JP2007275945A - Molding method for manufacturing molded article of three dimensional free shape, and apparatus therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は造形方法及びその装置に係り、溶接技術を用いて特に溶着ビードによって金型、機械部品等の造形物を製作する造形方法及びその装置に関する。 The present invention relates to a modeling method and an apparatus therefor, and more particularly to a modeling method and an apparatus for manufacturing a modeled object such as a mold and a machine part by a welding bead using a welding technique.
特許文献1には、CAD/CAMシステムによって設計された金型の形状を表現する形状データに基づき、溶接技術を用いて、溶着ビードの形成で金型を造形する造形装置が開示されている。この造形装置によれば、鋳造を経ることなく金型を製作することが可能なので、鋳造に必要とされる多大な工程を省略することができ、金型製作のためのリードタイムを短縮することができるという利点がある。 Patent Document 1 discloses a modeling apparatus that molds a mold by forming a weld bead using a welding technique based on shape data representing the shape of a mold designed by a CAD / CAM system. According to this modeling apparatus, since it is possible to produce a mold without passing through casting, a great number of steps required for casting can be omitted, and lead time for mold production can be shortened. There is an advantage that can be.
また、この造形装置は、NC加工機の溶加材トーチから供給される溶加材によって溶着ビードを形成するが、この溶加材トーチは、NC加工機の直交する3軸(x、y、z)方向に移動自在なスライダに取り付けられ、NC加工機に供給されるNCデータによって所定の移動軌跡に沿って移動制御されることにより、金型を溶着ビードによって製作する。すなわち、前の溶着ビード上に溶加材を連続的に形成していくことにより、立体的な金型を造形する。 Moreover, this modeling apparatus forms a welding bead with the filler material supplied from the filler material torch of the NC processing machine, and this filler material torch is composed of three orthogonal axes (x, y, A mold is manufactured by a welding bead by being attached to a slider that is movable in the z) direction and controlled to move along a predetermined movement trajectory by NC data supplied to the NC processing machine. That is, a three-dimensional mold is formed by continuously forming a filler material on the previous weld bead.
また、金型の設計にあたり、金型の形状データを生成する工程と、生成された形状データに基づいて、金型を等高線に沿った積層体に分割する工程と、得られた積層体の形状データに基づいて、溶加材トーチの移動経路を作成する工程とを有することが特許文献1に記載されている。特許文献1によれば、溶加材トーチは、積層体ごとに移動経路を移動しながら溶加材を供給していき、積層体ごとに溶着ビードを形成する。 Further, in designing the mold, a step of generating mold shape data, a step of dividing the mold into a laminate along the contour line based on the generated shape data, and a shape of the obtained laminate Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-228707 describes a step of creating a movement route of the filler torch based on the data. According to Patent Document 1, the filler material torch supplies the filler material while moving the movement path for each laminate, and forms a weld bead for each laminate.
特許文献2には、溶接具を備えた自動機を用いて、金型を修正する方法であって、加工データを容易に作成できる方法が開示されている。この方法では、まず修正を目的とする部位に断面が階段状となるように加工を施し、その階段状の部位のステップに溶接技術を用いて溶着ビードを形成するので、NCデータを容易に作成できる。 Patent Document 2 discloses a method of correcting a mold using an automatic machine equipped with a welding tool and capable of easily creating machining data. In this method, first, processing is performed so that the cross section has a stepped shape at the part to be corrected, and welding beads are formed at the step of the stepped part using welding technology, so NC data can be easily created. it can.
しかし、この方法では事前に修正する部位に加工が必要であり、手間が掛かるとともに、新規に製作する造形物には対応できないという欠点があった。
3軸移動構造のNC加工機で、溶接技術を用いて溶加材トーチを移動させて新規造形物を製作したり、または既存の造形物(以下、形成物という。)を修理、修正したりする(以下、造形物等の製作等ともいう。)前記従来の造形装置では、単純な形状の造形物等の製作等は可能である。しかしながら、特にブラウン管ファンネルをプレス成型するプランジャー等のような複雑な三次元自由曲面を有する立体的な造形物等を製作等しようとすると、その曲面性により溶加材からの溶滴を修理及びリメイクしようとする被形成体またはゼロから被造形物の溶着される面(以下、被造形物等ともいう。)の上に確実に形成することが困難であった。すなわち、図6に示すように、溶加材トーチ1に加熱されて溶加材2から被造形物等の溶着される面、特に既に形成された溶着ビード3上に滴下した溶滴4が、既に形成された溶着ビード3上の所望の箇所に新たな溶着ビード3を形成できずに、既に形成された溶着ビード3上から流下してしまうため、意図する形状の造形物等に製作することは困難であった。また、上記原因により溶着ビードの肉厚が不均一となるため、肉厚を均一にする機械加工(研削、研磨)に長時間を要するという欠点があった。 An NC processing machine with a three-axis movement structure that uses a welding technique to move the filler metal torch to produce a new shaped object, or to repair or modify an existing shaped object (hereinafter referred to as a formed object). (Hereinafter also referred to as production of a modeled object, etc.) With the conventional modeling apparatus, it is possible to manufacture a modeled object having a simple shape. However, especially when trying to manufacture a three-dimensional model with a complicated three-dimensional free-form surface such as a plunger that press-molds a cathode ray tube funnel, the droplets from the filler material are repaired due to the curved surface. It has been difficult to reliably form the object to be remade or the surface on which the object to be shaped is welded from zero (hereinafter also referred to as the object to be shaped). That is, as shown in FIG. 6, the droplet 4 that is heated by the filler material torch 1 and is welded from the filler material 2 onto the object to be shaped, such as a weld bead 3 that has already been formed, Since a new weld bead 3 cannot be formed at a desired position on the weld bead 3 that has already been formed, the weld bead 3 flows down from the weld bead 3 that has already been formed. Was difficult. Moreover, since the thickness of the weld bead is non-uniform due to the above causes, there is a drawback that it takes a long time for machining (grinding and polishing) to make the thickness uniform.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、三次元自由曲面を有する立体的な造形物等を良好に製作等することができる造形方法及びその装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a modeling method and apparatus capable of satisfactorily producing a three-dimensional modeled object having a three-dimensional free-form surface. .
