JP7232113B2 - 金属積層造形方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属積層造形方法に関する。

３Ｄプリンタ（立体造形）技術の一つとして、金属を積層造形する技術が開発、実用化されている。この種の金属積層造形法として、アーク放電により溶融させた金属を利用して金属層を積層させることにより造形物を形成する溶融金属積層法が開発されている。金属層は、アーク放電によって溶融させた金属によって溶接ビードを形成し、この溶接ビードを複数並べることで形成される。

溶融金属積層法で造形物を形成する際に、融した金属が垂れ落ちることがある。その結果、垂れ落ちた金属により、造形物の表面に大きな凹凸が形成されてしまい、表面の品質が損なわれてしまう。そこで、垂れ落ちて固化した溶融金属による凹凸を除去するため、仕上げ加工を行って造形物の表面を整えることもあるが、それには手間がかかる。

これに対し、例えば、特許文献１には、積層した前層の溶接ビードの温度を監視し、溶接ビードの温度が所定温度以下となったときに、次層の溶接ビードの積層を開始する方法が開示されている。このような方法によれば、前層の溶接ビードが垂れ落ちてしまうことが抑えられる。

特開２０１８－１６２５００号公報

しかしながら、特許文献１に開示された方法では、溶接ビードの温度を監視する温度センサ等が必要であり溶接ビードが所定温度以下になるまで、次層の溶接ビードの積層が行えない。その結果、造形物の形成に時間が掛かる場合がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、より短時間で良好な品質の造形物を形成することが可能な金属積層造形方法を提供することを目的とする。

本発明の第一態様に係る金属積層造形方法は、複数の金属層が順次積層されることで、主面と、前記主面の端部から前記主面と交差する方向に広がる側面とを有する立体的な造形物を造形する金属積層造形方法であって、前記金属層が形成される被形成面を有するテーブル上に、アーク溶接によって形成される複数の溶接ビードを水平方向に並ぶように形成し、前記金属層を形成する金属層形成工程を有し、前記金属層形成工程は、前記被形成面が鉛直方向の上方を向くように、前記テーブルを水平な状態とし、複数の前記溶接ビードを前記被形成面の広がる方向に重ねるように形成する中央部溶接ビード形成工程と、前記鉛直方向と交差する第一傾斜方向に前記被形成面を向けるように前記テーブルを傾けて、前記中央部溶接ビード形成工程で形成された複数の前記溶接ビードの中で最も端かつ前記鉛直方向の上方に位置する前記溶接ビードに重ねるように、第一端部溶接ビードを形成する第一端部溶接ビード形成工程と、を有し、前記中央部溶接ビード形成工程では、一つの前記金属層における前記被形成面の広がる方向の中央を含む領域を形成する中央溶接ビードを形成する。

このような構成とすることで、第一端部溶接ビードが形成された時点では、第一端部溶接ビードは複数の溶接ビードよりも上方に位置している。形成された瞬間の第一端部溶接ビードは、溶融状態となっていることで重力により、複数の溶接ビードに向かって流れる。つまり、第一端部溶接ビードは、複数の溶接ビードが形成されていない側へは流れない。その結果、造形物の側面が、垂れた溶接ビードによって大きな凸凹を有する形状となってしまうことを防ぐことができる。したがって、造形物の側面を削らなくとも、凹凸の少ない良好なものとすることができる。さらに、溶接ビードが所定温度に下がるのを待つ必要が無いために、造形時間を短縮できる。

また、本発明の第二態様に係る金属積層造形方法では、第一態様において、前記金属層形成工程は、前記中央部溶接ビード形成工程で形成された複数の前記溶接ビードの中で前記第一端部溶接ビードが形成される側と反対側の端に位置する前記溶接ビードに重ねるように、第二端部溶接ビードを形成する第二端部溶接ビード形成工程を有し、前記第二端部溶接ビード形成工程では、前記第二端部溶接ビードが複数の前記溶接ビードよりも前記鉛直方向の上方に位置するように前記テーブルが傾けられていてもよい。

このような構成とすることで、第二端部溶接ビードが形成された時点では、第二端部溶接ビードは複数の溶接ビードよりも上方に位置している。形成された瞬間の第二端部溶接ビードは、溶融状態となっていることで重力により、複数の溶接ビードに向かって流れる。しかしながら、溶融状態の第二端部溶接ビードは、複数の溶接ビードによってせき止められ、それ以上、下方には流れることができない。これにより、側面と反対側を向く面を削らなくとも、凹凸の少ない良好なものとすることができる。したがって、追加加工等を行うことなく、造形物の主面と交差する異なる二面の品質を向上させることができる。

