JP2017144446A - 金属３ｄプリンタ及び金属３ｄプリンタを用いた造形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ベースプレート上にアーク溶接で造形物を造形する金属３Ｄプリンタにおいて、ベースプレートの変形を剛性プレートで矯正して２次加工が正確に行えるようにする。
【解決手段】造形水槽６内にある造形テーブル１２の上に着脱可能に設置した基台１５の上面に、溶材２７を溶接トーチで溶解して積層することにより造形物１８を造形する金属３Ｄプリンタ６０において、造形テーブル１２と基台１５の間に、スペーサ１６によって造形テーブル１２と基台１５とそれぞれ離間させた剛性プレート１７を、造形テーブル１２と基台１５に対して着脱可能に設け、剛性プレート１７は、基台１５の上に造形物１８を造形する際には、造形水槽６内に供給した冷却媒体ＣＷで水没させ、造形後は剛性プレート１７ごと２次加工を行うことにより、造形物の２次加工が正確に行える金属３Ｄプリンタ６０である。
【選択図】図１４

Description

本出願は、金属製のワイヤ状の溶材（以後、溶接ワイヤと記す）をアーク放電によって溶融し、これを造形テーブルの上に積層することによって造形を行う金属３Ｄプリンタ及び金属３Ｄプリンタを用いた造形方法に関する。

従来、コンピュータで作った３次元データを設計図として、造形物の断面形状を積層することで３次元造形物を造形する３次元プリンタ（以後３Ｄプリンタと記す）が普及している。樹脂を使用する３Ｄプリンタでは、造形テーブルの上に液状の樹脂を塗布し、紫外線を照射して硬化させた層を、何層にも渡って積み重ねることで３次元造形物を造形する光造形方式や、熱で溶融した樹脂を少量ずつ積み重ねる熱溶融積層方式が採用されている。また、樹脂を使用する３Ｄプリンタには、粉末の樹脂を１層ずつ撒き、その上に接着剤を吹き付けて固めることによって３次元造形物を造形する粉末固着方式を採用したものもある。

更に、３Ｄプリンタの中には、金属製の３次元造形物を造形する金属３Ｄプリンタもある。金属３Ｄプリンタでは、造形テーブルの上に金属粉末を数十ミクロンの厚さで敷き詰めた後に、レーザー光を照射して焼結することによって１層分を形成し、これを繰り返すことによって金属造形物の造形を行っている。しかし、金属粉末は樹脂等と比べてかなり高価であるので、金属３Ｄプリンタで造形した金属製の３次元造形物は高価になり、また、この方式の３Ｄプリンタ自体も高価である。この点が金属３Ｄプリンタの普及の妨げになっていた。

一方、近年、それほどの精度の必要のない金属製の３次元造形物を造形する金属３Ｄプリンタとして、アーク溶接を利用した金属溶融積層方式の金属３Ｄプリンタがある。このような金属溶融積層方式の金属３Ｄプリンタは、例えば、特許文献１、２に提案されていると共に、その製品も実用化されている（非特許文献１参照）。金属溶融積層方式の金属３Ｄプリンタは、溶接ワイヤの先端でアーク放電を行って溶接ワイヤを溶融し、これを造形テーブルの上に積層することによって金属製の３次元造形物を造形するものである。

ここで、本出願が対象とするアーク溶接を利用した金属溶融積層方式の金属３Ｄプリンタについて説明する。図１は、アーク溶接を利用した金属溶融積層方式の金属３Ｄプリンタ５０の全体構成を示すものである。金属３Ｄプリンタ５０の本体５１の上面５２には、制御ユニット１及び造形を行う造形水槽６が設けられている。ここで、本体５１の横方向をＸ軸方向、奥行方向をＹ軸方向、高さ方向をＺ軸方向とする。造形水槽６の周囲には、溶接トーチ５をＸ軸方向に移動させるＸ軸アクチュエータ２、Ｙ軸方向に移動させるＹ軸アクチュエータ４及びＺ軸方向に移動させるＺ軸アクチュエータ３が設けられている。造形を行う溶接トーチ５はＹ軸アクチュエータ４に取り付けられている。

金属３Ｄプリンタ５０の本体５１の隣りには、溶接トーチ５に溶接ワイヤを供給するワイヤ供給装置７、溶接トーチ５にシールドガスを供給するシールドガスボンベ８及び溶接トーチ５に電源を供給する溶接機電源９が設けられている。また、本体５１の内部には、造形時に造形水槽６内に冷却媒体を供給する冷却媒体貯蔵タンク１０が設けられている。

図２（ａ）は、図１に示した金属３Ｄプリンタ５０の造形処理部４５の構造を説明するものである。溶接トーチ５の先端部は造形水槽６の中にある。造形水槽６の中の、溶接トーチ５の先端部に対向する位置には造形テーブル１２が造形台として設けられている。造形テーブル１２は、θ軸１３によって造形水槽６の内部で垂直方向に回転できる。

