WO2019098006A1 - 積層造形物の製造方法及び製造装置 - Google Patents

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WO2019098006A1
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雄幹 山崎
藤井　達也
伸志 佐藤
山田　岳史
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株式会社神戸製鋼所
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Definitions

  • the present invention relates to a method and an apparatus for manufacturing a laminate-molded article.
  • a 3D printer for forming a metal material melts metal powder or metal wire using a heat source such as a laser, an electron beam, or an arc, and laminates molten metals to produce a laminate-molded product.
  • the filler material is melted and solidified by the arc to form a weld bead, and the weld bead is laminated in a plurality of layers to produce a laminate-molded article.
  • welding beads are made to adjoin in a plurality of rows, welding bead layers are formed, and if these welding bead layers are repeatedly laminated a plurality of times, it is possible to form a laminate shaped article wider than a laminate of one welding bead. .
  • Patent Document 1 is a technique for forming a single welding bead on a base material, and forming a welding bead anew on another existing welding bead to form a laminate-molded article.
  • the technique of Patent Document 2 in order to always form welding beads of a fixed size, narrow portions in which the bead outer surface is recessed inward are formed between adjacent welding beads. Therefore, when forming a welding bead layer further on a welding bead layer, filling of a filler material becomes inadequate by existence of a narrow part, and there is a possibility that a non-welding part may arise. As a result, welding defects such as blow holes may occur in the finished layered product and desired mechanical strength may not be obtained. In addition, if the shape of the layered product is complicated, the torch may interfere with other portions.
  • the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object thereof is to form an unwelded portion at a narrow portion between adjacent welding beams while preventing torch interference during welding bead lamination. It is an object of the present invention to provide a method and an apparatus for producing a laminate-molded article capable of obtaining a high-quality laminate-molded article while securing a necessary and sufficient amount of penetration so as not to be carried out.
  • the present invention has the following constitution.
  • (1) A laminated molded product in which welding beads obtained by melting and solidifying a filler material are made to be adjacent to each other to form welding bead layers, and welding bead layers of the next layer are repeatedly laminated on the formed welding bead layers.
  • Manufacturing method of A layered structure including a bead forming step of forming a new welding bead so as to fill one recess formed by at least three of the welding beads already formed in a cross section orthogonal to the longitudinal direction of the welding bead Production method.
  • FIG. 1 It is a schematic block diagram of the manufacturing apparatus which manufactures the laminate-molded article of this invention. It is a typical perspective view showing a welding bead layer by which a plurality of linear welding beads were arranged in parallel on a base plate. It is a flowchart which shows the 1st modeling procedure of a laminate-molded article. It is typical explanatory drawing which shows an example of the lamination
  • FIG. 1 is a schematic block diagram of a manufacturing apparatus for manufacturing the laminate-molded article of the present invention.
  • the manufacturing apparatus 100 for a laminate-molded article of the present configuration includes a laminate-molding apparatus 11, a modeling controller 13 that integrally controls the laminate-molding apparatus 11, and a power supply apparatus 15.
  • the layered-modeling apparatus 11 has a welding robot 19 in which a torch 17 is provided at a tip end axis, and a filler material supply unit 21 for supplying a filler material (welding wire) M to the torch 17.
  • a shape detection sensor 23 for detecting the shape of the material to be the layered object may be provided on the tip axis of the welding robot 19.
  • Various known sensors such as a laser sensor and a CCD / CMOS image sensor can be used as the shape detection sensor 23.
  • the welding robot 19 is an articulated robot, and the welding material M is supported so as to be able to be continuously supplied to the torch 17 attached to the tip axis of the robot arm.
  • the position and posture of the torch 17 can be arbitrarily set three-dimensionally in the range of the degree of freedom of the robot arm.
  • the torch 17 has a shield nozzle (not shown), and shield gas is supplied from the shield nozzle.
  • the arc welding method may be any of consumable electrode methods such as coated arc welding and carbon dioxide gas arc welding, and non-consumable electrode methods such as TIG welding and plasma arc welding, and is appropriately selected according to the layered object to be produced. Ru.
  • the contact tip is disposed inside the shield nozzle, and the filler material M to which the melting current is supplied is held by the contact tip.
  • the torch 17 generates an arc from the tip of the filler material M in a shield gas atmosphere while holding the filler material M.
  • the filler material M is fed from the filler material supply unit 21 to the torch 17 by a feeding mechanism (not shown) attached to a robot arm or the like. Then, while the torch 17 is moved, the continuously supplied filler material M is melted and solidified, so that a linear welding bead 53 which is a melted and solidified body of the filler material M is formed on the base plate 51.
  • the heat source for melting the filler material M is not limited to the above-described arc.
  • heat sources using other methods such as a heating method using an arc and a laser in combination, a heating method using a plasma, a heating method using an electron beam or a laser, etc. may be adopted.
  • the amount of heating can be controlled more finely, and the state of the weld bead can be maintained more properly, which can contribute to further quality improvement of the laminated structure.
  • the formation controller 13 has a CAD / CAM unit 31, a trajectory calculation unit 33, a storage unit 35, and a control unit 37 to which these are connected.
  • the control unit 37 includes a drive unit 41 for driving the power supply device 15 and the welding robot 19, a recess detection unit 43 whose details will be described later, a torch posture setting unit 45, and a bead size change unit 47.
  • the CAD / CAM unit 31 inputs or creates shape data (such as CAD data) of the layered object to be produced, and cooperates with the trajectory calculation unit 33 to laminate welding beads representing the forming procedure of the layered object. Generate a model. That is, the shape data is divided into a plurality of layers, and layer shape data representing the shape of each layer is generated. Then, the movement locus of the torch 17 is determined based on the layer shape data of the generated layered model.
  • the CAD / CAM unit 31 generates a drive program of the welding robot 19 and the power supply device 15 that move the torch 17 to form a welding bead based on the generated layer shape data and data such as the movement trajectory of the torch 17 and the like. .
  • the various data such as the generated drive program is stored in the storage unit 35.
