(57)【要約】【課題】溶着ビードを並べた溶着ビード層を積層して高品質な積層造形物を形成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】アークを用いて溶加材Ｍを溶融及び凝固させた複数の溶着ビード２５を隣接して並べた溶着ビード層３４が複数層に積層された積層造形物Ｗの製造方法であって、溶着ビード層３４となる溶着ビード２５を形成する溶着ビード造形工程と、溶着ビード層３４の溶着ビード２５を加熱して表面を再溶融させる再溶融工程と、を含む。【選択図】図６Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アークを用いて溶加材を溶融及び凝固させた複数の溶着ビードを隣接して並べた溶着ビード層が複数層に積層された積層造形物の製造方法であって、
前記溶着ビード層となる前記溶着ビードを形成する溶着ビード造形工程と、
前記溶着ビード層の前記溶着ビードを加熱して表面を再溶融させる再溶融工程と、
を含む積層造形物の製造方法。
【請求項２】
前記再溶融工程は、非消耗電極型トーチを前記溶着ビードの長手方向に沿って移動させて前記溶着ビードを加熱する請求項１に記載の積層造形物の製造方法。
【請求項３】
前記溶着ビード造形工程において、複数の前記溶着ビードを隣接して並べて前記溶着ビード層を造形した後に、当該溶着ビード層の前記溶着ビードに対して前記再溶融工程を行う請求項１または請求項２に記載の積層造形物の製造方法。
【請求項４】
前記再溶融工程は、前記溶着ビードの上側凸部を加熱する請求項１から３のいずれか一項に記載の積層造形物の製造方法。
【請求項５】
アークを用いて溶加材を溶融及び凝固させた複数の溶着ビードが隣接して並べられて溶着ビード層とされ、前記溶着ビード層が複数層に積層された積層造形物であって、
前記各溶着ビード層は、前記溶着ビード間が、前記溶着ビードの表面を再溶融させた溶融金属によって埋められている積層造形物。
【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金型などの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）。また、溶接継手部の疲労強度を高める技術として、溶接ビードの表面を加熱して表面層を再溶融させる技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１５３６３号公報
【特許文献２】特開昭５９−１１０４９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、溶接トーチによって溶着ビードを並べて複数列の溶着ビードからなる溶着ビード層を形成し、この溶着ビード層を積層して造形物を形成する場合、溶着ビード層における各溶着ビード間に、Ｖ字状の深い凹部からなる狭隘部が生じることがある。すると、溶着ビード層を積層させる際に、上層の溶着ビード層の溶着ビードが狭隘部に良好に入り込まず、隙間があいて品質が低下するおそれがある。
【０００６】
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、溶着ビードを並べた溶着ビード層を積層して高品質な積層造形物を形成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】
【０００７】
本発明は下記構成からなる。
（１）  アークを用いて溶加材を溶融及び凝固させた複数の溶着ビードを隣接して並べた溶着ビード層が複数層に積層された積層造形物の製造方法であって、
前記溶着ビード層となる前記溶着ビードを形成する溶着ビード造形工程と、
前記溶着ビード層の前記溶着ビードを加熱して表面を再溶融させる再溶融工程と、
を含む積層造形物の製造方法。
（２）  アークを用いて溶加材を溶融及び凝固させた複数の溶着ビードが隣接して並べられて溶着ビード層とされ、前記溶着ビード層が複数層に積層された積層造形物であって、
前記各溶着ビード層は、前記溶着ビード間が、前記溶着ビードの表面を再溶融させた溶融金属によって埋められている積層造形物。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、溶着ビードを並べた溶着ビード層を積層して高品質な積層造形物を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の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２】溶着ビード層を積層させた積層造形物の概略斜視図である。
【図３】複数の溶着ビードを一列に並べた溶着ビード層の断面図である。
【図４】複数の溶着ビード層によって形成された１層目の溶着ビード層の概略斜視図である。
【図５】溶着ビードを再溶融させる非消耗電極型トーチを説明する概略側面図である。
【図６Ａ】再溶融工程を行った後の１層目の溶着ビード層を示す断面図である。
【図６Ｂ】１層目の溶着ビード層の上に積層された２層目の溶着ビード層に対して再溶融工程を行った後の状態を示す断面図である。
【図６Ｃ】２層目の溶着ビード層の上に積層された３層目の溶着ビード層に対して再溶融工程を行った後の状態を示す断面図である。