θ軸１３は、図２（ｂ）に示すように、造形水槽６の両側で回転支持されている。θ軸１３は、造形水槽６の外部に設けられたθ軸駆動モータ１３Ｍで回転駆動される。θ軸１３を回転させると、造形テーブル１２をθ軸１３の回りに回転させることができ、造形テーブル１２の傾きを変更できる。θ軸１３により、造形テーブル１２の上面を垂直にすることができる。

図３（ａ）は、図１に示した金属３Ｄプリンタ５０のシステム構成を示すものである。溶接トーチ５にはワイヤ供給装置７から溶接ワイヤ２７が供給され、シールドガスボンベ８からシールドガスが供給され、溶接機電源９から電源が供給されており、溶接トーチ５は、溶接ワイヤ２７の先端からのアーク放電によって溶接ワイヤ２７を溶融する。造形水槽６の内部にある造形テーブル１２の上には、ベースプレート１５が基台として設けられている。ベースプレート１５は、図３（ｃ）に示すように、スペーサ１６によって造形テーブル１２から離間された状態で、造形テーブル１２の上に着脱可能に固定されている。図３（ｃ）にはスペーサ１６を挿通させた固定具２６でベースプレート１５が造形テーブル１２の上に着脱可能に固定されている例が示されているが、スペーサ１６は固定具で固定する必要はない。

ベースプレート１５は、溶接材料と溶接可能な板材である。造形テーブル１２とベースプレート１５とを離間させる理由は、造形テーブル１２とベースプレート１５の間に冷却媒体ＣＷを通すためである。溶接トーチ５は、ベースプレート１５の上に溶融した溶接ワイヤを積層して造形物を造形する。図３（ｂ）は、図３（ａ）に示した造形水槽６内に配置された造形テーブル１２とベースプレート１５を示すものである。

溶接トーチ５がベースプレート１５の上に溶融した溶接ワイヤ２７を積層して造形物を造形する際には、積層中の造形物が冷却媒体ＣＷで冷却される。冷却媒体ＣＷは冷却媒体貯蔵タンク１０に貯蔵されており、冷却ユニット３２によって冷却されている。冷却媒体貯蔵タンク１０の内部の冷却媒体ＣＷはポンプ３０でくみ上げられ、流量制御弁３１で流量を調節されて造形水槽６に供給される。また、造形水槽６の中で造形物を冷却して温度が高くなった冷却媒体ＣＷはポンプ３０’で吸い出され、流量制御弁３１’で流量を調節されて冷却媒体貯蔵タンク１０に戻る。溶接トーチ５によってベースプレート１５の上に造形を行う前は、図３（ｃ）に示すように、造形水槽６内の液面ＷＬの高さは、ポンプ３０，３０’と流量制御弁３１，３１’により、ベースプレート１５の下面より高く、上面より低い位置に調整されている。

溶接トーチ５からベースプレート１５に対してアーク放電を行い、溶接トーチ５から供給される溶接ワイヤ２７を溶融、凝固させることでベースプレート１５の上に溶融した溶接ワイヤ２７を積層して造形物を造形する。積層させた部分は溶接ビードと呼ばれる。ベースプレート１５の上に溶融金属が積層される毎に、造形水槽６の内部に冷却媒体ＣＷがポンプ３０を通じて供給され、積層された金属を冷却する。

図４は、図３（ｃ）に示したベースプレート１５の上に、溶接トーチ５と溶接ワイヤ２７によって造形物１８が造形されていく様子を示すものである。造形中、冷却媒体ＣＷの液面ＷＬは、造形物１８の溶接面ＷＳに対して、一定の距離Ｈだけ低くなるように流量制御弁３１，３１’によって制御される。図５は、図３（ａ）に示した金属３Ｄプリンタ５０の造形水槽６における造形が終了した状態を示すものであり、ベースプレート１５の上に、造形が終了した造形物１８が出来上がっている。ベースプレート１５の上に造形物１８が出来上がり、温度が下がると冷却媒体ＣＷは冷却媒体貯蔵タンク１０に戻される。

造形が完了した造形物１８は、２次加工を行うために、図６（ａ）、（ｂ）に示すように金属３Ｄプリンタ５０の造形水槽６からベースプレート１５と共に取り出される。取り出されたベースプレート１５は、図示を省略した切削加工機（２次加工機）に取り付けられ、図６（ｃ）に示すように、切削工具１９で造形物１８の表面が切削加工される。図６（ｄ）、（ｅ）はベースプレート１５の上の造形物１８の切削加工が終了した状態を示している。切削加工が終了した造形物１８はベースプレート１５の上からワイヤカット等で切り取られ、図６（ｆ）に示すような完成品の造形物１８Ｐとなる。

特開２０００−１５３６３号公報 特開２０１１−８３７７８号公報

「武藤工業株式会社 製品情報 MA5000−S1」、[online］、[平成２７年１２月１６日検索]、インターネット＜URL:https://www.mutoh.co.jp/products/3d/ark/index.html＞

