(57)【要約】【課題】適切な形状の造形物を造形するための造形データを容易に作成することができる金属溶融３Ｄプリンタの造形データ作成方法および造形データ作成プログラム、並びに、金属溶融３Ｄプリンタの提供を図る。【解決手段】溶材を溶融して積層することで造形物を造形する金属溶融３Ｄプリンタの造形データ作成方法であって、前記造形物を造形する元になるＳＴＬを読み込み(ＳＴ１)、前記ＳＴＬを、前記溶材を積み重ねる１層の厚み単位で複数層にスライスし(ＳＴ５)、スライスされたそれぞれの層における前記ＳＴＬに対して、格子状に設けられた複数のセルで形成された基準ユニットを対応させ、そのＳＴＬが入っている対象セルを決定し(ＳＴ６)、前記基準ユニットにおいて、前記対象セルの周りに１セル分の削り代セルを付加し(ＳＴ７)、前記造形物を造形する造形データを作成する。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶材を溶融して積層することで造形物を造形する金属溶融３Ｄプリンタの造形データ作成方法であって、
前記造形物を造形する元になるＳＴＬを読み込み、
前記ＳＴＬを、前記溶材を積み重ねる１層の厚み単位で複数層にスライスし、
スライスされたそれぞれの層における前記ＳＴＬに対して、格子状に設けられた複数のセルで形成された基準ユニットを対応させ、そのＳＴＬが入っている対象セルを決定し、
前記基準ユニットにおいて、前記対象セルの周りに１セル分の削り代セルを付加し、前記造形物を造形する造形データを作成する、
ことを特徴とする金属溶融３Ｄプリンタの造形データ作成方法。
【請求項２】
さらに、
前記基準ユニットにおいて、前記対象セルおよび前記削り代セルに対して、前記溶材を溶融して前記造形物を造形するための溶接トーチをウィービングさせる、
ことを特徴とする請求項１に記載の金属溶融３Ｄプリンタの造形データ作成方法。
【請求項３】
前記溶接トーチをウィービングさせるのは、前記ウィービングの振り幅方向に２セル単位で行う、
ことを特徴とする請求項２に記載の金属溶融３Ｄプリンタの造形データ作成方法。
【請求項４】
さらに、
前記造形物を造形する造形材料を選択し、
選択された前記造形材料に基づいて、前記溶接トーチのウィービングパターン、前記溶接トーチのウィービングパラメータ、および、前記基準ユニットにおける前記セルの大きさを決定する、
ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の金属溶融３Ｄプリンタの造形データ作成方法。
【請求項５】
前記溶接トーチのウィービングパターンは、三角波形状および矩形波形状を含む、
ことを特徴とする請求項４に記載の金属溶融３Ｄプリンタの造形データ作成方法。
【請求項６】
前記溶接トーチのウィービングパラメータは、前記ウィービングの送り幅および振り幅を含む、
ことを特徴とする請求項４または請求項５に記載の金属溶融３Ｄプリンタの造形データ作成方法。
【請求項７】
ウィービングを行う前記溶接トーチは、スライスされたそれぞれの層における偶数番目の層と奇数番目の層で逆方向に進行する、
ことを特徴とする請求項２乃至請求項６のいずれか１項に記載の金属溶融３Ｄプリンタの造形データ作成方法。
【請求項８】
スライスされた前記複数層において、下に位置する第１スライス層は、当該第１スライス層の上に位置する第２スライス層よりも幅が同じか広くなっている、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の金属溶融３Ｄプリンタの造形データ作成方法。
【請求項９】
前記ＳＴＬは、前記金属溶融３Ｄプリンタにより造形された造形物を二次加工して得られる最終的な製品のＳＴＬである、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の金属溶融３Ｄプリンタの造形データ作成方法。
【請求項１０】
溶材を溶融して積層することで造形物を造形する金属溶融３Ｄプリンタの造形データ作成プログラムであって、コンピュータに、
前記造形物を造形する元になるＳＴＬを読み込み、
前記ＳＴＬを、前記溶材を積み重ねる１層の厚み単位で複数層にスライスし、
スライスされたそれぞれの層における前記ＳＴＬに対して、格子状に設けられた複数のセルで形成された基準ユニットを対応させ、そのＳＴＬが入っている対象セルを決定し、
前記基準ユニットにおいて、前記対象セルの周りに１セル分の削り代セルを付加し、前記造形物を造形する造形データを作成する、処理を実行させる、
ことを特徴とする金属溶融３Ｄプリンタの造形データ作成プログラム。
【請求項１１】
溶接トーチの溶材として供給される溶接ワイヤを溶融するアーク溶接を適用し、前記溶接ワイヤを溶融して積層することで造形物を造形する金属溶融３Ｄプリンタであって、
請求項１０に記載の金属溶融３Ｄプリンタの造形データ作成プログラムを実行する前記コンピュータを有する、
ことを特徴とする金属溶融３Ｄプリンタ。
【請求項１２】
溶接トーチの溶材として供給される溶接ワイヤを溶融するアーク溶接を適用し、前記溶接ワイヤを溶融して積層することで造形物を造形する金属溶融３Ｄプリンタであって、
請求項１０に記載の金属溶融３Ｄプリンタの造形データ作成プログラムを実行する前記コンピュータは、前記金属溶融３Ｄプリンタとは異なる場所に設けられ、
前記コンピュータにより作成された前記造形データを、前記金属溶融３Ｄプリンタを制御する制御装置に与えて前記造形物を造形する、