【図７】再溶融工程を行った複数の溶着ビード層を積層させた他の積層造形物の断面図である。
【図８】オーバーハング形状の積層造形物において、再溶融工程を行った場合を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の一実施形態に係る積層造形物の製造方法及び積層造形物について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１１】
図１は本発明の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。
本構成の製造システム１００は、積層造形装置１１と、積層造形装置１１を統括制御するコントローラ１５と、を備える。
【００１２】
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２３とを有する。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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Ｗに応じて適宜選定される。
【００１６】
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２３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２７上に溶加材Ｍの溶融凝固体である線状の溶着ビード２５が形成される。
【００１７】
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。記憶部３５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を記憶する。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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ながら、溶加材Ｍを溶融させ、溶融した溶加材Ｍをベースプレート２７上に供給する。これにより、図２に示すように、ベースプレート２７上には、複数の線状の溶着ビード２５が凝固して一列に隣接して並べられた溶着ビード層３４が形成され、さらに、この溶着ビード層３４が複数層に積層された積層造形物Ｗが造形される。
【００２１】
ここで、図３に示すように、溶着ビード２５を一列に接合させた各溶着ビード層３４には、その溶着ビード２５間に、断面視でＶ字状の深い凹部からなる狭隘部Ｎが生じている。このため、本実施形態では、次層の溶着ビード層３４を積層する前に、以下に示す再溶融工程を行うことで、各溶着ビード層３４において、溶着ビード２５間に隙間がなく、溶着ビード層３４の表面の凹凸を極力小さくすることができる。また、この再溶融工程を、各溶着ビード層を造形する度に行うことで、溶着ビード層３４の各溶着ビード２５間及び互いに積層させた溶着ビード層３４間が十分な接合力で接合された積層造形物Ｗが製造される。
【００２２】
次に、本構成の製造システム１００により積層造形物Ｗを造形するまでの具体的な手順について詳述する。ここでは、三層の溶着ビード３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃを積層した積層造形物Ｗを製造する場合を例示して説明する。
図４は、複数の溶着ビード層３４によって形成された１層目の溶着ビード層３４Ａの斜視図である。図５は、溶着ビード２５を再溶融させる非消耗電極形の加熱用トーチ４１を説明する概略側面図である。図６Ａ〜図６Ｃは、積層造形物Ｗの製造過程を説明するための断面図である。
【００２３】
図４に示すように、まず、ベースプレート２７上に複数の溶着ビード２５を並べて形成し、１層目の溶着ビード層３４Ａを造形する（溶着ビード造形工程）。
【００２４】
前述したように、溶着ビード２５を一列に接合させた溶着ビード層３４Ａでは、その溶着ビード２５間に、Ｖ字状の深い凹部からなる狭隘部Ｎが生じている。
【００２５】
次に、造形した１層目の溶着ビード層３４Ａに対して、各溶着ビード２５を加熱して表面を再溶融させる再溶融工程を行う。
【００２６】
図５に示すように、再溶融工程における溶着ビード２５の加熱には、例えば、ＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）溶接などに使用される非消耗電極型の加熱用トーチ４１が用いられる。この加熱用トーチ４１は、中心に設けられたタングステン電極４２と、このタングステン電極４２の周囲を覆う外筒４３とを有しており、タングステン電極４２と外筒４３との間がガス流路４４とされる。加熱用トーチ４１は、ガス流路４４へ供給したアルゴン等の不活性ガスを先端から吹き出させつつ、タングステン電極４２と溶着ビード２５との間にアークを生じさせることで、溶着ビード２５を加熱して溶融させる。
【００２７】
また、加熱用トーチ４１は、トーチ１７と同様に、多関節ロボットからなる溶接ロボット１９の先端軸に設けられており、ロボットアームの自由度の範囲で３次元的に任意に位置や姿勢が設定可能となっている。
なお、溶着ビード２５の造形工程において、非消耗電極型が使用されている場合には、外部からの溶加材Ｍの供給を行わずに、再溶融工程を行うことで、同一の溶接ロボット１９を適用することができる。