ところが、アーク溶接を利用した金属溶融積層方式の金属３Ｄプリンタでは、造形テーブルの上にベースプレートを取り付け、ベースプレート上に造形物を形成するが、ベースプレートがアーク溶接の熱歪により大きく変形するという課題があった。そして、ベースプレートが熱変形した状態では、ベースプレート上に形成した造形物の表面を切削加工して精度を確保する２次加工が困難で、２次加工に時間がかかる問題があった。この課題を図７から図９を用いて説明する。

図７（ａ）は、造形水槽（図示省略）内の造形テーブル１２にベースプレート１５が取り付けられた状態を示している。この状態では、ベースプレート１５は図８（ａ）、（ｂ）に示すように平坦である。図７（ｂ）は、図７（ａ）に示したベースプレート１５の上にアーク溶接により造形物１８が形成された状態を示している。この状態では、ベースプレート１５は固定具２６で造形テーブル１２の上に固定されているので、アーク溶接による熱で歪んでもその歪は固定具２６で矯正されている。

図７（ｃ）は、造形テーブル１２から取り外したベースプレート１５と造形物１８を示すものである。ベースプレート１５は、固定具２６による矯正が無くなったので、造形物１８の造形中に受けた熱歪で変形する。ベースプレート１５が熱歪で変形すると、例えば、図８（ｃ）、及び（ｄ）に示すように、ベースプレート１５の四隅にある取付孔１５Ｈの部分が反り返り、全体として下に突の形状に湾曲変形する。

図７（ｄ）は、図７（ｃ）に示したベースプレート１５の左側の取付孔１５Ｈの中心線を基準線ＲＬに合わせた状態を示すものである。基準線ＲＬは、図示を省略した切削加工機に造形物１８が形成されたベースプレート１５を取り付ける時の基準となる線である。図７（ｅ）は、図７（ｄ）に示した変形した状態のベースプレート１５と造形物１８と、破線で示す変形のない正常な状態のベースプレート１５’と造形物１８とを、同じ基準線ＲＬに合わせて比較した状態を示すものである。ベースプレート１５の歪は３〜１０ｍｍ程度の変形として表れる。このように、造形物１８が造形されたベースプレート１５が歪んで変形すると、２次加工に影響が出る。これを図９を用いて説明する。

図９（ａ）は、図示を省略したベースプレートの上に造形された、別の形状の造形物２１の一例を示すものであり、２次加工を行う前の状態を示している。ベースプレートに歪が無い場合、図示を省略した切削加工機に正常なベースプレートを取り付けると、造形物２１の２次加工位置２２は、破線で示すように造形物２１の外形の内側に収まり、造形物２１の外にはみ出ることはない。よって、造形物２１に対して２次加工を行うと、造形後の造形物２１の切削加工が正常に行われ、２次加工後の造形物は図９（ｃ）に示す状態になる。

一方、ベースプレートに歪が有る場合、図示を省略した切削加工機に歪んだ状態のベースプレートを取り付けると、造形物２１の２次加工位置２２は、図９（ｄ）に破線で示すように、造形物２１の外形の内側に収まらず、造形物２１の外にはみ出る部分が生じる。この理由は、切削加工機テーブルに対して造形物が垂直になるようにベースプレートを固定することができないためと、歪が大きく、ベースプレートの固定具の締め位置にずれが生じるためである。この状態で、造形物２１に対して２次加工を行うと、造形後の造形物２１の切削加工が正常に行われず、２次加工後の造形物は、図９（ｅ）に示すように、いびつな形状となる。これを防止するために、固定具を浮かせて固定する（ばね座金で嵩上げする）と、加工時の振動で固定具が緩み、原点位置（基準位置）が毎回ずれるという問題が生じる。また、ベースプレートの歪みを考慮し、削り代が大きくなるように造形すると、材料の使用量が多くなってしまう。

１つの側面では、本出願は、アーク溶接を行ってベースプレート上に造形を行っても、ベースプレートの上に造形された造形物の２次加工を、正確に行うことができる金属３Ｄプリンタ及び金属３Ｄプリンタを用いた造形方法を提供することを目的とする。

１つの形態によれば、造形水槽内にある造形台の上に着脱可能に設置した基台の上面に、溶材を溶接トーチで溶融して積層することにより造形物を造形する金属３Ｄプリンタであって、造形台と基台の間に、外部応力に対する剛性を有する剛性プレートが配置されており、剛性プレートと造形台の間は、スペーサによって離間された状態で着脱可能に固定されており、剛性プレートと基台の間は、スペーサによって離間された状態で着脱可能に固定されており、剛性プレートは、基台の上に造形物を造形する際には、造形水槽内に供給した冷却媒体に一部または全体が接することを特徴とする金属３Ｄプリンタが提供される。

