WO2019181556A1 - 造形物の製造方法及び造形物 - Google Patents

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WO2019181556A1
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cutting
welding bead
modeling
bead
cut
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伸志 佐藤
山田　岳史
雄幹 山崎
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株式会社神戸製鋼所
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P15/00—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass
    • B23P15/006—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass turbine wheels
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23C—MILLING
    • B23C3/00—Milling particular work; Special milling operations; Machines therefor
    • B23C3/16—Working surfaces curved in two directions
    • B23C3/18—Working surfaces curved in two directions for shaping screw-propellers, turbine blades, or impellers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K9/00—Arc welding or cutting
    • B23K9/02—Seam welding; Backing means; Inserts
    • B23K9/032—Seam welding; Backing means; Inserts for three-dimensional seams
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K9/00—Arc welding or cutting
    • B23K9/04—Welding for other purposes than joining, e.g. built-up welding
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/18—Rotors
    • F04D29/22—Rotors specially for centrifugal pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/26—Rotors specially for elastic fluids
    • F04D29/28—Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps

Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a modeled object and a modeled object.
  • a 3D printer for modeling a metal material uses a laser, an electron beam, or a heat source such as an arc to melt a metal powder or a metal wire, and forms a model by laminating molten metal.
  • a bead is stacked on the surface of a base material serving as a hub, and a modeling part that becomes a plurality of blades is modeled. Then, what forms a braid
  • the yield is high and the manufacturing time can be shortened as compared with the cutting out from the material. Further, as compared with casting in which complex molds are combined and manufactured, it is possible to eliminate manufacturing defects due to removal of burrs generated in the combination part of the molds and mold shift.
  • An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a molded article and a molded article that can efficiently produce a molded article having a portion having a curved surface portion without waste to improve productivity.
  • the present invention has the following configuration.
  • the cutting target welding bead has a height dimension of H, the cutting target welding bead is cut at a minimum width dimension of A, the cutting target welding bead has a width dimension of B, and passes through the bottom of the cutting target welding bead.
  • the bottom line perpendicular to the center line in the width direction of the target weld bead is XA
  • the tangent line of the curved surface portion at the intersection of the bottom surface line XA and the curved surface portion is XB
  • the welding target bead that is shaped and cut on the surface of the base material is The cutting target welding bead has a height dimension of H, the cutting target welding bead has a cut width dimension of A, the cutting target welding bead has a width dimension of B, passes through the bottom of the cutting target welding bead and passes through the cutting target welding bead.
  • the bottom surface line orthogonal to the center line in the width direction of the weld bead is XA
  • the tangent line of the curved surface portion at the intersection of the bottom surface line XA and the curved surface portion is XB
  • the angle formed by the bottom surface line XA and the tangent line XB is ⁇ .
  • FIG. 1A and FIG. 1B are views showing a rotor which is a modeled object manufactured by the manufacturing method of the present invention
  • FIG. 1A is a perspective view of the rotor
  • FIG. 1B is a cross-sectional view orthogonal to the axial direction of the rotor.
  • a model W manufactured by the manufacturing method according to this embodiment includes a columnar shaft body 51 and a plurality of strips (in the illustrated example) projecting radially outward on the outer periphery of the shaft body 51. 6) a spiral blade 53.
  • This shaped object W is, for example, a rotor 55 provided in a fluid machine such as a compressor.
  • the rotor 55 is an intermediate portion in the axial direction of the shaft body 51 and has a screw shape in which a plurality of blades 53 are provided at equal intervals along the circumferential direction.
  • the rotor 55 has a curved concave portion 57 that is concave in a U shape in the axial vertical cross section between adjacent blades 53.
  • the rotor 55 is formed by laminating a welding bead 63 to be a blade 53 on a peripheral surface of a rod-shaped base material 61 to be a shaft body 51, and then cutting the welding bead 63 and the base material 61 by cutting. It is obtained by forming a recess 57 between the blade 53 and the blade 53.
  • FIG. 2 is a schematic schematic configuration diagram of a manufacturing system for manufacturing a modeled object.
  • the manufacturing system 100 having this configuration includes an additive manufacturing apparatus 11, a cutting apparatus 12, and a controller 15 that performs overall control of the additive manufacturing apparatus 11 and the cutting apparatus 12.