【００２８】
再溶融工程では、加熱用トーチ４１を溶着ビード層３４Ａの各溶着ビード２５に対して長手方向（図４における矢印Ａ方向）に沿って移動させることで、各溶着ビード２５を加熱用トーチ４１で加熱する。また、図５に示すように、再溶融工程では、加熱用トーチ４１は各溶着ビード２５の上側凸部２６の最上部２６ａを狙って、実質的には、造形工程のトーチ１７と同じ、溶着ビード２５の並び方向の位置で加熱する。
【００２９】
このようにすると、溶着ビード層３４Ａの各溶着ビード２５は、その上側凸部２６が加熱用トーチ４１によって加熱されることで再溶融する。すると、この再溶融によって生じた溶融金属が、溶着ビード２５の並び方向に広がって両側部の狭隘部Ｎへ流れ込んだ後に凝固する。これにより、図６Ａに示すように、溶着ビード層３４Ａでは、流れ込んで凝固した溶融金属によって狭隘部Ｎが埋まり、溶着ビード層３４Ａの表面の凹凸が極力小さくされて滑らかになる。
【００３０】
次いで、図６Ｂに示すように、２層目の溶着ビード層３４Ｂを、１層目の溶着ビード層３４Ａの溶着ビード２５の間で１層目の溶着ビード層３４Ａ上に積層して造形する。
【００３１】
このとき、１層目の溶着ビード層３４Ａでは、その上面において、狭隘部Ｎが埋められて凹凸が極力小さくされた滑らかな形状とされている。したがって、１層目の溶着ビード層３４Ａの上面に溶着ビード２５を形成することで、この溶着ビード２５は、１層目の溶着ビード層３４Ａを構成する溶着ビード２５の間に隙間なく形成される。
【００３２】
２層目の溶着ビード層３４Ｂを造形したら、２層目の溶着ビード層３４Ｂの各溶着ビード２５に対して再溶融工程を行う。
【００３３】
具体的には、加熱用トーチ４１を溶着ビード層３４Ｂの各溶着ビード２５に対して長手方向に沿って移動させることで、各溶着ビード２５の上側凸部２６を加熱用トーチ４１で加熱して再溶融させる。これにより、１層目の溶着ビード層３４Ｂと同様に、再溶融によって生じた溶融金属が、溶着ビード２５の並び方向に広がって両側部の狭隘部Ｎへ流れ込んだ後に凝固し、狭隘部Ｎが埋まることで、溶着ビード層３４Ｂの表面の凹凸が極力小さくされて滑らかになる（図６Ｂ参照）。
【００３４】
同様に、図６Ｃに示すように、２層目の溶着ビード層３４Ｂの上部に３層目の溶着ビード層３４Ｃを積層し、この３層目の溶着ビード層３４Ｃの溶着ビード２５に対して再溶融工程を行う。このような溶着ビード２５の積層を繰り返すことで、溶着ビード２５間が、溶着ビード２５の表面を再溶融させた溶融金属によって埋められた複数の溶着ビード層３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃを積層してなる積層造形物Ｗが得られる。
【００３５】
なお、ベースプレート２７は、必要に応じて、ワイヤーソーやダイヤモンドカッター等による切断機で切断し、所望の形状の積層造形物Ｗとする。
また、上記実施形態では、隣り合う溶着ビード層３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃは、前の溶着ビード層の狭隘部Ｎが形成されていた位置の上方に次層の溶着ビード層３４の溶着ビード２５が形成されるように、各層の溶着ビード２５を溶着ビード層ごとにずらしながら積層しているが、本実施形態はこれに限らない。例えば、前の溶着ビード層３４の上側凸部２６が形成されていた位置の上方に次層の溶着ビード層３４の溶着ビード２５が形成されるようにしてもよい。即ち、同一の溶接条件で造形される溶着ビード２５を一列に並べて、並び方向に一様な幅の各溶着ビード層３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃを積層する場合に、図７に示すように、溶着ビード２５の数を各溶着ビード層３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃで等しくし、各溶着ビード層３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃの溶着ビード２５を造形する際にトーチ１７の上方から見た軌跡を変えずに積層してもよい。これにより、積層造形物Ｗの側面を切削加工して整形するような場合に、切削代を削減することができる。
【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２５を形成して隣接して並べるとともに溶着ビード２５からなる溶着ビード層３４を複数層に積層させることで、積層造形物Ｗを容易に作製できる。
【００３７】
しかも、本実施形態に係る積層造形物Ｗの製造方法では、溶着ビード層３４の溶着ビード２５を加熱して表面を再溶融させることで、溶着ビード２５間の狭隘部Ｎが溶融金属によって埋められ、溶着ビード層３４の表面の凹凸を極力小さくして滑らかにすることができる。これにより、溶着ビード層３４の各溶着ビード２５間及び互いに積層させた溶着ビード層３４間の接合力を高め、強固に一体化された高品質な積層造形物Ｗを得ることができる。
【００３８】
また、本実施形態に係る積層造形物Ｗの製造方法によれば、非消耗電極型の加熱用トーチ４１を溶着ビード２５の長手方向に沿って移動させて溶着ビード２５の表面を加熱することで、溶着ビード２５の長手方向に沿って形成される溶着ビード２５間の狭隘部Ｎへ溶融金属を短時間に良好に流し込むことができる。
