JP7640420B2 - 造形物及び造形物の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、造形物及び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。

例えば、ブレードを有する回転体を製造する技術として、中心軸となる軸体の周囲に溶着ビードを積層させてブレードを形成する技術がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１９－１５５４６３号公報

ところで、さらなる高機能化の一例として、上記のような造形方法によって内部に冷却流路を形成して冷却機能を有する回転体の造形も行うことができるが、冷却流路を備えた回転体では、機械的な強度や造形可能な構造とのバランスが求められる。

例えば、内部に冷却流路を有する回転体において、図９に示すように、冷却流路１には、想定される荷重方向Ｆと平行な断面で見たときに、隅部のＲ形状や高さｈ／幅ｗの比によって応力集中係数が異なる。このため、冷却流路１を有する回転体を造形する場合、疲労強度等の観点から、軸方向に主応力が生じることを想定し、応力集中係数が低くなるように設計することが好ましい。しかし、単純に幅ｗを大きくしたり隅部のＲ形状を大きくすると、ビードを積層して冷却流路１を造形する際に、オーバーハングとなる部分のビード本数が増えたり、Ｒ形状を形成するために細かな造形条件の調整が必要となる。

そこで本発明は、流路を有する回転体からなり、応力集中が抑えられた造形物及び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。
（１） 金属母材からなる軸体の周囲に溶接金属から造形された複数の翼部を有するとともに内部に中空の流路が設けられ、前記軸体の軸心を中心として回転される回転体からなる造形物であって、
前記流路は、
前記翼部内に複数設けられて前記翼部と並行に延びる翼部流路と、
前記翼部の端部で前記翼部と交差する方向に延びる連結流路と、
を有し、
隣り合う前記翼部流路に前記連結流路が交互に連通されて前記流路の経路が前記翼部の端部で折り返されている、
造形物。
（２） 上記（１）の造形物を製造する製造方法であって、
前記軸体を回転させながら、前記軸体の外周に、溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードを積層させて前記翼部を造形する翼部造形工程を含み、
前記翼部造形工程において、前記溶着ビードを、前記翼部流路の経路に沿って平行に延伸させて前記連結流路に沿う部分と一続きに形成して積層させて前記流路を形成する流路形成工程を行う、
造形物の製造方法。

本発明によれば、流路を有する回転体からなり、応力集中が抑えられた造形物を提供できる。

本発明の造形物の斜視図である。 本発明の造形物における冷却流路を示す模式図である。 ブレードにおける冷却流路の配置を説明するブレードの概略断面図である。 冷却流路の断面形状を説明する翼部流路の断面図である。 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。 （Ａ）及び（Ｂ）は、翼部造形工程における翼部流路の形成の仕方を説明する造形途中の造形物の側面図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、翼部造形工程における翼部流路の形成の仕方を説明する造形途中のブレードの一部の断面図である。 本例の造形物における翼部流路を説明する図であって、（Ａ）は翼部流路の模式図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＶＩＩＩＢ－ＶＩＩＩＢ断面図、（Ｃ）は（Ａ）におけるＶＩＩＩＣ－ＶＩＩＩＣ断面図である。 荷重が付与される冷却流路の模式的に示した断面図である。

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。
図１は、本発明の造形物Ｗの斜視図である。図２は、本発明の造形物Ｗにおける冷却流路６１を示す模式図である。図３は、ブレード５５における冷却流路６１の配置を説明するブレード５５の概略断面図である。

図１に示すように、造形物Ｗは、軸体５１と、軸体５１の外周に造形された造形部５３とを有しており、造形部５３には、ブレード（翼部）５５が形成されている。

軸体５１は、例えば、鋼棒等の断面円形の丸棒体である。この軸体５１の外周に設けられた造形部５３のブレード５５は、外周側への突出部分が軸方向に向かって螺旋状に捻られた形状に形成されている。このブレード５５を有する造形部５３は、軸体５１の周囲に溶着ビードを形成して積層させることにより造形される。なお、溶着ビードによって造形される造形部５３は、その後に切削加工によって表面が目標形状に形成される。

図２及び図３に示すように、造形物Ｗは、その内部に、冷却流路６１を有している。この冷却流路６１は、冷却水等の冷却媒体が流される流路であり、この冷却流路６１に冷却媒体が流されることにより、造形物Ｗが冷却される。

