JPWO2021005690A1

JPWO2021005690A1 - 付加製造装置

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Publication number: JPWO2021005690A1
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Inventors: 崇史藤井
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Filing date: 2019-07-08
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Abstract

付加製造装置（１）は、溶融させた材料を積層することによって造形物を製造する。付加製造装置（１）は、被加工物へ送給される材料であるワイヤ（６）を加熱するための電流を材料へ供給する電源であるＣＭＴ電源（１１）と、被加工物へ照射させるビームであるレーザビーム（５）を発生させるビーム源であるレーザ発振器（２）と、被加工物における材料の送給位置と被加工物におけるビームの照射位置とを移動させる駆動部であるヘッド駆動部（１３）と、を備える。付加製造装置（１）は、送給位置の移動経路の前方に照射位置を離して、送給位置と照射位置とを移動させる。

Description

本発明は、溶融させた材料を積層することによって造形物を製造する付加製造装置に関する。

溶融させた材料からなるビードを積層することによって造形物を製造する付加製造において、アーク溶接を利用する方法が知られている。アーク溶接による付加製造は、加工速度が低速であり、かつ高精度な造形が困難という課題があった。そこで、加工の高速化と高精度な造形とを可能とすることを目的として、アークに加えてビームを用いる付加製造の技術が開発されている。

特許文献１には、レーザビームの照射による被加工物の加熱と、材料であるワイヤに電流を流すことによるワイヤの加熱とを行う付加製造装置が開示されている。特許文献１にかかる付加製造装置は、レーザビームの照射によって被加工物の表面に溶融池を形成してから、加熱されたワイヤを溶融池へ送給する。溶融したワイヤの液滴が溶融池に接触することによって、溶融したワイヤが被加工物へ付加される。特許文献１にかかる付加製造装置は、このような動作を繰り返すことによって、被加工物の表面にビードを形成する。

特開２０１６−１７９５０１号公報

上記特許文献１の技術では、レーザビームの照射によって溶融池を形成するため、レーザビームの照射により被加工物へ投入される熱量が多くなり、造形後の熱収縮による造形物のひずみが大きくなる。そのため、造形物の形状精度が低下し、高精度な造形が困難であった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、高精度な造形を可能とする付加製造装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる付加製造装置は、溶融させた材料を積層することによって造形物を製造する。本発明にかかる付加製造装置は、被加工物へ送給される材料を加熱するための電流を材料へ供給する電源と、被加工物へ照射させるビームを発生させるビーム源と、被加工物における材料の送給位置と被加工物におけるビームの照射位置とを移動させる駆動部と、を備える。本発明にかかる付加製造装置は、送給位置の移動経路の前方に照射位置を離して、送給位置と照射位置とを移動させる。

本発明にかかる付加製造装置は、高精度な造形を行うことができるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１にかかる付加製造装置の概略構成を示す図図１に示す付加製造装置が有する制御装置の機能構成を示す図図１に示す付加製造装置がビードを形成している様子を示す図実施の形態１にかかる制御装置のハードウェア構成の例を示す第１の図実施の形態１にかかる制御装置のハードウェア構成の例を示す第２の図本発明の実施の形態２にかかる付加製造装置の動作について説明するための図実施の形態２にかかる付加製造装置におけるワイヤの送給について説明するための図本発明の実施の形態３にかかる付加製造装置が有する加工ヘッドの側面図図８に示す加工ヘッドを上方から見た場合における送給位置と照射位置とを示す図図９に示す送給位置の移動経路における送給位置と照射位置との例を示す図図１０に示す送給位置および照射位置の移動について説明するための図本発明の実施の形態４にかかる付加製造装置が有する制御装置の機能構成を示す図

以下に、本発明の実施の形態にかかる付加製造装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる付加製造装置の概略構成を示す図である。付加製造装置１は、溶融された材料を積層することによって造形物を製造する工作機械である。付加製造装置１は、アーク溶接とビーム照射とによる付加製造を行う。

付加製造装置１は、材料であるワイヤ６を被加工物へ送給して、溶融させた材料からなるビードを基材１８にて積層する。付加製造装置１は、基材１８にビードを積層することによって、基材１８に造形物１９を形成する。基材１８は、ステージ２０に載せられる。実施の形態１において、被加工物とは、溶融された材料が付加される物体であって、基材１８と造形物１９とを指すものとする。図１に示す基材１８は板材である。基材１８は、板材以外の物であっても良い。

