JP2019063858A - Method for manufacturing laminated molding and laminated molding - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、積層造形物の製造方法及び積層造形物に関する。 The present invention relates to a method for producing a laminate-molded article and a laminate-molded article.
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。 In recent years, the need for 3D printers as a means of production has been increasing, and in particular, application to metal materials is being researched and developed for practical use in the aircraft industry and the like. In a 3D printer using a metal material, a metal powder or metal wire is melted using a heat source such as a laser or an arc, and molten metals are laminated to form a shaped object.
このような造形物を造形する技術として、溶加材を供給する溶接トーチを移動させることで、溶融金属を積層させて金型などの造形物を造形する溶接技術が知られている(例えば、特許文献1参照)。また、溶接継手部の疲労強度を高める技術として、溶接ビードの表面を加熱して表面層を再溶融させる技術が知られている(例えば、特許文献2参照)。 As a technique for forming such a shaped object, there is known a welding technique for forming a shaped object such as a mold by laminating molten metal by moving a welding torch which supplies a filler material (for example, Patent Document 1). Moreover, the technique of heating the surface of a weld bead and remelting a surface layer is known as a technique which raises the fatigue strength of a weld joint part (for example, refer patent document 2).
ところで、溶接トーチによって溶着ビードを並べて複数列の溶着ビードからなる溶着ビード層を形成し、この溶着ビード層を積層して造形物を形成する場合、溶着ビード層における各溶着ビード間に、V字状の深い凹部からなる狭隘部が生じることがある。すると、溶着ビード層を積層させる際に、上層の溶着ビード層の溶着ビードが狭隘部に良好に入り込まず、隙間があいて品質が低下するおそれがある。 By the way, when welding beads are arranged by a welding torch to form welding bead layers composed of a plurality of rows of welding beads and the welding bead layers are laminated to form a shaped object, V-shaped portions are formed between the welding beads in the welding bead layers. There may be a narrowing portion consisting of a deep recess. Then, when laminating the welding bead layer, the welding bead of the welding bead layer of the upper layer does not enter the narrow portion well, and there is a possibility that there is a gap and the quality is deteriorated.
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、溶着ビードを並べた溶着ビード層を積層して高品質な積層造形物を形成することが可能な積層造形物の製造方法及び積層造形物を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object thereof is to manufacture a laminate-molded article capable of forming high-quality laminate-molded articles by laminating weld bead layers in which weld beads are arranged. A method and a layered object are provided.
本発明は下記構成からなる。
(1) アークを用いて溶加材を溶融及び凝固させた複数の溶着ビードを隣接して並べた溶着ビード層が複数層に積層された積層造形物の製造方法であって、
前記溶着ビード層となる前記溶着ビードを形成する溶着ビード造形工程と、
前記溶着ビード層の前記溶着ビードを加熱して表面を再溶融させる再溶融工程と、
を含む積層造形物の製造方法。
(2) アークを用いて溶加材を溶融及び凝固させた複数の溶着ビードが隣接して並べられて溶着ビード層とされ、前記溶着ビード層が複数層に積層された積層造形物であって、
前記各溶着ビード層は、前記溶着ビード間が、前記溶着ビードの表面を再溶融させた溶融金属によって埋められている積層造形物。
The present invention has the following constitution.
(1) A manufacturing method of a laminate-molded article in which a plurality of welding bead layers are arranged in a plurality of layers, in which a plurality of welding beads in which a welding material is melted and solidified using an arc are arranged adjacent to each other.
A welding bead shaping step of forming the welding bead to be the welding bead layer;
A remelting step of heating the weld bead of the weld bead layer to remelt the surface;
A method for producing a laminate-molded article comprising:
(2) A laminated shaped article in which a plurality of welding beads obtained by melting and solidifying a filler metal using an arc are arranged adjacent to each other to form a welding bead layer, and the welding bead layers are laminated in a plurality of layers, ,
Each of the welding bead layers is a laminate-molded article in which the space between the welding beads is filled with molten metal obtained by remelting the surface of the welding beads.
本発明によれば、溶着ビードを並べた溶着ビード層を積層して高品質な積層造形物を形成することができる。 According to the present invention, welding bead layers in which welding beads are arranged can be stacked to form a high-quality laminate-molded article.
以下、本発明の一実施形態に係る積層造形物の製造方法及び積層造形物について、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, a method of manufacturing a laminate-molded product and a laminate-molded product according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は本発明の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。
本構成の製造システム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15と、を備える。
FIG. 1 is a schematic diagram of a production system for producing the layered object of the present invention.
