JP6509142B2 - Metal 3D printer and forming method using metal 3D printer - Google Patents
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Description
本出願は、金属製のワイヤ状の溶材(以後、溶接ワイヤと記す)をアーク放電によって溶融し、これを造形テーブルの上に積層することによって造形を行う金属3Dプリンタ及び金属3Dプリンタを用いた造形方法に関する。 The present application uses a metal 3D printer and a metal 3D printer that perform shaping by melting a metal wire-like filler (hereinafter referred to as a welding wire) by arc discharge and laminating it on a shaping table. It relates to the modeling method.
従来、コンピュータで作った3次元データを設計図として、造形物の断面形状を積層することで3次元造形物を造形する3次元プリンタ(以後3Dプリンタと記す)が普及している。樹脂を使用する3Dプリンタでは、造形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3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1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3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。 Conventionally, a three-dimensional printer (hereinafter referred to as a 3D printer) for forming a three-dimensional structure by laminating three-dimensional data generated by a computer as a design drawing and laminating cross-sectional shapes of the structure has become widespread. In a 3D printer using a resin, a stereolithography method in which a liquid resin is applied on a molding table, and a layer cured by irradiation with ultraviolet light is stacked over several layers to form a three-dimensional object Also, a hot melt lamination method is used in which resins melted by heat are stacked little by little. In addition, some 3D printers using a resin employ a powder fixing method in which a three-dimensional object is formed by rolling powder resin layer by layer and spraying an adhesive thereon to solidify it.
更に、3Dプリンタの中には、金属製の3次元造形物を造形する金属3Dプリンタもある。金属3Dプリンタでは、造形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1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、金属粉末は樹脂等と比べてかなり高価であるので、金属3Dプリンタで造形した金属製の3次元造形物は高価になり、また、この方式の3Dプリンタ自体も高価である。この点が金属3Dプリンタの普及の妨げになっていた。 Furthermore, among 3D printers, there are metal 3D printers for forming metal three-dimensional objects. In a metal 3D printer, a metal powder is spread on a molding table with a thickness of several tens of microns and then irradiated with laser light to sinter to form one layer, and this is repeated to form a metal shape The modeling of However, since metal powder is considerably expensive compared to resin etc., a metal three-dimensional structure formed by a metal 3D printer is expensive, and this type of 3D printer itself is also expensive. This point has been a hindrance to the spread of metal 3D printers.
一方、近年、それほどの精度の必要のない金属製の3次元造形物を造形する金属3Dプリンタとして、アーク溶接を利用した金属溶融積層方式の金属3Dプリンタがある。このような金属溶融積層方式の金属3Dプリンタは、例えば、特許文献1、2に提案されていると共に、その製品も実用化されている(非特許文献1参照)。金属溶融積層方式の金属3Dプリンタは、溶接ワイヤの先端でアーク放電を行って溶接ワイヤを溶融し、これを造形テーブルの上に積層することによって金属製の3次元造形物を造形するものである。
On the other hand, in recent years, as a metal 3D printer for forming a metal three-dimensional shaped object which does not require so much accuracy, there is a metal fusion laminating type metal 3D printer using arc welding. For example, while the metal 3D printer of such a metal fusion | stacking lamination | stacking system is proposed by
ここで、本出願が対象とするアーク溶接を利用した金属溶融積層方式の金属3Dプリンタについて説明する。図1は、アーク溶接を利用した金属溶融積層方式の金属3Dプリンタ50の全体構成を示すものである。金属3Dプリンタ50の本体51の上面52には、制御ユニット1及び造形を行う造形水槽6が設けられている。ここで、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及び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。