また、本発明の第三態様に係る金属積層造形方法では、第一態様又は第二態様において、前記金属層形成工程は、形成した前記金属層上に前記溶接ビードを積層させるように、複数回実行されてもよい。

このような構成とすることで、第一端部溶接ビードを有する金属層を順次積層することで、追加加工等を行うことなく、造形物の品質を高め、かつ側面の切削加工時間を短縮もしくは不要とすることができる。

また、本発明の第四態様に係る金属積層造形方法では、第三態様において、前記金属層形成工程が複数回実行された後に実施され、前記第一端部溶接ビードが上方に配置されるように前記テーブルを傾けて、複数の第一端部溶接ビード上に複数の溶接ビードを形成することで前記側面を形成する側面形成工程をさらに有していてもよい。

このような構成とすることで、複数の第一端部溶接ビード上に重ねられるように溶接ビードが形成される。これにより、並んだ第一端部溶接ビードの表面にわずかに凹凸等があったとしても、新たに形成される溶接ビードによりその凹凸等が埋められる。その結果、均された側面が形成される。したがって、側面の仕上げ品質をより高め、かつ側面の切削加工時間を短縮もしくは不要とすることができる。

また、本発明の第五態様に係る金属積層造形方法では、第一態様から第四態様のいずれか一つにおいて、前記造形物は、軸線方向に延びる筒状部を有し、前記主面は、前記筒状部の前記軸線方向の少なくとも一方の端部において、前記軸線方向に交差するように広がる面であり、前記側面は、前記筒状部の外周面及び内周面の少なくとも一方であってもよい。

このような構成とすることで、テーブルを傾けて第一端部溶接ビードを形成することで、追加加工を行うことなく品質の高い造形物を形成することができる。

本発明によれば、設備コストの上昇を抑えるとともに、造形時間の長期化を抑え、良好な品質の造形物を形成することが可能となる。

本発明の実施形態に係る金属積層造形方法で造形物を形成するための造形システムの構成を示す模式図である。 上記金属積層造形方法の流れを示すフローチャートである。 上記金属積層造形方法において、水平な状態でテーブルを回転させながら、複数の溶接ビードを形成している状態を示す図である。 上記金属積層造形方法において、テーブルを傾斜させ、径方向外側の端部に溶接ビードを形成している状態を示す図である。 上記金属積層造形方法において、鉛直方向を基準にテーブルを図４とは反対側に傾斜させ、径方向の内側の端部に溶接ビードを形成している状態を示す図である。 上記金属積層造形方法において、一層の金属層を形成した後、ノズルを軸線方向に移動させた状態を示す図である。 上記金属積層造形方法において、所定数の金属層を積層した状態で、金属層の上面を切削している状態を示す図である。 上記金属積層造形方法において、溶接ビードによって造形物の外周面を形成している状態を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明による金属積層造形方法を実施するための形態を説明する。しかし、本発明はこれらの実施形態のみに限定されるものではない。

図１は、本発明の実施形態に係る金属積層造形方法で造形物を形成するための造形システムの構成を示す模式図である。図１に示すように、本実施形態の造形システム１は、テーブル２と、テーブル回転駆動部３と、テーブル傾動部４と、溶接ノズル５と、コントローラ６と、を備える。造形システム１は、いわゆるＮＣ（数値制御）加工が行えるマシニングセンタ等からなる。

テーブル２は、鉛直方向Ｄｖの上方を向く被形成面２ｆを有する。被形成面２ｆは、テーブル２の中心軸２ｃを中心に、中心軸２ｃと直交する方向に広がる平面である。被形成面２ｆ上には、造形物１０を形成する金属層１１ｍが順次積層される。テーブル２は、中心軸２ｃ周りに回転可能とされている。テーブル２は、中心軸２ｃが鉛直方向に対して所定の角度で傾斜するように傾動可能とされている。テーブル２では、中心軸２ｃが鉛直方向Ｄｖに延び、被形成面２ｆが鉛直方向Ｄｖの上方を向いた状態が水平な状態である。

テーブル回転駆動部３は、中心軸２ｃ周りにテーブル２を回転させる。テーブル傾動部４は、テーブル２を傾動させる。テーブル傾動部４は、テーブル２を水平な状態から被形成面２ｆが鉛直方向Ｄｖに対して交差する方向を向くように傾斜させる。

溶接ノズル５は、シールドガス（不活性ガス）中で発生させたアークにより溶接ワイヤを溶融させるアーク溶接によって、溶接ビード１００を形成する。溶接ノズル５は、テーブル２に対して相対移動可能とされている。溶接ノズル５は、例えば、テーブル２に対して相対移動可能な多軸アーム（図示無し）に取り付けられている。

