(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物の付加対象面に造形物を造形する付加製造装置であって、
前記付加対象面の加工領域に対して造形材料を供給する材料供給部と、
前記造形材料を溶融させるレーザビームを前記加工領域へ照射する照射部と、
前記材料供給部と前記照射部とを制御し、前記加工領域に前記造形材料を供給しながら前記レーザビームを前記加工領域へ照射させて、前記レーザビームの照射により前記造形材料が溶融して形成される玉状のビードを用いて前記造形物の少なくとも一部を造形するための制御を担う制御装置と、
を備え、
前記造形材料はワイヤ状であり、
前記材料供給部は、前記加工領域の面内方向に垂直な方向に対して斜め方向に前記ワイヤ状の造形材料を進行させて、前記加工領域に対して前記ワイヤ状の造形材料を供給し、
前記照射部は、前記加工領域の面内方向に垂直な方向に前記レーザビームを進行させて、前記加工領域へ前記レーザビームを照射し、
前記制御装置は、
前記ワイヤ状の造形材料の先端を前記加工領域に接触させた後に前記レーザビームを前記加工領域へ照射させる制御を行い、
複数の前記玉状のビードからなる前記玉状のビードの層を複数層積層する場合において２層目以降の前記玉状のビードを形成する際に、前記加工領域の面内方向に垂直な方向に対して斜め方向に供給される前記ワイヤ状の造形材料が前記レーザビームの中心軸と交わる位置まで供給された場合に前記ワイヤ状の造形材料の先端が前記加工領域に接触しない高さ位置に前記ワイヤ状の造形材料を供給させた後に、または前記加工領域の面内方向に垂直な方向に対して斜め方向に供給される前記ワイヤ状の造形材料の中心軸が前記加工領域に接触する位置まで前記ワイヤ状の造形材料を供給する場合に前記ワイヤ状の造形材料の先端が前記加工領域に接触しない高さ位置に前記ワイヤ状の造形材料を供給させた後に、前記ワイヤ状の造形材料を前記加工領域の実際の高さを下回る位置へ向けて移動させることにより前記加工領域へ向けて移動させて前記ワイヤ状の造形材料の先端を前記加工領域に接触させる制御を行うこと、
を特徴とする付加製造装置。
【請求項２】
被加工物の付加対象面に造形物を造形する付加製造装置であって、
前記付加対象面の加工領域に対して造形材料を供給する材料供給部と、
前記造形材料を溶融させるレーザビームを前記加工領域へ照射する照射部と、
前記材料供給部と前記照射部とを制御し、前記加工領域に前記造形材料を供給しながら前記レーザビームを前記加工領域へ照射させて、前記レーザビームの照射により前記造形材料が溶融して形成される玉状のビードを用いて前記造形物の少なくとも一部を造形するための制御を担う制御装置と、
を備え、
前記造形材料はワイヤ状であり、
前記制御装置は、前記レーザビームと前記ワイヤ状の造形材料の中心軸とが非同軸である場合には前記付加対象面の面内方向における前記レーザビームの中心軸と前記ワイヤ状の造形材料の先端との間の距離が前記レーザビームの半径の０．５倍以上、２．３倍以下の範囲である待機位置まで前記ワイヤ状の造形材料を供給させた後に、前記レーザビームと前記ワイヤ状の造形材料の中心軸とが同軸である場合には前記付加対象面と前記ワイヤ状の造形材料の先端との間の距離が前記レーザビームの半径の０．５倍以上、２．３倍以下の範囲である待機位置まで前記ワイヤ状の造形材料を供給させた後に、前記レーザビームを前記加工領域へ照射させ、さらに前記ワイヤ状の造形材料を前記加工領域へ供給させる制御を行い、
前記待機位置は、前記レーザビームを前記加工領域へ照射させた後に、前記ワイヤ状の造形材料の前記加工領域への供給が開始される前に、前記ワイヤ状の造形材料が前記レーザビームにより前記ワイヤ状の造形材料の融点以上に熱せられない位置であり、
前記付加対象面が、前記造形物を構成する２層目以上の玉状のビードの層である場合に、
前記制御装置は、前記レーザビームを照射する前に、前記付加対象面の高さと前記待機位置まで供給された前記ワイヤ状の造形材料の先端位置の高さとに基づいて、前記ワイヤ状の造形材料の先端が前記加工領域へ照射される前記レーザビームの中心軸の位置まで到達できる高さ位置まで上方に移動させた後に、さらに前記ワイヤ状の造形材料を前記加工領域へ供給させること、
を特徴とする付加製造装置。