ことを特徴とする金属溶融３Ｄプリンタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属溶融３Ｄプリンタの造形データ作成方法および造形データ作成プログラム、並びに、金属溶融３Ｄプリンタに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、例えば、コンピュータで作った三次-元データを設計図とし、その断面形状を積層することで三次元の造形物を造形する三次元積層造形装置(３Ｄプリンタ)が注目されている。ここで、３Ｄプリンタとしては、光造形法や粉末造形法、或いは、ＦＤＭ法(Fused Deposition Modeling：熱溶解積層法)等を利用した様々なものが提案され、また、実用化されている。
【０００３】
例えば、樹脂を使用する３Ｄプリンタでは、造形テーブル(ワークテーブル)の上に液状の樹脂を塗布し、紫外線を照射して硬化させた層を、何層にも渡って積み重ねることで三次元造形物を造形する光造形方式や、熱で溶融した樹脂を少量ずつ積み重ねる熱溶融積層方式が採用されている。また、樹脂を使用する３Ｄプリンタには、粉末の樹脂を一層ずつ撒き、その上に接着剤を吹き付けて固めることによって三次元造形物を造形する粉末固着方式を採用したものもある。
【０００４】
さらに、３Ｄプリンタの中には、金属製の三次元造形物を造形する金属溶融三次元積層造形装置(金属溶融３Ｄプリンタ)も実用化されている。この金属溶融３Ｄプリンタとしては、例えば、ワークテーブルの上に金属粉末を数十ミクロンの厚さで敷き詰めた後に、レーザー光を照射して焼結することによって一層分を形成し、これを繰り返すことによって金属造形物の造形を行っている。
【０００５】
しかしながら、金属粉末は、樹脂等と比べてかなり高価であるため、レーザー光を使用する金属溶融３Ｄプリンタにより造形した金属製の三次元造形物は高価になり、さらに、この方式の３Ｄプリンタ自体も高価なものとなる。そのため、金属溶融３Ｄプリンタは、例えば、樹脂等を使用する３Ｄプリンタと比較して、普及の妨げになっている。
【０００６】
また、近年、それほどの精度が要求されない金属製の三次元造形物を造形する金属溶融３Ｄプリンタとして、アーク溶接を適用した金属溶融積層方式のものが実用化されている。この金属溶融３Ｄプリンタは、金属製のワイヤ状の溶材(溶接ワイヤ)の先端でアーク放電を発生させて溶接ワイヤを溶融し、これをワークテーブルの上に積層することで金属製の三次元造形物を造形するものである。また、この金属溶融３Ｄプリンタにより造形された三次元造形物に対して、例えば、ＣＮＣ(Computerized Numerical Control)工作機械を使用して高精度の加工を行い、最終的な高精度の造形物(製品)を得るものも実用化されている。
【０００７】
ここで、本発明が適用されるアーク溶接を適用した金属溶融積層方式の金属溶融３Ｄプリンタ(金属溶融三次元積層造形装置)について説明する。図１は、アーク溶接を適用した金属溶融３Ｄプリンタの一例の全体構成を模式的に示す斜視図である。図１に示されるように、金属溶融３Ｄプリンタ５０の本体５１の上面５２には、制御ユニット１および造形を行う造形処理部４５の造形水槽６が設けられている。なお、本体５１の横方向をＸ軸方向、奥行方向をＹ軸方向、高さ方向をＺ軸方向とする。
【０００８】
造形水槽６の周囲には、溶接トーチ５をＸ軸方向に移動させるＸ軸アクチュエータ２、Ｙ軸方向に移動させるＹ軸アクチュエータ４、および、Ｚ軸方向に移動させるＺ軸アクチュエータ３が設けられている。造形を行う溶接トーチ５は、Ｙ軸アクチュエータ４に取り付けられている。
【０００９】
金属溶融３Ｄプリンタ５０の本体５１の隣りには、溶接トーチ５に溶接ワイヤを供給するワイヤ供給装置７、溶接トーチ５にシールドガスを供給するシールドガスボンベ８、および、溶接トーチ５に電力を供給する溶接機電源９が設けられている。また、本体５１の内部には、造形時に造形水槽６内に冷却媒体(例えば、水)を供給する冷却媒体貯蔵タンク１０が設けられている。
【００１０】
図２は、図１に示す金属溶融３Ｄプリンタの造形処理部を模式的に示す斜視図であり、図２(a)は、金属溶融３Ｄプリンタ５０の造形処理部４５の構造を説明するためのものであり、図２(b)は、図２(a)に示す造形処理部４５におけるワークテーブル１２のＡ軸(Ｘ軸)を駆動するＡ軸駆動モータの位置を示すものである。
【００１１】
図２(a)に示されるように、溶接トーチ５の先端部は、造形水槽６の中に配置され、溶接トーチ５の先端部に対向する位置には、造形物が形成されるワークテーブル１２が設けられている。ワークテーブル１２は、Ａ軸１３によって造形水槽６の内部で垂直方向に回転できるようになっている。
【００１２】
図２(b)に示されるように、Ａ軸１３は、例えば、造形水槽６の両側で回転支持され、造形水槽６の外部に設けられたＡ軸駆動モータ１３Ｍにより回転駆動される。なお、Ａ軸１３を回転させると、ワークテーブル１２をＡ軸１３の回りに回転させてワークテーブル１２の傾きを制御することができる。すなわち、Ａ軸１３により、ワークテーブル１２の上面(水平面)を垂直にすることができる。
【００１３】
図３は、図１に示す金属溶融３Ｄプリンタを説明するための図であり、図３(a)は、図１に示す金属溶融３Ｄプリンタの動作を説明するためのものである。また、図３(b)は、図３(a)に示す造形水槽６の内部に設けられるワークテーブル１２およびベースプレート１５を示し、図３(c)は、図３(a)におけるワークテーブル１２およびベースプレート１５を拡大して示す図である。
【００１４】
図３(a)に示されるように、溶接トーチ５には、ワイヤ供給装置７から溶接ワイヤ２７が供給され、シールドガスボンベ８からガスホース８０を介してシールドガスが供給され、さらに、溶接機電源９から電力ケーブル９０を介して電力が供給されている。これにより、溶接トーチ５は、溶接ワイヤ２７の先端からのアーク放電により溶接ワイヤ２７を溶融することができるようになっている。
