JP6865667B2 - Manufacturing method of laminated model - Google Patents
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Description
本発明は、積層造形物の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a laminated model.
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。 In recent years, there has been an increasing need for modeling using a 3D printer as a means of production, and research and development are being promoted toward the practical application of modeling using metal materials. A 3D printer for modeling a metal material uses a laser, an electron beam, or a heat source such as an arc to melt a metal powder or a metal wire, and laminates the molten metal to produce a modeled object. In particular, the laminated molding method using an arc has a larger amount of heat input and higher molding efficiency (amount of buildup per unit time) than a laser.
従来の溶接トーチでは、溶接による熱変形を防止するため、シールドガス噴出口を備えた溶接ノズルの近傍に設けた冷却用ガス噴出口から、溶接と同時もしくは溶接の進行方向に対し先行あるいは後続して冷却用ガスを溶接部に吹き付け、溶接部を冷却することが記載されている(例えば、特許文献1参照)。また、他の溶接方法としては、溶接トーチが、バックシールドガスを先端開口から噴出させるようにしたバックシールドガス管を保持する構成とし、取付孔に伝熱管の端部を差し込んで、取付孔の端縁部に形成された開先を溶接するとき、開先の反対側となる伝熱管の内表面部にバックシールドガスを吹き付けて伝熱管の内表面部を冷却することが記載されている(例えば、特許文献2参照)。 In a conventional welding torch, in order to prevent thermal deformation due to welding, a cooling gas outlet provided in the vicinity of a welding nozzle provided with a shield gas outlet is simultaneously connected to welding or preceded or succeeded in the direction of welding progress. It is described that the welding portion is cooled by blowing a cooling gas onto the welded portion (see, for example, Patent Document 1). As another welding method, the welding torch holds the back shield gas pipe so that the back shield gas is ejected from the tip opening, and the end of the heat transfer tube is inserted into the mounting hole to form the mounting hole. It is described that when welding the groove formed on the edge portion, the back shield gas is sprayed on the inner surface portion of the heat transfer tube on the opposite side of the groove to cool the inner surface portion of the heat transfer tube ( For example, see Patent Document 2).
ところで、アーク溶接を用いた積層造形法により造形される造形物では、前層の温度が一定の温度以下に冷却される前に、新しい層を造形した場合、垂れ落ちが発生する場合がある。このため、入熱量(電流・電圧)を低く抑えざるを得なくなり、造形効率を落とす必要がある。特許文献1及び2は、いずれも積層造形法に関する技術ではなく、垂れ落ちについて考慮したものではない。また、特許文献1及び2は、いずれも冷却ガス用の供給構造をシールドガスノズルと別途構成しており、他の部材と干渉する可能性がある。 By the way, in the modeled product formed by the additive manufacturing method using arc welding, if a new layer is formed before the temperature of the front layer is cooled to a certain temperature or less, sagging may occur. For this reason, the amount of heat input (current / voltage) must be kept low, and it is necessary to reduce the molding efficiency. Patent Documents 1 and 2 are not techniques related to additive manufacturing, and do not consider sagging. Further, in each of Patent Documents 1 and 2, the supply structure for cooling gas is separately configured from the shield gas nozzle, and there is a possibility of interference with other members.
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、冷却ガス用の供給構造を別途設けることなく、溶融金属の凝固スピードを向上させ、造形効率を向上できる積層造形物の製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to improve the solidification speed of molten metal and improve the molding efficiency without separately providing a supply structure for cooling gas. The purpose is to provide a manufacturing method.
本発明は下記構成からなる。
アークを用いて溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードを複数層積層する積層造形物の製造方法であって、
トーチのシールドガスノズルからシールドガスを供給し、前記アークを用いて前記溶加材を溶融しつつ、前記トーチを移動することで、前記溶着ビードを造形する造形工程と、
前記シールドガスノズルから前記シールドガス又は冷却ガスを供給しつつ、前記トーチを移動して、前記溶着ビードを冷却しながら凝固させる冷却工程と、
を備える、積層造形物の製造方法。
The present invention has the following configuration.
It is a method for manufacturing a laminated model in which a plurality of layers of welded beads obtained by melting and solidifying a filler metal using an arc are laminated.
A molding process of forming the welding bead by supplying the shield gas from the shield gas nozzle of the torch and moving the torch while melting the filler metal using the arc.
A cooling step of moving the torch while supplying the shield gas or the cooling gas from the shield gas nozzle to cool and solidify the welded bead.
A method for manufacturing a laminated model.
