JP2020196020A - 金属付加製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ワークの複数の所定位置に対し効率的に肉盛りの形成が可能であるとともに、簡易で低コストにレーザ光に対する安全対策が行える金属付加製造装置を提供する。【解決手段】金属付加製造装置１によれば、基台１０と、ワークＷの所定位置に金属粉末ＭＰを供給する粉末供給装置３０と、造形光ビームＬを照射し基台１０に対して移動不能に固定された照射部２６を備える造形光ビーム照射装置２０と、母材Ｗを把持し、且つ、基台１０に対して移動可能なワーク保持装置４０と、粉末供給装置３０による金属粉末ＭＰの供給、造形光ビーム照射装置２０によるレーザ光Ｌの照射及びワーク保持装置４０による母材Ｗの移動を制御する制御装置５０とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、金属付加製造装置に関する。

従来、金属付加製造装置を用い、ワーク（母材）の所定位置に対して、粉末金属やワイヤ状の金属等を供給するとともにレーザ照射を行ない、供給した金属を溶融させ、その後、固化させて肉盛り（金属付加）を行なう方法が知られている（例えば、特許文献１、２等参照）。特許文献１では、固定の照射部から照射されるレーザ光によって、固定の供給装置から供給した金属粉末を溶融させた後、固化させ、所定位置であるシリンダヘッド（ワーク）のバルブシート部に肉盛りを行なう。

また、特許文献２では、固定の照射部から照射されるレーザ光によって、固定のワイヤ供給装置から供給した金属ワイヤを溶融させた後、固化させ、所定位置であるパイプ（ワーク）の外周面に肉盛りを行なう。このとき、パイプは軸線回りに回転しながら肉盛りされるため、パイプの外周面周方向における全周に肉盛が形成される。

しかしながら、特許文献１、２の技術では、レーザ照射部及び供給装置は何れも固定されている。また、各レーザ照射部は、下方に位置し対向するワークの所定位置に向ってレーザ光を照射するのみである。また、各ワークは、レーザ照射部及び供給装置に対する相対位置が自在に変更可能な構成にはなっていない。

このため、肉盛りすべき所定位置が、追加された場合、既存のレーザ照射部及び供給装置のみでは対応できず、レーザ照射部及び供給装置を必要な分だけ余分に設ける必要がある。このとき、複数の所定位置に対し効率的に肉盛りを行なうためには、レーザ照射部及び供給装置を余分に設けるのではなく、レーザ照射部及び供給装置を一台で構成するとともに、可動式とする方法が考えられる。

特開２００８−１４９３２６号公報 特開２０１６−１２８１９０号公報

しかしながら、可動式のレーザ照射部は、移動中の位置及び姿勢に応じて、様々な方向にレーザ光の照射が可能である。このため、照射されるレーザ光に対して、適切な安全対策を講じようとした場合、例えば、広い範囲にわたる遮蔽板を備える等、複雑で高価な対策が必要となる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、ワークの複数の所定位置に対し効率的に肉盛りの形成が可能であるとともに、簡易で低コストにレーザ光に対する安全対策が行える金属付加製造装置を提供することを目的とする。

本発明に係る金属付加製造装置は、ワークの所定位置に金属粉末を供給し、前記所定位置に供給された前記金属粉末に造形光ビームを照射することにより前記ワークに付加製造を施す。金属付加製造装置は、基台と、前記ワークの前記所定位置に前記金属粉末を供給する粉末供給装置と、前記造形光ビームを照射し前記基台に対して移動不能に固定された照射部を備える造形光ビーム照射装置と、前記ワークを把持し、且つ、前記基台に対して前記ワークの移動が可能なワーク保持装置と、前記粉末供給装置による前記金属粉末の供給、前記造形光ビーム照射装置による前記造形光ビームの照射及び前記ワーク保持装置による前記ワークの移動を制御する制御装置とを備える。

このように、ワークを把持し、且つ基台に対して移動可能なワーク保持装置を設けたことにより、造形光ビーム照射装置を固定としたままで、ワーク側を相対移動させ、ワークにおける複数の所定位置に肉盛り（付加製造）を効率的に施すことができる。このとき、造形光ビーム照射装置は固定された状態で保持されるため、レーザ光の照射方向は常に一定方向に維持されるため、レーザ光の照射に対する安全対策が簡易にできる。

第一実施形態に係る金属付加製造装置の全体構成図である。 第一実施形態に係る金属付加製造装置の第一状態におけるレーザトーチ２２先端部の拡大図である。 第一実施形態に係る金属付加製造装置によって母材Ｗに付加製造を施して肉盛りを形成する場合のフローチャートである。 第一実施形態に係る金属付加製造装置の第二状態におけるレーザトーチ２２先端部の拡大図である。 第二実施形態に係る金属付加製造装置の全体構成図である。 母材Ｗの把持方法における変形態様１を説明する図である。 母材Ｗの把持方法における変形態様２を説明する図である。

以下、本発明に係る金属付加製造装置の実施形態について説明する。なお、具体的には、本実施形態における金属付加製造装置は、ワークである母材Ｗの所定位置に金属粉末ＭＰを供給し、供給した金属粉末ＭＰに造形光ビームを照射することにより、母材Ｗに付加製造を施して肉盛りを行なうレーザクラッド装置である。従って、以降の説明においては、金属付加製造装置をレーザクラッド装置１と称して説明する。