【００１５】
図３(a)および図３(b)に示されるように、造形水槽６の内部に設けられたワークテーブル１２の上には、ベースプレート１５が造形物を造形するための基台として設けられている。図３(c)に示されるように、ベースプレート１５は、スペーサ１６によってワークテーブル１２から離間された状態で、ワークテーブル１２に対して着脱可能として固定されている。図３(c)において、ベースプレート１５は、スペーサ１６を挿通させた固定具２６により、ワークテーブル１２に対して着脱可能として固定されているが、スペーサ１６は固定具で固定しなくてもよい。
【００１６】
ここで、ベースプレート１５は、溶接材料と溶接可能な板材である。また、ワークテーブル１２とベースプレート１５を離間させる理由は、ワークテーブル１２とベースプレート１５の間に冷却媒体ＣＷ(水)を通すためである。そして、溶接トーチ５は、ベースプレート１５の上に溶融した溶接ワイヤを積層して造形物を造形する。すなわち、溶接トーチ５がベースプレート１５の上に溶融した溶接ワイヤ２７を積層して造形物を造形する際、積層中の造形物が冷却媒体ＣＷで冷却されることになる。
【００１７】
冷却媒体ＣＷは、冷却媒体貯蔵タンク１０に貯蔵され、冷却ユニット３２によって冷却される。冷却媒体貯蔵タンク１０の内部の冷却媒体ＣＷは、ポンプ３０で汲み上げられ、流量制御弁３１で流量を調節して造形水槽６に供給される。また、造形水槽６の中で造形物を冷却して温度が高くなった冷却媒体ＣＷには、造形中の塵埃等が含まれるが、そのような塵埃等は排水フィルタ３００によりろ過され、その後、ポンプ３０’で吸い出され、流量制御弁３１’で流量を調節して冷却媒体貯蔵タンク１０に戻される。
【００１８】
なお、図３(c)に示されるように、溶接トーチ５によってベースプレート１５の上に造形物を造形する前において、造形水槽６内の液面ＷＬの高さは、ポンプ３０，３０’および流量制御弁３１，３１’により、ベースプレート１５の下面より高く、上面より低い位置に調整されている。そして、溶接トーチ５(溶接ワイヤ２７の先端)からベースプレート１５に対してアーク放電を行い、溶接ワイヤ２７を溶融および凝固させることでベースプレート１５の上に溶融した溶接ワイヤ２７を積層して造形物を造形する。ここで、積層させた部分は溶接ビードと呼ばれる。また、ベースプレート１５の上に溶融金属が積層される毎に、冷却媒体ＣＷがポンプ３０を介して造形水槽６の内部に供給され、積層された金属を冷却する。
【００１９】
図４は、ベースプレート上に造形物が造形される様子を説明するための図であり、図３(c)に示すベースプレート１５の上に、溶接トーチ５および溶接ワイヤ２７によって造形物１８が造形されていく様子を示すものである。なお、造形物１８の造形中において、冷却媒体ＣＷの液面ＷＬは、造形物１８の溶接面ＷＳに対して、一定の距離Ｈだけ低くなるように流量制御弁３１，３１’によって制御される。
【００２０】
図５は、造形物の造形が終了した状態を説明するための図であり、前述した図３(a)に対応するものである。すなわち、図５に示されるように、金属溶融３Ｄプリンタ５０の造形水槽６における造形が終了すると、ベースプレート１５の上には、造形が終了した造形物１８ができあがっている。すなわち、ベースプレート１５の上に造形物１８ができあがり、造形物１８の温度が下がると、冷却媒体ＣＷは、ポンプ３０’により排水フィルタ３００および流量制御弁３１’を介して冷却媒体貯蔵タンク１０に戻される。
【００２１】
図６は、金属溶融３Ｄプリンタにより造形された造形物から最終的な製品(造形物)を得る様子を説明するための図であり、図５のようにして得られた造形物１８から、例えば、切削加工機(ＣＮＣ工作機械)を使用して二次加工を行い、最終的な製品を得る様子を説明するためのものである。
【００２２】
ここで、図６(a)は、図５に示す金属溶融３Ｄプリンタ５０の造形水槽内６のワークテーブル１２から造形物１８およびベースプレート１５を取り出した状態を示す斜視図、図６(b)は、図６(a)の側面図、そして、図６(c)は、図６(a)に示すベースプレート１５を切削加工機に取り付けて切削工具で切削加工する様子を示す側面図である。さらに、図６(d)は、図６(a)に示す造形物１８およびベースプレート１５の切削加工後の状態を示す斜視図、図６(e)は、図６(d)の側面図、そして、図６(f)は、ベースプレート１５から切り取られた造形物(最終造形物：最終的な製品)１８Ｐを示す斜視図である。
【００２３】
図６(a)および図６(b)に示されるように、金属溶融３Ｄプリンタ５０により造形された造形物１８は、造形水槽６からベースプレート１５と共に取り出される。この取り出されたベースプレート１５は、例えば、切削加工機(図示しない)に取り付けられ、図６(c)に示されるように、切削加工機の切削工具１９により造形物１８の表面が切削加工される。
【００２４】
図６(d)および図６(e)に示されるように、ベースプレート１５の上の造形物１８の切削加工を行った後、例えば、切削加工が終了した造形物(１８Ｐ)をベースプレート１５の上からワイヤカット等で切り取り、図６(f)に示されるような最終造形物(最終的な製品)１８Ｐが得られることになる。
【００２５】
ところで、従来、金属溶融３Ｄプリンタとしては、様々な提案がなされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２６】
【特許文献１】特開２０１７−１４４４４６号公報
【特許文献２】特開２０１７−１４４４４７号公報