本発明によれば、冷却ガス用の供給構造を別途設けることなく、溶融金属の凝固スピードを向上させ、造形効率を向上できる。 According to the present invention, the solidification speed of the molten metal can be improved and the molding efficiency can be improved without separately providing a supply structure for the cooling gas.
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
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、温度センサ40と、を備える。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram schematically showing a manufacturing system for a laminated model of the present invention.
The
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、トーチ17の先端部に設けられたシールドガスノズル30(図2参照)にシールドガスを供給する図示しないガス供給装置と、を有する。
The laminated
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。
The
The
トーチ17は、シールドガスノズル30を有し、シールドガスノズル30からシールドガスG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。
The
例えば、消耗電極式の場合、シールドガスノズル30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。
For example, in the case of the consumable electrode type, the contact tip is arranged inside the
また、本実施形態では、ガス供給装置は、シールドガスGの圧力又は流量を調整して、シールドガスノズル30にシールドガスを供給する。なお、ガス供給装置は、シールドガスGの温度を制御するようにしてもよい。
さらに、シールドガスノズル30には、図示しない切換機構によって、シールドガスGの代わりに冷却ガスとして、エアや炭酸ガスを供給することも可能である。例えば、シールドガスGとしてArガスを使用し、Arガスに比べて安価な不活性ガスである炭酸ガスを冷却ガスとしてもよい。
Further, in the present embodiment, the gas supply device adjusts the pressure or the flow rate of the shield gas G to supply the shield gas to the
Further, the
温度センサ40は、造形された溶着ビード25の温度を測定するものであり、接触式の測定センサでも使用可能であるが、溶着ビード25は高温であることから、サーモビュアや赤外線温度センサなどの非接触式の測定センサが望ましい。
なお、温度センサ40は、各層の溶着ビード25の全体を計測してもよいし、造形の始端位置など、任意の点の温度を計測してもよい。
The
The
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。
The CAD /
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。
The
また、制御部37は、溶着ビード25を凝固させる際に、シールドガスノズル30からシールドガス又は冷却ガスを供給しつつ、トーチ17を移動させ、溶着ビード25を冷却する。特に、本実施形態では、温度センサ40によって溶着ビード25の温度を測定し、制御部37は、溶着ビード25の温度が次層積層可能温度より高い場合に、この冷却工程を行って溶着ビード25を凝固させる。
Further, when the
ここで、本実施形態では、冷却工程時におけるトーチ17の移動軌跡は、冷却する層の溶着ビード25を造形する際の造形工程のトーチ17の移動軌跡に、トーチ方向にΔLのオフセット量を加えたものとしている。このため、制御部37は、上記冷却工程時においても、記憶部35に記憶された層形状データやトーチ17の移動軌跡に基づいて駆動プログラムを作成し、溶接ロボット19を駆動する。
Here, in the present embodiment, the movement locus of the
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。また、積層造形物Wは、下層の溶着ビード25の上に、上層の溶着ビード25を造形して、溶着ビードを25を垂直方向に積層することで形成される。例えば、図1に示す略すり鉢状の積層造形物Wは、円環状の下層の溶着ビード25に対して、円環状の上層の溶着ビード25がオーバーラップしつつ拡径するように、トーチ17の移動軌跡をオフセットしながら造形することで与えられる。
その際、前層と次層の溶着ビード25の積層時間間隔は、次層の溶着ビード25の扁平化や垂れ落ちなどの発生が抑制されるように、前層の溶着ビード25が許容されるパス間温度以下となるように設定されている。
The
At that time, the welding bead 25 of the front layer is allowed as the lamination time interval of the
ここで、本実施形態では、温度センサ40が各層の溶着ビード25の造形を完了した段階での溶着ビード25の温度を監視しており、溶着ビード25の温度が次層積層可能温度よりも高い場合には、次層の造形工程に移らず、シールドガスノズル30からシールドガス又は冷却ガスを供給しつつ、トーチ17を移動して、溶着ビード25を冷却しながら凝固させる。これにより、溶着ビード25の温度を次層積層可能温度まで短時間で下げることができ、積層時間間隔を短縮することができる。
Here, in the present embodiment, the
具体的には、造形初期における1層目から所定数の層の溶着ビード25は、ベースプレート27の抜熱によって冷却される。このため、溶着ビード25の造形を完了した段階で造形の始端位置では、次層積層可能温度まで冷却されて凝固しているため、そのまま、次層の溶着ビード25を造形することができ、積層時間間隔は比較的短い。一方、所定数を越えた層の溶着ビード25では、ベースプレート27の影響を受けないので、該溶着ビード25の温度は下がりにくくなる。このため、溶着ビード25の造形を完了した段階で造形の始端位置では、次層積層可能温度よりも高く、そのまま次層の溶着ビード25を造形させた場合には、次層の溶着ビード25に扁平化や垂れ落ちが発生する可能性がある。この結果、従来では、積層時間間隔は、パス間温度を考慮して造形初期よりも長く設定する必要があった。
Specifically, the welded