  • the control unit 37 executes the drive program stored in the storage unit 35 to drive the welding robot 19, the power supply device 15, and the like. That is, the welding robot 19 moves the torch along the trajectory of the torch 17 generated by the trajectory calculation unit 33 according to a command from the formation controller 13, and melts the metal material M with an arc to obtain the base plate 51.
  • the welding bead 53 is formed on the top.
  • the base plate 51 is made of a metal plate such as a steel plate, and basically, one larger than the bottom surface (the surface of the lowermost layer) of the layered object is used.
  • the base plate 51 is not limited to a plate shape, and may be a base of another shape such as a block or a rod.
  • any commercially available welding wire can be used.
  • any commercially available welding wire can be used.
  • JIS Z 3312 specified by MAG welded and MIG welded solid wire (JIS Z 3312) for mild steel, high tensile steel and low temperature steel, arc welded flux-cored wire for mild steel, high tensile steel and low temperature steel (JIS Z 3313), etc. Wire can be used.
  • the welding bead layer 55 of the first layer formed on the base plate 51 is composed of a plurality of rows of welding beads 53.
  • the welding bead 53 has a cross-sectional shape which generally bulges upward, as schematically shown in FIG.
  • the welding beads 53 are formed in a linear shape with a predetermined width W being separated from each other, so a narrowing portion 57 recessed from the top of the welding beads 53 is formed between the welding beads 53.
  • the welding bead when forming a welding bead layer newly on the welding bead layer 55 already formed, the welding bead is made of a welding bead so that a narrow narrow part does not occur. Change the size. Thereby, at the time of formation of the welding bead layer of the next layer, the non-welding part by a narrow part will not arise, and it can prevent that defects, such as a blowhole, generate
  • FIG. 4 is a schematic explanatory view showing an example of the layered model 61 generated from shape data.
  • weld beads (bead imaginary lines 65) are sequentially arranged from the lower layer toward the upper layer, and include the outline 63 of the laminated object shown by dotted lines in the figure.
  • welding beads are laminated.
  • the layering model 61 is analytically obtained from an input algorithm based on an appropriate algorithm so that layers can be efficiently stacked based on various conditions such as the shape, material, heat input and the like from the input shape data. Thereby, the trajectory (movement trajectory) of the torch 17 is obtained (S12).
  • the CAD / CAM unit 31 generates a drive program based on various data such as the track of the torch 17, the formation start position and end position of the welding bead, various welding conditions, and the like (S13).
  • the control unit 37 executes the generated drive program to drive each part such as the welding robot 19 and the power supply device 15 to form a weld bead (S14).
  • the drive program may be generated by another computer device connected to the formation controller 13 via a cable, a communication, or a recording medium, in addition to the generation by the formation controller 13 as described above. .
  • the position and attitude of the torch 17 are controlled, and an arc is generated while supplying the shielding gas G to form the welding bead 54 on the welding bead layer 55 of the primary layer.
  • the welding bead 54 is formed with the narrow portion 57 of the welding bead layer 55 of the first layer as the target position.
  • FIG. 6 is a schematic enlarged view showing a recess 66 formed by the welding bead of FIG.
  • the welding bead 54 is formed with the narrowing portion 57 between the adjacent pair of welding beads 53A and 53B in the welding bead layer 55 of the first layer as a target position.
  • the control unit 37 recognizes the shape of one concave portion 66 formed by the three welding beads 54, 53B, 53C already formed based on the shape detection data detected from the shape detection sensor 23 (S16) .
  • the bead size of the new welding bead and the posture of the torch 17 are changed as necessary so as to fill the recess 66 (S17).
  • a new welding bead 54A (see FIG. 7), in which the setting of the bead size and the posture of the torch 17 are appropriately changed, is formed (S18).
  • the recess 66 in the illustrated example is formed by the three welding beads 54, 53B and 53C, it may be a recess formed by further including another welding bead.
  • the new welding bead 54A which fills the recess 66 is specifically formed as follows.
  • the boundary between the outer surface of welding bead 54 and the outer surface of welding bead 53B is Pc (the boundary on the right side of welding bead 54 in the figure), and the tangent of the outer surface of welding bead 53B at boundary Pc is The tangent of the outer surface of the welding bead 54 at L1 and the boundary Pc is L2.
  • an angle formed by the tangents L1 and L2 is ⁇ , and a bisector of the angle ⁇ is N.
  • FIG. 7 is process explanatory drawing which shows typically a mode that the following welding bead 54A is formed.
  • the direction of the torch axis of the torch 17 is set in the same direction as the straight line N by the torch posture setting unit 45 (see FIG. 1).
  • the torch axis may not be completely constant with the straight line N, and may be, for example, in the range of the straight line N to ⁇ 40 °, preferably ⁇ 20 °, more preferably ⁇ 10 ° around the boundary Pc.
  • the target position for forming the welding bead 54A is not limited to the boundary Pc, and may be a narrow portion 57A (see FIG. 6) between the welding bead 53B and the welding bead 53C. That is, any boundary between the three welding beads 54, 53B and 53C already formed may be set at the target position where the new welding bead 54A is to be formed.
  • FIG. 8A is a sectional view in the state in which the bead size of the welding bead 54A to be newly formed is too small
  • FIG. 8B is a laminated body in the middle of laminating, and the welding to be newly formed. It is a sectional view in the state where bead size of bead 54A is appropriate.
  • a narrowing portion 67 is formed between the weld bead 54A and the weld bead 53C at a position where the outer surface of the weld bead 54A contacts the weld bead 53B.
  • the narrowing portion 67 is formed as a depressed portion in which the outer surfaces of the welding beads 54A and 53C are close, and in particular, narrowed. If the next welding bead is formed next while leaving the narrow portion 67, the narrow portion 67 is likely to be a non-welded portion, and there is a possibility that a blowhole may be generated in the completed layered product.
  • the welding bead 54A is formed so as to completely cover the exposed outer surface of the welding bead 53B and to reach the next welding bead 53C.
