(57)【要約】【課題】空洞を有する造形物を、溶着ビードを積層して容易に製造することが可能な積層造形物の製造方法及び積層造形物を提供する。【解決手段】溶加材Ｍを溶融及び凝固させた溶着ビード５３を層状に積層させて造形物を製造する積層造形物Ｗの製造方法であって、母材５１上に溶着ビード５３を積層させて積層部５７を造形し、積層部５７上に中空形状の補助部材５５を設置し、補助部材５５を設置した積層部５７に溶着ビード５３を積層させる。これにより、中空形状の補助部材５５が溶着ビード５３内に埋め込まれ、補助部材５５の中空部分が空洞部Ｃとされた積層造形物Ｗを製造する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードを層状に積層させて造形物を製造する積層造形物の製造方法であって、
前記溶着ビードを層状に積層させる際に、中空形状の補助部材を前記溶着ビード内に埋め込む
積層造形物の製造方法。
【請求項２】
母材上に前記溶着ビードを積層させて積層部を造形する造形工程と、
前記積層部上に前記補助部材を設置する設置工程と、
前記補助部材を設置した前記積層部に前記溶着ビードを積層させる再造形工程と、
を含む
請求項１に記載の積層造形物の製造方法。
【請求項３】
前記積層部に、前記補助部材の外周面に対応する形状の設置部を形成する加工工程を含み、
前記設置工程において、前記積層部に形成した前記設置部に前記補助部材を設置させる
請求項２に記載の積層造形物の製造方法。
【請求項４】
前記補助部材を母材とし、前記補助部材の周囲に前記溶着ビードを積層させ、前記補助部材の周囲を前記溶着ビードからなる積層部で覆う
請求項１に記載の積層造形物の製造方法。
【請求項５】
空洞部を有する積層造形物であって、
前記空洞部を形成する中空形状の補助部材と、
前記補助部材の周囲に層状に積層されて前記補助部材と一体となった溶着ビードと、
からなる積層造形物。
【請求項６】
前記補助部材は、断面が環状に形成されたパイプ形状とされている
請求項５に記載の積層造形物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層造形物の製造方法及び積層造形物に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、生産手段としての３Ｄプリンタのニーズが高まっており、特に金属材料への適用については航空機業界等で実用化に向けて研究開発が行われている。金属材料を用いた３Ｄプリンタは、レーザやアーク等の熱源を用いて、金属粉体や金属ワイヤを溶融させ、溶融金属を積層させて造形物を造形する。
【０００３】
このような造形物を造形する技術として、溶加材を供給する溶接トーチを移動させることで、溶融金属を積層させて造形物を造形する溶接技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、熱間圧延設備において、鋼を素材とする中実または中空の母材を耐火性加熱型に通し、母材の周囲の隙間に溶湯を流し込んで母材の外周に肉盛層を形成することも知られている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−１５３６３号公報
【特許文献２】特許第２８４８６４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、内部に空洞を有する造形物を造形する場合、後工程で空洞を切削等によって形成するのは困難である。このため、特許文献１に記載の溶接技術を用い、空洞を有する造形物を、溶着ビードを積層させて造形することが考えられる。しかし、空洞を有する造形物を積層造形によって製造する場合、溶着ビードに垂れや変形が生じてしまい、精度良く空洞を形成することが困難である。
【０００７】
また、特許文献２に記載の方式によって、例えば、中空の管の周りに肉盛層を形成することも考えられるが、様々な外形状の造形物を造形することが困難である。
【０００８】
本発明は、上記事項に鑑みてなされたものであり、その目的は、空洞を有する造形物を、溶着ビードを積層して容易に製造することが可能な積層造形物の製造方法及び積層造形物を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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層状に積層させて造形物を製造する積層造形物の製造方法であって、
前記溶着ビードを層状に積層させる際に、中空形状の補助部材を前記溶着ビード内に埋め込む
積層造形物の製造方法。
（２）  空洞部を有する積層造形物であって、
前記空洞部を形成する中空状の補助部材と、
前記補助部材の周囲に層状に積層されて前記補助部材と一体となった溶着ビードと、
からなる積層造形物。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、空洞を有する造形物を、溶着ビードを積層して容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の製造方法で製造する積層造形物の概略斜視図である。
【図２】本発明の製造方法で製造する積層造形物の幅方向に沿う概略断面図である。