Here, a metal fusion lamination type metal 3D printer using arc welding as a target of the present application will be described. FIG. 1 shows the overall configuration of a metal fusion laminating type
金属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及び溶接トーチ5に電源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内に冷却媒体を供給する冷却媒体貯蔵タンク10が設けられている。
Next to the
図2(a)は、図1に示した金属3Dプリンタ50の造形処理部45の構造を説明するものである。溶接トーチ5の先端部は造形水槽6の中にある。造形水槽6の中の、溶接トーチ5の先端部に対向する位置には造形テーブル12が造形台として設けられている。造形テーブル12は、θ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。
FIG. 2A illustrates the structure of the
θ軸13は、図2(b)に示すように、造形水槽6の両側で回転支持されている。θ軸13は、造形水槽6の外部に設けられたθ軸駆動モータ13Mで回転駆動される。θ軸13を回転させると、造形テーブル12をθ軸13の回りに回転させることができ、造形テーブル12の傾きを変更できる。θ軸13により、造形テーブル12の上面を垂直にすることができる。
The
図3(a)は、図1に示した金属3Dプリンタ50のシステム構成を示すものである。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からシールドガスが供給され、溶接機電源9から電源が供給されており、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って溶接ワイヤ27を溶融する。造形水槽6の内部にある造形テーブル12の上には、ベースプレート15が基台として設けられている。ベースプレート15は、図3(c)に示すように、スペーサ16によって造形テーブル12から離間された状態で、造形テーブル12の上に着脱可能に固定されている。図3(c)にはスペーサ16を挿通させた固定具26でベースプレート15が造形テーブル12の上に着脱可能に固定されている例が示されているが、スペーサ16は固定具で固定する必要はない。
FIG. 3A shows a system configuration of the
ベースプレート15は、溶接材料と溶接可能な板材である。造形テーブル12とベースプレート15とを離間させる理由は、造形テーブル12とベースプレート15の間に冷却媒体CWを通すためである。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。図3(b)は、図3(a)に示した造形水槽6内に配置された造形テーブル12とベースプレート15を示すものである。
The
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には、積層中の造形物が冷却媒体CWで冷却される。冷却媒体CWは冷却媒体貯蔵タンク10に貯蔵されており、冷却ユニット32によって冷却されている。冷却媒体貯蔵タンク10の内部の冷却媒体CWはポンプ30でくみ上げられ、流量制御弁31で流量を調節されて造形水槽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はポンプ30’で吸い出され、流量制御弁31’で流量を調節されて冷却媒体貯蔵タンク10に戻る。溶接トーチ5によってベースプレート15の上に造形を行う前は、図3(c)に示すように、造形水槽6内の液面WLの高さは、ポンプ30,30’と流量制御弁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。
When the
溶接トーチ5からベースプレート15に対してアーク放電を行い、溶接トーチ5から供給される溶接ワイヤ27を溶融、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。積層させた部分は溶接ビードと呼ばれる。ベースプレート15の上に溶融金属が積層される毎に、造形水槽6の内部に冷却媒体CWがポンプ30を通じて供給され、積層された金属を冷却する。
Arc discharge is performed from the
図4は、図3(c)に示したベースプレート15の上に、溶接トーチ5と溶接ワイヤ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。造形中、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、図3(a)に示した金属3Dプリンタ50の造形水槽6における造形が終了した状態を示すものであり、ベースプレート15の上に、造形が終了した造形物18が出来上がっている。ベースプレート15の上に造形物18が出来上がり、温度が下がると冷却媒体CWは冷却媒体貯蔵タンク10に戻される。
FIG. 4 shows how the
造形が完了した造形物18は、2次加工を行うために、図6(a)、(b)に示すように金属3Dプリンタ50の造形水槽6からベースプレート15と共に取り出される。取り出されたベースプレート15は、図示を省略した切削加工機(2次加工機)に取り付けられ、図6(c)に示すように、切削工具19で造形物18の表面が切削加工される。図6(d)、(e)はベースプレート15の上の造形物18の切削加工が終了した状態を示している。切削加工が終了した造形物18はベースプレート15の上からワイヤカット等で切り取られ、図6(f)に示すような完成品の造形物18Pとなる。
The
ところが、アーク溶接を利用した金属溶融積層方式の金属3Dプリンタでは、造形テーブルの上にベースプレートを取り付け、ベースプレート上に造形物を形成するが、ベースプレートがアーク溶接の熱歪により大きく変形するという課題があった。そして、ベースプレートが熱変形した状態では、ベースプレート上に形成した造形物の表面を切削加工して精度を確保する2次加工が困難で、2次加工に時間がかかる問題があった。この課題を図7から図9を用いて説明する。 However, in the metal fusion lamination type metal 3D printer using arc welding, the base plate is attached on the forming table and the formed object is formed on the base plate, but the problem is that the base plate is largely deformed by the thermal distortion of the arc welding. there were. Then, in a state where the base plate is thermally deformed, it is difficult to perform secondary processing for cutting the surface of a shaped object formed on the base plate to ensure accuracy, and it takes time for secondary processing. This problem will be described with reference to FIGS. 7 to 9.