請求項1に記載の方法発明は、前記目的を達成するために、被形成体または被造形物に溶着ビードを形成することにより、三次元自由形状の造形物を製作する溶融材料による造形方法において、NC制御によって、溶融した溶加材の溶滴が滴下して被形成体または被造形物の溶着される面が常に所定角度とされ、且つ溶加材トーチと前記溶着される面とが所定の距離を保持するように、前記被形成体または被造形物及び前記溶加材トーチを移動させながら溶着ビードを形成することを特徴とする。 According to a first aspect of the present invention, there is provided a method for forming a three-dimensional free-form shaped object by forming a weld bead on a formed object or an object to be formed. By NC control, the melted molten metal droplets are dripped so that the surface to be formed or the object to be welded is always at a predetermined angle, and the melt material torch and the surface to be welded are predetermined. The welding bead is formed while moving the object to be formed or the object to be shaped and the filler material torch so as to maintain the distance of the above.
請求項11に記載の装置発明は、前記目的を達成するために、被形成体または被造形物に溶着ビードを形成することにより、三次元自由形状の造形物を製作する溶融材料による造形装置において、前記溶加材トーチと前記被形成体または被造形物とを相対的に直交する3軸方向に移動させるトーチの移動機構または/およびワーク移動機構と、前記トーチを前記トーチの中心軸を中心とする回転方向及び傾斜方向に動作させるトーチ回転機構及びトーチ傾斜機構と、前記被形成体または被造形物を回転方向及び傾斜方向に動作させるワーク動作機構と、溶加材を所定量供給する溶加材供給装置と、溶融した溶加材の溶滴が滴下して前記被形成体または被造形物の溶着される面が常に所定角度となり、且つ溶加材トーチと前記溶着される面とが所定の距離を保持するように、前記被形成体または被造形物及び前記溶加材トーチを制御するNC制御部と、を有することを特徴とする。 According to an eleventh aspect of the present invention, in order to achieve the above object, in the modeling apparatus using a molten material, a welding bead is formed on the object to be formed or the object to be formed to produce a three-dimensional free-form object. A torch moving mechanism or / and a workpiece moving mechanism for moving the filler material torch and the object to be formed or the object to be formed in three orthogonal directions, and the torch centered on the central axis of the torch A torch rotation mechanism and a torch inclination mechanism that operate in the rotation direction and the inclination direction, a workpiece operation mechanism that operates the object or object to be formed in the rotation direction and the inclination direction, and a melt that supplies a predetermined amount of filler material. The filler supply device, the melted molten metal droplets dripping and the surface to which the object or the object to be molded is welded are always at a predetermined angle, and the filler material torch and the surface to be welded are To hold a distance constant, characterized by having a, and NC control unit for controlling the object to be formed, or the shaped article and the filler material torch.
請求項12に記載の装置発明は、前記目的を達成するために、被形成体または被造形物に溶着ビードを形成することにより、三次元自由形状の造形物を製作する溶融材料による造形装置において、前記溶加材トーチを直交する3軸方向に移動させるトーチの移動機構と、前記トーチを前記トーチの中心軸を中心とする回転方向及び傾斜方向に動作させるトーチ回転機構及びトーチ傾斜機構と、前記被形成体または被造形物を回転方向及び傾斜方向に動作させるワーク動作機構と、溶加材を所定量供給する溶加材供給装置と、溶融した溶加材の溶滴が滴下して前記被形成体または被造形物の溶着される面が常に所定角度となり、且つ溶加材トーチと前記溶着される面とが所定の距離を保持するように、前記被形成体または被造形物及び前記溶加材トーチを制御するNC制御部を有することを特徴とする。 According to a twelfth aspect of the present invention, in order to achieve the above-mentioned object, in a modeling apparatus using a molten material, a welding bead is formed on a target object or a target object, thereby manufacturing a three-dimensional free-form target object. A torch moving mechanism for moving the filler metal torch in three orthogonal directions, a torch rotating mechanism and a torch tilting mechanism for operating the torch in a rotating direction and a tilting direction around a central axis of the torch, A work operation mechanism that moves the object or object to be formed in the rotation direction and the inclination direction, a melt material supply device that supplies a predetermined amount of a melt material, and a molten droplet of melted material drops and The surface of the object to be formed or the object to be formed is always at a predetermined angle, and the object to be formed or the object to be formed and the object to be formed are maintained so that the filler material torch and the surface to be welded maintain a predetermined distance. Melt Characterized in that it has an NC control unit for controlling the torch.