コントローラ６は、造形システム１の各部を制御する。コントローラ６は、テーブル回転駆動部３によるテーブル２の回転動作、テーブル傾動部４によるテーブル２の傾動動作を制御する。また、コントローラ６は、溶接ノズル５の位置や、溶接ノズル５で溶接ビード１００を形成する際の条件（いわゆる溶接条件）を制御する。

コントローラ６で制御する溶接条件としては、例えば、溶接ワイヤを溶かすための熱源に供給する溶接電流、アーク電圧、溶接速度、溶接ビード１００の幅や形状を調整するウィービング条件、パルス電流、溶接ワイヤ（母材）の予熱温度、パス間温度、造形中の造形物１０の表面粗さ、溶接ワイヤの送り速度、溶接ワイヤ径、既に形成された溶接ビード１００に対する溶接アークの狙い位置、溶接ワイヤの突き出し長さ、シールドガスの組成や流量、等がある。コントローラ６は、上記したような条件のうちの少なくとも一つを制御する。

このような造形システム１で形成される造形物１０は、テーブル２上に形成される。本実施形態の造形物１０は、円筒状をなした筒状部１１を有する。筒状部１１を有する造形物１０としては、例えば、タービンや圧縮機等の回転機械のケーシングにおける吸込口や吐出口を形成するノズルが挙げられる。筒状部１１は、その軸線を中心軸２ｃと一致させた状態でテーブル２上に形成される。筒状部１１は、軸線の延びる軸線方向Ｄａに延びている。本実施形態の軸線方向Ｄａは、テーブル２が水平な状態とされた場合の鉛直方向Ｄｖである。筒状部１１は、軸線方向Ｄａの一方の側（第一側）の筒端１１ａから他方の側（第二側）の筒端１１ｂに向けて、その外径寸法が漸次大きくなる。筒状部１１は、主面１２と、外周面（側面）１３と、内周面（側面）１４と、を有している。

主面１２は、筒状部１１において軸線方向Ｄａの端部に形成されている。主面１２は、軸線方向Ｄａに直交して形成されている。主面１２は、テーブル２上の筒状部１１において、軸線方向Ｄａを向く面の中で被形成面２ｆと接触していない側の面である。本実施形態の主面１２は、軸線方向Ｄａから見た際に、円環状をなす平面である。

外周面１３は、中心軸２ｃと直交する方向から見た際に、主面１２の径方向Ｄｒの最も外側の外側端部１２ａから主面１２と交差する方向に広がっている。本実施形態の外周面１３は、湾曲する面である。本実施形態の径方向Ｄｒは、筒状部１１の軸線を中心から広がる方向であって、テーブル２が水平な状態とされた場合の水平方向Ｄｈである。内周面１４は、中心軸２ｃと直交する方向から見た際に、主面１２の径方向Ｄｒの最も内側の内側端部１２ｂから主面１２と交差する方向に広がっている。本実施形態の内周面１４は、外周面１３に対して平行に近い角度で広がっている。本実施形態の内周面１４は、湾曲する面である。

次に、上記造形システム１を用いてなされる金属積層造形方法Ｓ１について説明する。図２は、上記金属積層造形方法の流れを示すフローチャートである。図２に示すように、金属積層造形方法Ｓ１は、複数の金属層を順次積層することで、立体的な造形物を造形する。本実施形態の金属積層造形方法Ｓ１は、金属層形成工程Ｓ２と、側面形成工程Ｓ３と、造形物取出工程Ｓ４と、を有する。

金属層形成工程Ｓ２では、アーク溶接によって形成される複数の溶接ビード１００を水平方向Ｄｈに並ぶように形成して金属層１１ｍを形成する。金属層形成工程Ｓ２は、複数回実行される。金属層形成工程Ｓ２が繰り返し実行されることで、既に形成された金属層１１ｍ上にさらに溶接ビード１００が積層される。これにより、被形成面２ｆ上に金属層１１ｍが複数積層される。本実施形態の金属層形成工程Ｓ２は、中央部溶接ビード形成工程Ｓ２１と、第一テーブル傾斜工程Ｓ２２と、外周側溶接ビード形成工程（第一端部溶接ビード形成工程）Ｓ２３と、第二テーブル傾斜工程Ｓ２４と、内周側溶接ビード形成工程（第二端部溶接ビード形成工程）Ｓ２５と、ノズル移動工程Ｓ２６と、積層数確認工程Ｓ２７と、表面切削工程Ｓ２８と、最終積層数確認工程Ｓ２９と、を有する。