図7(a)は、造形水槽(図示省略)内の造形テーブル12にベースプレート15が取り付けられた状態を示している。この状態では、ベースプレート15は図8(a)、(b)に示すように平坦である。図7(b)は、図7(a)に示したベースプレート15の上にアーク溶接により造形物18が形成された状態を示している。この状態では、ベースプレート15は固定具26で造形テーブル12の上に固定されているので、アーク溶接による熱で歪んでもその歪は固定具26で矯正されている。
Fig.7 (a) has shown the state in which the
図7(c)は、造形テーブル12から取り外したベースプレート15と造形物18を示すものである。ベースプレート15は、固定具26による矯正が無くなったので、造形物18の造形中に受けた熱歪で変形する。ベースプレート15が熱歪で変形すると、例えば、図8(c)、及び(d)に示すように、ベースプレート15の四隅にある取付孔15Hの部分が反り返り、全体として下に突の形状に湾曲変形する。
FIG. 7C shows the
図7(d)は、図7(c)に示したベースプレート15の左側の取付孔15Hの中心線を基準線RLに合わせた状態を示すものである。基準線RLは、図示を省略した切削加工機に造形物18が形成されたベースプレート15を取り付ける時の基準となる線である。図7(e)は、図7(d)に示した変形した状態のベースプレート15と造形物18と、破線で示す変形のない正常な状態のベースプレート15’と造形物18とを、同じ基準線RLに合わせて比較した状態を示すものである。ベースプレート15の歪は3〜10mm程度の変形として表れる。このように、造形物18が造形されたベースプレート15が歪んで変形すると、2次加工に影響が出る。これを図9を用いて説明する。
FIG. 7 (d) shows a state in which the center line of the
図9(a)は、図示を省略したベースプレートの上に造形された、別の形状の造形物21の一例を示すものであり、2次加工を行う前の状態を示している。ベースプレートに歪が無い場合、図示を省略した切削加工機に正常なベースプレートを取り付けると、造形物21の2次加工位置22は、破線で示すように造形物21の外形の内側に収まり、造形物21の外にはみ出ることはない。よって、造形物21に対して2次加工を行うと、造形後の造形物21の切削加工が正常に行われ、2次加工後の造形物は図9(c)に示す状態になる。
FIG. 9A shows an example of another shaped
一方、ベースプレートに歪が有る場合、図示を省略した切削加工機に歪んだ状態のベースプレートを取り付けると、造形物21の2次加工位置22は、図9(d)に破線で示すように、造形物21の外形の内側に収まらず、造形物21の外にはみ出る部分が生じる。この理由は、切削加工機テーブルに対して造形物が垂直になるようにベースプレートを固定することができないためと、歪が大きく、ベースプレートの固定具の締め位置にずれが生じるためである。この状態で、造形物21に対して2次加工を行うと、造形後の造形物21の切削加工が正常に行われず、2次加工後の造形物は、図9(e)に示すように、いびつな形状となる。これを防止するために、固定具を浮かせて固定する(ばね座金で嵩上げする)と、加工時の振動で固定具が緩み、原点位置(基準位置)が毎回ずれるという問題が生じる。また、ベースプレートの歪みを考慮し、削り代が大きくなるように造形すると、材料の使用量が多くなってしまう。
On the other hand, if there is distortion in the base plate, attaching the distorted base plate to a cutting machine (not shown) causes the
1つの側面では、本出願は、アーク溶接を行ってベースプレート上に造形を行っても、ベースプレートの上に造形された造形物の2次加工を、正確に行うことができる金属3Dプリンタ及び金属3Dプリンタを用いた造形方法を提供することを目的とする。 In one aspect, the present application is a metal 3D printer and a metal 3D that can accurately perform secondary processing of a shaped object formed on a base plate even if arc welding is performed to perform formation on a base plate An object of the present invention is to provide a forming method using a printer.