冷却流路６１は、翼部流路６３と、連結流路６５と、軸流路６７とを有している。翼部流路６３は、３つ一組とされてそれぞれのブレード５５に形成されている。これらの３つの翼部流路６３は、ブレード５５に沿って並行に延在されている。

また、これらの翼部流路６３は、ブレード５５の外表面５５ａ側の内面６３ａが、ブレード５５の外表面５５ａと平行に配置されている。さらに、各ブレード５５に設けられた３つの翼部流路６３は、ブレード５５の外表面５５ａからそれぞれ等距離に配置されている。

連結流路６５は、ブレード５５の両端に形成されている。これらの連結流路６５は、ブレード５５の端部でブレード５５と交差する方向に延伸され、隣り合う翼部流路６３に交互に連通されている。これにより、冷却流路６１は、翼部流路６３がブレード５５の端部で連結流路６５によって折り返された経路とされている。軸流路６７は、軸体５１の中心に形成されている。軸流路６７は、その一端が連結流路６５を介して翼部流路６３の一つに連通されている。

冷却流路６１は、軸流路６７における翼部流路６３との連通側と反対側の端部が始端６１Ｓとされ、連結流路６５と連通されていない翼部流路６３の端部が終端６１Ｅとされている。そして、冷却流路６１は、始端６１Ｓから終端６１Ｅにわたって一続きとされている。つまり、冷却流路６１は、軸体５１の一方の端部における軸流路６７の始端６１Ｓから翼部流路６３及び連結流路６５を交互に通ることにより、ブレード５５の端部で折り返し、翼部流路６３の端部の終端６１Ｅに達している。

図４は、冷却流路６１の断面形状を説明する翼部流路６３の断面図である。
図４に示すように、冷却流路６１の翼部流路６３は、延伸方向に直交する断面視において、隅部が円弧状に形成されている。これにより、冷却流路６１の隅部における応力集中が緩和される。例えば、溶着ビードＢを積層させて冷却流路６１を造形する際に、側壁部分と底部との隅部に隅肉溶接Ｂｓを施してＲ形状に形成したり、側壁部分の上部を塞ぐ天井部分を造形する際に、側壁部分と天井部分との隅部がＲ形状となるように溶着ビードＢをオーバーハングさせて積層させる。

次に、上記の造形物Ｗを製造する製造システムについて説明する。図５は造形物Ｗを製造する製造システム１００の模式的な概略構成図である。

図５に示すように、本構成の造形物の製造システム１００は、溶接ロボット１１と、ロボットコントローラ１３と、溶加材供給部１５と、溶接電源１９と、制御部２１と、を備える。

溶接ロボット１１は、多関節ロボットからなるアクチュエータであり、先端軸にトーチ２３が支持される。トーチ２３の位置及び姿勢は、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２３は、溶加材供給部１５から連続供給される線状の溶加材（溶接ワイヤ）Ｍをトーチ先端から突出した状態に保持する。

トーチ２３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溶接部に供給される。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２３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トーチ２３に送給される。そして、トーチ２３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、溶加材Ｍの溶融凝固体である溶着ビードＢが形成される。

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、加熱量をさらに細かく制御でき、溶着ビードＢの状態をより適正に維持して、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（ＭＡＧ）溶接及びミグ（ＭＩＧ）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。

溶加材Ｍとしてチタンのような活性金属を用いることもできる。その場合、溶接時に大気との反応による酸化、窒化を回避するため、溶接部をシールドガス雰囲気にすることが必要となる。

ロボットコントローラ１３は、制御部２１からの指示を受けて、溶接ロボット１１の各部を駆動し、必要に応じて溶接電源１９の出力を制御する。

制御部２１は、ＣＰＵ、メモリ、ストレージ等を備えるコンピュータ装置により構成され、予め用意された駆動プログラム、又は所望の条件で作成した駆動プログラムを実行して、溶接ロボット１１等の各部を駆動する。

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２３の移動軌跡に沿って、トーチ２３を溶接ロボット１１の駆動により移動させるとともに、軸体５１を軸回りに回動させながら、溶融した溶加材Ｍからなる溶着ビードＢをトーチ２３によって軸体５１の周囲に積層させる。これにより、軸体５１の外周に溶着ビードＢからなる造形部５３が造形された造形物Ｗを製造する。なお、軸体５１は、その両端が、ベース４７上に設けられた支持部４９に支持されて回動可能とされている。