図３に示すように、中央部溶接ビード形成工程Ｓ２１では、中心軸２ｃ周りに回転するテーブル２に対し、溶接ノズル５により溶接ビード１００を形成する。中央部溶接ビード形成工程Ｓ２１では、被形成面２ｆを鉛直方向Ｄｖの上方に向け続けるように、テーブル２は水平な状態に維持されている。中央部溶接ビード形成工程Ｓ２１では、テーブル２は、テーブル回転駆動部３（図１参照）により、中心軸２ｃ周りに所定の回転速度で回転される。テーブル２が回転されながら溶接ビード１００が形成されることで、溶接ビード１００は、中心軸２ｃ周りに円形に連続して形成される。中央部溶接ビード形成工程Ｓ２１では、中心軸２ｃを中心とする周方向における溶接ビード１００の端部に到達した際に、溶接ノズル５が中心軸２ｃに直交する径方向Ｄｒに移動される。その結果、中心軸２ｃに直交する方向に複数列にわたって溶接ビード１００が並んで形成される。これにより、被形成面２ｆに沿って、被形成面２ｆの広がる方向である水平方向Ｄｈに重ねられるように複数の中央溶接ビード１００ｃが形成される。これら複数列の中央溶接ビード１００ｃは、中心軸２ｃと直交する方向から見た際に、一つの金属層１１ｍにおける径方向Ｄｒの中央の領域を形成している。

図２に示すように、第一テーブル傾斜工程Ｓ２２は、中央部溶接ビード形成工程Ｓ２１の後に実施される。図４は、上記金属積層造形方法において、テーブルを傾斜させ、径方向の外側の端部に溶接ビードを形成している状態を示す図である。第一テーブル傾斜工程Ｓ２２では、図４に示すように、水平な状態からテーブル２が傾けられる。具体的には、第一テーブル傾斜工程Ｓ２２では、テーブル傾動部４（図１参照）によって、テーブル２は、中心軸２ｃを鉛直方向Ｄｖから傾けられ、被形成面２ｆが水平面に対して傾斜させられる。このとき、被形成面２ｆは、第一傾斜方向を向く。第一傾斜方向は、中心軸２ｃと直交する方向から見た際に、鉛直方向Ｄｖと交差する方向である。したがって、第一テーブル傾斜工程Ｓ２２では、被形成面２ｆは、中心軸２ｃが鉛直方向Ｄｖに対して鋭角をなすように傾いた状態で鉛直方向Ｄｖの上方を向いている。

図２に示すように、外周側溶接ビード形成工程Ｓ２３は、第一テーブル傾斜工程Ｓ２２後に実施される。図４に示すように、外周側溶接ビード形成工程Ｓ２３は、第一テーブル傾斜工程Ｓ２２で第一傾斜方向に傾けられた状態を維持したままのテーブル２に対して実施される。外周側溶接ビード形成工程Ｓ２３では、中央部溶接ビード形成工程Ｓ２１で形成された複数の中央溶接ビード１００ｃの中で最も端かつ鉛直方向Ｄｖの上方に位置する中央溶接ビード１００ｃ上に第一端部溶接ビード１００ａが形成される。つまり、被形成面２ｆが第一傾斜方向を向くようにテーブル２が傾けられた状態で、第一端部溶接ビード１００ａが形成される。第一端部溶接ビード１００ａは、中心軸２ｃと直交する方向から見た際に、中央溶接ビード１００ｃの中で最も径方向Ｄｒの外側の中央溶接ビード１００ｃに対して、斜め上方から重なるように形成される。第一端部溶接ビード１００ａは、テーブル２が回転することで周方向に連続して環状に形成される。第一端部溶接ビード１００ａは、一つの金属層１１ｍにおける径方向Ｄｒの外側の領域を形成している。

図２に示すように、第二テーブル傾斜工程Ｓ２４は、外周側溶接ビード形成工程Ｓ２３後に実施される。図５は、上記金属積層造形方法において、鉛直方向を基準にテーブルを図４とは反対側に傾斜させ、径方向の内側の端部に溶接ビードを形成している状態を示す図である。第二テーブル傾斜工程Ｓ２４では、図５に示すように、第一傾斜方向に傾けられた状態からテーブル２が異なる方向に傾けられる。具体的には、第二テーブル傾斜工程Ｓ２４では、テーブル傾動部４（図１参照）によって、テーブル２の中心軸２ｃを第一傾斜方向から鉛直方向Ｄｖに戻した後に逆方向に傾ける。このとき、被形成面２ｆは、第二傾斜方向を向く。第二傾斜方向は、中心軸２ｃと直交する方向から見た際に、鉛直方向Ｄｖを基準に第一傾斜方向と反対側で鉛直方向Ｄｖと交差する方向である。つまり、本実施形態の第二傾斜方向は、中心軸２ｃと直交する方向から見た際に、鉛直方向Ｄｖに対する第一傾斜方向の角度と同程度だけ逆方向に傾いた方向である。したがって、第二テーブル傾斜工程Ｓ２４では、被形成面２ｆは、中心軸２ｃが鉛直方向Ｄｖに対して、第一テーブル傾斜工程Ｓ２２と逆側に向かって鋭角をなすように傾いた状態で鉛直方向の上方を向いている。