他の形態によれば、造形水槽内にある造形台の上に着脱可能に設置した基台の上面に、溶材を溶接トーチで溶融して積層することにより造形物を造形し、造形後の造形物は、造形水槽内から基台ごと取り出して２次加工機に取り付け、２次加工して造形物を造形する金属３Ｄプリンタを用いた造形方法において、造形台の上に、外部応力に対する剛性を有する剛性プレートを、スペーサによって造形台から離間した状態で着脱可能に固定し、剛性プレートの上に、基台を、スペーサによって剛性プレートから離間した状態で着脱可能に固定し、基台の上に造形物を造形する際には、造形水槽内に冷却媒体を供給して、剛性プレートの一部または全体が冷却媒体に接するようにし、造形後の造形物は、造形水槽内から剛性プレートごと取り出し、剛性プレートを２次加工機に取り付け、２次加工して造形物を造形することを特徴とする金属３Ｄプリンタを用いた造形方法が提供される。

開示の金属３Ｄプリンタ及び金属３Ｄプリンタを用いた造形方法によれば、ベースプレート上に造形を行っても、ベースプレートの変形を矯正する剛性プレートにより、ベースプレートの上に造形された造形物の２次加工を正確に行うことができるという効果がある。

アーク溶接を利用した金属溶融積層方式の金属３Ｄプリンタの全体構成を示す斜視図である。 （ａ）は、図１に示した金属３Ｄプリンタの造形部の構造を説明する部分斜視図、（ｂ）は、（ａ）に示した造形部のθ軸を駆動するθ軸駆動モータ位置を示す部分斜視図である。 （ａ）は、図１に示した金属３Ｄプリンタのシステム構成図、（ｂ）は（ａ）に示した造形水槽内に配置する造形テーブル上にベースプレートが設置された状態を示す部分斜視図、（ｃ）は、（ａ）に示した造形テーブルとベースプレートの部分拡大側面図である。 図３（ｃ）に示したベースプレート上に溶接トーチと溶接ワイヤによって造形物が造形されていく様子を示す部分側面図である。 図３（ａ）に示した金属３Ｄプリンタの造形水槽内に造形する造形物の造形が終了した状態を示すシステム構成図である。 （ａ）は、図５に示した金属３Ｄプリンタの造形水槽内の造形テーブルから造形物が形成されたベースプレートを取り出した状態の斜視図、（ｂ）は、（ａ）の側面図、（ｃ）は、（ａ）に示したベースプレートを切削加工機に取り付けて切削工具で切削加工する状態を示す側面図、（ｄ）は、（ａ）に示した造形物の切削加工後を示す斜視図、（ｅ）は、（ｄ）の側面図、（ｆ）は、ベースプレートから切り取られた完成品の造形物を示す斜視図である。 （ａ）は、造形水槽内の造形テーブルにベースプレートが取り付けられた状態を示す側面図、（ｂ）は、造形水槽内のベースプレートの上にアーク溶接により造形物が形成された状態を示す側面図、（ｃ）は、（ｂ）に示したベースプレートを造形テーブルから取り外した状態を示す側面図、（ｄ）は、（ｃ）に示したベースプレートの左側の取付孔の中心線を基準線に合わせた状態を示す側面図、（ｅ）は、（ｄ）に示した状態のベースプレートと造形物を、正常な状態のベースプレートと造形物と比較して示す側面図である。 （ａ）は、正常な状態のベースプレートの斜視図、（ｂ）は、（ａ）の側面図、（ｃ）は、熱歪により変形した状態のベースプレートの斜視図、（ｄ）は、（ｃ）の側面図である。 （ａ）は、２次加工を行う前の造形物の一例の斜視図、（ｂ）は、（ａ）に示した造形物が、正常な状態のベースプレートに取り付けられて切削加工機テーブルに設置された時の、原点位置に対する２次加工位置を示す平面図、（ｃ）は、（ｂ）に示した造形物の２次加工後の平面図、（ｄ）は、（ａ）に示した造形物が、熱歪により変形した状態のベースプレートに取り付けられて切削加工機テーブルに設置された時の、原点位置に対する２次加工位置を示す平面図、（ｅ）は、（ｄ）に示した２次加工位置で加工された造形物の、２次加工後の平面図である。 （ａ）は、本出願の一実施例の金属３Ｄプリンタのシステム構成図、（ｂ）は、（ａ）に示した造形テーブル、剛性プレート及びベースプレートの部分拡大側面図である。 （ａ）は、造形テーブルの上に剛性プレートを取り付け、その上にベースプレートを取り付ける工程を示す分解斜視図、（ｂ）は、（ａ）の工程によって造形テーブルの上に組み立てられた剛性プレートとベースプレートの構造体を示す斜視図、（ｃ）は、（ｂ）の側面図である。 （ａ）は、図１１に示した造形テーブルと剛性プレート及び剛性プレートとベースプレートの間に挿入されるスペーサの一例の斜視図、（ｂ）は、（ａ）に示したスペーサが剛性プレートとベースプレートの間に挿入された状態を示す剛性プレートとベースプレートの平面図である。 （ａ）は図１０（ａ）に示した金属３Ｄプリンタの造形処理部の構造を説明する部分斜視図、（ｂ）は、図１０（ｂ）に示したベースプレート上に溶接トーチと溶接ワイヤによって造形物が造形されていく様子を示す部分側面図、（ｃ）は、（ｂ）に示したベースプレートの下側に設けられてベースプレートを垂直方向に回転させるθ軸と、水平方向に回転させるΦ軸を示す側面図である。 図１０（ａ）に示した金属３Ｄプリンタのベースプレートの上に造形物が形成された状態を示す金属３Ｄプリンタのシステム構成図である。 （ａ）は、図１４に示した造形水槽の中から造形物を、ベースプレート及び剛性プレートと共に取り出した状態を示す側面図、（ｂ）は、（ａ）に示した剛性プレートを切削加工機のテーブルに設置し、切削工具で表面を削る切削加工工程を示す側面図、（ｃ）は、（ｂ）に示した切削加工工程が終了した状態を示す側面図である。 （ａ）は、図１５（ｃ）に示した切削加工機から剛性プレートを取り外して、剛性プレートを造形水槽内で再び造形テーブルに固定し、その後造形テーブルを、溶接面が溶接トーチと対向するように回転させた状態を示す側面図、（ｂ）は、（ａ）に示した状態の造形物の外周面に溶接トーチと溶接ワイヤを用いて付加造形を行う工程を示す側面図、（ｃ）は、ベースプレート上に形成された付加造形部を備える造形物の斜視図である。 （ａ）から（ｋ）は、本出願の金属３Ｄプリンタに使用できる剛性プレートの実施例を示すものであり、（ａ）から（ｃ）は、剛性プレートが矩形状の平板である場合の斜視図、平面図及び側面図、（ｄ）は（ａ）から（ｃ）に示した剛性プレートの裏面側に平行な突条が形成された実施例を示す斜視図、（ｅ）は、（ｄ）の裏面側を上にしてみた斜視図、（ｆ）及び（ｇ）は、剛性プレートが円盤状である場合の斜視図及び平面図、（ｈ）は、（ｆ）及び（ｇ）に示した剛性プレートの裏面側に平行な突条が形成された実施例を示す斜視図、（ｉ）は、（ｈ）の平行な突条が形成された裏面側を上にしてみた斜視図、（ｊ）は、（ａ）から（ｃ）に示した剛性プレートの裏面側にリブが形成された実施例を示す斜視図、（ｋ）は、（ｊ）のリブが形成された裏面側を上にしてみた斜視図である。

