JP2020116621A - 積層造形物の製造方法及び積層造形物 - Google Patents

Abstract

【課題】溶着ビードを積層して造形体を造形する際に、造形体に容易に空洞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。【解決手段】棒状の軸体４１と、軸体４１の外周に、溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードを層状に積層してなる造形体４３とを備え、軸体４１の軸方向に沿って延伸する軸方向空洞である連通路４７が造形体４３に形成された積層造形物Ｗの製造方法であって、軸体４１の外周に溶着ビードを積層させて造形体４３を造形する際に、連通路４７となる空間部を有するサポート部材を、予め軸体４１の軸方向に沿って軸体４１の外周面に装着させるサポート部材装着工程を行う。【選択図】図４

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。

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。

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）。

特開２０００−１５３６３号公報

例えば、溶着ビードを積層させて製造する造形物として、ミキサーやポンプなどのロータを造形する場合、軸体の周囲に溶着ビードを積層して造形体を造形し、その後、造形体の周囲を切削する。
ところで、内部に冷却媒体を循環させる冷却室や流路等の空洞を有するロータ等の造形物は、後工程で空洞を切削等によって形成するのが困難である。このため、空洞を有する造形物を積層造形によって製造する場合、造形体の造形時に空洞を容易に形成する技術が要求される。

本発明は、上記事項に鑑みてなされたものであり、その目的は、溶着ビードを積層して造形体を造形する際に、造形体に容易に空洞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。

本発明は下記構成からなる。
（１） 棒状の軸体と、前記軸体の外周に、溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードを層状に積層してなる造形体とを備え、前記軸体の軸方向に沿って延伸する軸方向空洞が前記造形体に形成された積層造形物の製造方法であって、
前記軸体の外周に前記溶着ビードを積層させて前記造形体を造形する際に、前記軸方向空洞となる空間部を有するサポート部材を、予め前記軸体の軸方向に沿って前記軸体の外周面に装着させるサポート部材装着工程を行う
積層造形物の製造方法。
（２） 棒状の軸体と、
前記軸体の外周に、溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードを層状に積層してなる造形体と、
を備えた積層造形物であって、
前記造形体には、
空間部を有するサポート部材が前記軸体の軸方向に沿って設けられ、
前記サポート部材の前記空間部によって、軸方向へ延伸する軸方向空洞が形成されている
積層造形物。

本発明によれば、溶着ビードを積層して造形体を造形する際に、造形体に容易に空洞を形成することができる。

本発明の製造方法で製造する積層造形物の概略斜視図である。 積層造形物の造形体に形成された空洞を説明する模式的な斜視図である。 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。 積層造形物を製造する際の領域設定の仕方を説明する積層造形物の軸方向に沿う断面図である。 積層造形物の造形体の形成手順を示す製造途中の積層造形物の軸方向に沿う概略断面図である。 積層造形物の造形体の形成手順を示す製造途中の積層造形物の軸方向に沿う概略断面図である。 積層造形物の造形体の形成手順を示す製造途中の積層造形物の軸方向に沿う概略断面図である。 積層造形物の造形体の形成手順を示す製造途中の積層造形物の軸方向に沿う概略断面図である。 積層造形物の造形体の形成手順を示す製造途中の積層造形物の軸方向に沿う概略断面図である。 積層造形物の造形体の形成手順を示す製造途中の積層造形物の領域Ａ２における軸方向と直交する方向に沿う概略断面図である。 積層造形物の造形体の形成手順を示す製造途中の積層造形物の領域Ａ２における軸方向と直交する方向に沿う概略断面図である。 積層造形物の造形体の形成手順を示す製造途中の積層造形物の領域Ａ２における軸方向と直交する方向に沿う概略断面図である。 積層造形物の造形体の形成手順を示す製造途中の積層造形物の領域Ａ２における軸方向と直交する方向に沿う概略断面図である。 積層造形物の造形体の形成手順を示す製造途中の積層造形物の領域Ａ２における軸方向と直交する方向に沿う概略断面図である。 軸体に装着するサポート部材の斜視図である。 軸体に装着する他の形状のサポート部材の斜視図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の製造方法で製造する積層造形物の概略斜視図である。図２は積層造形物の造形体に形成された空洞を説明する模式的な斜視図である。

