JP2019202344A - 金属溶融３ｄプリンタのワークテーブル装置および金属溶融３ｄプリンタ - Google Patents

Abstract

【課題】駆動モータが冷却媒体に接するのを防止し、ワークテーブルに対して所定の回転制御が可能なワークテーブル装置および金属溶融３Ｄプリンタの提供を図る。【解決手段】造形水槽6内に設けられ、その上方に造形物を造形するワークテーブル12と、第１モータ13Mによる回転を、水平面における所定方向の第１軸13に対して前記ワークテーブルを回転させるように変換する第１変換部130と、第２モータ14Mによる回転を、前記ワークテーブルの面に対する法線方向の第２軸14に対して前記ワークテーブルを回転するように変換する第２変換部140'と、前記第２変換部が内部に設けられ、前記造形水槽内の冷却媒体から防水するギアボックス144と、前記ギアボックスの内側に設けられた漏液センサ145と、を有し、前記第２モータを、前記ギアボックスの内部であって、前記漏液センサが前記冷却媒体による漏洩を検出する位置よりも高い位置に設ける。【選択図】図１３

Description

本発明は、金属溶融３Ｄプリンタのワークテーブル装置および金属溶融３Ｄプリンタに関する。

近年、例えば、コンピュータで作った三次元データを設計図とし、その断面形状を積層することで三次元の造形物を造形する三次元積層造形装置(３Ｄプリンタ)が注目されている。ここで、３Ｄプリンタとしては、光造形法や粉末造形法、或いは、ＦＤＭ法(Fused Deposition Modeling：熱溶解積層法)等を利用した様々なものが提案され、また、実用化されている。

例えば、樹脂を使用する３Ｄプリンタでは、造形テーブル(ワークテーブル)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三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、粉末の樹脂を一層ずつ撒き、その上に接着剤を吹き付けて固めることによって三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。

さらに、３Ｄプリンタの中には、金属製の三次元造形物を造形する金属溶融三次元積層造形装置(金属溶融３Ｄプリンタ)も実用化されている。この金属溶融３Ｄプリンタとしては、例えば、ワーク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一層分を形成し、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。

しかしながら、金属粉末は、樹脂等と比べてかなり高価であるため、レーザー光を使用する金属溶融３Ｄプリンタにより造形した金属製の三次元造形物は高価となり、さらに、この方式の３Ｄプリンタ自体も高価なものとなる。そのため、金属溶融３Ｄプリンタは、例えば、樹脂等を使用する３Ｄプリンタと比較して、普及の妨げとなっている。

また、近年、それほどの精度が要求されない金属製の三次元造形物を造形する金属溶融３Ｄプリンタとして、アーク溶接を適用した金属溶融積層方式のものが実用化されている。この金属溶融３Ｄプリンタは、金属製のワイヤ状の溶材(溶接ワイヤ)の先端でアーク放電を発生させて溶接ワイヤを溶融し、これをワークテーブルの上に積層することで金属製の三次元造形物を造形するものである。また、この金属溶融３Ｄプリンタにより造形された三次元造形物に対して、例えば、ＣＮＣ(Computerized Numerical Control)工作機械を使用して高精度の加工を行い、最終的な高精度の造形物(製品)を得るものも実用化されている。

ここで、本発明が適用されるアーク溶接を適用した金属溶融積層方式の金属溶融３Ｄプリンタ(金属溶融三次元積層造形装置)について説明する。図１は、アーク溶接を適用した金属溶融３Ｄプリンタの一例の全体構成を模式的に示す斜視図である。図１に示されるように、金属溶融３Ｄプリンタ５０の本体５１の上面５２には、制御ユニット１および造形を行う造形処理部４５の造形水槽６が設けられている。なお、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、および、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。

金属溶融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、および、溶接トーチ５に電力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の内部に冷却媒体(例えば、水)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は、図１に示す金属溶融３Ｄプリンタの造形処理部を模式的に示す斜視図であり、図２(a)は、金属溶融３Ｄプリンタ５０の造形処理部４５の構造を説明するためのものであり、図２(b)は、図２(a)に示す造形処理部４５におけるワークテーブル１２のＡ軸(Ｘ軸)を駆動するＡ軸駆動モータの位置を示すものである。

図２(a)に示されるように、溶接トーチ５の先端部は、造形水槽６の中に配置され、溶接トーチ５の先端部に対向する位置には、造形物が形成されるワークテーブル１２が設けられている。ワークテーブル１２は、Ａ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ようになっている。

図２(b)に示されるように、Ａ軸１３は、例えば、造形水槽６の両側で回転支持され、造形水槽６の外部に設けられたＡ軸駆動モータ１３Ｍにより回転駆動される。なお、Ａ軸１３を回転させると、ワークテーブル１２をＡ軸１３の回りに回転させてワークテーブル１２の傾きを制御することができる。すなわち、Ａ軸１３により、ワークテーブル１２の上面(水平面)を垂直とすることができる。

図３は、図１に示す金属溶融３Ｄプリンタを説明するための図であり、図３(a)は、図１に示す金属溶融３Ｄプリンタの動作を説明するためのものである。また、図３(b)は、図３(a)に示す造形水槽６の内部に設けられるワークテーブル１２およびベースプレート１５を示し、図３(c)は、図３(a)におけるワークテーブル１２およびベースプレート１５を拡大して示す図である。

図３(a)に示されるように、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からガスホース８０を介してシールドガスが供給され、さらに、溶接機電源９から電力ケーブル９０を介して電力が供給されている。これにより、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り溶接ワイヤ２７を溶融することができるようになっている。