【００３９】
しかも、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２５を加熱する再溶融工程を溶着ビード層３４を造形した後に行う。したがって、再溶融工程を行った溶着ビード層３４の溶着ビード２５の表面状態を確認した後に、この溶着ビード層３４上に、次の溶着ビード層３４となる溶着ビード２５を溶融及び凝固させることができる。これにより、製造する積層造形物Ｗの品質をさらに高めることができる。
【００４０】
また、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２５の高さの高い上側凸部２６を加熱することで、溶融金属を溶着ビード２５間の狭隘部Ｎへ良好に流し込むことができる。
【００４１】
さらに、本実施形態に係る製造方法によって得られた積層造形物Ｗによれば、各溶着ビード層３４の溶着ビード２５間が、溶着ビード２５の表面を再溶融させた溶融金属によって埋められ、溶着ビード２５間に生じることがあるＶ字状の深い凹部からなる狭隘部Ｎがなくされている。これにより、各溶着ビード層３４の各溶着ビード２５同士及び互いに積層させた溶着ビード層３４同士が高い接合力で強固に一体化された高品質な積層造形物Ｗを提供できる。
【００４２】
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。
【００４３】
例えば、溶着ビード２５の再溶融工程は、加熱用トーチ４１を有する溶接ロボットに限定されず、溶着ビードを加熱するものであれば、ガスバーナ、レーザ、電子ビームなど、他の加熱手段であってもよい。
【００４４】
また、上記実施形態では、溶着ビード２５を並べて形成して溶着ビード層３４を形成した後に、この溶着ビード層３４の各溶着ビード２５に対して再溶融工程を行ったが、溶着ビード２５の形成後に、その溶着ビード２５に対して再溶融工程を行ってもよい。なお、再溶融工程は、溶着ビード２５が凝固し終わる前に行われてよい。
【００４５】
また、上記実施形態では、三層構造の積層造形物Ｗを製造する場合を例示したが、積層造形物Ｗの積層数は三層に限らない。
【００４６】
さらに、隣接して積層される２つの溶着ビード層の側面を形成する溶着ビード間に形成される狭隘部に対して溶着ビードを再溶融させることで、該狭隘部を埋め、積層造形物の外観を向上するようにしてもよい。例えば、図８に示すように、溶着ビード２５を造形する際に各トーチが通る上方から見た軌跡が各溶着ビード層３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃごとに徐々に内側へシフトさせながら積層していく、オーバーハング形状（略円錐台状）の積層造形物において、隣接する溶着ビード２５間に形成される狭隘部Ｎを埋めるように、上方に位置する溶着ビード２５を再溶融させて、外観を向上するようにしてもよい。或いは、積層造形物をベースプレート２７と共に中心軸が傾いた状態の回転テーブルに取り付けて、積層造形物の側面が上方を向くようにしながら再溶融させてもよい。
【００４７】
以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
（１）  アークを用いて溶加材を溶融及び凝固させた複数の溶着ビードを隣接して並べた溶着ビード層が複数層に積層された積層造形物の製造方法であって、
前記溶着ビード層となる前記溶着ビードを形成する溶着ビード造形工程と、
前記溶着ビード層の前記溶着ビードを加熱して表面を再溶融させる再溶融工程と、
を含む積層造形物の製造方法。
（２）  前記再溶融工程は、非消耗電極型トーチを前記溶着ビードの長手方向に沿って移動させて前記溶着ビードを加熱する（１）に記載の積層造形物の製造方法。
（３）  前記溶着ビード造形工程において、複数の前記溶着ビードを隣接して並べて前記溶着ビード層を造形した後に、当該溶着ビード層の前記溶着ビードに対して前記再溶融工程を行う（１）または（２）に記載の積層造形物の製造方法。
（４）  前記再溶融工程は、前記溶着ビードの上側凸部を加熱する（１）から（３）のいずれか一つに記載の積層造形物の製造方法。
（５）  アークを用いて溶加材を溶融及び凝固させた複数の溶着ビードが隣接して並べられて溶着ビード層とされ、前記溶着ビード層が複数層に積層された積層造形物であって、
前記各溶着ビード層は、前記溶着ビード間が、前記溶着ビードの表面を再溶融させた溶融金属によって埋められている積層造形物。
【符号の説明】
【００４８】
２５  溶着ビード
３４，３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃ  溶着ビード層
４１  加熱用トーチ（非消耗電極型トーチ）
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４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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【図８】
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