請求項1、11、12に記載の発明によれば、NC制御によって、溶加材トーチからの溶滴が滴下して前記被造形物等の溶着される面が常に所定角度となり、且つ溶加材トーチと溶着される面とが所定の距離を保持するように、前記被造形物等及び/または溶加材トーチをNC制御部により移動させながら溶着ビード形成するので、新たな溶着ビードを形成する際に、既に形成された溶着ビードは溶加材トーチが溶着ビードを形成するのに必要とする位置に常に位置することになる。これにより、新たな溶着ビードを既に形成された溶着ビードの上に確実に形成することができるので、特にブラウン管ファンネルをプレス製造するプランジャーのような複雑な三次元自由形状を有する造形物等を良好に製作することができる。また、この製法及び装置により、形成された溶着ビードの肉厚が所望の分布にすることができるので、機械加工が短時間で済む。更に、溶着の電圧、電流値と溶加材トーチの送り速度を調整することにより、溶着ビードの太さや表面の滑らかさを可変できるので、被造形物等の造形位置に応じて前記電圧、電流値と送り速度を制御することが好ましい。例えば、電流値を上げて送り速度を遅くすれば、太い溶着ビードを形成できる。また、防錆の必要な造形物等の場合には、下層を鉄で形成し、上層をステンレスで形成することにより、全てステンレスで製作された造形物等と比較して、溶加材にかかるコストを削減できる。なお、利用する溶接技術は、ティグ溶接、マグ溶接、ミグ溶接、レーザ溶接、サブマージ溶接等でも適用できる。
According to the invention described in
請求項2に記載の発明は、請求項1において、前記被形成体または被造形物の溶着される面の所定角度は、略水平であることを特徴とする。 A second aspect of the present invention is characterized in that, in the first aspect, a predetermined angle of a surface on which the object to be formed or the object to be shaped is welded is substantially horizontal.
請求項13に記載の発明は、請求項12において、前記被形成体または被造形物の溶着される面の所定角度は、略水平であることを特徴とする。 A thirteenth aspect of the invention is characterized in that, in the twelfth aspect, a predetermined angle of a surface to which the object to be formed or the object to be shaped is welded is substantially horizontal.
請求項2、13に記載の発明によれば、前記被造形物等の溶着される面の所定角度は略水平であるので、新たな溶着ビードを既に形成された溶着ビードの上に確実に形成することができ、特にブラウン管ファンネルをプレス製造するプランジャーのような複雑な三次元自由形状を有する造形物等を良好に製作等することができる。 According to the invention described in claims 2 and 13, since the predetermined angle of the surface to be welded such as the object to be shaped is substantially horizontal, a new welding bead is reliably formed on the already formed welding bead. In particular, it is possible to satisfactorily produce a molded article having a complicated three-dimensional free shape such as a plunger for press-producing a cathode ray tube funnel.
なお、前記被造形物等の溶着される面の角度は、溶融量、電流値、電圧値、パス間温度、被造形物等の温度、溶加材トーチの移動速度、被造形物等の動作速度、被造形物等の形状接面、及び法面角度等の条件により変化させる必要があり、NC制御により所望の角度を得ることができ、一般的に例えば水平面に対し+5°〜−5°以内で好ましくは+1°〜−1°程度である。 In addition, the angle of the surface to be welded such as the object to be modeled is the melting amount, current value, voltage value, interpass temperature, temperature of the modeled object, moving speed of the filler material torch, operation of the modeled object, etc. It is necessary to change according to conditions such as speed, shape contact surface of the object to be modeled, and slope angle, and a desired angle can be obtained by NC control. Generally, for example, + 5 ° to −5 ° with respect to the horizontal plane Is preferably about + 1 ° to -1 °.
請求項3に記載の発明は、請求項1または2において、前記溶加材トーチと前記被形成体または被造形物とを相対的に直交する3軸方向に移動させるとともに、前記被形成体または被造形物を回転方向及び傾斜方向に動作させながら溶着ビードの形成することを特徴とする。 The invention according to claim 3 is the invention according to claim 1 or 2, wherein the filler material torch and the object to be formed or the object to be formed are moved in three axial directions relatively orthogonal to each other, and the object to be formed or The weld bead is formed while the workpiece is operated in the rotation direction and the tilt direction.
請求項4に記載の発明は、請求項1または2において、前記溶加材トーチを直交する3軸方向に移動させるとともに、前記被形成体または被造形物を回転方向及び傾斜方向に動作させながら溶着ビードの形成することを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the first or second aspect, the filler material torch is moved in the three axial directions orthogonal to each other, and the object to be formed or the object to be shaped is operated in the rotation direction and the inclination direction. A weld bead is formed.
請求項14に記載の発明は、請求項11、12または13において、前記NC制御部は、前記溶加材トーチおよび/または前記被形成体または被造形物を直交する3軸方向に移動させるトーチ移動機構および/またはワーク移動機構と、前記被形成体または被造形物を回転方向及び傾斜方向に動作させるワーク動作機構とを制御することを特徴とする。
The invention according to
請求項3、4,14に記載の発明によれば、溶加材トーチおよび/または被造形物等を直交する3軸方向に移動させるトーチ移動機構および/またはワーク移動機構と、造形物を回転方向及び傾斜方向に動作させるワーク動作機構とをNC制御部によって制御することにより、溶加材トーチからの溶滴が滴下して被造形物等の溶着される面が常に所定角度となり、且つ溶加材トーチと前記溶着される面とが所定の距離を保持するように、被造形物等及び溶加材トーチを移動させることができる。溶加材トーチと被造形物等は、相対的に直交する3軸方向に移動すればよく、溶加材トーチと被造形物等のどちらか1方を移動させても良く、両方併せて3軸方向の移動をさせてもよい。
According to the invention described in
請求項5に記載の発明は、請求項1、2、3、又は4において、前記溶加材トーチの中心軸を中心とする回転方向及び傾斜方向の角度を、前記被形成体または被造形物の溶着される面に対して変更しながら溶着ビードを形成することを特徴とする。 The invention according to claim 5 is the object according to claim 1, 2, 3, or 4, wherein the angle of the rotation direction and the inclination direction about the central axis of the filler metal torch is set as the object to be formed or the object to be shaped. The welding bead is formed while changing the surface to be welded.