付加製造装置１は、ビーム源であるレーザ発振器２を有する。レーザ発振器２は、被加工物へ照射させるレーザビーム５を発生させる。レーザビーム５は、光伝送路であるファイバーケーブル３を通って加工ヘッド４へ伝搬する。加工ヘッド４は、被加工物へ向けてレーザビーム５を出射する。

付加製造装置１は、被加工物へワイヤ６を送給する送給機構７を有する。ワイヤ６の供給源であるワイヤスプール９には、ワイヤ６が巻き付けられている。送給機構７は、ワイヤスプール９を回転させる回転モータ８と、ワイヤスプール９から送り出されたワイヤ６が通されるコンタクトチップ１０とを有する。回転モータ８は、ワイヤスプール９から被加工物へ向けてワイヤ６を送り出すための駆動と、送り出されたワイヤ６をワイヤスプール９へ引き戻すための駆動とを行う。

付加製造装置１は、被加工物へ送給されるワイヤ６を加熱するための電流をワイヤ６へ供給する電源であるＣＭＴ（Cold Metal Transfer）電源１１を有する。ＣＭＴ電源１１は、コンタクトチップ１０とステージ２０とに接続されている。ワイヤ６とコンタクトチップ１０とが接触することによって、ワイヤ６とＣＭＴ電源１１とは電気的に接続される。基材１８とステージ２０とが接触することによって、被加工物とＣＭＴ電源１１とは電気的に接続される。ＣＭＴ電源１１は、ワイヤ６と被加工物との間にパルス電圧を印加する。

ＣＭＴ電源１１は、ワイヤ６が被加工物から離れているときにおけるパルス電圧の印加によって、アークを発生させる。ＣＭＴ電源１１は、ワイヤ６と被加工物とが短絡しているときよりもワイヤ６と被加工物との短絡が解除されているときにおいて電流が増加するように、電流を制御する。また、ＣＭＴ電源１１は、ワイヤ６へ電流を流すことによってワイヤ６を加熱する。

付加製造装置１は、被加工物へガス１６を噴射させるガス噴射装置１４を有する。ガス１６は、ガス噴射装置１４から配管１５を通って加工ヘッド４へ流動し、加工ヘッド４内のガスノズルから被加工物へ向けて噴射される。図１では、ガスノズルの図示を省略する。付加製造装置１は、ガス１６を噴射することによって、造形物１９の酸化を抑制するとともに、ビードを冷却する。

付加製造装置１は、加工ヘッド４とコンタクトチップ１０とを移動させる駆動部であるヘッド駆動部１３を有する。ヘッド駆動部１３は、３軸の各々の方向における並進運動を行う動作機構である。ヘッド駆動部１３は、被加工物におけるワイヤ６の送給位置と被加工物におけるレーザビーム５の照射位置とを移動させる。実施の形態１において、付加製造装置１は、送給位置の移動経路の前方に照射位置を離して、送給位置と照射位置とを移動させる。

付加製造装置１は、２軸の各々を中心とする回転運動を行う動作機構である回転軸１７を有する。回転軸１７は、ステージ２０を回転させる。付加製造装置１は、ステージ２０とともに被加工物を回転させることによって、被加工物の姿勢を加工に適した姿勢にさせることができる。

付加製造装置１は、付加製造装置１の全体を制御する制御装置１２を有する。制御装置１２は、ヘッド駆動部１３へ軸指令２１を出力することによってヘッド駆動部１３を制御する。制御装置１２は、回転軸１７へ回転指令２２を出力することによって回転軸１７を制御する。制御装置１２は、レーザ発振器２へレーザ出力指令２３を出力することによってレーザ発振器２を制御する。制御装置１２は、回転モータ８へ送給指令２４を出力することによって回転モータ８を制御する。制御装置１２は、ＣＭＴ電源１１へ電源指令２５を出力することによってＣＭＴ電源１１を制御する。制御装置１２は、ガス噴射装置１４へガス供給指令２６を出力することによってガス噴射装置１４を制御する。

図１に示す付加製造装置１において、ワイヤ６が送給される方向は、加工ヘッド４からレーザビーム５が出射される方向に対して斜めの方向である。付加製造装置１において、ワイヤ６が送給される方向が、レーザビーム５が出射される方向と同じ方向であっても良い。付加製造装置１は、レーザビーム５以外のビームである電子ビームなどを照射することによって付加製造を行うものであっても良い。