【図３】積層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４Ａ】積層造形物の製造工程を示す製造途中の積層造形物の幅方向に沿う概略断面図である。
【図４Ｂ】積層造形物の製造工程を示す製造途中の積層造形物の幅方向に沿う概略断面図である。
【図４Ｃ】積層造形物の製造工程を示す製造途中の積層造形物の幅方向に沿う概略断面図である。
【図４Ｄ】積層造形物の製造工程を示す製造途中の積層造形物の幅方向に沿う概略断面図である。
【図４Ｅ】積層造形物の製造工程を示す製造途中の積層造形物の幅方向に沿う概略断面図である。
【図５Ａ】他の実施形態に係る積層造形物の製造工程を示す製造途中の積層造形物の幅方向に沿う概略断面図である。
【図５Ｂ】他の実施形態に係る積層造形物の製造工程を示す製造途中の積層造形物の幅方向に沿う概略断面図である。
【図５Ｃ】他の実施形態に係る積層造形物の製造工程を示す製造途中の積層造形物の幅方向に沿う概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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は本発明の製造方法で製造する積層造形物の概略斜視図である。図２は本発明の製造方法で製造する積層造形物の幅方向に沿う概略断面図である。
【００１３】
図１及び図２に示すように、本発明に係る製造方法によって製造する積層造形物Ｗは、複数の溶着ビード５３を積層させて構成されている。積層造形物Ｗは、板状の母材５１の上部に形成されている。
【００１４】
この積層造形物Ｗには、補助部材５５が埋め込まれている。補助部材５５は、中空の筒状に形成されている。本例では、補助部材５５として、断面円環状に形成されたパイプ材を用いた場合を例示する。この補助部材５５は、例えば、鋼や銅などの金属、カーボンあるいはセラミックなどから形成されている。
【００１５】
積層造形物Ｗは、中空の補助部材５５が埋め込まれることによって長手方向に沿って空洞部Ｃを有している。この空洞部Ｃは、例えば、流体が通される流路等として用いられる。具体的には、この積層造形物Ｗを、例えば、ミキサーやポンプなどのロータとして用いる際に、空洞部Ｃに冷却水などの冷却媒体が流される。そして、この冷却媒体が空洞部Ｃへ流れることで、積層造形物Ｗが冷却される。なお、空洞部Ｃを冷却媒体用の流路として用いる場合、熱伝導性に優れた銅製の補助部材５５を用いるのが好ましい。積層造形物Ｗは、溶着ビード５３の積層による成形後に、外周等を切削加工することで、製品形状とされる。また、母材５１は、必要に応じて切り離されて除去される。
【００１６】
次に、上記の積層造形物Ｗを製造する製造システムについて説明する。
図３は積層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。
【００１７】
図３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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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、作製する積層造形物Ｗに応じて適宜選定される。
【００２１】
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、母材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。
【００２２】
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５３の状態をより適正に維持して、積層造形物Ｗの更なる品質向上に寄与できる。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
切削ロボット４１は、積層造形装置１１の溶接ロボット１９によって母材５１に溶着ビード５３を積層した積層造形物Ｗを金属加工工具４５で切削して加工する。
【００２６】
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。
【００２７】
ＣＡＤ／ＣＡＭ部３１は、作製しようとする積層造形物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、積層造形物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。
【００２８】
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によって積層造形物Ｗに対して切削加工を行う。
【００２９】
上記構成の製造システム１００は、設定された層形状データから生成されるトーチ１７の移動軌跡に沿って、トーチ１７を溶接ロボット１９の駆動により移動させ、溶融した溶加材Ｍからなる溶着ビード５３をトーチ１７によって母材５１上に積層させる。これにより、母材５１上に溶着ビード５３が積層された積層造形物Ｗを製造する。この積層造形物Ｗは、造形後に切削加工を施すことで設計された外形に形成される。
【００３０】
