなるように、シールドガスの比率及び組成の少なくとも一つを含む、複数の溶接条件を調整しながら、溶着ビード２５を形成することで、溶着ビード２５のビード形状の自由度を向上させることができ、余肉量を減少させ、ニアネット造形を行う事が可能となる。

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、複数の溶接条件は、溶接電流及び溶接速度を含むので、比較的簡単に溶着ビード２５のビード形状を変更することができる。

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、溶着ビード２５の並び方向において両側に位置する溶着ビード２５は、シールドガスの比率及び組成を同じ条件として造形されるので、並び方向における溶着ビード層３４の側面形状を略等しくすることができ、外観性を向上できる。

さらに、本実施形態に係る製造方法によって得られた積層造形物Ｗによれば、各層の溶着ビード層３４は、溶着ビード２５の高さが略等しく、且つ、幅の異なる少なくとも２種類の溶着ビード２５ａ，２５ｂを含んだものとなる。

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。

上記実施形態では、シールドガスの比率及び組成を変更した場合に造形される溶着ビード２５は、断面高さと断面幅の両方が変更される場合について説明している。しかしながら、例えば、シールドガスの比率及び組成の少なくとも一つを変更した場合に、断面高さが変わらず、断面幅だけが変更されるような場合には、シールドガスの比率及び組成の少なくとも一つを変更して、溶着ビード層３４の目標幅に対する、複数の溶着ビード２５によって得られる溶着ビード層３４の余剰幅が小さくなるようしてもよい。

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溶着ビードを隣接して並べた溶着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、
前記各層の溶着ビード層の目標幅に対する、前記複数の溶着ビードによって得られる溶着ビード層の余剰幅が小さくなるように、シールドガスの比率及び組成の少なくとも一つを調整しながら、前記溶着ビードを形成する、積層造形物の製造方法。
（２）前記各層の溶着ビード層の目標厚みに対する、前記複数の溶着ビードによって得られる溶着ビード層の余剰厚みが小さくなるように、シールドガスの比率及び組成の少なくとも一つを含む、複数の溶接条件を調整しながら、前記溶着ビードを形成する、（１）に記載の積層造形物の製造方法。
（３）アークを用いて溶加材を溶融及び凝固させた複数の溶着ビードを隣接して並べた溶着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、
前記各層の溶着ビード層の目標幅及び目標厚みに対する、前記複数の溶着ビードによって得られる溶着ビード層の余剰幅及び余剰厚みが小さくなるように、シールドガスの比率及び組成の少なくとも一つを含む、複数の溶接条件を調整しながら、前記溶着ビードを形成する、積層造形物の製造方法。
（４）前記複数の溶接条件は、溶接電流、溶接電圧及び溶接速度の少なくとも一つをさらに含む、（２）又は（３）に記載の積層造形物の製造方法。
（５）前記各層の溶着ビード層は、前記シールドガスの比率及び組成の少なくとも一つが互いに異なる条件で溶接された少なくとも２種類の溶着ビードを含む、（１）〜（４）のいずれかに記載の積層造形物の製造方法。
（６）前記溶着ビード層は、少なくとも３本の前記溶着ビードを含み、
前記溶着ビードの並び方向において両側に位置する前記溶着ビードは、シールドガスの比率及び組成を同じ条件として造形される、（５）に記載の積層造形物の製造方法。
（７）アークを用いて溶加材を溶融及び凝固させた複数の溶着ビードが隣接して並べられて溶着ビード層とされ、前記溶着ビード層が複数層に積層される、（１）〜（６）のいずれかに記載の製造方法によって得られた積層造形物であって、
前記各層の溶着ビード層は、前記溶着ビードの高さが略等しく、且つ、幅の異なる少なくとも２種類の溶着ビードを含む積層造形物。

２５，２５ａ，２５ｂ溶着ビード
２７ベースプレート
３４溶着ビード層
Ｍ溶加材
Ｗ積層造形物

Claims

アークを用いて溶加材を溶融及び凝固させた複数の溶着ビードを隣接して並べた溶着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、
前記各層の溶着ビード層の目標幅に対する、前記複数の溶着ビードによって得られる溶着ビード層の余剰幅が小さくなるように、シールドガスの比率及び組成の少なくとも一つを調整しながら、前記溶着ビードを形成する、積層造形物の製造方法。
前記各層の溶着ビード層の目標厚みに対する、前記複数の溶着ビードによって得られる溶着ビード層の余剰厚みが小さくなるように、シールドガスの比率及び組成の少なくとも一つを含む、複数の溶接条件を調整しながら、前記溶着ビードを形成する、請求項１に記載の積層造形物の製造方法。
アークを用いて溶加材を溶融及び凝固させた複数の溶着ビードを隣接して並べた溶着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、
前記各層の溶着ビード層の目標幅及び目標厚みに対する、前記複数の溶着ビードによって得られる溶着ビード層の余剰幅及び余剰厚みが小さくなるように、シールドガスの比率及び組成の少なくとも一つを含む、複数の溶接条件を調整しながら、前記溶着ビードを形成する、積層造形物の製造方法。
前記複数の溶接条件は、溶接電流、溶接電圧及び溶接速度の少なくとも一つをさらに含む、請求項２又は３に記載の積層造形物の製造方法。
前記各層の溶着ビード層は、前記シールドガスの比率及び組成の少なくとも一つが互いに異なる条件で溶接された少なくとも２種類の溶着ビードを含む、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。
前記溶着ビード層は、少なくとも３本の前記溶着ビードを含み、
前記溶着ビードの並び方向において両側に位置する前記溶着ビードは、シールドガスの比率及び組成を同じ条件として造形される、請求項５に記載の積層造形物の製造方法。
アークを用いて溶加材を溶融及び凝固させた複数の溶着ビードが隣接して並べられて溶着ビード層とされ、前記溶着ビード層が複数層に積層される、請求項１〜６のいずれか１項に記載の製造方法によって得られた積層造形物であって、
前記各層の溶着ビード層は、前記溶着ビードの高さが略等しく、且つ、幅の異なる少なくとも２種類の溶着ビードを含む、積層造形物。