JPH0318484A - 立体物造形方法およびそれに用いる装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、プラズマパウダーメルティング法（Ｐｌａｓ
ｍａ　ｐｏｕｄｅｒ　ｍｅｌｔｉｎｇ　ｍｅｊ．ｈｏｄ
．以下、ＰＰＭ法という）を利用して、無機材料の立体
物を造形する方法とその方法に用いる装置に関する。

（従来の技術） 例えば、金属やセラミックスから或る３次元形状の立体
物を造形する場合、従来は、これら材料の素材ブロック
を施盤等の工作機械で切削加工することが主に行なわれ
ていた．最近では、ＣＡＤ／ＣＡＭシステムを用いるこ
とにより、造形すべき立体物の設計図面データをＮＣ制
御装置に入力し、ここで前記データをプログラム変換し
て、その変換データでＣＡＭシステムとしての工作機械
を動作せしめることにより、素祠ブロックを切削加工す
ることが行なわれている。

また、無機材料から立体物を造形する方法としては、上
記した切削加工の外に、例えば、所定形状の鋳型に溶湯
を注湯してそれを鋳込む方法や金属射出戒形法、無機材
料の粉末をバインダとともに金型に充填してＨＰやＨＩ
Ｐでそれを焼結する粉末冶金法などがあり、これらの方
法はそれぞれ広く行なわれている。

（発明が解決しようとするｍｕ） しかしながら、前記した切削加工による立体物の造形の
場合、素材ブロックの切削加工時に、工作ｅ！械や素材
ブロックに熱歪みが発生して加工精度の高い立体物の造
形が困難であり、また、工作機械には高負荷がかかるた
め、工具等の材料は剛性の大きいものであることが必要
になる。更には、加工に長時間を要し、造形すべき立体
物の形状が変わるときには、それに応した工作治具の取
付けが必要となり、その段取り時間も長く、生産性の低
下はまぬがれず、多種少量生産にとって不向きである．
しかも、素材ブロックがハステロイのような難加工性材
料である場合は、そもそもが、その切削加工は極めて困
難となる。また、ＣＡＤ／ＣＡＭシステムを利用した切
削加工の場合は、更に、ＣＡＤシステムで設計した図面
データの立体物を、その設計者自身が、その場で実物と
して造形することはできない。

また、鋳込みや粉末冶金法で立体物を造形する場合は、
まずなによりも、梢密でありそれゆえ高価な金型を製作
することが必要になる。しかも、その鋳込み時の鋳造条
件や焼結時の焼結条件を厳しく管理しなければならない
。

一方、有機材料の戒形分野では、最近、光造形法による
立体物の造形が注目を集めている７ゝこの方法は、造形
すべき立体物を等間隔の水平面で輪切りにして得られる
連続多層断面図形データをＣＡＤで作威し、この図形デ
ータを下端から順次取りだして、その図形データに基づ
いた走査パターンで光ビー・ムを液状の光硬化性樹脂に
順次露光していく方法である。光ビームで露光された部
分の光硬化性樹脂は固化して光ビームの走査パターンに
対応したパターンの固化層が液状の光硬化性樹脂の中に
形成される。そして、この固化層をＣＡＤ上の図形デー
タの厚みに相当する深さだけ液状の光硬化性樹脂の中に
沈め、つづけてその図形データに基づいて走査パターン
で光ビームを固化層を覆う光硬化性樹脂の上に露光する
．この操作をＣＡＤの図形データの上端に至るまで反復
することにより、ＣＡＤに溝画した形状の図形データに
対応する固化層が順次ｖｉ層された集合体である硬化樹
脂立体物が造形される。

しかしながら、この方法は、光硬化性樹脂に対してのみ
適用できる方法であって、例えば金属や各種セラミック
スのような無機材料から威る立体物を造形するときに適
用することはできない。