図３(a)および図３(b)に示されるように、造形水槽６の内部に設けられたワークテーブル１２の上には、ベースプレート１５が造形物を造形するための基台として設けられている。図３(c)に示されるように、ベースプレート１５は、スペーサ１６によってワークテーブル１２から離間された状態で、ワークテーブル１２に対して着脱可能として固定されている。図３(c)において、ベースプレート１５は、スペーサ１６を挿通させた固定具２６により、ワークテーブル１２に対して着脱可能として固定されているが、スペーサ１６は固定具で固定しなくてもよい。

ここで、ベースプレート１５は、溶接材料と溶接可能な板材である。また、ワークテーブル１２とベースプレート１５を離間させる理由は、ワークテーブル１２とベースプレート１５の間に冷却媒体ＣＷ(水)を通すためである。そして、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。すなわち、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、積層中の造形物が冷却媒体ＣＷで冷却されることになる。

冷却媒体ＣＷは、冷却媒体貯蔵タンク１０に貯蔵され、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の内部の冷却媒体ＣＷは、ポンプ３０で汲み上げられ、流量制御弁３１で流量を調節して造形水槽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には、造形中の塵埃等が含まれるが、そのような塵埃等は排水フィルタ３００によりろ過され、その後、ポンプ３０'で吸い出され、流量制御弁３１'で流量を調節して冷却媒体貯蔵タンク１０に戻される。

なお、図３(c)に示されるように、溶接トーチ５によってベースプレート１５の上に造形物を造形する前において、造形水槽６内の液面ＷＬの高さは、ポンプ３０，３０'および流量制御弁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。そして、溶接トーチ５(溶接ワイヤ２７の先端)からベースプレート１５に対してアーク放電を行い、溶接ワイヤ２７を溶融および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。ここで、積層させた部分は溶接ビードと呼ばれる。また、ベースプレート１５の上に溶融金属が積層される毎に、冷却媒体ＣＷがポンプ３０を介して造形水槽６の内部に供給され、積層された金属を冷却する。

図４は、ベースプレート上に造形物が造形される様子を説明するための図であり、図３(c)に示すベースプレート１５の上に、溶接トーチ５および溶接ワイヤ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。なお、造形物１８の造形中において、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、造形物の造形が終了した状態を説明するための図であり、前述した図３(a)に対応するものである。すなわち、図５に示されるように、金属溶融３Ｄプリンタ５０の造形水槽６における造形が終了すると、ベースプレート１５の上には、造形が終了した造形物１８ができあがっている。すなわち、ベースプレート１５の上に造形物１８ができあがり、造形物１８の温度が下がると、冷却媒体ＣＷは、ポンプ３０'により排水フィルタ３００および流量制御弁３１'を介して冷却媒体貯蔵タンク１０に戻される。

図６は、金属溶融３Ｄプリンタにより造形された造形物から最終的な製品(造形物)を得る様子を説明するための図であり、図５のようにして得られた造形物１８から、例えば、切削加工機(ＣＮＣ工作機械)を使用して二次加工を行い、最終的な製品を得る様子を説明するためのものである。

ここで、図６(a)は、図５に示す金属溶融３Ｄプリンタ５０の造形水槽６の内部におけるワークテーブル１２から造形物１８およびベースプレート１５を取り出した状態を示す斜視図、図６(b)は、図６(a)の側面図、そして、図６(c)は、図６(a)に示すベースプレート１５を切削加工機に取り付けて切削工具で切削加工する様子を示す側面図である。さらに、図６(d)は、図６(a)に示す造形物１８およびベースプレート１５の切削加工後の状態を示す斜視図、図６(e)は、図６(d)の側面図、そして、図６(f)は、ベースプレート１５から切り取られた造形物(最終造形物：最終的な製品)１８Ｐを示す斜視図である。

図６(a)および図６(b)に示されるように、金属溶融３Ｄプリンタ５０により造形された造形物１８は、造形水槽６からベースプレート１５と共に取り出される。この取り出されたベースプレート１５は、例えば、切削加工機(図示しない)に取り付けられ、図６(c)に示されるように、切削加工機の切削工具１９により造形物１８の表面が切削加工される。

図６(d)および図６(e)に示されるように、ベースプレート１５の上の造形物１８の切削加工を行った後、例えば、切削加工が終了した造形物(１８Ｐ)をベースプレート１５の上からワイヤカット等で切り取り、図６(f)に示されるような最終造形物(最終的な製品)１８Ｐが得られることになる。

図７は、金属溶融３Ｄプリンタにより造形された造形物から最終的な製品の他の例を得る様子を説明するための図であり、前述した図６(d)および図６(e)に示す造形物１８Ｐを中間造形物とし、さらに、金属溶融３Ｄプリンタによる造形を行って別の最終造形物(別の製品)１８Ｐ'を得る様子を説明するためのものである。ここで、図７(a)および図７(b)は、Ａ軸１３に対して、ワークテーブル１２(ベースプレート１５)を９０度回転させ、溶接トーチ５(溶接ワイヤ２７)により、図６(d)および図６(e)に示す中間造形物１８Ｐの側面の複数個所にフィン１８Ａを造形する様子を示し、図７(c)は、図７(b)のような複数のフィン１８Ａが造形された造形物に対して、述した図６(c)を参照して説明したような切削加工機による加工を行って別の最終的な製品１８Ｐ'を得る様子を示す。

なお、図７(a)および図７(b)において、ワークテーブル１２とベースプレート１５の間には、剛性プレート１７が設けられている。この剛性プレート１７は、ベースプレート１５の熱歪により生じる応力に対して、変形が極僅かとなるような剛性を備える形状の導体板である。