【請求項３】
前記制御装置は、前記ワイヤ状の造形材料の供給位置を固定した状態で前記加工領域へ前記ワイヤ状の造形材料を供給しながら予め定められた照射時間にわたって前記レーザビームを前記加工領域へ照射させた後に、前記ワイヤ状の造形材料の供給および前記レーザビームの照射を停止させる制御を行うこと、
を特徴とする請求項１または２に記載の付加製造装置。
【請求項４】
前記制御装置は、前記ワイヤ状の造形材料の供給を停止した後に、前記ワイヤ状の造形材料の供給方向と反対の方向に前記ワイヤ状の造形材料を引き抜き、前記レーザビームの照射を停止させる制御を行うこと、
を特徴とする請求項１または２に記載の付加製造装置。
【請求項５】
前記制御装置により制御されて前記加工領域へ不活性ガスを噴出するガス供給部を備え、
前記制御装置は、前記レーザビームを前記加工領域へ照射している間および前記レーザビームの照射の停止後の予め定められた継続時間にわたって前記加工領域への前記不活性ガスを噴出させる制御を行うこと、
を特徴とする請求項３または４に記載の付加製造装置。
【請求項６】
前記制御装置は、前記継続時間の経過後に、次に前記レーザビームが照射されるまで前記不活性ガスの噴出を停止させる制御を行うこと、
を特徴とする請求項５に記載の付加製造装置。
【請求項７】
前記制御装置は、前記加工領域に溶着されている前記ワイヤ状の造形材料が溶融した溶融ワイヤから前記ワイヤ状の造形材料が抜けない範囲で前記ワイヤ状の造形材料を上方に移動させること、
を特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の付加製造装置。
【請求項８】
前記制御装置は、前記ワイヤ状の造形材料を上方に移動させた後に、前記ワイヤ状の造形材料の供給方向と反対の方向に前記ワイヤ状の造形材料を引き抜く制御を行うこと、
を特徴とする請求項７に記載の付加製造装置。
【請求項９】
前記制御装置は、前記付加対象面の面内において、前記付加対象面に形成済みの前記玉状のビードと、前記加工領域に供給される前記ワイヤ状の造形材料とが重ならない方向に、前記材料供給部の移動方向と前記ワイヤ状の造形材料の供給方向とを制御すること、
を特徴とする請求項１から８のいずれか１つに記載の付加製造装置。
【請求項１０】
前記被加工物を回転可能な回転機構または前記材料供給部と前記照射部とを前記付加対象面の面内方向において円形に移動させる移動機構を備え、
前記制御装置は、前記付加対象面の面内において、前記付加対象面に形成済みの前記玉状のビードと、前記加工領域に供給される前記ワイヤ状の造形材料とが重ならない方向に、前記ワイヤ状の造形材料の供給方向と前記被加工物の回転方向とを制御すること、
を特徴とする請求項１から９のいずれか１つに記載の付加製造装置。
【請求項１１】
前記制御装置は、隣り合う前記玉状のビード同士の間に隙間を空けて複数の第１の玉状のビードを形成した後、前記隙間または前記第１の玉状のビードに隣り合う領域に第２の玉状のビードを形成させる制御を行うこと、
を特徴とする請求項１から１０のいずれか１つに記載の付加製造装置。
【請求項１２】
前記制御装置は、複数の前記玉状のビードからなる前記玉状のビードの層を複数層積層する場合に、２層目以降の前記玉状のビードの層の形成において、前記玉状のビードの層の端部に対応する前記玉状のビードを、２層目以降の前記玉状のビードの層を構成する複数の前記玉状のビードのうち最後に形成させる制御を行うこと、
を特徴とする請求項１から１１のいずれか１つに記載の付加製造装置。
【請求項１３】
被加工物の付加対象面に造形物を造形する付加製造装置であって、
前記付加対象面の加工領域に対して造形材料を供給する材料供給部と、
前記造形材料を溶融させるレーザビームを前記加工領域へ照射する照射部と、
前記材料供給部と前記照射部とを制御し、前記加工領域に前記造形材料を供給しながら前記レーザビームを前記加工領域へ照射させて、前記レーザビームの照射により前記造形材料が溶融して形成される玉状のビードを用いて前記造形物の少なくとも一部を造形するための制御を担う制御装置と、
を備え、
前記造形材料はワイヤ状であり、