次に、本発明の造形物の製造方法について説明する。
（軸流路形成工程）
まず、軸体５１の中心に一端から穿孔し、軸流路６７を形成する。また、軸体５１の他端近傍において、径方向に孔を形成し、軸流路６７に繋がる連結流路６５の一部を形成する。

（翼部造形工程）
軸体５１を回転させながら、軸体５１の外周にブレード５５を有する造形部５３を造形する。具体的には、造形するブレード５５の延在方向に沿って繰り返し溶着ビードＢを形成する。これにより、軸体５１の外周に、溶着ビードＢを積層させてブレード５５を有する造形部５３を造形する。

このとき、ブレード５５を造形する際に、溶着ビードＢ同士に隙間をあけて中空部分を形成することにより、溶着ビードＢによって囲われた翼部流路６３及び連結流路６５を形成する流路形成工程を行う。これにより、入口である始端６１Ｓから出口である終端６１Ｅまで一続きの経路の冷却流路６１を形成する。

ここで、流路形成工程における翼部流路６３の形成の仕方について、ブレード５５における最外周部分の翼部流路６３を形成する場合を例にとって説明する。
図６は、翼部造形工程における翼部流路６３の形成の仕方を説明する造形途中の造形物Ｗの側面図である。図７は、翼部造形工程における翼部流路６３の形成の仕方を説明する造形途中のブレード５５の一部の断面図である。

図６（Ａ）及び図７（Ａ）に示すように、溶着ビードＢを、翼部流路６３の経路に沿って平行に延伸させる。これにより、翼部流路６３の経路に溝部Ｇを形成する。このとき、溝部Ｇの両側壁部分と底部との隅部に隅肉溶接Ｂｓを施してＲ形状に形成する（図４参照）。

次に、図６（Ｂ）及び図７（Ｂ）に示すように、溝部Ｇの上部を塞ぐように、溝部Ｇに沿って溝部Ｇの上縁部に複数の溶着ビードＢを形成する。具体的には、溝部Ｇの上縁からオーバーハングとなる溶着ビードＢの積層を繰り返して天井部分を形成し、翼部流路６３とする。このとき、延伸方向に直交する断面視で翼部流路６３の隅部を円弧状に形成する（図４参照）。また、ブレード５５の外表面５５ａに対して翼部流路６３におけるブレード５５の外表面５５ａ側の内面６３ａが平行となるように溶着ビードＢを積層させてブレード５５を造形する（図３参照）。

このようにして造形された造形物Ｗでは、始端６１Ｓから軸流路６７へ冷却媒体が送り込まれ、連結流路６５及び翼部流路６３を交互に流れて終端６１Ｅから排出される（図２参照）。これにより、造形物Ｗは、冷却流路６１を流れる冷却媒体によって冷却される。

ところで、軸心Ａｘを中心に回転される回転体である造形物Ｗでは（図２参照）、曲げ荷重が作用すると、その曲げの外側となる部分に引張力からなる主応力が軸心Ａｘに沿って発生し、その主応力は軸方向の中央部分で最大となる。

本構成の造形物Ｗでは、冷却流路６１の翼部流路６３は、図８（Ａ）及び図８（Ｂ）に示すように、延伸方向に直交する断面での幅寸法Ｗｃに対して、図８（Ａ）及び図８（Ｃ）に示すように、軸心Ａｘに沿う断面において、延伸方向に直交する断面での幅寸法Ｗｃよりも大きな幅寸法ＷＡｘとなる。

このように、本構成の造形物Ｗでは、冷却流路６１の翼部流路６３は、軸心Ａｘに沿う断面で大きな幅寸法ＷＡｘとなることから応力集中係数が小さくなる。したがって、曲げ荷重が作用した際に主応力が最大となる軸方向の中央部分においても、主応力による影響を抑えることができる。

以上、説明したように、本構成に係る造形物Ｗ及び造形物Ｗの製造方法によれば、ブレード５５と並行に延びる複数の翼部流路６３がブレード５５の端部で連結流路６５に連通されて折り返された冷却流路６１が設けられているので、ブレード５５内における冷却流路６１の内面の面積を多くとることができる。これにより、冷却流路６１に冷却媒体を流した際のブレード５５との熱交換効率を高めることができ、冷却能力に優れた造形物Ｗとすることができる。

