JP6865667B2 - 積層造形物の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、積層造形物の製造方法に関する。

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。

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）。

特開平３−３５８９３号公報 特開２００３−２２５７６４号公報

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。

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。

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。

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。

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。 溶着ビードを造形する工程、及び、溶着ビードを冷却する工程を示す模式図である。

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。

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。

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。

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、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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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％、ＣＯ_２２０％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、ＣＯ_２１００％が使用される。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

２５ 溶着ビード
２７ ベースプレート
Ｍ 溶加材
Ｗ 積層造形物

Claims (2)

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、
   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。
2. 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、
   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。

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