  • the additive manufacturing apparatus 11 includes a welding robot 19 having a torch 17 on a tip shaft, and a filler material supply unit 21 that supplies a filler material (welding wire) M to the torch 17.
  • the torch 17 holds the filler material M in a state protruding from the tip.
  • the welding robot 19 is an articulated robot, and the filler material M is supported on the torch 17 provided on the tip shaft so as to be continuously supplied.
  • the position and orientation of the torch 17 can be arbitrarily set three-dimensionally within the range of the degree of freedom of the robot arm.
  • the torch 17 has a shield nozzle (not shown), and a shield gas is supplied from the shield nozzle.
  • the arc welding method used in this configuration may be any of consumable electrode methods such as covered arc welding and carbon dioxide arc welding, and non-consumable electrode methods such as TIG welding and plasma arc welding. It is selected as appropriate.
  • a contact tip is disposed inside the shield nozzle, and a filler material M to which a molten current is fed 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 melt material M is fed from the melt material supply unit 21 to the torch 17 by a feed mechanism (not shown) attached to a robot arm or the like. Then, when the melt material M that is continuously fed is melted and solidified while moving the torch 17, a linear weld bead 63 that is a melt-solidified body of the melt material M is formed on the base material 61 described later. (See FIGS. 1A and 1B).
  • the heat source for melting the filler metal M is not limited to the arc described above.
  • a heat source using other methods such as a heating method using both an arc and a laser, a heating method using plasma, and a heating method using an electron beam or a laser may be adopted.
  • the amount of heating can be controlled more finely, the state of the weld bead can be maintained more appropriately, and the quality of the shaped article W can be further improved.
  • any commercially available welding wire can be used.
  • it is defined by MAG welding and MIG welding solid wire (JIS Z 3312) for mild steel, high strength steel and low temperature steel, arc welding flux cored wire (JIS Z 3313) for mild steel, high strength steel and low temperature steel. Can be used.
  • the cutting device 12 includes a cutting robot 41.
  • the cutting robot 41 is an articulated robot similar to the welding robot 19, and includes a metal processing tool 45 such as an end mill or a grinding wheel at the tip of the tip arm 43. Thereby, the cutting robot 41 can be moved three-dimensionally by the controller 15 so that the processing posture can take an arbitrary posture.
  • the cutting robot 41 cuts the shaped object W in which the welding bead 63 (see FIG. 1A) is laminated on the base material 61 by the welding robot 19 of the additive manufacturing apparatus 11 with the metal processing tool 45 and processes it into the rotor 55.
  • the controller 15 includes 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 CAD / CAM unit 31 generates the shape data of the model W to be produced, and then divides the data into a plurality of layers to generate layer shape data representing the shape of each layer.
  • the trajectory calculation unit 33 obtains the movement trajectory of the torch 17 based on the generated layer shape data. Further, the trajectory calculation unit 33 obtains the movement trajectory of the metal working tool 45 based on the shape data.
  • the storage unit 35 stores data such as the shape data of the shaped article W, the generated layer shape data, the movement trajectory of the torch 17 and the movement trajectory of the metal working tool 45.
  • the control unit 37 drives the welding robot 19 by executing a drive program based on the layer shape data stored in the storage unit 35 and the movement trajectory of the torch 17. That is, the welding robot 19 moves the torch 17 while melting the filler metal M with an arc based on the movement trajectory of the torch 17 generated by the trajectory calculation unit 33 according to a command from the controller 15.
  • the control unit 37 drives the cutting robot 41 by executing a drive program based on the shape data stored in the storage unit 35 and the movement locus of the metal working tool 45. As a result, the workpiece W is cut by the metal working tool 45 provided on the tip arm 43 of the cutting robot 41.
  • a model W is formed by forming a welding bead 63 to be a blade 53 in a spiral shape on the circumferential surface of a columnar base material 61 having a circular cross-section in a vertical direction. Then, a mode that cutting with respect to the molded article W is shown.
  • FIGS. 3A and 3B are views for explaining a stacking process in the manufacturing method of a shaped article according to the present embodiment
  • FIGS. 3A and 3B are schematic cross-sectional views of a part of the rotor, respectively.