（１．第一実施形態）
（１−１．概要）
まず、第一実施形態に係るレーザクラッド装置１の概要について説明する。レーザクラッド装置１は、円筒状の母材Ｗの内周面Ｗ１及び外周面Ｗ２の各所定位置に金属のレーザクラッド層（肉盛層）を形成する装置である。本実施形態では、例えば、スズ系金属のレーザクラッド層を内周面Ｗ１、及び外周面Ｗ２に形成する例について説明する。なお、スズ系金属とは、スズ（Ｓｎ）、及びスズを主成分とするスズ合金である。スズ合金としては、例えば、スズとともに、銅（Ｃｕ）、鉛（Ｐｂ）、亜鉛（Ｚｎ）、銀（Ａｇ）、ビスマス等の金属を組成とするものを挙げることができ、何れを適用してもよい。

上述したように、母材Ｗは、内周面Ｗ１と外周面Ｗ２とを有する円筒状部材（筒状のワークに相当する）である。本実施形態においては、母材Ｗとして、クロムモリブデン鋼（ＳＣＭ鋼）等の鉄系金属材料からなり、研削盤等の軸を回転可能に支承する軸受金を例に挙げる。ただし、母材Ｗは、軸受金に限られるものではなく、どのような用途に用いられるものでもよい。

（１−２．レーザクラッド装置１の構成）
第一実施形態に係るレーザクラッド装置１の構成について説明する。図１は、第一実施形態に係るレーザクラッド装置１の構成、及び母材Ｗとの位置関係を示す全体構成図である。図２は、レーザクラッド装置１によって、肉盛りが母材Ｗの内周面Ｗ１の所定位置に形成される際のレーザトーチ２２の先端部の拡大図である。

レーザクラッド装置１は、図１に示すように、基台１０、造形光ビーム照射装置２０、粉末供給装置３０、ワーク保持装置４０、及び制御装置５０を備える。基台１０は、床ＦＬ上に固定され、基台１０の面板上に造形光ビーム照射装置２０、粉末供給装置３０の一部及びワーク保持装置４０が支持される。

（１−２−１．造形光ビーム照射装置２０）
造形光ビーム照射装置２０は、図１、図２に示すように、上述したレーザトーチ２２、レーザ発振器２１、光学系ユニット２４及び照射部２６を備える。レーザトーチ２２は、円筒状のトーチ本体２３、及びトーチ本体２３に固定される長軸で円筒状（筒状）のノズル２８を備える。

レーザ発振器２１は、トーチ本体２３の基端側の外周面に取り付けられて、レーザ光Ｌ（造形光ビームに相当する）をレーザトーチ２２の径方向内側へ出射する。レーザ発振器２１は、レーザ光Ｌの照射出力を調整することができる。具体的には、後に詳述するように、制御装置５０が、予め設定されたデータに基づいてレーザ発振器２１を制御することによりレーザ光Ｌの出力が調整される。

光学系ユニット２４は、レーザトーチ２２内、即ちトーチ本体２３及びノズル２８内に配置される。また、レーザトーチ２２は、図１に示す取付部材２７を介して基台１０に移動不能に固定される。図２に示すように、ノズル２８の先端近傍における下側の面にはレーザ光Ｌの出射口２５が形成される。このとき、出射口２５を含むノズル２８の先端部を照射部２６と称す。照射部２６は、ノズル２８、トーチ本体２３及び取付部材２７等を介して基台１０に移動不能に固定される。

光学系ユニット２４は、第一反射部２４ａ、コリメーションレンズ２４ｂ、フォーカスレンズ２４ｃ及び第二反射部２４ｄを備える。第一反射部２４ａは、トーチ本体２３の基端側の内部に配置され、レーザ発振器２１から出射された径方向のレーザ光Ｌを軸方向先端側へ反射させる。コリメーションレンズ２４ｂは、凸レンズであって、第一反射部２４ａによって反射され拡散しながら入射したレーザ光Ｌを平行光に変換し、フォーカスレンズ２４ｃへ導く。フォーカスレンズ２４ｃは、凸レンズであって、コリメーションレンズ２４ｂによって平行光に変換されたレーザ光Ｌを集光して収束光に変換し、第二反射部２４ｄへ導く。なお、上記態様に限らず、コリメーションレンズ２４ｂ及びフォーカスレンズ２４ｃをそれぞれ複数配置する構成としてもよい。

第二反射部２４ｄは、出射口２５が配置されたノズル２８の先端近傍の内部に配置され、コリメーションレンズ２４ｂ、フォーカスレンズ２４ｃを経て集光されたレーザ光Ｌを斜め下向きに反射させる。具体的には、第二反射部２４ｄは、図２に示すように、入射したレーザ光Ｌを、例えばノズル２８の軸線（方向）に対して下向きの角度θＬ方向へ反射させ、出射口２５を通して母材Ｗの内周面Ｗ１（又は外周面Ｗ２）における所定位置に照射する。角度θＬは、例えば、１２０°に設定してもよい。これにより、照射部２６は、図２に示すように出射口２５から、ノズル２８の軸線と所定の角度を有して交差する方向にレーザ光Ｌを母材Ｗの所定位置（レーザ光照射面）に照射する。

