JP7355672B2 - 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。

特許文献１には、積層造形で作った輪郭の内側を、ある波長を有する波形の充填パターンで金属材料を充填して造形物を造形することが記載されている。

また、開先を溶接する技術として、特許文献２には、溶接トーチを用いて開先内を底部から上部へ順次一層ずつ溶接を繰り返して多層盛りを行う際に、溶接ビード端部と、その溶接ビードの直下にある溶接パスの溶接ビード端部とがなす直線が溶接線に対して傾斜角をもつように調整することが記載されている。

特開２０１９－１１１５８２号公報 特開２００２－１７８１５３号公報

ところで、特許文献１に記載の造形方法によれば、輪郭の内側に充填することにより、造形物を効率よく造形することが可能であるが、積層造形で作った輪郭からなる壁部と内部に充填した金属材料からなる充填部との間で未溶着が生じ、品質低下を招くおそれがある。

また、壁部と充填部との隙間を特許文献１の溶接方法で埋めることが考えられるが、隙間の形状やサイズに応じてトーチの軌道を細かく調整しなければならず、軌道計画が複雑となってしまう。

そこで本発明は、未溶着部の発生を抑えて効率的に高品質な造形物を製造することが可能な積層造形物の製造方法を提供することを目的とする。

本発明は下記構成からなる。
溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードを積層させて造形物を造形する積層造形物の製造方法であって、
前記溶着ビードによって枠部を造形する枠部造形工程と、
前記枠部内に第一方向に沿って複数の溶着ビードを形成して前記溶着ビードが並列された内部造形部を造形する内部造形工程と、
前記内部造形部の少なくとも一方の端部と前記枠部との間に形成した隙間に、前記第一方向と交差する第二方向に沿って溶着ビードを形成し、前記隙間を埋める埋込造形工程と、
を含む、
積層造形物の製造方法。

本発明によれば、未溶着部の発生を抑えて効率的に高品質な造形物を製造することができる。

本発明の実施形態の製造方法で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。 積層造形物の製造工程を示す製造途中の積層造形物の平面図である。 積層造形物の製造工程を示す製造途中の積層造形物の平面図である。 積層造形物の製造工程を示す製造途中の積層造形物の平面図である。 積層造形物の製造工程を示す製造途中の積層造形物の平面図である。 積層造形物の製造工程を示す製造途中の積層造形物の平面図である。 図２ＡにおけるＡ－Ａ断面図である。 図２ＢにおけるＢ－Ｂ断面図である。 図２ＣにおけるＣ－Ｃ断面図である。 図２ＤにおけるＤ－Ｄ断面図である。 図２ＥにおけるＥ－Ｅ断面図である。 製造された積層造形物の概略縦断面図である。 埋込造形工程の他の例を説明する製造途中の積層造形物の一部の平面図である。

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の製造に用いる製造システムの構成図である。
本構成の積層造形物の製造システム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が設けられた溶接ロボット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。

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。

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（ＣＡＤデータ等）を入力又は作成し、軌道演算部３３と協働して、積層造形物の造形手順を表す溶着ビードＢの積層モデルを生成する。つまり、形状データを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。そして、生成された積層モデルの層形状データに基づいてトーチ１７の移動軌跡を決定する。ＣＡＤ／ＣＡＭ部３１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に基づいて、トーチ１７を移動させて溶着ビードを形成する溶接ロボット１９及び電源装置１５の駆動プログラムを生成する。生成された駆動プログラム等の各種データは記憶部３５に記憶される。

制御部３７は、記憶部３５に記憶された駆動プログラムを実行して、溶接ロボット１９や電源装置１５等を駆動する。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で生成されたトーチ１７の軌道軌跡に沿ってトーチ１７を移動させるとともに、溶加材Ｍをアークで溶融させて、ベースプレート５１上に溶着ビードＢを形成する。

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。

溶加材Ｍとしては、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。

上記構成の積層造形物の製造システム１００では、制御部３７に、造形する積層造形物Ｗの形状データ（ＣＡＤデータ等）を入力すると、制御部３７は、入力された形状データに基づいて、積層造形物Ｗの造形手順を表す溶着ビードＢの積層モデルを生成する。

この積層モデルは、入力された形状データから、その形状、材質、入熱量等の諸条件に基づいて、効率よく積層できるように、適宜なアルゴリズムに基づいて解析的に求められる。これにより、溶着ビードＢの積層手順及び形状等の計画である軌道計画を求め、この軌道計画に基づいて、トーチ１７の軌道（移動軌跡）を求める。そして、ＣＡＤ／ＣＡＭ部３１は、求めたトーチ１７の軌道、溶着ビードＢの軌道計画に基づいて、駆動プログラムを生成する。