図２に示すように、内周側溶接ビード形成工程Ｓ２５は、第二テーブル傾斜工程Ｓ２４後に実施される。図５に示すように、内周側溶接ビード形成工程Ｓ２５は、第二テーブル傾斜工程Ｓ２４で第二傾斜方向に傾けられた状態を維持したままのテーブル２に対して実施される。内周側溶接ビード形成工程Ｓ２５では、中央部溶接ビード形成工程Ｓ２１で形成された複数の中央溶接ビード１００ｃの中で最も端かつ鉛直方向Ｄｖの上方に位置する中央溶接ビード１００ｃ上に第二端部溶接ビード１００ｂが形成される。第二端部溶接ビード１００ｂは、複数の中央溶接ビード１００ｃの中で第一端部溶接ビード１００ａが形成された側と反対側の端の位置する中央溶接ビード１００ｃに重ねられるように形成される。つまり、被形成面２ｆが第二傾斜方向を向くようにテーブル２が傾けられた状態で、第二端部溶接ビード１００ｂが形成される。第二端部溶接ビード１００ｂは、中心軸２ｃと直交する方向から見た際に、中央溶接ビード１００ｃの中で最も径方向Ｄｒの内側の中央溶接ビード１００ｃに対して、斜め上方から重なるように形成される。第二端部溶接ビード１００ｂは、テーブル２が回転することで周方向に連続して環状に形成される。第二端部溶接ビード１００ｂは、一つの金属層１１ｍにおける径方向Ｄｒ内外側の領域を形成している。内周側溶接ビード形成工程Ｓ２５が終了することで、金属層１１ｍが一層分形成される。

図２に示すように、ノズル移動工程Ｓ２６は、内周側溶接ビード形成工程Ｓ２５後に実施される。図６は、上記金属積層造形方法において、一層の金属層を形成した後、ノズルを軸線方向に移動させた状態を示す図である。図６に示すように、ノズル移動工程Ｓ２６は、テーブル２から離れるように、溶接ノズル５を、軸線方向Ｄａに一層分の金属層１１ｍの厚さに相当する寸法だけ移動させる。

積層数確認工程Ｓ２７は、中央部溶接ビード形成工程Ｓ２１から内周側溶接ビード形成工程Ｓ２５を経て形成された金属層１１ｍの積層数を確認する。これには、コントローラ６によって、積層された金属層１１ｍの積層数が、予め設定した所定数（例えば３層から６層）に到達したか否かを判断する。その結果、金属層１１ｍの積層数が、所定数に到達していなければ、中央部溶接ビード形成工程Ｓ２１を再び実行させる。これを繰り返すことで金属層１１ｍが軸線方向Ｄａに順次積層されていく。図２に示しように、本実施形態の積層数確認工程Ｓ２７は、ノズル移動工程Ｓ２６後に実施される。積層数確認工程Ｓ２７で、金属層１１ｍの積層数が所定数に到達していると判断された場合、表面切削工程Ｓ２８に移行する。

図７は、上記金属積層造形方法において、所定数の金属層を積層した状態で、金属層の上面を切削している状態を示す図である。表面切削工程Ｓ２８は、積層数確認工程Ｓ２７後に実施される。表面切削工程Ｓ２８では、所定数積層された金属層１１ｍの鉛直方向Ｄｖの上方を向く上面が、切削工具８で切削されて平面に近づくように均される。

図２に示すように、最終積層数確認工程Ｓ２９は、表面切削工程Ｓ２８後に実施される。最終積層数確認工程Ｓ２９では、上面が削られた後の金属層１１ｍの積層数が、予め設定した最終層数に到達したか否かを確認する。これには、コントローラ６によって、例えば、積層された金属層１１ｍの積層数が、予め設定した最終層数になっているか否かを判断する。その結果、加工開始後の金属層１１ｍの積層数が、最終層数に到達していなければ、図２に示すように、中央部溶接ビード形成工程Ｓ２１に戻り、次の層の金属層１１ｍの形成を開始する。また、最終積層数確認工程Ｓ２９において、金属層１１ｍの積層数が、最終層数に到達していた場合、側面形成工程Ｓ３に移行する。

側面形成工程Ｓ３は、金属層形成工程Ｓ２が複数回実行された後に実施される。側面形成工程Ｓ３では、第一端部溶接ビード１００ａが鉛直方向Ｄｖの上方に配置されるようにテーブル２が傾けられて、複数の第一端部溶接ビード１００ａ上に複数の溶接ビード１００を形成することで外周面１３を形成する。本実施形態の側面形成工程Ｓ３は、第三テーブル傾斜工程Ｓ３０と、外周面溶接ビード形成工程Ｓ３１と、を有する。