以下、添付図面を用いて本出願の実施の形態を、具体的な実施例に基づいて詳細に説明する。なお、本出願の金属３Ｄプリンタにおいて、図１から図９を用いて説明した比較技術の金属３Ｄプリンタ５０と同じ構成部材には、同じ符号を付してその説明を省略、或いは簡略化する。

図１０（ａ）は、本出願の一実施例の金属３Ｄプリンタ６０を示しており、図３（ａ）で説明した金属３Ｄプリンタ５０と同様に、造形処理部６５、アーク溶接装置ＡＲＫ，及び造形水槽６の冷却装置ＣＭとを備える。アーク溶接装置ＡＲＫは、溶接トーチ５、ワイヤ供給装置７、シールドガスボンベ８及び溶接機電源９を備える。また、冷却装置ＣＭは、冷却ユニット３２によって冷却される冷却媒体貯蔵タンク１０内の冷却媒体ＣＷを造形水槽６に供給するポンプ３０と流量制御弁３１及び造形水槽６の冷却媒体ＣＷを排出するポンプ３０‘と流量制御弁３１’を備える。造形処理部６５については後述する。

図３（ａ）に示した金属３Ｄプリンタ５０では、造形水槽６の内部にある造形テーブル１２の上には、スペーサ１６で造形テーブル１２から離間された状態で、ベースプレート１５が設けられているだけであった。一方、本出願の金属３Ｄプリンタ６０では、造形テーブル１２の上に剛性プレート１７が配置され、剛性プレート１７の上にベースプレート１５が配置されている。剛性プレート１７は、配置されたベースプレート１５の熱歪により生じる応力に対して、変形が極僅かになるような剛性を備える形状の導体板である。ベースプレート１５の上にアーク溶接装置ＡＲＫにより、溶融した溶接ワイヤ２７が積層されて造形物が造形される点は同じである。

図１１（ａ）は、造形テーブル１２の上にスペーサ１６を置いて固定具２６で剛性プレート１７を取り付け、剛性プレート１７の上にスペーサ１６を置いて固定具２６でベースプレート１５を取り付ける工程を示すものである。図１１（ａ）に示した工程により、図１１（ｂ）及び図１１（ｃ）に示すような造形部４０が組み立てられる。