  • the narrowing portion 67 shown in FIG. 8A is filled with the welding bead 54A.
  • a narrowing portion 69 is formed between the welding bead 54A and the welding bead 53C, but the narrowing portion 69 has a reduced degree of narrowing as compared to the narrowing portion 67 described above, and is formed in the welding bead layer 55 of the first layer. And the narrow portion 57. Therefore, even if the next welding bead is formed adjacent to the welding bead 54A, a good welding bead can be formed without producing an unwelded portion.
  • the welding conditions such as increasing the supply speed of the filler metal M, the welding voltage, etc., decreasing the moving speed of the torch 17 are changed. Just do it.
  • the control unit 37 estimates this welding condition based on the recognition result of the recess shape by the recess detection unit 43 using a predetermined table or an arithmetic expression so that the narrowing portion 67 shown in FIG. 8A can be reliably filled. Do. Then, the welding bead 54A is formed with the estimated bead size.
  • the control of this bead size change is basically feed forward control, but the detection portion of the shape detection sensor 23 is provided on the front in the bead formation direction, and the detection position of the concave shape reaches the formation position of the welding bead If it is processed within the time of, it is possible to change the bead size of the welding bead substantially in real time.
  • FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of a layered object formed by the apparatus for producing a layered object.
  • the narrowing portion (the narrowing portion 67 in FIG. 8A) having a particularly high degree of narrowing is not formed. Therefore, a good laminate-shaped article 71 can be obtained without generation of blow holes from the lowermost layer to the uppermost layer on the base plate 51 side in the welding bead layer. Therefore, the laminate-molded product 71 becomes a good-shaped product with uniform mechanical properties with reduced strength reduction, and can be applied particularly to machine structural parts that require strength.
  • the welding beam is formed while detecting the shape by the shape detection sensor 23, even if an unexpected shape change occurs in the design on the welding beam already formed, the shape after the shape change is obtained. Based on the beam size and torch attitude of the new welding beam is set. Therefore, a proper welding beam can always be formed, and high-quality laminate-molded articles can be shaped stably.
  • FIG. 10 is a flow chart showing a second shaping procedure of the layered object.
  • shape data (CAD data etc.) of the layered object is input to the control unit 37 shown in FIG. 1 (S21).
  • the control unit 37 generates, based on the input shape data, the laminated model of the welding bead representing the formation procedure of the layered object and the movement trajectory of the torch 17 in the same manner as the first formation procedure described above (S22) .
  • the shape of the formed recess is estimated from the generated layered model, and the bead size of the weld bead is changed as necessary so that the estimated recess shape is filled with the weld bead. Ru. Therefore, it is not necessary to detect the shape of the welding bead one by one, and only control of the welding robot 19 and the power supply device 15 is performed as preset. Therefore, formation of a welding bead can be easily performed by a batch process, and a laminate model can be manufactured with high efficiency.
  • Manufacturing method of A layered structure including a bead forming step of forming a new welding bead so as to fill one recess formed by at least three of the welding beads already formed in a cross section orthogonal to the longitudinal direction of the welding bead Production method.
  • the boundary between any of the at least three welding beads already formed is set as a target position for forming the new welding bead, according to (1) or (2).
  • Method of manufacturing a shaped object According to the method of manufacturing the layered object, since the new weld bead is formed with the boundary between the weld bead layers in the recess as the target position, the weld bead can be efficiently formed from the bottom of the recess, and the recess is formed. Can be evenly and evenly distributed.
  • the torch axial direction of the torch for supporting the melting material and melting the tip of the melting material is one of a pair of welding beads adjacent to each other at the boundary set at the target position.
  • this method for manufacturing a layered object by forming the torch axial direction of the torch as a bisector of the angle between tangents, bead formation can be efficiently performed while preventing interference with the torch.
  • (6) a step of inputting shape data of the layered object Generating a layered model of the welding bead representing a forming procedure of the layered object based on the shape data; Extracting the recess from the layered model; Estimating a bead size in which the concave portion of the welding bead formed in the concave portion is buried, and making the welding bead the bead size estimated to regenerate the laminated model.
  • the method for producing a layered object according to any one of (1) to (4), wherein the bead forming step forms the welding bead based on the regenerated layered model. According to the manufacturing method of the layered object, since the bead size is analytically obtained from the layered model, the formation of the welding bead can be performed by a predetermined batch process, and robot control and the like can be easily performed.
  • the particularly narrowed portion between the adjacent beads in the recess formed by the at least three welding beads already formed is reliably filled with the new welding bead. Thereby, when forming a welding bead next, it can prevent that a non-welding part arises, and can improve the quality of a laminate-molded article.
  • the torch moving mechanism is a multi-axis robot.
  • the torch can be directed in any direction by the multi-axis robot, and the degree of freedom in forming the weld bead is improved.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and those skilled in the art can change or apply the components of the embodiment in combination with one another, based on the description of the specification, and based on known techniques. It is also the intention of the present invention to be included in the scope for which protection is sought.