請求項15に記載の発明は、請求項11、12、13または14において、前記NC制御部は、前記溶加材トーチをその中心軸を中心とする回転方向及び傾斜方向に動作させるトーチ動作機構を制御することを特徴とする。 A fifteenth aspect of the present invention is the torch operation mechanism according to the eleventh, twelfth, thirteenth, or fourteenth aspect, wherein the NC control unit operates the filler material torch in a rotation direction and an inclination direction around a central axis thereof. It is characterized by controlling.
溶加材トーチの進行方向に応じて、溶加材のアーク力により溶加棒、ワイヤ状の溶加材が微振動する現象が発生する。そこで請求項5、15に記載の発明によれば、溶加棒や溶加材ワイヤの振動を軽減させることができる、経験的に得られた傾斜角及び回転方向位置に溶加材トーチの動作を制御する。これにより、溶滴を被造形物等の溶着される面の上、特に既に形成された溶着ビード上に安定的に形成させることができるので、溶着ビードの肉厚を所望の分布にすることができる。なお、溶着面に対する溶加材トーチの角度は溶融量、すなわち母材の溶融池と溶加材の溶滴量の双方のビード形成に影響するため、電流値、電圧値、パス間温度、被造形物等の温度、溶加材トーチの移動速度、被造形物等の動作速度、被造形物等の形状接面、及び法面角度により変化させる必要があり、一般的に例えば水平面に対し+70°〜−70°以内で好ましくは+80°〜−80°程度である。 Depending on the traveling direction of the filler material torch, a phenomenon occurs in which the filler rod and the wire-like filler material slightly vibrate due to the arc force of the filler material. Therefore, according to the fifth and fifteenth aspects of the present invention, the vibration of the filler rod and the filler metal wire can be reduced, and the operation of the filler torch at an empirically obtained inclination angle and rotational position is obtained. To control. As a result, the droplets can be stably formed on the surface to be welded such as the object to be modeled, especially on the already formed weld bead, so that the thickness of the weld bead can be made to have a desired distribution. it can. Note that the angle of the filler metal torch with respect to the welding surface affects the bead formation of both the molten amount, that is, the molten pool of the base metal and the droplet amount of the filler material, so that the current value, voltage value, interpass temperature, It is necessary to change according to the temperature of the modeled object, the moving speed of the filler material torch, the operation speed of the modeled object, the shape contact surface of the modeled object, and the angle of the surface. It is preferably within the range of + 80 ° to −80 ° within the range of ° to −70 °.
請求項6に記載の発明は、請求項1、2、3、4又は5において、前記造形物の製作は、所定の位置から所定の位置までが連続して行われることを特徴とする。請求項6に記載の発明によれば、例えば、ブラウン管ファンネルを製造するプランジャーを造形する場合、その短軸方向及び長軸方向の幅は狭く、対角軸方向の幅は広い螺旋状の積層体データをあらかじめ作成し、その積層体データに基づいて、溶加材トーチをその積層体の幅方向に移動させるとともに螺旋状に沿って移動させながら造形物等を製作する。これにより、溶加材トーチを一筆書きの如く移動させて所定の位置から所定の位置まで連続して造形物等を製作することができる。 A sixth aspect of the present invention is characterized in that, in the first, second, third, fourth, or fifth aspect, the fabrication of the modeled object is continuously performed from a predetermined position to a predetermined position. According to the sixth aspect of the present invention, for example, when a plunger for manufacturing a cathode ray tube funnel is formed, a spiral laminate in which the width in the minor axis direction and the major axis direction is narrow and the width in the diagonal axis direction is wide. Body data is created in advance, and on the basis of the laminate data, a shaped article or the like is produced while moving the filler metal torch in the width direction of the laminate and moving along the spiral. Thereby, a modeling thing etc. can be manufactured continuously from a predetermined position to a predetermined position by moving a filler material torch like a stroke.
これにより以下の利点がある。 This has the following advantages.
溶着開始、終了時の溶着条件の変化により溶着欠陥が生じることがあることが解っており、このように溶加材トーチを移動させて、一挙に溶着することは、その溶着欠陥発生リスクの機会を大幅に減らすことができる。例えば、前記プランジャーの場合、起点と終点で溶着欠陥発生リスクは2ヶ所であるが、特許文献1の如く、一定幅の積層体ごとに起点と終点を有する製造方法では、起点、終点の数は積層体の分割数の2倍となるので、欠陥リスクは本発明の一筆書き移動の数倍となる。したがって、安定した自動化のためには、一筆書き移動の如く継続条件で一挙に溶形成を済ませた方が有利である。また、一挙に全面が形成できるため、表面のつぎはぎがなくなり、機械加工(切削加工)が短時間でよい。 It has been found that welding defects may occur due to changes in welding conditions at the start and end of welding, and moving the welding material torch in this way, welding at once is an opportunity for the risk of occurrence of welding defects. Can be greatly reduced. For example, in the case of the plunger, the risk of occurrence of welding defects is 2 at the starting point and the ending point. However, as in Patent Document 1, in the manufacturing method having the starting point and the ending point for each laminate having a certain width, the number of starting points and ending points Is twice the number of divisions of the laminate, so that the risk of defects is several times the stroke movement of the present invention. Therefore, for stable automation, it is more advantageous to complete the melt formation at once in a continuous condition such as a single stroke movement. Moreover, since the entire surface can be formed at once, there is no surface patching, and machining (cutting) can be performed in a short time.