1つの形態によれば、造形水槽内にある造形台の上に着脱可能に設置した基台の上面に、溶材を溶接トーチで溶融して積層することにより造形物を造形する金属3Dプリンタであって、造形台と基台の間に、外部応力に対する剛性を有する剛性プレートが配置されており、剛性プレートと造形台の間は、スペーサによって離間された状態で着脱可能に固定されており、剛性プレートと基台の間は、スペーサによって離間された状態で着脱可能に固定されており、剛性プレートは、基台の上に造形物を造形する際には、造形水槽内に供給した冷却媒体に一部または全体が接することを特徴とする金属3Dプリンタが提供される。 According to one mode, it is a metal 3D printer for forming a shaped object by melting and laminating a welding material with a welding torch on the upper surface of a base removably installed on a forming table in a forming water tank Between the molding table and the base, a rigid plate having rigidity against external stress is disposed, and the rigid plate and the molding table are detachably fixed in a separated state by the spacer, Between the plate and the base, the spacer is detachably fixed in a state of being separated by the spacer, and the rigid plate is used for the cooling medium supplied in the forming water tank when forming the shaped object on the base. A metal 3D printer is provided, characterized in that it is partially or entirely in contact.
他の形態によれば、造形水槽内にある造形台の上に着脱可能に設置した基台の上面に、溶材を溶接トーチで溶融して積層することにより造形物を造形し、造形後の造形物は、造形水槽内から基台ごと取り出して2次加工機に取り付け、2次加工して造形物を造形する金属3Dプリンタを用いた造形方法において、造形台の上に、外部応力に対する剛性を有する剛性プレートを、スペーサによって造形台から離間した状態で着脱可能に固定し、剛性プレートの上に、基台を、スペーサによって剛性プレートから離間した状態で着脱可能に固定し、基台の上に造形物を造形する際には、造形水槽内に冷却媒体を供給して、剛性プレートの一部または全体が冷却媒体に接するようにし、造形後の造形物は、造形水槽内から剛性プレートごと取り出し、剛性プレートを2次加工機に取り付け、2次加工して造形物を造形することを特徴とする金属3Dプリンタを用いた造形方法が提供される。 According to another embodiment, a shaped material is formed by melting and laminating a welding material with a welding torch on the upper surface of a base removably installed on a forming table in the forming water tank, and a formed object is formed The object is taken out from the inside of the modeling water tank and attached to the secondary processing machine, and it is mounted on a secondary processing machine, and in a forming method using a metal 3D printer for forming a shaped object, rigidity against external stress is obtained on the forming table. A rigid plate is detachably fixed in a state of being separated from the molding table by a spacer, and a base is detachably fixed on the rigid plate in a state of being separated from the rigid plate by a spacer, and is on the base When forming a shaped object, the cooling medium is supplied into the forming water tank so that a part or the whole of the rigid plate is in contact with the cooling medium, and the shaped object after forming is taken out together with the rigid plate from the inside of the forming water tank Attaching a rigid plate to a secondary processing machine, molding method using a metal 3D printer, characterized in that secondary processing to shaping the shaped object is provided.