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Abstract

溶着ビードの積層途中におけるトーチの干渉を防止しつつ、隣接する溶着ビーム同士の間の狭隘部に未溶着部が形成されないように必要十分な溶け込み量を確保して、高品質な積層造形物を得ることができる積層造形物の製造方法及び製造装置を提供する。積層造形物の製造方法は、溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードを互いに隣接させて溶着ビード層を形成し、形成された溶着ビード層に次層の溶着ビード層を繰り返し積層して造形する。溶着ビードの長手方向に直交する断面において、既に形成された少なくとも３つの溶着ビードにより形成される一つの凹部を埋めるように、新たな溶着ビードを形成する。

Description

積層造形物の製造方法及び製造装置
　本発明は、積層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３Ｄプリンタを用いた造形のニーズが高まっており、金属材料を用いた造形の実用化に向けて研究開発が進められている。金属材料を造形する３Ｄプリンタは、レーザや電子ビーム、更には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ることで積層造形物を作製する。
　例えば、アークを用いる場合には、アークにより溶加材を溶融及び凝固させて溶着ビードを形成し、この溶着ビードを複数層に積層することで積層造形物を作製する。その場合、溶着ビードを複数列状に隣接させて溶着ビード層を形成し、この溶着ビード層を複数回繰り返し積層すれば、１本の溶着ビードの積層体よりも幅広な積層造形物を造形できる。
　溶着ビードを形成する技術に関して、肉盛溶接においては、既設の溶着ビードと母材の接触角を測定し、測定された接触角に応じてトーチを傾斜させて肉盛溶接を行う技術が特許文献１に記載されている。また、溶着ビードを用いた三次元形状物の製造方法において、肉盛りトーチを傾斜させて走査することで、溶融金属をたれ難くする技術が特許文献２に記載されている。
日本国特開２０１５－１８２０８３号公報 日本国特開２００３－２６６１７４号公報
　しかし、特許文献１の肉盛溶接では、母材上に一層の溶着ビードを形成する技術であって、他の既設の溶着ビード上に新たに溶着ビードを形成して積層造形物を造形することに関しては記載がない。また、引用文献２の技術では、常に一定サイズの溶着ビードを形成するため、隣接する溶着ビード同士の間には、ビード外表面が内側に窪んだ狭隘部が形成される。そのため、溶着ビード層の上に溶着ビード層を更に形成する際に、狭隘部の存在によって溶加材の充填が不十分となり、未溶着部を生じるおそれがある。その結果、完成した積層造形物にブローホール等の溶接欠陥が生じ、所望の機械的強度が得られないことがある。また、積層造形物の形状が複雑になると、トーチが他の部位に干渉するおそれもある。
　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、溶着ビードの積層途中におけるトーチの干渉を防止しつつ、隣接する溶着ビーム同士の間の狭隘部に未溶着部が形成されないように必要十分な溶け込み量を確保して、高品質な積層造形物を得ることができる積層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互いに隣接させて溶着ビード層を形成し、該形成された溶着ビード層に次層の溶着ビード層を繰り返し積層して造形する積層造形物の製造方法であって、
　前記溶着ビードの長手方向に直交する断面において、既に形成された少なくとも３つの前記溶着ビードにより形成される一つの凹部を埋めるように、新たな溶着ビードを形成するビード形成工程を含む積層造形物の製造方法。（２）溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードを互いに隣接させて溶接ビード層を形成し、該形成された溶着ビード層に次層の溶着ビード層を繰り返し積層して造形する積層造形物の製造装置であって、
　前記溶加材を支持して該溶加材の先端を溶融させるトーチと、
　前記トーチの姿勢と位置を変更するトーチ移動機構と、
　前記の積層造形物の製造方法に基づいて前記溶着ビードを形成させる制御部と、
を備える積層造形物の製造装置。
　本発明によれば、溶着ビードの積層途中におけるトーチの干渉を防止しつつ、隣接する溶着ビーム同士の間の狭隘部に未溶着部が形成されないように必要十分な溶け込み量を確保して、高品質な積層造形物を得ることができる。
本発明の積層造形物を製造する製造装置の概略構成図である。 ベースプレート上に複数の線状の溶着ビードが並設された溶着ビード層を示す模式的な斜視図である。 積層造形物の第１の造形手順を示すフローチャートである。 形状データから生成される積層モデルの一例を示す模式的な説明図である。 ベースプレートの初層の溶着ビード層の上に２層目の溶着ビードを形成する様子を示す模式的な工程説明図である。 図５の溶着ビードにより形成された凹部を示す概略拡大図である。 ビードサイズやトーチの姿勢を適宜変更して新たな溶着ビードを形成する様子を模式的に示す工程説明図である。 積層途中の積層造形物であって、新たに形成する溶着ビードのビードサイズが過小である状態の断面図である。 積層途中の積層造形物であって、新たに形成する溶着ビードのビードサイズが適正である状態の断面図である。 積層造形物の製造装置により造形される積層造形物の概略断面図である。 積層造形物の第２の造形手順を示すフローチャートである。
　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は本発明の積層造形物を製造する製造装置の概略構成図である。
　本構成の積層造形物の製造装置１００は、積層造形装置１１と、積層造形装置１１を統括制御する造形コントローラ１３と、電源装置１５と、を備える。
　積層造形装置１１は、先端軸にトーチ１７が設けられた溶接ロボット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２１とを有する。なお、溶接ロボット１９の先端軸には、積層造形物となる材料の形状を検出する形状検出センサ２３が設けられていてもよい。形状検出センサ２３としては、レーザセンサ、ＣＣＤ／ＣＭＯＳイメージセンサ等、各種公知のセンサが利用できる。