（１−２−２．粉末供給装置３０）
図１に示すように、粉末供給装置３０は、金属粉末貯留ユニット３２、粉末供給ユニット３３、供給部３１及び配管３４を備える。金属粉末貯留ユニット３２及び粉末供給ユニット３３は、例えば、床上ＦＬに固定される。そして、金属粉末貯留ユニット３２には、供給部３１から母材Ｗの内周面Ｗ１（又は外周面Ｗ２）における所定位置に噴射する金属粉末ＭＰが貯留される。

粉末供給ユニット３３は、制御装置５０と電気的に接続されるとともに、金属粉末貯留ユニット３２と配管３４の一部である第一配管３４ａによって接続される。そして、粉末供給ユニット３３は、制御装置５０の制御により金属粉末貯留ユニット３２に貯留される金属粉末ＭＰを図略の粉体用ポンプで吸入すると共に、配管３４を介して供給部３１に送出する。なお、配管３４は、帯電を防止するため、伝導性のよい金属で形成されることが好ましい。

配管３４の他部である第二配管３４ｂは、粉末供給ユニット３３と供給部３１とを接続するとともに、第二配管３４ｂのうちの一部がノズル２８内に移動不能な状態で配置される。配管３４は、内部において金属粉末ＭＰがスムーズに流通するよう形成されている。また、図２に示すように、供給部３１は筒状部材であり、ノズル２８の軸線と交差する方向に金属粉末ＭＰを噴射するよう出射口２５の基端側近傍に配置される。なお、このとき、第二配管３４ｂの一部及び供給部３１が内部に配置されるノズル２８は、造形光ビーム照射装置２０が備えるレーザトーチ２２のノズル２８と兼用である。

図２に示すように、上記構成において供給部３１は、例えば、アルゴン（Ａｒ）等の不活性シールドガスの吹き出しを伴いながら、配管３４を介して供給された金属粉末ＭＰをノズル２８の軸線に対して下向きの角度θＰ方向に噴射する。これにより、供給部３１は、母材Ｗの所定位置に金属粉末ＭＰを供給する。なお、このとき、角度θＰは、例えば、１５０°に設定してもよい。また、このとき、供給部３１は、照射部２６と同様、ノズル２８に固定されているとともに、ノズル２８、トーチ本体２３、及び取付部材２７を介して基台１０に移動不能に固定されているといえる。

（１−２−３．ワーク保持装置４０）
図１に一部を示すワーク保持装置４０は、円筒状の母材Ｗの軸線方向における端部Ｗ３をアーム４２の先端で把持し、把持した母材Ｗを基台１０に対して自在に相対移動させる公知のロボットである。ワーク保持装置４０は、基台１０上に固定されるベース部４１、前述したアーム４２、及びアーム４２の作動を制御するコントロール部４３を備える。

ワーク保持装置４０は、どのようなタイプのロボットでも良いが、本実施形態では、一例として、垂直多関節ロボットを適用するものとする。つまり、ワーク保持装置４０は、組み立て操作やダイカスト、バリ取り機、ガス溶接、アーク溶接、スプレー塗装において使用される公知のロボットである。従って、構造等についての詳細な説明については省略する。

ワーク保持装置４０のアーム４２は、複数の分割アーム４２ａ、４２ｂ等（一部のみ記載）によって構成される。本実施形態において、複数の分割アーム４２ａ、４２ｂ等は、各分割アーム４２ａ、４２ｂ等の間における可動軸を、例えば、六軸備えるとともに、六軸のうち少なくとも三軸は回転軸である。このような構成により、ワーク保持装置４０は、基台１０に対し移動不能に固定された一つのノズル２８からの金属粉末ＭＰの噴射及びレーザ光Ｌの照射によって、母材Ｗ（ワーク）における所定位置に肉盛りが形成できるよう、把持した母材Ｗをノズル２８、延いては基台１０に対し相対移動させる。

ただし、ワーク保持装置４０は、この態様に限らない。ワーク保持装置４０は、母材Ｗの端部Ｗ３を把持した状態で、基台１０（つまりノズル２８）に対して相対移動させ、母材Ｗの内周面Ｗ１及び外周面Ｗ２の所定位置に肉盛りを形成させることができれば、どのような態様のロボットであっても良い。例えば、ワーク保持装置４０は、水平多関節ロボットでも良い。また、ワーク保持装置４０は、球体ロボット又は極座標ロボットでもよい。また、ワーク保持装置４０は、直交ロボット又はガントリーロボットであってもよいし、人型ロボットであってもよい。さらには、ワーク保持装置４０は、ロボットに限らず、ＮＣ工作機械であってもよい。

また、ワーク保持装置４０は、母材Ｗの搬入出のための搬送装置を兼用する。つまり、ワーク保持装置４０は、レーザクラッド装置１によって、母材Ｗに対して付加製造を施す場合、付加製造を施す工程の一つ前の工程（前工程）が終了した後に所定の載置位置Ｓ１（図１参照）に載置された母材Ｗを、自らのアーム４２により把持し取得してもよい。このとき、所定の載置位置Ｓ１は、アーム４２が母材Ｗを把持できる位置であればどこでもよい。そして、アーム４２による母材Ｗの取得後、制御装置５０により造形光ビーム照射装置２０及び粉末供給装置３０が制御され、母材Ｗの所定位置に対して、付加製造が施され、肉盛りが形成される。