本発明は、上記した光造形法の手法を利用し、これに、
ＰＰＭ法による熔射・肉盛手法を結合させることにより
、無機材料から或る立体物を造形する方法とその造形装
置の提供を目的とする。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達或するために、本発明においては、造形す
べき立体物の各部分の肉盛データを予め記憶または演算
し、ブラズ７１−チに無機材料の粉末を供給して溶融と
一ドを形成し、前記プラズマトーチまたはワーク台のい
ずれか一方または双方を前記肉盛データに基づいて３次
元的に相対移動させ、前記溶融ビードを前記ワーク台の
上に順次溶射・肉盛することにより、立体物を造形する
ことを特徴とする立体物造形方法が提供され、また、ワ
ーク台；該ワーク台に対向して配置され，．かつプラズ
マ１！源装置および無機材料粉末の供給装置と接続され
て、前記無機材料の溶融ビードを前記ワーク台上に溶射
・肉盛するプラズマトーチ；前記ワーク台および前記プ
ラズマトーチの少なくとも一方または双方を互いに３次
元的に相対移動させる移動装置；ならびに、造形すべき
立体物の各部分の肉盛指令データを記憶または演算し、
前記肉盛指令データに基づいて前記移動装置を移動させ
ながら、前記プラズマトーチから前記無機材料の溶融ビ
ードを前記ワーク台に順次溶射・肉盛して、前記ワーク
台の上に前記立体物を造形する動作信号を発信する制御
装置；から成ることを特徴とする立体物造形装置が提供
される。

（作用） 本発明の装置においては、プラズマトーチによって無機
材料の溶融ビードが形戒され、この溶融ビードがワーク
台の上に溶射され肉盛されて立体物が造形されていく。

このとき、プラズマトーチによる適正な幅，厚みを有す
る溶融ビードの形成、プラズマトーチとワーク台との相
対運動の指令データは、いずれも制御装置に記憶または
演算されていて、造形すべき立体物の各部分に相当する
位置，肉盛量．肉盛順序を表示する肉盛指令データに基
づいて動作する移動装置の運動に規定されるので、造形
される立体物は、制御装置に記憶または演算されている
立体物と同一形状の復元形状物になる。

本発明方法は、単純な形状の立体物はいうに及ばず、内
部が空洞でしかも開口部は狭隘な形状をしている立体物
であっても極めて容易に造形することができ、更に用い
る材料が無機材料であるため、耐熱性．機械的強度の優
れた立体物を造形することができ、しかも非接触の加工
法であるため、工作機械の工具や金型等の治具が不要に
なるという点で、非常に有用な立体物の造形方法である
ということができる． （実施例） 以下に、図面に基づいて本発明の実施例装置と方法を更
に詳細に説明する。

第１図は、各横戒要素を組合わせた本発明装置の概略図
である。

図において、まず、ワーク台ｌは移動＠置２に取付けら
れ、この上で目的とする立体物が造形されていく。この
移動装置２は、後述する制御装置からの肉盛指令データ
に基づく動作信号により、前後・左右・上下の直線運動
、軸回転運動およびこれらを組合わせた運動を行なって
、取付けられているワーク台工を３次元的な任意方向に
移動せしめることができるようになっている。

ワーク台１と移動装置２の相対移動に関しては、ワーク
台ｌと移動装置２のいずれか一方は静止し他方が移動で
きるようになっていてもよいし、また、双方が移動でき
るようになっていてもよい。

このワーク台ｌのワーク面１ａと対向してプラズマトー
チ３が配置される。プラズマトーチ３は、プラズマ溶射
法やプラズマ溶接法で従来から使用されているタイプの
ものと略同様のものであればよく、動作ガスの拘束ノズ
ル（内側ノズル）とシールドガスのガスノズル（外側ノ
ズル）との２重ノズル構造になっている。

このプラズマトーチ３には、粉末供給バイプ４ａを介し
て無機材料粉末４ｂの供給装置４が接続され、またトー
チ内のタングステン電極はりード５を介してプラズマ電
源装置５と電気的に接続されている。

