JP2021178329A - 積層造形物の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造時間を短縮させつつ、高精度に成形することができる積層造形物の製造方法を提供する。【解決手段】溶加材Ｍを溶融及び凝固させた溶着ビードＢを積層させて積層造形物Ｗを造形する積層造形物の製造方法であって、積層造形物Ｗの表面を成形する成形面６３を有する冷却部材６１をベースプレート５１上に配置させる配置工程と、冷却部材６１の成形面６３に接触させながら冷却部材６１に沿って溶着ビードＢをベースプレート５１上に積層させて積層造形物Ｗを造形する造形工程と、を含み、冷却部材６１は、銅または銅合金から形成され、冷却水が流される冷却流路６５を有する。【選択図】図３Ｃ

Description

本発明は、積層造形物の製造方法に関する。

近年、生産手段として３Ｄプリンタを用いた造形のニーズが高まっており、金属材料を用いた造形の実用化に向けて研究開発が進められている。金属材料を造形する３Ｄプリンタは、レーザや電子ビーム、更には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ることで造形物を作製する。

このような造形技術として、特許文献１には、モールド材に沿ってビードを形成することにより、造形物を造形するビードの形状を整えながら積層させて造形することが開示されている。

中国特許出願公開第１０７８０３５６８号明細書

ところで、ビードを積層させて造形物を造形する積層造形では、精密な形状の造形が困難である。このため、造形物の造形後に、精度が必要な箇所を機械加工によって形成することとなり、手間を要する。

特許文献１に記載の造形技術によれば、モールド材に沿って形成した面の精度をある程度高めることができる。しかし、単に、モールド材に沿ってビードを形成するだけでは、モールド材にビードが貼り付いたり、モールド材が熱によって損傷したりするため、成形面を平滑に形成するには限度があった。

本発明の目的は、製造時間を短縮させつつ、高精度に成形することができる積層造形物の製造方法を提供することにある。

本発明は下記構成からなる。
溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードを積層させて積層造形物を造形する積層造形物の製造方法であって、
前記積層造形物の表面を成形する成形面を有する冷却部材を母材上に配置させる配置工程と、
前記冷却部材の前記成形面に接触させながら前記冷却部材に沿って前記溶着ビードを前記母材上に積層させて積層造形物を造形する造形工程と、
を含み、
前記冷却部材は、銅または銅合金から形成され、冷却媒体が流される冷却流路を有する、
積層造形物の製造方法。

そこで、本発明は、製造時間を短縮させつつ、高精度に成形することができる積層造形物の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の実施形態の製造方法で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。 積層造形物の製造工程において用いられる冷却部材の斜視図である。 積層造形物の製造工程を示す製造途中の積層造形物の概略側面図である。 積層造形物の製造工程を示す製造途中の積層造形物の概略側面図である。 積層造形物の製造工程を示す製造途中の積層造形物の概略側面図である。 積層造形物の製造工程を示す製造途中の積層造形物の概略側面図である。 積層造形物の製造工程を示す製造途中の積層造形物の概略側面図である。 成形部と本体部とから構成された冷却部材を示す図であって、（A）は成形部と本体部とが分離した状態の冷却部材の概略側面図、（B）は成形部と本体部とが接合された状態の冷却部材の概略側面図である。 成形面に絶縁層が設けられた冷却部材の概略側面図である。 他の実施形態に係る積層造形物の製造方法を説明する概略側面図である。

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、本発明の実施形態の製造方法で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１に示すように、本構成の積層造形物の製造システム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１３と、電源装置１５と、を備える。

積層造形装置１１は、先端軸にトーチ１７が設けられた溶接ロボット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。

溶接ロボット１９は、多関節ロボットであり、ロボットアームの先端軸に取り付けたトーチ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。

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、ベースプレート５１上に溶加材Ｍの溶融凝固体である線状の溶着ビードＢが形成され、この溶着ビードＢからなる積層造形物Ｗが造形される。