また、レーザクラッド装置１により、母材Ｗに対する所定の肉盛りの形成が終了した後、ワーク保持装置４０は、アーム４２によって把持している母材Ｗを、引続き把持したまま、付加製造を施した工程の後工程における所定の載置位置（図略）に移動させ載置する。これにより、前工程及び後工程における搬送工程がそれぞれ省略でき製造工程における効率化を図ることができる。

また、アーム４２は、例えば、鉄などの耐熱性を備える金属材料で形成される。これにより、母材Ｗに対するレーザ光Ｌの照射により母材Ｗの温度が上昇しても、アーム４２は母材Ｗを把持し続けることができる。このため、アーム４２の耐熱温度を考慮することなく母材Ｗの内周面Ｗ１及び外周面Ｗ２に対し肉盛りを形成し続けることができるので効率的である。ただし、金属に限らず、レーザ光Ｌの照射により上昇する母材Ｗの温度に耐えることができれば、アーム４２は、どのような材料で形成されてもよい。

（１−２−４．制御装置５０）
制御装置５０は、図示しないＣＰＵと、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えたコンピュータである。制御装置５０は、造形光ビーム照射装置２０、粉末供給装置３０及びワーク保持装置４０の動作を制御することにより、レーザクラッド層を形成する。具体的には、制御装置５０は、図１に示すように、粉末供給制御部５１、造形光ビーム照射制御部５２、及びワーク制御部５３を備える。

粉末供給制御部５１は、粉末供給装置３０の粉末供給ユニット３３に接続され、粉末供給ユニット３３による供給部３１への金属粉末ＭＰの供給（量）を制御する。造形光ビーム照射制御部５２は、造形光ビーム照射装置２０のレーザ発振器２１に接続され、造形光ビーム照射装置２０によるレーザ光Ｌ（造形光ビーム）の照射（出力）を制御する。また、ワーク制御部５３は、ワーク保持装置４０のコントロール部４３に接続され、ワーク保持装置４０による母材Ｗの移動（量）を制御する。

（１−３．作用）
次に、レーザクラッド装置１を用いたレーザクラッド層の形成に係る作用について、図３のフローチャートに基づき説明する。説明においては、初めに、母材Ｗの内周面Ｗ１における所定位置にレーザクラッド層を形成し、その後、外周面Ｗ２の所定位置に別のレーザクラッド層を形成するものとして説明する。また、母材Ｗは、本プログラムの処理が開始される以前においては、前工程終了後に載置される所定の載置位置Ｓ１に載置されているものとする。

フローチャートのステップＳ１０では、制御装置５０のワーク制御部５３がワーク保持装置４０のコントロール部４３を制御してアーム４２を作動させる。そして、前工程後に所定の載置位置Ｓ１に載置された母材Ｗの端部Ｗ３をアーム４２の先端によって把持させ、図１に示す状態とする。このとき、母材Ｗは、上述したように軸線が鉛直方向となるよう所定の載置位置Ｓ１に載置されている。従って、ワーク保持装置４０は、アーム４２の複数の可動軸を作動させ、母材Ｗの上方の端部Ｗ３を把持する。

ステップＳ２０では、制御装置５０のワーク制御部５３がワーク保持装置４０のコントロール部４３を制御することによって母材Ｗを移動させ、母材Ｗの状態を、図２に示す第一状態Ｐ１に遷移させる。第一状態Ｐ１は、以下の二つの状態を満たす。一つ目の状態では、ノズル２８が、母材Ｗの内周面Ｗ１の内側に配置されている。二つ目の状態では、ノズル２８に配置された供給部３１から金属粉末が噴射され、且つ照射部２６からレーザ光Ｌが照射されると、母材Ｗの内周面Ｗ１の所定位置に対して肉盛りの形成が可能となるよう母材Ｗがノズル２８に対して位置している。

このとき、ノズル２８に配置された照射部２６は、上述した様に、ノズル２８、トーチ本体２３、及び取付部材２７を介して基台１０に移動不能に固定されている。従って、照射部２６が備える出射口２５から照射されるレーザ光Ｌの照射方向は、常に一定であり、ノズル２８の軸線（方向）に対して下向きの角度θＬ方向である。これにより、遮蔽板を設置する等のレーザ光Ｌの照射に対する安全対策は簡易なものとすることができ、低コストに対応できる。

ステップＳ３０では、制御装置５０が備える粉末供給制御部５１、及び造形光ビーム照射制御部５２が協働する。これにより、供給部３１から母材Ｗの内周面Ｗ１の所定位置に金属粉末を噴射させながら、照射部２６から内周面Ｗ１の所定位置にレーザ光Ｌ（造形光ビーム）を照射させることにより内周面Ｗ１の所定位置に付加製造を施し肉盛りが形成される。

なお、内周面Ｗ１において肉盛りすべき範囲は、予め制御装置５０の図略の記憶部に記憶されている。従って、ステップＳ３０では、記憶部に記憶された肉盛りすべき範囲のデータに基づき、ワーク制御部５３がワーク保持装置４０のコントロール部４３を制御し母材Ｗを移動させる。そして、母材Ｗを移動させながら、粉末供給制御部５１、及び造形光ビーム照射制御部５２の制御によって、肉盛りすべき範囲の全ての範囲に肉盛りを行なう。