  • 4A and 4B are diagrams for explaining a cutting process in the manufacturing method of a shaped article according to the present embodiment
  • FIG. 4A is a schematic sectional view of a part of the rotor
  • FIG. 4B is a schematic enlarged sectional view of a part of the rotor. It is.
  • a columnar base material 61 having a circular cross-sectional view to be a shaft 51 is set in the manufacturing system 100 shown in FIG. 2.
  • the melt material M is melted while the torch 17 of the layered manufacturing apparatus 11 is moved by the driving of the welding robot 19 along the movement trajectory of the torch 17 generated from the set layer shape data, and the melted molten metal is melted.
  • the material M is supplied to the peripheral surface of the base material 61.
  • a plurality of welding beads 63 are formed in a spiral shape on the peripheral surface of the base material 61.
  • the weld bead 63 is further laminated in order on the formed layer of the weld bead 63, and the modeled product W having the modeled portion 65 that becomes the blade 53 shown in FIGS. 1A and 1B is produced. .
  • the cutting robot 41 shown in FIG. 2 is driven to cut the shaped article W with the metal processing tool 45.
  • the surface of the modeling portion 65 and a part of the base material 61 are cut to form the blade 53 and the recess 57 between the blades 53.
  • a rotor 55 having a plurality of blades 53 is formed on the outer periphery of the columnar shaft body 51.
  • the modeling position of the welding target bead that is modeled on the peripheral surface that is the surface of the base material 61 of the welding bead 63 that becomes the modeling unit 65 and is cut in the cutting process is as follows. Set.
  • FIG. 5 is a schematic diagram for explaining the setting of the modeling position of the welding bead 63A to be cut.
  • the height dimension of the cutting target welding bead 63A is H
  • the minimum width dimension of the cutting target welding bead 63A is A
  • the width dimension of the cutting target welding bead 63A is B
  • the cutting target welding bead 63A is H
  • the bottom line perpendicular to the center line L in the width direction of the welding bead 63A to be cut is XA
  • the tangent line of the curved surface part 57a at the intersection P between the bottom line XA and the curved surface part 57a of the concave part 57 is XB
  • the bottom line When the angle between XA and tangent line XB is ⁇ , the position where the following equation (1) is established is set as the modeling position of the welding bead 63A to be cut.
  • the base material 61 is selected so that the modeling position of the cutting target weld bead 63A satisfies the above formula (1), and the shape data of the model W to be modeled is created to generate the layer shape data. To do.
  • the cutting target welding bead 63A is substantially cut.
  • the area to be formed is suppressed to an area A1 (hatched part in FIG. 5) A1 that is smaller than the area A2 of the hatched part shown in FIG.
  • the height dimension of the cutting target welding bead is H
  • the minimum width dimension of the cutting target welding bead is A
  • the cutting target welding bead is formed at a position satisfying tan ⁇ ⁇ H / (BA) where X is an angle between the bottom line XA and the tangent line XB.
  • the base material 61 which forms the welding bead 63 can be selected appropriately, and in the cutting process, the area A1 to be cut in the cutting target welding bead 63A is reduced, and a large part of the cutting target welding bead 63A is cut. Can be minimized. Thereby, the molded article W provided with the site
  • the shaped article W including the rotor 55 in which the plurality of blades 53 are spaced in the circumferential direction around the shaft body 51 including the base material 61 is efficiently manufactured without waste. be able to.
  • wasteful cutting of the weld bead 63 modeled on the surface of the base material 61 can be suppressed as much as possible, so that efficient manufacturing with high productivity is possible. It becomes.
  • the case where the cutting robot 41 provided with the metal processing tool 45 on the tip arm 43 of the articulated robot is illustrated as the cutting device 12 that cuts the shaped article W. 12 is not limited to the cutting robot 41.
  • a cutting machine such as a 5-axis machine or a rotor-only machine (gear cutting machine) may be used.
  • the cutting target welding bead has a height dimension of H, the cutting target welding bead is cut at a minimum width dimension of A, the cutting target welding bead has a width dimension of B, and passes through the bottom of the cutting target welding bead.