前記制御装置は、前記加工領域に供給される前記造形材料を溶融して前記造形物を形成することのできる熱源を用いて加熱されていない前記ワイヤ状の造形材料を予め決められた位置で停止させ、さらに前記ワイヤ状の造形材料の前記加工領域への供給を開始させた後に、前記レーザビームを前記加工領域へ照射させる制御を行うこと、
を特徴とする付加製造装置。
【請求項１４】
前記制御装置は、前記加熱されていないワイヤ状の造形材料を前記加熱されていないワイヤ状の造形材料の先端が前記加工領域に接触しない非接触位置まで吐出させ、さらに前記加熱されていないワイヤ状の造形材料の前記加工領域への供給を開始させた後に、前記レーザビームを前記加工領域へ照射させる制御を行うこと、
を特徴とする請求項１３に記載の付加製造装置。
【請求項１５】
前記非接触位置は、前記加熱されていないワイヤ状の造形材料と前記加工領域との間の距離が、前記加熱されていないワイヤ状の造形材料の供給が開始された後に前記加熱されていないワイヤ状の造形材料の供給速度が予め定められた規定値に達するまでの時間において前記加熱されていないワイヤ状の造形材料が供給される距離以上の位置であること、
を特徴とする請求項１４に記載の付加製造装置。
【請求項１６】
前記非接触位置は、前記非接触位置から前記加熱されていないワイヤ状の造形材料の前記加工領域への供給が開始されてから前記加熱されていないワイヤ状の造形材料の先端が前記加工領域に到達するまでに０．２秒以上必要な距離だけ離れた位置であること、
を特徴とする請求項１５に記載の付加製造装置。
【請求項１７】
前記制御装置は、前記レーザビームを前記加工領域へ照射させるタイミングを、前記加熱されていないワイヤ状の造形材料の先端の位置の観測結果に基づいて制御すること、
を特徴とする請求項１３から１６のいずれか１つに記載の付加製造装置。
【請求項１８】
被加工物の付加対象面に造形物を造形する付加製造装置であって、
前記付加対象面の加工領域に対して造形材料を供給する材料供給部と、
前記造形材料を溶融させるレーザビームを前記加工領域へ照射する照射部と、
前記材料供給部と前記照射部とを制御し、前記加工領域に前記造形材料を供給しながら前記レーザビームを前記加工領域へ照射させて、前記レーザビームの照射により前記造形材料が溶融して形成される玉状のビードを用いて前記造形物の少なくとも一部を造形するための制御を担う制御装置と、
を備え、
前記造形材料はワイヤ状であり、
前記制御装置は、
前記ワイヤ状の造形材料を前記ワイヤ状の造形材料の先端が前記加工領域に接触しない位置まで吐出させ、前記レーザビームを前記加工領域へ照射させた後に、さらに前記ワイヤ状の造形材料を前記加工領域に供給させる制御を行い、
前記レーザビームを前記加工領域へ照射させた後においては、前記ワイヤ状の造形材料の先端を前記加工領域に接触させた状態からさらに前記ワイヤ状の造形材料を前記加工領域に供給させた場合に前記レーザビームが前記加工領域に照射されていても前記ワイヤ状の造形材料の先端が前記加工領域から逸れる速度で、前記ワイヤ状の造形材料を前記加工領域に供給させること、
を特徴とする付加製造装置。
【請求項１９】
被加工物の付加対象面に造形物を造形する付加製造装置であって、
前記付加対象面の加工領域に対して造形材料を供給する材料供給部と、
前記造形材料を溶融させるレーザビームを前記加工領域へ照射する照射部と、
前記材料供給部と前記照射部とを制御し、前記加工領域に前記造形材料を供給しながら前記レーザビームを前記加工領域へ照射させて、前記レーザビームの照射により前記造形材料が溶融して形成される玉状のビードを用いて前記造形物の少なくとも一部を造形するための制御を担う制御装置と、
を備え、
前記造形材料はワイヤ状であり、
前記制御装置は、
前記ワイヤ状の造形材料の先端を前記加工領域に接触させた後に前記レーザビームを前記加工領域へ照射させる制御を行い、
前記加工領域に溶着されている前記ワイヤ状の造形材料が溶融した溶融ワイヤから前記ワイヤ状の造形材料が抜けない範囲で前記ワイヤ状の造形材料を上方に移動させること、
を特徴とする付加製造装置。
【請求項２０】
前記制御装置は、前記ワイヤ状の造形材料を上方に移動させた後に、前記ワイヤ状の造形材料の供給方向と反対の方向に前記ワイヤ状の造形材料を引き抜く制御を行うこと、
を特徴とする請求項１９に記載の付加製造装置。
【請求項２１】