図２は、図１に示す付加製造装置が有する制御装置の機能構成を示す図である。制御装置１２には加工プログラム３１が入力される。加工プログラム３１は、コンピュータ支援製造（Computer Aided Manufacturing：ＣＡＭ）装置によって作成された数値制御（Numerical Control：ＮＣ）プログラムである。制御装置１２は、各種加工条件のデータが格納されている加工条件テーブル３３を有する。加工プログラム３１には、加工条件テーブル３３に格納されている加工条件の中から加工条件を選択するための指令が含まれている。

制御装置１２は、加工プログラム３１を解析するプログラム解析部３２と、加工条件を設定する条件設定部３４と、指令生成部３５とを有する。プログラム解析部３２は、加工プログラム３１に記述されている処理の内容を基に、送給位置を移動させる移動経路を解析する。プログラム解析部３２は、解析された移動経路のデータを指令生成部３５へ出力する。

プログラム解析部３２は、加工条件を指定するための情報を加工プログラム３１から取得し、取得された情報を条件設定部３４へ出力する。条件設定部３４は、プログラム解析部３２からの情報を基に、加工プログラム３１において指定されている加工条件のデータを加工条件テーブル３３から読み出す。これにより、条件設定部３４は、付加製造のための加工条件を設定する。条件設定部３４は、設定された加工条件について、加工条件のデータを指令生成部３５へ出力する。

なお、制御装置１２は、加工条件テーブル３３にあらかじめ格納されている各種加工条件のデータの中から、指定された加工条件のデータを得る以外に、加工条件のデータが記述されている加工プログラム３１から加工条件のデータを得ることとしても良い。この場合、制御装置１２は、プログラム解析部３２にて加工プログラム３１を解析することによって、加工条件のデータを得る。

指令生成部３５は、軸指令２１と回転指令２２とを生成する軸指令生成部３６と、レーザ出力指令２３を生成するレーザ出力指令生成部３７と、送給指令２４を生成する送給指令生成部３８と、電源指令２５を生成する電源指令生成部３９と、ガス供給指令２６を生成するガス供給指令生成部４０とを有する。軸指令生成部３６は、移動経路のデータを基に軸指令２１を生成する。軸指令生成部３６は、加工プログラム３１における指示に従った回転指令２２を生成する。軸指令生成部３６は、生成された軸指令２１をヘッド駆動部１３へ出力する。軸指令生成部３６は、生成された回転指令２２を回転軸１７へ出力する。

レーザ出力指令生成部３７は、加工条件に従ったレーザ出力指令２３を生成し、生成されたレーザ出力指令２３をレーザ発振器２へ出力する。送給指令生成部３８は、加工条件に従った送給指令２４を生成し、生成された送給指令２４を回転モータ８へ出力する。電源指令生成部３９は、加工条件に従った電源指令２５を生成し、生成された電源指令２５をＣＭＴ電源１１へ出力する。ガス供給指令生成部４０は、加工条件に従ったガス供給指令２６を生成し、生成されたガス供給指令２６をガス噴射装置１４へ出力する。

次に、付加製造装置１によるビードの形成について説明する。図３は、図１に示す付加製造装置がビードを形成している様子を示す図である。ビード４１は、溶融したワイヤ６が凝固することによって形成される線状の物体である。付加製造装置１は、基材１８の上に複数のビード４１を積層することによって造形物１９を形成する。図３には、基材１８に１つ目のビード４１が形成されている様子を示している。

付加製造装置１は、基材１８上の送給位置へ向けてのワイヤ６の送り出しと、送給位置からのワイヤ６の引き戻しとを繰り返しながら、送給位置を移動させる。付加製造装置１は、送給位置を移動させる移動方向４４における前方へ送給位置から照射位置を離して、送給位置と照射位置とを移動させる。

ＣＭＴ電源１１は、ワイヤ６と基材１８との間にパルス電圧を印加することによって、ワイヤ６と基材１８との間にアークを発生させる。付加製造装置１は、アークによって基材１８を溶融させて、基材１８に溶融池４２を形成する。送給機構７は、アーク発生と同期して、溶融池４２へワイヤ６を送給する。また、ワイヤ６へ電流が流れることによって、ワイヤ６は加熱される。溶融したワイヤ６の液滴が溶融池４２に接触することによって、アークは消える。ＣＭＴ電源１１は、アークが消えたときに、電流を極限まで下げる。