ステップＳ４０では、ワーク制御部５３がワーク保持装置４０のコントロール部４３を制御することによって母材Ｗを移動させ、母材Ｗの状態を、図４に示す第二状態Ｐ２に遷移させる。第二状態Ｐ２は、以下の二つの状態を満たす。一つ目の状態では、ノズル２８が、母材Ｗの外周面Ｗ２の外側に配置されている。二つ目の状態では、ノズル２８に配置された供給部３１から金属粉末が噴射され、且つ照射部２６からレーザ光Ｌが照射されると、母材Ｗの外周面Ｗ２の所定位置に対して肉盛りの形成が可能となるよう母材Ｗがノズル２８に対して位置している。

なお、上述した第一状態Ｐ１と第二状態Ｐ２とでは、ノズル２８は同一であり、従ってノズル２８の絶対位置は同じである。つまり、第一状態Ｐ１と第二状態Ｐ２とでは、母材Ｗの絶対位置のみが変化し、これに伴い母材Ｗとノズル２８との相対位置が変化したのみである。このため、第二状態Ｐ２においても、第一状態Ｐ１と同様、照射部２６の出射口２５から照射されるレーザ光Ｌの照射方向は、常に、一定であり、ノズル２８の軸線（方向）に対して下向きの角度θＬ方向である。これにより、第一状態Ｐ１と同様、レーザ光Ｌの照射に対する安全対策は、簡易なものとすることができ、低コストに対応できる。

ステップＳ５０では、母材Ｗの外周面Ｗ２の所定位置に対し、ステップＳ３０と同様の制御が行われる。つまり、制御装置５０が備える粉末供給制御部５１、及び造形光ビーム照射制御部５２が協働する。これにより、供給部３１から母材Ｗの外周面Ｗ２の所定位置に金属粉末を噴射させながら、照射部２６から外周面Ｗ２の所定位置にレーザ光Ｌ（造形光ビーム）を照射させることにより外周面Ｗ２の所定位置に付加製造を施し肉盛りが形成される。

このとき、外周面Ｗ２において肉盛りすべき範囲は、予め制御装置５０の図略の記憶部に記憶されている。従って、ステップＳ５０では、記憶部に記憶された肉盛りすべき範囲のデータに基づき、ワーク制御部５３がワーク保持装置４０のコントロール部４３を制御し母材Ｗを移動させる。そして、母材Ｗを移動させながら、粉末供給制御部５１、及び造形光ビーム照射制御部５２の制御によって、肉盛りすべき範囲の全ての範囲に肉盛りを行なう。このように、ノズル２８に対し固定された供給部３１及び照射部２６を一つずつ備え、母材Ｗのみをノズル２８に対して相対移動させるだけで、母材Ｗの内周面Ｗ１及び外周面Ｗ２の複数の所定位置に対し肉盛りが形成できるので効率的であり、低コスト化が図れる。

そして、ステップＳ６０では、ワーク制御部５３がワーク保持装置４０のコントロール部４３を制御し、内周面Ｗ１及び外周面Ｗ２の肉盛りが形成された母材Ｗを、後工程における所定の載置位置（図略）に載置する。これによりプログラムを終了する。

なお、上記第一実施形態では、ノズル２８の先端部において、ノズル２８の軸線近傍から照射部２６を介してレーザ光Ｌが照射され、ノズル２８の内周面近傍、即ちレーザ光Ｌの径方向外側から金属粉末ＭＰが噴射された。しかしながら、この態様には限らず、ノズル２８において、レーザ光Ｌが照射される位置と、金属粉末ＭＰが噴射される位置とを入れ替えてもよい。

また、上記第一実施形態では、説明の都合上、母材Ｗの内周面Ｗ１及び外周面Ｗ２に対し、同じ種類の金属粉末ＭＰを噴射し肉盛りを行なうものとして説明を行なった。しかし、この態様には限らない。母材Ｗの用途に応じて、内周面Ｗ１及び外周面Ｗ２に異なる種類の肉盛りを行っても良い。例えば、外周面Ｗ２には、母材の強度を向上させるため、例えば、超鋼等の金属粉末を噴射しても良い。この場合、例えば、外周面Ｗ２に対する肉盛りが終了したのち、金属粉末貯留ユニット３２を手動で交換する等して対応すればよい。

（１−４．第一実施形態による効果）
上記第一実施形態のレーザクラッド装置１（金属付加製造装置）によれば、基台１０と、母材Ｗ（ワーク）の所定位置に金属粉末ＭＰを供給する粉末供給装置３０と、レーザ光Ｌ（造形光ビーム）を照射し基台１０に対して移動不能に固定された照射部２６を備える造形光ビーム照射装置２０とを備える。そしてレーザクラッド装置１は母材Ｗを把持し、且つ、基台１０に対して移動可能なワーク保持装置４０と、粉末供給装置３０による金属粉末ＭＰの供給、造形光ビーム照射装置２０によるレーザ光Ｌの照射及びワーク保持装置４０による母材Ｗの移動を制御する制御装置５０とを備える。

このように、母材Ｗを把持し、且つ基台１０に対して移動可能なワーク保持装置４０を設けた。このため、造形光ビーム照射装置２０を固定としたままで、母材Ｗを基台１０に対して相対移動させることにより、母材Ｗにおける複数の所定位置に付加製造を施し、肉盛りを効率的に形成することができる。