請求項7に記載の発明は、請求項1、2、3、4、5又は6において、前記溶加材はガラス、金属、樹脂、セラミックス又は少なくとも2以上の前記物質の混合材であることを特徴とする。請求項7に記載の発明によれば、溶加材として金属に限らずガラス、樹脂、セラミックス又は前記物質の混合材を適用することができる。 A seventh aspect of the present invention is that in the first, second, third, fourth, fifth, or sixth aspect, the filler material is glass, metal, resin, ceramics, or a mixture of at least two of the substances. Features. According to the seventh aspect of the present invention, glass, resin, ceramics, or a mixture of the above substances can be applied as the filler material, not limited to metal.
請求項8に記載の発明は、請求項1から7において、前記被形成体または被造形物に滴下された溶加材の溶融物の流れを、溶着ビードが所望の形状となる様に、前記溶加材トーチおよび/または前記被形成体または被造形物の姿勢をNC制御することを特徴とする。 The invention according to an eighth aspect is the invention according to the first to seventh aspects, wherein the flow of the melt of the filler material dropped on the object or the object to be formed is changed so that the weld bead has a desired shape. The posture of the filler material torch and / or the object to be formed or the object to be formed is NC-controlled.
請求項9に記載の発明は、請求項1から8において、相対移動する前記溶加材トーチからの溶加材の溶滴が、前記被形成体または被造形物に対し所望の位置に滴下される様に、前記溶加材トーチおよび/または前記被形成体または被造形物の位置をNC制御することを特徴とする。 A ninth aspect of the present invention provides the method according to any one of the first to eighth aspects, wherein a droplet of the filler material from the relatively moving filler material torch is dropped at a desired position with respect to the object to be formed or the object to be shaped. As described above, the position of the filler material torch and / or the object to be formed or the object to be formed is NC-controlled.
請求項10に記載の発明は、請求項1から9において、前記被形成体または被造形物に滴下された溶加材の溶融物が、所望の形状の溶着ビードとなる様に、前記溶加材トーチの姿勢をNC制御することを特徴とする。 A tenth aspect of the present invention is the method according to any one of the first to ninth aspects, wherein the melt of the filler material dropped onto the object or the object to be formed is a weld bead having a desired shape. The posture of the material torch is controlled by NC.
本発明の三次元自由形状の造形物等を製作する造形方法及びその装置によれば、溶加材トーチからの溶滴が滴下して被被造形物等の溶着される面が常に所定角度となり、且つ溶加材トーチと溶着される面とが所定の距離を保持するように、被造形物等及び溶加材トーチをNC制御部により移動させながら溶着ビードを形成するので、三次元自由形状を有する造形物等を良好にかつ効率的に製作することができる。 According to the modeling method and apparatus for manufacturing a three-dimensional free-form modeled object or the like of the present invention, the surface from which the droplets from the filler torch are dropped and the object to be modeled is welded is always at a predetermined angle. In addition, since the welding bead is formed while the object to be shaped and the welding material torch are moved by the NC control unit so that the welding material torch and the surface to be welded maintain a predetermined distance, a three-dimensional free shape It is possible to satisfactorily and efficiently produce a shaped article having
以下添付図面に従って本発明に係る造形方法及びその装置の好ましい実施の形態について詳説する。 Hereinafter, preferred embodiments of a modeling method and apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1は、三次元自由形状の造形物等を製作可能な造形装置(NC加工機)10の斜視図である。図1に示す造形装置10は、CAD/CAMシステムを使用して設計された造形物の形状を表現する三次元自由形状のデータに基づいて、溶加材トーチ12による溶着ビードを形成することにより、三次元自由形状の造形物等を製作等する造形装置であり、溶加材トーチ12を直交する3軸(x、y、z)方向に移動させるトーチ移動機構14、被造形物等であるファンネル用プランジャー16を回転方向及び傾斜方向に移動するワーク動作機構18、及びトーチ移動機構14とワーク動作機構18とを前記三次元自由形状のデータに基づいて制御するNCコントローラ(駆動制御部)20を主として構成されている。
FIG. 1 is a perspective view of a modeling apparatus (NC processing machine) 10 capable of manufacturing a three-dimensional free-form modeled object or the like. The