  • the bottom line perpendicular to the center line in the width direction of the target weld bead is XA
  • the tangent line of the curved surface portion at the intersection of the bottom surface line XA and the curved surface portion is XB
  • a base material for forming a weld bead can be appropriately selected, and in the cutting process, a region to be cut in the weld bead to be cut can be reduced, and a large portion of the weld bead is cut. It is possible to suppress waste caused by doing as much as possible. Thereby, the molded article provided with the site
  • the welding bead is stacked at intervals in the circumferential direction to form a modeling part
  • the cutting process cutting a part of the surface of the modeling part and the peripheral surface of the base material, A plurality of blades are provided around the shaft body made of the base material at intervals in the circumferential direction, and a shaped article having a concave portion having a curved surface portion in the axial vertical cross section between the adjacent blades is manufactured.
  • the manufacturing method of the molded article as described in (1). According to this method of manufacturing a modeled object, a modeled object in which a plurality of blades are spaced in the circumferential direction around a shaft body made of a base material can be efficiently manufactured without waste.
  • the welding target bead that is shaped and cut on the surface of the base material is The cutting target welding bead has a height dimension of H, the cutting target welding bead has a cut width dimension of A, the cutting target welding bead has a width dimension of B, passes through the bottom of the cutting target welding bead and passes through the cutting target welding bead.
  • the bottom surface line orthogonal to the center line in the width direction of the weld bead is XA
  • the tangent line of the curved surface portion at the intersection of the bottom surface line XA and the curved surface portion is XB
  • the angle formed by the bottom surface line XA and the tangent line XB is ⁇ .

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Abstract