制御部３７は、駆動プログラムに従って、トーチ１７の先端から突出する溶加材Ｍをアークによって溶融させてベースプレート５１上に線状の溶着ビードＢを形成する。そして、この溶着ビードＢを積層させることで積層造形物Ｗを造形する。

次に、上記の製造システム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２Ｅ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平面図である。図３Ａ～図３Ｅは、図２Ａ～図２Ｅにおけるそれぞれの断面図である。図４は、製造された積層造形物の概略縦断面図である。

（枠部造形工程）
図２Ａ及び図３Ａ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Ｂ１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Ｂ１からなる平面視略矩形状の枠部５３を造形する。

（内部造形工程）
図２Ｂ及び図３Ｂに示すように、枠部５３の内部に溶着ビードＢ２を形成する。この溶着ビードＢ２は、枠部５３内において、第一方向Ｘに沿って一方側から他方側（矢印α方向）へ向かって形成する。本例では、この第一方向Ｘは、枠部５３の長手方向としている。そして、この溶着ビードＢ２を、枠部５３内における幅方向の一方側から順に形成する。これにより、図２Ｃ及び図３Ｃに示すように、枠部５３内に、並列に形成された複数の溶着ビードＢ２からなる内部造形部５５を造形する。

このとき、溶着ビードＢ２は、枠部５３に対して始端及び終端を離し、隙間をあけて形成する。また、溶着ビードＢ２の始端及び終端の端面５７を、端部へ向かって次第に下方へ傾斜する傾斜面に形成する。このように、溶着ビードＢ２の始端及び終端の端面５７を傾斜面に形成することにより、内部造形部５５の端部５５ａと枠部５３との隙間Ｇに、上方へ向かって次第に広くなる開先部５９を形成する。例えば、溶着ビードＢ２の終端の端面５７においては、アークを切って溶接を停止させる前にアークを適度に保持することにより、窪みのない傾斜面を形成することができる。

（埋込造形工程）
図２Ｄ及び図３Ｄに示すように、内部造形部５５の端部５５ａと枠部５３との間に形成された隙間Ｇに沿ってトーチ１７を移動させて溶着ビードＢ３を形成する。この溶着ビードＢ３は、内部造形部５５を造形するための溶着ビードＢ２の形成方向である第一方向Ｘに対して交差する第二方向Ｙに沿って一方側から他方側（矢印β方向）へ向かって形成する。本例では、この第二方向Yは、枠部５３の幅方向としている。

そして、図２Ｅ及び図３Ｅに示すように、溶着ビードＢ３を内部造形部５５の端部５５ａと枠部５３との隙間Ｇに形成することにより、この隙間Ｇを埋める。このとき、溶着ビードＢ３を形成する隙間Ｇは、上方へ向かって次第に広くなる開先部５９とされているので、接合時の溶接で行われる一般的な溶接の施工と同様に溶着ビードＢ３を形成して容易に埋めることができる。

この溶着ビードＢ３で隙間Ｇを埋める際には、それぞれの隙間Ｇを溶着ビードＢ３によって一回のパスで充填する。また、この溶着ビードＢ３は、内部造形部５５を造形する際の溶着ビードＢ２の形成時の溶接電流よりも高電流で形成する。

上記の工程を行うことにより、図４に示すように、ベースプレート５１上に、溶着ビードＢ１を積層させた枠部５３の内側に、溶着ビードＢ２を積層させた内部造形部５５が造形され、さらに、内部造形部５５の端部５５ａと枠部５３との隙間Ｇが溶着ビードＢ３によって埋められた積層造形物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によれば、枠部５３を造形し、その枠部５３内に内部造形部５５を造形するので、例えば、内部造形部５５を大きな断面積の溶着ビードＢ２によって効率よく造形することができる。しかも、第一方向Ｘに沿って形成した複数の溶着ビードＢ２からなる内部造形部５５の端部５５ａと枠部５３との隙間Ｇに、第一方向Ｘと交差する第二方向Ｙに沿って溶着ビードＢ３を形成して隙間Ｇを埋めることにより、内部造形部５５における溶着ビードＢ２の端部を溶かしながら枠部５３と溶着させることができる。これにより、製造効率を高めつつ未溶着部の発生を抑制して高品質な積層造形物Ｗを製造することができる。

また、溶着ビードＢ２の端面５７を、端部へ向かって次第に下方へ傾斜する傾斜面に形成することにより、内部造形部５５の端部５５ａと枠部５３との隙間Ｇに上方へ向かって次第に広くなる開先部５９を形成する。したがって、埋込造形工程において、通常の溶接の施工と同様に、開先部５９に溶着ビードＢ３を形成して内部造形部５５の端部５５ａと枠部５３との隙間Ｇを容易に埋めることができる。なお、内部造形部５５を造形する溶着ビードＢ２の端面５７は、適切なタイミングで溶接を停止させることで容易に成形することができる。