一方、本実施形態では、溶着ビード25の温度が次層積層可能温度よりも高い場合には、図2に示すように、トーチ17を所定の距離ΔLだけトーチ方向(本実施形態では、上方)へ引き上げ、溶接電流の印加、及び溶加材Mの供給を停止する。また、シールドガスノズル30からのシールドガスの供給を継続し、溶着ビード25を造形した際のトーチ17の移動軌跡に、トーチ方向にΔLのオフセット量を加えた移動軌跡で、トーチ17を移動させて、溶着ビード25を冷却する。これにより、積層時間間隔を短縮する事ができ、次層の溶着ビード25を造形した際に扁平化や垂れ落ちが発生する可能性がなく、造形効率を向上することができる。
On the other hand, in the present embodiment, when the temperature of the welded
なお、本実施形態において、使用されるシールドガスの種類は、例えば、MAG溶接であれば、Ar80%、CO220%が使用され、MIG溶接であれば、Ar100%が使用され、炭酸ガス溶接であれば、CO2100%が使用される。
In the present embodiment, the kind of shielding gas used is, for example, if the MAG welding, Ar80%, CO 2 20% is used, if MIG welding,
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、トーチ17のシールドガスノズル30からシールドガスGを供給し、アークを用いて溶加材Mを溶融しつつ、トーチ17を移動することで、溶着ビードを造形する造形工程と、シールドガスノズル30からシールドガスG又は冷却ガスを供給しつつ、トーチ17を移動して、溶着ビード26を冷却しながら凝固させる冷却工程と、を備える。これにより、冷却ガス用の供給構造を別途トーチ17に設ける必要が無く、溶融金属の凝固スピードを向上させ、造形効率を向上できる。また、次層の溶着ビード25を造形する際に、扁平化や垂れ落ちすることがなくなる。
As described above, according to the method for manufacturing the laminated model W according to the present embodiment, the shield gas G is supplied from the
また、本実施形態では、溶着ビード25の温度を測定する工程をさらに備え、冷却工程は、溶着ビード25の温度が次層積層可能温度より高い場合に行われるようにしたので、さらに造形効率を向上できる。
Further, in the present embodiment, a step of measuring the temperature of the welded
さらに、本実施形態では、冷却工程時におけるトーチ17の移動軌跡は、冷却する溶着ビード25を造形する造形工程のトーチ17の移動軌跡に、トーチ方向にΔLのオフセット量を加えたものであるので、トーチ17の駆動プログラムを簡単に設計することができる。
Further, in the present embodiment, the movement locus of the
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。 It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and those skilled in the art may modify or apply the invention based on the combination of the configurations of the embodiments with each other, the description of the specification, and the well-known technique. Is also the subject of the present invention and is included in the scope of seeking protection.
なお、冷却工程は、全ての溶着ビードの造形工程後に行われてもよいが、溶着ビードの組織は、溶融した金属が凝固する際の冷却速度に起因して異なる可能性がある。このため、本実施形態の様に、冷却工程を必要な場合にのみ行うことは、溶着ビードの組織の均一化の観点でも好ましい。なお、温度センサ40で測定された温度に応じて、造形の始端位置での温度が一様になるように、冷却工程におけるシールドガス又は冷却ガスの圧力、流量、又は温度を制御するようにしてもよい。
The cooling step may be performed after all the welding bead molding steps, but the structure of the welded bead may differ due to the cooling rate at which the molten metal solidifies. Therefore, it is preferable to perform the cooling step only when necessary as in the present embodiment from the viewpoint of homogenizing the structure of the welded bead. The pressure, flow rate, or temperature of the shield gas or the cooling gas in the cooling step is controlled so that the temperature at the start position of the molding becomes uniform according to the temperature measured by the
また、次層積層可能温度は、積層造形物Wの形状に応じて設定可能であり、本実施形態のような、オーバーハング形状を有する場合や、溶着ビード25の積層パスが傾斜しているような場合には、溶着ビード25の垂れ落ちが発生しやすいため、低く設定されることが好ましい。
Further, the temperature at which the next layer can be laminated can be set according to the shape of the laminated model W, and it seems that the laminated path of the welded
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溶着ビードを複数層積層する積層造形物の製造方法であって、
トーチのシールドガスノズルからシールドガスを供給し、前記アークを用いて前記溶加材を溶融しつつ、前記トーチを移動することで、前記溶着ビードを造形する造形工程と、
前記シールドガスノズルから前記シールドガス又は冷却ガスを供給しつつ、前記トーチを移動して、前記溶着ビードを冷却しながら凝固させる冷却工程と、
を備える、積層造形物の製造方法。
(2) 前記溶着ビードの温度を測定する工程をさらに備え、
前記冷却工程は、前記溶着ビードの温度が次層積層可能温度より高い場合に行われる、(1)に記載の積層造形物の製造方法。
(3) 前記冷却工程時における前記トーチの移動軌跡は、冷却する前記溶着ビードを造形する造形工程の前記トーチの移動軌跡に、トーチ方向のオフセット量を加えたものである、(1)又は(2)に記載の積層造形物の製造方法。
As described above, the following matters are disclosed in this specification.
