JP6265376B2 - 三次元造形装置、三次元造形物の造形方法、および三次元製造装置の制御プログラム - Google Patents

Description

本発明は、三次元造形装置、三次元造形物の造形方法、および三次元製造装置の制御プログラムに関する。

金属の溶接ワイヤを溶融して形成される溶接ビードを積層して、三次元造形物を造形する三次元造形装置が知られている。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］特開２０００―１５３６３号公報

下層のビードに対して積層する上層のビードを斜め方向に積み上げる場合に、主に重力方向への垂れが要因となって上層のビードが目標高さに到達せず、そのまま積層工程を繰り返すと、造形物全体として高さ方向に大きな誤差を生じるばかりか、三次元形状そのものが崩れてしまうことがあった。

本発明の第１の態様における三次元造形装置は、金属ワイヤをアーク放電により溶融した溶滴を対向する基板の方向へ送出する溶接トーチと、基板と溶接トーチとを相対的に移動させる移動機構と、溶滴により形成された第１溶接ビードに、第１溶接ビードの伸延方向の中心線から偏位させて第２溶接ビードを積層して形成する場合に、送出する溶滴の溶滴量を制御するパラメータ値を中心線からの偏位量に基づいて演算する演算部と、演算部により演算されたパラメータ値に基づいて溶接トーチおよび移動機構を制御する制御部とを備える。

本発明の第２の態様における三次元造形装置は、金属ワイヤをアーク放電により溶融した溶滴を対向する基板の方向へ送出する溶接トーチと、基板とトーチとを相対的に移動させる移動機構と、溶滴により形成された第１溶接ビードの形状を計測する計測部と、第１溶接ビードに、第１溶接ビードの伸延方向の中心線から偏位させて第２溶接ビードを積層して形成する場合に、送出する溶滴の溶滴量を制御するパラメータ値を中心線からの偏位量と計測部の計測結果に基づいて演算する演算部と、演算部により演算されたパラメータ値に基づいて溶接トーチおよび移動機構を制御する制御部とを備える。

本発明の第３の態様における三次元造形物の造形方法は、金属ワイヤをアーク放電により溶融した溶滴を対向する基板の方向へ送出して形成された第１溶接ビードに、第１溶接ビードの伸延方向の中心線から偏位させて第２溶接ビードを積層して形成する場合に、送出する溶滴の溶滴量を制御するパラメータ値を中心線からの偏位量に基づいて演算する演算工程と、演算工程により演算されたパラメータ値に基づいて、溶滴を送出する溶接トーチ、および基板と溶接トーチとを相対的に移動させる移動機構を制御する制御工程とを有する。

本発明の第４の態様における三次元造形物の造形方法は、金属ワイヤをアーク放電により溶融した溶滴を対向する基板の方向へ送出して形成された第１溶接ビードの形状を計測する計測工程と、第１溶接ビードに、第１溶接ビードの伸延方向の中心線から偏位させて第２溶接ビードを積層して形成する場合に、送出する溶滴の溶滴量を制御するパラメータ値を中心線からの偏位量と計測工程の計測結果に基づいて演算する演算工程と、演算工程により演算されたパラメータ値に基づいて、溶滴を送出する溶接トーチ、および基板と溶接トーチとを相対的に移動させる移動機構を制御する制御工程とを有する。

本発明の第５の態様における三次元製造装置の制御プログラムは、金属ワイヤをアーク放電により溶融した溶滴を対向する基板の方向へ送出して形成された第１溶接ビードに、第１溶接ビードの伸延方向の中心線から偏位させて第２溶接ビードを積層して形成する場合に、送出する溶滴の溶滴量を制御するパラメータ値を中心線からの偏位量に基づいて演算する演算ステップと、演算ステップにより演算されたパラメータ値に基づいて、溶滴を送出する溶接トーチ、および基板と溶接トーチとを相対的に移動させる移動機構を制御する制御ステップとをコンピュータに実行させる。

本発明の第６の態様における三次元製造装置の制御プログラムは、金属ワイヤをアーク放電により溶融した溶滴を対向する基板の方向へ送出して形成された第１溶接ビードの形状を計測する計測ステップと、第１溶接ビードに、第１溶接ビードの伸延方向の中心線から偏位させて第２溶接ビードを積層して形成する場合に、送出する溶滴の溶滴量を制御するパラメータ値を中心線からの偏位量と計測ステップの計測結果に基づいて演算する演算ステップと、演算ステップにより演算されたパラメータ値に基づいて、溶滴を送出する溶接トーチ、および基板と溶接トーチとを相対的に移動させる移動機構を制御する制御ステップとをコンピュータに実行させる。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

本実施形態に係る三次元造形装置の構成を示す模式図である。 溶接トーチの先端部近傍の拡大断面図である。 造形物の例を示す模式図である。 断面における下層ビードと積層ビードの相対的な位置関係を示す図である。 第１実施例における形成工程を示すフロー図である。 第２実施例における形成工程を示すフロー図である。 実験に係る諸元値である。 図３の形状を目標として造形した実験結果である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本実施形態に係る三次元造形装置１００の構成を示す模式図である。三次元造形装置１００は、基台１１０と、基台１１０に支えられ、重力方向であるｚ軸に直交するｙ軸方向に移動するステージ１２０と、ステージ１２０の移動を妨げない位置に配置され、基台１１０からｚ軸方向へ伸びる支柱１３０を備える。支柱１３０は、ｚ軸方向へ伸びるガイドラックを有し、当該方向へ移動できるように可動アーム１４０を支持する。可動アーム１４０は、ｘ軸方向へ伸びるガイドラックを有し、当該方向へ移動できるようにホルダー１５０を支持する。ステージ１２０のｙ軸方向への移動、可動アーム１４０のｚ軸方向への移動およびホルダー１５０のｘ軸方向への移動は、それぞれに設けられたアクチュエータによって行われる。これらアクチュエータを含む移動機構の駆動は、制御部４００によって、駆動ユニット４４０を介して実行される。