図７(a)に示されるように、例えば、Ａ軸１３に対して、ワークテーブル１２を９０度だけ回転させることにより、ワークテーブル１２の面(上面)を水平方向から垂直方向に変化させることができる。すなわち、ワークテーブル１２を垂直とすることで、ベースプレート１５上に造形された造形物１８Ｐの側面を、溶接トーチ５による造形が可能な上面とすることができる。ここで、ワークテーブル１２は、Ｃ軸１４(Ｚ軸)に対しても回転可能とされている。

次に、図７(b)に示されるように、例えば、Ｃ軸１４に対して、垂直とされたワークテーブル１２を９０度ずつ回転し、それぞれ溶接トーチ５によりフィン１８Ａを造形する。なお、溶接トーチ５によりフィン１８Ａを造形する場合、冷却媒体ＣＷの液面ＷＬは、造形物１８Ａ(上部の造形を行っているフィン１８Ａ)の溶接面ＷＳに対して、一定の距離Ｈだけ低くなるように制御するのは、前述したのと同様である。

このように、Ｘ軸，Ｙ軸およびＺ軸のアクチュエータ２，３，４により溶接トーチ５を３軸方向で制御すると共に、ワークテーブル１２をＣ軸１４およびＡ軸１３の回転で制御することにより、金属溶融３Ｄプリンタを５軸制御構成とし、様々な形状の造形物を造形することが可能となる。なお、Ａ軸は、Ｘ軸(水平面における所定軸)周りの回転軸であるが、Ａ軸の代わりにＢ軸(Ｙ軸周りの回転軸)の回転で制御することも可能である。

ところで、従来、金属溶融３Ｄプリンタとしては、様々な提案がなされている。

特開２０１７−１４４４４６号公報 特開２０１７−１４４４４７号公報 特開２０１７−０７５３６２号公報

上述したように、アーク溶接を適用した金属溶融積層方式の金属溶融３Ｄプリンタが研究・開発され、さらに、実用化されている。このような金属溶融３Ｄプリンタにおいて、ワークテーブル１２には、例えば、Ａ軸に対する回転とＣ軸に対する回転の両方が求められている。

しかしながら、金属溶融３Ｄプリンタのワークテーブル１２は、例えば、造形水槽６における冷却媒体(例えば、水)ＣＷに浸されるため、ワークテーブル１２を駆動するためのモータが冷却媒体ＣＷに接触するのを防止し、さらに、ワークテーブル１２に対して、Ａ軸およびＣ軸の回転制御を的確に行うことのできるワークテーブル装置を提供することは難しいものとなっている。これは、防水機能の経年劣化、或いは、保守部品の交換(保守点検)等を考慮すると、より一層困難なものとなる。

また、ワークテーブル１２が設けられる造形水槽６の大きさ(容積)は限られているため、造形可能な造形物の大きさを最大化し、さらに、ギア等の駆動機構によるガタつきを低減することのできるワークテーブル装置の提供も求められている。

本発明の目的は、ワークテーブルの駆動モータが冷却媒体に接するのを防止すると共に、ワークテーブルに対して所定の回転制御を行うことができる金属溶融３Ｄプリンタのワークテーブル装置および金属溶融３Ｄプリンタを提供することにある。さらに、本発明の目的は、ワークテーブルのガタつきを低減すると共に、造形物を造形する様々な操作や保守部品の交換等を無理なく行うことができる金属溶融３Ｄプリンタのワークテーブル装置および金属溶融３Ｄプリンタを提供することにもある。

本発明に係る一実施形態によれば、溶材を溶融して積層することで造形物を造形する金属溶融３Ｄプリンタのワークテーブル装置であって、造形水槽内に設けられ、その上方に前記造形物を造形するワークテーブルと、第１モータによる回転を、水平面における所定方向の第１軸に対して前記ワークテーブルを回転させるように変換する第１変換部と、
第２モータによる回転を、前記ワークテーブルの面に対する法線方向の第２軸に対して前記ワークテーブルを回転するように変換する第２変換部と、前記第２変換部が内部に設けられ、前記造形水槽内の冷却媒体から防水するギアボックスと、前記ギアボックスの内側に設けられた漏液センサと、を有し、前記第２モータを、前記ギアボックスの内部であって、前記漏液センサが前記冷却媒体による漏洩を検出する位置よりも高い位置に設ける金属溶融３Ｄプリンタのワークテーブル装置が提供される。

さらに、本発明に係る他の実施形態によれば、溶材を溶融して積層することで造形物を造形する金属溶融３Ｄプリンタのワークテーブル装置であって、造形水槽内に設けられ、その上方に前記造形物を造形するワークテーブルと、第１モータによる回転を、水平面における所定方向の第１軸に対して前記ワークテーブルを回転させるように変換する第１変換部と、第２モータによる回転を、前記ワークテーブルの面に対する法線方向の第２軸に対して前記ワークテーブルを回転するように変換する第２変換部と、を有し、前記第１モータおよび前記第２モータを、前記造形水槽の外部に設ける金属溶融３Ｄプリンタのワークテーブル装置も提供される。

開示の金属溶融３Ｄプリンタのワークテーブル装置および金属溶融３Ｄプリンタによれば、ワークテーブルの駆動モータが冷却媒体に接するのを防止すると共に、ワークテーブルに対して所定の回転制御を行うことができるという効果を奏する。さらに、開示の金属溶融３Ｄプリンタのワークテーブル装置および金属溶融３Ｄプリンタによれば、ワークテーブルのガタつきを低減すると共に、造形物を造形する様々な操作や保守部品の交換等を無理なく行うことができるという効果を奏する。