【特許文献３】特開２０１８−０２７５５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２７】
上述したように、アーク溶接を適用した金属溶融積層方式の金属溶融３Ｄプリンタが研究・開発され、さらに、実用化されている。このような金属溶融３Ｄプリンタでは、例えば、ＣＡＤ(Computer Aided Design)データから展開したＳＴＬ(STereo Lithography)を利用する。すなわち、ＳＴＬ(ＳＴＬデータ：ＳＴＬフォーマットのデータ)を層ごとにスライスし、その層単位のＳＴＬによる形状(ＳＴＬ形状)の外側に削り代分の肉幅を付加して、造形物を造形するための造形データを作成する。そして、金属溶融３Ｄプリンタは、その作成された造形データに基づいて溶接トーチを移動制御する座標データを作成し、溶接ビードを積層して造形物(予測形状)を造形する。
【００２８】
しかしながら、ＳＴＬの特徴として、形状を認識するのが難しく(すなわち、小さな三角形の集合体からあらゆる形状(円形状，直線形状，Ｒ形状，Ｔ字形状，十字形状，角形状等々)を正しく認識するのが難しく)、正しく肉幅を付加した予測形状を有する造形物を作成することは困難である。さらに、例えば、ＳＴＬ変換ソフトの違いで三角形のデータ構成や個数が異なり、さらに、形状認識するパターンが無限にあるため、全てのパターンを認識するアルゴリズムを開発するのは難しく、ＳＴＬから適切な形状(予測形状)を有する造形物を作成することは困難なものとなっている。
【００２９】
なお、上述した金属溶融３Ｄプリンタにより造形された造形物(予測形状の造形物)は、例えば、ＣＮＣ工作機械等の切削加工機を使用して二次加工を行い、最終的な製品を得ることになる。そのため、例えば、金属溶融３Ｄプリンタにより得られた造形物が、目的とする最終的な製品に対して小さい場合には、二次加工を行うことで不良となる恐れがあり、逆に、大き過ぎる場合には、材料(溶接ワイヤ)の消費が大きくなり、最終的な製品の価格上昇を招くことにもなる。
【００３０】
本発明の目的は、適切な形状の造形物を造形するための造形データを容易に作成することができる金属溶融３Ｄプリンタの造形データ作成方法および造形データ作成プログラム、並びに、金属溶融３Ｄプリンタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
本発明に係る一実施形態によれば、溶材を溶融して積層することで造形物を造形する金属溶融３Ｄプリンタの造形データ作成方法であって、前記造形物を造形する元になるＳＴＬを読み込み、前記ＳＴＬを、前記溶材を積み重ねる１層の厚み単位で複数層にスライスし、スライスされたそれぞれの層における前記ＳＴＬに対して、格子状に設けられた複数のセルで形成された基準ユニットを対応させ、そのＳＴＬが入っている対象セルを決定し、前記基準ユニットにおいて、前記対象セルの周りに１セル分の削り代セルを付加し、前記造形物を造形する造形データを作成する金属溶融３Ｄプリンタの造形データ作成方法が提供される。
【発明の効果】
【００３２】
開示の金属溶融３Ｄプリンタの造形データ作成方法および造形データ作成プログラム、並びに、金属溶融３Ｄプリンタによれば、適切な形状の造形物を造形する造形データを容易に作成することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１は、アーク溶接を適用した金属溶融３Ｄプリンタの一例の全体構成を模式的に示す斜視図である。
【図２】図２は、図１に示す金属溶融３Ｄプリンタの造形処理部を模式的に示す斜視図である。
【図３】図３は、図１に示す金属溶融３Ｄプリンタを説明するための図である。
【図４】図４は、ベースプレート上に造形物が造形される様子を説明するための図である。
【図５】図５は、造形物の造形が終了した状態を説明するための図である。
【図６】図６は、金属溶融３Ｄプリンタにより造形された造形物から最終的な製品(造形物)を得る様子を説明するための図である。
【図７】図７は、本発明に係る金属溶融３Ｄプリンタの一実施例の全体構成を示す斜視図である。
【図８】図８は、図７に示す金属溶融３Ｄプリンタの造形処理部を示す斜視図である。
【図９】図９は、本発明に係る金属溶融３Ｄプリンタの造形データ作成方法(造形データ作成プログラム)の一実施例を説明するためのフローチャートである。
【図１０】図１０は、本発明に係る金属溶融３Ｄプリンタの造形データ作成方法の一実施例におけるウィービング動作の例を説明するための図である。
【図１１】図１１は、本発明に係る金属溶融３Ｄプリンタの造形データ作成方法の一実施例における各層の幅の例を説明するための図である。
【図１２】図１２は、本発明に係る金属溶融３Ｄプリンタの造形データ作成方法の一実施例に適用する造形物の一例および造形データの作成処理を説明するための図(その１)である。
【図１３】図１３は、本発明に係る金属溶融３Ｄプリンタの造形データ作成方法の一実施例に適用する造形物の一例および造形データの作成処理を説明するための図(その２)である。
【図１４】図１４は、本発明に係る金属溶融３Ｄプリンタの造形データ作成方法の一実施例において、造形データの一例に対する造形データの作成設定と、作成した造形データのモデル表示を説明するための図である。
【図１５】図１５は、本発明に係る金属溶融３Ｄプリンタの造形データ作成方法の一実施例において、造形データの他の例に対する造形データの作成と、作成した造形データのモデル表示を説明するための図である。
【図１６】図１６は、本発明に係る金属溶融３Ｄプリンタの造形データ作成方法の一実施例におけるウィービングの各種パラメータを説明するための図である。