更にプラズマトーチ３は冷却水パイプ６ａを介して冷却
水循環装置６と接続され、Ｗ１環する冷却水により拘束
ノズルが冷却されて、発生せしめるプラズマ柱の熱的ピ
ンチ効果を達戒できるようになっている。

また、プラズマ電源装置５からはり一ド５ｂが引出され
てワーク台ｌに接続され、プラズマトーチ３とワーク台
ｌの間でプラズマ柱が発生できるようになっている。

なお、供給装置４は、図のように１基である必要はなく
、例えば、複数種の無機材料から或る溶融ビードで目的
立体物を造形する場合、この供給装置を複数基配置し、
それぞれをプラズマトーチ３と複数本の粉末供給パイプ
で接続するようにしてもよい。

制御装置７は、造形すべき立体物の各部分の肉盛指令デ
ータを記憶または演算し、この肉盛指令データに基づき
、回線７ａを介してプラズマ電源装置５へ動作指令信号
を発信してプラズマ発生のタイミングやプラズマ電流値
の適正管理を行ない、回線７ｂを介して供給装置４へ動
作指令信号を発信して無機材料粉末４ｂの供給タイミン
グや供給量などを適正に管理し、また、回線７ｃ，７ｄ
を介してプラズマトーチ３へ動作指令信号を発信してプ
ラズマトーチ３のプラズマガス圧などを適正に管理し、
更に、回線７ｅを介して移動装置２へ動作指令信号を発
信するようになっている。

ここでいう肉盛指令データとは、造形すべき立体物を微
小な任意部分が連続的に配列して威る集合体とした場合
におけるその任意部分の３次元的な位置関係，形状・寸
法，材料組戒およびその任意部分の配列順序等に関する
データであり、例えば、造形すべき立体物を所定の間隔
で水平に輪切りにしたときに得られる連続多層断面デー
タを代表例としてあげることができる。

このようなデータは、造形に先立って予め設計者が作戒
しておき、それを制御装置７に入力・記憶させておいて
もよいし、この制御装置７にＣＡＤシステムを内蔵せし
めて目的立体物の任意部分の図形処理の演算ができるよ
うにしておいてもよい． つぎに、この装置を用いて行なう造形方法を、造形すべ
き立体物の前記した連続多層断面データに基づいて説明
する． まず、所望の無機材料の粉末が供給装置４に収納される
．対象となる無機材料としては、目的とする立体物の構
成材料であってかつプラズマで溶融して溶融ビードを形
成するものが選定される。

例えば、各種の金属５合金，炭化物，窒化物等のセラミ
ックスの粉末が選ばれる。

全体の連続多層断面データのうち、ある順番のデータ（
ｉ番目のデータ）に関する肉盛指令データＮｏｉに基づ
いて、制御装置７はプラズマ電源装置５に回線７ａを介
して動作指令信号を発信する．この指令データＮｏｉに
よりプラズマ電源装置は動作して、所定値のプラズマ電
流をプラズマトーチ３に供給して、プラズマトーチ３の
タングステン電極とワーク台１の間でトランスファード
アークを発生させる。同時に、冷却水循環装置６からは
冷却水パイプ６ａを介して冷却水がプラズマトーチ３に
導入され、拘束ノズル，動作ガス（例えばＡｒ）を強制
冷却することにより、収縮・拘束されたプラズマ柱がプ
ラズマトーチ３とワーク台のワーク面１ａの間に形成さ
れる。

この動作と平行して、制御装置７からは回線７ｂを介し
て供給装Ｗ４にその動作指令信号が発信され、無機材料
粉末４ｂの所定量が供給パイプ４ａを介してプラズマト
ーチ３のプラズマ柱の中に所定の角度で投入される。

投入された無機材料粉末４ｂは、ワーク台１に向かって
落下する過程で溶融し、所定の幅と厚みを有する溶融ビ
ードになる。

また、指令データＮｏｉにより、制１１ｌ装置７は回線
マｅを介して移動装置２に動作指令信号を発信する。移
動装置２はその動作指令信号に基づき、所定の運動を行
ない、その結果、ワーク台ｌは指令データＮｏｉと同し
パターンを描く運動をする。