　溶接ロボット１９は、多関節ロボットであり、ロボットアームの先端軸に取り付けたトーチ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。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、作製する積層造形物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２１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５１上に溶加材Ｍの溶融凝固体である線状の溶着ビード５３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。
　造形コントローラ１３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。
　制御部３７は、電源装置１５や溶接ロボット１９を駆動する駆動部４１と、詳細を後述する凹部検出部４３、トーチ姿勢設定部４５、ビードサイズ変更部４７とを備える。
　ＣＡＤ／ＣＡＭ部３１は、作製しようとする積層造形物の形状データ（ＣＡＤデータ等）を入力又は作成し、軌道演算部３３と協働して、積層造形物の造形手順を表す溶着ビードの積層モデルを生成する。つまり、形状データを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。そして、生成された積層モデルの層形状データに基づいてトーチ１７の移動軌跡を決定する。ＣＡＤ／ＣＡＭ部３１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に基づいて、トーチ１７を移動させて溶着ビードを形成する溶接ロボット１９及び電源装置１５の駆動プログラムを生成する。生成された駆動プログラム等の各種データは記憶部３５に記憶される。
　制御部３７は、記憶部３５に記憶された駆動プログラムを実行して、溶接ロボット１９や電源装置１５等を駆動する。つまり、溶接ロボット１９は、造形コントローラ１３からの指令により、軌道演算部３３で生成されたトーチ１７の軌道軌跡に沿ってトーチを移動させるとともに、溶加材Ｍをアークで溶融させて、ベースプレート５１上に溶着ビード５３を形成する。
　ベースプレート５１は、鋼板等の金属板からなり、基本的には積層造形物の底面（最下層の面）より大きいものが使用される。なお、ベースプレート５１は、板状に限らず、ブロック体や棒状等、他の形状のベースであってもよい。
　溶加材Ｍとしては、あらゆる市販の溶接ワイヤを用いることができる。例えば、軟鋼，高張力鋼及び低温用鋼用のマグ溶接及びミグ溶接ソリッドワイヤ（ＪＩＳ　Ｚ　３３１２）、軟鋼，高張力鋼及び低温用鋼用アーク溶接フラックス入りワイヤ（ＪＩＳ　Ｚ　３３１３）等で規定されるワイヤを用いることができる。
　上記構成の積層造形物の製造装置１００は、図２に一例を示すように、ベースプレート５１上に複数の線状の溶着ビード５３を互いに隣接させて溶着ビード層５５を形成する。この溶着ビード層５５の上に、更に次層の溶着ビード層を積層することを繰り返すことで、積層造形物を造形する。
　ベースプレート５１上に形成される初層の溶着ビード層５５は、複数列の溶着ビード５３から構成される。溶着ビード５３は、図２に模式的に示すように、概ね上方に膨らむ断面形状を有する。溶着ビード５３は、互いに所定幅Ｗを離間させて線状に形成されるため、溶着ビード５３同士の間には、溶着ビード５３の頂部から窪んだ狭隘部５７が形成される。
　溶着ビード５３同士の間に狭隘部５７が存在すると、上層の溶着ビード層を積層する際、新たに形成する溶着ビード５３内に未溶着部が生じやすくなる。そのため、完成した積層造形物にブローホールが生じることがある。
　そこで、本構成の積層造形物の製造装置１００においては、既に形成した溶着ビード層５５の上に、新たに溶着ビード層を形成する際に、特に狭い狭隘部が生じないように、溶着ビードのサイズを変更する。これにより、次層の溶着ビード層の形成時には、狭隘部による未溶着部が生じなくなり、積層造形物にブローホール等の欠陥が発生することを未然に防止できる。
　ここで、上記した狭隘部における未溶着を解消しつつ溶着ビードを形成する手順を詳細に説明する。
＜第１の積層造形物の造形手順＞
　図３は第１の積層造形物の造形手順を示すフローチャートである。以下、図３のフローチャートに基づいて本手順を順次説明する。
　まず、図１に示す制御部３７に、積層造形物の形状データ（ＣＡＤデータ等）を入力する（Ｓ１１）。制御部３７は、入力された形状データに基づいて、積層造形物の造形手順を表す溶着ビードの積層モデルを生成する。
　図４は形状データから生成される積層モデル６１の一例を示す模式的な説明図である。
　積層モデル６１は、図中矢印で示すように、下層から上層に向けて順次に溶着ビード（ビード仮想線６５）を配置し、図中点線で示す積層造形物の外形線６３を内含するように、溶着ビードを積層させたモデルである。この積層モデル６１は、入力された形状データから、その形状、材質、入熱量等の諸条件に基づいて、効率よく積層できるように、適宜なアルゴリズムに基づいて解析的に求められる。これにより、トーチ１７の軌道（移動軌跡）が求められる（Ｓ１２）。
　そして、ＣＡＤ／ＣＡＭ部３１は、求めたトーチ１７の軌道、溶着ビードの形成開始位置や終了位置、種々の溶接条件等、各種データに基づいて、駆動プログラムを生成する（Ｓ１３）。
　制御部３７は、生成された駆動プログラムを実行して溶接ロボット１９や電源装置１５等の各部を駆動し、溶着ビードを形成させる（Ｓ１４）。なお、駆動プログラムは、上記のように造形コントローラ１３で生成する以外にも、造形コントローラ１３にケーブルや通信、又は記録媒体を介して接続される他のコンピュータ装置によって生成したものであってもよい。
　図５はベースプレート５１の初層の溶着ビード層５５の上に２層目の溶着ビード５４を形成する様子を示す模式的な工程説明図である。
　制御部３７は、駆動プログラムに従って、まず、ベースプレート５１上に溶着ビード５３を互いに隣接させて複数列状に形成する。これにより、初層の溶着ビード層５５が形成される。