図８は、上記金属積層造形方法において、溶接ビードによって造形物の外周面を形成している状態を示す図である。図８に示すように、第三テーブル傾斜工程Ｓ３０では、テーブル傾動部４（図１参照）によって、複数の金属層１１ｍの第一端部溶接ビード１００ａが鉛直方向Ｄｖの上方に配置されるように、テーブル２の被形成面２ｆを傾斜させる。本実施形態の第三テーブル傾斜工程Ｓ３０では、被形成面２ｆは、中心軸２ｃと直交する方向から見た際に、形成される外周面１３が水平方向に近づくように傾斜される。つまり、第三テーブル傾斜工程Ｓ３０では、第一テーブル傾斜工程Ｓ２２よりもテーブル２が傾けられる。

図２に示すように、外周面溶接ビード形成工程Ｓ３１は、第三テーブル傾斜工程Ｓ３０後に実施される。図８に示すように、外周面溶接ビード形成工程Ｓ３１は、第三テーブル傾斜工程Ｓ３０で傾けられた状態を維持したままのテーブル２に対して実施される。外周面溶接ビード形成工程Ｓ３１では、軸線方向Ｄａに複数積層された第一端部溶接ビード１００ａ上に重ねられるように外周面溶接ビード１００ｄが形成される。外周面溶接ビード１００ｄは、テーブル２が回転することで周方向に連続して環状に形成される。外周面溶接ビード１００ｄは、溶接ノズル５を、軸線方向Ｄａに移動させながら複数列にわたって形成される。これにより、軸線方向Ｄａに隙間なく並んで外周面溶接ビード１００ｄが複数形成される。その結果、筒状部１１の外周面１３の全体が、外周面溶接ビード１００ｄにより形成される。このようにして、所定形状の造形物１０が、テーブル２上に形成される。

図２に示すように、造形物取出工程Ｓ４は、側面形成工程Ｓ３後に実施される。造形物取出工程Ｓ４では、テーブル２上に形成された造形物１０が、テーブル２から外されて取り出される。これにより、造形物１０の造形が終了する。

上述したような金属積層造形方法Ｓ１によれば、第一テーブル傾斜工程Ｓ２２でテーブル２が傾けられると、被形成面２ｆが傾く。外周側溶接ビード形成工程Ｓ２３では、この状態で、被形成面２ｆ上に並ぶ複数の中央溶接ビード１００ｃの中で最も径方向Ｄｒの外側かつ上端の中央溶接ビード１００ｃに対して重ねるように、第一端部溶接ビード１００ａが形成される。その結果、溶接ノズル５によって、第一端部溶接ビード１００ａが形成された時点では、中心軸２ｃと直交する方向から見た際に、第一端部溶接ビード１００ａは中央溶接ビード１００ｃよりも上方に位置している。形成された瞬間の第一端部溶接ビード１００ａは、溶融状態となっていることで重力により、中央溶接ビード１００ｃに向かって径方向Ｄｒの内側に流れる。つまり、第一端部溶接ビード１００ａは、中央溶接ビード１００ｃが形成されていない側である径方向Ｄｒの外側へは流れない。その結果、造形物１０の外周面１３が、垂れた複数の第一端部溶接ビード１００ａによって大きな凸凹を有する形状となってしまうことを防ぐことができる。したがって、造形物１０の外周面１３を削らなくとも、凹凸の少ない良好なものとすることができる。これにより、追加加工等を行うことなく、造形物１０の品質を向上させることができる。

さらに、溶融状態の第一端部溶接ビード１００ａは、中央溶接ビード１００ｃによってせき止められる。つまり、第一端部溶接ビード１００ａは中央溶接ビード１００ｃよりも下方には流れることができない。これにより、径方向Ｄｒの内側の領域に第一端部溶接ビード１００ａが垂れてしまって悪影響を及ぼすことも抑えられる。

同様に、第二テーブル傾斜工程Ｓ２４でテーブル２が傾けられると、被形成面２ｆが傾く。内周側溶接ビード形成工程Ｓ２５では、この状態で、被形成面２ｆ上で水平方向に並ぶ複数の溶接ビード１００の中で最も径方向Ｄｒの内側かつ上端の中央溶接ビード１００ｃに対して重ねるように、第二端部溶接ビード１００ｂが形成される。その結果、溶接ノズル５によって、第二端部溶接ビード１００ｂが形成された時点では、中心軸２ｃと直交する方向から見た際に、第二端部溶接ビード１００ｂは中央溶接ビード１００ｃよりも上方に位置している。形成された瞬間の第二端部溶接ビード１００ｂは、溶融状態となっていることで重力により、中央溶接ビード１００ｃに向かって径方向Ｄｒの外側に流れる。つまり、第二端部溶接ビード１００ｂは、中央溶接ビード１００ｃが形成されていない側である径方向Ｄｒの内側へは流れない。その結果、造形物１０の内周面１４が、垂れた複数の第二端部溶接ビード１００ｂによって大きな凸凹を有する形状となってしまうことを防ぐことができる。したがって、造形物１０の内周面１４を削らなくとも、凹凸の少ない良好なものとすることができる。これにより、追加加工等を行うことなく、造形物１０の主面１２と交差する異なる二面の品質を向上させることができる。