また、内部造形部５５の端部５５ａと枠部５３との隙間Ｇを一回のパスで形成する溶着ビードＢ３によって一度に埋めることで、生産性を高めることができ、しかも、軌道計画を簡略にできる。

さらに、内部造形部５５の端部５５ａと枠部５３との隙間Ｇに高電流で溶着ビードＢ３を形成することにより、この溶着ビードＢ３を、内部造形部５５及び枠部５３へ良好に溶け込ませることができ、未溶着部の発生をより抑えることができる。

次に、埋込造形工程の他の例を説明する。
図５は、埋込造形工程の他の例を説明する製造途中の積層造形物の一部の平面図である。
図５に示すように、内部造形工程において、複数の溶着ビードＢ２を並列に形成して内部造形部５５を造形すると、この内部造形部５５の端部５５ａには、溶着ビードＢ２同士の間に凹みが生じることにより、全体が凹凸形状となる。

この埋込造形工程では、内部造形部５５の端部５５ａと枠部５３との隙間Ｇに溶着ビードＢ３を第二方向Ｙに沿って一方側から他方側（矢印β方向）へ向かって形成する際に、トーチ１７をウィービング（揺動）させる。このとき、トーチ１７のウィービングの周期Ｔを、内部造形部５５を構成する溶着ビードＢ２間のピッチＰの整数倍とし、内部造形部５５の端部５５ａにおける溶着ビードＢ２間に、第二方向Ｙに沿って形成する埋め込み用の溶着ビードＢ３を埋め込む。

図５の例では、トーチ１７のウィービングの周期Ｔを、内部造形部５５を構成する溶着ビードＢ２間のピッチＰに合わせている。そして、溶着ビードＢ２間のピッチＰに合わせてトーチ１７をウィービングさせてトーチ１７の経路を交互に左右へ変動（図５中矢印γ参照）させることにより、内部造形部５５の端部５５ａにおける溶着ビードＢ２間に、第二方向Ｙに沿って形成する埋め込み用の溶着ビードＢ３を埋め込む。

このように、埋込造形工程においてトーチ１７をウィービングさせて溶着ビードＢ３を形成することにより、内部造形部５５の端部５５ａと枠部５３との隙間Ｇが広くても、この隙間Ｇを溶着ビードＢ３によって良好に埋めることができる。

また、トーチ１７のウィービングの周期Ｔを、内部造形部５５を構成する溶着ビードＢ２間のピッチＰの整数倍とし、内部造形部５５の端部５５ａにおける第一方向Ｘに沿って形成した溶着ビードＢ２間に、第二方向Ｙに沿って形成する埋め込み用の溶着ビードＢ３を埋め込ませる。このようにすれば、複数の溶着ビードＢ２を第一方向Ｘに沿って形成して内部造形部５５を造形することにより生じる内部造形部５５の端部５５ａでの凹凸を、第二方向Ｙに沿って形成する埋め込み用の溶着ビードＢ３によって良好に埋めることができる。また、内部造形部５５の端部５５ａにおける上面の高さも均すことができる。

なお、内部造形部５５を造形する際には、溶着ビードＢ２の始端を枠部５３に対して隙間なく接合させもよい。この場合、埋込造形工程では、内部造形部５５における溶着ビードＢ２の終端側の端部５５ａと枠部５３との隙間Ｇを溶着ビードＢ３で埋め込むこととなる。

また、上記実施形態では、内部造形工程において、第一方向Ｘに沿って形成する全ての溶着ビードＢ２を同一方向（矢印α方向）へ向かって形成したが、溶着ビードＢ２は、第一方向Ｘに沿って形成されていれば、形成する向きは限定されない。例えば、第一方向Ｘに沿って形成する複数の溶着ビードＢ２の向きを交互に変えてもよい。

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溶着ビードを積層させて造形物を造形する積層造形物の製造方法であって、
前記溶着ビードによって枠部を造形する枠部造形工程と、
前記枠部内に第一方向に沿って複数の溶着ビードを形成して前記溶着ビードが並列された内部造形部を造形する内部造形工程と、
前記内部造形部の少なくとも一方の端部と前記枠部との間に形成した隙間に、前記第一方向と交差する第二方向に沿って溶着ビードを形成し、前記隙間を埋める埋込造形工程と、
を含む、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、枠部を造形し、その枠部内に内部造形部を造形するので、例えば、内部造形部を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。しかも、第一方向に沿って形成した複数の溶着ビードからなる内部造形部の少なくとも一方の端部と枠部との隙間に、第一方向と交差する第二方向に沿って溶着ビードを形成して隙間を埋めることにより、内部造形部における溶着ビードの端部を溶かしながら枠部と溶着させることができる。これにより、製造効率を高めつつ未溶着部の発生を抑制して高品質な積層造形物を製造することができる。