図１は、アーク溶接を適用した金属溶融３Ｄプリンタの一例の全体構成を模式的に示す斜視図である。 図２は、図１に示す金属溶融３Ｄプリンタの造形処理部を模式的に示す斜視図である。 図３は、図１に示す金属溶融３Ｄプリンタを説明するための図である。 図４は、ベースプレート上に造形物が造形される様子を説明するための図である。 図５は、造形物の造形が終了した状態を説明するための図である。 図６は、金属溶融３Ｄプリンタにより造形された造形物から最終的な製品(造形物)の一例を得る様子を説明するための図である。 図７は、金属溶融３Ｄプリンタにより造形された造形物から最終的な製品の他の例を得る様子を説明するための図である。 図８は、本発明に係る金属溶融３Ｄプリンタのワークテーブル装置の第１実施例を説明するための図である。 図９は、図８に示すワークテーブル装置の動作を説明するための図である。 図１０は、本発明に係る金属溶融３Ｄプリンタの一実施例の全体構成を示す斜視図である。 図１１は、図１０に示す金属溶融３Ｄプリンタの造形処理部を示す斜視図である。 図１２は、図１１に示す造形処理部における造形水槽を示す斜視図である。 図１３は、本発明に係る金属溶融３Ｄプリンタのワークテーブル装置の第２実施例を説明するための図である。 図１４は、図１３に示すワークテーブル装置の動作を説明するための図である。 図１５は、図１３に示すワークテーブル装置における液漏れ検出時の処理の一例を説明するためのフローチャートである。

以下、本発明に係る金属溶融３Ｄプリンタのワークテーブル装置および金属溶融３Ｄプリンタの実施形態を、添付図面を参照して詳述する。図８は、本発明に係る金属溶融３Ｄプリンタのワークテーブル装置の第１実施例を説明するための図であり、図７を参照して説明したワークテーブルの動作、すなわち、Ａ軸(Ｘ軸)およびＣ軸(Ｚ軸)に対する回転動作を実現するものである。ここで、図８(a)は、ワークテーブルおよびその駆動機構を含む第１実施例のワークテーブル装置を示す斜視図であり、図８(b)は、図８(a)に示すワークテーブル装置４００の駆動機構を説明するための断面図である。

図８(a)および図８(b)に示されるように、第１実施例のワークテーブル装置４００において、ワークテーブル１２は、Ａ軸駆動モータ(第１モータ)１３Ｍの回転がウォームギア(第１ウォームギア)１３０によりＡ軸１３(水平面における所定方向の第１軸)に対する回転に変換され、さらに、Ｃ軸駆動モータ(第２モータ)１４Ｍの回転がウォームギア(第２ウォームギア)１４０および傘歯車１４２によりＣ軸１４(ワークテーブルの面に対する法線方向の第２軸)に対する回転に変換される。

第１ウォームギア１３０は、第１モータに１３Ｍよる回転を、第１軸(Ａ軸)に対してワークテーブル１２を回転させるように変換する第１変換部に対応する。また、第２ウォームギア１４０および傘歯車１４２は、第２モータ１４Ｍによる回転を、ワークテーブル１２の第２軸(Ｃ軸)１４に対してワークテーブル１２を回転するように変換する第２変換部に対応する。

ここで、第１モータ１３Ｍ，第２モータ１４Ｍ，第１ウォームギア１３０および第２ウォームギア１４０は、造形水槽６の外部に設けられていて、造形水槽６内の冷却媒体(水)に接しないようになっている。なお、傘歯車１４２は、ワークテーブル１２(ワークテーブル１２の上面)が水平方向で造形物(１８)を造形する状態のとき、ワークテーブル１２の下方に位置するギアボックス１４３の内部に設けられている。

また、第１ウォームギア１３０とワークテーブル１２をつなぐ軸(Ａ軸：第１軸)１３は、第２ウォームギア１４０と傘歯車１４２をつなぐ軸(第３軸)１４１と同じ軸方向となっている。これにより、ワークテーブル１２は、軸１３および１４１に対して回転可能とされ、例えば、ワークテーブル１２を９０度だけ回転させることにより、前述した図７(a)および図７(b)のように、ワークテーブル１２を垂直方向とすることができるようになっている。このワークテーブル１２が垂直方向の状態において、例えば、ワークテーブル１２をＣ軸(第２軸)１４に対して９０度ずつ回転させ、それぞれ溶接トーチ５によりフィン１８Ａを造形することで図７(b)のような形状の造形物を造形することができ、さらに、切削加工機による加工を行うことで、図７(c)のような形状の最終的な製品１８Ｐ'を得ることができる。

図９は、図８に示すワークテーブル装置の動作を説明するための図であり、ワークテーブル１２を水平状態(水平方向：例えば、図４の状態)として造形物を造形するときのワークエリアＷＡＨ、および、ワークテーブル１２を垂直状態(垂直方向：例えば、図７(b)の状態)として造形物を造形するときのワークエリアＷＡＶを示すものである。

図９に示されるように、例えば、図８(a)および図８(b)を参照して説明した第１実施例のワークテーブル装置４００により図７(c)のような造形物(製品)１８Ｐ'を造形する場合、ワークテーブル１２を水平および垂直状態にして造形を行うため、すなわち、ワークテーブル１２は、Ａ軸(回転軸)１３に対して９０度回転することで造形を行うことになるため、ワークエリアＷＡＨ，ＷＡＶの大きさは、限られたものとなる。また、このワークエリア(ＷＡＨ，ＷＡＶ)の回転領域が大きくなると、例えば、ワークテーブル１２が取り出し口(正面扉６４)から遠くなるため、金属溶融３Ｄプリンタを使用するオペレータの作業性を低下させることにもなる。