このとき、造形光ビーム照射装置２０の照射部２６は、基台１０に対して相対的に固定されるため、レーザ光Ｌの照射方向は常に一定方向に維持される。これにより、レーザ光Ｌの照射方向近傍のみに、例えば遮蔽板を設置すればよく、レーザ光Ｌの照射に対する安全対策を簡易で低コストに行なうことができる。また、母材Ｗの所定位置に肉盛りを形成するために母材Ｗを移動させる場合、母材Ｗの移動先は常に同一であるので、母材Ｗは低い負荷の制御によって容易且つ短時間で目的位置に到達できる。

また、母材Ｗの所定位置に肉盛りを形成する際、母材Ｗは、ワーク保持装置４０のアーム４２に把持されたままである。このため、従来においては、母材Ｗに肉盛りをする際、必要であった母材Ｗを支持する支持台が廃止できるので、コスト低減が図れる。

また、上記第一実施形態によれば、粉末供給装置３０は、金属粉末ＭＰを母材Ｗの所定位置に噴射によって供給し基台１０に移動不能に固定される供給部３１を備える。このため、供給部３１に金属粉末ＭＰを供給する粉末供給装置３０の配管３４を基台１０に対して移動不能に固定できる。これにより、配管３４は、可動式の配管と比べて安価に形成できるので、レーザクラッド装置１（金属付加製造装置）を低コストで製造できる。

また、上記第一実施形態によれば、レーザクラッド装置１は、さらに、筒状に形成されて基台１０に固定され供給部３１及び照射部２６が設けられた一つ（少なくとも一つ）のノズル２８を備える。このように、一つのノズル２８に供給部３１及び照射部２６が設けられるので、ノズル２８をユニットとして構成しやすいとともに、運搬しやすく、これによって低コスト化が図れる。

また、上記第一実施形態によれば、レーザクラッド装置１は、筒状に形成された母材Ｗの内周面Ｗ１及び外周面Ｗ２に付加製造を施すことが可能であり、供給部３１は、ノズル２８の軸線と交差する方向に金属粉末ＭＰを噴射し、照射部２６は、ノズル２８の軸線と交差する方向にレーザ光Ｌを照射する。

そして、制御装置５０は、ノズル２８が母材Ｗの内周面Ｗ１の内側に位置する状態において、供給部３１により内周面Ｗ１の所定位置に金属粉末ＭＰを噴射させながら、照射部２６により内周面Ｗ１にレーザ光Ｌを照射させることにより、内周面Ｗ１に付加製造を施すよう制御する。

また、制御装置５０は、ノズル２８が母材Ｗの外周面Ｗ２の外側に位置する状態において、供給部３１により外周面Ｗ２に金属粉末ＭＰを噴射させながら、照射部２６により外周面Ｗ２にレーザ光Ｌ（造形光ビーム）を照射させることにより、外周面Ｗ２に付加製造を施すよう制御する。これにより、一つのノズル２８に対して、母材Ｗをワーク保持装置４０によって相対移動させるだけで、母材Ｗの内周面Ｗ１及び外周面Ｗ２の各所定位置に対し肉盛りが形成できるため効率的であるとともに、レーザクラッド装置１（金属付加製造装置）の低コスト化が図れる。

また、上記第一実施形態によれば、ノズル２８は、主に筒状に形成された母材Ｗ（ワーク）の内周面Ｗ１に付加製造を施すための内周用ノズルである。このため、母材Ｗの内周面Ｗ１において、軸線方向における端部Ｗ３側に肉盛りすべき所定位置が設定されても、長軸のノズル２８の先端部に設けられた供給部３１及び照射部２６によって、所定位置に良好に肉盛りを形成できる。なお、このとき、ノズル２８は、長軸となるが、基台１０に対して移動不能となるよう構成される。このため、ノズル２８を移動させる場合と比較して安全性が高い。

また、上記第一実施形態によれば、ワーク保持装置４０は、複数の軸数を備え複数の分割アーム４２ａ、４２ｂ等（アーム４２）を備えた多関節ロボットであり、母材Ｗ（ワーク）は、多関節ロボットのアーム４２に把持される。このため、ワーク保持装置４０に把持された母材Ｗは、基台１０に対して移動不能に固定される照射部２６に対して、所望の相対位置関係が形成されるよう容易に配置可能である。これにより、肉盛りを行なう所定位置が自由に設定できるので、対応可能な製品の数は増加し汎用性が向上する。

（２．第二実施形態）
上記第一実施形態では、供給部３１及び照射部２６は、基台１０に対して相対移動不能に固定される一つのノズル２８に設けられた。そして、母材Ｗの内周面Ｗ１及び外周面Ｗ２に対する肉盛りは、一つのノズル２８を兼用することにより形成した。しかしながら、この態様には限らない。第二実施形態として、母材Ｗの内周面Ｗ１に形成する肉盛りは、第一実施形態と同様、ノズル２８を用いて行ない、母材Ｗの外周面Ｗ２に形成する肉盛りは、図５に示すように、別のノズル１２８を用いて行っても良い。

なお、第一実施形態に係るレーザクラッド装置１（金属付加製造装置）と第二実施形態に係るレーザクラッド装置１０１（金属付加製造装置）とは、ノズル１２８の有無のみ異なる。このため、異なる部分についてのみ詳細に説明し、同様部分については、説明を省略する。また、同様の構成では同じ符号を付して説明を行なう。