（２） 前記内部造形工程において、前記溶着ビードの始端及び終端の少なくとも一方の端面を、端部へ向かって次第に下方へ傾斜する傾斜面に形成し、前記内部造形部の前記端部と前記枠部との前記隙間に上方へ向かって次第に広くなる開先部を形成する、（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、溶着ビードの始端及び終端の少なくとも一方の端面を、端部へ向かって次第に下方へ傾斜する傾斜面に形成することにより、内部造形部の端部と枠部との隙間に上方へ向かって次第に広くなる開先部を形成する。したがって、埋込造形工程において、通常の溶接の施工と同様に、開先部に溶着ビードを形成して内部造形部の端部と枠部との隙間を容易に埋めることができる。なお、内部造形部を造形する溶着ビードの傾斜面は、適切なタイミングで溶接を停止させることで容易に成形することができる。

（３） 前記埋込造形工程において、前記溶着ビードを形成するトーチをウィービングさせる、（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、埋込造形工程においてトーチをウィービングさせて溶着ビードを形成する。これにより、内部造形部の端部と枠部との隙間が広くても、この隙間を溶着ビードによって良好に埋めることができる。

（４） 前記トーチのウィービングの周期を、前記内部造形部を構成する前記溶着ビード間のピッチの整数倍とし、前記内部造形部の端部における前記第一方向に沿って形成した前記溶着ビード間に、前記第二方向に沿って形成する埋め込み用の前記溶着ビードを埋め込ませる、（３）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の製造方法によれば、複数の溶着ビードを第一方向に沿って形成して内部造形部を造形することにより生じる内部造形部の端部での凹凸を、第二方向に沿って形成する埋め込み用の溶着ビードによって良好に埋めることができる。また、内部造形部の端部における上面の高さも均すことができる。

（５） 前記埋込造形工程において、前記内部造形部の端部と前記枠部との前記隙間を、一回のパスで形成する前記溶着ビードによって埋める、（１）～（４）のいずれか一つに記載の積層造形物の製造方法。

上記（５）の構成の積層造形物の製造方法によれば、内部造形部の端部と枠部との隙間を一回のパスで形成する溶着ビードによって一度に埋めることで、生産性を高めることができ、しかも、軌道計画を簡略にできる。

（６） 前記埋込造形工程において形成する溶着ビードを、前記内部造形工程における溶着ビードの形成時よりも高電流で形成する、（１）～（５）のいずれか一つに記載の積層造形物の製造方法。

上記（６）の構成の積層造形物の製造方法によれば、内部造形部の端部と枠部との隙間に高電流で溶着ビードを形成することにより、この溶着ビードを、内部造形部及び枠部へ良好に溶け込ませることができ、未溶着部の発生をより抑えることができる。

５３ 枠部
５５ 内部造形部
５５ａ 端部
５７ 端面
５９ 開先部
Ｂ，Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３ 溶着ビード
Ｇ 隙間
Ｍ 溶加材
Ｐ ピッチ
Ｔ 周期
Ｗ 積層造形物
Ｘ 第一方向
Ｙ 第二方向

Claims (6)

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造形物を造形する積層造形物の製造方法であって、
   前記溶着ビードによって枠部を造形する枠部造形工程と、
   前記枠部内に第一方向に沿って複数の溶着ビードを形成して前記溶着ビードが並列された内部造形部を造形する内部造形工程と、
   前記内部造形部の少なくとも一方の端部と前記枠部との間に形成した隙間に、前記第一方向と交差する第二方向に沿って溶着ビードを形成し、前記隙間を埋める埋込造形工程と、
   を含む、
   積層造形物の製造方法。
2. 前記内部造形工程において、前記溶着ビードの始端及び終端の少なくとも一方の端面を、端部へ向かって次第に下方へ傾斜する傾斜面に形成し、前記内部造形部の前記端部と前記枠部との前記隙間に上方へ向かって次第に広くなる開先部を形成する、
   請求項１に記載の積層造形物の製造方法。
3. 前記埋込造形工程において、前記溶着ビードを形成するトーチをウィービングさせる、
   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. 前記トーチのウィービングの周期を、前記内部造形部を構成する前記溶着ビード間のピッチの整数倍とし、前記内部造形部の端部における前記第一方向に沿って形成した前記溶着ビード間に、前記第二方向に沿って形成する埋め込み用の前記溶着ビードを埋め込ませる、
   請求項３に記載の積層造形物の製造方法。
5. 前記埋込造形工程において、前記内部造形部の端部と前記枠部との前記隙間を、一回のパスで形成する前記溶着ビードによって埋める、
   請求項１～４のいずれか一項に記載の積層造形物の製造方法。
6. 前記埋込造形工程において形成する溶着ビードを、前記内部造形工程における溶着ビードの形成時よりも高電流で形成する、
   請求項１～５のいずれか一項に記載の積層造形物の製造方法。

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