さらに、溶融状態の第二端部溶接ビード１００ｂは、中央溶接ビード１００ｃによってせき止められる。つまり、第二端部溶接ビード１００ｂは中央溶接ビード１００ｃよりも下方には流れることができない。これにより、径方向Ｄｒの外側の領域に第二端部溶接ビード１００ｂが垂れてしまって悪影響を及ぼすことも抑えられる。

また、第一端部溶接ビード１００ａや第二端部溶接ビード１００ｂを形成する際にテーブル２を傾けるのみでよく、温度センサ等が不要であることから、設備コストの上昇を抑えることができる。さらに、溶接ビード１００が所定温度に下がるのを待つ必要が無いために、造形時間を短縮できる。このようにして、設備コストの上昇を抑えるとともに、造形時間の長期化を抑え、良好な品質で造形物１０を形成することが可能となる。

また、中心軸２ｃと直交する方向から見た際に、形成される外周面１３が水平方向に近づくようにテーブル２が傾けられる。この状態で、複数の第一端部溶接ビード１００ａ上に重ねられるように外周面溶接ビード１００ｄが形成される。これにより、軸線方向Ｄａに並んだ第一端部溶接ビード１００ａの表面にわずかに凹凸等があったとしても、新たに形成される外周面溶接ビード１００ｄにより凹凸が埋められる。その結果、均された外周面１３が形成される。したがって、外周面１３の仕上げ品質をより高め、かつ外周面１３の切削加工時間を短縮もしくは不要とすることができる。

また、第一端部溶接ビード１００ａ及び第二端部溶接ビード１００ｂを有する金属層１１ｍを軸線方向Ｄａに順次積層することで、追加加工等を行うことなく、外周面１３及び内周面１４を整えることができる。したがって、形成される造形物１０の品質を高め、かつ外周面１３及び内周面１４の切削加工時間を短縮もしくは不要とすることができる。

特に、造形物１０が、本実施形態のように筒状部１１を有していると、その外周面１３や内周面１４は周方向に湾曲した形状をなしている。そのため、外周面１３や内周面１４追加加工を行う際に時間がかかる場合がある。また、筒状部１１の大きさや形状によっては、内周面１４に工具等を挿入することが難しく、追加加工が困難な場合がある。しかしながら、本実施形態の金属積層造形方法Ｓ１によれば、追加加工を行うことなく品質の高い造形物１０を形成することができる。そのため、筒状部１１を有する造形物１０であっても、設備コストの上昇を抑えつつ、造形時間の長期化を抑え、良好な品質とすることが可能となる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。

例えば、形成すべき造形物１０の形状は、一例を挙げたに過ぎず、適宜他の形状であってもよい。例えば、造形物１０は、軸線方向Ｄａに一定の径寸法を有した円筒状、角筒状等であってもよい。また、造形物１０は、筒状に限らず、主面１２と、主面１２に交差する側面を有しているのであれば、例えば板状等であってもよい。

また、上記実施形態では、外周側溶接ビード形成工程Ｓ２３で第一端部溶接ビード１００ａを形成し、内周側溶接ビード形成工程Ｓ２５で第二端部溶接ビード１００ｂを形成した。しかしながら、金属積層造形方法Ｓ１では、外周側溶接ビード形成工程Ｓ２３及び内周側溶接ビード形成工程Ｓ２５の両方を実施することに限定されるものではない。つまり、金属積層造形方法Ｓ１は、外周側溶接ビード形成工程Ｓ２３及び内周側溶接ビード形成工程Ｓ２５のいずれか一方のみが実施されるだけでもよい。したがって、仮に内周側溶接ビード形成工程Ｓ２５のみが実施される際には、内周側溶接ビード形成工程Ｓ２５で形成される溶接ビード１００が、第一端部溶接ビードとなる。

また、上記実施形態では、表面切削工程Ｓ２８で、所定数の金属層１１ｍを積層するごとに、金属層１１ｍの上面を切削工具８で切削するようにしたが、これに限らない。表面切削工程Ｓ２８を省略し、最終層の金属層１１ｍまで、金属層１１ｍを順次積層していくようにしても良い。