ホルダー１５０は、装着された溶接トーチ２００をｚ軸方向に沿うように固定する。溶接トーチ２００の一端側にはガイドチューブ１６０が接続されている。ガイドチューブ１６０は、そのチューブ内空間を介して金属の溶接ワイヤ２１０と後述のシールドガスを溶接トーチ２００へ供給する。

溶接トーチ２００の他端側は、ステージ１２０に載置された基板５１０に対向している。基板５１０は、ステージ１２０に設けられたチャック３１０によって固定されている。溶接トーチ２００の他端側から引き出される溶接ワイヤ２１０は、アーク放電によって溶融され、対向する基板５１０側へ溶滴として送出される。溶滴は基板５１０上に積層され、目標とする三次元の造形物５２０が形成される。具体的には後述するが、これら一連の動作は、制御部４００によって、放電ユニット４２０を介して実行される。

溶接トーチ２００の外周部には、例えばＣＣＤ撮像センサから成る画像センサ２２０が装着されている。画像センサ２２０は、形成される造形物５２０を撮影して画像データを画像ユニット４３０へ送る。画像ユニット４３０は、造形物５２０の三次元形状を計測して計測結果を制御部４００へ引き渡す。

図においては各構造の説明のために点線で示すが、ステージ１２０上には、冷却槽３００が載置されている。冷却槽３００は、冷却水で満たされており、基板５１０、造形物５２０などは冷却水に浸されている。

制御部４００は、三次元造形装置１００の全体を統括的に制御する。制御部４００は、取得部４５０を介して外部のＣＡＤシステム７００からＣＡＤデータを取得する。記憶部４６０は、例えばフラッシュメモリであり、三次元造形装置１００を動作させる制御プログラム、各種パラメータ値、後述するルックアップテーブル等を記憶している。制御部４００は、記憶部４６０からこれらを適宜読み出して利用、参照する。制御部４００は、演算部４１０を包含する。換言すれば、制御部４００は、演算部４１０としても機能する。演算部４１０は、例えばＣＡＤデータに沿って造形物５２０を形成するときに、適用するパラメータ値を補正するための補正演算を行う。

次に、目標物である三次元形状の造形物５２０が形成される様子について説明する。図２は、溶接トーチ２００の先端部近傍の拡大断面図である。溶接トーチ２００は円筒形状を成し、内部の円筒空間には同軸上に給電部２０１が配置されている。溶接トーチ２００内に引き込まれた溶接ワイヤ２１０は、給電部２０１と接触摺動することにより電力が供給される。

また、ガイドチューブ１６０を介して送り込まれてくるシールドガス２０２は、溶接トーチ２００の円筒空間を通過して、端部開口から基板５１０へ向けて噴射される。シールドガス２０２は、例えば二酸化炭素であり、溶滴２１１など溶融した溶接ワイヤ２１０が空気と触れることを防ぐと共に、溶滴２１１の飛散を防ぐ役割を担う。

溶接ワイヤ２１０と基板５１０あるいは既に形成されたビード５２１との間で、給電部２０１による電力供給によりアーク放電が発生し、溶融した溶滴２１１が滴下してビード５２１の一部を形成する。

溶接ワイヤ２１０がｚ軸マイナス方向（重力方向）に送られ、その先端が滴下目標位置との間で適切な高さとなるように、溶接トーチ２００の全体がｚ方向に移動される。基板５１０は、ステージ１２０のｙ軸方向への移動に追従する。図は、ｙ軸方向を伸延方向とするビード５２１の断面を表しており、ステージ１２０を溶滴２１１の滴下に同期してｙ軸方向へ移動させると、ビード５２１はｙ軸方向へ徐々に伸延する。一方、溶接トーチ２００が装着されているホルダー１５０を溶滴２１１の滴下に同期してｘ軸方向へ移動させると、ビード５２１はｘ軸方向へ徐々に伸延する。ステージ１２０のｙ軸方向への移動と、ホルダー１５０のｘ軸方向への移動を連動させれば、ビード５２１を斜め方向へ伸延させることもできる。

ビード５２１を積層する場合、１層ずつ積み上げる方法と、一筆書き形式で連続的に積み上げる方法とが考えられる。１層ずつ積み上げる場合は、各層のビードは始点と終点で連結される。この場合は、下層のビードが終点に到達したら溶滴２１１の滴下を一旦停止し、溶接トーチ２００を持ち上げて、上層ビードの始点を定めて再び溶滴２１１の滴下を開始する。一筆書き形式で連続的に積み上げる場合は、下層のビードが終点まで到達しても溶滴２１１の滴下を継続したまま、溶接トーチ２００を持ち上げて連続的にビードを伸延させる。すなわち、下層のビードから上層のビードへの境界部を連続的に形成する。本出願人の実験結果によれば、１層ずつ積み上げる方法によると、始点と終点の境界部で重力方向の段差が生じやすく、一方で連続的に積み上げる方法によると、当該段差が生じにくく滑らかな表面を実現できることがわかった。そこで、本実施形態においては、ビードの積層を一筆書き形式で連続的に積み上げる方法を採用する。ただし、内部に複数の空洞があるなど、形成する三次元形状によっては全てを一筆書き形式で連続的に積み上げられない場合もある。その場合は一旦溶滴２１１の滴下を停止して下層のビードを完成させた上で、溶接トーチ２００を移動させ、別の始点から新たにビードを形成しても良い。つまり、連続的に積み上げられる場合は積み上げ、そうでない場合には不連続な接続箇所を最小限に抑えつつ積層すると良い。このとき、形成する三次元形状の対称性を考慮して不連続な接続箇所を設定すると良い。

図３は、造形物５２０の例を示す模式図である。図３（ａ）は斜視図であり、図３（ｂ）は側面図である。図の例によれば、造形物５２０は、一本のビード５２１を螺旋状に積み重ねて形成された、側面の一部が傾斜した長円柱である。長側面の一端側近傍では第１補助線９０１で示すように、側面は基板５１０の表面に対して直立している。そして、一端側から他端側へ向かって徐々に傾斜し、他端側近傍では第２補助線９０２で示すように、基板５１０の表面の法線に対してθだけ傾斜している。