被加工物の付加対象面の加工領域に対して造形材料を供給する材料供給部と、前記造形材料を溶融させるレーザビームを前記加工領域へ照射する照射部と、を制御することにより、前記加工領域に前記造形材料を供給しながら前記レーザビームを前記加工領域へ照射させ、付加加工を行うことによって前記付加対象面に造形物を造形する付加製造方法であって、
前記レーザビームの照射により前記造形材料を溶融して玉状のビードを形成するステップを含み、
前記造形材料はワイヤ状であり、
前記玉状のビードを形成するステップは、
前記加工領域に供給される前記造形材料を溶融して前記造形物を形成することのできる熱源を用いて加熱されていない前記ワイヤ状の造形材料の前記加工領域への供給を開始させるステップと、
前記加熱されていないワイヤ状の造形材料の前記加工領域への供給を開始させた後に、前記レーザビームを前記加工領域へ照射させるステップと、
を含むこと、
を特徴とする付加製造方法。
【請求項２２】
被加工物の付加対象面の加工領域に対して造形材料を供給する材料供給部と、前記造形材料を溶融させるレーザビームを前記加工領域へ照射する照射部と、を制御することにより、前記加工領域に前記造形材料を供給しながら前記レーザビームを前記加工領域へ照射させ、付加加工を行う付加製造方法であって、
前記レーザビームの照射により前記造形材料を溶融して玉状のビードを形成するステップを含み、
前記造形材料はワイヤ状であり、
前記玉状のビードを形成するステップは、
前記ワイヤ状の造形材料を前記ワイヤ状の造形材料の先端が前記加工領域に接触しない位置まで吐出させるステップと、
前記レーザビームを前記加工領域へ照射させるステップと、
前記ワイヤ状の造形材料を前記加工領域に供給させるステップと、
を含み、
前記ワイヤ状の造形材料を前記加工領域に供給させるステップでは、前記ワイヤ状の造形材料の先端を加工領域に接触させた状態からさらに前記ワイヤ状の造形材料を前記加工領域に供給させた場合に前記レーザビームが前記加工領域に照射されていても前記ワイヤ状の造形材料の先端が前記加工領域から逸れる速度で、前記ワイヤ状の造形材料を前記加工領域に供給させること、
を特徴とする付加製造方法。
【請求項２３】
被加工物の付加対象面の加工領域に対してワイヤ状の造形材料を供給する材料供給部と、前記ワイヤ状の造形材料を溶融させるレーザビームを前記付加対象面へ照射する照射部と、を制御することにより付加加工を行うことによって前記付加対象面に造形物を造形する付加製造方法であって、
前記レーザビームと前記ワイヤ状の造形材料の中心軸とを非同軸とする場合には前記付加対象面の面内方向における前記レーザビームの中心軸と前記ワイヤ状の造形材料の先端との間の距離が前記レーザビームの半径の０．５倍以上、２．３倍以下の範囲である待機位置まで前記ワイヤ状の造形材料を供給し、前記レーザビームと前記ワイヤ状の造形材料の中心軸とを同軸とする場合には前記付加対象面と前記ワイヤ状の造形材料の先端との間の距離が前記レーザビームの半径の０．５倍以上、２．３倍以下の範囲である待機位置まで前記ワイヤ状の造形材料を供給するステップと、
前記レーザビームを前記加工領域へ照射するステップと、
前記ワイヤ状の造形材料を前記加工領域へ供給するステップと、
を含み、
前記待機位置は、前記レーザビームを前記加工領域へ照射させた後に、前記ワイヤ状の造形材料の前記加工領域への供給が開始される前に、前記ワイヤ状の造形材料が前記レーザビームにより前記ワイヤ状の造形材料の融点以上に熱せられない位置であり、
前記付加対象面が、前記造形物を構成する２層目以上の玉状のビードの層である場合に、
前記レーザビームを照射する前に、前記付加対象面の高さと前記待機位置まで供給された前記ワイヤ状の造形材料の先端位置の高さとに基づいて、前記ワイヤ状の造形材料の先端が前記加工領域へ照射される前記レーザビームの中心軸の位置まで到達できる高さ位置まで上方に移動させた後に、さらに前記ワイヤ状の造形材料を前記加工領域へ供給させること、