液滴が溶融池４２に接触してから、送給機構７はワイヤ６を引き戻す。ワイヤ６が引き戻されることによって、溶融池４２に接触した状態の液滴がワイヤ６から切り離される。液滴がワイヤ６から切り離されることによって基材１８とワイヤ６との短絡が解除されると、ＣＭＴ電源１１は、アーク発生時における電流を増加させる。付加製造装置１は、ワイヤ６の送給位置を移動させながらこのような動作を繰り返すことによって、基材１８にビード４１を形成する。付加製造装置１は、ビード４１の上にビード４１を形成する場合も、基材１８にビード４１を形成する場合と同様の動作を行う。

このように、溶融させたワイヤ６が溶融池４２へ送給されることによってビード４１が形成されることから、溶融池４２の大きさとビード４１の幅とには比例関係が成り立つ。溶融池４２が大きいほどビード４１の幅は太くなる。ワイヤ６を用いた付加製造の後に切削工程が行われる場合、切削の負担を低減するために造形物１９の肉厚を薄くする必要があることから、細いビード４１を形成可能とするための入熱条件が適用されることがある。この場合の課題として、基材１８の熱容量が大きい場合、あるいは基材１８からの熱の抜熱速度が速い場合に、溶融池４２の深さが浅くなることによってビード４１が剥離し易くなる。

付加製造装置１は、補助熱源であるレーザビーム５を基材１８へ照射することによって、基材１８の領域４３を予熱する。付加製造装置１は、基材１８を予熱することによって基材１８の濡れ性を向上させる。付加製造装置１は、基材１８の濡れ性を向上させることによって、ビード４１の剥離を低減できる。これにより、付加製造装置１は、溶融池４２が小さい場合であっても細いビード４１を安定して形成することができる。

ここで、ワイヤ６の送給位置とレーザビーム５の照射位置との関係について説明する。レーザビーム５を溶融池４２に直接照射させるとすると、基材１８へ投入される熱量が多くなることによって、溶融池４２が大きくなる。溶融池４２が大きくなると、太いビード４１が形成される。また、ワイヤ６が溶融池４２に接触したときに基材１８の熱がワイヤ６へ伝わることによって、ワイヤ６の溶融が過大となる。ワイヤ６の溶融が過大となると、ワイヤ６の送り出しとワイヤ６の引き戻しとの制御が難しくなり、ワイヤ６の送り出しとワイヤ６の引き戻しとが安定しなくなる。付加製造装置１は、移動方向４４において送給位置よりも前方の位置へレーザビーム５を照射することによって、濡れ性を向上させるとともに、基材１８へ投入される熱量が多くなりすぎることを抑制する。

距離Ｌは、ワイヤ６の送給位置の中心とレーザビーム５の照射位置の中心との距離とする。距離Ｌが短すぎると、溶融池４２が大きくなるという問題とワイヤ６の溶融が過大になるという問題が生じる。また、距離Ｌが長すぎると、基材１８を予熱する効果が不十分となる。そこで、距離Ｌは、被加工物におけるレーザビーム５のスポット径の１．０倍から２．０倍とする。これにより、付加製造装置１は、小さい溶融池４２の形成が可能となり、かつ、ワイヤ６の溶融が過大となることを抑制できる。また、付加製造装置１は、基材１８を予熱することによる濡れ性の向上が可能となる。付加製造装置１は、照射位置の正確な制御が可能であることから、予熱の対象とされる領域４３の位置を正確に制御することができる。付加製造装置１は、領域４３の位置の正確な制御によって、基材１８全体における入熱を抑えつつ、基材１８の濡れ性を改善することができる。

付加製造装置１は、基材１８へ投入される熱量を抑制することによって、造形後の熱収縮による造形物１９のひずみを抑制する。付加製造装置１は、造形物１９のひずみを抑制することによって、高精度な造形が可能となる。付加製造装置１は、レーザ発振器２として、溶融池４２を形成可能とする高出力なレーザ発振器は不要である。レーザ発振器は高出力であるほど高価であることから、高出力なレーザ発振器が不要であることによって、付加製造装置１の構成を安価なものとすることができる。

ワイヤ６へのレーザビーム５の照射によってワイヤ６を溶融する場合、ワイヤ６におけるレーザビーム５の吸収率が低いことによってワイヤ６を溶融させることが難しいという問題が生じることがある。実施の形態１では、ワイヤ６へ電流を流すことによってワイヤ６を溶融させるため、かかる問題を回避できる。レーザビーム５の吸収率が低いワイヤ６の例としては、アルミニウムまたは銅などからなるワイヤ６が挙げられる。