このようなオーバーハングを有する三次元形状の造形物５２０を、ビード５２１の積層により形成する場合、下層のビード５２１の伸延方向の中心線から偏位させて上層のビード５２１を積層することにより傾斜を実現する。このとき、何ら補正制御を行うことなく積層工程を実行すると、積み重ねる上層のビード５２１が固化前に重力方向に垂れて、目標とする積み重ね高さを実現できなかった。すると、造形物５２０全体として高さ方向に大きな誤差を生じるばかりか、傾斜角θまでもが大きくなってしまい、場合によっては三次元形状そのものが崩れてしまうことがあった。そこで、本実施形態においては、下層のビード５２１の伸延方向の中心線から偏位させて上層のビード５２１を積層する場合に、補正制御を行う。以下に補正制御を具体的に説明する。

図４は、下層ビード５２１１の伸延方向に直交する断面における、下層ビード５２１１と、上層ビードとして積層する積層ビード５２１２の相対的な位置関係を示す図である。下層ビード５２１１はｙ軸方向が伸延方向であり、積層ビード５２１２も伸延方向はｙ軸方向であるが、下層ビード５２１１に対して少し偏位した位置に積層する。より具体的には、下層ビード５２１１の伸延方向の中心線に対して、積層ビード５２１２の伸延方向の中心線を、ｘ軸方向にｄだけ偏位させる。つまり、積層ビード５２１２は、下層ビード５２１１の中心線からｘ軸方向にｄだけ偏位した位置を狙って、図示する滴下ラインに沿って溶滴２１１を滴下することにより形成する。

このように偏位量ｄを定めると、下層ビード５２１１に対する積層ビード５２１２のｘｚ平面における傾斜角は、図のようにθとなる。より正確には、ｘｚ平面での断面において、下層ビード５２１１の中心線を通過する重力方向の垂直線と、当該中心線と積層ビード５２１２の目標高さの頂点とを結ぶ傾斜線とが成す傾斜角がθである。積層ビード５２１２を積層することにより積み重ねられる高さの目標値をＨとすると、
ｔａｎθ＝ｄ／Ｈ …（１）
が成り立つ。また、図示するように、滴下ラインと下層ビード５２１１の交点から下層ビード５２１１の頂点までの高さをｅとする。すると、滴下ライン上において積み重ねるべき高さはθの関数として、
Ｈ（θ）＝Ｈ＋ｅ …（２）
と表される。ここで、下層ビード５２１１の上面を、図示するｘｚ平面の断面において、伸延方向の中心線を頂点とする二次関数Ｃ：
ｙ＝ａｘ^２ （ただしａは係数） …（３）
で近似すると、
ｅ＝｜ａＨ^２ｔａｎ^２θ｜ …（４）
が成り立つ。したがって、（４）式を（２）式に代入して、
Ｈ（θ）＝Ｈ＋｜ａＨ^２ｔａｎ^２θ｜ …（５）
を得る。

以上において、係数ａは、画像センサ２２０が下層ビード５２１１を撮影して得られた画像データを画像ユニット４３０が解析して断面形状を同定し、演算部４１０がその結果に二次関数をフィッティングさせて算出される。あるいは、画像ユニット４３０が下層ビード５２１１の幅を同定し、制御部４００は、予め記憶部４６０に用意されているビード幅と係数ａの相関関数またはルックアップテーブルを参照して係数ａを決定する。画像センサ２２０および画像ユニット４３０を備えない場合には、下層ビード５２１１の形状を解析することなく、下層ビード５２１１を形成したときのパラメータから係数ａを決定しても良い。例えば、ビードの伸延方向（図ではｙ方向）の単位長さ当たりに滴下した溶滴２１１の溶滴量と係数ａの関係を予め実験的に取得してルックアップテーブルを作成し、これを記憶部４６０に記憶しておく。制御部４００は、下層ビード５２１１を形成したときの当該溶滴量を、記憶部４６０に記憶させておいたルックアップテーブルに当てはめて係数ａを決定する。なお、着目するパラメータは単位長さ当たりに滴下した溶滴２１１の溶滴量に限らず、変更し得るさまざまなパラメータ値を入力値としても良い。例えば、溶接トーチ２００のｘｙ方向への送り速度と、給電部２０１の印加電圧等の２つ以上のパラメータに係数ａを相関させたルックアップテーブルを作成しても良い。この場合、下層ビード５２１１を形成したときの溶接トーチ２００のｘｙ方向への送り速度と、給電部２０１の印加電圧等を当該ルックアップテーブルに当てはめれば係数ａを決定することができる。

単位時間当たりに送出される溶滴２１１の滴下量を一定とした場合に、平板基板上に形成されるビードの高さＨ_０は、当該平板基板に対する溶接トーチ２００の送り速度Ｆと以下の関係があることが実験的に確認された。
Ｈ_０＝ｋＦ^ｍ （ただしｋ、ｍは定数） …（６）
例えば、Ｈ（ｍｍ）に対するＦ（ｍｍ／ｍｉｎ）とする実験結果として、ｋ＝３５．５６８、ｍ＝−０．５７が得られた。

また、
Ｈ_０≒Ｈ（θ） …（７）
の近似式を用いた場合の実験結果が良好であることがわかった。そこで、（７）式に（５）式と（６）式を代入するて展開すると、
Ｆ＝［｛Ｈ＋｜ａＨ^２ｔａｎ^２θ｜｝／ｋ］^{（１／ｍ）} …（８）
の補正式を導くことができる。

本実施形態においては、この補正式（８）を用いて溶接トーチ２００の送り速度を補正する。具体的には、（６）式に関して、さまざまなＨ_０の値に対してｋ、Ｆ、ｍを予め実験的に同定しておき、これらの組み合わせの値をルックアップテーブルとして記憶部４６０に記憶させておく。造形物５２０の造形時において、積層ビード５２１２の偏位量ｄから傾斜角θが定まると（ＣＡＤデータから先に傾斜角θが定まっても良い）、Ｈ（θ）が決定されるので、（７）式の関係を用いて記憶部４６０のルックアップテーブルを参照する。ルックアップテーブルから対応するｋ、Ｆ、ｍが決定されると、（８）式により実際に駆動する送り速度Ｆが決定される。