図１及び図２に示すように、積層造形物Ｗは、軸体４１と、造形体４３とを有しており、軸体４１の外周に造形体４３が造形されている。この積層造形物Ｗは、例えば、ミキサーやポンプなどのロータとして用いられる。

軸体４１は、例えば、鋼棒等の断面円形の丸棒体である。この軸体４１の外周に造形された造形体４３は、断面視において楕円形状に形成されており、両端部での楕円の長軸の向きに対して中央部での楕円の向きが直交されている。また、両端部と中央部との間では、楕円の向きが連続的に変化されている。この造形体４３は、軸体４１の周囲に周方向へ複数の溶着ビードを形成して積層させ、さらに切削加工を行うことで形成されている。

造形体４３は、複数の冷却室（周方向空洞）４５が形成されている。これらの冷却室４５は、軸方向に間隔をあけて設けられている。冷却室４５は、軸方向に直交する断面において、造形体４３の外形よりも小さい内形を有している。また、造形体４３は、複数の連通路（軸方向空洞）４７を有している。連通路４７は、軸体４１の軸方向に沿って設けられており、冷却室４５で開口されている。これにより、冷却室４５は、連通路４７を介して互いに連通されている。造形体４３に冷却室４５及び連通路４７が設けられた積層造形物Ｗでは、冷却室４５及び連通路４７に冷却水等の冷却媒体が充填される。そして、この冷却媒体が冷却室４５及び連通路４７へ流れることで、積層造形物Ｗが冷却される。

次に、上記の積層造形物Ｗの造形体４３を製造する製造システムについて説明する。図３は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。

図３に示すように、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。

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２１とを有する。トーチ１７は、溶加材Ｍを先端から突出した状態に保持する。

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。

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。

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。本構成で用いら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。

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２１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、溶加材Ｍの溶融凝固体である線状の溶着ビードが形成される。

なお、溶加材Ｍを溶融させる熱源としては、上記したアークに限らない。例えば、アークとレーザとを併用した加熱方式、プラズマを用いる加熱方式、電子ビームやレーザを用いる加熱方式等、他の方式による熱源を採用してもよい。電子ビームやレーザにより加熱する場合、加熱量を更に細かく制御でき、溶着ビードの状態をより適正に維持して、積層構造物の更なる品質向上に寄与できる。

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。

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。

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るとともに、軸体４１を軸回りに回動させながら、溶融した溶加材Ｍからなる溶着ビードをトーチ１７によって軸体４１の周囲に積層させる。これにより、軸体４１の外周に溶着ビードからなる造形体４３が造形された積層造形物Ｗを製造する。この積層造形物Ｗは、造形体４３の造形後に切削加工を施すことで設計された外形に形成される。軸体４１は、その両端が、ベース２３上に設けられた支持部２５に支持されて回動可能とされている。

次に、軸体４１の周囲に溶着ビードを積層させて造形体４３を造形して積層造形物Ｗを製造する場合について説明する。
図４は積層造形物を製造する際の領域設定の仕方を説明する積層造形物の軸方向に沿う断面図である。図５Ａ〜図５Ｅは積層造形物の造形体の形成手順を示す製造途中の積層造形物の軸方向に沿う概略断面図である。図６Ａ〜図６Ｅは積層造形物の造形体の形成手順を示す製造途中の積層造形物の領域Ａ２における軸方向と直交する方向に沿う概略断面図である。図７は軸体に装着するサポート部材の斜視図である。

（領域設定工程）
製造する積層造形物Ｗの３次元形状データである最終製品ＣＡＤデータに基づいて、製造する積層造形物Ｗを、軸方向の複数の領域に分割する。具体的には、図４に示すように、造形体４３が溶着ビードのみで形成される領域Ａ１、造形体４３が周方向空洞である冷却室４５と溶着ビードとで形成される領域Ａ２及び造形体４３が軸方向空洞である連通路４７と溶着ビードとで形成される領域Ａ３に分割する。

（造形体形成工程）
３次元形状データを複数種類の領域Ａ１〜Ａ３に分割した造形体４３を、軸体４１を回動させながら軸体４１の外周面に溶着ビードを積層させることで造形する。