次に、制御装置１２が有するハードウェア構成について説明する。制御装置１２が有する機能は、処理回路を使用して実現される。処理回路は、制御装置１２に搭載される専用のハードウェアである。処理回路は、メモリに格納されるプログラムを実行するプロセッサであっても良い。

図４は、実施の形態１にかかる制御装置のハードウェア構成の例を示す第１の図である。図４には、制御装置１２の機能が専用のハードウェアを使用して実現される場合におけるハードウェア構成を示している。制御装置１２は、各種処理を実行する処理回路５１と、制御装置１２の外部の機器との接続あるいは情報の入出力のためのインタフェース５２と、情報を記憶する外部記憶装置５３とを備える。

専用のハードウェアである処理回路５１は、単一回路、複合回路、プログラム化されたプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）、又はこれらの組み合わせである。図２に示すプログラム解析部３２、条件設定部３４および指令生成部３５の各機能は、処理回路５１を用いて実現される。加工プログラム３１と加工条件テーブル３３とは、外部記憶装置５３に記憶される。指令生成部３５によって生成された各種指令は、インタフェース５２から各部へ出力される。

図５は、実施の形態１にかかる制御装置のハードウェア構成の例を示す第２の図である。図５には、制御装置１２の機能がプログラムを実行するハードウェアを用いて実現される場合におけるハードウェア構成を示している。

プロセッサ５４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、又はＤＳＰ（Digital Signal Processor）である。図２に示すプログラム解析部３２、条件設定部３４および指令生成部３５の各機能は、プロセッサ５４と、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせによって実現される。ソフトウェアまたはファームウェアは、プログラムとして記述され、内蔵メモリであるメモリ５５に格納される。メモリ５５は、不揮発性もしくは揮発性の半導体メモリであって、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable Read Only Memory）またはＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）である。

実施の形態１によると、付加製造装置１は、送給位置の移動経路の前方に照射位置を離して、送給位置と照射位置とを移動させる。これにより、付加製造装置１は、高精度な造形が可能となるという効果を奏する。

実施の形態２．
図６は、本発明の実施の形態２にかかる付加製造装置の動作について説明するための図である。図７は、実施の形態２にかかる付加製造装置におけるワイヤの送給について説明するための図である。実施の形態２では、上記の実施の形態１にかかる付加製造装置１の構成を参照して、付加製造装置１の動作について説明する。

図６には、ワイヤ６と被加工物との間に印加される電圧と、ワイヤ６に流れる電流と、ワイヤ速度と、レーザ出力との各々についての推移を示している。ワイヤ速度は、ワイヤ６を送り出す速度である。レーザ出力は、レーザ発振器２によるレーザビーム５の出力である。図７には、図６に示す時刻Ｔ１から時刻Ｔ６のうち、時刻Ｔ２から時刻Ｔ６におけるワイヤ６の状態の変化を示している。図７では、ワイヤ６の送給によって形成されるビード４１の図示を省略する。

時刻Ｔ１よりも前において、レーザ発振器２がレーザビーム５を出力すると同時に送給機構７がワイヤ６を送り出す。このとき、ワイヤ６は基材１８に接触していない。ワイヤ６が基材１８の表面１８ａに接触するよりも前の時刻Ｔ１において、ＣＭＴ電源１１は、ワイヤ６と基材１８との間に電圧を印加する。

時刻Ｔ２では、ワイヤ６の先端が表面１８ａに接触する。ワイヤ６が表面１８ａに接触することによって、ワイヤ６には電流が流れる。時刻Ｔ２において、レーザ発振器２は、レーザ出力を低下させる。または、時刻Ｔ２において、レーザ発振器２は、レーザ出力を停止しても良い。これにより、ワイヤ６と基材１８とが短絡しているときに、レーザビーム５による余分な熱が基材１８を経てワイヤ６へ伝搬することを防止できる。時刻Ｔ２においてレーザ出力の低下とレーザ出力の停止とのいずれを行うかは、基材１８の熱容量もしくは基材１８の抜熱速度によって決定することができる。時刻Ｔ２において、送給機構７は、ワイヤ６の送り出しからワイヤ６の引き戻しへ、動作を切り換える。時刻Ｔ２から、ワイヤ６は、電圧が印加された状態のまま少しずつ引き戻される。時刻Ｔ２から時刻Ｔ３においてワイヤ６と基材１８とが短絡する。