なお、以上の説明においては、単位時間当たりに送出される溶滴２１１の滴下量を一定としたが、送出される溶滴量を可変パラメータとしても良い。溶滴量を可変パラメータとする場合には、これに関連する溶接ワイヤ２１０の供給速度、供給電力の電圧値および電流値等の少なくともいずれかを変更すれば良い。この場合、これらの可変パラメータを変化させたときのそれぞれに対するｋ、Ｆ、ｍを予め実験的に同定しておけば良い。このようなルックアップテーブルが予め用意されていれば、造形物５２０の造形時においても、送出する溶滴量を変更した場合の送り速度Ｆを導出できるなど、柔軟な補正制御を行うことができる。

以上の補正制御を適用した造形物５２０の形成工程について説明する。図５は、第１実施例における形成工程を示すフロー図である。一連のフローは、基板５１０がステージ１２０に固定され、冷却槽３００に冷却水が満たされるなどのセットアップが完了した時点から開始される。

制御部４００は、ステップＳ１０１で、取得部４５０を介してＣＡＤシステム７００からＣＡＤデータを取得する。制御部４００は、取得したＣＡＤデータから、一筆書き形式でビードを積み上げるパスデータを生成する。生成されるパスデータは、下層ビードに対する積層ビードの偏位量の情報、各層の目標高さの情報等を含む。

制御部４００は、ステップＳ１０２へ進み、これから溶滴２１１を送出して形成する積層ビードの目標位置が、下層ビードの直上であるか否かを、生成したパスデータから判断する。なお、基板５１０に直接形成される最下層のビードを形成する場合は、下層ビードの直上であると判断する。直上であるとは、基板５１０に対して積層ビードを鉛直方向に積み上げる場合である。したがって、制御部４００は、鉛直方向に積み上げる場合にＹＥＳと判断し、傾斜させて積み上げる場合にＮＯと判断する。

ステップＳ１０２でＮＯと判断すると、制御部４００は、ステップＳ１０３へ進み、偏位量を生成したパスデータから同定する。そして、ステップＳ１０４へ進み、制御部４００は、画像ユニット４３０が計測した下層ビードの断面形状を受け取る。そして、ステップＳ１０５で、取得した断面形状に二次関数を当てはめ、上述の係数ａを決定する。

制御部４００は、ステップＳ１０６で、パスデータに含まれる目標高さの情報等から上述のＨ（θ）を算出し、このＨ（θ）に対応する上述のｋ、Ｆ、ｍを記憶部４６０に記憶されているルックアップテーブルを参照して決定する。演算部４１０は、ステップＳ１０７で、これら決定した制御値を用いて制御パラメータとして溶接トーチ２００の送り速度Ｆの値を決定する。もちろん、上述のように、溶接トーチ２００の送り速度Ｆ以外の制御パラメータの制御値を変更しても良い。

このように制御パラメータの制御値が決定されたら、制御部４００は、ステップＳ１０８へ進み、決定された制御値が実現されるように制御を実行する。具体的には、放電ユニット４２０を介して溶接トーチ２００からの溶滴２１１の送出を制御し、駆動ユニット４４０を介して基板５１０と溶接トーチ２００の相対移動を制御する。このような制御により、積層ビードの伸延方向に対する断面において、積層ビードは目標値に極めて近い高さと傾斜角を実現する。

制御部４００は、ステップＳ１０９で、積層ビードの伸延方向に、距離Ｄ_０分進んだか否かを判断する。具体的には、駆動ユニット４４０が駆動した駆動量あるいはフィードバックされた基板５１０と溶接トーチ２００の相対的な移動量により判断する。ここで、距離Ｄ_０は、予め定められた一定値としても良いし、パスデータから算出される偏位量ｄの変化量が予め定められた範囲から外れるまでの可変値としても良い。距離Ｄ_０に到達するまではステップＳ１０７で決定された制御パラメータ値を適用して制御を継続すべく、ステップＳ１０８へ戻る。距離Ｄ_０に到達したらステップＳ１１０へ進む。

制御部４００は、ステップＳ１１０で、終了点に到達したか否かを判断する。終了点に到達していないと判断した場合は、ステップＳ１０２へ戻って積層ビードの形成を継続する。終了点に到達したと判断した場合には、造形物５２０が完成したと判断して一連の処理を終了する。

ステップＳ１０２で積層ビードの目標位置が下層ビードの直上であると判断した場合には、制御部４００は、ステップＳ１１１へ進む。制御部４００は、ステップＳ１１１で、パスデータから目標高さの情報をＨ_０として同定し、上述のｋ、Ｆ、ｍを記憶部４６０に記憶されているルックアップテーブルを参照して決定する。そして、上述の（６）式から溶接トーチ２００の送り速度Ｆの値を決定する。もちろん、溶接トーチ２００の送り速度Ｆ以外の制御パラメータの制御値を変更しても良い。このように制御パラメータの制御値が決定されたら、制御部４００は、ステップＳ１０８へ進み、上述通りの動作を実行する。

以上の第１実施例においては、積層ビードが下層ビードに対して直上に積層されるか偏位して積層されるかにより制御を分岐した。しかし、制御を分岐させることなく処理することもできる。以下に第２実施例を説明する。

図６は、第２実施例における形成工程を示すフロー図である。第２実施例においては、下層ビードが必ずしもパスデータ通りに形成されず、誤差を含みうる場合に有効である。第１実施例と同様に、一連のフローは、基板５１０がステージ１２０に固定され、冷却槽３００に冷却水が満たされるなどのセットアップが完了した時点から開始される。

制御部４００は、ステップＳ２０１で、取得部４５０を介してＣＡＤシステム７００からＣＡＤデータを取得する。制御部４００は、取得したＣＡＤデータから、一筆書き形式でビードを積み上げるパスデータを生成する。生成されるパスデータは、下層ビードに対する積層ビードの偏位量の情報、各層の目標高さの情報等を含む。