開示の金属3Dプリンタ及び金属3Dプリンタを用いた造形方法によれば、ベースプレート上に造形を行っても、ベースプレートの変形を矯正する剛性プレートにより、ベースプレートの上に造形された造形物の2次加工を正確に行うことができるという効果がある。 According to the metal 3D printer of the disclosure and the modeling method using the metal 3D printer, even if the modeling is performed on the base plate, the secondary processing of the modeled object modeled on the base plate by the rigid plate that corrects the deformation of the base plate Has the effect of being able to
以下、添付図面を用いて本出願の実施の形態を、具体的な実施例に基づいて詳細に説明する。なお、本出願の金属3Dプリンタにおいて、図1から図9を用いて説明した比較技術の金属3Dプリンタ50と同じ構成部材には、同じ符号を付してその説明を省略、或いは簡略化する。
Hereinafter, embodiments of the present application will be described in detail based on specific examples using the attached drawings. In the metal 3D printer of the present application, the same components as those of the
図10(a)は、本出願の一実施例の金属3Dプリンタ60を示しており、図3(a)で説明した金属3Dプリンタ50と同様に、造形処理部65、アーク溶接装置ARK,及び造形水槽6の冷却装置CMとを備える。アーク溶接装置ARKは、溶接トーチ5、ワイヤ供給装置7、シールドガスボンベ8及び溶接機電源9を備える。また、冷却装置CMは、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内の冷却媒体CWを造形水槽6に供給するポンプ30と流量制御弁31及び造形水槽6の冷却媒体CWを排出するポンプ30‘と流量制御弁31’を備える。造形処理部65については後述する。
FIG. 10A shows a
図3(a)に示した金属3Dプリンタ50では、造形水槽6の内部にある造形テーブル12の上には、スペーサ16で造形テーブル12から離間された状態で、ベースプレート15が設けられているだけであった。一方、本出願の金属3Dプリンタ60では、造形テーブル12の上に剛性プレート17が配置され、剛性プレート17の上にベースプレート15が配置されている。剛性プレート17は、配置されたベースプレート15の熱歪により生じる応力に対して、変形が極僅かになるような剛性を備える形状の導体板である。ベースプレート15の上にアーク溶接装置ARKにより、溶融した溶接ワイヤ27が積層されて造形物が造形される点は同じである。
In the
図11(a)は、造形テーブル12の上にスペーサ16を置いて固定具26で剛性プレート17を取り付け、剛性プレート17の上にスペーサ16を置いて固定具26でベースプレート15を取り付ける工程を示すものである。図11(a)に示した工程により、図11(b)及び図11(c)に示すような造形部40が組み立てられる。
FIG. 11A shows a process of placing the
図10(b)は、図10(a)に示した造形水槽6内に配置された造形テーブル12、剛性プレート17及びベースプレート15と、冷却媒体CWの液位の関係を示すものである。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の積層を開始する前は、造形水槽6内の液面WLの高さは、ポンプ30,30‘と流量制御弁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。従って、剛性プレート17は、常に冷却媒体CWの中に水没した状態にある。
FIG. 10 (b) shows the relationship between the level of the cooling medium CW and the modeling table 12, the
図12(a)は、図11に示した造形テーブル12と剛性プレート17の間、及び剛性プレート17とベースプレート15の間に挿入されるスペーサ16の一例を示すものである。本例のスペーサ16は直方体をしており、真ん中に固定具26の挿通孔16Hが設けられている。スペーサ16は金属で作ることができ、例えば、ウェディングナットを使用することができる。図12(b)は図12(a)に示したスペーサ16が、剛性プレート17とベースプレート15の間に挿入された状態を平面視したものであり、スペーサ16の配置を示している。
FIG. 12 (a) shows an example of the
図13(a)は、図10(a)に示した金属3Dプリンタ60の造形処理部65の構造を説明するものである。溶接トーチ5の先端部は造形水槽6の中にあり、先端部にはアーク光の直視を防ぐためのトーチカバー11が取り付けられている。造形水槽6の中の、トーチカバー11に対向する位置には図11で説明した剛性プレート17とベースプレート15を備える造形テーブル12があるが、ここでは、造形テーブル12を回転させるφ軸14を示すために、造形テーブル12のみが示してある。造形テーブル12は、θ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と共に、φ軸14によって造形水槽6の内部で水平方向に回転できる。
FIG. 13 (a) illustrates the structure of the shaping
図13(b)は、図10(b)に示したベースプレート15の上に、造形処理部65の溶接トーチ5と溶接ワイヤ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。ベースプレート15の上に、溶接トーチ5が溶接ワイヤ27を溶融して積層する場合は、溶融した溶接ワイヤ27がベースプレート15の上に一層分積層される毎に、冷却媒体CWの液位WLが上昇し、積層された金属が冷却される。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、前述の冷却装置(図10(a)参照)により制御される。