を特徴とする付加製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワイヤ式の付加製造加工を行う付加製造装置および付加製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、三次元の立体物を造形する技術として、付加製造（Ａｄｄｉｔｉｖｅ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ：ＡＭ）と呼ばれる技術を用いた付加製造装置が知られている。特許文献１には、ワイヤを繰り返し溶滴状に溶融して加工物の上に堆積させることによって所望の形状の造形物を作る付加製造システムが開示されている。特許文献１に記載された付加製造システムでは、溶着材料ワイヤに電流を供給することにより溶着材料ワイヤの先端に溶融滴が形成される。そして、加工物の表面上に形成される溶融池の中に溶融滴が堆積されることで造形物が形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−１７９５０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１に記載された付加製造システムでは、ワイヤに供給する電流を制御することによって、ワイヤの溶融と、ワイヤからの溶滴の切り離しとが行われる。この場合、ワイヤと加工物との間にアーク放電が発生すると、加工物が破壊される可能性がある。このため、特許文献１に記載された付加製造システムでは、ワイヤと加工物との間にアーク放電が発生しないようにワイヤに供給する電流を制御する必要があり、溶融時間が長くなる。そして、溶融時間が長くなると溶滴が大きくなり、造形物の形状精度が低下してしまう、という問題があった。【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、造形物の形状精度の向上が可能な付加製造装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる付加製造装置は、被加工物の付加対象面に造形物を造形する付加製造装置である。付加製造装置は、付加対象面の加工領域に対して造形材料を供給する材料供給部と、造形材料を溶融させるレーザビームを加工領域へ照射する照射部と、材料供給部と照射部とを制御し、加工領域に造形材料を供給しながらレーザビームを加工領域へ照射させて、レーザビームの照射により造形材料が溶融して形成される玉状のビードを用いて造形物の少なくとも一部を造形するための制御を担う制御装置と、を備える。造形材料はワイヤ状である。材料供給部は、加工領域の面内方向に垂直な方向に対して斜め方向にワイヤ状の造形材料を進行させて、加工領域に対してワイヤ状の造形材料を供給する。照射部は、加工領域の面内方向に垂直な方向にレーザビームを進行させて、加工領域へレーザビームを照射する。制御装置は、ワイヤ状の造形材料の先端を加工領域に接触させた後にレーザビームを加工領域へ照射させる制御を行い、複数の玉状のビードからなる玉状のビードの層を複数層積層する場合において２層目以降の玉状のビードを形成する際に、加工領域の面内方向に垂直な方向に対して斜め方向に供給されるワイヤ状の造形材料がレーザビームの中心軸と交わる位置まで供給された場合にワイヤ状の造形材料の先端が加工領域に接触しない高さ位置にワイヤ状の造形材料を供給させた後に、または加工領域の面内方向に垂直な方向に対して斜め方向に供給されるワイヤ状の造形材料の中心軸が加工領域に接触する位置までワイヤ状の造形材料を供給する場合にワイヤ状の造形材料の先端が加工領域に接触しない高さ位置にワイヤ状の造形材料を供給させた後に、ワイヤ状の造形材料を加工領域の実際の高さを下回る位置へ向けて移動させることにより加工領域へ向けて移動させてワイヤ状の造形材料の先端を加工領域に接触させる制御を行う。
【発明の効果】
【０００７】
本発明にかかる付加製造装置は、造形物の形状精度の向上が可能である、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる付加製造装置を示す図
【図２】本発明の実施の形態１における加工領域を説明する模式図
【図３】本発明の実施の形態１にかかる制御装置のハードウェア構成を示すブロック図
【図４】本発明の実施の形態１にかかる付加製造装置の動作を説明するフローチャート
【図５】図１に示す付加製造装置の加工領域を示す模式断面図
【図６】図１に示す付加製造装置の加工領域へ吐出されたワイヤの先端が付加対象面に接触した状態を示す模式断面図
【図７】図１に示す付加製造装置の加工領域へレーザビームが照射された状態を示す模式断面図