時刻Ｔ３では、ワイヤ６の先端と表面１８ａとの間にアーク４５が発生する。付加製造装置１は、アーク４５を発生させることによって、基材１８に溶融池４２を形成する。図７では、溶融池４２の図示を省略する。時刻Ｔ３において、ＣＭＴ電源１１は、電流を増加させる。時刻Ｔ３において、レーザ発振器２は、レーザ出力を増加させる。このように、レーザ発振器２は、アーク４５を発生させるときに、被加工物とワイヤ６との間に印加される電圧が上昇したときに、レーザ出力を増加させる。制御装置１２は、電圧の増加が検知されたことに応じてレーザ出力を増加させる制御を行っても良い。電圧の増加は、ＣＭＴ電源１１によって検知される。

時刻Ｔ３において、送給機構７は、ワイヤ６の引き戻しからワイヤ６の送り出しへ、動作を切り換える。ワイヤ６の先端が表面１８ａから離れているため、レーザビーム５による熱が基材１８を経てワイヤ６へ伝搬することはない。ワイヤ６に電流が流れることによってワイヤ６は加熱される。ワイヤ６が溶融することによって形成された液滴が溶融池４２に接触する。レーザビーム５によって基材１８が予熱されているため、付加製造装置１は、濡れ性が向上された状態の基材１８にビード４１を形成することができる。

ワイヤ６が溶融することによって、基材１８とワイヤ６との距離が長くなる。そこで、付加製造装置１は、電圧が低くなるタイミングにおいて、ワイヤ速度を高くする。時刻Ｔ４では、ワイヤ６の先端が表面１８ａに接触する。時刻Ｔ４では、アーク４５の発生が終了する。時刻Ｔ４において、レーザ発振器２は、時刻Ｔ２の場合と同様に、レーザ出力を低下させるか、レーザ出力を停止する。時刻Ｔ４において、送給機構７は、時刻Ｔ２の場合と同様に、ワイヤ６の送り出しからワイヤ６の引き戻しへ、動作を切り換える。アーク４５は、時刻Ｔ３から時刻Ｔ４において発生する。

付加製造装置１は、時刻Ｔ５以降において、時刻Ｔ２から時刻Ｔ４と同様の動作を繰り返す。時刻Ｔ４から時刻Ｔ５において、ワイヤ６と基材１８とが短絡する。アーク４５は、時刻Ｔ５から時刻Ｔ６において発生する。

実施の形態２によると、付加製造装置１は、ワイヤ６が被加工物に接触したときにレーザ出力を低下させ、かつ、ワイヤ６が被加工物から離されたときにレーザ出力を増加させる。付加製造装置１は、レーザビーム５による余分な熱が基材１８を経てワイヤ６へ伝搬することを防止できる。これにより、付加製造装置１は、高精度な造形が可能となるという効果を奏する。

実施の形態３．
図８は、本発明の実施の形態３にかかる付加製造装置が有する加工ヘッドの側面図である。図９は、図８に示す加工ヘッドを上方から見た場合における送給位置と照射位置とを示す図である。実施の形態３にかかる付加製造装置１は、ワイヤ６の送給位置を中心とする円の円周方向において、レーザビーム５の照射位置を移動可能とする。実施の形態３では、上記の実施の形態１および２と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態１および２とは異なる構成について主に説明する。図９では、送給位置へ送給されているワイヤ６の断面と、照射位置におけるレーザビーム５のスポットとを示している。

加工ヘッド６１は、被加工物へ向けてレーザビーム５を出射するビームノズル６２を有する。加工ヘッド６１は、円筒形を呈する。加工ヘッド６１は、円筒形の中心軸を中心に回転する。ワイヤ６は、かかる中心軸上を移動して被加工物へ送給される。ワイヤ６の送給位置は、かかる中心軸上にある。ビームノズル６２からレーザビーム５が出射される方向は、かかる中心軸に対して斜めの方向である。加工ヘッド６１が回転することによって、ビームノズル６２は、ワイヤ６の送給位置を中心とする円の円周方向において移動する。すなわち、加工ヘッド６１は、回転によって照射位置を移動させる。なお、加工ヘッド６１は、実施の形態１の場合と同様に、３軸の各々の方向において移動する。また、実施の形態１と同様に、付加製造装置１は、送給位置を移動させる移動方向４４における前方へ送給位置から照射位置を離して、送給位置と照射位置とを移動させる。