なお、実施の形態では、トーチ移動機構を3軸、ワーク動作機構を2軸として例示するが、これに限定されるものではなく、5軸以上の多軸であっても適用できる。また、実施の形態では、溶加材トーチ12としての利用溶接技術にティグ溶接を例示するが、これに限定されるものではなく、ミグ溶接、マグ溶接、レーザ溶接、サブマージ溶接等であっても適用できる。なお、ミグ溶接及びマグ溶接においては溶加ワイヤ(溶加材)56が溶加材トーチ12と一体化されている。また、造形物等として三次元自由形状を有するファンネル用プランジャー16を例示するが、これに限定されるものではなく、その他のガラス製品製造用金型、機械装置の各種部品製造用金型、及び機械装置の各種部品等の製作、修理及び修正においても適用できる。
In the embodiment, the torch moving mechanism is exemplified as three axes and the work movement mechanism is exemplified as two axes, but the present invention is not limited to this, and a multi-axis of five or more axes can be applied. Moreover, in embodiment, although TIG welding is illustrated to the utilization welding technique as the
トーチ移動機構14は、図1上でx軸方向に沿って配置された一対の門型フレーム22、22、一対の門型フレーム22、22に掛け渡されたxスライダ24、yスライダ26、及び溶加材トーチ12が垂直方向(鉛直方向)に取り付けられたzスライダ28等から構成される。
The
門型フレーム22、22はワーク動作機構18を跨ぐように所定の間隔をもって配置される。また、門型フレーム22の梁部には、x軸方向に沿って配置された送りねじ30と、NCコントローラ20からの制御信号により送りねじ30の回転数、及び回転速度を制御するサーボモータ32と、それぞれの梁部にはスライドガイド(図示せず)が設けられている。送りねじ30には、xスライダ24の両端部に設けられたナット部34、が螺合され、このナット部34、は門型フレーム22の梁部に形成されたx溝36、にスライド自在にガイドされるとともに回転止めされている。したがって、NCコントローラ20によってサーボモータ32、が駆動されると、送りねじ30、の送り作用によってxスライダ24がx軸方向に移動される。
The portal frames 22 and 22 are arranged at a predetermined interval so as to straddle the
xスライダ24には、送りねじ38がy軸方向に配設され、この送りねじ38には、NCコントローラ20からの制御信号により駆動されるサーボモータ40が連結されている。また、送りねじ38には、yスライダ26に形成されたナット部42が螺合され、このナット部42はxスライダ24に形成されたy溝44にスライド自在にガイドされるとともに回転止めされている。したがって、NCコントローラ20によってサーボモータ40が駆動されると、送りねじ38の送り作用によってyスライダ26がy軸方向に移動される。
A
yスライダ26には、送りねじ46がz軸方向に配設され、この送りねじ46には、NCコントローラ20からの制御信号により駆動されるサーボモータ48が連結されている。また、送りねじ46には、zスライダ28に形成されたナット部50が螺合される。また、zスライダ28は、yスライダ26に取り付けられた一対のzレール52、52(1本は不図示)にスライド自在にガイドされるとともに回転止めされている。
A
したがって、NCコントローラ20によってサーボモータ48が駆動されると、送りねじ46の送り作用によってzスライダ28がz軸方向に移動される。したがって、NCコントローラ20によってサーボモータ32、40、46を駆動制御すると、溶加材トーチ12は、その垂直姿勢を保ちつつ、xyz軸によって画成される三次元空間において、所望の軌跡に沿って所望の位置に移動される。
Accordingly, when the
なお、実施の形態では、xスライダ24、yスライダ26、zスライダ28の構成を送りねじとサーボーモータの組み合わせで例示したが、これに限定されるものではなく、サーボモータと駆動ベルト、歯車と駆動ベルト又はリニアーモータでも適用できる。また、実施の形態では、移動方向を直交するxyz軸方向として例示したが、これに限定されるものではなく、3次元空間において所望の軌跡を得られるのであれば、あらゆる方向に移動させてもよい。
In the embodiment, the configuration of the
また本実施例では、溶加材トーチ12を移動させる構成を例示したが、ファンネル用プランジャー16を移動させても良く、3次元空間において相対的に所望の軌跡を得られるのであれば、どちらを移動させてもよく、または両方を移動させてもよい。
In the present embodiment, the configuration in which the
溶加材トーチ12には、ワイヤリール(不図示)から溶加ワイヤ(溶加材)54が供給される。溶加材トーチ12は、溶接電源(不図示)から供給される電流、電圧を利用して、供給されてくる溶加ワイヤ54を溶融させる。溶融された溶加ワイヤ54は、溶滴となって造形中のファンネル用プランジャー16に向かって滴下する。この滴下した溶滴によって溶着ビードが形成され、この溶着ビードによってファンネル用プランジャー16が製作される。
A melt wire (melt material) 54 is supplied to the
ワーク動作機構18は、図2に示すように造形されるファンネル用プランジャー16が載置されるテーブル56と、このテーブル56を鉛直軸Aを中心に回転させる旋回部58と、テーブル56を鉛直軸Aに対して軸59を中心に傾斜させる傾斜部60とから構成される。これらの旋回部58及び傾斜部60を駆動するアクチュエータ(不図示)は、NCコントローラ20によって制御されている。なお、符号61は、回転部58及び傾斜部60を支持する基台である。
The
一方、溶加材トーチ12はトーチ動作機構62によって、鉛直軸Uを中心に回転されるとともに、鉛直軸Uに対して傾斜される。このトーチ動作機構62のアクチュエータ(不図示)は、NCコントローラ20によって制御されている。
On the other hand, the
したがって、実施の形態の造形装置10によれば、溶加材トーチ12の三次元空間における位置や溶加材トーチ12の回転、傾斜動作、及びファンネル用プランジャー16の回転、傾斜動作は、NCコントローラ20によって制御される。
Therefore, according to the
次に、前記の如く構成された造形装置10の作用について説明する。
Next, the operation of the
まず、NCコントローラ20には、CAD/CAMシステムから与えられたファンネル用プランジャー16のNCプログラムデータがあらかじめ入力されている。そして、NCコントローラ20は、そのNCデータに基づき、図2の如く、溶融した溶加ワイヤ54の溶滴55が溶着する造形中のファンネル用プランジャー16の溶着される面17が常に略水平となり、且つ溶加材トーチ12と溶着される面17とが所定の距離を保持するように、トーチ移動機構14とワーク動作機構18を制御して溶着ビード64を形成する。
First, NC program data of the
このように、溶滴55が溶着する造形中のファンネル用プランジャー16の溶着される面17が常に略水平となるように、且つ溶加材トーチ12と溶着される面17とが所定の距離を保持するように制御することにより、図3の如く溶滴55によって新たな溶着ビード64を形成する際に、溶着される面17、例えば既に形成された溶着ビード64は溶加材トーチ12の所望の位置、例えば真下に常に位置する。これにより、新たな溶着ビードを所望の位置、例えば既に形成された溶着ビード64の上に確実に形成することができる。
In this way, the