【図８】図１に示す付加製造装置の加工領域へのワイヤの供給が開始された状態を示す模式断面図
【図９】図１に示す付加製造装置の加工領域からワイヤが引き抜かれる状態を示す模式断面図
【図１０】図１に示す付加製造装置の加工領域へのレーザビームの照射が停止された状態を示す模式断面図
【図１１】図１に示す付加製造装置の加工ヘッドが次の加工領域に移動する状態を示す模式断面図
【図１２】図１に示す付加製造装置による造形物の造形方法を説明する模式断面図
【図１３】図１に示す付加製造装置による玉ビードの形成順序を説明する模式図
【図１４】本発明の実施の形態２における付加製造装置の動作を説明するフローチャート
【図１５】図１に示す付加製造装置の加工ヘッドが第２の位置に移動したときのレーザビームの中心軸の位置を示す模式断面図
【図１６】図１に示す付加製造装置においてワイヤの先端がレーザビームの中心軸と交わる位置までワイヤが吐出された状態を示す模式断面図
【図１７】図１に示す付加製造装置のワイヤの先端を付加対象面に接触させた状態を示す模式断面図
【図１８】図１に示す付加製造装置の加工ヘッドが次の加工領域に移動する状態を示す模式断面図
【図１９】図１に示す付加製造装置による４層目の玉ビード層を形成する状態を示す模式断面図
【図２０】図１に示す付加製造装置の実施の形態３における動作を説明するフローチャート
【図２１】図１に示す付加製造装置の加工ヘッドが第１の位置に移動したときのレーザビームの中心軸の位置を示す模式断面図
【図２２】図１に示す付加製造装置においてワイヤが待機位置まで吐出された状態を示す模式断面図
【図２３】図１に示す付加製造装置において加工領域へレーザビームの照射を開始した状態を示す模式断面図
【図２４】図１に示す付加製造装置の加工領域へのワイヤの供給が開始された状態を示す模式断面図
【図２５】本発明の実施の形態３におけるワイヤの先端位置の算出方法を説明するための模式図
【図２６】本発明の実施の形態３におけるワイヤの先端位置の算出方法を説明するための条件を示した図
【図２７】図１に示す付加製造装置の実施の形態４における動作を説明するフローチャート
【図２８】図１に示す付加製造装置のワイヤが上方に移動する状態を示す模式断面図
【図２９】図１に示す付加製造装置の加工領域からワイヤが引き抜かれる状態を示す模式断面図
【図３０】本発明の実施の形態５における加工ヘッドの移動方向とワイヤの供給方向との関係との一例を示す図
【図３１】図１に示す付加製造装置の実施の形態６における動作を説明するフローチャート
【図３２】図１に示す付加製造装置の加工ヘッドが第１の位置に移動したときのレーザビームの中心軸の位置を示す模式断面図
【図３３】図１に示す付加製造装置において加工領域へ吐出されたワイヤの先端が付加対象面に接触した状態を示す模式断面図
【図３４】図１に示す付加製造装置の加工領域へのワイヤの供給が開始された状態を示す模式断面図
【図３５】図１に示す付加製造装置において加工領域へレーザビームの照射を開始した状態を示す模式断面図
【図３６】図１に示す付加製造装置において溶融ワイヤが付加対象面に溶着した状態を示す模式断面図
【図３７】図１に示す付加製造装置の実施の形態６における他の動作を説明するフローチャート
【図３８】図１に示す付加製造装置の加工ヘッドが第１の位置に移動したときのレーザビームの中心軸の位置を示す模式断面図
【図３９】図１に示す付加製造装置においてワイヤの先端が付加対象面に接触しない位置までワイヤが吐出された状態を示す模式断面図
【図４０】図１に示す付加製造装置の加工領域へのワイヤの供給が開始された状態を示す模式断面図
【図４１】図１に示す付加製造装置において加工領域へレーザビームの照射を開始した状態を示す模式断面図
【図４２】図１に示す付加製造装置において溶融ワイヤが付加対象面に溶着した状態を示す模式断面図
【図４３】図１に示す付加製造装置に計測システムが設けられた状態を示す図
【図４４】図１に示す付加製造装置の実施の形態７における動作を説明するフローチャート
【図４５】図１に示す付加製造装置の加工ヘッドが第１の位置に移動したときのレーザビームの中心軸の位置を示す模式断面図
【図４６】図１に示す付加製造装置においてワイヤの先端が加工領域に接触しない位置までワイヤが吐出された状態を示す模式断面図