FIG. 13 (b) shows how a shaped
なお、ベースプレート15の上に造形物18を造形する場合は、図2で説明したX、Z、Y軸のアクチュエータ2、3、4による溶接トーチ5の移動に加えて、図13(c)に示すθ軸13とφ軸14により、ベースプレート15を移動させることができる。例えば、ベースプレート15の上に、円筒状の造形物18を造形する場合は、X軸アクチュエータ2及びY軸アクチュエータ4で円を描くこともできるが、φ軸14を回転させて円を描くこともできる。図13(c)には冷却媒体の図示は省略してある。
In addition to the movement of the
図14は、図10(a)に示した金属3Dプリンタ60の造形水槽6における造形が終了した状態を示すものであり、ベースプレート15の上に、造形が終了した造形物18が出来上がっている。ここでは、例えば、円筒状の造形物18がベースプレート15の上に造形されているものとする。ベースプレート15の上の造形が終了し、造形物18の温度が下がると、冷却装置CMのポンプ30‘と流量制御弁31’により、造形水槽6の内部の冷却媒体CWが排出され、排出された冷却媒体CWは冷却媒体貯蔵タンク10に戻される。また、ベースプレート15の上の造形が終了した時点で、溶接トーチ5は、図示を省略したアーク溶接装置ARKのX、Z、Y軸のアクチュエータにより、造形テーブル12の上から退避している。
FIG. 14 shows a state in which the modeling in the
図15(a)は、図14に示した造形水槽6の中から造形物18を、ベースプレート15及び剛性プレート17と共に取り出した状態を示すものである。造形水槽6の中から取り出した造形物18は、図15(b)に示すように、剛性プレート17ごと切削加工機のテーブル28に設置し、切削工具19で表面を削る切削加工(2次加工)を行う。剛性プレート17は、ベースプレート15の熱歪による応力に対して、変形が極僅かであるため、切削加工機のテーブル28に正しく正確に装着できる。図15(c)は、図15(b)に示した切削工具19による切削加工が終了した状態を示すものである。
FIG. 15 (a) shows a state in which the
最終造形物が図15(c)に示した円筒状である場合は、2次加工の後に、造形物18をベースプレート15の上から切り取れば良い。一方、最終造形物として、図15(c)に示した円筒状の造形物18の側面に更に突起物を付加造形する必要がある場合は、造形物18を剛性プレート17とベースプレート15と共に、再び造形テーブル12に取り付けて固定する。ここで、付加加工について、図16(a)から(c)を用いて説明する。
If the final shaped object is cylindrical as shown in FIG. 15 (c), the shaped
図16(a)は、図15(c)に示した切削加工機のテーブル28から剛性プレート17を取り外して、剛性プレート17を造形水槽6内で再び造形テーブル12に固定し、その後、造形テーブル12をθ軸13により、造形物18の溶接面が図示を省略した溶接トーチと対向するように回転させた状態を示すものである。前述のように、剛性プレート17は、ベースプレート15の熱歪による応力に対して、変形が極僅かであるため、造形テーブル12に前回同様正しく装着できる。また、造形物18の造形中にベースプレート15に熱歪が生じている場合でも、ベースプレート15は固定具26で剛性プレート17に固定されており、歪が矯正されている。なお、図16(a)には造形水槽の図示は省略してあるが、剛性プレート17の造形テーブル12への取り付け時は造形水槽内の冷却媒体は抜いてある。
16 (a), the
図16(a)に示した状態で、造形物18の外周面に付加造形を行って突起物18Aを形成する場合は、造形水槽内に冷却媒体が供給される。図16(b)は、造形物18の外周面に、溶接トーチ5と溶接ワイヤ27を用いて付加造形を行って、外周面に突起物18Aを造形する状態を示すものである。この場合には、造形水槽(図示省略)内に、溶接面WSより低い液面WLで示す位置まで冷却媒体が供給されている。造形テーブル12をθ軸13により、造形物18の溶接面が溶接トーチ5と対向するように回転させた状態で造形物18の外周面に造形する突起物18Aは、φ軸14を回転させて造形物18を回転させることにより、造形物18の外周面に複数箇所造形することができる。
In the case shown in FIG. 16A, in the case of forming the
造形物18の外周面への突起物18Aの造形が終了した後は、突起物18Aの温度低下を待って造形水槽の中から冷却媒体を排水した後に、造形物18をベースプレート15及び剛性プレート17と共に取り出す。そして、前述のように、剛性プレート17ごと切削加工機のテーブルに設置し、切削工具で表面を削る切削加工(2次加工)を行う。図16(c)は、切削工具による切削加工が終了して、ベースプレート15の上に、造形物18の外周面に突起物18Aを備える最終造形物である完成品18Pが造形された状態を示すものである。完成品18Pは、ベースプレート15の上から切り取れば良い。
After the formation of the
以上のように、開示の金属3Dプリンタによれば、以下のような効果がある。
(1)剛性プレートは、ベースプレートの熱歪による応力に対して、変形が極僅かであるため、造形後のベースプレートを剛性プレートに取り付けたまま、造形テーブルや切削加工機テーブルへ取り付ける段取り作業が容易になる。
(2)剛性プレートの歪が小さいので、造形テーブルや切削加工機テーブルへそのまま取り付けることができ、造形物の原点測定の容易化、造形物の加工毎の位置ずれの微小化が図れる。また、造形物を垂直に保持する際の垂直度の精度向上、スペーサに取り付ける固定具の緩みの抑制ができる。
As described above, according to the disclosed metal 3D printer, the following effects can be obtained.