したがって、特にファンネル用プランジャー16のような複雑な三次元自由形状を有する造形物等を良好に製作等することができる。また、この造形装置10により、形成された溶着ビード64、64…の肉厚が所望の分布となるので、機械加工が短時間で済む。
Therefore, it is possible to satisfactorily produce a modeled object having a complicated three-dimensional free shape such as the
更に、溶着の電流値、電圧値と溶加材トーチ12の送り速度をNCコントローラ20によって制御することにより、溶着ビード64の太さや表面の滑らかさを可変できるので、作成する造形物等の造形位置に応じて前記、電流値、電圧値と前記送り速度を制御することが好ましい。例えば、電流値を上げて送り速度を遅くすれば、太い溶着ビード64を形成することができる。また、NCコントローラ20によって、被造形物等の表面温度を制御することにより、より安定した溶着ビードを得ることができる。
Further, the thickness and surface smoothness of the
一方、防錆の必要な造形物等の場合には、下層を鉄で造成し、上層(表層)をステンレスで造成することにより、全てステンレスで製作された造形物等と比較して、溶加材にかかるコストを削減できる。なお、溶加材としては金属に限定されず、ガラス、樹脂、セラミック及びこれら物質の混合材でも適用できる。 On the other hand, in the case of a model that requires rust prevention, the lower layer is made of iron, and the upper layer (surface layer) is made of stainless steel. Costs for materials can be reduced. Note that the filler material is not limited to metal, and glass, resin, ceramic, and a mixture of these substances can also be applied.
ところで、溶加材トーチ12の進行方向に応じて、溶着のアーク力により溶加ワイヤ54が微振動する現象が生じ、この現象により溶着ビード64の肉厚が不均一になるという不具合が生じる。
By the way, the phenomenon that the
そこで、実施の形態の造形装置10は、上記不具合を防止するために、トーチ動作機構62によって溶加材トーチ12を、鉛直軸(溶加材トーチ12の中心軸)Uを中心とする回転方向及び傾斜方向の角度を、溶加材トーチ12の進行方向に応じて、ファンネル用プランジャー16の溶着される面17に対して変更しながら溶着ビード64を形成する。すなわち、溶加ワイヤ54の振動を軽減させることができる、経験的に得られた傾斜角及び回転方向位置に溶加材トーチ12を制御しながら溶着ビード64の形成を行う。これにより、溶滴55を所望の溶着される面17に、特に既に形成された溶着ビード64上に安定的に滴下させることができるので、形成された溶着ビード64、64…の肉厚を所望の厚さにできる。
Therefore, in the
次に、ファンネル用プランジャー16を製作する場合のファンネル用プランジャー16に対する溶加材トーチ12の相対的な移動軌跡の一例について説明する。
Next, an example of the relative movement locus of the
図4には、ファンネル用プランジャー16を製作する場合の溶加材トーチ12の移動軌跡66の一例が実線で示されている。図4に示す移動軌跡66よれば、ファンネル用プランジャー16の形状データを所定の幅を有する螺旋状に沿った積層体に分割し、溶加材トーチ12をその積層体の幅方向に移動させるとともに螺旋状に沿って移動させながらファンネル用プランジャー16を製作することが示されている。すなわち、このようなファンネル用プランジャー16を製作する場合、その短軸方向及び長軸方向の幅は狭く、対角軸方向の幅は広い螺旋状の積層体データを作成し、溶加材トーチ12を積層体の幅方向に移動させるとともに螺旋状に沿って移動させながらファンネル用プランジャー16を製作することが好ましい。これにより、溶加材トーチ12を一筆書きの如く移動させて連続してファンネル用プランジャー16を製作することができる。
In FIG. 4, an example of the movement locus 66 of the
溶着欠陥は溶着開始、終了時の溶着条件の変化により発生することが多く、一挙に溶着することは、そのリスク機会を大幅に減らすことができる。例えば、ファンネル用プランジャー16の場合、起点68と終点70で欠陥発生リスクは2ヶ所であるが、特許文献1の如く、一定幅の積層体ごとに起点と終点を有する製造方法では、起点、終点の数は積層体の分割数の2倍となるので、溶着の欠陥発生リスクは一筆書き移動の数倍となる。したがって、安定した自動化のためには、一筆書き移動の如く継続条件で一挙に溶着を済ませた方が有利である。また、一挙に全面が形成できるため、表面のつぎはぎがなくなり、切削加工が短時間でよい。
Welding defects often occur due to changes in welding conditions at the start and end of welding, and welding at once can greatly reduce the risk opportunity. For example, in the case of the
図5(A)、(B)には、実施の形態の造形装置10を使用して、ファンネル用プランジャー16を溶着ビード64によって修理している状態が示されている。この場合も、溶融した溶加ワイヤ54の溶滴55が滴下してファンネル用プランジャー16の溶着される面17(被形成物の面)が常に略水平となり、且つ溶加材トーチ12と溶着される面17とが一定の距離を保持するように、トーチ移動機構14とワーク動作機構18(図2参照)を制御して溶着ビード64をファンネル用プランジャー16に形成する。
5A and 5B show a state in which the
図5(C)は、実施の形態の造形装置10を使用して、ファンネル用ボトム金型72を溶着ビード64によって修理している状態が示されている。この場合も、溶融した溶加ワイヤ54の溶滴55が滴下してファンネル用ボトム金型72の溶着される面17(被形成物の面)が常に略水平となり、且つ溶加材トーチ12と溶着される面17とが一定の距離を保持するように、トーチ移動機構14とワーク動作機構18(図2参照)を制御して溶着ビード64をファンネル用ボトム金型72に形成する。
FIG. 5C shows a state in which the
10…造形装置(NC加工機)、12…溶加材トーチ、14…トーチ移動機構、16…ファンネル用プランジャー、17…溶着される面、18…ワーク動作機構、20…NCコントローラ、22…門型フレーム、24…xスライダ、26…yスライダ、28…zスライダ、30…送りねじ、32…サーボモータ、34…ナット部、36…x溝、38…送りねじ、40…サーボモータ、42…ナット部、44…y溝、46…送りねじ、48…サーボモータ、50…ナット部、52…zレール、54…溶加ワイヤ(溶加材)、55…溶滴、56…テーブル、58…旋回部、60…傾斜部、62…トーチ動作機構、64…溶着ビード、66…起点、68…終点、72…ファンネル用ボトム金型
DESCRIPTION OF
Claims (15)