　次いで、駆動プログラムに従って、トーチ１７を位置と姿勢を制御するとともに、シールドガスＧを供給しながらアークを発生させ、初層の溶着ビード層５５の上に溶着ビード５４を形成する。図示例の場合は、初層の溶着ビード層５５の狭隘部５７を目標位置として溶着ビード５４を形成している。
　２層目の溶着ビード５４を形成する際、溶接ロボット１９の先端軸に設けた形状検出センサ２３により、次に溶着ビードを形成する位置の周囲の形状を検出する（Ｓ１５）。
　図６は図５の溶着ビードにより形成された凹部６６を示す概略拡大図である。
　溶着ビード５４は、初層の溶着ビード層５５における、隣接する一対の溶着ビード５３Ａ，５３Ｂ同士の間の狭隘部５７を目標位置にして形成される。このとき、制御部３７は、形状検出センサ２３から検出された形状検出データにより、既に形成された３つの溶着ビード５４，５３Ｂ，５３Ｃにより形成される一つの凹部６６の形状を認識（Ｓ１６）する。そして、この凹部６６を埋めるように、新たな溶着ビードのビードサイズと、トーチ１７の姿勢とを必要に応じて変更する（Ｓ１７）。次いで、ビードサイズの設定やトーチ１７の姿勢を適宜変更した新たな溶着ビード５４Ａ（図７参照）を形成する（Ｓ１８）。
　なお、図示例の凹部６６は、３つの溶着ビード５４，５３Ｂ，５３Ｃにより形成されるが、更に他の溶着ビードを含んで形成された凹部であってもよい。
　ここで、凹部６６を埋める新たな溶着ビード５４Ａは、具体的には次のようにして形成する。
　図６に示すように、溶着ビード５４の外表面と溶着ビード５３Ｂの外表面との境界をＰｃ（溶着ビード５４の図中右側の境界）とし、境界Ｐｃにおける溶着ビード５３Ｂの外表面の接線をＬ１、境界Ｐｃにおける溶着ビード５４の外表面の接線をＬ２とする。また、接線Ｌ１とＬ２とのなす角をθとし、角θの二等分線をＮとする。
　溶着ビード５４に隣接させて形成する次の溶着ビードは、境界Ｐｃを目標位置として形成する。図７は次の溶着ビード５４Ａを形成する様子を模式的に示す工程説明図である。
　図７に示すように、次の溶着ビードを形成する際、トーチ１７のトーチ軸線の向きは、トーチ姿勢設定部４５（図１参照）によって、直線Ｎと同じ方向に設定される。トーチ軸線は、直線Ｎと完全に一定しなくてもよく、例えば、境界Ｐｃを中心に直線Ｎから±４０°、好ましくは±２０°、更に好ましくは±１０°の範囲とすることもできる。この範囲内であれば、トーチ１７が周囲の溶着ビード等と干渉することなく、良好な溶着ビードを形成できる。なお、溶着ビード５４Ａを形成する目標位置は、境界Ｐｃにすることに限らず、溶着ビード５３Ｂと溶着ビード５３Ｃとの間の狭隘部５７Ａ（図６参照）にしてもよい。つまり、既に形成された３つの溶着ビード５４，５３Ｂ，５３Ｃ同士のいずれかの境界を、新たな溶着ビード５４Ａを形成する目標位置にすればよい。
　また、制御部３７は、ビードサイズ変更部４７により、新たな溶着ビード５４Ａのビードサイズを必要に応じて変更する。
　図８Ａは積層途中の積層造形物であって、新たに形成する溶着ビード５４Ａのビードサイズが過小である状態の断面図、図８Ｂは積層途中の積層造形物であって、新たに形成する溶着ビード５４Ａのビードサイズが適正である状態の断面図である。
　図８Ａに示す溶着ビード５４Ａの場合、溶着ビード５４Ａの外表面が溶着ビード５３Ｂに接する位置で、溶着ビード５４Ａと溶着ビード５３Ｃとの間に狭隘部６７が生じる。この狭隘部６７は、溶着ビード５４Ａ，５３Ｃの外表面が接近しており、特に狭窄された窪みとして形成される。この狭隘部６７を残したまま次の溶着ビードを隣に形成すると、狭隘部６７が未溶着部となりやすく、完成した積層造形物にブローホールを生じさせるおそれがある。
　そこで、図８Ｂに示すように、溶着ビード５４Ａを、溶着ビード５３Ｂの表出した外表面を完全に覆い、隣の溶着ビード５３Ｃに到達するまで形成する。これによれば、図８Ａに示す狭隘部６７が溶着ビード５４Ａによって埋められる。その場合、溶着ビード５４Ａと溶着ビード５３Ｃとの間に狭隘部６９が生じるが、狭隘部６９は、前述の狭隘部６７と比較すると狭窄度合いが緩和され、初層の溶着ビード層５５に形成された狭隘部５７と同程度のものになる。したがって、溶着ビード５４Ａに隣接させて次の溶着ビードを形成しても、未溶着部を生じることなく、良好な溶着ビードを形成できる。
　溶着ビード５４Ａを図８Ｂに示すビードサイズまで形成するには、例えば、溶加材Ｍの供給速度や溶接電圧等を増加させること、トーチ１７の移動速度を低下させること等の溶接条件を変更すればよい。制御部３７は、この溶接条件を、凹部検出部４３による凹部形状の認識結果に基づいて、図８Ａに示す狭隘部６７が確実に埋められるように、予め定めたテーブルや演算式を用いて推定する。そして、推定されたビードサイズで溶着ビード５４Ａを形成する。
　このビードサイズ変更の制御は、基本的にフィードフォーワード制御であるが、形状検出センサ２３の検出部位をビード形成方向の前方に設け、凹部形状の検出位置が溶着ビードの形成位置に到達するまでの時間内で処理すれば、実質的にリアルタイムで溶着ビードのビードサイズの変更が行える。
　以上のＳ１４～Ｓ１８までの工程を、全軌道が終了するまで繰り返し行う（Ｓ１９）。全軌道を終了したら、溶着ビームの形成を停止して、溶接ロボット１９を初期の待機位置まで移動させる。これにより、溶着ビードを常に適正なビードサイズにして形成した、未溶着部のない、高品位な積層造形物が得られる。
　図９は積層造形物の製造装置により造形される積層造形物の概略断面図である。
　本構成の積層造形物の製造装置１００によれば、図９に一例として示すように、特に狭窄度合いの高い狭隘部（図８Ａの狭隘部６７）が形成されることがない。よって、溶着ビード層にはベースプレート５１側の最下層から最上層まで、ブローホールが発生することなく、良好な積層造形物７１が得られる。したがって、積層造形物７１は、強度低下の抑制された、均質な機械的特性となる良好な造形物となり、特に強度が必要な機械構造部品に対しても、適用可能となる。
　また、本構成によれば、形状検出センサ２３により形状を検出しながら溶着ビームを形成するため、既に形成された溶着ビームに設計上予期できない形状変化が生じていても、形状変化後の形状に基づいて新たな溶着ビームのビームサイズやトーチ姿勢を設定する。そのため、常に適正な溶着ビームを形成でき、高品位な積層造形物を安定して造形できる。