制御部４００は、ステップＳ２０２で、画像ユニット４３０が計測した下層ビードの形状を受け取る。ここでは、画像ユニット４３０は、断面形状に限らず、伸延方向の中心線の位置、伸延方向のベクトル、下層ビードを含むすでに積層したビードの面の傾き角も計測し、制御部４００に引き渡す。制御部４００は、ステップＳ２０３で、受け取った下層ビードの形状情報とパスデータとから、下層ビードが設計位置に対してどれだけ誤差を持っているのかを算出する。そして、ステップＳ２０４で、パスデータから得られる溶滴２１１の滴下目標位置を修正する。これにより、ステップＳ２０５で、修正された偏位量ｄが決定される。このとき、すでに積層したビードの面の傾き角を考慮して偏位量ｄを修正しても良い。例えば、設計値に対して計測した傾き角が大きい場合には、積層ビードの傾斜角が小さくなるように偏位量ｄを修正しても良いし、逆に計測した傾き角が小さい場合には、積層ビードの傾斜角が大きくなるように偏位量ｄを修正しても良い。

制御部４００は、ステップＳ２０６で、取得した下層ビードの断面形状に二次関数を当てはめ、上述の係数ａを決定する。そして、制御部４００は、ステップＳ２０７で、パスデータに含まれる目標高さの情報、修正された偏位量ｄ等から上述のＨ（θ）を算出し、このＨ（θ）に対応する上述のｋ、Ｆ、ｍを記憶部４６０に記憶されているルックアップテーブルを参照して決定する。演算部４１０は、ステップＳ２０８で、これら決定した制御値を用いて制御パラメータとして溶接トーチ２００の送り速度Ｆの値を決定する。もちろん、上述のように、溶接トーチ２００の送り速度Ｆ以外の制御パラメータの制御値を変更しても良い。

このように制御パラメータの制御値が決定されたら、制御部４００は、ステップＳ２０９へ進み、決定された制御値が実現されるように制御を実行する。具体的には、放電ユニット４２０を介して溶接トーチ２００からの溶滴２１１の送出を制御し、駆動ユニット４４０を介して基板５１０と溶接トーチ２００の相対移動を制御する。このような制御により、積層ビードの伸延方向に対する断面において、積層ビードは目標値に極めて近い高さと傾斜角を実現する。

制御部４００は、ステップＳ２１０で、積層ビードの伸延方向に、距離Ｄ_０分進んだか否かを判断する。具体的には、駆動ユニット４４０が駆動した駆動量あるいはフィードバックされた基板５１０と溶接トーチ２００の相対的な移動量により判断する。ここで、距離Ｄ_０は、予め定められた一定値としても良いし、パスデータから算出される偏位量ｄの変化量が予め定められた範囲から外れるまでの可変値としても良い。また、ステップＳ２０２で取得した伸延方向のベクトルに応じて変更しても良い。例えば、下層ビードの計測されたベクトルが、パスデータによる伸延方向のベクトルに対して、大きくずれているほど、距離Ｄ_０を短くすると良い。

距離Ｄ_０に到達するまではステップＳ２０８で決定された制御パラメータ値を適用して制御を継続すべく、ステップＳ２０９へ戻る。距離Ｄ_０に到達したらステップＳ２１１へ進む。

制御部４００は、ステップＳ２１１で、終了点に到達したか否かを判断する。終了点に到達していないと判断した場合は、ステップＳ２０２へ戻って積層ビードの形成を継続する。終了点に到達したと判断した場合には、造形物５２０が完成したと判断して一連の処理を終了する。

以上説明した第１実施例または第２実施例により、造形物５２０が完成する。この後、マシニングセンタ等の加工機により仕上げ加工が施され、基板５１０から分離されて、三次元形状の造形物を製造する一連の工程が完了する。もちろん、三次元造形装置１００による加工精度で十分であれば、仕上げ加工を省略することもできる。

ここでいくつかの実験データを紹介する。図７は、実験に係る諸元値である。ここでは設定する制御パラメータとして溶接ワイヤ素材、溶接ワイヤ直径、印加電流、印加電圧、溶接トーチ送り速度、シールドガスの種類と混合比、シールドガス量を選択している。この条件のもと、図３で示した三次元形状を目標として造形物５２０を形成する実験を行った。

図８は、図３の形状を目標として造形した実験結果である。横軸は、設計値として設定した傾斜角度であり、縦軸は、実際に形成された面の誤差角度である。黒丸のプロットは補正制御を行わなかった結果で有り、白丸のプロットは補正制御を行った結果である。グラフが示すように、誤差角度は、いずれも補正制御有りの方が小さい。特に設定角度が３０°近傍で顕著である。

以上、本実施形態および実験結果を説明したが、補正制御はさまざまなバリエーションを適用して行うことができる。本実施形態における補正制御は、下層ビードに、その伸延方向の中心線から偏位させて積層ビードを積層して形成する場合に、送出する溶滴の溶滴量を制御するパラメータ値を当該中心線からの偏位量に基づいて演算するが、上述のように演算されるパラメータ値は溶接トーチ２００の送り速度Ｆに限らない。例えば直接的に溶滴量を演算し、この溶滴量が送出されるように関連するパラメータ値を決定しても良い。この場合、溶接トーチ２００が引き込む溶接ワイヤ２１０の引込速度、および基板５１０と溶接トーチ２００の相対速度のいずれかを変更するように制御しても良い。

溶滴２１１の送出についても、さまざまな態様を採用し得る。給電部２０１の印加電圧、電流を調整することにより、一度に送出される溶滴量を変更することができるので、同一の目標位置に一滴の滴下に限らず、複数回の滴下を行っても良い。