NC制御によって、溶融した溶加材の溶滴が滴下して被形成体または被造形物の溶着される面が常に所定角度とされ、且つ溶加材トーチと前記溶着される面とが所定の距離を保持するように、前記被形成体または被造形物及び前記溶加材トーチを移動させながら溶着ビードを形成することを特徴とする溶融材料による造形方法。 In a modeling method with a molten material for producing a three-dimensional free-form modeled object by forming a weld bead on the object or modeled object,
By NC control, a melted droplet of molten material is dripped so that the surface to be formed or the object to be welded is always set at a predetermined angle, and the filler material torch and the surface to be welded are predetermined. A forming method using a molten material, wherein a welding bead is formed while moving the object or object to be formed and the filler material torch so as to maintain a distance.
前記溶加材トーチと前記被形成体または被造形物とを相対的に直交する3軸方向に移動させるトーチの移動機構および/またはワーク移動機構と、前記トーチを前記トーチの中心軸を中心とする回転方向及び傾斜方向に動作させるトーチ回転機構及びトーチ傾斜機構と、前記被形成体または被造形物を回転方向及び傾斜方向に動作させるワーク動作機構と、溶加材を所定量供給する溶加材供給装置と、溶融した溶加材の溶滴が滴下して前記被形成体または被造形物の溶着される面が常に所定角度となり、且つ溶加材トーチと前記溶着される面とが所定の距離を保持するように、前記被形成体または被造形物及び前記溶加材トーチを制御するNC制御部と、を有することを特徴とする溶融材料による造形装置。 In a modeling apparatus with a molten material that produces a three-dimensional free-form modeled object by forming a weld bead on the object or modeled object,
A torch moving mechanism and / or a workpiece moving mechanism for moving the filler material torch and the object to be formed or the object to be formed in three orthogonal directions, and the torch centered on the central axis of the torch A torch rotating mechanism and a torch tilting mechanism that operate in a rotating direction and a tilting direction, a workpiece operating mechanism that operates the object or object to be formed in a rotating direction and a tilting direction, and a melt that supplies a predetermined amount of filler material The surface of the material supply device, the melted molten material droplets dripping and the surface of the object to be formed or the object to be welded is always at a predetermined angle, and the filler material torch and the surface to be welded are predetermined And a NC control unit for controlling the object to be formed or the object to be formed and the filler material torch so as to maintain the distance of the object.
前記溶加材トーチを直交する3軸方向に移動させるトーチの移動機構と、前記トーチを前記トーチの中心軸を中心とする回転方向及び傾斜方向に動作させるトーチ回転機構及びトーチ傾斜機構と、前記被形成体または被造形物を回転方向及び傾斜方向に動作させるワーク動作機構と、溶加材を所定量供給する溶加材供給装置と、溶融した溶加材の溶滴が滴下して前記被形成体または被造形物の溶着される面が常に所定角度となり、且つ溶加材トーチと前記溶着される面とが所定の距離を保持するように、前記被形成体または被造形物及び前記溶加材トーチを制御するNC制御部と、を有することを特徴とする溶融材料による造形装置。 In a modeling apparatus with a molten material that produces a three-dimensional free-form modeled object by forming a weld bead on the object or modeled object,
A torch moving mechanism for moving the filler material torch in three orthogonal directions, a torch rotating mechanism and a torch tilting mechanism for operating the torch in a rotation direction and an inclination direction around the central axis of the torch, and A workpiece movement mechanism that moves the object or the object to be formed in the rotation direction and the inclination direction, a filler material supply device that supplies a predetermined amount of the filler material, and molten droplets of the molten filler material that drip and drop the above-mentioned object. The surface to be welded of the formed body or the object to be formed is always at a predetermined angle, and the object to be formed or the object to be formed and the object to be welded are held so that the filler material torch and the surface to be welded maintain a predetermined distance. An apparatus for forming a molten material, comprising: an NC control unit that controls a material torch.
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