＜積層造形物の第２の造形手順＞
　次に積層造形物の第２の造形手順を説明する。
　図１０は積層造形物の第２の造形手順を示すフローチャートである。
　まず、図１に示す制御部３７に、積層造形物の形状データ（ＣＡＤデータ等）を入力する（Ｓ２１）。制御部３７は、入力された形状データに基づいて、積層造形物の造形手順を表す溶着ビードの積層モデルやトーチ１７の移動軌跡を、前述した第１の造形手順と同様に生成する（Ｓ２２）。
　そして、制御部３７は、生成した積層モデルから、溶着ビードを形成する目標位置の周囲における溶着ビード形状を認識する。つまり、図６に示すように、既に形成された３つの溶着ビード５４，５３Ｂ，５３Ｃにより形成される凹部６６の形状を、初層の溶着ビード層５５より上の２層目以降における全軌道に対して認識する（Ｓ２３）。
　この凹部６６を埋めるように、新たな溶着ビードのビードサイズと、トーチ１７の姿勢とを必要に応じて変更する（Ｓ２４）。そして、ビードサイズやトーチ１７の姿勢を適宜変更して新たな溶着ビードを想定し、積層モデルを再生成する（Ｓ２５）。
　次に、制御部３７は、再生成された積層モデルに基づいて、駆動プログラムを生成し（Ｓ２６）、この駆動プログラムを実行して、溶接ロボット１９や電源装置１５等の各部を駆動し、溶着ビードを形成させる（Ｓ２７）。
　以上のＳ２７の工程を、全軌道が終了するまで繰り返し行う（Ｓ２８）。全軌道を終了したら、溶着ビームの形成を停止して、溶接ロボット１９を初期の待機位置まで移動させる。これにより、溶着ビードを常に適正なビードサイズにして形成した、未溶着部のない、高品位な積層造形物が得られる。
　この造形手順によれば、生成された積層モデルから、形成される凹部の形状を推定し、推定された凹部形状が溶着ビードで埋められるように、溶着ビードのビードサイズが必要に応じて変更される。そのため、逐一、溶着ビードの形状を検出する必要がなくなり、予め設定された通りに溶接ロボット１９や電源装置１５の制御するだけになる。よって、溶着ビードの形成がバッチ処理で簡単に行え、高効率で積層造形物を製造できる。
　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互いに隣接させて溶着ビード層を形成し、該形成された溶着ビード層に次層の溶着ビード層を繰り返し積層して造形する積層造形物の製造方法であって、
　前記溶着ビードの長手方向に直交する断面において、既に形成された少なくとも３つの前記溶着ビードにより形成される一つの凹部を埋めるように、新たな溶着ビードを形成するビード形成工程を含む積層造形物の製造方法。
　この積層造形物の製造方法によれば、既に形成された少なくとも３つの溶着ビードにより形成される一つの凹部における、隣接するビード間の特に狭窄された部位が、新たな溶着ビードによって確実に埋められる。これにより、次に溶着ビードを形成する際に、未溶着部が生じることを防止でき、積層造形物の品質を向上できる。
（２）　前記ビード形成工程は、前記新たな溶着ビードのビードサイズを、前記凹部が埋まるように変更する（１）に記載の積層造形物の製造方法。
　この積層造形物の製造方法によれば、新たな溶着ビードのビードサイズを変更することにより、１回の溶着ビードの形成で凹部を確実に埋めることができる。
（３）　前記ビード形成工程は、前記既に形成された少なくとも３つの溶着ビード同士のいずれかの境界を、前記新たな溶着ビードを形成する目標位置にする（１）又は（２）に記載の積層造形物の製造方法。
　この積層造形物の製造方法によれば、新たな溶着ビードを、凹部の溶着ビード層同士のいずれかの境界を目標位置にして形成するため、凹部の底部から効率よく溶着ビードを形成でき、凹部を偏りなく均等に埋めることができる。
（４）　前記ビード形成工程は、前記溶加材を支持して該溶加材の先端を溶融させるトーチのトーチ軸方向を、前記目標位置に設定された境界で隣接する一対の溶着ビードの一方の接線と他方の接線とがなす角の二等分線に合わせ、前記溶着ビードを形成する（３）に記載の積層造形物の製造方法。
　この積層造形物の製造方法によれば、トーチのトーチ軸方向を接線同士のなす角の二等分線にすることで、トーチとの干渉を防止しつつ、ビード形成が効率よく行える。
（５）　前記凹部の周囲の形状を、形状検出センサにより検出する工程と、
　検出された前記凹部の形状検出データを用いて、前記新たな溶着ビードの前記凹部が埋まるビードサイズを推定する工程と、を有し、
　前記ビード形成工程は、推定された前記ビードサイズの前記新たな溶着ビードを前記凹部に形成する（１）～（４）のいずれか一つに記載の積層造形物の製造方法。
　この積層造形物の製造方法によれば、形状検出センサにより検出された凹部の周囲の形状から、ビードサイズを推定するため、既に形成された溶着ビードの形状に適切なビードサイズが得られる。
（６）　前記積層造形物の形状データを入力する工程と、
　前記形状データに基づいて、前記積層造形物の造形手順を表す前記溶着ビードの積層モデルを生成する工程と、
　前記積層モデルから前記凹部を抽出する工程と、
　前記凹部に形成される溶着ビードの前記凹部が埋まるビードサイズを推定し、当該溶着ビードを前記推定したビードサイズにして前記積層モデルを再生成する工程と、を有し、
　前記ビード形成工程は、再生成された前記積層モデルに基づいて前記溶着ビードを形成する（１）～（４）のいずれか一つに記載の積層造形物の製造方法。
　この積層造形物の製造方法によれば、積層モデルから解析的にビードサイズを求めるため、溶着ビードの形成を予め決定したバッチ処理で行え、ロボット制御等が簡単に行える。
（７）　溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードを互いに隣接させて溶接ビード層を形成し、該形成された溶着ビード層に次層の溶着ビード層を繰り返し積層して造形する積層造形物の製造装置であって、
　前記溶加材を支持して該溶加材の先端を溶融させるトーチと、
　前記トーチの姿勢と位置を変更するトーチ移動機構と、
　（１）～（６）のいずれか一項に記載の積層造形物の製造方法に基づいて前記溶着ビードを形成させる制御部と、を備える積層造形物の製造装置。
