JP6737762B2 - 造形物の製造方法及び製造装置 - Google Patents

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Description

本発明は、造形物の製造方法及び製造装置に関する。
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、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して溶接トーチ及び溶接トーチを移動させる移動機構を制御する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１５−１６０２１７号公報
ところで、溶着ビードを基面に形成する際に、その基面が傾斜していると、形成する溶着ビードに重力の影響による垂れが生じるおそれがある。また、溶着ビードが垂れないように溶接トーチの移動速度を速めると、溶着ビードが途切れるハンピングが生じるおそれがある。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、垂れやハンピングなどの不具合なく溶着ビードを効率よく形成して造形物を造形することが可能な造形物の製造方法及び製造装置を提供することにある。
本発明は下記構成からなる。
（１） 溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードをトーチで形成して造形物を造形する造形物の製造方法であって、
前記溶着ビードを形成する基面の鉛直面に対する基面傾斜角及び前記基面上における前記トーチの軌道方向の鉛直方向に対する軌道傾斜角に応じたビード高さ及びビード幅のマップを予め作成し、
前記基面に溶着ビードを形成する際に、前記マップからビード高さ及びビード幅を選択し、
選択したビード高さ及びビード幅で前記溶着ビードを形成する
造形物の製造方法。
（２） 溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードで造形物を造形する造形物の製造装置であって、
前記溶着ビードを基面に形成するトーチと、
前記トーチを移動させる移動機構と、
前記基面の鉛直面に対する基面傾斜角及び前記基面上における前記トーチの軌道方向の鉛直方向に対する軌道傾斜角に応じたビード高さ及びビード幅のマップが記憶された記憶部と、
前記基面に溶着ビードを形成する際に、前記記憶部の前記マップからビード高さ及びビード幅を選択して前記移動機構及び前記トーチを制御し、前記溶着ビードを形成する制御部と、
を備える造形物の製造装置。
本発明によれば、垂れやハンピングなどの不具合なく溶着ビードを効率よく形成して造形物を造形することができる。
本発明の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。 溶着ビードを積層させた造形物の正面図である。 溶着ビードを積層させた造形物の側面図である。 溶着ビードの形成の仕方を説明する図であって、（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、それぞれ溶着ビードを形成する際に用いるプロセスウインドウを示す図である。
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。
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２３とを有する。
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。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２３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４１上に溶加材Ｍの溶融凝固体である線状の溶着ビード２５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。
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。なお、図１においては、鉛直面に対して傾斜した鋼板からなるベースプレート４１上に複数の溶着ビード２５を斜めに形成して並べて造形物Ｗを造形する様子を示している。