しかも、ブレード５５と並行に延びる翼部流路６３は、主応力方向である軸心Ａｘに沿う断面において大きな幅寸法ＷＡｘが確保されるので、曲げ荷重に起因して軸方向に応力が作用した際の応力集中を緩和させることができる。

しかも、冷却流路６１が入口である始端６１Ｓから出口である終端６１Ｅまで一続きの経路に形成されている。これにより、冷却流路６１に冷却媒体を循環させることにより、冷却流路６１内での閉塞の有無等を容易に判定できる。

また、溶着ビードＢを積層させて冷却流路６１を有するブレード５５を造形する場合に、翼部流路６３の経路に沿って連続して溶着ビードＢを形成することができ、これにより、溶着ビードＢの開始点及び終了点を減らして生産性を高めることができる。

さらに、冷却流路６１は、延伸方向に直交する断面視において、隅部が円弧状に形成されている。したがって、冷却流路６１の隅部における応力集中を緩和させることができる。

また、翼部流路６３におけるブレード５５の外表面５５ａ側の内面６３ａが、ブレード５５の外表面５５ａと平行に配置されている。これにより、ブレード５５の外表面５５ａと翼部流路６３との間の肉厚を均一にすることができ、冷却流路６１に冷却媒体を流した際に、ブレード５５の外表面５５ａをバランスよく冷却させることができる。

しかも、ブレード５５に設けられた複数の翼部流路６３がブレード５５の外表面５５ａからそれぞれ等距離に配置されている。したがって、冷却流路６１に冷却媒体を流した際に、ブレード５５に設けられた複数の翼部流路６３によって、ブレード５５の全体をバランスよく冷却させることができる。

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） 金属母材からなる軸体の周囲に溶接金属から造形された複数の翼部を有するとともに内部に中空の流路が設けられ、前記軸体の軸心を中心として回転される回転体からなる造形物であって、
前記流路は、
前記翼部内に複数設けられて前記翼部と並行に延びる翼部流路と、
前記翼部の端部で前記翼部と交差する方向に延びる連結流路と、
を有し、
隣り合う前記翼部流路に前記連結流路が交互に連通されて前記流路の経路が前記翼部の端部で折り返されている、造形物。
この構成の造形物によれば、翼部と並行に延びる複数の翼部流路が翼部の端部で連結流路に連通されて折り返された流路が設けられているので、翼部内における流路の内面の面積を多くとることができる。これにより、流路に冷却媒体を流した際の翼部との熱交換効率を高めることができ、冷却能力に優れた造形物とすることができる。
しかも、翼部と並行に延びる翼部流路は、主応力方向である軸心に沿う断面において大きな幅寸法が確保されるので、曲げ荷重に起因して軸方向に応力が作用した際の応力集中を緩和させることができる。

（２） 前記流路は、入口から出口まで一続きの経路に形成されている、（１）に記載の造形物。
この構成の造形物によれば、流路が入口から出口まで一続きの経路に形成されている。これにより、流路に冷却媒体を循環させることにより、流路内での閉塞の有無等を容易に判定できる。
また、溶着ビードを積層させて流路を有する翼部を造形する場合に、翼部流路の経路に沿って連続して溶着ビードを形成することができ、これにより、溶着ビードの開始点及び終了点を減らして生産性を高めることができる。

（３） 前記流路は、延伸方向に直交する断面視において、隅部が円弧状に形成されている、（１）または（２）に記載の造形物。
この構成の造形物によれば、流路の隅部が円弧状に形成されているので、流路の隅部における応力集中を緩和させることができる。

（４） 前記翼部流路は、前記翼部の外表面側の内面が、前記翼部の外表面と平行に配置されている、（１）～（３）のいずれか一つに記載の造形物。
この構成の造形物によれば、翼部流路における翼部の外表面側の内面が、翼部の外表面と平行に配置されている。これにより、翼部の外表面と翼部流路との間の肉厚を均一にすることができ、流路に冷却媒体を流した際に、翼部の外表面をバランスよく冷却させることができる。

（５） 前記翼部に設けられた複数の前記翼部流路は、前記翼部の外表面からそれぞれ等距離に配置されている、（１）～（３）のいずれか一つに記載の造形物。
この構成の造形物によれば、流路に冷却媒体を流した際に、翼部に設けられた複数の翼部流路によって、翼部の全体をバランスよく冷却させることができる。