さらに、第１実施例のワークテーブル装置４００では、ワークテーブル１２がＡ軸１３の上方に位置するため、例えば、重量のある造形物１８を造形する場合には、ワークテーブル１２を安定して回転させるには余裕を持たせた回転機構を適用する必要がある。また、ワークテーブル１２をＣ軸１４に対して回転させる機構は、Ｃ軸駆動モータ１４Ｍの動力を、ウォームギア１４０および傘歯車１４２を介して、Ｃ軸１４に対するワークテーブル１２の回転に変換するため、多少のワークテーブル１２のガタつきが生じる虞がある。すなわち、第１実施例のワークテーブル装置４００は、ワークテーブル１２を駆動するモータ１３Ｍ，１４Ｍが冷却媒体に接するのを防止する点では、十分な効果を期待できるが、ワークエリアＷＡＨ，ＷＡＶの大きさやワークテーブル１２のガタつき等の面では改善の余地がある。以下に説明するワークテーブル装置の第２実施例は、上記第１実施例が有するワークエリアの大きさやワークテーブルのガタつきを改善することが可能なものである。

図１０は、本発明に係る金属溶融３Ｄプリンタの一実施例の全体構成を示す斜視図、図１１は、図１０に示す金属溶融３Ｄプリンタの造形処理部を示す斜視図である。なお、図１０および図１１に示す金属溶融３Ｄプリンタの一実施例は、図１２〜図１４を参照して説明する第２実施例のワークテーブル装置５００を適用したものを描いているが、上述した第１実施例のワークテーブル装置４００を適用することもできるのはいうまでもない。ここで、図１０に示す金属溶融３Ｄプリンタ６０および図１１に示す造形処理部５５は、前述した図１に示す金属溶融３Ｄプリンタ５０および図２に示す造形処理部４５に対応するものであり、実質的に同等の機能を有している。

すなわち、図１０に示す金属溶融３Ｄプリンタ６０は、図１〜図５を参照して説明した金属溶融３Ｄプリンタ５０により造形物１８を造形する機能を有し、さらに、図６を参照して説明したように、金属溶融３Ｄプリンタ６０により造形された造形物１８から、例えば、切削加工機(ＣＮＣ工作機械)を使用して二次加工を行うことで、最終的な製品(最終造形物１８Ｐ)を得ることもできる。また、図７を参照して説明したように、中間造形物１８Ｐに対してさらなる造形および加工を行って別の最終的な製品１８Ｐ'を得ることも可能である。なお、図１０および図１１において、図１〜図５を参照して説明したのと同様の個所(部品)には、同じ参照符号を付している。

図１０において、参照符号８０は、アーク溶接を適用した金属溶融３Ｄプリンタ６０において、アーク溶接に使用されるシールドガスを供給するガスホース、９０は、アーク溶接を行うために溶接機電源９からの電力を供給する電力ケーブル、そして、１は、制御用のコンピュータ(制御ユニット)を示す。

また、図１０において、参照符号６１は、トーチケーブルの曲率を大きく保持するスペースの確保および保持部品を実装するためのトーチケーブルサポート部、６２は、金属溶融３Ｄプリンタ６０(装置)の状態を表示する積層信号灯、６３は、非常停止スイッチ、そして、６４は、電磁ロックを備えた正面扉を示す。さらに、参照符号６５は、溶接電源のノイズを抑制するノイズフィルタ、６６は、冷却媒体貯蔵タンク１０の水位を示す水位メータ、そして、１００は、制御ユニット１のディスプレイを示す。なお、積層信号灯６２は、例えば、アラーム発生時に赤点灯するようになっており、また、正面扉６４は、例えば、装置通電時のアプリ操作により開錠できるようになっている。

図１１において、参照符号２０は、金属溶融３Ｄプリンタ６０を制御する制御盤、２００は、制御盤２０を冷却するための冷却ファン、そして、３００は、造形水槽６からの排水(冷却媒体ＣＷ：例えば、水)を冷却媒体貯蔵タンク１０に戻す排水経路に設けられ、その排水の塵埃等をろ過する排水フィルタを示す。また、参照符号２１は、例えば、三相２００Ｖを入力して三相２００Ｖと単相１００Ｖを出力する配電盤、２２は、溶接により発生した金属粉を含む排気を集塵機等に接続して排出する排気ダクトを示す。なお、図１０および図１１に示す金属溶融３Ｄプリンタおよび造形処理部は、単なる例であり、様々な変形および変更が可能なのはいうまでもない。また、本実施例の金属溶融３Ｄプリンタにより造形された造形物は、例えば、ＣＮＣ工作機械等の切削加工機による二次加工を行って最終的な製品が得られることになる。

図１２は、図１１に示す造形処理部における造形水槽を示す斜視図であり、図１３は、本発明に係る金属溶融３Ｄプリンタのワークテーブル装置の第２実施例を説明するための図である。ここで、図１３(a)は、第２実施例のワークテーブル装置５００を示す斜視図であり、図１３(b)は、図１３(a)に示すワークテーブル装置５００の駆動機構およびワークエリアＷＡを説明するための断面図である。