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ながら、溶加材Ｍを溶融させ、溶融した溶加材Ｍをベースプレート４１上に供給する。これにより、例えば、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、鉛直面に対して傾斜したベースプレート４１に複数の線状の溶着ビード２５が斜めに形成されて並べられて複数層に積層された造形物Ｗが造形される。
ところで、図３の（ａ）及び（ｂ）に示すように、鉛直面に対して傾斜したベースプレート４１に、鉛直方向に対して斜めにトーチ１７を移動させて溶着ビード２５を形成する場合、形成する溶着ビード２５に、重力の影響による垂れが生じるおそれがある。この重力の影響は、ベースプレート４１の表面である基面の鉛直面に対する基面傾斜角θが小さいほど大きくなり、また、ベースプレート４１上におけるトーチ１７の軌道方向の鉛直方向に対する軌道傾斜角φが大きいほど大きくなる。このように、形成する溶着ビード２５が重力の影響を大きく受ける場合、トーチ１７の移動速度Ｖを速めることで垂れを抑制できるが、溶着ビード２５が途切れるハンピングが生じるおそれがある。
このため、本実施形態では、コントローラ１５の制御部３７が、溶接ロボット１９及びトーチ１７を制御し、形成する溶着ビード２５における垂れ及びハンピングを抑制する重力影響抑制制御を行う。以下、制御部３７による重力影響抑制制御について説明する。
記憶部３５には、予め作成されたマップが記憶されている。このマップは、鉛直面に対するベースプレート４１の基面傾斜角θ及びベースプレート４１上におけるトーチ１７の軌道方向の鉛直方向に対する軌道傾斜角φに応じたビード高さＢＨ及びビード幅ＢＷのマップである。このマップは、基面傾斜角θ及び軌道傾斜角φに対して溶着ビード２５の垂れ及びハンピングが生じることのない溶着ビード２５のビード高さＢＨ及びビード幅ＢＷのデータのマップであり、予め実験等によって求めた作成したものである。このマップの作成にあたっては、溶着ビード２５における重力影響の指標としてcosθsinφを用いる。
層形状データに基づいて軌道演算部３３がトーチ１７の移動軌跡を求めると、制御部３７は、記憶部３５に記憶されたマップに基づいて、トーチ１７の移動軌跡に応じた溶着ビード２５のビード高さＢＨ及びビード幅ＢＷを選択する。
さらに、制御部３７は、選択したビード高さＢＨ及びビード幅ＢＷで溶着ビード２５を形成するためのトーチ１７の移動速度Ｖ及びアークを発生させるための電流値Ｉを決定する。記憶部３５には、基面傾斜角θ毎の移動速度Ｖ及び電流値Ｉのプロセスウインドウ（適用範囲）がマップとして記憶されている。
ここで、図４の（ａ）及び（ｂ）は、ベースプレート４１が鉛直面とされた基面傾斜角θが０°のときのトーチ１７の移動速度Ｖ及びアークの発生のための電流値ＩのプロセスウインドウＰＷを示している。図４の（ａ）及び（ｂ）に示すように、移動速度Ｖ及び電流値ＩのプロセスウインドウＰＷは、軌道傾斜角φが大きくなるにしたがって重力の影響が大きくなるため次第に狭くなる範囲となっている。
そして、制御部３７は、例えば、基面傾斜角θが０°のときに、図４の（ａ）及び（ｂ）に示すプロセスウインドウＰＷに対して、移動軌跡の軌道傾斜角φをあてはめることで、選択したビード高さＢＨ及びビード幅ＢＷで溶着ビード２５を形成するためのトーチ１７の移動速度Ｖ及びアークを発生させるための電流値Ｉを決定する。
制御部３７は、移動速度Ｖ及び電流値Ｉの決定後、溶接ロボット１９を駆動させ、生成された移動軌跡に沿って溶着ビード２５を形成する際に、決定した移動速度Ｖでトーチ１７を移動させ、決定した電流値Ｉでアークを発生させる。そして、ベースプレート４１上に、選択したビード高さＢＨ及びビード幅ＢＷの溶着ビード２５を形成する。これにより、ベースプレート４１には、垂れやハンピングを生じさせることなく、生成した移動軌跡に沿って溶着ビード２５が形成され、造形物Ｗが造形される。
以上、説明したように、本実施形態にかかる造形物の製造方法及び製造装置によれば、ベースプレート４１の表面からなる基面の鉛直面に対する基面傾斜角θ及び基面上におけるトーチ１７の軌道方向の鉛直方向に対する軌道傾斜角φに応じたビード高さＢＨ及びビード幅ＢＷをマップから選択し、その選択したビード高さＢＨ及びビード幅ＢＷで溶着ビード２５を形成する。したがって、あらゆる基面傾斜角θ及び軌道傾斜角φにおいて溶着ビード２５に垂れやハンピングが生じないビード高さＢＨ及びビード幅ＢＷのマップを予め設定しておくことで、溶着ビード２５を形成する基面が鉛直面に対して傾いていたり、トーチ１７の軌道方向が鉛直方向に対して傾いていても、垂れやハンピングなどの発生を極力抑えつつ溶着ビード２５を形成することができる。これにより、タクトタイムを抑えつつ高品質な造形物Ｗを製造できる。