（６） （１）～（５）のいずれか一つに記載の造形物を製造する製造方法であって、
前記軸体を回転させながら、前記軸体の外周に、溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードを積層させて前記翼部を造形する翼部造形工程を含み、
前記翼部造形工程において、前記溶着ビードを、前記翼部流路の経路に沿って平行に延伸させて前記連結流路に沿う部分と一続きに形成して積層させて前記流路を形成する流路形成工程を行う、造形物の製造方法。
この構成の造形物の製造方法によれば、翼部を造形する際に、端部の連結流路で折り返す複数の翼部流路を有する流路を形成することができる。また、溶着ビードを積層させて流路を有する翼部を造形する場合に、連続して溶着ビードを形成することができ、これにより、溶着ビードの開始点及び終了点を減らして生産性を高めることができる。

（７） 前記流路形成工程において、前記流路の延伸方向に直交する断面視で隅部となる部分が円弧状になるように前記溶着ビードを形成する、（６）に記載の造形物の製造方法。
この構成の造形物の製造方法によれば、隅部が円弧状に形成された流路を形成することができ、流路の隅部における応力集中を緩和させることができる。

（８） 前記翼部造形工程において、前記翼部の外表面に対して前記翼部流路における前記翼部の外表面側の内面が平行となるように前記溶着ビードを積層させて前記翼部を造形する、（６）または（７）に記載の造形物の製造方法。
この構成の造形物の製造方法によれば、翼部流路における翼部の外表面側の内面を翼部の外表面と平行に配置させる。これにより、翼部の外表面と翼部流路との間の肉厚を均一にすることができ、流路に冷却媒体を流した際に、翼部の外表面をバランスよく冷却させることができる。

５１ 軸体
５５ ブレード（翼部）
５５ａ 外表面
６１ 冷却流路（流路）
６１Ｓ 始端（入口）
６１Ｅ 終端（出口）
６３ 翼部流路
６３ａ 内面
６５ 連結流路
Ｂ 溶着ビード
Ｗ 造形物

Claims (8)

1. 金属母材からなる軸体の周囲に溶接金属から造形された複数の翼部を有するとともに内部に中空の流路が設けられ、前記軸体の軸心を中心として回転される回転体からなる造形物であって、
   前記翼部は、前記軸体の外周側への突出部分が前記軸体の軸方向に向かって螺線状に捻じられた形状に延びて形成され、
   前記流路は、
   前記翼部内に複数設けられて前記翼部と並行に延びる翼部流路と、
   前記翼部の端部で前記翼部と交差する方向に延びる連結流路と、
   を有し、
   隣り合う前記翼部流路に前記連結流路が交互に連通されて前記流路の経路が前記翼部の端部で折り返されている、
   造形物。
2. 前記流路は、入口から出口まで一続きの経路に形成されている、
   請求項１に記載の造形物。
3. 前記流路は、延伸方向に直交する断面視において、隅部が円弧状に形成されている、
   請求項１または請求項２に記載の造形物。
4. 前記翼部流路は、前記翼部の外表面側の内面が、前記翼部の外表面と平行に配置されている、
   請求項１～３のいずれか一項に記載の造形物。
5. 前記翼部に設けられた複数の前記翼部流路は、前記翼部の外表面からそれぞれ等距離に配置されている、
   請求項１～３のいずれか一項に記載の造形物。
6. 請求項１～５のいずれか一項に記載の造形物を製造する製造方法であって、
   前記軸体を回転させながら、前記軸体の外周に、溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードを積層させて前記翼部を造形する翼部造形工程を含み、
   前記翼部造形工程において、前記溶着ビードを、前記翼部流路の経路に沿って平行に延伸させて前記連結流路に沿う部分と一続きに形成して積層させて前記流路を形成する流路形成工程を行う、
   造形物の製造方法。
7. 前記流路形成工程において、前記流路の延伸方向に直交する断面視で隅部となる部分が円弧状になるように前記溶着ビードを形成する、
   請求項６に記載の造形物の製造方法。
8. 前記翼部造形工程において、前記翼部の外表面に対して前記翼部流路における前記翼部の外表面側の内面が平行となるように前記溶着ビードを積層させて前記翼部を造形する、
   請求項６または請求項７に記載の造形物の製造方法。

Images