造形工程において、溶着ビードのうちのベース材の表面に造形されて切削工程で切削される切削対象溶着ビードをベース材の表面に造形する。その際、切削対象溶着ビードの高さ寸法をＨ、切削対象溶着ビードの切削される最小幅寸法をＡ、切削対象溶着ビードの幅寸法をＢ、切削対象溶着ビードの底部を通り、切削対象溶着ビードの幅方向の中心線と直交する底面線をＸＡ、底面線ＸＡと曲面部との交点における曲面部の接線をＸＢ、底面線ＸＡと接線ＸＢとのなす角をθとしたときに、tanθ≧Ｈ／（Ｂ－Ａ）が成立する位置に切削対象溶着ビードを造形する。

Description

造形物の製造方法及び造形物
　本発明は、造形物の製造方法及び造形物に関する。
　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造形物を作製する。
　例えば、ポンプや圧縮機などの流体機械に設けられるインペラやロータ等の回転部材を製造する技術として、ハブとなるベース材の表面にビードを積層して複数のブレードとなる造形部を造形し、その後、造形部を切削してブレードを形成するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
国際公開第２０１６／１４９７７４号
　上記の製造技術によれば、材料からの削り出しと比べ、歩留りが高く、製造時間も短縮させることができる。また、複雑な鋳型を組み合わせて製造する鋳造と比べ、鋳型の組合せ部分に生じるバリの除去や鋳型のずれによる製造不良をなくすことができる。
　ところで、ビードを積層して造形部を造形し、その造形部を切削することで、曲面部を形成する場合、切削対象のビードの大部分を切削することとなると、無駄が多くなり、生産性が低下してしまう。このため、曲面部を有する造形物を製造する際の造形するビードの無駄を極力押させて生産性の向上を図ることが要求されている。
　本発明の目的は、曲面部を有する部位を備えた造形物を無駄なく効率的に製造して生産性の向上を図ることが可能な造形物の製造方法及び造形物を提供することにある。
　本発明は下記の構成からなる。
（１）　ベース材に溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードを積層させて造形部を造形する造形工程と、
　少なくとも前記造形部の表面を切削して凹状の曲面部を形成する切削工程と、
　を含み、
　前記造形工程において、前記溶着ビードのうちの前記ベース材の表面に造形されて前記切削工程で切削される切削対象溶着ビードを前記ベース材の表面に造形する際に、
　前記切削対象溶着ビードの高さ寸法をＨ、前記切削対象溶着ビードの切削される最小幅寸法をＡ、前記切削対象溶着ビードの幅寸法をＢ、前記切削対象溶着ビードの底部を通り、前記切削対象溶着ビードの幅方向の中心線と直交する底面線をＸＡ、前記底面線ＸＡと前記曲面部との交点における前記曲面部の接線をＸＢ、前記底面線ＸＡと前記接線ＸＢとのなす角をθとしたときに、
　tanθ≧Ｈ／（Ｂ－Ａ）
が成立する位置に前記切削対象溶着ビードを造形する
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をベース材に積層させた造形部に、少なくとも前記造形部の表面が切削された凹状の曲面部が形成された造形物であって、
　前記溶着ビードのうちの前記ベース材の表面に造形されて切削された切削対象溶着ビードは、
　前記切削対象溶着ビードの高さ寸法をＨ、前記切削対象溶着ビードの切削された幅寸法をＡ、前記切削対象溶着ビードの幅寸法をＢ、前記切削対象溶着ビードの底部を通り、前記切削対象溶着ビードの幅方向の中心線と直交する底面線をＸＡ、前記底面線ＸＡと前記曲面部との交点における前記曲面部の接線をＸＢ、前記底面線ＸＡと前記接線ＸＢとのなす角をθとしたときに、
　tanθ≧Ｈ／（Ｂ－Ａ）
が成立する位置に配置されている造形物。
　本発明によれば、曲面部を有する部位を備えた造形物を無駄なく効率的に製造して生産性の向上を図ることができる。
本発明の製造方法で製造する造形物であるロータの斜視図である。 本発明の製造方法で製造する造形物であるロータの軸方向に直交する断面図である。 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。 本実施形態に係る造形物の製造方法における積層工程を説明するロータの一部の概略断面図である。 本実施形態に係る造形物の製造方法における積層工程を説明するロータの一部の概略断面図である。 本実施形態に係る造形物の製造方法における切削工程を説明するロータの一部の概略断面図である。 本実施形態に係る造形物の製造方法における切削工程を説明するロータの一部の概略拡大断面図である。 本実施形態に係る切削対象溶着ビードの造形位置の設定について説明する模式図である。 参考例に係る切削対象溶着ビードの造形位置の設定について説明する模式図である。
　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１Ａ及び図１Ｂは、それぞれ本発明の製造方法で製造する造形物であるロータを示す図であり、図１Ａはロータの斜視図、図１Ｂはロータの軸方向に直交する断面図である。