また、トーチ１７の移動速度Ｖ及びアークを発生させる電流値Ｉを制御することで、マップから選択したビード高さＢＨ及びビード幅ＢＷで溶着ビード２５を容易にかつ的確に形成することができる。
特に、重力影響の指標としてcosθsinφを用いたマップからビード高さＢＨ及びビード幅ＢＷを選択して溶着ビード２５を形成することで、重力影響による垂れが抑制された溶着ビード２５を円滑に形成することができる。
なお、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、上記実施形態では、ベースプレート４１の表面を基面として溶着ビード２５を形成する場合を例示したが、溶着ビード２５を形成する基面は、ベースプレート４１などの板体に限らない。例えば、溶着ビード２５を積層させる場合は、下層側の溶着ビード２５の上面が基面となる。
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トーチで形成して造形物を造形する造形物の製造方法であって、
前記溶着ビードを形成する基面の鉛直面に対する基面傾斜角及び前記基面上における前記トーチの軌道方向の鉛直方向に対する軌道傾斜角に応じたビード高さ及びビード幅のマップを予め作成し、
前記基面に溶着ビードを形成する際に、前記マップからビード高さ及びビード幅を選択し、
選択したビード高さ及びビード幅で前記溶着ビードを形成する
造形物の製造方法。
この造形物の製造方法によれば、基面の鉛直面に対する基面傾斜角及び基面上におけるトーチの軌道方向の鉛直方向に対する軌道傾斜角に応じたビード高さ及びビード幅をマップから選択し、その選択したビード高さ及びビード幅で溶着ビードを形成する。したがって、あらゆる基面傾斜角及び軌道傾斜角において溶着ビードに垂れやハンピングが生じないビード高さ及びビード幅のマップを予め設定しておくことで、溶着ビードを形成する基面が鉛直面に対して傾いていたり、トーチの軌道方向が鉛直方向に対して傾いていても、垂れやハンピングなどの発生を極力抑えつつ溶着ビードを形成することができる。これにより、タクトタイムを抑えつつ高品質な造形物を製造できる。
（２） アークを用いて前記溶加材を溶融及び凝固させて前記溶着ビードを形成する際に、前記トーチの移動速度及び前記アークを発生させる電流値を制御することで、前記マップから選択したビード高さ及びビード幅で前記溶着ビードを形成する（１）に記載の造形物の製造方法。
この造形物の製造方法によれば、トーチの移動速度及びアークを発生させる電流値を制御することで、マップから選択したビード高さ及びビード幅で溶着ビードを容易にかつ的確に形成することができる。
（３） 前記溶着ビードを積層させて造形物を形成する（１）又は（２）の造形物の製造方法。
この造形物の製造方法によれば、垂れやハンピングなどの不具合なく、溶着ビードを積層した造形物を製造することができる。
（４） 前記マップの作成にあたって、前記基面傾斜角をθ、前記軌道傾斜角をφとしたときに、前記溶着ビードにおける重力影響の指標としてcosθsinφを用いる（１）から（３）のいずれか一つに記載の造形物の製造方法。
この造形物の製造方法によれば、重力影響の指標としてcosθsinφを用いたマップからビード高さ及びビード幅を選択して溶着ビードを形成することで、重力影響による垂れが抑制された溶着ビードを円滑に形成することができる。
（５） 溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードで造形物を造形する造形物の製造装置であって、
前記溶着ビードを基面に形成するトーチと、
前記トーチを移動させる移動機構と、
前記基面の鉛直面に対する基面傾斜角及び前記基面上における前記トーチの軌道方向の鉛直方向に対する軌道傾斜角に応じたビード高さ及びビード幅のマップが記憶された記憶部と、
前記基面に溶着ビードを形成する際に、前記記憶部の前記マップからビード高さ及びビード幅を選択して前記移動機構及び前記トーチを制御し、前記溶着ビードを形成する制御部と、
を備える造形物の製造装置。