【図１７】図１７は、本発明に係る金属溶融３Ｄプリンタの造形データ作成方法の一実施例におけるウィービングパターンとセルの関係を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、本発明に係る金属溶融３Ｄプリンタの造形データ作成方法および造形データ作成プログラム、並びに、金属溶融３Ｄプリンタの実施形態を、添付図面を参照して詳述する。図７は、本発明に係る金属溶融３Ｄプリンタの一実施例の全体構成を示す斜視図であり、図８は、図７に示す金属溶融３Ｄプリンタの造形処理部を示す斜視図である。ここで、図７に示す金属溶融３Ｄプリンタ６０および図８に示す造形処理部５５は、前述した図１に示す金属溶融３Ｄプリンタ５０および図２に示す造形処理部４５に対応するものであり、実質的に同等の機能を有している。
【００３５】
すなわち、図７に示す金属溶融３Ｄプリンタ６０は、図１〜図５を参照して説明した金属溶融３Ｄプリンタ５０により造形物１８を造形する機能を有し、さらに、図６を参照して説明したように、金属溶融３Ｄプリンタ６０により造形された造形物１８から、例えば、切削加工機(ＣＮＣ工作機械)を使用して二次加工を行うことで、最終的な製品(最終造形物１８Ｐ)を得ることもできる。なお、図７および図８において、図１〜図５を参照して説明したのと同様の個所(部品)には、同じ参照符号を付している。
【００３６】
図７において、参照符号８０は、アーク溶接を適用した金属溶融３Ｄプリンタ６０において、アーク溶接に使用されるシールドガスを供給するガスホース、９０は、アーク溶接を行うために溶接機電源９からの電力を供給する電力ケーブル、そして、１は、例えば、本発明に係る造形データ作成プログラムの一実施例を実行するコンピュータ(制御ユニット)を示す。
【００３７】
また、図７において、参照符号６１は、トーチケーブルの曲率を大きく保持するスペースの確保および保持部品を実装するためのトーチケーブルサポート部、６２は、金属溶融３Ｄプリンタ６０(装置)の状態を表示する積層信号灯、そして、６３は、非常停止スイッチを示す。さらに、参照符号６４は、電磁ロックを備えた正面扉、６５は、溶接電源のノイズを抑制するノイズフィルタ、そして、６６は、冷却媒体貯蔵タンク１０の水位を示す水位メータを示す。なお、積層信号灯６２は、例えば、アラーム発生時に赤点灯するようになっており、また、正面扉６４は、例えば、装置通電時のアプリ操作により開錠できるようになっている。
【００３８】
図８において、参照符号２０は、金属溶融３Ｄプリンタ６０を制御する制御盤、２００は、制御盤２０を冷却するための冷却ファン、そして、３００は、造形水槽６からの排水(冷却媒体ＣＷ：例えば、水)を冷却媒体貯蔵タンク１０に戻す排水経路に設けられ、その排水の塵埃等をろ過する排水フィルタを示す。また、参照符号２１は、例えば、三相２００Ｖを入力して三相２００Ｖと単相１００Ｖを出力する配電盤、２２は、溶接により発生した金属粉を含む排気を集塵機等に接続して排出する排気ダクトを示す。なお、図７および図８に示す金属溶融３Ｄプリンタおよび造形処理部は、単なる例であり、様々な変形および変更が可能なのはいうまでもない。
【００３９】
ここで、本実施例の金属溶融３Ｄプリンタは、ＣＡＤデータから展開したＳＴＬ(ＳＴＬデータ)を利用し、後に詳述するように、溶接トーチ５(溶接ワイヤ２７)を溶接線に対して左右に揺動させるウィービングを行い、所定幅の溶接ビードを置いて造形物(予測形状の造形物)を造形する。そして、本実施例の金属溶融３Ｄプリンタにより造形された造形物は、例えば、ＣＮＣ工作機械等の切削加工機による二次加工を行って最終的な製品になる。なお、溶接トーチ５のウィービング動作は、Ｘ軸アクチュエータ２およびＹ軸アクチュエータ４による制御で行うが、例えば、溶接トーチ５のウィービング動作を行う専用の機構を搭載することも可能である。
【００４０】
次に、図９〜図１７を参照して、上述した本発明に係る金属溶融３Ｄプリンタの造形データ作成方法(造形データ作成プログラム)を説明する。図９は、本発明に係る金属溶融３Ｄプリンタの造形データ作成方法(造形データ作成プログラム)の一実施例を説明するためのフローチャートである。まず、図９を参照して、本実施例の造形データ作成方法による処理の概略を説明し、その後、図１０〜図１７を参照して、それぞれの処理を詳述する。
【００４１】
図９に示されるように、金属溶融３Ｄプリンタの造形データ作成処理が開始(スタート)すると、ます、ステップＳＴ１において、造形するＳＴＬを読み込む。すなわち、ステップＳＴ１において、例えば、ＣＡＤデータから展開した、金属溶融３Ｄプリンタにより造形する造形物のＳＴＬ(ＳＴＬデータ)を読み込んで、ステップＳＴ２に進む。
【００４２】
ステップＳＴ２では、造形物の造形材料を選択することで、材料ごとの条件が決定する。すなわち、目的とする造形物１８(製品１８Ｐ)の材料に基づいて、アーク溶接により造形物を造形する溶接ワイヤ２７の種類、例えば、アルミニウム合金、ステンレス、銅合金、ニッケル合金または軟鋼等の材料が決められる。ここで、造形物の材料(造形に使用する溶接ワイヤ２７の種類)が決定すると、それに応じて、溶接トーチ５によるウィービングパターン、ウィービングパラメータ、および、基準ユニットのセルの大きさ等が決まる。なお、基準ユニットは、格子状(碁盤の目状)に設けられた複数のセルで形成される。
【００４３】
次に、ステップＳＴ３に進んで、基準ユニットを表示させ、その基準ユニットを移動させることにより、ＳＴＬの配置を調整し、ステップＳＴ４に進む。ステップＳＴ４では、造形開始時の高さ、造形終了時の高さ、および、造形の１層の厚みを決定し、ステップＳＴ５に進む。
【００４４】