図１２，図１３(a)および図１３(b)に示されるように、ワークテーブル装置５００は、造形水槽６の内部において、ワークテーブル１２の上方に造形物を造形するためのものであり、Ａ軸駆動モータ(第１モータ)１３Ｍの回転がウォームギア(第１変換部)１３０によりＡ軸１３(水平面における所定方向の第１軸)に対する回転に変換され、さらに、Ｃ軸駆動モータ(第２モータ)１４Ｍの回転がウォームギア(第２変換部)１４０'によりＣ軸１４(ワークテーブルの面に対する法線方向の第２軸)に対する回転に変換される。ここで、第２モータ１４Ｍおよび第２変換部１４０'は、造形水槽６内の冷却媒体(水，ＷＣ)から防水するギアボックス１４４の内部に設けられている。

ワークテーブル１２(ワークテーブル１２の上面)が水平方向で造形物１８を造形する状態(水平状態)のとき、ギアボックス１４４は、例えば、第１軸(Ａ軸)１３に対して離間された位置(オフセットを持たせた位置)でゆりかご状のオフセットゆりかご部１２０の下方に取り付けられ、ワークテーブル１２は、オフセットゆりかご部１２０の上方に設けられる。ここで、ワークテーブル１２が水平状態のとき、ギアボックス１４４において、漏液センサ１４５は、ギアボックス１４４の底部内側に設けられ、第２モータ１４Ｍは、漏液センサ１４５よりも上方に取り付けられている。

このように、例えば、ワークテーブル１２が水平状態のとき、第２モータ１４Ｍを、漏液センサ１４５よりも上方に設けることにより、例えば、経年変化や取り付け不良によりギアボックス１４４の防水性能が低下して、冷却媒体がギアボックス１４４内に浸入した場合でも、ギアボックス１４４の底部内側に設けた漏液センサ１４５が漏洩をいち早く検出し、アラーム処理を行うと共に、造形物の造形処理を停止する。これにより、ギアボックス１４４の内部に取り付けた第２モータ１４Ｍが冷却媒体に接するのを防止するようになっている。

具体的に、漏液センサ１４５が漏洩を検出すると、例えば、ディスプレイ１００にその漏洩を表示すると共に、ポンプ３０，３０'および流量制御弁３１，３１'等を制御して造形水槽６内の冷却媒体の水位を最低水位まで低下させる。なお、図１３(b)において、漏液センサ１４５は、ワークテーブル１２が水平状態のとき、ギアボックス１４４の底部内側(第２モータ１４Ｍよりも下方)に設けられているが、例えば、ワークテーブル１２が垂直状態のときでも、第２モータ１４Ｍよりも下方となる位置に設けるのが好ましい。なお、図１３(b)から明らかなように、ギアボックス１４４の内部に設けた第２モータ(Ｃ軸駆動モータ)１４Ｍおよび漏液センサ１４５からの配線は、例えば、オフセットゆりかご部１２０における第１モータ(Ａ軸駆動モータ)１３Ｍおよびウォームギア１３０が設けられていない側(図１３(b)の左側)から取り出すことで、回転軸(Ａ軸１３)の配置に自由度を得ることができる。

ここで、ワークテーブル１２は、第１軸(Ａ軸)１３に対して離間された位置でワークテーブル１２を回転させるオフセットゆりかご部１２０に設けられている。すなわち、図１３(a)に示されるように、オフセットゆりかご部１２０は、ワークテーブル１２が水平状態のとき(ワークテーブル１２が垂直状態のときも同様)、ワークエリアＷＡのほぼ中央に位置するＡ軸１３に対して回転可能となっている。これにより、ワークテーブル１２が水平状態のときと垂直状態のときのワークエリアＷＡが重なる領域を大きくすることができ、造形水槽６の内部の限られた容積を有効に利用することができる。これは、例えば、前述した第１実施例のワークテーブル装置４００と比較して、ワークテーブル１２が正面扉６４(取り出し口)から近くなるため、金属溶融３Ｄプリンタを使用するオペレータの作業性を向上させることにもなる。

また、ワークテーブル１２をオフセットゆりかご部１２０に設けることにより、例えば、ワークテーブル１２が水平状態のとき、重量物を造形する場合でもワークテーブル１２を安定して保持することができる。さらに、Ｃ軸１４に対する回転機構に関して、第１実施例のワークテーブル装置４００では、ウォームギア１４０および傘歯車１４２を使用していたのが、本第２実施例のワークテーブル装置５００では、ウォームギア１４０だけにすることができるため、すなわち、減速ギア段数を少なくすることができるため、第１実施例と比較して、ワークテーブル１２のガタつきを低減することが可能である。なお、モータ１３Ｍ，１４Ｍは、例えば、ダイレクトドライブモータを採用してもよいのはもちろんである。

さらに、本第２実施例のワークテーブル装置５００において、Ａ軸１３に対する回転機構(ウォームギア１３０)は、実質的に、前述した第１実施例のワークテーブル装置４００と同様である。すなわち、モータ１３Ｍおよびウォームギア１３０は、造形水槽６の外部に設けられていて、造形水槽６内の冷却媒体に接することなく、また、駆動機構もウォームギア１３０だけなのでガタつきの発生を最小限とすることができる。

図１４は、図１３に示すワークテーブル装置の動作を説明するための図であり、図１４(a)は、ワークテーブル１２を水平状態(水平方向：例えば、図４の状態)と垂直状態(垂直方向：例えば、図７(b)の状態)として造形物を造形するときのワークエリアＷＡを説明するための図であり、図１４(b)は、保守部品(例えば、ギアボックス１４４の内部に設けたＣ軸駆動モータ１４Ｍ)を交換する様子を説明するための図である。