次に、この造形体４３を造形する造形体形成工程を詳述する。
（１）サポート部材装着工程
図５Ａ及び図６Ａに示すように、連通路４７を形成する領域Ａ３において、軸体４１の外周面にサポート部材５１を装着させる。図７に示すように、サポート部材５１は、平板部５３と、平板部５３の両側縁から同一方向に向かって突設する一対の側板部５５とを有する断面視Ｃ字状のチャンネル材である。このサポート部材５１は、例えば、金属、カーボンあるいはセラミックなどから形成されている。このサポート部材５１は、平板部５３と側板部５５とで囲われた空間部Ｓを有しており、この空間部Ｓは、平板部５３と反対側である一方側が開放されている。このサポート部材５１を、その空間部Ｓの開放側を軸体４１に向けて軸体４１の軸方向に沿って配設する。そして、軸体４１とサポート部材５１の側板部５５との接触箇所に積層造形装置１１のトーチ１７によって溶着ビードを形成し、軸体４１の周面に配設したサポート部材５１を軸体４１に固定する。これにより、軸体４１の外周面にサポート部材５１を装着させる。なお、サポート部材５１は、軸体４１に対して接着材によって接着固定してもよい。

（２）造形部形成工程
図５Ｂ及び図６Ｂに示すように、周方向空洞である冷却室４５の形成予定位置を除く位置に溶着ビードＢを積層させて造形部６１を形成する。具体的には、軸体４１を回動させながら、冷却室４５を形成する領域Ａ２を除く領域Ａ１，Ａ３に、トーチ１７によって軸体４１の外周面に溶着ビードＢを周方向に沿って形成して積層させ、溶着ビードＢからなる造形部６１を造形する。このとき、造形部６１における冷却室４５側の壁面６１ａが冷却室４５の最外周よりも外周側に達するように造形部６１を形成する。

（３）閉塞部材装着工程
図５Ｃ及び図６Ｃに示すように、まず、造形部６１における冷却室４５の形成予定位置側の互いに対向する壁面６１ａに、周方向へわたってトーチ１７によって支持用溶着ビードＢｓを形成する。この支持用溶着ビードＢｓは、冷却室４５の最外周に沿って、最外周よりも僅かに内周側に形成する。なお、この支持用溶着ビードＢｓは、全周に沿って間欠的に形成してもよい。

図５Ｄ及び図６Ｄに示すように、領域Ａ２に長尺の板状に形成された可撓性を有する閉塞部材６５を巻き付けて支持用溶着ビードＢｓに支持させる。この閉塞部材６５は、例えば、金属、カーボンあるいはセラミック等から形成されたもので、領域Ａ２の幅寸法よりも僅かに小さい幅寸法を有している。この閉塞部材６５を領域Ａ２に巻き付けることで、この閉塞部材６５によって冷却室４５の外周側が閉塞される。なお、閉塞部材６５としては、網状に形成されたものでもよい。

（４）ビード積層工程
図６Ｅに示すように、領域Ａ２において、閉塞部材６５の外周側にトーチ１７によってカバー用溶着ビードＢｃを積層させる。このカバー用溶着ビードＢｃは、造形部６１を造形する際の溶着ビードＢよりも低い入熱量で形成する溶着ビードである。そして、このカバー用溶着ビードＢｃを閉塞部材６５の外周側に積層させたら、図５Ｅに示すように、全ての領域Ａ１〜Ａ３にトーチ１７によって溶着ビードＢを形成して積層させて造形体４３を形成する。

（切削工程）
軸体４１の外周に造形体４３を造形させたら、造形体４３の外周を切削加工装置等によって切削し、最終製品形状に形成する。

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、軸方向空洞である連通路４７となる空間部Ｓを有するサポート部材５１を軸体４１の軸方向に沿って軸体４１の外周面に予め装着させて溶着ビードＢを積層させ、造形体４３を形成する。これにより、軸体４１の軸方向に沿って延伸する軸方向空洞である連通路４７が造形体４３に形成された積層造形物Ｗを容易に製造することができる。

これにより、姿勢を容易に変更することができない大型の造形物を製造する場合であっても、造形物に流路等として用いられる軸方向空洞を容易にかつ高精度に形成することができる。