次に、本発明の積層造形物の製造方法について説明する。
図４Ａ〜図４Ｅは積層造形物の製造工程を示す製造途中の積層造形物の幅方向に沿う概略断面図である。
【００３１】
（積層部造形工程）
製造システム１００に、母材５１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、図４Ａに示すように、溶融した溶加材Ｍを母材５１上に供給する。これにより、図４Ｂに示すように、母材５１の表面に溶着ビード５３を層状に積層させて積層部５７を造形する。そして、母材５１上に造形した積層部５７が、補助部材５５の配設範囲を超えたら溶着ビード５３の積層を一旦停止する。
【００３２】
（設置部加工工程）
切削ロボット４１を駆動させ、金属加工工具４５によって積層部５７における補助部材５５の設置箇所（図４Ｂにおける二点鎖線部分）を切削する。これにより、図４Ｃに示すように、積層部５７に、補助部材５５が設置される設置部５９を形成する。本例では、中空の筒状に形成された補助部材５５を設置するため、断面視で円弧状に凹んだ溝部からなる設置部５９を溶着ビード５３の形成方向に沿って形成する。
【００３３】
（補助部材設置工程）
図４Ｄに示すように、積層部５７に形成した設置部５９に補助部材５５を載置する。すると、補助部材５５は、その下方側の外周面が積層部５７に形成された設置部５９に嵌り込む。これにより、積層部５７に対して補助部材５５の中空部分からなる空洞部Ｃが設定した位置に配置される。
【００３４】
（再造形工程）
図４Ｅに示すように、補助部材５５を設置した積層部５７に対して、トーチ１７を移動させながら、溶加材Ｍを溶融させて溶着ビード５３を積層させる。これにより、補助部材５５が溶着ビード５３に埋め込まれ、この補助部材５５によって空洞部Ｃが形成された積層造形物Ｗを造形する（図１，２参照）。
【００３５】
その後、必要に応じて積層造形物Ｗの外周等を切削ロボット４１によって切削し、最終製品形状に形成する。なお、必要に応じて母材５１を切り離して除去する。
【００３６】
以上、説明したように、本実施形態に係る積層造形物Ｗの製造方法によれば、溶着ビード５３を層状に積層させる際に、中空形状の補助部材５５を溶着ビード５３に埋め込む。具体的には、母材５１上に溶着ビード５３を積層させて積層部５７を造形し、積層部５７上に補助部材５５を設置し、その後、補助部材５５を設置した積層部５７に溶着ビード５３を積層させる。これにより、補助部材５５の中空部分が空洞部Ｃとされ、この空洞部Ｃを、例えば、冷却媒体を流す流路等として用いることが可能な積層造形物Ｗを低コストで容易に製造することができる。また、中空形状の補助部材５５を用いるので、空洞を溶着ビードで形成する場合と比べ、高精度な形状の空洞部Ｃを有する高品質な積層造形物Ｗを製造することができる。また、溶着ビード５３を積層させて造形するので、空洞部Ｃを有する様々な外形形状の積層造形物Ｗを製造することができる。また、空洞部Ｃを形成するために補助部材５５を用いることで、空洞部Ｃの周りに積層する溶着ビード５３の数を補助部材５５の分だけ削減でき、製造にかかるコスト及び時間を節約できる。
【００３７】
しかも、補助部材５５の外周面に対応する形状の設置部５９を積層部５７に形成し、この設置部５９に補助部材５５を設置させるので、補助部材５５を予め設定した位置へ高精度に位置決めして埋め込むことができる。これにより、補助部材５５の中空部分からなる空洞部Ｃが目的の位置に高精度に形成された高品質な積層造形物Ｗを製造することができる。
【００３８】
そして、上記の製造方法で製造された積層造形物Ｗによれば、パイプ形状の補助部材５５によって形成された空洞部Ｃを、例えば、冷却媒体を流す流路として用いることができる。
【００３９】
次に、積層造形物の製造方法の他の実施形態例を説明する。
図５Ａ〜図５Ｃは、他の実施形態に係る積層造形物の製造工程を示す製造途中の積層造形物の幅方向に沿う概略断面図である。
【００４０】
中空円筒状の鋼製や銅製のパイプ材からなる補助部材５５を用意し、この補助部材５５を、軸方向を水平に配置させて回転可能に支持させる。
【００４１】
図５Ａに示すように、補助部材５５を母材とし、この補助部材５５の外周面における上部に、トーチ１７によって溶融した溶加材Ｍを供給する。これにより、補助部材５５の外周面の一部に、溶着ビード５３を層状に積層させて積層部５７を造形する。
【００４２】
積層部５７が上方位置から外れた位置に配置されるように、補助部材５５を、一方向（図５Ａにおける矢印Ｒ方向）へ約１２０度回転させる。そして、図５Ｂに示すように、この補助部材５５の外周面における上部に、トーチ１７によって溶融した溶加材Ｍを供給する。これにより、補助部材５５の外周面の一部に、溶着ビード５３を層状に積層させて積層部５７を造形する。
【００４３】
積層部５７が上方位置から外れた位置に配置されるように、補助部材５５を再び一方向（図５Ｂにおける矢印Ｒ方向）へ約１２０度回転させる。そして、図５Ｃに示すように、この補助部材５５の外周面における上部に、トーチ１７によって溶融した溶加材Ｍを供給する。これにより、補助部材５５の外周面の一部に、溶着ビード５３を層状に積層させて積層部５７を造形する。
【００４４】