また、移動機構が基板５１０に対して溶接トーチ２００を傾ける機構を含む構成とすれば、制御部４００は、下層ビードに対する積層ビードの傾斜角に応じて溶接トーチ２００を傾けるように制御しても良い。例えば、傾斜角方向に沿って溶滴２１１を滴下できれば、傾斜面であっても滑らかな表面にすることができる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１００ 三次元造形装置、１１０ 基台、１２０ ステージ、１３０ 支柱、１４０ 可動アーム、１５０ ホルダー、１６０ ガイドチューブ、２００ 溶接トーチ、２０１ 給電部、２０２ シールドガス、２１０ 溶接ワイヤ、２１１ 溶滴、２２０ 画像センサ、３００ 冷却槽、３１０ チャック、４００ 制御部、４１０ 演算部、４２０ 放電ユニット、４３０ 画像ユニット、４４０ 駆動ユニット、４５０ 取得部、４６０ 記憶部、５１０ 基板、５２０ 造形物、５２１ ビード、５２１１ 下層ビード、５２１２ 積層ビード、７００ ＣＡＤシステム、９０１ 第１補助線、９０２ 第２補助線

Claims (33)

1. 金属ワイヤをアーク放電により溶融した溶滴を対向する基板の方向へ送出する溶接トーチと、
   前記基板と前記溶接トーチとを相対的に移動させる移動機構と、
   前記溶滴により形成された第１溶接ビードに、前記第１溶接ビードの伸延方向の中心線から偏位させて第２溶接ビードを積層して形成する場合に、送出する前記溶滴の溶滴量を制御するパラメータ値を前記中心線からの偏位量に基づいて演算する演算部と、
   前記演算部により演算された前記パラメータ値に基づいて前記溶接トーチおよび前記移動機構を制御する制御部と
   を備え、前記演算部は、前記第２溶接ビードが接する前記第１溶接ビードの上面を、前記伸延方向に直交する断面において、前記中心線を頂点とする二次関数で近似する三次元造形装置。
2. 前記制御部は、前記演算部により演算された前記パラメータ値に基づいて、前記溶接トーチが引き込む前記金属ワイヤの引込速度、および前記基板と前記溶接トーチの相対速度の少なくともいずれかを変更する請求項１に記載の三次元造形装置。
3. 前記第１溶接ビードを形成するパラメータ値と前記二次関数の係数とが対応づけられたルックアップテーブルを記憶する記憶部を備え、
   前記演算部は、前記ルックアップテーブルを参照して前記二次関数を定める請求項１または２に記載の三次元造形装置。
4. 前記第２溶接ビードを形成するための前記溶滴の送出に先立って、前記第１溶接ビードの前記断面の形状を計測する断面計測部を備え、
   前記演算部は、前記断面計測部によって計測された断面形状に基づいて前記二次関数を定める請求項１から３のいずれか一項に記載の三次元造形装置。
5. 前記演算部は、前記基板と前記溶接トーチの相対速度を、前記第１溶接ビードの前記伸延方向に直交する断面において、前記中心線を通過する重力方向の垂直線と、前記中心線と前記第２溶接ビードの目標高さの頂点とを結ぶ傾斜線とが成す傾斜角の関数として導く請求項１から４のいずれか１項に記載の三次元造形装置。
6. 前記演算部は、前記傾斜角をＣＡＤデータに基づいて取得する請求項５に記載の三次元造形装置。
7. 前記第２溶接ビードを形成するための前記溶滴の送出に先立って、前記第１溶接ビードを含むすでに積層した溶接ビードの傾きを計測する傾斜計測部を備え、
   前記演算部は、傾斜計測部によって計測された傾きに基づいて前記傾斜角を修正する請求項５または６に記載の三次元造形装置。
8. 前記移動機構は、前記基板に対して前記溶接トーチを傾ける機構を含み、
   前記制御部は、前記傾斜角に基づいて前記溶接トーチを傾ける請求項５から７のいずれか１項に記載の三次元造形装置。
9. 前記制御部は、前記第１溶接ビードから前記第２溶接ビードへの境界部を連続的に形成する請求項１から８のいずれか１項に記載の三次元造形装置。
10. 金属ワイヤをアーク放電により溶融した溶滴を対向する基板の方向へ送出する溶接トーチと、
    前記基板と前記溶接トーチとを相対的に移動させる移動機構と、
    前記溶滴により形成された第１溶接ビードの形状を計測する計測部と、
    前記第１溶接ビードに、前記第１溶接ビードの伸延方向の中心線から偏位させて第２溶接ビードを積層して形成する場合に、送出する前記溶滴の溶滴量を制御するパラメータ値を前記中心線からの偏位量と前記計測部の計測結果に基づいて演算する演算部と、
    前記演算部により演算された前記パラメータ値に基づいて前記溶接トーチおよび前記移動機構を制御する制御部と
    を備え、前記演算部は、前記第２溶接ビードが接する前記第１溶接ビードの上面を、前記伸延方向に直交する断面において、前記中心線を頂点とする二次関数で近似する三次元造形装置。
11. 前記制御部は、前記演算部により演算された前記パラメータ値に基づいて、前記溶接トーチが引き込む前記金属ワイヤの引込速度、および前記基板と前記溶接トーチの相対速度の少なくともいずれかを変更する請求項１０に記載の三次元造形装置。
12. 前記演算部は、前記基板と前記溶接トーチの相対速度を、前記第１溶接ビードの前記伸延方向に直交する断面において、前記中心線を通過する重力方向の垂直線と、前記中心線と前記第２溶接ビードの目標高さの頂点とを結ぶ傾斜線とが成す傾斜角の関数として導く請求項１０または１１に記載の三次元造形装置。
13. 前記移動機構は、前記基板に対して前記溶接トーチを傾ける機構を含み、
    前記制御部は、前記偏位量に基づいて前記溶接トーチを傾ける請求項１０から１２のいずれか１項に記載の三次元造形装置。
14. 前記制御部は、前記第１溶接ビードから前記第２溶接ビードへの境界部を連続的に形成する請求項１０から１３のいずれか１項に記載の三次元造形装置。