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、積層造形物Ｗの更なる品質向上に寄与できる。

溶加材Ｍは、あらゆる市販の溶接ワイヤを用いることができる。例えば、軟鋼，高張力鋼及び低温用鋼用のマグ溶接及びミグ溶接ソリッドワイヤ（ＪＩＳ Ｚ ３３１２）、軟鋼，高張力鋼及び低温用鋼用アーク溶接フラックス入りワイヤ（ＪＩＳ Ｚ ３３１３）等で規定されるワイヤを用いることができる。

コントローラ１３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。

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、積層造形物Ｗの形状データ、生成された層形状データ、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１３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を移動させ、ベースプレート５１上に溶着ビードＢを形成する。

なお、ベースプレート５１は、鋼板等の金属板からなり、基本的には積層造形物Ｗの底面（最下層の面）より大きいものが使用される。なお、ベースプレート５１は、板状に限らず、ブロック体や棒状等、他の形状のベースであってもよい。

本実施形態に係る積層造形物の製造方法では、冷却部材６１を用いて積層造形物Ｗを造形する。冷却部材６１は、ベースプレート５１上に配置される。本例では、ベースプレート５１上に配置させた二つの冷却部材６１の間に積層造形物Ｗを造形する。

図２は、積層造形物の製造工程において用いられる冷却部材の斜視図である。
図２に示すように、冷却部材６１は、略直方体形状のブロック状に形成されている。冷却部材６１は、銅または銅合金から形成されている。冷却部材６１は、その一側面に、成形面６３を有している。成形面６３は、造形する積層造形物Ｗの側面形状に基づいた形状に形成されており、本例では湾曲部分を有する三次元形状に形成されている。また、この成形面６３は、光沢研磨された平滑面とされている。

この冷却部材６１は、冷却流路６５を有している。冷却流路６５は、冷却部材６１における成形面６３の近傍位置に形成されており、成形面６３に沿って配置されている。具体的には、この冷却流路６５は、冷却部材６１の長手方向に沿う直線路７１と、これらの直線路７１の端部同士を繋ぐ屈曲路７３とを有している。また、冷却流路６５は、冷却部材６１の厚さ方向に延在する流入路７５及び流出路７７を有している。流入路７５は、最上部に配置された直線路７１の端部に繋げられ、流出路７７は、最下部に配置された直線路７１に繋げられている。

冷却流路６５には、流入路７５から冷却媒体として、例えば、冷却水が送り込まれる。この流入路７５から送り込まれる冷却水は、直線路７１及び屈曲路７３を通り、流出路７７から送り出される。これにより、冷却部材６１は、成形面６３の近傍部分が、冷却流路６５を流れる冷却水によって冷却される。

次に、上記の製造システム１００による積層造形物の製造方法について説明する。
図３Ａ〜図３Ｅは、積層造形物の製造工程を示す製造途中の積層造形物の概略側面図である。

（配置工程）
図３Ａに示すように、二つの冷却部材６１をベースプレート５１上に配置させ、これらの冷却部材６１の成形面６３を互いに対向させる。本例では、それぞれの冷却部材６１は、異なる形状の成形面６３を有しており、造形する積層造形物Ｗの両側面を、冷却部材６１の成形面６３の形状に形成する。また、これらの冷却部材６１は、造形する積層造形物Ｗの厚みに合わせて予め設定した間隔をあけて配置させる。

（造形工程）
図３Ｂに示すように、積層造形装置１１のトーチ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を溶融させる。そして、溶融した溶加材Ｍからなる溶着ビードＢをベースプレート５１上における冷却部材６１同士の間に供給して溶着ビードＢを形成する。そして、図３Ｃに示すように、冷却部材６１の間に溶着ビードＢを積層させる。このとき、冷却部材６１の間の溶着ビードＢは、冷却部材６１の成形面６３に接触する。ここで、冷却部材６１は、熱伝導性に優れた銅または銅合金から形成されている。さらに、溶着ビードＢが接触する成形面６３に沿って冷却水が流される冷却流路６５を有している。したがって、冷却部材６１の間に形成される溶着ビードＢは、冷却部材６１によって迅速に冷却される。溶着ビードＢを最上部まで積層させて積層造形物Ｗを造形したら、図３Ｄに示すように、積層造形物Ｗから冷却部材６１を離間させる。