　図１Ａ及び図１Ｂに示すように、本実施形態に係る製造方法によって製造する造形物Ｗは、柱状の軸体５１と、軸体５１の外周に径方向外側へ突出する複数条（図示例では６条）の螺旋状のブレード５３とを備える。この造形物Ｗは、例えば、圧縮機などの流体機械に設けられるロータ５５である。
　ロータ５５は、軸体５１の軸方向中間部で、複数のブレード５３が周方向に沿って等間隔に設けられたスクリュー形状となっている。このロータ５５は、隣り合う各ブレード５３同士の間に軸方向垂直断面でＵ字状に凹んだ曲面形状の凹部５７を有している。
　このロータ５５は、軸体５１となる棒状のベース材６１の周面に、ブレード５３となる溶着ビード６３を形成して積層させ、その後、切削加工によって溶着ビード６３及びベース材６１を切削し、ブレード５３及びブレード５３の間の凹部５７を形成することで得られる。
　次に、上記のロータ５５からなる造形物Ｗを製造する製造システムについて説明する。
　図２は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。
　図２に示すように、本構成の製造システム１００は、積層造形装置１１と、切削装置１２と、積層造形装置１１及び切削装置１２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２１とを有する。トーチ１７は、溶加材Ｍを先端から突出した状態に保持する。
　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、後述のベース材６１上に溶加材Ｍの溶融凝固体である線状の溶着ビード６３が形成される（図１Ａ，図１Ｂ参照）。
　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、造形物Ｗの更なる品質向上に寄与できる。
　溶加材Ｍ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。
　切削装置１２は、切削ロボット４１を備えている。切削ロボット４１は、溶接ロボット１９と同様に、多関節ロボットであり、先端アーム４３の先端部に、例えば、エンドミルや研削砥石などの金属加工工具４５を備える。これにより、切削ロボット４１は、コントローラ１５により、その加工姿勢が任意の姿勢を取り得るように、３次元的に移動可能となっている。
　切削ロボット４１は、積層造形装置１１の溶接ロボット１９によってベース材６１に溶着ビード６３（図１Ａ参照）が積層された造形物Ｗを金属加工工具４５で切削してロータ５５に加工する。
　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。
　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。また、軌道演算部３３は、形状データに基づいて、金属加工工具４５の移動軌跡を求める。記憶部３５は、造形物Ｗの形状データ、生成された層形状データ、トーチ１７の移動軌跡及び金属加工工具４５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。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。また、制御部３７は、記憶部３５に記憶された形状データや金属加工工具４５の移動軌跡に基づく駆動プログラムを実行して、切削ロボット４１を駆動する。これにより、切削ロボット４１の先端アーム４３に設けられた金属加工工具４５によって造形物Ｗに対して切削加工を行う。なお、図２においては、鉛直方向に立設させた断面視円形状の柱状のベース材６１の周面に、ブレード５３となる溶着ビード６３を螺旋状に形成して造形物Ｗを造形し、その後、造形物Ｗに対して切削加工を行う様子を示している。
　次に、本実施形態に係る造形物の製造方法について説明する。
　図３Ａ及び図３Ｂは本実施形態に係る造形物の製造方法における積層工程を説明する図であり、図３Ａ及び図３Ｂはそれぞれロータの一部の概略断面図である。図４Ａ及び図４Ｂは本実施形態に係る造形物の製造方法における切削工程を説明する図であり、図４Ａはロータの一部の概略断面図、図４Ｂはロータの一部の概略拡大断面図である。
（造形工程）
　図３Ａに示すように、図２に示す製造システム１００に、軸体５１となる断面視円形状の柱状のベース材６１をセットする。次いで、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、積層造形装置１１のトーチ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をベース材６１の周面に供給する。これにより、ベース材６１の周面に対して複数の溶着ビード６３を螺旋状に形成する。その後、図３Ｂに示すように、形成した溶着ビード６３の層に対してさらに溶着ビード６３を順に積層させ、図１Ａ，図１Ｂに示すブレード５３となる造形部６５を有する造形物Ｗを作製する。
（切削工程）
　図２に示す切削ロボット４１を駆動させて、金属加工工具４５によって造形物Ｗを切削加工する。これにより、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、造形部６５の表面及びベース材６１の一部を切削し、ブレード５３を形成するとともに、ブレード５３間の凹部５７を形成する。これにより、柱状の軸体５１の外周に複数のブレード５３を備えたロータ５５を形成する。