15. 金属ワイヤをアーク放電により溶融した溶滴を対向する基板の方向へ送出する溶接トーチと、
    前記基板と前記溶接トーチとを相対的に移動させる移動機構と、
    前記溶滴により形成された第１溶接ビードに、前記第１溶接ビードの伸延方向の中心線から偏位させて第２溶接ビードを積層して形成する場合に、送出する前記溶滴の溶滴量を制御するパラメータ値を前記中心線からの偏位量に基づいて演算する演算部と、
    前記演算部により演算された前記パラメータ値に基づいて前記溶接トーチおよび前記移動機構を制御する制御部と
    前記第２溶接ビードを形成するための前記溶滴の送出に先立って、前記第１溶接ビードを含む既に積層した溶接ビードの傾きを計測する傾斜計測部と
    を備え、前記演算部は、前記傾斜計測部によって計測された傾きに基づいて、前記第１溶接ビードの前記伸延方向に直交する断面において、前記中心線を通過する重力方向の垂直線と、前記中心線と前記第２溶接ビードの目標高さの頂点とを結ぶ傾斜線とが成す傾斜角を修正する三次元造形装置。
16. 前記制御部は、前記演算部により演算された前記パラメータ値に基づいて、前記溶接トーチが引き込む前記金属ワイヤの引込速度、および前記基板と前記溶接トーチの相対速度の少なくともいずれかを変更する請求項１５に記載の三次元造形装置。
17. 前記演算部は、前記基板と前記溶接トーチの相対速度を、前記傾斜角の関数として導く請求項１５または１６に記載の三次元造形装置。
18. 前記演算部は、前記傾斜角をＣＡＤデータに基づいて取得する請求項１５から１７のいずれか一項に記載の三次元造形装置。
19. 前記移動機構は、前記基板に対して前記溶接トーチを傾ける機構を含み、
    前記制御部は、前記傾斜角に基づいて前記溶接トーチを傾ける請求項１５から１８のいずれか一項に記載の三次元造形装置。
20. 前記制御部は、前記第１溶接ビードから前記第２溶接ビードへの境界部を連続的に形成する請求項１５から１９のいずれか１項に記載の三次元造形装置。
21. 金属ワイヤをアーク放電により溶融した溶滴を対向する基板の方向へ送出する溶接トーチと、
    前記基板と前記溶接トーチとを相対的に移動させる移動機構と、
    前記溶滴により形成された第１溶接ビードの形状を計測する計測部と、
    前記第１溶接ビードに、前記第１溶接ビードの伸延方向の中心線から偏位させて第２溶接ビードを積層して形成する場合に、送出する前記溶滴の溶滴量を制御するパラメータ値を前記中心線からの偏位量と前記計測部の計測結果に基づいて演算する演算部と、
    前記演算部により演算された前記パラメータ値に基づいて前記溶接トーチおよび前記移動機構を制御する制御部と、
    前記第２溶接ビードを形成するための前記溶滴の送出に先立って、前記第１溶接ビードを含む既に積層した溶接ビードの傾きを計測する傾斜計測部と、
    を備え、前記演算部は、前記傾斜計測部によって計測された傾きに基づいて、前記第１溶接ビードの前記伸延方向に直交する断面において、前記中心線を通過する重力方向の垂直線と、前記中心線と前記第２溶接ビードの目標高さの頂点とを結ぶ傾斜線とが成す傾斜角を修正する三次元造形装置。
22. 前記制御部は、前記演算部により演算された前記パラメータ値に基づいて、前記溶接トーチが引き込む前記金属ワイヤの引込速度、および前記基板と前記溶接トーチの相対速度の少なくともいずれかを変更する請求項２１に記載の三次元造形装置。
23. 前記演算部は、前記基板と前記溶接トーチの相対速度を、前記第１溶接ビードの前記伸延方向に直交する断面において、前記中心線を通過する重力方向の垂直線と、前記中心線と前記第２溶接ビードの目標高さの頂点とを結ぶ傾斜線とが成す傾斜角の関数として導く請求項２１または２２に記載の三次元造形装置。
24. 前記移動機構は、前記基板に対して前記溶接トーチを傾ける機構を含み、
    前記制御部は、前記偏位量に基づいて前記溶接トーチを傾ける請求項２１から２３のいずれか１項に記載の三次元造形装置。
25. 前記制御部は、前記第１溶接ビードから前記第２溶接ビードへの境界部を連続的に形成する請求項２１から２４のいずれか１項に記載の三次元造形装置。
26. 金属ワイヤをアーク放電により溶融した溶滴を対向する基板の方向へ送出して形成された第１溶接ビードに、前記第１溶接ビードの伸延方向の中心線から偏位させて第２溶接ビードを積層して形成する場合に、送出する前記溶滴の溶滴量を制御するパラメータ値を前記中心線からの偏位量に基づいて演算する演算工程と、
    前記演算工程により演算された前記パラメータ値に基づいて、前記溶滴を送出する溶接トーチ、および前記基板と前記溶接トーチとを相対的に移動させる移動機構を制御する制御工程と
    を有し、前記演算工程は、前記第２溶接ビードが接する前記第１溶接ビードの上面を、前記伸延方向に直交する断面において、前記中心線を頂点とする二次関数で近似する三次元造形物の造形方法。
27. 金属ワイヤをアーク放電により溶融した溶滴を対向する基板の方向へ送出して形成された第１溶接ビードの形状を計測する計測工程と、
    前記第１溶接ビードに、前記第１溶接ビードの伸延方向の中心線から偏位させて第２溶接ビードを積層して形成する場合に、送出する前記溶滴の溶滴量を制御するパラメータ値を前記中心線からの偏位量と前記計測工程の計測結果に基づいて演算する演算工程と、
    前記演算工程により演算された前記パラメータ値に基づいて、前記溶滴を送出する溶接トーチ、および前記基板と前記溶接トーチとを相対的に移動させる移動機構を制御する制御工程と
    を有し、前記演算工程は、前記第２溶接ビードが接する前記第１溶接ビードの上面を、前記伸延方向に直交する断面において、前記中心線を頂点とする二次関数で近似する三次元造形物の造形方法。