上記の工程を行うことにより、図３Ｅに示すように、ベースプレート５１上に、溶着ビードＢを積層させた積層造形物Ｗが造形される。このようにして造形された積層造形物Ｗは、その両側面が、冷却部材６１の成形面６３の形状を転写した形状に形成される。

以上、説明したように、本実施形態に係る積層造形物の製造方法によれば、ベースプレート５１上に溶着ビードＢを積層させて積層造形物Ｗを造形する際に溶着ビードＢを冷却部材６１の成形面６３に接触させながら冷却部材６１に沿って積層させる。これにより、積層造形物Ｗは、冷却部材６１の成形面６３に接触させた面が成形面６３に沿った形状に形成される。

ここで、冷却部材６１は、熱伝導性に優れた銅または銅合金から形成され、冷却水等の冷却媒体が流される冷却流路６５を有している。したがって、溶着ビードＢの熱を良好に放熱させ、溶着ビードＢの貼り付きや溶着ビードＢの熱による損傷を抑えることができる。これにより、溶着ビードＢを積層してなる積層造形物Ｗの表面の凹凸を抑えて高精度に成形することができる。また、形成した溶着ビードＢが冷却部材６１によって冷却されるので、溶着ビードＢを積層させる際の各溶着ビードＢのパス間の時間を短縮させて製造効率を高めることができる。

上記の積層造形物の製造方法において用いる冷却部材６１は、複雑形状の成形面６３及び冷却流路６５を有している。このような冷却部材６１は、例えば、金属粉末における所定位置をレーザや放電で溶かして焼結させることにより、立体形状の造形物を造形する粉末積層造形によって造形することが可能である。

図４は、成形部と本体部とから構成された冷却部材を示す図であって、（A）は成形部と本体部とが分離した状態の冷却部材の概略側面図、（B）は成形部と本体部とが接合された状態の冷却部材の概略側面図である。

図４の（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、この冷却部材６１は、成形部８１と、本体部８３とから構成されている。成形部８１は、成形面６３及び冷却流路６５を含む部分であり、本体部８３は、冷却流路６５に繋がる流入路７５及び流出路７７を含む部分である。成形部８１及び本体部８３は、互いの対向面が接合面８１ａ，８３ａとされており、これらの接合面８１ａ，８３ａが接合されて密着されている。これらの成形部８１及び本体部８３は、例えば、ネジ等によって互いに結合されている。

この冷却部材６１は、成形部８１が粉末積層造形によって造形されている。これに対して、本体部８３は、例えば、バルク材から形成することができる。つまり、この冷却部材６１では、複雑形状の造形が可能な粉末積層造形によって成形面６３及び冷却流路６５を有する成形部８１を造形するので、成形面６３及び冷却流路６５の設計の自由度を高めることができる。また、成形部８１以外の本体部８３を安価なバルク材から形成することにより、冷却部材６１のコストを抑えることができる。

また、成形部８１と本体部８３とが接合されているので、成形部８１の熱を本体部８３へ円滑に伝達させて放熱の効率を高めることができる。これにより、成形部８１の成形面６３によって複雑形状の積層造形物Ｗを効率的に造形することができる。

図５は、成形面に絶縁層が設けられた冷却部材の概略側面図である。
図５に示すように、この冷却部材６１は、成形面６３に絶縁層６７が設けられている。この絶縁層６７は、例えば、離型剤を塗布することにより設けられる。この絶縁層６７としては、例えば、油及びシリコンなどを成分としたエマルジョンタイプの離型剤、ひる石及び雲母などを成分とした顔料タイプの離型剤が用いられる。

このように、成形面６３に絶縁層６７を設けることにより、溶着ビードＢを形成する際に、冷却部材６１との間でのアークの発生を抑えることができる。これにより、円滑に溶着ビードＢを形成し、高品質な積層造形物Ｗを製造することができる。

また、冷却部材６１の成形面６３には、セラミックスからなる絶縁層６７を設けるのが好ましい。このセラミックスからなる絶縁層６７を設ければ、溶着ビードＢを形成する際の冷却部材６１との間でのアークの発生を抑えることができ、しかも、冷却部材６１を熱から保護し、冷却部材６１が変質したり変形するような劣化を抑えることができる。これにより、長期にわたって冷却部材６１を繰り返し用いることができる。