そして、本実施形態に係る製造方法で製造された積層造形物Ｗによれば、軸体４１の軸方向に沿って設けられたサポート部材５１の空間部Ｓからなる連通路４７が造形体４３に設けられている。これにより、連通路４７を冷却水などの冷却媒体を通す流路として用いることができる。つまり、互いに連通された冷却室４５及び連通路４７に冷却水などの冷却媒体を流して冷却することが可能な積層造形物Ｗを提供できる。

特に、断面視Ｃ字状の安価なチャンネル材をサポート部材５１として用いるので、軸方向空洞である連通路４７を有する積層造形物Ｗを安価に製造することができる。

しかも、サポート部材５１は、軸体４１の外周面に配置させて軸体４１との接触箇所に溶着ビードＢを形成することで、容易にかつ迅速に軸体４１へ固定することができる。これにより、造形体４３の造形作業を効率的に行うことができる。

このように、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。

例えば、軸体４１に装着するサポート部材５１としては、図８に示すように、平面視Ｔ字状に形成されたものを用いてもよい。このサポート部材５１は、軸方向空洞である連通路４７を形成する軸空洞形成部５１ａと、周方向空洞である冷却室４５に配置される周空洞形成部５１ｂとを有している。そして、このサポート部材５１を用いる場合、サポート部材装着工程において、軸方向空洞である連通路４７の形成位置に軸空洞形成部５１ａを配置させ、周方向空洞である冷却室４５の形成位置に周空洞形成部５１ｂを配置させる。

このようにすれば、サポート部材５１の軸空洞形成部５１ａによって連通路４７を容易に形成することができ、しかも、冷却室４５に対してサポート部材５１の周空洞形成部５１ｂの空間部Ｓを連通させることができる。これにより、冷却室４５と連通路４７とがサポート部材５１の空間部Ｓによって確実に連通された積層造形物Ｗを製造することができる。

以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
（１） 棒状の軸体と、前記軸体の外周に、溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードを層状に積層してなる造形体とを備え、前記軸体の軸方向に沿って延伸する軸方向空洞が前記造形体に形成された積層造形物の製造方法であって、
前記軸体の外周に前記溶着ビードを積層させて前記造形体を造形する際に、前記軸方向空洞となる空間部を有するサポート部材を、予め前記軸体の軸方向に沿って前記軸体の外周面に装着させるサポート部材装着工程を行う
積層造形物の製造方法。
この積層造形物の製造方法によれば、軸方向空洞となる空間部を有するサポート部材を軸体の軸方向に沿って軸体の外周面に予め装着させて溶着ビードを積層させ、造形体を形成する。これにより、軸体の軸方向に沿って延伸する軸方向空洞が造形体に形成された積層造形物を容易に製造することができる。
これにより、姿勢を容易に変更することができない大型の造形物を製造する場合であっても、造形物に流路等として用いられる軸方向空洞を容易にかつ高精度に形成することができる。

（２） 前記サポート部材は、前記空間部の一方側が開放した断面視Ｃ字状のチャンネル材であり、
前記サポート部材装着工程において、前記空間部の開放側を前記軸体の外周面に向けて前記サポート部材を軸方向に沿って配設する
（１）に記載の積層造形物の製造方法。
この積層造形物の製造方法によれば、断面視Ｃ字状の安価なチャンネル材をサポート部材として用いるので、軸方向空洞を有する積層造形物を安価に製造することができる。

（３） 前記サポート部材装着工程において、前記軸体の外周面に配置させた前記サポート部材と前記軸体との接触箇所に、前記溶着ビードを形成して前記サポート部材を前記軸体に固定する
（１）または（２）に記載の積層造形物の製造方法。
この積層造形物の製造方法によれば、軸体の外周面に配置させたサポート部材を溶着ビードによって容易にかつ迅速に軸体へ固定することができる。これにより、造形体の造形作業を効率的に行うことができる。