The
積層造形装置11は、先端軸にトーチ17を有する溶接ロボット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23とを有する。
The
コントローラ15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。
The
溶接ロボット19は、多関節ロボットであり、先端軸に設けたトーチ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。
The
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Wに応じて適宜選定される。
The
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23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27上に溶加材Mの溶融凝固体である線状の溶着ビード25が形成される。
For example, in the case of the consumable electrode type, the contact tip is disposed inside the shield nozzle, and the filler material M to which the melting current is supplied is held by the contact tip. The
CAD/CAM部31は、作製しようとする積層造形物Wの形状データを作成した後、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。軌道演算部33は、生成された層形状データに基づいてトーチ17の移動軌跡を求める。記憶部35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を記憶する。
After creating the shape data of the laminate-molded product W to be produced, the CAD /
制御部37は、記憶部35に記憶された層形状データやトーチ17の移動軌跡に基づく駆動プログラムを実行して、溶接ロボット19を駆動する。
The
制御部37は、記憶部35に記憶された層形状データやトーチ17の移動軌跡に基づく駆動プログラムを実行して、溶接ロボット19を駆動する。つまり、溶接ロボット19は、コントローラ15からの指令により、軌道演算部33で生成したトーチ17の移動軌跡に基づき、溶加材Mをアークで溶融させながらトーチ17を移動する。
The
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17の移動軌跡に沿って、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、溶融した溶加材Mをベースプレート27上に供給する。これにより、図2に示すように、ベースプレート27上には、複数の線状の溶着ビード25が凝固して一列に隣接して並べられた溶着ビード層34が形成され、さらに、この溶着ビード層34が複数層に積層された積層造形物Wが造形される。
The
ここで、図3に示すように、溶着ビード25を一列に接合させた各溶着ビード層34には、その溶着ビード25間に、断面視でV字状の深い凹部からなる狭隘部Nが生じている。このため、本実施形態では、次層の溶着ビード層34を積層する前に、以下に示す再溶融工程を行うことで、各溶着ビード層34において、溶着ビード25間に隙間がなく、溶着ビード層34の表面の凹凸を極力小さくすることができる。また、この再溶融工程を、各溶着ビード層を造形する度に行うことで、溶着ビード層34の各溶着ビード25間及び互いに積層させた溶着ビード層34間が十分な接合力で接合された積層造形物Wが製造される。
Here, as shown in FIG. 3, in each
次に、本構成の製造システム100により積層造形物Wを造形するまでの具体的な手順について詳述する。ここでは、三層の溶着ビード34A,34B,34Cを積層した積層造形物Wを製造する場合を例示して説明する。
図4は、複数の溶着ビード層34によって形成された1層目の溶着ビード層34Aの斜視図である。図5は、溶着ビード25を再溶融させる非消耗電極形の加熱用トーチ41を説明する概略側面図である。図6A〜図6Cは、積層造形物Wの製造過程を説明するための断面図である。
Next, a specific procedure for forming the laminate-molded article W by the
FIG. 4 is a perspective view of a first
図4に示すように、まず、ベースプレート27上に複数の溶着ビード25を並べて形成し、1層目の溶着ビード層34Aを造形する(溶着ビード造形工程)。
As shown in FIG. 4, first, a plurality of
前述したように、溶着ビード25を一列に接合させた溶着ビード層34Aでは、その溶着ビード25間に、V字状の深い凹部からなる狭隘部Nが生じている。
As described above, in the
次に、造形した1層目の溶着ビード層34Aに対して、各溶着ビード25を加熱して表面を再溶融させる再溶融工程を行う。
Next, a re-melting step of heating the
図5に示すように、再溶融工程における溶着ビード25の加熱には、例えば、TIG(Tungsten Inert Gas)溶接などに使用される非消耗電極型の加熱用トーチ41が用いられる。この加熱用トーチ41は、中心に設けられたタングステン電極42と、このタングステン電極42の周囲を覆う外筒43とを有しており、タングステン電極42と外筒43との間がガス流路44とされる。加熱用トーチ41は、ガス流路44へ供給したアルゴン等の不活性ガスを先端から吹き出させつつ、タングステン電極42と溶着ビード25との間にアークを生じさせることで、溶着ビード25を加熱して溶融させる。