次に、他の実施形態に係る積層造形物の製造方法について説明する。
図６は、他の実施形態に係る積層造形物の製造方法を説明する概略側面図である。

図６に示すように、他の実施形態に係る積層造形物の製造方法では、第２の冷却部材９１を用いる。第２の冷却部材９１は、板状に形成されている。この第２の冷却部材９１は、ベースプレート５１の下部に配置される。

第２の冷却部材６１は、銅または銅合金から形成されている。また、この第２の冷却部材９１は、冷却水等の冷却媒体が流される冷却流路９３を有している。冷却流路９３は、ベースプレート５１の上部に積層する溶着ビードＢの下方に対応する位置に形成されている。冷却流路９３は、前述の冷却流路６５と同様に、溶着ビードＢの形成方向（図６における紙面に垂直な方向）に複数延在された直線路と、直線路の端部同士を繋ぐ屈曲路とを有している。また、冷却流路９３には、第２の冷却部材９１の幅方向に延在する流入路９５及び流出路９７が繋げられており、流入路９５から冷却水が送り込まれ、流出路９７から冷却水が送り出される。

この他の実施形態では、溶着ビードＢを積層させて積層造形物Ｗを造形する際に、第２の冷却部材９１の上部にベースプレート５１を載置させることにより、ベースプレート５１の下部に第２の冷却部材９１を配置させる。その後、ベースプレート５１の上部に冷却部材６１を配置させ（配置工程）、冷却部材６１同士の間に溶着ビードＢを形成して積層させる（造形工程）。これにより、ベースプレート５１上に、溶着ビードＢを積層させた積層造形物Ｗを造形する。

この他の実施形態に係る積層造形物の製造方法によれば、ベースプレート５１上に溶着ビードＢを積層させて積層造形物Ｗを造形する際に、ベースプレート５１の下部に配置させた第２の冷却部材９１によって溶着ビードＢの熱をさらに良好に放熱させることができ、溶着ビードＢを積層させる際の各溶着ビードＢのパス間の時間をさらに短縮させて製造効率を高めることができる。また、この第２の冷却部材９１は、熱伝導性に優れた銅または銅合金から形成され、冷却媒体が流される冷却流路９３を有しているので、溶着ビードＢからの熱を良好に放熱させることができ、しかも、熱による損傷を抑えることができる。

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。

以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
（１） 溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードを積層させて積層造形物を造形する積層造形物の製造方法であって、
前記積層造形物の表面を成形する成形面を有する冷却部材を母材上に配置させる配置工程と、
前記冷却部材の前記成形面に接触させながら前記冷却部材に沿って前記溶着ビードを前記母材上に積層させて積層造形物を造形する造形工程と、
を含み、
前記冷却部材は、銅または銅合金から形成され、冷却媒体が流される冷却流路を有する、
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、母材上に溶着ビードを積層させて積層造形物を造形する際に溶着ビードを冷却部材の成形面に接触させながら冷却部材に沿って積層させる。これにより、積層造形物は、冷却部材の成形面に接触させた面が成形面に沿った形状に形成される。
ここで、冷却部材は、熱伝導性に優れた銅または銅合金から形成され、冷却媒体が流される冷却流路を有している。したがって、溶着ビードの熱を良好に放熱させ、溶着ビードの貼り付きや溶着ビードの熱による損傷を抑えることができる。これにより、溶着ビードを積層してなる積層造形物の表面の凹凸を抑えて高精度に成形することができる。また、形成した溶着ビードが冷却部材によって冷却されるので、溶着ビードを積層させる際の各溶着ビードのパス間の時間を短縮させて製造効率を高めることができる。

（２） 前記冷却部材における前記冷却流路は、前記成形面に沿って形成されている、（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、冷却流路が成形面に沿って形成されているので、溶着ビードから造形される積層造形物の表面を効率的かつバランス良く冷却することができる。これにより、各溶着ビードのパス間の時間をさらに短縮させて製造効率を高めることができる。