　ここで、本実施形態では、造形部６５となる溶着ビード６３のうちのベース材６１の表面である周面に造形されて切削工程で切削される切削対象溶着ビードの造形位置を以下のように設定する。
　図５は、切削対象溶着ビード６３Ａの造形位置の設定について説明する模式図である。図５に示すように、切削対象溶着ビード６３Ａの高さ寸法をＨ、切削対象溶着ビード６３Ａの切削される最小幅寸法をＡ、切削対象溶着ビード６３Ａの幅寸法をＢ、切削対象溶着ビード６３Ａの底部を通り、切削対象溶着ビード６３Ａの幅方向の中心線Ｌと直交する底面線をＸＡ、底面線ＸＡと凹部５７の曲面部５７ａとの交点Ｐにおける曲面部５７ａの接線をＸＢ、底面線ＸＡと接線ＸＢとのなす角をθとしたときに、次式（１）が成立する位置を、切削対象溶着ビード６３Ａの造形位置に設定する。
　tanθ≧Ｈ／（Ｂ－Ａ）…（１）
　そして、切削対象溶着ビード６３Ａの造形位置が、上式（１）を満たす位置となるようにベース材６１を選定し、造形しようとする造形物Ｗの形状データを作成して層形状データを生成する。
　ここで、切削対象溶着ビード６３Ａの造形位置が上式（１）を満たさない場合について比較検討する。
　図６に示すように、切削対象溶着ビード６３Ａの造形位置が上式（１）を満たさない場合、つまり、ｔａｎθ＜Ｈ／（Ｂ－Ａ）となる場合では、切削対象溶着ビード６３Ａの断面積の１／２を超える大きな領域Ａ２（図６におけるハッチング部分）が切削されることとなる。
　これに対して、図５に示すように、切削対象溶着ビード６３Ａの造形位置がtanθ≧Ｈ／（Ｂ－Ａ）を満たす本実施形態によれば、切削対象溶着ビード６３Ａは、実質的に切削される領域が、図６に示すハッチング部分の領域Ａ２よりも小さい領域（図５におけるハッチング部分）Ａ１に抑えられる。
　以上、説明したように、本実施形態に係る造形物の製造方法によれば、切削対象溶着ビードの高さ寸法をＨ、切削対象溶着ビードの切削される最小幅寸法をＡ、切削対象溶着ビードの幅寸法をＢ、切削対象溶着ビードの底部を通り、切削対象溶着ビードの幅方向の中心線Ｌと直交する底面線をＸＡ、底面線ＸＡと曲面部との交点Ｐにおける曲面部の接線をＸＢ、底面線ＸＡと接線ＸＢとのなす角をθとしたときに、tanθ≧Ｈ／（Ｂ－Ａ）を満たす位置に切削対象溶着ビードを造形する。
　これにより、溶着ビード６３を形成するベース材６１を適切に選定でき、また、切削工程において、切削対象溶着ビード６３Ａにおける切削する領域Ａ１を少なくし、切削対象溶着ビード６３Ａの多くの部分を切削することによる無駄を極力抑えることができる。これにより、曲面部５７ａを有する部位を備えた造形物Ｗを無駄なく製造でき、生産性を向上させることができる。
　そして、本実施形態によれば、例えば、ベース材６１からなる軸体５１の周囲に複数のブレード５３が周方向へ間隔をあけたロータ５５からなる造形物Ｗを、無駄なく効率的に製造することができる。
　また、本実施形態の製造方法で製造される造形物Ｗによれば、ベース材６１の表面に造形した溶着ビード６３の無駄な切削が極力抑えられるので、高い生産性で効率的な製造が可能となる。
　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、造形物Ｗを切削する切削装置１２として、多関節ロボットの先端アーム４３に金属加工工具４５を備えた切削ロボット４１を用いた場合を例示したが、使用可能な切削装置１２としては、切削ロボット４１に限らない。切削装置１２としては、例えば、５軸加工機やロータ専用の加工機（歯切り加工機）などの切削加工機を用いてもよい。
　また、上記実施形態では、複数のブレード５３を有するロータ５５を造形する場合を例示したが、本発明は、ロータ５５に限らず、曲面形状を有する各種の造形物の製造に適用可能である。
　以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
（１）　ベース材に溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードを積層させて造形部を造形する造形工程と、
　少なくとも前記造形部の表面を切削して凹状の曲面部を形成する切削工程と、
　を含み、
　前記造形工程において、前記溶着ビードのうちの前記ベース材の表面に造形されて前記切削工程で切削される切削対象溶着ビードを前記ベース材の表面に造形する際に、
　前記切削対象溶着ビードの高さ寸法をＨ、前記切削対象溶着ビードの切削される最小幅寸法をＡ、前記切削対象溶着ビードの幅寸法をＢ、前記切削対象溶着ビードの底部を通り、前記切削対象溶着ビードの幅方向の中心線と直交する底面線をＸＡ、前記底面線ＸＡと前記曲面部との交点における前記曲面部の接線をＸＢ、前記底面線ＸＡと前記接線ＸＢとのなす角をθとしたときに、
　tanθ≧Ｈ／（Ｂ－Ａ）
が成立する位置に前記切削対象溶着ビードを造形する
造形物の製造方法。