図１０（ｂ）は、図１０（ａ）に示した造形水槽６内に配置された造形テーブル１２、剛性プレート１７及びベースプレート１５と、冷却媒体ＣＷの液位の関係を示すものである。溶接トーチ５がベースプレート１５の上に、溶融した溶接ワイヤの積層を開始する前は、造形水槽６内の液面ＷＬの高さは、ポンプ３０，３０‘と流量制御弁３１，３１’により、ベースプレート１５の下面より高く、上面より低い位置に調整されている。従って、剛性プレート１７は、常に冷却媒体ＣＷの中に水没した状態にある。

図１２（ａ）は、図１１に示した造形テーブル１２と剛性プレート１７の間、及び剛性プレート１７とベースプレート１５の間に挿入されるスペーサ１６の一例を示すものである。本例のスペーサ１６は直方体をしており、真ん中に固定具２６の挿通孔１６Ｈが設けられている。スペーサ１６は金属で作ることができ、例えば、ウェディングナットを使用することができる。図１２（ｂ）は図１２（ａ）に示したスペーサ１６が、剛性プレート１７とベースプレート１５の間に挿入された状態を平面視したものであり、スペーサ１６の配置を示している。

図１３（ａ）は、図１０（ａ）に示した金属３Ｄプリンタ６０の造形処理部６５の構造を説明するものである。溶接トーチ５の先端部は造形水槽６の中にあり、先端部にはアーク光の直視を防ぐためのトーチカバー１１が取り付けられている。造形水槽６の中の、トーチカバー１１に対向する位置には図１１で説明した剛性プレート１７とベースプレート１５を備える造形テーブル１２があるが、ここでは、造形テーブル１２を回転させるφ軸１４を示すために、造形テーブル１２のみが示してある。造形テーブル１２は、θ軸１３によって造形水槽６の内部で垂直方向に回転できると共に、φ軸１４によって造形水槽６の内部で水平方向に回転できる。

図１３（ｂ）は、図１０（ｂ）に示したベースプレート１５の上に、造形処理部６５の溶接トーチ５と溶接ワイヤ２７によって造形物１８が造形されていく様子を示すものである。ベースプレート１５の上に、溶接トーチ５が溶接ワイヤ２７を溶融して積層する場合は、溶融した溶接ワイヤ２７がベースプレート１５の上に一層分積層される毎に、冷却媒体ＣＷの液位ＷＬが上昇し、積層された金属が冷却される。冷却媒体ＣＷの液面ＷＬは、造形物１８の溶接面ＷＳに対して、一定の距離Ｈだけ低くなるように、前述の冷却装置（図１０（ａ）参照）により制御される。

なお、ベースプレート１５の上に造形物１８を造形する場合は、図２で説明したＸ、Ｚ、Ｙ軸のアクチュエータ２、３、４による溶接トーチ５の移動に加えて、図１３（ｃ）に示すθ軸１３とφ軸１４により、ベースプレート１５を移動させることができる。例えば、ベースプレート１５の上に、円筒状の造形物１８を造形する場合は、Ｘ軸アクチュエータ２及びＹ軸アクチュエータ４で円を描くこともできるが、φ軸１４を回転させて円を描くこともできる。図１３（ｃ）には冷却媒体の図示は省略してある。

図１４は、図１０（ａ）に示した金属３Ｄプリンタ６０の造形水槽６における造形が終了した状態を示すものであり、ベースプレート１５の上に、造形が終了した造形物１８が出来上がっている。ここでは、例えば、円筒状の造形物１８がベースプレート１５の上に造形されているものとする。ベースプレート１５の上の造形が終了し、造形物１８の温度が下がると、冷却装置ＣＭのポンプ３０‘と流量制御弁３１’により、造形水槽６の内部の冷却媒体ＣＷが排出され、排出された冷却媒体ＣＷは冷却媒体貯蔵タンク１０に戻される。また、ベースプレート１５の上の造形が終了した時点で、溶接トーチ５は、図示を省略したアーク溶接装置ＡＲＫのＸ、Ｚ、Ｙ軸のアクチュエータにより、造形テーブル１２の上から退避している。

図１５（ａ）は、図１４に示した造形水槽６の中から造形物１８を、ベースプレート１５及び剛性プレート１７と共に取り出した状態を示すものである。造形水槽６の中から取り出した造形物１８は、図１５（ｂ）に示すように、剛性プレート１７ごと切削加工機のテーブル２８に設置し、切削工具１９で表面を削る切削加工（２次加工）を行う。剛性プレート１７は、ベースプレート１５の熱歪による応力に対して、変形が極僅かであるため、切削加工機のテーブル２８に正しく正確に装着できる。図１５（ｃ）は、図１５（ｂ）に示した切削工具１９による切削加工が終了した状態を示すものである。