（３） 前記冷却部材の前記成形面は、光沢研磨された平滑面である、（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、成形面によって形成される積層造形物の表面の形状精度を高めることができる。

（４） 前記冷却部材は、前記成形面及び前記冷却流路を含む成形部と、前記成形部が接合された本体部とを備え、
前記成形部は、粉末積層造形によって造形されている、（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、成形面及び冷却流路を含む成形部が粉末積層造形によって造形されている。つまり、複雑形状の造形が可能な粉末積層造形によって成形面及び冷却流路を造形するので、成形面及び冷却流路の設計の自由度を高めることができる。また、成形部以外の本体部を安価なバルク材から形成することにより、冷却部材のコストを抑えることができる。

（５） 前記成形部と前記本体部とが互いに結合されている、（４）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、成形部と本体部とが結合されているので、成形部の熱を本体部へ円滑に伝達させて放熱の効率を高めることができる。これにより、成形部の成形面によって複雑形状の積層造形物を効率的に造形することができる。

（６） 前記冷却部材は、前記成形面に絶縁層が設けられている、（１）〜（５）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、溶着ビードを形成する際に冷却部材との間でのアークの発生を抑えて積層造形物を良好に造形することができる。

（７） 前記絶縁層は、セラミックスである、（６）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、耐熱性に優れたセラミックスからなる絶縁層が成形面に設けられているので、積層造形物の造形時に冷却部材を熱から保護し、冷却部材が変質したり変形するような劣化を抑えることができる。これにより、長期にわたって冷却部材を繰り返し用いることができる。

（８） 銅または銅合金から形成され、冷却媒体が流される冷却流路を有する第２の冷却部材を前記母材の下部に配置させる、（１）〜（７）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、母材上に溶着ビードを積層させて積層造形物を造形する際に、母材の下部に配置させた第２の冷却部材によって溶着ビードの熱をさらに良好に放熱させることができる。これにより、溶着ビードを積層させる際の各溶着ビードのパス間の時間をさらに短縮させて製造効率を高めることができる。しかも、この第２の冷却部材は、熱伝導性に優れた銅または銅合金から形成され、冷却媒体が流される冷却流路を有しているので、熱による損傷を抑えることができる。

５１ ベースプレート（母材）
６１ 冷却部材
６３ 成形面
６５ 冷却流路
６７ 絶縁層
８１ 成形部
８３ 本体部
９１ 第２の冷却部材
９３ 冷却流路
Ｂ 溶着ビード
Ｍ 溶加材
Ｗ 積層造形物

Claims (8)

1. 溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードを積層させて積層造形物を造形する積層造形物の製造方法であって、
   前記積層造形物の表面を成形する成形面を有する冷却部材を母材上に配置させる配置工程と、
   前記冷却部材の前記成形面に接触させながら前記冷却部材に沿って前記溶着ビードを前記母材上に積層させて積層造形物を造形する造形工程と、
   を含み、
   前記冷却部材は、銅または銅合金から形成され、冷却媒体が流される冷却流路を有する、
   積層造形物の製造方法。
2. 前記冷却部材における前記冷却流路は、前記成形面に沿って形成されている、
   請求項１に記載の積層造形物の製造方法。
3. 前記冷却部材の前記成形面は、光沢研磨された平滑面である、
   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. 前記冷却部材は、前記成形面及び前記冷却流路を含む成形部と、前記成形部が接合された本体部とを備え、
   前記成形部は、粉末積層造形によって造形されている、
   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. 前記成形部と前記本体部とが互いに結合されている、
   請求項４に記載の積層造形物の製造方法。
6. 前記冷却部材は、前記成形面に絶縁層が設けられている、
   請求項１〜５のいずれか一項に記載の積層造形物の製造方法。
7. 前記絶縁層は、セラミックスである、
   請求項６に記載の積層造形物の製造方法。
8. 銅または銅合金から形成され、冷却媒体が流される冷却流路を有する第２の冷却部材を前記母材の下部に配置させる、
   請求項１〜７のいずれか一項に記載の積層造形物の製造方法。

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