ステップＳＴ５では、層ごとの造形データの作成処理を開始する。すなわち、ステップＳＴ５において、ＳＴＬを１層の厚み単位でスライスし、上層から下層の順番で処理を行う。さらに、ステップＳＴ６に進んで、スライスした層のＳＴＬが入っている対象セルを決定する。このとき、上層のＳＴＬも対象とする。すなわち、スライスされたそれぞれの層におけるＳＴＬに対して、基準ユニットを対応させてＳＴＬが入っている(ＳＴＬを含む)セルを対象セルとして決定する。そして、ステップＳＴ７に進んで対象セルの周りに１セル分の削り代セルを付加する。
【００４５】
次に、ステップＳＴ８に進んで、横方向に２セル単位でグループ化していく。すなわち、溶接線に対して、溶接トーチ５を左右(横方向)に揺動させるウィービングの幅を規定する２セル単位でグループ化を行う。さらに、ステップＳＴ９に進んで、グループ化したセルからウィービングデータを作成、すなわち、グループ化され２セル単位でウィービングデータを作成する。
【００４６】
そして、ステップＳＴ１０に進んで、全ての層に対する造形データの作成処理が終了したかどうかを判定し、全ての層に対する造形データの作成処理が終了していない(ＮＯ)と判定すると、ステップＳＴ６に戻って同様の処理を繰り返し、全ての層に対する造形データの作成処理が終了した(ＹＥＳ)と判定すると、造形データ作成処理を完了(エンド)する。
【００４７】
このように、本実施例の金属溶融３Ｄプリンタの造形データ作成方法(造形データ作成プログラム)によれば、ウィービングを利用して幅広形状の造形物の造形データを作成することができ、また、形状認識しづらいＳＴＬを格子状に設けられた複数のセルで形成された基準ユニット上に置くことで、細かい形状を意識することなく単純なセル単位の造形データを容易に作成することができる。すなわち、様々なＳＴＬの形状に対して形状認識するアルゴリズムを組み込むことなく、確実に未削り部分が出ない肉盛形状の造形物の造形データを作成することが可能になる。
【００４８】
図１０は、本発明に係る金属溶融３Ｄプリンタの造形データ作成方法の一実施例におけるウィービング動作の例を説明するための図であり、Ｌ字型の造形物を造形する場合の例を示すものである。ここで、図１０(a)は、格子状に設けられた複数のセルＣＥで形成された基準ユニットＲＵに対して、Ｌ字型の造形物(平面形状がＬ字で所定の高さを有する造形物)を造形するためのＳＴＬ(ＳＴＬデータ)ＳＤを配置した状態、および、三角波形状のウィービングパターンＷＰを示す。また、図１０(b)は、ＳＴＬ(ＳＤ)を複数層にスライスし、その奇数番目の層(奇数層)のＳＴＬ(ＳＤo)とそのときのウィービング方向(順序)を示し、図１０(c)は、ＳＴＬ(ＳＤ)を複数層にスライスし、その偶数番目の層(偶数層)のＳＴＬ(ＳＤe)とそのときのウィービング方向(順序)を示す。なお、セルＣＥは、正方形状とされている。
【００４９】
図１０(a)に示されるように、造形物(例えば、Ｌ字形状の造形物)を造形する場合、溶接トーチ５(溶接ワイヤ２７)は、一定方向(図面において上下方向)に進行するように制御され、ウィービングパターンＷＰは、その進行方向(送り方向)に対して横方向(幅方向)に振るように制御される。
【００５０】
ここで、図１０(b)に示されるように、例えば、奇数層ＳＤoにおいて、溶接トーチ５は、図面において上から下向きで、左から順番に(1)→(2)→(3)→(4)というように所定幅(ほぼ２セル分)の溶接ビードを置くようにウィービング制御される。また、図１０(c)に示されるように、例えば、偶数層ＳＤeにおいて、溶接トーチ５は、図面において下から上向きで、左から順番に(5)→(6)→(7)→(8)というように所定幅の溶接ビードを置くようにウィービング制御される。すなわち、層が変わるごとに溶接トーチ５の進行方向(図面における上下の向き)を反転させて造形を行うのが好ましい。
【００５１】
なお、図１０(図１０(a))では、三角波形状のウィービングパターンＷＰを使用しているが、このウィービングパターンＷＰは、使用する造形材料(例えば、ステンレス，アルミニウム，銅合金，軟鋼，インコネル等)に基づいて、最適なものが決められる。また、後に詳述するが、溶接トーチ５のウィービングパラメータ、および、基準ユニットＲＵにおけるセルＣＥの大きさ等も使用する造形材料に基づいて決められる。
【００５２】
図１１は、本発明に係る金属溶融３Ｄプリンタの造形データ作成方法の一実施例における各層の幅の例を説明するための図であり、図１１(a)は、すり鉢状(椀形状)の製品(１８Ｐ：ＳＴＬ)の横断面図を示し、図１１(b)は、その場合の金属溶融３Ｄプリンタにより造形する造形物(造形物１８の造形データ)の横断面図を示す。
【００５３】
図１１(a)と図１１(b)の比較から明らかなように、本実施例の金属溶融３Ｄプリンタの造形データ作成方法により作成される造形データは、下の層が上の層より同じ幅か広い幅となるようにされている。すなわち、ＳＴＬをスライスした複数層において、下に位置する第１スライス層(Ｌd)は、その第１スライス層の上に位置する第２スライス層(Ｌu)よりも幅が同じか広くなっている。これは、下に位置するスライス層が上に位置するスライス層よりも幅が狭いと、溶融した金属(溶接ビード)が垂れてきて好ましくないからである。このように、下の層は上の層より同じ幅か広い幅となるようなデータ作成するために、対象層の上層のＳＴＬ(スライスされたＳＴＬ)も対象とするのが好ましい。
【００５４】