最終造形物が図１５（ｃ）に示した円筒状である場合は、２次加工の後に、造形物１８をベースプレート１５の上から切り取れば良い。一方、最終造形物として、図１５（ｃ）に示した円筒状の造形物１８の側面に更に突起物を付加造形する必要がある場合は、造形物１８を剛性プレート１７とベースプレート１５と共に、再び造形テーブル１２に取り付けて固定する。ここで、付加加工について、図１６（ａ）から（ｃ）を用いて説明する。

図１６（ａ）は、図１５（ｃ）に示した切削加工機のテーブル２８から剛性プレート１７を取り外して、剛性プレート１７を造形水槽６内で再び造形テーブル１２に固定し、その後、造形テーブル１２をθ軸１３により、造形物１８の溶接面が図示を省略した溶接トーチと対向するように回転させた状態を示すものである。前述のように、剛性プレート１７は、ベースプレート１５の熱歪による応力に対して、変形が極僅かであるため、造形テーブル１２に前回同様正しく装着できる。また、造形物１８の造形中にベースプレート１５に熱歪が生じている場合でも、ベースプレート１５は固定具２６で剛性プレート１７に固定されており、歪が矯正されている。なお、図１６（ａ）には造形水槽の図示は省略してあるが、剛性プレート１７の造形テーブル１２への取り付け時は造形水槽内の冷却媒体は抜いてある。

図１６（ａ）に示した状態で、造形物１８の外周面に付加造形を行って突起物１８Ａを形成する場合は、造形水槽内に冷却媒体が供給される。図１６（ｂ）は、造形物１８の外周面に、溶接トーチ５と溶接ワイヤ２７を用いて付加造形を行って、外周面に突起物１８Ａを造形する状態を示すものである。この場合には、造形水槽（図示省略）内に、溶接面ＷＳより低い液面ＷＬで示す位置まで冷却媒体が供給されている。造形テーブル１２をθ軸１３により、造形物１８の溶接面が溶接トーチ５と対向するように回転させた状態で造形物１８の外周面に造形する突起物１８Ａは、φ軸１４を回転させて造形物１８を回転させることにより、造形物１８の外周面に複数箇所造形することができる。

造形物１８の外周面への突起物１８Ａの造形が終了した後は、突起物１８Ａの温度低下を待って造形水槽の中から冷却媒体を排水した後に、造形物１８をベースプレート１５及び剛性プレート１７と共に取り出す。そして、前述のように、剛性プレート１７ごと切削加工機のテーブルに設置し、切削工具で表面を削る切削加工（２次加工）を行う。図１６（ｃ）は、切削工具による切削加工が終了して、ベースプレート１５の上に、造形物１８の外周面に突起物１８Ａを備える最終造形物である完成品１８Ｐが造形された状態を示すものである。完成品１８Ｐは、ベースプレート１５の上から切り取れば良い。

以上のように、開示の金属３Ｄプリンタによれば、以下のような効果がある。
（１）剛性プレートは、ベースプレートの熱歪による応力に対して、変形が極僅かであるため、造形後のベースプレートを剛性プレートに取り付けたまま、造形テーブルや切削加工機テーブルへ取り付ける段取り作業が容易になる。
（２）剛性プレートの歪が小さいので、造形テーブルや切削加工機テーブルへそのまま取り付けることができ、造形物の原点測定の容易化、造形物の加工毎の位置ずれの微小化が図れる。また、造形物を垂直に保持する際の垂直度の精度向上、スペーサに取り付ける固定具の緩みの抑制ができる。

（３）歪みの小さい剛性プレートを基準とすることで、複数回造形作業の基準位置化が図れ、一度取り外して２次加工した造形物に対して高精度な付加造形が可能となる。
（４）原点の精度が向上するため、造形物の削り代と材料使用量の削減ができ、材料費用の抑制ができる。具体的には、剛性プレートを使用しない場合に比べて、削り代を１／２程度に減らすことができる。
（５）材料使用量が削減されるため、造形時間が短縮され、削り代が削減されるため、切削時間が短縮されるので、造形物の完成品を得るまでの時間が短縮できる。具体的には、外周半径１５ｍｍ、板厚２ｍｍ、高さ５０ｍｍの円筒状造形物を造る場合、造形に必要な材料、造形時間をそれぞれ１／３程度に削減できる。

ここで、開示の金属３Ｄプリンタに使用できる剛性プレートの実施例を説明する。図１７（ａ）から（ｃ）は、前述の実施例で使用した第１の実施例の剛性プレート１７を示すものであり、剛性プレート１７は、矩形状の平板である。図１７（ｄ）、（ｅ）は、第２の実施例の剛性プレート１７Ａを示すものであり、第１の実施例の剛性プレート１７の裏面側に突条２３が複数形成されて補強されたものである。図１７（ｆ）、（ｇ）は第３の実施例の剛性プレート２４を示すものであり、剛性プレート２４は円板状をしている。図１７（ｈ）、（ｉ）は、第４の実施例の剛性プレート２４Ａを示すものであり、第４の実施例の剛性プレート２４の裏面側に平行な突条２３が複数形成されて補強されたものである。図１７（ｊ）、（ｋ）は、第５の実施例の剛性プレート１７Ｂを示すものであり、図１（ａ）から（ｃ）に示した剛性プレート１７の裏面側にリブ２５が形成されて補強されたものである。剛性プレートにはいろいろな変形例が可能である。