(1) A method for manufacturing a laminated model in which a plurality of layers of welded beads obtained by melting and solidifying a filler metal using an arc are laminated.
A molding process of forming the welding bead by supplying the shield gas from the shield gas nozzle of the torch and moving the torch while melting the filler metal using the arc.
A cooling step of moving the torch while supplying the shield gas or the cooling gas from the shield gas nozzle to cool and solidify the welded bead.
A method for manufacturing a laminated model.
(2) Further provided with a step of measuring the temperature of the welded bead.
The method for producing a laminated model according to (1), wherein the cooling step is performed when the temperature of the welded bead is higher than the temperature at which the next layer can be laminated.
(3) The movement locus of the torch during the cooling step is obtained by adding an offset amount in the torch direction to the movement locus of the torch in the molding step of molding the welded bead to be cooled, (1) or (1) or ( The method for manufacturing a laminated model according to 2).
25 溶着ビード
27 ベースプレート
M 溶加材
W 積層造形物
25
Claims (2)
トーチのシールドガスノズルからシールドガスを供給し、前記アークを用いて前記溶加材を溶融しつつ、前記トーチを移動することで、前記溶着ビードを造形する造形工程と、
前記シールドガスノズルから前記シールドガス又は冷却ガスを供給しつつ、前記トーチを移動して、前記溶着ビードを冷却しながら凝固させる冷却工程と、
前記溶着ビードの温度を測定する工程と、
を備え、
前記冷却工程は、前記溶着ビードの温度が次層積層可能温度より高い場合に行われる、
積層造形物の製造方法。 It is a method for manufacturing a laminated model in which a plurality of layers of welded beads obtained by melting and solidifying a filler metal using an arc are laminated.
A molding process of forming the welding bead by supplying the shield gas from the shield gas nozzle of the torch and moving the torch while melting the filler metal using the arc.
A cooling step of moving the torch while supplying the shield gas or the cooling gas from the shield gas nozzle to cool and solidify the welded bead.
The step of measuring the temperature of the welded bead and
Equipped with a,
The cooling step is performed when the temperature of the welded bead is higher than the temperature at which the next layer can be laminated.
A method for manufacturing a laminated model.
トーチのシールドガスノズルからシールドガスを供給し、前記アークを用いて前記溶加材を溶融しつつ、前記トーチを移動することで、前記溶着ビードを造形する造形工程と、
前記シールドガスノズルから前記シールドガス又は冷却ガスを供給しつつ、前記トーチを移動して、前記溶着ビードを冷却しながら凝固させる冷却工程と、
を備え、
前記冷却工程時における前記トーチの移動軌跡は、冷却する前記溶着ビードを造形する造形工程の前記トーチの移動軌跡に、トーチ方向のオフセット量を加えたものである、積層造形物の製造方法。 It is a method for manufacturing a laminated model in which a plurality of layers of welded beads obtained by melting and solidifying a filler metal using an arc are laminated.
A molding process of forming the welding bead by supplying the shield gas from the shield gas nozzle of the torch and moving the torch while melting the filler metal using the arc.
A cooling step of moving the torch while supplying the shield gas or the cooling gas from the shield gas nozzle to cool and solidify the welded bead.
With
The movement locus of the torch during the cooling process, the the movement locus of the torch building process to shape the weld bead is obtained by adding the offset amount of the torch direction, the manufacturing method of the product layer the shaped object to be cooled.
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