図１４(a)に示されるように、ワークテーブル１２が設けられたオフセットゆりかご部１２０は、ワークテーブル１２が水平状態のときと垂直状態のときで、ワークエリアＷＡがほぼ同じ大きさとなるように、Ａ軸(第１軸)１３がワークエリアＷＡのほぼ中央に位置するようにして回転制御される。すなわち、ワークテーブル１２が水平および垂直状態において、ワークエリアＷＡは、限られた造形水槽６の内部の容積を最大限に利用することができるようになっている。なお、図１４(a)において、参照符号１２１は、造形水槽６の内部に設けられ、ワークテーブル１２が水平状態のときに、ワークテーブル１２の上面とほぼ同じ高さの上面を有する桟橋(補助テーブル)を示し、例えば、正面扉(ワーク取り出し口)６４から造形物１８を取り出すときに、オペレータの作業を補助するためのものである。

また、図１４(b)に示されるように、例えば、ギアボックス１４４の内部に設けたＣ軸駆動モータ１４Ｍを保守点検(例えば、交換)する場合、Ａ軸駆動モータ１３Ｍおよびウォームギア１３０によりワークテーブル１２(オフセットゆりかご部１２０)を１８０度回転させ、オフセットゆりかご部１２０の下方に位置するギアボックス１４４を、オフセットゆりかご部１２０の上方に位置させる。これにより、例えば、保守点検を行うオペレータは、容易にギアボックス１４４を取り外して、例えば、ギアボックス１４４の内部に設けられたモータ１４Ｍを交換することができる。

図１５は、図１３に示すワークテーブル装置における液漏れ検出時の処理の一例を説明するためのフローチャートである。まず、ステップＳＴ１において、ギアボックス１４４の内部に設けた漏液センサ１４５が冷却媒体の漏洩を検出する(水有り)と判定すると、ステップＳＴ２に進んで、アラーム処理および造形処理の停止を行う。ここで、アラーム処理としては、例えば、積層信号灯６２を赤点灯させ、或いは、ディスプレイ１００に対してギアボックス１４４の漏洩を示すメッセージを表示する。

さらに、ステップＳＴ３に進んで、例えば、ポンプ３０，３０'および流量制御弁３１，３１'等を制御して造形水槽６内の冷却媒体の水位を最低水位まで低下させて、処理を終了する。なお、ステップＳＴ１において、ギアボックス１４４の内部に設けた漏液センサ１４５が冷却媒体の漏洩を検出しない(水無し)と判定すると、水有りと判定するまで、漏液センサ１４５による冷却媒体の漏洩検出処理を継続する。なお、図１５に示す処理は、単なる例であり、例えば、金属溶融３Ｄプリンタを集中制御する操作室に対してアラームを送付する等の様々な変更および変形が可能なのはいうまでもない。

以上、詳述したように、第１実施例のワークテーブル装置４００によれば、ワークテーブル１２の駆動モータ１３Ｍ，１４Ｍが冷却媒体に接するのを防止すると共に、ワークテーブル１２に対してＡ軸およびＣ軸の回転制御を行うことができる。また、第２実施例のワークテーブル装置５００によれば、ワークテーブル１２の駆動モータ１４Ｍは、ギアボックス１４４の内部ではあるが、造形水槽６の冷却媒体の中に設けられることになる。しかしながら、第２実施例のワークテーブル装置５００によれば、経年変化や取り付け不良によりギアボックス１４４の防水性能が低下しても漏液センサ１４５により漏洩を検出して処理するようになっている。これにより、第２実施例のワークテーブル装置５００によれば、ワークテーブル１２の駆動モータ１３Ｍ，１４Ｍが冷却媒体に接するのを防止すると共に、ワークテーブル１２に対してＡ軸およびＣ軸の回転制御を行うことができる。さらに、第２実施例のワークテーブル装置５００によれば、第１実施例と比較して、ワークエリアＷＡの大きさを拡大することができると共に、金属溶融３Ｄプリンタを使用するオペレータの作業性を向上させることもできる。さらに、第２実施例のワークテーブル装置５００によれば、第１実施例と比較して、ワークテーブル１２のガタつきも低減することができる。上述した第１および第２実施例のワークテーブル装置４００，５００は、溶材を溶融して積層することで造形物を造形する金属溶融３Ｄプリンタに対して幅広く適用することが可能である。

以上、実施形態を説明したが、ここに記載したすべての例や条件は、発明および技術に適用する発明の概念の理解を助ける目的で記載されたものであり、特に記載された例や条件は発明の範囲を制限することを意図するものではない。また、明細書のそのような記載は、発明の利点および欠点を示すものでもない。発明の実施形態を詳細に記載したが、各種の変更、置き換え、変形が発明の精神および範囲を逸脱することなく行えることが理解されるべきである。

１ 制御ユニット(コンピュータ)
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
７ ワイヤ供給装置
８ シールドガスボンベ
９ 溶接機電源
１０ 冷却媒体貯蔵タンク
１２ ワークテーブル
１３ Ａ軸(第１軸)
１３Ｍ Ａ軸駆動モータ(第１モータ)
１４ Ｃ軸(第２軸)
１４Ｍ Ｃ軸駆動モータ(第２モータ)
１５ ベースプレート
１６ スペーサ
１８ 造形物
１８Ｐ，１８Ｐ' 最終造形物(最終的な製品)
１９ 切削工具
２０ 制御盤
２７ 溶接ワイヤ
３０，３０' ポンプ
３１，３１' 流量制御弁
３２ 冷却ユニット
４５，５５ 造形処理部
５０，６０ 金属溶融３Ｄプリンタ
６１ トーチケーブルサポート部
６２ 積層信号灯
６３ 非常停止スイッチ
６４ 正面扉
６５ ノイズフィルタ
６６ 水位メータ
８０ ガスホース
９０ 電力ケーブル
１００ ディスプレイ
１２０ オフセットゆりかご部
１２１ 桟橋(補助テーブル)
１３０ ウォームギア(第１ウォームギア，第１変換部)
１４０ ウォームギア(第２ウォームギア)
１４０' ウォームギア(第２変換部)
１４１ 軸(第３軸)
１４２ 傘歯車
１４３，１４４ ギアボックス
１４５ 漏液センサ
２００ 冷却ファン
３００ 排水フィルタ
ＣＷ 冷却媒体(水)
ＷＡＨ、ＷＡＶ，ＷＡ ワークエリア
ＷＬ 液面
ＷＳ 溶接面