28. 金属ワイヤをアーク放電により溶融した溶滴により形成された第１溶接ビードに、前記第１溶接ビードの伸延方向の中心線から偏位させて第２溶接ビードを積層して形成する場合に、送出する前記溶滴の溶滴量を制御するパラメータ値を前記中心線からの偏位量に基づいて演算する演算工程と、
    前記演算工程において演算された前記パラメータ値に基づいて、前記溶滴を対向する基板の方向へ送出する溶接トーチと、前記溶接トーチおよび前記基板を相対的に移動させる移動機構とを制御する制御工程と
    前記第２溶接ビードを形成するための前記溶滴の送出に先立って、前記第１溶接ビードを含む既に積層した溶接ビードの傾きを計測する傾斜計測工程と
    を備え、前記演算工程は、前記傾斜計測工程において計測された傾きに基づいて、前記第１溶接ビードの前記伸延方向に直交する断面において、前記中心線を通過する重力方向の垂直線と、前記中心線と前記第２溶接ビードの目標高さの頂点とを結ぶ傾斜線とが成す傾斜角を修正する三次元造形物の造形方法。
29. 金属ワイヤをアーク放電により溶融した溶滴により形成された第１溶接ビードの形状を計測する計測工程と、
    前記第１溶接ビードに、前記第１溶接ビードの伸延方向の中心線から偏位させて第２溶接ビードを積層して形成する場合に、送出する前記溶滴の溶滴量を制御するパラメータ値を前記中心線からの偏位量と前記計測工程の計測結果に基づいて演算する演算工程と、
    前記演算工程において演算された前記パラメータ値に基づいて、前記溶滴を対向する基板の方向へ送出する溶接トーチと、前記溶接トーチおよび前記基板を相対的に移動させる移動機構とを制御する制御工程と、
    前記第２溶接ビードを形成するための前記溶滴の送出に先立って、前記第１溶接ビードを含む既に積層した溶接ビードの傾きを計測する傾斜計測工程と、
    を備え、前記演算工程は、前記傾斜計測工程によって計測された傾きに基づいて、前記第１溶接ビードの前記伸延方向に直交する断面において、前記中心線を通過する重力方向の垂直線と、前記中心線と前記第２溶接ビードの目標高さの頂点とを結ぶ傾斜線とが成す傾斜角を修正する三次元造形物の造形方法。
30. 金属ワイヤをアーク放電により溶融した溶滴を対向する基板の方向へ送出して形成された第１溶接ビードに、前記第１溶接ビードの伸延方向の中心線から偏位させて第２溶接ビードを積層して形成する場合に、前記第２溶接ビードが接する前記第１溶接ビードの上面を、前記伸延方向に直交する断面において、前記中心線を頂点とする二次関数で近似して、送出する前記溶滴の溶滴量を制御するパラメータ値を前記中心線からの偏位量に基づいて演算する演算ステップと、
    前記演算ステップにより演算された前記パラメータ値に基づいて、前記溶滴を送出する溶接トーチ、および前記基板と前記溶接トーチとを相対的に移動させる移動機構を制御する制御ステップと
    をコンピュータに実行させる三次元製造装置の制御プログラム。
31. 金属ワイヤをアーク放電により溶融した溶滴を対向する基板の方向へ送出して形成された第１溶接ビードの形状を計測する計測ステップと、
    金属ワイヤをアーク放電により溶融した溶滴を対向する基板の方向へ送出して形成された第１溶接ビードに、前記第１溶接ビードの伸延方向の中心線から偏位させて第２溶接ビードを積層して形成する場合に、前記第２溶接ビードが接する前記第１溶接ビードの上面を、前記伸延方向に直交する断面において、前記中心線を頂点とする二次関数で近似して、送出する前記溶滴の溶滴量を制御するパラメータ値を前記中心線からの偏位量と前記計測ステップの計測結果に基づいて演算する演算ステップと、
    前記演算ステップにより演算された前記パラメータ値に基づいて、前記溶滴を送出する溶接トーチ、および前記基板と前記溶接トーチとを相対的に移動させる移動機構を制御する制御ステップと
    をコンピュータに実行させる三次元製造装置の制御プログラム。
32. 金属ワイヤをアーク放電により溶融した溶滴により形成された第１溶接ビードの伸延方向に直交する断面において、前記第１溶接ビードの伸延方向の中心線を通過する重力方向の垂直線と、前記中心線から偏位させて積層して形成する第２溶接ビードの目標高さの頂点と前記中心線とを結ぶ傾斜線とが成す傾斜角を、前記第１溶接ビードを含む既に積層した溶接ビードについて測定した傾きに基づいて修正し、前記溶滴の溶滴量を制御するパラメータ値を、前記第１溶接ビードの中心線からの偏位量に基づいて演算する演算ステップと、
    前記演算ステップにおいて演算された前記パラメータ値に基づいて、前記溶滴を対向する基板の方向へ送出する溶接トーチと、前記溶接トーチおよび前記基板を相対的に移動させる移動機構とを制御する制御ステップと
    をコンピュータに実行させる三次元製造装置の制御プログラム。
33. 金属ワイヤをアーク放電により溶融した溶滴により形成された第１溶接ビードの伸延方向に直交する断面において、前記第１溶接ビードの伸延方向の中心線を通過する重力方向の垂直線と、前記中心線から偏位させて積層して形成する第２溶接ビードの目標高さの頂点と前記中心線とを結ぶ傾斜線とが成す傾斜角を、前記第１溶接ビードを含む既に積層した溶接ビードについて測定した傾きに基づいて修正し、前記溶滴の溶滴量を制御するパラメータ値を、前記中心線からの偏位量と第１溶接ビードの形状の計測結果とに基づいて演算する演算ステップと、
    前記演算ステップにおいて演算された前記パラメータ値に基づいて、前記溶滴を対向する基板の方向へ送出する溶接トーチと、前記溶接トーチおよび前記基板を相対的に移動させる移動機構とを制御する制御ステップと
    をコンピュータに実行させる三次元製造装置の制御プログラム。

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