図１０は、図９に示す送給位置の移動経路における送給位置と照射位置との例を示す図である。図１０では、送給位置へ送給されているワイヤ６の断面と、照射位置におけるレーザビーム５のスポットとを示している。図１０に示す移動経路６３には、折れ曲がり部分が含まれている。

付加製造装置１は、移動経路６３のうちの直線部分では、送給位置を移動させる方向と同じ方向へ照射位置を移動させることによって、送給位置の前方において照射位置を移動させる。付加製造装置１は、移動経路６３の折れ曲がり部分では、移動経路６３上にて照射位置を移動させるために、送給位置を移動させる方向に対して照射方向を移動させる方向を変化させる必要がある。付加製造装置１は、このような折れ曲がり部分のように移動方向６４が変化する場合に、加工ヘッド６１を回転させることによって、移動方向６４の変化に追従して照射位置を移動させる。

図１１は、図１０に示す送給位置および照射位置の移動について説明するための図である。図１１では、送給位置へ送給されているワイヤ６の断面と、照射位置におけるレーザビーム５のスポットとを示している。図１１の上段には、移動方向６４において送給位置よりも前方を移動する照射位置が折れ曲がり部分に到達した様子を示している。加工ヘッド６１は、送給位置とともに折れ曲がり部分への移動を続けながら回転する。図１１の中段には、移動方向６４の変化に合わせて照射位置の進行方向を変化させた状態を示している。これにより、付加製造装置１は、移動経路６３に合わせて照射位置を移動させる。

図１１の下段には、送給位置が折れ曲がり部分に到達した様子を示している。送給位置が折れ曲がり部分に到達すると、加工ヘッド６１は、回転を止める。付加製造装置１は、送給位置を移動させる方向の変化に合わせて、加工ヘッド６１を移動させる方向を変化させる。これにより、付加製造装置１は、送給位置を移動させる方向と同じ方向へ照射方向を移動させる。また、付加製造装置１は、照射位置と送給位置とが折れ曲がり部分を通る間において、照射位置と送給位置との間隔を一定に維持することができる。

照射位置が折れ曲がり部分に到達してから、送給位置が折れ曲がり部分に到達するまでにおいて、照射位置の移動速度と送給位置の移動速度とは同じである。付加製造装置１は、加工ヘッド６１の回転における角速度のうち移動方向６４における速度成分「ｒｓｉｎθ／ｔ」が送給位置の移動速度と同じとなるように、加工ヘッド６１の回転を制御する。ここで、「ｒ」は回転半径、「θ」は回転角度、「ｔ」は時間をそれぞれ表す。

制御装置１２の指令生成部３５は、移動方向６４の変化に伴って加工ヘッド６１を回転させるための回転指令を生成する回転指令生成部を有する。回転指令生成部は、生成された回転指令を加工ヘッド６１へ出力する。実施の形態３では、回転指令生成部の図示を省略する。

実施の形態３によると、付加製造装置１は、送給位置を中心とする円の円周方向において照射位置を移動可能とすることによって、移動方向６４の変化に追従して照射位置を移動させる。これにより、付加製造装置１は、送給位置の移動経路６３の前方に照射位置を離して、送給位置と照射位置とを移動させることができる。

実施の形態４．
図１２は、本発明の実施の形態４にかかる付加製造装置が有する制御装置の機能構成を示す図である。実施の形態４にかかる付加製造装置１は、被加工物の温度を測定した結果に基づいて、レーザビーム５の照射による被加工物の加熱を調整する。実施の形態４では、上記の実施の形態１から３と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態１から３とは異なる構成について主に説明する。

付加製造装置１は、被加工物の温度を測定する温度センサ７０を有する。温度センサ７０は、被加工物のうちワイヤ６の送給位置における温度、あるいは、送給位置の移動方向４４，６４において送給位置よりも前方の位置における温度を測定する。温度センサ７０には、放射温度計または赤外線サーモグラフィといった機器を使用できる。

温度センサ７０は、温度の測定結果を指令生成部３５へ出力する。指令生成部３５は、温度センサ７０による測定結果が閾値よりも低い場合に、被加工物へ投入される熱量が増加するように指令を調整する。指令生成部３５は、温度センサ７０による測定結果が閾値よりも高い場合に、被加工物へ投入される熱量が減少するように指令を調整する。閾値は、あらかじめ設定される。