このようにすると、補助部材５５の外周が溶着ビード５３を積層してなる積層部５７で覆われ、補助部材５５によって空洞部Ｃが形成された積層造形物Ｗが造形される。その後、必要に応じて積層造形物Ｗの外周等を切削ロボット４１によって切削し、最終製品形状に形成する。
【００４５】
この他の実施形態に係る積層造形物の製造方法によれば、補助部材５５を母材とし、補助部材５５の周囲に溶着ビード５３を積層させ、補助部材５５の周囲を溶着ビード５３からなる積層部５７で覆う。これにより、補助部材５５の中空部分が空洞部Ｃとされた積層造形物Ｗを容易に製造することができる。また、補助部材５５を母材とするので、別個の母材を不要にでき、製造コストを削減できる。
【００４６】
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。
【００４７】
例えば、上記実施形態では、中空円筒状の補助部材５５を用いた場合を例示したが、補助部材５５としては、必要な空洞部Ｃの大きさや形状等に応じて様々な大きさや形状を有するものを用いるのは勿論である。
【００４８】
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層状に積層させて造形物を製造する積層造形物の製造方法であって、
前記溶着ビードを層状に積層させる際に、中空形状の補助部材を前記溶着ビード内に埋め込む
積層造形物の製造方法。
上記（１）の構成の積層造形物の製造方法によれば、溶着ビードを層状に積層させる際に、中空形状の補助部材を溶着ビードに埋め込む。これにより、補助部材の中空部分が空洞部とされ、この空洞部を、例えば、冷却媒体を流す流路等として用いることが可能な積層造形物を低コストで容易に製造することができる。また、中空形状の補助部材を用いるので、空洞を溶着ビードで形成する場合と比べ、高精度な形状の空洞部を有する高品質な積層造形物を製造することができる。また、溶着ビードを積層させて造形するので、空洞部を有する様々な外形形状の積層造形物を製造することができる。また、空洞部を形成するために補助部材を用いることで、空洞部周りに積層する溶着ビード数を補助部材の分だけ削減でき、製造にかかるコスト及び時間を節約できる。
【００４９】
（２）  母材上に前記溶着ビードを積層させて積層部を造形する造形工程と、
前記積層部上に前記補助部材を設置する設置工程と、
前記補助部材を設置した前記積層部に前記溶着ビードを積層させる再造形工程と、
を含む（１）に記載の積層造形物の製造方法。
上記（２）の構成の積層造形物の製造方法によれば、母材上に溶着ビードを積層させて積層部を造形し、積層部上に補助部材を設置し、その後、補助部材を設置した積層部に溶着ビードを積層させる。これにより、補助部材の中空部分が空洞部とされた積層造形物を容易に製造することができる。
【００５０】
（３）  前記積層部に、前記補助部材の外周面に対応する形状の設置部を形成する加工工程を含み、
前記設置工程において、前記積層部に形成した前記設置部に前記補助部材を設置させる（２）に記載の積層造形物の製造方法。
上記（３）の構成の積層造形物の製造方法によれば、補助部材の外周面に対応する形状の設置部を積層部に形成し、この設置部に補助部材を設置させる。これにより、補助部材を予め設定した位置へ高精度に位置決めして埋め込むことができ、補助部材の中空部分からなる空洞部が目的の位置に高精度に形成された高品質な積層造形物を製造することができる。
【００５１】
（４）  前記補助部材を母材とし、前記補助部材の周囲に前記溶着ビードを積層させ、前記補助部材の周囲を前記溶着ビードからなる積層部で覆う（１）に記載の積層造形物の製造方法。
上記（４）の構成の積層造形物の製造方法によれば、補助部材を母材とし、補助部材の周囲に溶着ビードを積層させ、補助部材の周囲を溶着ビードからなる積層部で覆う。これにより、補助部材の中空部分が空洞部とされた積層造形物を容易に製造することができる。また、補助部材を母材とするので、別個の母材を不要にでき、製造コストを削減できる。
【００５２】
（５）  空洞部を有する積層造形物であって、
前記空洞部を形成する中空形状の補助部材と、
前記補助部材の周囲に層状に積層されて前記補助部材と一体となった溶着ビードと、
からなる積層造形物。
上記（５）の構成の積層造形物によれば、中空形状の補助部材によって形成された空洞部を、例えば、冷却媒体を流す流路として用いることができる。また、溶着ビードを層状に積層させる際に中空形状の補助部材を埋め込むことで、容易に製造することができる。
【００５３】
（６）  前記補助部材は、断面が環状に形成されたパイプ形状とされている（５）に記載の積層造形物。
上記（６）の構成の積層造形物によれば、パイプ形状の補助部材によって形成された空洞部を、例えば、冷却媒体を流す流路として用いることができる。また、溶着ビードを層状に積層させる際にパイプ形状の補助部材を埋め込むことで、容易に製造することができる。
【符号の説明】
【００５４】
５１  母材
５３  溶着ビード
５５  補助部材
５７  積層部
５９  設置部
Ｃ  空洞部
Ｍ  溶加材
Ｗ  積層造形物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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