As shown in FIG. 5, for heating the
また、加熱用トーチ41は、トーチ17と同様に、多関節ロボットからなる溶接ロボット19の先端軸に設けられており、ロボットアームの自由度の範囲で3次元的に任意に位置や姿勢が設定可能となっている。
なお、溶着ビード25の造形工程において、非消耗電極型が使用されている場合には、外部からの溶加材Mの供給を行わずに、再溶融工程を行うことで、同一の溶接ロボット19を適用することができる。
Further, the
When the non-consumable electrode type is used in the forming process of the
再溶融工程では、加熱用トーチ41を溶着ビード層34Aの各溶着ビード25に対して長手方向(図4における矢印A方向)に沿って移動させることで、各溶着ビード25を加熱用トーチ41で加熱する。また、図5に示すように、再溶融工程では、加熱用トーチ41は各溶着ビード25の上側凸部26の最上部26aを狙って、実質的には、造形工程のトーチ17と同じ、溶着ビード25の並び方向の位置で加熱する。
In the remelting step, each welding
このようにすると、溶着ビード層34Aの各溶着ビード25は、その上側凸部26が加熱用トーチ41によって加熱されることで再溶融する。すると、この再溶融によって生じた溶融金属が、溶着ビード25の並び方向に広がって両側部の狭隘部Nへ流れ込んだ後に凝固する。これにより、図6Aに示すように、溶着ビード層34Aでは、流れ込んで凝固した溶融金属によって狭隘部Nが埋まり、溶着ビード層34Aの表面の凹凸が極力小さくされて滑らかになる。
In this way, each welding
次いで、図6Bに示すように、2層目の溶着ビード層34Bを、1層目の溶着ビード層34Aの溶着ビード25の間で1層目の溶着ビード層34A上に積層して造形する。
Then, as shown in FIG. 6B, the second
このとき、1層目の溶着ビード層34Aでは、その上面において、狭隘部Nが埋められて凹凸が極力小さくされた滑らかな形状とされている。したがって、1層目の溶着ビード層34Aの上面に溶着ビード25を形成することで、この溶着ビード25は、1層目の溶着ビード層34Aを構成する溶着ビード25の間に隙間なく形成される。
At this time, in the first layer
2層目の溶着ビード層34Bを造形したら、2層目の溶着ビード層34Bの各溶着ビード25に対して再溶融工程を行う。
After forming the second layer of
具体的には、加熱用トーチ41を溶着ビード層34Bの各溶着ビード25に対して長手方向に沿って移動させることで、各溶着ビード25の上側凸部26を加熱用トーチ41で加熱して再溶融させる。これにより、1層目の溶着ビード層34Bと同様に、再溶融によって生じた溶融金属が、溶着ビード25の並び方向に広がって両側部の狭隘部Nへ流れ込んだ後に凝固し、狭隘部Nが埋まることで、溶着ビード層34Bの表面の凹凸が極力小さくされて滑らかになる(図6B参照)。
Specifically, the
同様に、図6Cに示すように、2層目の溶着ビード層34Bの上部に3層目の溶着ビード層34Cを積層し、この3層目の溶着ビード層34Cの溶着ビード25に対して再溶融工程を行う。このような溶着ビード25の積層を繰り返すことで、溶着ビード25間が、溶着ビード25の表面を再溶融させた溶融金属によって埋められた複数の溶着ビード層34A,34B,34Cを積層してなる積層造形物Wが得られる。
Similarly, as shown in FIG. 6C, the third
なお、ベースプレート27は、必要に応じて、ワイヤーソーやダイヤモンドカッター等による切断機で切断し、所望の形状の積層造形物Wとする。
また、上記実施形態では、隣り合う溶着ビード層34A,34B,34Cは、前の溶着ビード層の狭隘部Nが形成されていた位置の上方に次層の溶着ビード層34の溶着ビード25が形成されるように、各層の溶着ビード25を溶着ビード層ごとにずらしながら積層しているが、本実施形態はこれに限らない。例えば、前の溶着ビード層34の上側凸部26が形成されていた位置の上方に次層の溶着ビード層34の溶着ビード25が形成されるようにしてもよい。即ち、同一の溶接条件で造形される溶着ビード25を一列に並べて、並び方向に一様な幅の各溶着ビード層34A、34B、34Cを積層する場合に、図7に示すように、溶着ビード25の数を各溶着ビード層34A、34B、34Cで等しくし、各溶着ビード層34A、34B、34Cの溶着ビード25を造形する際にトーチ17の上方から見た軌跡を変えずに積層してもよい。これにより、積層造形物Wの側面を切削加工して整形するような場合に、切削代を削減することができる。
In addition, the
Further, in the above embodiment, in the adjacent weld bead layers 34A, 34B and 34C, the
以上、説明したように、本実施形態に係る積層造形物Wの製造方法によれば、溶着ビード25を形成して隣接して並べるとともに溶着ビード25からなる溶着ビード層34を複数層に積層させることで、積層造形物Wを容易に作製できる。
As described above, according to the method of manufacturing the laminate-molded product W according to the present embodiment, the