また、ベースプレート１５も、図１７（ａ）から（ｃ）に示した平板形状に加えて、図１７（ｄ）から（ｋ）に示した形状にすることにより、熱歪による変形を抑制することができる。そして、冷却媒体としては、水を使用することができる。

１ 制御ユニット
２ Ｘ軸アクチュエータ
３ Ｚ軸アクチュエータ
４ Ｙ軸アクチュエータ
５ 溶接トーチ
６ 造形水槽
１０ 冷却媒体貯蔵タンク
１２ 造形テーブル
１３ θ軸
１４ φ軸
１５ ベースプレート
１６ スペーサ
１７，１７Ａ，１７Ｂ，２４，２４Ａ 剛性プレート
１８、２１ 造形物
１９ 切削工具
２７ 溶接ワイヤ
４０ 造形部
５０，６０ 金属３Ｄプリンタ
ＡＲＫ アーク溶接装置
ＣＭ 冷却装置
ＣＷ 冷却媒体
ＷＬ 液面
ＷＳ 溶接面

Claims (6)

1. 造形水槽内にある造形台の上に着脱可能に設置した基台の上面に、溶材を溶接トーチで溶融して積層することにより造形物を造形する金属３Ｄプリンタであって、
   前記造形台と前記基台の間に、外部応力に対する剛性を有する剛性プレートが配置されており、
   前記剛性プレートと前記造形台の間は、スペーサによって離間された状態で着脱可能に固定されており、
   前記剛性プレートと前記基台の間は、スペーサによって離間された状態で着脱可能に固定されており、
   前記剛性プレートは、前記基台の上に造形物を造形する際には、前記造形水槽内に供給した冷却媒体に一部または全体が接することを特徴とする金属３Ｄプリンタ。
2. 前記溶接トーチに、溶材として供給される溶接ワイヤを溶融するアーク溶接を用いることを特徴とする請求項１に記載の金属３Ｄプリンタ。
3. 前記基台の上に造形された造形物は、前記剛性プレートを前記造形台から取り外して２次加工機に取り付けることにより、２次加工が可能であることを特徴とする請求項１または２に記載の金属３Ｄプリンタ。
4. 前記溶接トーチは第１軸から第３軸の３軸によって３次元方向に移動可能であり、前記造形台は直交する第４軸と第５軸によって水平回転及び垂直回転が可能であり、
   前記第４軸と前記第５軸を回転させ、前記基台の上面に造形された造形物の外側の造形面を、前記溶接トーチに対向させて造形が可能である請求項１から３の何れか１項に記載の金属３Ｄプリンタ。
5. 造形水槽内にある造形台の上に着脱可能に設置した基台の上面に、溶材を溶接トーチで溶融して積層することにより造形物を造形し、造形後の前記造形物は、前記造形水槽内から前記基台ごと取り出して２次加工機に取り付け、２次加工して造形物を造形する金属３Ｄプリンタを用いた造形方法において、
   前記造形台の上に、外部応力に対する剛性を有する剛性プレートを、スペーサによって前記造形台から離間した状態で着脱可能に固定し、
   前記剛性プレートの上に、前記基台を、スペーサによって前記剛性プレートから離間した状態で着脱可能に固定し、
   前記基台の上に造形物を造形する際には、前記造形水槽内に冷却媒体を供給して、前記剛性プレートの一部または全体が前記冷却媒体に接するようにし、
   造形後の前記造形物は、前記造形水槽内から前記剛性プレートごと取り出し、
   前記剛性プレートを前記２次加工機に取り付けて２次加工を行い、
   ２次加工後の造形物を前記基台から切り取って造形物を造形することを特徴とする金属３Ｄプリンタを用いた造形方法。
6. 前記造形台が２軸によって水平回転及び垂直回転が可能な金属３Ｄプリンタを用いた造形方法であって、２次加工後の前記造形物の外面に付加造形を行う場合に、
   前記２次加工された後の前記造形物は、前記基台から切り取る前に、前記２次加工機から前記剛性プレートごと取り外し、
   取り外した前記剛性プレートは、再度前記造形台に取り付け、
   前記溶接トーチを３次元方向に移動させながら、前記２軸によって前記造形台を回転させることにより、前記２次加工された前記造形物の外周面に付加造形を行い、
   付加造形後の前記造形物は、前記造形水槽内から前記剛性プレートごと取り出し、
   前記剛性プレートを前記２次加工機に取り付けて２次加工を行って造形物を造形することを特徴とする請求項５に記載の金属３Ｄプリンタを用いた造形方法。

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