上記において、ノズル２８は、母材Ｗの内周面Ｗ１の所定位置に対して肉盛りを行なう内周用ノズルである。ノズル２８の軸線は、肉盛りを行なう際の母材Ｗの軸線と平行である。また、ノズル１２８は、母材Ｗの外周面Ｗ２の所定位置に対して肉盛りを行なう外周用ノズルである。ノズル１２８の軸線は、肉盛りを行なう際の母材Ｗの軸線と直交又は交差する。つまり、ノズル２８とノズル１２８とは、各軸線同士が直交するよう配置される。なお、軸線は直交せずとも、交差するだけでもよい。

第二実施形態に係るレーザクラッド装置１０１（金属付加製造装置）では、長軸状のノズル２８（内周用ノズル）の先端部に設けられた供給部３１は、第一実施形態と同様、ノズル２８の軸線と交差し、且つ下向きの角度θＰ方向に金属粉末ＭＰを噴射する。また、ノズル２８の先端部に設けられた照射部２６は、第一実施形態と同様、ノズル２８の軸線と交差し、且つ下向きの角度θＬ方向にレーザ光Ｌ（造形光ビーム）を照射する。

短軸状のノズル１２８（外周用ノズル）の先端部に設けられた供給部１３１は、ノズル１２８の軸線に概ね沿った方向である上方から下方に向って母材Ｗの外周面Ｗ２の所定位置に金属粉末ＭＰを噴射する。また、ノズル１２８の先端部であって、供給部１３１の近傍に設けられた照射部１２６は、ノズル１２８の軸線に概ね沿った方向である母材Ｗの外周面Ｗ２の所定位置方向にレーザ光Ｌを照射する。

そして、制御装置１５０は、第一実施形態における制御装置５０と同様の制御によって長軸状のノズル２８が母材Ｗの内周面Ｗ１の内側に位置する第一状態とし、ノズル２８の供給部３１から内周面Ｗ１の所定位置へ向って金属粉末ＭＰを噴射させながら、ノズル２８の照射部２６から内周面Ｗ１の所定位置へ向ってレーザ光Ｌを照射させることにより、内周面Ｗ１の所定位置に付加製造を施して肉盛りを形成する。

また、制御装置１５０は、ワーク保持装置４０を制御し、ノズル１２８（外周用ノズル）が母材Ｗの外周面Ｗ２の外側に位置する第三状態（図５参照）とする。そして、第一実施形態と同様の制御によって、ノズル１２８の供給部１３１から外周面Ｗ２の所定位置へ向って金属粉末ＭＰを噴射させながら、ノズル１２８の照射部１２６から外周面Ｗ２の所定位置にレーザ光Ｌを照射させることにより、外周面Ｗ２の所定位置に付加製造を施して肉盛りを形成する。

上記第二実施形態によれば、ノズル２８は、筒状に形成された母材Ｗ（ワーク）の内周面Ｗ１に付加製造を施すための内周用ノズルである。このため、母材Ｗの内周面Ｗ１において、軸線方向における端部Ｗ３側に肉盛りすべき所定位置が設定されても、長軸のノズル２８の先端部に設けられた供給部３１及び照射部２６によって、所定位置に良好に肉盛りを形成できる。なお、このとき、ノズル２８は、長軸となるが、基台１０に対して移動不能となるよう構成される。このため、ノズル２８を移動させる場合と比較して安全性が高い。

（３．その他）
上記第一、第二実施形態では円筒状の母材Ｗの内周面Ｗ１及び外周面Ｗ２に肉盛りを形成する例を示したが、母材Ｗの形状や肉盛りを形成する周面はこれらに限らない。筒状の母材における多角形状の内周面を肉盛りの形成対象としてもよいし、多角柱状の母材における外周面を同じく形成対象としてもよい。要するに、母材の中心軸周りの周面を肉盛りの形成対象とすることができる。

さらには、母材Ｗは、筒状でなくてもよい。例えば、母材Ｗは、平面、又は曲面を備える板状部材であってもよい。この場合、板状部材にワーク保持装置４０のアーム４２によって把持可能な部位を設けておく。そして、アーム４２に把持された板状部材の表面及び裏面の所定位置に対し、上記第一、第二実施形態と同様の方法によって付加製造を施し、肉盛りを形成すればよい。これによっても、上記第一、第二実施形態と同様の効果が期待できる。

また、上記第一実施形態では、母材Ｗの外周面Ｗ２に対して付加製造を施す場合、アーム４２が母材Ｗの外周面Ｗ２の端部Ｗ３を把持した状態で付加製造を実施するものとして説明した。しかしながら、この態様では、アーム４２が把持する外周面Ｗ２の部分に対して付加製造を行なうことはできない。これに対し、母材Ｗの端部Ｗ３の外周面Ｗ２に対して付加製造を施したい場合、アーム４２による把持方法を図６、図７に示すような変形態様１、２に変更して対応すればよい。

図６に示す変形態様１では、アーム４２の母材Ｗ側の端部にたとえば円板状の板部材４３を設ける。そして、板部材４３の母材Ｗ側に板部材４３の径方向へのスライドが可能な把持部４４を設ける。これにより、母材Ｗの内周側に配置した把持部４４を径方向外方に拡径させて母材Ｗの内周面Ｗ１を押圧し母材Ｗを把持しても良い。なお、このとき、上記実施形態と同様、母材Ｗの端部Ｗ３以外の外周面Ｗ２に対して付加製造を施したい場合には、把持部４４を母材Ｗの外周側に配置するとともに、径方向内方に向かって縮径させ母材Ｗの外周面Ｗ１の端部Ｗ３を把持してもよい。