また、上記実施形態では、外周面溶接ビード形成工程Ｓ３１で、溶接ノズル５により外周面溶接ビード１００ｄを形成して外周面１３を形成するようにしたが、このように外周面１３を形成することに限定されるものではない。例えば、外周面溶接ビード形成工程Ｓ３１を、省略するようにしてもよい。この場合、外周面１３は、順次積層された第一端部溶接ビード１００ａによって形成された面が、筒状部１１の外周面そのものとなる。

１ 造形システム
２ テーブル
２ｃ 中心軸
２ｆ 被形成面
３ テーブル回転駆動部
４ テーブル傾動部
５ 溶接ノズル
６ コントローラ
８ 切削工具
１０ 造形物
１１ 筒状部
１１ａ 筒端
１１ｂ 筒端
１１ｍ 金属層
１２ 主面
１２ａ 外側端部
１２ｂ 内側端部
１３ 外周面（側面）
１４ 内周面（側面）
１００ 溶接ビード
１００ａ 第一端部溶接ビード
１００ｂ 第二端部溶接ビード
１００ｃ 中央溶接ビード
１００ｄ 外周面溶接ビード
Ｄａ 軸線方向
Ｄｒ 径方向
Ｄｖ 鉛直方向
Ｓ１ 金属積層造形方法
Ｓ２ 金属層形成工程
Ｓ３ 側面形成工程
Ｓ４ 造形物取出工程
Ｓ２１ 中央部溶接ビード形成工程
Ｓ２２ 第一テーブル傾斜工程
Ｓ２３ 外周側溶接ビード形成工程（第一端部溶接ビード形成工程）
Ｓ２４ 第二テーブル傾斜工程
Ｓ２５ 内周側溶接ビード形成工程（第二端部溶接ビード形成工程）
Ｓ２６ ノズル移動工程
Ｓ２７ 積層数確認工程
Ｓ２８ 表面切削工程
Ｓ２９ 最終積層数確認工程
Ｓ３０ 第三テーブル傾斜工程
Ｓ３１ 外周面溶接ビード形成工程（側面形成工程）

Claims (5)

1. 複数の金属層が順次積層されることで、主面と、前記主面の端部から前記主面と交差する方向に広がる側面とを有する立体的な造形物を造形する金属積層造形方法であって、
   前記金属層が形成される被形成面を有するテーブル上に、アーク溶接によって形成される複数の溶接ビードを水平方向に並ぶように形成し、前記金属層を形成する金属層形成工程を有し、
   前記金属層形成工程は、
   前記被形成面が鉛直方向の上方を向くように、前記テーブルを水平な状態とし、複数の前記溶接ビードを前記被形成面の広がる方向に重ねるように形成する中央部溶接ビード形成工程と、
   前記鉛直方向と交差する第一傾斜方向に前記被形成面を向けるように前記テーブルを傾けて、前記中央部溶接ビード形成工程で形成された複数の前記溶接ビードの中で最も端かつ前記鉛直方向の上方に位置する前記溶接ビードに重ねるように、第一端部溶接ビードを形成する第一端部溶接ビード形成工程と、を有し、
   前記中央部溶接ビード形成工程では、一つの前記金属層における前記被形成面の広がる方向の中央を含む領域を形成する中央溶接ビードを形成する金属積層造形方法。
2. 前記金属層形成工程は、前記中央部溶接ビード形成工程で形成された複数の前記溶接ビードの中で前記第一端部溶接ビードが形成される側と反対側の端に位置する前記溶接ビードに重ねるように、第二端部溶接ビードを形成する第二端部溶接ビード形成工程を有し、
   前記第二端部溶接ビード形成工程では、前記第二端部溶接ビードが複数の前記溶接ビードよりも前記鉛直方向の上方に位置するように前記テーブルが傾けられている請求項１に記載の金属積層造形方法。
3. 前記金属層形成工程は、形成した前記金属層上に前記溶接ビードを積層させるように、複数回実行される請求項１又は２に記載の金属積層造形方法。
4. 前記金属層形成工程が複数回実行された後に実施され、前記第一端部溶接ビードが上方に配置されるように前記テーブルを傾けて、複数の第一端部溶接ビード上に複数の溶接ビードを形成することで前記側面を形成する側面形成工程をさらに有する請求項３に記載の金属積層造形方法。
5. 前記造形物は、軸線方向に延びる筒状部を有し、
   前記主面は、前記筒状部の前記軸線方向の少なくとも一方の端部において、前記軸線方向に交差するように広がる面であり、
   前記側面は、前記筒状部の外周面及び内周面の少なくとも一方である請求項１から４の何れか一項に記載の金属積層造形方法。

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