図１２および図１３は、本発明に係る金属溶融３Ｄプリンタの造形データ作成方法の一実施例に適用する造形物の一例および造形データの作成処理を説明するための図である。ここで、図１２(a)は、例えば、一実施例のアプリケーション(金属溶融３Ｄプリンタの造形データ作成プログラム)で読み込んだＳＴＬ(ＳＴＬによる形状)を斜め４５度から見た斜視図を示し、図１２(b)は、図１２(a)のＳＴＬを真上から見た平面図を示す。また、図１２(c)は、前述した図９のステップＳＴ３における処理を説明するためのものであり、図１３は、前述した図９のステップＳＴ６〜ＳＴ９における各処理を説明するためのものである。なお、図１３において、溶接トーチ５の進行方向(トーチの移動ルート)は、例えば、図１０(c)を参照して説明した偶数層(ＳＤe)おける、図面下から上向きで、左から順番に(5)→(6)→(7)→(8)→のようになっている。
【００５５】
すなわち、図１２(a)および図１２(b)に示されるような形状のＳＴＬ(最終的な製品１８Ｐに対応)を得ようとする場合、図１２(c)に示されるように、基準ユニットＲＵを上下および左右に移動させることにより、ＳＴＬ(ＳＤ)の配置を調整する。ここで、基準ユニットＲＵの種類、すなわち、格子状に並べられた１つの正方形のセルＣＥの一辺の長さは、例えば、使用する造形材料に基づいて最適なものが決められる。すなわち、基準ユニットＲＵは、上下／左右に移動することが可能であり、適用する基準ユニットＲＵの種類(セルＣＥの大きさ)を変えることにより、造形物の材料等に最適な造形データの調整(作成)が可能となる。
【００５６】
このように、ＳＴＬに対する基準ユニットＲＵが決まると、造形開始時の高さ、造形終了時の高さ、および、造形の１層の厚みを決定し、ＳＴＬを１層の厚み単位でスライスして、上層から下層の順番で造形データの作成処理を行う。すなわち、図１３に示されるように、基準ユニットＲＵにおいて、ＳＴＬを１層の厚み単位でスライスした任意の層のＳＤＬ(ＳＤn)が入っているセルを対象セルＣＥiとして決める。この対象セルＣＥiは、ＳＤnの領域が一部でも含まれれば、全て対象セルＣＥiとする。
【００５７】
さらに、図１３における『★』で示すように、例えば、対象セルＣＥiの周りに１セル分の削り代セル『★』を付加する。さらに、図１３における『☆』で示すように、例えば、溶接トーチ５のウィービングの振り幅を２セル単位(２列単位)で行う場合には、２セル単位で行うための拡張した部分(拡張セル『☆』)を追加して、造形物１８の造形データとする。
【００５８】
ここで、削り代セル『★』としては、対象セルＣＥiの周囲の１セル分に限定せずに、例えば、２セル分等としてもよいが、削り代セル『★』は、例えば、切削加工を行って最終的な製品(１８Ｐ)を得る場合には、切削されて無駄になるため、最小の領域とするのが好ましい。また、１つのセルの大きさは、基準ユニットＲＵの種類により決められるため、基準ユニットＲＵを決定する条件を考慮することにより、削り代セル『★』を常に１セル分とすることもできる。また、溶接トーチ５の進行方向に関しては、振り幅方向のウィービングとは直接関与しないため、１セル単位(１行単位)とすることができる。
【００５９】
そして、スライスされたそれぞれの層におけるＳＴＬ(ＳＤn)に対して、上層から下層の順番で処理を行って、全ての処理が終了すると、金属溶融３Ｄプリンタにより造形される造形物(１８)の造形データが作成されることになる。なお、下に位置するスライス層が上に位置するスライス層よりも幅が狭いと、溶融した金属が垂れてくるため、下の層は上の層より同じ幅か広い幅となるような造形データを作成するのが好ましいのは、前述した通りである。
【００６０】
図１４は、本発明に係る金属溶融３Ｄプリンタの造形データ作成方法の一実施例において、造形データの一例に対する造形データの作成設定と、作成した造形データのモデル表示を説明するための図である。ここで、図１４(a)は、造形データの作成設定を行うための表示例を示し、図１４(b)は、図１２および図１３を参照して説明した造形物の一例の造形データによるモデル(形状)を斜め４５度から見た斜視図を示し、そして、図１４(c)は、図１４(b)の造形データによるモデルを真上から見た平面図を示す。
【００６１】
図１４(a)に示されるように、金属溶融３Ｄプリンタにより造形を開始する造形開始高さ(溶接開始位置)、造形を終了する終了高、および、ＳＴＬをスライスする１層の厚み等は、例えば、金属溶融３Ｄプリンタを購入したユーザが設定することができるようになっている。そして、図１４(b)および図１４(c)に示されるような、図１２および図１３を参照して説明した造形物の一例を造形するための造形データが作成されることになる。すなわち、図１４(a)のような造形データ作成の設定を入力して実行することにより、層ごとの造形データ(溶接トーチ５が移動制御される座標の集合体)を作成することができる。
【００６２】
なお、図１４(a)では、重量超過時の造形データ作成中止項目が設けられ、チェックがなされているが、これは、本実施例ではＳＴＬ(スライスされたＳＴＬ)に対して削り代セル『★』や拡張セル『☆』を追加して、造形データを作成するため、金属溶融３Ｄプリンタにより造形される造形物が、装置が許容する所定の重量を超過しないようにするためのものである。このような追加の機能は、適宜追加することができるのはいうまでもない。また、図１４(c)では、溶接トーチ５を移動させるための直線も描かれている。
【００６３】
図１５は、本発明に係る金属溶融３Ｄプリンタの造形データ作成方法の一実施例において、造形データの他の例に対する造形データの作成と、作成した造形データのモデル表示を説明するための図であり、最終的な製品が注ぎ口が設けられた方形形状の場合を説明するためのものである。ここで、図１５(a)は、ＳＴＬを斜め４５度から見た斜視図を示し、図１５(b)は、図１５(a)のＳＴＬを真上から見た平面図を示す。また、図１５(c)は、作成された造形データによるモデル(形状)を斜め４５度から見た斜視図を示し、図１５(d)は、図１５(c)の造形データによるモデルを真上から見た平面図を示す。