（４） 前記造形体は、前記軸方向空洞と連通する軸回りに広がる周方向空洞を有し、
前記サポート部材は、前記軸方向空洞となる空間部を有する軸空洞形成部と、前記周方向空洞となる空間部を有する周空洞形成部とを有し、
前記サポート部材装着工程において、前記軸方向空洞の形成位置に前記軸空洞形成部を配置させ、前記周方向空洞の形成位置に前記周空洞形成部を配置させる
（１）〜（３）のいずれか一つに記載の積層造形物の製造方法。
この積層造形物の製造方法によれば、サポート部材の軸空洞形成部によって軸方向空洞を容易に形成することができる。しかも、サポート部材の周空洞形成部を周方向空洞の形成位置に配置させることで、造形体に形成する周方向空洞に対してサポート部材の周空洞形成部の空間部を連通させることができる。これにより、周方向空洞と軸方向空洞とがサポート部材の空間部によって確実に連通された積層造形物を製造することができる。

（５） 棒状の軸体と、
前記軸体の外周に、溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードを層状に積層してなる造形体と、
を備えた積層造形物であって、
前記造形体には、
空間部を有するサポート部材が前記軸体の軸方向に沿って設けられ、
前記サポート部材の前記空間部によって、軸方向へ延伸する軸方向空洞が形成されている
積層造形物。
この積層造形物によれば、軸体の軸方向に沿って設けられたサポート部材の空間部からなる軸方向空洞が造形体に設けられている。これにより、軸方向空洞を冷却水などの冷却媒体を通す流路として用いることができる。

（６） 前記造形体は、前記軸方向空洞と連通する軸回りに広がる周方向空洞を有し、前記周方向空洞と前記軸方向空洞とが互いに連通されている
（５）に記載の積層造形物。
この積層造形物によれば、互いに連通された周方向空洞及び軸方向空洞に冷却水などの冷却媒体を流して冷却することが可能な積層造形物を提供できる。

４１ 軸体
４３ 造形体
４５ 冷却室（周方向空洞）
４７ 連通路（軸方向空洞）
５１ サポート部材
５１ａ 軸空洞形成部
５１ｂ 周空洞形成部
Ｂ 溶着ビード
Ｍ 溶加材
Ｓ 空間部
Ｗ 積層造形物

Claims (6)

1. 棒状の軸体と、前記軸体の外周に、溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードを層状に積層してなる造形体とを備え、前記軸体の軸方向に沿って延伸する軸方向空洞が前記造形体に形成された積層造形物の製造方法であって、
   前記軸体の外周に前記溶着ビードを積層させて前記造形体を造形する際に、前記軸方向空洞となる空間部を有するサポート部材を、予め前記軸体の軸方向に沿って前記軸体の外周面に装着させるサポート部材装着工程を行う
   積層造形物の製造方法。
2. 前記サポート部材は、前記空間部の一方側が開放した断面視Ｃ字状のチャンネル材であり、
   前記サポート部材装着工程において、前記空間部の開放側を前記軸体の外周面に向けて前記サポート部材を軸方向に沿って配設する
   請求項１に記載の積層造形物の製造方法。
3. 前記サポート部材装着工程において、前記軸体の外周面に配置させた前記サポート部材と前記軸体との接触箇所に、前記溶着ビードを形成して前記サポート部材を前記軸体に固定する
   請求項１または請求項２に記載の積層造形物の製造方法。
4. 前記造形体は、前記軸方向空洞と連通する軸回りに広がる周方向空洞を有し、
   前記サポート部材は、前記軸方向空洞となる空間部を有する軸空洞形成部と、前記周方向空洞となる空間部を有する周空洞形成部とを有し、
   前記サポート部材装着工程において、前記軸方向空洞の形成位置に前記軸空洞形成部を配置させ、前記周方向空洞の形成位置に前記周空洞形成部を配置させる
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の積層造形物の製造方法。
5. 棒状の軸体と、
   前記軸体の外周に、溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードを層状に積層してなる造形体と、
   を備えた積層造形物であって、
   前記造形体には、
   空間部を有するサポート部材が前記軸体の軸方向に沿って設けられ、
   前記サポート部材の前記空間部によって、軸方向へ延伸する軸方向空洞が形成されている
   積層造形物。
6. 前記造形体は、前記軸方向空洞と連通する軸回りに広がる周方向空洞を有し、前記周方向空洞と前記軸方向空洞とが互いに連通されている
   請求項５に記載の積層造形物。

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