しかも、本実施形態に係る積層造形物Wの製造方法では、溶着ビード層34の溶着ビード25を加熱して表面を再溶融させることで、溶着ビード25間の狭隘部Nが溶融金属によって埋められ、溶着ビード層34の表面の凹凸を極力小さくして滑らかにすることができる。これにより、溶着ビード層34の各溶着ビード25間及び互いに積層させた溶着ビード層34間の接合力を高め、強固に一体化された高品質な積層造形物Wを得ることができる。
Moreover, in the method of manufacturing the laminate-molded product W according to the present embodiment, the narrow portion N between the
また、本実施形態に係る積層造形物Wの製造方法によれば、非消耗電極型の加熱用トーチ41を溶着ビード25の長手方向に沿って移動させて溶着ビード25の表面を加熱することで、溶着ビード25の長手方向に沿って形成される溶着ビード25間の狭隘部Nへ溶融金属を短時間に良好に流し込むことができる。
Further, according to the method of manufacturing the layered object according to the present embodiment, the surface of the
しかも、本実施形態に係る積層造形物Wの製造方法によれば、溶着ビード25を加熱する再溶融工程を溶着ビード層34を造形した後に行う。したがって、再溶融工程を行った溶着ビード層34の溶着ビード25の表面状態を確認した後に、この溶着ビード層34上に、次の溶着ビード層34となる溶着ビード25を溶融及び凝固させることができる。これにより、製造する積層造形物Wの品質をさらに高めることができる。
Moreover, according to the method of manufacturing the laminate-molded product W according to the present embodiment, the remelting step of heating the
また、本実施形態に係る積層造形物Wの製造方法によれば、溶着ビード25の高さの高い上側凸部26を加熱することで、溶融金属を溶着ビード25間の狭隘部Nへ良好に流し込むことができる。
Further, according to the method of manufacturing the laminate-molded product W according to the present embodiment, the molten metal can be favorably transferred to the narrow portion N between the
さらに、本実施形態に係る製造方法によって得られた積層造形物Wによれば、各溶着ビード層34の溶着ビード25間が、溶着ビード25の表面を再溶融させた溶融金属によって埋められ、溶着ビード25間に生じることがあるV字状の深い凹部からなる狭隘部Nがなくされている。これにより、各溶着ビード層34の各溶着ビード25同士及び互いに積層させた溶着ビード層34同士が高い接合力で強固に一体化された高品質な積層造形物Wを提供できる。
Furthermore, according to the laminate-molded article W obtained by the manufacturing method according to the present embodiment, the space between the
なお、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。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and those skilled in the art should be able to modify and apply the components of the embodiment in combination with one another, based on the description of the specification, and based on known techniques. This is also a planned aspect of the present invention and is included within the scope for which protection is sought.
例えば、溶着ビード25の再溶融工程は、加熱用トーチ41を有する溶接ロボットに限定されず、溶着ビードを加熱するものであれば、ガスバーナ、レーザ、電子ビームなど、他の加熱手段であってもよい。
For example, the remelting step of the
また、上記実施形態では、溶着ビード25を並べて形成して溶着ビード層34を形成した後に、この溶着ビード層34の各溶着ビード25に対して再溶融工程を行ったが、溶着ビード25の形成後に、その溶着ビード25に対して再溶融工程を行ってもよい。なお、再溶融工程は、溶着ビード25が凝固し終わる前に行われてよい。
Further, in the above embodiment, after the
また、上記実施形態では、三層構造の積層造形物Wを製造する場合を例示したが、積層造形物Wの積層数は三層に限らない。 Moreover, in the said embodiment, although the case where laminated | stacked molded article W of three-layer structure was manufactured was illustrated, the number of lamination | stacking of laminated molded article W is not restricted to three layers.