　この造形物の製造方法によれば、溶着ビードを形成するベース材を適切に選定し、切削工程において、切削対象溶着ビードにおける切削する領域を少なくすることができ、溶着ビードの多くの部分を切削することによる無駄を極力抑えることができる。これにより、曲面部を有する部位を備えた造形物を無駄なく製造でき、生産性を向上できる。また、溶着ビードの溶着量を減らすことができ、これにより、溶着ビードの溶着量が多いことで生じる溶接変形による精度低下を抑制して精度向上を図ることができる。
（２）　前記造形工程において、断面視円形状の前記ベース材の周面に対して、周方向へ間隔をあけて前記溶着ビードを積層させて造形部を形成し、
　前記切削工程において、前記造形部の表面及び前記ベース材の周面の一部を切削し、
　前記ベース材からなる軸体の周囲に複数のブレードが周方向へ間隔をあけて設けられ、隣り合う前記ブレード同士の間に軸方向垂直断面で曲面部を有する凹部を備えた造形物を製造する（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、ベース材からなる軸体の周囲に複数のブレードが周方向へ間隔をあけた造形物を、無駄なく効率的に製造することができる。
（３）　溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードをベース材に積層させた造形部に、少なくとも前記造形部の表面が切削された凹状の曲面部が形成された造形物であって、
　前記溶着ビードのうちの前記ベース材の表面に造形されて切削された切削対象溶着ビードは、
　前記切削対象溶着ビードの高さ寸法をＨ、前記切削対象溶着ビードの切削された幅寸法をＡ、前記切削対象溶着ビードの幅寸法をＢ、前記切削対象溶着ビードの底部を通り、前記切削対象溶着ビードの幅方向の中心線と直交する底面線をＸＡ、前記底面線ＸＡと前記曲面部との交点における前記曲面部の接線をＸＢ、前記底面線ＸＡと前記接線ＸＢとのなす角をθとしたときに、
　tanθ≧Ｈ／（Ｂ－Ａ）
が成立する位置に配置されている造形物。
　この造形物によれば、ベース材の表面に造形した溶着ビードの無駄な切削が極力抑えられるので、高い生産性で効率的に製造可能な造形物とすることができる。
　なお、本出願は、２０１８年３月２３日出願の日本特許出願（特願２０１８－０５５８５０）に基づくものであり、その内容は本出願の中に参照として援用される。
　５１　軸体
　５３　ブレード
　５５　ロータ
　５７　凹部
　５７ａ　曲面部
　６１　ベース材
　６３　溶着ビード
　６３Ａ　切削対象溶着ビード
　６５　造形部
　Ａ　最小幅寸法
　Ｂ　幅寸法
　Ｈ　高さ寸法
　Ｍ　溶加材
　Ｗ　造形物
　ＸＡ　底面線
　ＸＢ　接線
　θ　なす角

Claims (3)

  1. 　ベース材に溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードを積層させて造形部を造形する造形工程と、
    　少なくとも前記造形部の表面を切削して凹状の曲面部を形成する切削工程と、
    　を含み、
    　前記造形工程において、前記溶着ビードのうちの前記ベース材の表面に造形されて前記切削工程で切削される切削対象溶着ビードを前記ベース材の表面に造形する際に、
    　前記切削対象溶着ビードの高さ寸法をＨ、前記切削対象溶着ビードの切削される最小幅寸法をＡ、前記切削対象溶着ビードの幅寸法をＢ、前記切削対象溶着ビードの底部を通り、前記切削対象溶着ビードの幅方向の中心線と直交する底面線をＸＡ、前記底面線ＸＡと前記曲面部との交点における前記曲面部の接線をＸＢ、前記底面線ＸＡと前記接線ＸＢとのなす角をθとしたときに、
    　tanθ≧Ｈ／（Ｂ－Ａ）
    が成立する位置に前記切削対象溶着ビードを造形する
    造形物の製造方法。
  2. 　前記造形工程において、断面視円形状の前記ベース材の周面に対して、周方向へ間隔をあけて前記溶着ビードを積層させて造形部を形成し、
    　前記切削工程において、前記造形部の表面及び前記ベース材の周面の一部を切削し、
    　前記ベース材からなる軸体の周囲に複数のブレードが周方向へ間隔をあけて設けられ、隣り合う前記ブレード同士の間に軸方向垂直断面で曲面部を有する凹部を備えた造形物を製造する
    請求項１に記載の造形物の製造方法。
  3. 　溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードをベース材に積層させた造形部に、少なくとも前記造形部の表面が切削された凹状の曲面部が形成された造形物であって、
    　前記溶着ビードのうちの前記ベース材の表面に造形されて切削された切削対象溶着ビードは、
    　前記切削対象溶着ビードの高さ寸法をＨ、前記切削対象溶着ビードの切削された幅寸法をＡ、前記切削対象溶着ビードの幅寸法をＢ、前記切削対象溶着ビードの底部を通り、前記切削対象溶着ビードの幅方向の中心線と直交する底面線をＸＡ、前記底面線ＸＡと前記曲面部との交点における前記曲面部の接線をＸＢ、前記底面線ＸＡと前記接線ＸＢとのなす角をθとしたときに、
    　tanθ≧Ｈ／（Ｂ－Ａ）
    が成立する位置に配置されている造形物。
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