【００６４】
図１５(a)と図１５(c)の比較から明らかなように、下に位置するスライス層が上に位置するスライス層と同じ幅となるようにして造形データが作成されるのが分かる。なお、図１５(d)では、前述した図１４(c)と同様に、溶接トーチ５を移動させるための直線も描かれている。
【００６５】
図１６は、本発明に係る金属溶融３Ｄプリンタの造形データ作成方法の一実施例におけるウィービングの各種パラメータを説明するための図であり、図１７は、本発明に係る金属溶融３Ｄプリンタの造形データ作成方法の一実施例におけるウィービングパターンとセルの関係を説明するための図である。ここで、図１６(a)は、造形材料がステンレスの場合のウィービングのパラメータの例を示し、図１６(b)は、造形材料がステンレスの場合のウィービングのパターンの例を示す。また、図１６(c)は、隣接するウィービングの重なりを説明するためのものであり、図１７(a)は、ウィービングパターンとセルの関係を説明するためのものであり、図１７(b)は、ウィービングパターンの他の例を示すものである。
【００６６】
図１６(a)および図１６(b)に示されるように、例えば、前述した図９のステップＳＴ２において、例えば、造形物１８(最終的な製品１８Ｐ、或いは、造形に使用する溶接ワイヤ２７)の材料としてステンレスを選択すると、トーチ送り速度(溶接トーチ５の移動速度)Ｗvは８mm／sec、ウィービング送り幅Ｗlは２mm、ウィービング振り幅Ｗaoは１０mm、積層ピッチＷtは２.７５mm、そして、重ね幅Ｗoは２mmと決まる。さらに、削り代セル『★』は造形対象セルＣＥiの周りに１セル分付与と決まり、そして、１つのセルＣＥは４mm×４mmと決まる。なお、図１４(a)を参照して説明したように、例えば、積層ピッチ(１層の厚み)Ｗtは、ユーザが設定することもできる。
【００６７】
ここで、隣接するウィービングによる溶接ビードの分離を避けるために、隣接するウィービングが重なる重ね幅Ｗoが設けられている。すなわち、図１７(a)に示されるように、例えば、４mm×４mmの２つのセル単位でウィービングを行う場合、例えば、１０mmウィービング振り幅Ｗaoにおいて、隣接する２つのウィービングパターンの重ね幅Ｗoは２mmとなるのが分かる。以上の説明において、ウィービングパターンは、三角波形状として説明したが、例えば、造形材料に応じて、図１７(b)に示すような矩形波形状とすることもできる。さらに、アーク溶接で行われている他のウィービングパターン、例えば、連続した円や楕円形状等とすることも可能である。
【００６８】
上述した金属溶融３Ｄプリンタの造形データ作成プログラムは、金属溶融３Ｄプリンタに設けられた制御ユニット(コンピュータ)１で実行して造形データを作成することができるが、金属溶融３Ｄプリンタとは別の場所に設けられたコンピュータで実行して造形データを作成し、その作成された造形データを、記憶媒体(例えば、ＵＳＢメモリ等)を介して金属溶融３Ｄプリンタに与えて造形物を造形することもできる。
【００６９】
以上、実施形態を説明したが、ここに記載したすべての例や条件は、発明および技術に適用する発明の概念の理解を助ける目的で記載されたものであり、特に記載された例や条件は発明の範囲を制限することを意図するものではない。また、明細書のそのような記載は、発明の利点および欠点を示すものでもない。発明の実施形態を詳細に記載したが、各種の変更、置き換え、変形が発明の精神および範囲を逸脱することなく行えることが理解されるべきである。
【符号の説明】
【００７０】
１    制御ユニット(コンピュータ)
２    Ｘ軸アクチュエータ
３    Ｚ軸アクチュエータ
４    Ｙ軸アクチュエータ
５    溶接トーチ
６    造形水槽
７    ワイヤ供給装置
８    シールドガスボンベ
９    溶接機電源
１０    冷却媒体貯蔵タンク
１２    ワークテーブル
１３    Ａ軸
１５    ベースプレート
１６    スペーサ
１８    造形物
１８Ｐ    最終造形物(最終的な製品)
１９    切削工具
２０    制御盤
２７    溶接ワイヤ
３０，３０’    ポンプ
３１，３１’    流量制御弁
３２    冷却ユニット
４５，５５    造形処理部
５０，６０    金属溶融３Ｄプリンタ
６１    トーチケーブルサポート部
６２    積層信号灯
６３    非常停止スイッチ
６４    正面扉
６５    ノイズフィルタ
６６    水位メータ
８０    ガスホース
９０    電力ケーブル
２００    冷却ファン
３００    排水フィルタ
ＣＥ    セル
ＣＷ    冷却媒体(水)
ＲＵ    基準ユニット
ＳＤ    ＳＴＬ(ＳＴＬデータ)
Ｗao    ウィービング振り幅
Ｗl    ウィービング送り幅
ＷＬ    液面
Ｗo    重ね幅
ＷＳ    溶接面
Ｗt    積層ピッチ
Ｗv    トーチ送り速度
【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６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2019198886.tif 000017
【図１６】
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【図１７】
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