(1) The rigid plate is minimally deformed with respect to the stress due to the thermal strain of the base plate, so the setup operation is easy to attach to the forming table or cutting machine table while the formed base plate is attached to the rigid plate become.
(2) Since the distortion of the rigid plate is small, it can be attached as it is to the forming table or cutting machine table, facilitating the measurement of the origin of the formed object and miniaturizing the positional deviation in each processing of the formed object. In addition, it is possible to improve the accuracy of the verticality when holding the shaped object vertically and to suppress the loosening of the fixture attached to the spacer.
(3)歪みの小さい剛性プレートを基準とすることで、複数回造形作業の基準位置化が図れ、一度取り外して2次加工した造形物に対して高精度な付加造形が可能となる。
(4)原点の精度が向上するため、造形物の削り代と材料使用量の削減ができ、材料費用の抑制ができる。具体的には、剛性プレートを使用しない場合に比べて、削り代を1/2程度に減らすことができる。
(5)材料使用量が削減されるため、造形時間が短縮され、削り代が削減されるため、切削時間が短縮されるので、造形物の完成品を得るまでの時間が短縮できる。具体的には、外周半径15mm、板厚2mm、高さ50mmの円筒状造形物を造る場合、造形に必要な材料、造形時間をそれぞれ1/3程度に削減できる。
(3) By using a rigid plate with a small distortion as a reference, it is possible to make a reference position for forming operations a plurality of times, and it is possible to perform additional forming with high accuracy on a shaped object which has been removed and subjected to secondary processing.
(4) Since the accuracy of the origin is improved, it is possible to reduce the machining allowance and the amount of material used for the shaped object, and to suppress the material cost. Specifically, the machining allowance can be reduced to about 1/2 compared to the case where no rigid plate is used.
(5) Since the amount of material used is reduced, the shaping time is shortened and the cutting allowance is reduced, and the cutting time is shortened, so the time to obtain a finished product can be shortened. Specifically, in the case of producing a cylindrically-shaped object having an outer peripheral radius of 15 mm, a plate thickness of 2 mm, and a height of 50 mm, materials necessary for modeling and modeling time can be reduced to about 1/3.
ここで、開示の金属3Dプリンタに使用できる剛性プレートの実施例を説明する。図17(a)から(c)は、前述の実施例で使用した第1の実施例の剛性プレート17を示すものであり、剛性プレート17は、矩形状の平板である。図17(d)、(e)は、第2の実施例の剛性プレート17Aを示すものであり、第1の実施例の剛性プレート17の裏面側に突条23が複数形成されて補強されたものである。図17(f)、(g)は第3の実施例の剛性プレート24を示すものであり、剛性プレート24は円板状をしている。図17(h)、(i)は、第4の実施例の剛性プレート24Aを示すものであり、第4の実施例の剛性プレート24の裏面側に平行な突条23が複数形成されて補強されたものである。図17(j)、(k)は、第5の実施例の剛性プレート17Bを示すものであり、図1(a)から(c)に示した剛性プレート17の裏面側にリブ25が形成されて補強されたものである。剛性プレートにはいろいろな変形例が可能である。
An example of a rigid plate that can be used in the disclosed metal 3D printer will now be described. FIGS. 17 (a) to 17 (c) show the
また、ベースプレート15も、図17(a)から(c)に示した平板形状に加えて、図17(d)から(k)に示した形状にすることにより、熱歪による変形を抑制することができる。そして、冷却媒体としては、水を使用することができる。
Further, in addition to the flat plate shapes shown in FIGS. 17A to 17C, the
1 制御ユニット
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
10 冷却媒体貯蔵タンク
12 造形テーブル
13 θ軸
14 φ軸
15 ベースプレート
16 スペーサ
17,17A,17B,24,24A 剛性プレート
18、21 造形物
19 切削工具
27 溶接ワイヤ
40 造形部
50,60 金属3Dプリンタ
ARK アーク溶接装置
CM 冷却装置
CW 冷却媒体
WL 液面
WS 溶接面
Claims (6)
前記造形台と前記基台の間に、外部応力に対する剛性を有する剛性プレートが配置されており、
前記剛性プレートと前記造形台の間は、スペーサによって離間された状態で着脱可能に固定されており、
前記剛性プレートと前記基台の間は、スペーサによって離間された状態で着脱可能に固定されており、
前記剛性プレートは、前記基台の上に造形物を造形する際には、前記造形水槽内に供給した冷却媒体に一部または全体が接することを特徴とする金属3Dプリンタ。 A metal 3D printer for forming a shaped object by melting and laminating a melting material with a welding torch on the upper surface of a base removably installed on a forming table in a forming water tank,
A rigid plate having rigidity against external stress is disposed between the molding table and the base,
A spacer is detachably fixed between the rigid plate and the molding table in a state of being separated by a spacer,
The rigid plate and the base are detachably fixed in a state of being separated by a spacer,
The metal 3D printer, wherein the rigid plate is partially or entirely in contact with a cooling medium supplied into the water tank when the object is formed on the base.