さらに、隣接して積層される2つの溶着ビード層の側面を形成する溶着ビード間に形成される狭隘部に対して溶着ビードを再溶融させることで、該狭隘部を埋め、積層造形物の外観を向上するようにしてもよい。例えば、図8に示すように、溶着ビード25を造形する際に各トーチが通る上方から見た軌跡が各溶着ビード層34A,34B,34Cごとに徐々に内側へシフトさせながら積層していく、オーバーハング形状(略円錐台状)の積層造形物において、隣接する溶着ビード25間に形成される狭隘部Nを埋めるように、上方に位置する溶着ビード25を再溶融させて、外観を向上するようにしてもよい。或いは、積層造形物をベースプレート27と共に中心軸が傾いた状態の回転テーブルに取り付けて、積層造形物の側面が上方を向くようにしながら再溶融させてもよい。
Furthermore, the weld bead is re-melted against the narrow portion formed between the weld beads forming the side surfaces of the two adjacent weld bead layers, thereby filling the narrow portion and appearance of the layered product May be improved. For example, as shown in FIG. 8, when forming the
以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
(1) アークを用いて溶加材を溶融及び凝固させた複数の溶着ビードを隣接して並べた溶着ビード層が複数層に積層された積層造形物の製造方法であって、
前記溶着ビード層となる前記溶着ビードを形成する溶着ビード造形工程と、
前記溶着ビード層の前記溶着ビードを加熱して表面を再溶融させる再溶融工程と、
を含む積層造形物の製造方法。
(2) 前記再溶融工程は、非消耗電極型トーチを前記溶着ビードの長手方向に沿って移動させて前記溶着ビードを加熱する(1)に記載の積層造形物の製造方法。
(3) 前記溶着ビード造形工程において、複数の前記溶着ビードを隣接して並べて前記溶着ビード層を造形した後に、当該溶着ビード層の前記溶着ビードに対して前記再溶融工程を行う(1)または(2)に記載の積層造形物の製造方法。
(4) 前記再溶融工程は、前記溶着ビードの上側凸部を加熱する(1)から(3)のいずれか一つに記載の積層造形物の製造方法。
(5) アークを用いて溶加材を溶融及び凝固させた複数の溶着ビードが隣接して並べられて溶着ビード層とされ、前記溶着ビード層が複数層に積層された積層造形物であって、
前記各溶着ビード層は、前記溶着ビード間が、前記溶着ビードの表面を再溶融させた溶融金属によって埋められている積層造形物。
As described above, the following matters are disclosed in the present specification.
(1) A manufacturing method of a laminate-molded article in which a plurality of welding bead layers are arranged in a plurality of layers, in which a plurality of welding beads in which a welding material is melted and solidified using an arc are arranged adjacent to each other.
A welding bead shaping step of forming the welding bead to be the welding bead layer;
A remelting step of heating the weld bead of the weld bead layer to remelt the surface;
A method for producing a laminate-molded article comprising:
(2) The method of manufacturing a laminate-molded product according to (1), wherein the remelting step moves the non-consumable electrode type torch along the longitudinal direction of the welding bead to heat the welding bead.
(3) In the welding bead shaping step, after the plurality of welding beads are arranged adjacent to form the welding bead layer, the remelting step is performed on the welding bead of the welding bead layer (1) or The manufacturing method of the laminate-molded article as described in (2).
(4) The manufacturing method of a laminate-molded article according to any one of (1) to (3), wherein the remelting step heats the upper convex portion of the welding bead.
(5) A laminated shaped article in which a plurality of welding beads obtained by melting and solidifying a filler metal using an arc are arranged adjacent to one another to form a welding bead layer, and the welding bead layers are laminated in a plurality of layers, ,
Each of the welding bead layers is a laminate-molded article in which the space between the welding beads is filled with molten metal obtained by remelting the surface of the welding beads.
25 溶着ビード
34,34A,34B,34C 溶着ビード層
41 加熱用トーチ(非消耗電極型トーチ)
M 溶加材
W 積層造形物
25
M filler metal W laminated object
Claims (5)
前記溶着ビード層となる前記溶着ビードを形成する溶着ビード造形工程と、
前記溶着ビード層の前記溶着ビードを加熱して表面を再溶融させる再溶融工程と、
を含む積層造形物の製造方法。 A manufacturing method of a laminate-molded article in which a plurality of welding bead layers in which a plurality of welding beads obtained by melting and solidifying a filler metal using an arc are arranged in a plurality of layers,
A welding bead shaping step of forming the welding bead to be the welding bead layer;
A remelting step of heating the weld bead of the weld bead layer to remelt the surface;
A method for producing a laminate-molded article comprising:
前記各溶着ビード層は、前記溶着ビード間が、前記溶着ビードの表面を再溶融させた溶融金属によって埋められている積層造形物。 A plurality of welding beads obtained by melting and solidifying a filler metal using an arc are arranged adjacent to one another to form welding bead layers, and the welding bead layers are laminated in a plurality of layers,
Each of the welding bead layers is a laminate-molded article in which the space between the welding beads is filled with molten metal obtained by remelting the surface of the welding beads.
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Cited By (3)
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