また、変形態様２として、図７に示すように、母材Ｗの端面に筒状の治具４５を取り付けてもよい。そして、上記実施形態と同様、アーム４２によって、治具４５の外周面を把持すればよい。上記により、母材Ｗの外周面Ｗ２の端部Ｗ３に対しては、付加製造を良好に施すことができる。

１、１０１；金属付加製造装置（レーザクラッド装置）、 １０；基台、 ２０；造形光ビーム照射装置、 ２１；レーザ発振器、 ２２；レーザトーチ、 ２８、１２８；ノズル、 ３０； 粉末供給装置、 ３１、１３１；供給部、 ４０；ワーク保持装置、 ４２；アーム、 ５０、１５０；制御装置、 ５１；粉末供給制御部、 ５２；造形光ビーム照射制御部、 ５３；ワーク制御部、 Ｌ；造形光ビーム（レーザ光）、 ＭＰ；金属粉末、 Ｗ；ワーク（母材）、 Ｗ１；内周面、 Ｗ２；外周面。

Claims (9)

1. ワークの所定位置に金属粉末を供給し、前記所定位置に供給された前記金属粉末に造形光ビームを照射することにより前記ワークに付加製造を施す金属付加製造装置であって、
   基台と、
   前記ワークの前記所定位置に前記金属粉末を供給する粉末供給装置と、
   前記造形光ビームを照射し前記基台に対して移動不能に固定された照射部を備える造形光ビーム照射装置と、
   前記ワークを把持し、且つ、前記基台に対して前記ワークの移動が可能なワーク保持装置と、
   前記粉末供給装置による前記金属粉末の供給、前記造形光ビーム照射装置による前記造形光ビームの照射及び前記ワーク保持装置による前記ワークの移動を制御する制御装置と、
   を備える金属付加製造装置。
2. 前記粉末供給装置は、前記金属粉末を噴射によって供給し前記基台に移動不能に固定される供給部を備える、請求項１に記載の金属付加製造装置。
3. 前記金属付加製造装置は、さらに、筒状に形成され前記基台に固定され前記供給部及び前記照射部が設けられた少なくとも１つのノズルを備える、請求項２に記載の金属付加製造装置。
4. 前記ノズルは、筒状に形成された前記ワークの内周面に付加製造を施すための内周用ノズルである、請求項３に記載の金属付加製造装置。
5. 前記金属付加製造装置は、筒状に形成された前記ワークの内周面及び外周面に付加製造を施すことが可能であり、
   前記供給部は、前記ノズルの軸線と交差する方向に前記金属粉末を噴射し、
   前記照射部は、前記ノズルの軸線と交差する方向に前記造形光ビームを照射し、
   前記制御装置は、
   前記ノズルが前記ワークの内周面の内側に位置する状態において、前記供給部により前記内周面に前記金属粉末を噴射させながら、前記照射部により前記内周面に前記造形光ビームを照射させることにより、前記内周面に付加製造を施し、
   前記ノズルが前記ワークの外周面の外側に位置する状態において、前記供給部により前記外周面に前記金属粉末を噴射させながら、前記照射部により前記外周面に前記造形光ビームを照射させることにより、前記外周面に付加製造を施す、請求項３に記載の金属付加製造装置。
6. 前記金属付加製造装置は、筒状に形成された前記ワークの内周面及び外周面に付加製造を施すことが可能であり、
   前記金属付加製造装置は、前記ノズルである内周用ノズルと、前記ノズルである外周用ノズルと、を備え、
   前記内周用ノズルの前記供給部は、前記内周用ノズルの軸線と交差する方向に前記金属粉末を噴射し、
   前記内周用ノズルの前記照射部は、前記内周用ノズルの軸線と交差する方向に前記造形光ビームを照射し、
   前記外周用ノズルの前記供給部は、前記外周用ノズルの軸線に沿った方向に前記金属粉末を噴射し、
   前記外周用ノズルの前記照射部は、前記外周用ノズルの軸線に沿った方向に前記造形光ビームを照射し、
   前記制御装置は、
   前記内周用ノズルが前記ワークの内周面の内側に位置する状態において、前記内周用ノズルの前記供給部により前記内周面に前記金属粉末を噴射させながら、前記内周用ノズルの前記照射部により前記内周面に前記造形光ビームを照射させることにより、前記内周面に付加製造を施し、
   前記外周用ノズルが前記ワークの外周面の外側に位置する状態において、前記外周用ノズルの前記供給部により前記外周面に前記金属粉末を噴射させながら、前記外周用ノズルの前記照射部により前記外周面に前記造形光ビームを照射させることにより、前記外周面に付加製造を施す、請求項３に記載の金属付加製造装置。
7. 前記ワーク保持装置は、複数の軸数を備え複数のアームを備えた多関節ロボットであり、
   前記ワークは、前記多関節ロボットの前記アームに把持される、請求項１−６の何れか１項に記載の金属付加製造装置。
8. 前記ワーク保持装置は、前記ワークの搬入出のための搬送装置を兼用する、請求項７に記載の金属付加製造装置。
9. 前記アームは、耐熱性を備える材料で形成される、請求項７または８に記載の金属付加製造装置。

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