前記第4軸と前記第5軸を回転させ、前記基台の上面に造形された造形物の外側の造形面を、前記溶接トーチに対向させて造形が可能である請求項1から3の何れか1項に記載の金属3Dプリンタ。 The welding torch is movable in three dimensions by three axes from a first axis to a third axis, and the forming table is capable of horizontal rotation and vertical rotation by orthogonal fourth and fifth axes,
The said 4th axis | shaft and the said 5th axis are rotated, the modeling surface of the modeling thing modeled on the upper surface of the said base can be made to oppose the said welding torch, and modeling is possible. The metal 3D printer according to claim 1 or 2.
前記造形台の上に、外部応力に対する剛性を有する剛性プレートを、スペーサによって前記造形台から離間した状態で着脱可能に固定し、
前記剛性プレートの上に、前記基台を、スペーサによって前記剛性プレートから離間した状態で着脱可能に固定し、
前記基台の上に造形物を造形する際には、前記造形水槽内に冷却媒体を供給して、前記剛性プレートの一部または全体が前記冷却媒体に接するようにし、
造形後の前記造形物は、前記造形水槽内から前記剛性プレートごと取り出し、
前記剛性プレートを前記2次加工機に取り付けて2次加工を行い、
2次加工後の造形物を前記基台から切り取って造形物を造形することを特徴とする金属3Dプリンタを用いた造形方法。 A shaped material is shaped by melting and laminating a melting material with a welding torch on the upper surface of a base removably installed on a shaping table in a shaping water tank, and the shaped object after shaping is the shaped water tank In the forming method using a metal 3D printer that takes out the whole base from inside, attaches it to a secondary processing machine, and forms a shaped object by secondary processing,
On the forming table, a rigid plate having rigidity against external stress is detachably fixed in a state of being separated from the forming table by a spacer,
The base is detachably fixed on the rigid plate in a state of being separated from the rigid plate by a spacer,
When forming a shaped object on the base, a cooling medium is supplied into the formation water tank so that a part or the whole of the rigid plate is in contact with the cooling medium,
The shaped object after shaping is taken out together with the rigid plate from within the shaping water tank,
Attach the rigid plate to the secondary processing machine to perform secondary processing;
A forming method using a metal 3D printer, wherein a shaped object after secondary processing is cut out from the base to form a shaped object.
前記2次加工された後の前記造形物は、前記基台から切り取る前に、前記2次加工機から前記剛性プレートごと取り外し、
取り外した前記剛性プレートは、再度前記造形台に取り付け、
前記溶接トーチを3次元方向に移動させながら、前記2軸によって前記造形台を回転させることにより、前記2次加工された前記造形物の外周面に付加造形を行い、
付加造形後の前記造形物は、前記造形水槽内から前記剛性プレートごと取り出し、
前記剛性プレートを前記2次加工機に取り付けて2次加工を行って造形物を造形することを特徴とする請求項5に記載の金属3Dプリンタを用いた造形方法。 The modeling method is a modeling method using a metal 3D printer capable of horizontal rotation and vertical rotation by two axes, and in the case of performing additional modeling on the outer surface of the modeled object after secondary processing,
The shaped object after the secondary processing is removed together with the rigid plate from the secondary processing machine before being cut off from the base,
The removed rigid plate is again attached to the molding table,
By rotating the forming table with the two axes while moving the welding torch in a three-dimensional direction, additional modeling is performed on the outer peripheral surface of the secondary-processed formed article,
The shaped object after additive shaping is taken out together with the rigid plate from within the shaping water tank,
The method according to claim 5, wherein the rigid plate is attached to the secondary processing machine and secondary processing is performed to form a three-dimensional object.
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