その結果、前記した溶融ビードは、このワーク台１のワ
ーク面１ａに指令データＮｏｉのパターンで積層され肉
盛りされて、制御装置７が記憶または演算した連続多層
断面データのうちｉ番目のデータに相当する部分が復元
される。

その後、ｉ１）番目のデータに関しても、同様の動作が
行なわれ、その結果、ワーク台１の上には、順次，溶融
ビードが所定のパターンで肉盛されていき、目的とする
立体物、すなわち制御装置に記憶または演算されていた
立体物がワーク台ｌの上に復元され、それが造形される
。

この場合、溶融ビードの幅，厚みは、供給される無機材
料粉末の種類と供給量．プラズマ電流プラズマガス圧，
マイクロトーチとワーク台の間の相対移動速度などによ
って変化する。例えば、プラズマ電流を高くすると溶融
ビードの幅は広く、厚みは薄くなり、濡れ性は向上する
し、また粉末供給量を増加すると溶融ビードの幅ｉｔみ
はいずれも広く・厚くなる．このようなことから、造形
すべき立体物の形状・寸法に応して、上記各因子を適正
に設定することが必要である。その情報もまた制御装置
７に入力しておき、立体物の造形時には、必要に応して
、その情報を引出して各回線を介して、他の装置に必要
な動作指令を発するようにする。

例えば、無機材料の粉末としてＣｏ合金とＣｒｌＣ１の
混合粉末を選び、プラズマ電流を５０〜７０Ａに設定し
、制御装置７からは、有底円筒を水平に輪切りして得ら
れた円環状多層断面データをその下端から引出して、そ
のデータに基づいて移動装置２を移動させて造形処理を
行なったところ、制御装置７に記憶させていた前記有底
円筒を復元することかできた． （発明の効果） 以上の説明で明らかなように、本発明の装置および方法
は、何らの切削工具，金型またはバインダ戒分を用いる
ことなく、無機材料の粉末から、直接、目的とする形状
の立体物を造形することができる。

また、複雑形状の立体物であっても、その断面形状等の
部分形状を解析し、その解析データに基づいて、目的立
体物を復元・造形できるので、各種金型や精密部品の製
造にとって有効である。

更に、材料はプラズマアークで溶融できるものであれば
何に対しても適用可能であるため、材料選択の幅が広く
、例えば、従来は切削加工が困難であったハステロイ等
の材料で所定形状の立体物を造形することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例装置を示す構成図である．

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）造形すべき立体物の各部分の肉盛データを予め記
   憶または演算し、プラズマトーチに無機材料の粉末を供
   給して溶融ビードを形成し、前記プラズマトーチまたは
   ワーク台のいずれか一方または双方を前記肉盛データに
   基づいて３次元的に相対移動させ、前記溶融ビードを前
   記ワーク台の上に順次溶射・肉盛することにより、立体
   物を造形することを特徴とする立体物造形方法。
2. （２）ワーク台；該ワーク台に対向して配置され、かつ
   プラズマ電源装置および無機材料粉末の供給装置と接続
   されて、前記無機材料の溶融ビードを前記ワーク台上に
   溶射・肉盛するプラズマトーチ；前記ワーク台および前
   記プラズマトーチの少なくとも一方または双方を互いに
   ３次元的に相対移動させる移動装置；ならびに、造形す
   べき立体物の各部分の肉盛指令データを記憶または演算
   し、前記肉盛指令データに基づいて前記移動装置を移動
   させながら、前記プラズマトーチから前記無機材料の溶
   融ビードを前記ワーク台に順次溶射・肉盛して、前記ワ
   ーク台の上に前記立体物を造形する動作信号を発信する
   制御装置；から成ることを特徴とする立体物造形装置。