【図４７】図１に示す付加製造装置において加工領域へレーザビームの照射を開始した状態を示す模式断面図
【図４８】図１に示す付加製造装置の加工領域へのワイヤの供給が開始された状態を示す模式断面図
【図４９】図１に示す付加製造装置での付加加工においてワイヤの供給速度が過剰である場合のワイヤの供給状態の画像を示す図
【図５０】図１に示す付加製造装置での付加加工においてワイヤの供給速度が正常である場合のワイヤの供給状態の画像を示す図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に、本発明の実施の形態にかかる付加製造装置および付加製造方法を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１０】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる付加製造装置１００を示す図である。図２は、本発明の実施の形態１における加工領域２６を説明する模式図である。付加製造装置１００は、ビームの照射によって溶融させた材料を被加工物の付加対象面へ付加する付加加工により、３次元の造形物を製造する。本実施の形態１において、ビームはレーザビーム２４であって、材料はワイヤ状の造形材料であり金属材料のワイヤ５であるものとする。なお、ワイヤ状の造形材料は、金属以外の材料であってもよい。
【００１１】
付加製造装置１００は、ベース材１７にビードを堆積させることによって、金属材料による堆積物１８をベース材１７の表面に形成する。ビードは、溶融したワイヤ５が凝固することによって形成される物体であり堆積物１８である。本実施の形態１において、ビードとして、玉状のビードを形成する。以下では、玉状のビードを玉ビードと称する。すなわち、玉ビードは、ワイヤ５が溶融凝固した玉状の金属である。ベース材１７は、ステージ１５に載置される。被加工物とは、ベース材１７もしくは堆積物１８を指すものとする。造形物とは、加工プログラムにしたがった材料の付加を終えた後の堆積物１８を指すものとする。図１に示すベース材１７は板材である。ベース材１７は、板材以外のものであっても良い。
【００１２】
付加製造装置１００は、ビームノズル１１とワイヤノズル１２とガスノズル１３とを有する加工ヘッド１０を備える。ビームノズル１１は、材料を溶融させる熱源であるレーザビーム２４を、被加工物へ向けて出射する。ワイヤノズル１２は、被加工物におけるレーザビーム２４の照射位置へ向けてワイヤ５を進行させる。
【００１３】
ガスノズル１３は、堆積物１８の酸化抑制および玉ビードの冷却のためのシールドガスを被加工物へ向けて噴出する。本実施の形態１において、シールドガスは不活性ガス２５であるものとする。ビームノズル１１とワイヤノズル１２とガスノズル１３とは、加工ヘッド１０に固定されることにより、互いの位置関係が一意に定められている。すなわち、加工ヘッド１０により、ビームノズル１１とガスノズル１３とワイヤノズル１２との相対位置関係が固定されている。
【００１４】
レーザ発振器２は、レーザビーム２４を発振する。ビーム源であるレーザ発振器２からのレーザビーム２４は、光伝送路であるファイバーケーブル３を通って加工ヘッド１０へ伝搬する。レーザ発振器２とファイバーケーブル３と加工ヘッド１０とにより、ワイヤ５を溶融させるレーザビーム２４を被加工物へ照射する照射部が構成される。ビームノズル１１から被加工物へ照射されるレーザビーム２４と、ワイヤ５の中心軸ＣＷとは、非同軸とされてもよく、同軸とされてもよい。ドーナツ状に成形されたドーナツビームをレーザビーム２４に使用することにより、または複数本に分岐されたレーザビームをレーザビーム２４に使用することにより、ビームノズル１１から被加工物へ照射されるレーザビーム２４と、ワイヤ５の中心軸ＣＷとを同軸上に配置することが可能である。なお、本実施の形態１では、ビームノズル１１から被加工物へ照射されるレーザビーム２４と、ワイヤ５の中心軸ＣＷとが非同軸である場合について説明する。ガス供給装置７は、配管８を通じてガスノズル１３へガスを供給する。ガス供給装置７と配管８とガスノズル１３とにより、加工領域２６へ不活性ガス２５を噴出するガス供給部が構成される。
【００１５】