被加工物へ投入される熱量を増加させる場合、レーザ出力を増加させるレーザ出力指令２３をレーザ出力指令生成部３７が生成する。被加工物へ投入される熱量を減少させる場合、レーザ出力を減少させるレーザ出力指令２３をレーザ出力指令生成部３７が生成する。または、被加工物へ投入される熱量を増加させる場合、加工ヘッド４とコンタクトチップ１０との移動を遅らせる軸指令２１を軸指令生成部３６が生成する。被加工物へ投入される熱量を減少させる場合、加工ヘッド４とコンタクトチップ１０との移動を速くする軸指令２１を軸指令生成部３６が生成する。このように、付加製造装置１は、被加工物の温度に基づいて、レーザビーム５の照射による被加工物の加熱を調整する。付加製造装置１は、被加工物の加熱を調整することによって、ビード４１の形成を安定して行うことができる。

実施の形態４によると、付加製造装置１は、被加工物の温度に従って被加工物の加熱を調整することによって、ビード４１を安定して形成することができる。これにより、付加製造装置１は、高精度な造形を行うことができるという効果を奏する。なお、付加製造装置１は、実施の形態３と同様に回転可能な加工ヘッド６１を備える場合において、被加工物の温度を測定した結果に基づいて被加工物の加熱を調整しても良い。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１付加製造装置、２レーザ発振器、３ファイバーケーブル、４，６１加工ヘッド、５レーザビーム、６ワイヤ、７送給機構、８回転モータ、９ワイヤスプール、１０コンタクトチップ、１１ＣＭＴ電源、１２制御装置、１３ヘッド駆動部、１４ガス噴射装置、１５配管、１６ガス、１７回転軸、１８基材、１８ａ表面、１９造形物、２０ステージ、２１軸指令、２２回転指令、２３レーザ出力指令、２４送給指令、２５電源指令、２６ガス供給指令、３１加工プログラム、３２プログラム解析部、３３加工条件テーブル、３４条件設定部、３５指令生成部、３６軸指令生成部、３７レーザ出力指令生成部、３８送給指令生成部、３９電源指令生成部、４０ガス供給指令生成部、４１ビード、４２溶融池、４３領域、４４，６４移動方向、４５アーク、５１処理回路、５２インタフェース、５３外部記憶装置、５４プロセッサ、５５メモリ、６２ビームノズル、６３移動経路、７０温度センサ。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる付加製造装置は、溶融させた材料を積層することによって造形物を製造する。本発明にかかる付加製造装置は、被加工物へ送給される材料を加熱するための電流を材料へ供給する電源と、被加工物へ照射させるビームを発生させるビーム源と、被加工物における材料の送給位置と被加工物におけるビームの照射位置とを移動させる駆動部と、を備える。本発明にかかる付加製造装置は、送給位置の移動経路の前方に照射位置を離して、送給位置と照射位置とを移動させる。ビーム源は、被加工物と材料との間に印加される電圧が上昇したときに、ビームの出力を増加させる。

Claims

溶融させた材料を積層することによって造形物を製造する付加製造装置であって、
被加工物へ送給される前記材料を加熱するための電流を前記材料へ供給する電源と、
前記被加工物へ照射させるビームを発生させるビーム源と、
前記被加工物における前記材料の送給位置と前記被加工物における前記ビームの照射位置とを移動させる駆動部と、
を備え、
前記送給位置の移動経路の前方に前記照射位置を離して、前記送給位置と前記照射位置とを移動させることを特徴とする付加製造装置。
前記ビーム源は、前記被加工物と前記材料との間に印加される電圧が上昇したときに、前記ビームの出力を増加させることを特徴とする請求項１に記載の付加製造装置。
前記ビーム源は、前記被加工物に前記材料が接触したときに、前記ビームの出力を低下させるか前記ビームの出力を停止することを特徴とする請求項１または２に記載の付加製造装置。
前記送給位置を中心とする円の円周方向において前記照射位置を移動可能であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の付加製造装置。
前記被加工物へ向けて前記ビームを出射するビームノズルを有する加工ヘッドを備え、
前記加工ヘッドは、前記円周方向への回転によって前記照射位置を移動させることを特徴とする請求項４に記載の付加製造装置。
前記送給位置の中心と前記照射位置の中心との距離は、前記被加工物における前記ビームのスポット径の１．０倍から２．０倍であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の付加製造装置。
前記被加工物の温度を測定した結果に基づいて、前記ビームの照射による前記被加工物の加熱を調整することを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の付加製造装置。