この造形物の製造装置によれば、記憶部に記憶された、基面の鉛直面に対する基面傾斜角及び基面上におけるトーチの軌道方向の鉛直方向に対する軌道傾斜角に応じたビード高さ及びビード幅のマップから、形成する溶着ビードのビード高さ及びビード幅を制御部が選択する。そして、制御部が移動機構及びトーチを制御し、選択したビード高さ及びビード幅で溶着ビードを形成する。したがって、あらゆる基面傾斜角及び軌道傾斜角において溶着ビードに垂れやハンピングが生じないビード高さ及びビード幅のマップを予め設定しておくことで、溶着ビードを形成する基面が鉛直面に対して傾いていたり、トーチの軌道方向が鉛直方向に対して傾いていても、垂れやハンピングなどの発生を極力抑えつつ溶着ビードを形成することができる。これにより、タクトタイムを抑えつつ高品質な造形物を製造できる。
（６） 前記制御部は、前記マップから選択したビード高さ及びビード幅で前記溶着ビードを形成すべく、アークを用いて前記溶加材を溶融及び凝固させて前記溶着ビードを形成する際に、前記トーチの移動速度及び前記アークを発生させる電流値を制御する（５）に記載の造形物の製造装置。
この造形物の製造装置によれば、制御部が、トーチの移動速度及びアークを発生させる電流値を制御することで、マップから選択したビード高さ及びビード幅で溶着ビードを容易にかつ的確に形成することができる。
（７） 前記マップの作成にあたって、前記基面傾斜角をθ、前記軌道傾斜角をφとしたときに、前記溶着ビードにおける重力影響の指標としてcosθsinφが用いられている（５）又は（６）に記載の造形物の製造装置。
この造形物の製造装置によれば、重力影響の指標としてcosθsinφが用いられているので、垂れが抑制された溶着ビードを円滑に形成することができる。
１１ 積層造形装置（製造装置）
１７ トーチ
１９ 溶接ロボット（移動機構）
２５ 溶着ビード
３５ 記憶部
３７ 制御部
ＢＨ ビード高さ
ＢＷ ビード幅
Ｉ 電流値
Ｍ 溶加材
Ｖ 移動速度
Ｗ 造形物
θ 基面傾斜角
φ 軌道傾斜角

Claims (7)

  1. 溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードをトーチで形成して造形物を造形する造形物の製造方法であって、
    前記溶着ビードを形成する基面の鉛直面に対する基面傾斜角及び前記基面上における前記トーチの軌道方向の鉛直方向に対する軌道傾斜角に応じたビード高さ及びビード幅のマップを予め作成し、
    前記基面に溶着ビードを形成する際に、前記マップからビード高さ及びビード幅を選択し、
    選択したビード高さ及びビード幅で前記溶着ビードを形成する
    造形物の製造方法。
  2. アークを用いて前記溶加材を溶融及び凝固させて前記溶着ビードを形成する際に、前記トーチの移動速度及び前記アークを発生させる電流値を制御することで、前記マップから選択したビード高さ及びビード幅で前記溶着ビードを形成する請求項１に記載の造形物の製造方法。
  3. 前記溶着ビードを積層させて造形物を形成する請求項１又は請求項２の造形物の製造方法。
  4. 前記マップの作成にあたって、前記基面傾斜角をθ、前記軌道傾斜角をφとしたときに、前記溶着ビードにおける重力影響の指標としてcosθsinφを用いる請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の造形物の製造方法。
  5. 溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードで造形物を造形する造形物の製造装置であって、
    前記溶着ビードを基面に形成するトーチと、
    前記トーチを移動させる移動機構と、
    前記基面の鉛直面に対する基面傾斜角及び前記基面上における前記トーチの軌道方向の鉛直方向に対する軌道傾斜角に応じたビード高さ及びビード幅のマップが記憶された記憶部と、
    前記基面に溶着ビードを形成する際に、前記記憶部の前記マップからビード高さ及びビード幅を選択して前記移動機構及び前記トーチを制御し、前記溶着ビードを形成する制御部と、
    を備える造形物の製造装置。
  6. 前記制御部は、前記マップから選択したビード高さ及びビード幅で前記溶着ビードを形成すべく、アークを用いて前記溶加材を溶融及び凝固させて前記溶着ビードを形成する際に、前記トーチの移動速度及び前記アークを発生させる電流値を制御する請求項５に記載の造形物の製造装置。
  7. 前記マップの作成にあたって、前記基面傾斜角をθ、前記軌道傾斜角をφとしたときに、前記溶着ビードにおける重力影響の指標としてcosθsinφが用いられている請求項５又は請求項６に記載の造形物の製造装置。
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