　この積層造形物の製造装置によれば、既に形成された少なくとも３つの溶着ビードにより形成される凹部における、隣接するビード間の特に狭窄された部位が、新たな溶着ビードによって確実に埋められる。これにより、次に溶着ビードを形成する際に、未溶着部が生じることを防止でき、積層造形物の品質を向上できる。
（８）　前記トーチ移動機構は、多軸ロボットである（７）に記載の積層造形物の製造装置。
　この積層造形物の製造装置によれば、多軸ロボットによりトーチを任意の方向に向けることができ、溶着ビードの形成自由度が向上する。
　このように、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。
　本出願は、２０１７年１１月１４日出願の日本特許出願（特願２０１７－２１９４８３）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
　１１　積層造形装置
　１３　造形コントローラ
　１７　トーチ
　１９　溶接ロボット（多軸ロボット）
　２３　形状検出センサ
　３７　制御部
　４３　凹部検出部
　４５　トーチ姿勢設定部
　４７　ビードサイズ変更部
　５３，５４，５４Ａ　溶着ビード
　５５，５６　溶着ビード層
　５７，５７Ａ，６７　狭隘部
　６１　積層モデル
　６６　凹部
１００　積層造形物の製造装置

Claims (14)

  1. 　溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードを互いに隣接させて溶着ビード層を形成し、該形成された溶着ビード層に次層の溶着ビード層を繰り返し積層して造形する積層造形物の製造方法であって、
    　前記溶着ビードの長手方向に直交する断面において、既に形成された少なくとも３つの前記溶着ビードにより形成される一つの凹部を埋めるように、新たな溶着ビードを形成するビード形成工程を含む積層造形物の製造方法。
  2. 　前記ビード形成工程は、前記新たな溶着ビードのビードサイズを、前記凹部が埋まるように変更する請求項１に記載の積層造形物の製造方法。
  3. 　前記ビード形成工程は、前記既に形成された少なくとも３つの溶着ビード同士のいずれかの境界を、前記新たな溶着ビードを形成する目標位置にする請求項１に記載の積層造形物の製造方法。
  4. 　前記ビード形成工程は、前記既に形成された少なくとも３つの溶着ビード同士のいずれかの境界を、前記新たな溶着ビードを形成する目標位置にする請求項２に記載の積層造形物の製造方法。
  5. 　前記ビード形成工程は、前記溶加材を支持して該溶加材の先端を溶融させるトーチのトーチ軸方向を、前記目標位置に設定された境界で隣接する一対の溶着ビードの一方の接線と他方の接線とがなす角の二等分線に合わせ、前記溶着ビードを形成する請求項３に記載の積層造形物の製造方法。
  6. 　前記ビード形成工程は、前記溶加材を支持して該溶加材の先端を溶融させるトーチのトーチ軸方向を、前記目標位置に設定された境界で隣接する一対の溶着ビードの一方の接線と他方の接線とがなす角の二等分線に合わせ、前記溶着ビードを形成する請求項４に記載の積層造形物の製造方法。
  7. 　前記凹部の周囲の形状を、形状検出センサにより検出する工程と、
    　検出された前記凹部の形状検出データを用いて、前記新たな溶着ビードの前記凹部が埋まるビードサイズを推定する工程と、を有し、
    　前記ビード形成工程は、推定された前記ビードサイズの前記新たな溶着ビードを前記凹部に形成する請求項１～請求項６のいずれか一項に記載の積層造形物の製造方法。
  8. 　前記積層造形物の形状データを入力する工程と、
    　前記形状データに基づいて、前記積層造形物の造形手順を表す前記溶着ビードの積層モデルを生成する工程と、
    　前記積層モデルから前記凹部を抽出する工程と、
    　前記凹部に形成される溶着ビードの前記凹部が埋まるビードサイズを推定し、当該溶着ビードを前記推定したビードサイズにして前記積層モデルを再生成する工程と、を有し、
    　前記ビード形成工程は、再生成された前記積層モデルに基づいて前記溶着ビードを形成する請求項１～請求項６のいずれか一項に記載の積層造形物の製造方法。
  9. 　溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードを互いに隣接させて溶接ビード層を形成し、該形成された溶着ビード層に次層の溶着ビード層を繰り返し積層して造形する積層造形物の製造装置であって、
    　前記溶加材を支持して該溶加材の先端を溶融させるトーチと、
    　前記トーチの姿勢と位置を変更するトーチ移動機構と、
    　請求項１～請求項６のいずれか一項に記載の積層造形物の製造方法に基づいて前記溶着ビードを形成させる制御部と、を備える積層造形物の製造装置。
  10. 　溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードを互いに隣接させて溶接ビード層を形成し、該形成された溶着ビード層に次層の溶着ビード層を繰り返し積層して造形する積層造形物の製造装置であって、
    　前記溶加材を支持して該溶加材の先端を溶融させるトーチと、
    　前記トーチの姿勢と位置を変更するトーチ移動機構と、
    　請求項７に記載の積層造形物の製造方法に基づいて前記溶着ビードを形成させる制御部と、を備える積層造形物の製造装置。
  11. 　溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードを互いに隣接させて溶接ビード層を形成し、該形成された溶着ビード層に次層の溶着ビード層を繰り返し積層して造形する積層造形物の製造装置であって、
    　前記溶加材を支持して該溶加材の先端を溶融させるトーチと、
    　前記トーチの姿勢と位置を変更するトーチ移動機構と、
    　請求項８に記載の積層造形物の製造方法に基づいて前記溶着ビードを形成させる制御部と、を備える積層造形物の製造装置。
  12. 　前記トーチ移動機構は、多軸ロボットである請求項９に記載の積層造形物の製造装置。
  13. 　前記トーチ移動機構は、多軸ロボットである請求項１０に記載の積層造形物の製造装置。
  14. 　前記トーチ移動機構は、多軸ロボットである請求項１１に記載の積層造形物の製造装置。
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