Claims (13)

1. 溶材を溶融して積層することで造形物を造形する金属溶融３Ｄプリンタのワークテーブル装置であって、
   造形水槽内に設けられ、その上方に前記造形物を造形するワークテーブルと、
   第１モータによる回転を、水平面における所定方向の第１軸に対して前記ワークテーブルを回転させるように変換する第１変換部と、
   第２モータによる回転を、前記ワークテーブルの面に対する法線方向の第２軸に対して前記ワークテーブルを回転するように変換する第２変換部と、
   前記第２変換部が内部に設けられ、前記造形水槽内の冷却媒体から防水するギアボックスと、
   前記ギアボックスの内側に設けられた漏液センサと、を有し、
   前記第２モータを、前記ギアボックスの内部であって、前記漏液センサが前記冷却媒体による漏洩を検出する位置よりも高い位置に設ける、
   ことを特徴とする金属溶融３Ｄプリンタのワークテーブル装置。
2. さらに、
   前記ギアボックスが取り付けられ、前記ワークテーブルを、前記第１軸に対して離間された位置で回転させるオフセットゆりかご部を有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の金属溶融３Ｄプリンタのワークテーブル装置。
3. 前記オフセットゆりかご部は、前記ワークテーブルの上方に前記造形物を造形するワークエリアのほぼ中央に位置する前記第１軸に対して回転可能である、
   ことを特徴とする請求項２に記載の金属溶融３Ｄプリンタのワークテーブル装置。
4. 前記オフセットゆりかご部は、前記ギアボックスの保守点検を行う場合、前記第１軸に対してほぼ１８０度回転可能となっている、
   ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の金属溶融３Ｄプリンタのワークテーブル装置。
5. 前記ワークテーブルが水平方向で前記造形物を造形する状態のとき、
   前記ギアボックスは、前記ワークテーブルの下方に位置し、
   前記ギアボックスにおいて、前記漏液センサを、前記ギアボックスの底部内側に設け、前記第２モータは、前記漏液センサよりも上方に取り付ける、
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の金属溶融３Ｄプリンタのワークテーブル装置。
6. 前記第１変換部は、前記造形水槽の外部に設けられた第１ウォームギアを含み、
   前記第２変換部は、前記ギアボックスの内部に設けられた第２ウォームギアを含む、
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の金属溶融３Ｄプリンタのワークテーブル装置。
7. 溶接トーチの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適用し、前記溶接ワイヤを溶融して積層することで造形物を造形する金属溶融３Ｄプリンタであって、
   請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の金属溶融３Ｄプリンタのワークテーブル装置を有する、
   ことを特徴とする金属溶融３Ｄプリンタ。
8. 前記漏液センサが漏液を検出したとき、アラーム処理を行うと共に、前記造形物の造形処理を停止する、
   ことを特徴とする請求項７に記載の金属溶融３Ｄプリンタ。
9. 前記漏液センサが漏液を検出したとき、前記造形水槽内の前記冷却媒体の水位を最低水位まで低下させる、
   ことを特徴とする請求項８に記載の金属溶融３Ｄプリンタ。
10. 溶材を溶融して積層することで造形物を造形する金属溶融３Ｄプリンタのワークテーブル装置であって、
    造形水槽内に設けられ、その上方に前記造形物を造形するワークテーブルと、
    前記造形水槽の外部に設けられた第１モータによる回転を、水平面における所定方向の第１軸に対して前記ワークテーブルを回転させるように変換する第１変換部と、
    前記造形水槽の外部に設けられた第２モータによる回転を、前記ワークテーブルの面に対する法線方向の第２軸に対して前記ワークテーブルを回転するように変換する第２変換部と、を有し、
    前記第１モータおよび前記第２モータを、前記造形水槽の外部に設ける、
    ことを特徴とする金属溶融３Ｄプリンタのワークテーブル装置。
11. 前記第１変換部は、前記造形水槽の外部に設けられた第１ウォームギアを含み、
    前記第２変換部は、前記造形水槽の外部に設けられた第２ウォームギア、および、前記造形水槽の内部に設けられた傘歯車を含む、
    ことを特徴とする請求項１０に記載の金属溶融３Ｄプリンタのワークテーブル装置。
12. 前記ワークテーブルが水平方向で前記造形物を造形する状態のとき、
    前記傘歯車は、前記ワークテーブルの下方に位置するギアボックスの内部に設けられ、
    前記第１ウォームギアと前記ワークテーブルをつなぐ前記第１軸は、前記第２ウォームギアと前記傘歯車をつなぐ第３軸と同じ軸方向となっている、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の金属溶融３Ｄプリンタのワークテーブル装置。
13. 溶接トーチの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適用し、前記溶接ワイヤを溶融して積層することで造形物を造形する金属溶融３Ｄプリンタであって、
    請求項１０乃至請求項１２のいずれか１項に記載の金属溶融３Ｄプリンタのワークテーブル装置を有する、
    ことを特徴とする金属溶融３Ｄプリンタ。

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