ワイヤ５が巻き付けられているワイヤスプール６は、材料の供給源である。サーボモータである回転モータ４の駆動に伴ってワイヤスプール６が回転することによって、ワイヤ５はワイヤスプール６から繰り出される。ワイヤスプール６から繰り出されたワイヤ５は、ワイヤノズル１２を通されて、レーザビーム２４の照射位置へ供給される。また、ワイヤ５をワイヤスプール６から繰り出す場合と逆方向に回転モータ４を逆回転させることにより、レーザビーム２４の照射位置へ供給されたワイヤ５をレーザビーム２４の照射位置から引き抜くことができる。この場合、ワイヤスプール６から繰り出されているワイヤ５におけるワイヤスプール６側の一部がワイヤスプール６に巻き取られる。回転モータ４とワイヤスプール６とワイヤノズル１２とにより、ワイヤ供給部１９が構成される。
【００１６】
なお、ワイヤノズル１２には、ワイヤスプール６からワイヤ５を引き出すための動作機構が設けられても良い。付加製造装置１００は、ワイヤスプール６の回転モータ４とワイヤノズル１２の動作機構との少なくとも一方が設けられることによって、レーザビーム２４の照射位置へワイヤ５を供給可能とする。図１では、ワイヤノズル１２の動作機構の図示を省略している。
【００１７】
ヘッド駆動装置１４は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の各方向へ加工ヘッド１０を移動させる。Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、互いに垂直な３軸である。Ｘ軸およびＹ軸は、水平方向に平行な軸である。Ｚ軸方向は、鉛直方向である。ヘッド駆動装置１４は、Ｘ軸方向への加工ヘッド１０の移動のための動作機構を構成するサーボモータと、Ｙ軸方向の加工ヘッド１０の移動のための動作機構を構成するサーボモータと、Ｚ軸方向への加工ヘッド１０の移動のための動作機構を構成するサーボモータとを有する。ヘッド駆動装置１４は、３軸のそれぞれの方向の並進運動を可能とする動作機構である。図１では、各サーボモータの図示を省略している。付加製造装置１００は、ヘッド駆動装置１４により加工ヘッド１０を移動させることで、被加工物におけるレーザビーム２４の照射位置を移動させることができる。付加製造装置１００は、ステージ１５を移動させることによって、被加工物におけるレーザビーム２４の照射位置を移動させてもよい。
【００１８】
図１に示す加工ヘッド１０では、ビームノズル１１からＺ軸方向へレーザビーム２４を進行させる。ワイヤノズル１２は、ＸＹ面内においてビームノズル１１とは離れた位置に設けられており、Ｚ軸に対して斜めの方向へワイヤ５を進行させる。なお、ワイヤノズル１２は、加工ヘッド１０における固定方向を変更して、Ｚ軸に対して平行な方向へワイヤ５を進行させてもよい。ワイヤノズル１２は、ワイヤ５が所望の位置に供給されるようにワイヤ５の進行を制限するために用いられる。
【００１９】
図１に示す加工ヘッド１０において、ガスノズル１３は、ＸＹ面内においてビームノズル１１の外周側にビームノズル１１と同軸に設けられており、ビームノズル１１から出射されるレーザビーム２４の中心軸に沿うようにガスを噴出する。すなわち、ビームノズル１１とガスノズル１３とは、互いに同軸上に配置されている。なお、ガスノズル１３は、Ｚ軸に対して斜めの方向へガスを噴出してもよい。すなわち、ガスノズル１３は、ビームノズル１１から出射されるレーザビーム２４の中心軸に対して斜めの方向へガスを噴出してもよい。
【００２０】
回転機構１６は、第１軸を中心とするステージ１５の回転と、第１軸に垂直な第２軸を中心とするステージ１５の回転とを可能とする動作機構である。図１に示す回転機構１６において、第１軸はＸ軸に平行な軸であって、第２軸はＹ軸に平行な軸である。回転機構１６は、第１軸を中心にステージ１５を回転させるための動作機構を構成するサーボモータと、第２軸を中心にステージ１５を回転させるための動作機構を構成するサーボモータとを有する。回転機構１６は、２軸のそれぞれを中心とする回転運動を可能とする動作機構である。図１では、各サーボモータの図示を省略している。付加製造装置１００は、回転機構１６によりステージ１５を回転させることで、被加工物の姿勢または位置を変更することができる。すなわち、付加製造装置１００は、ステージ１５を回転させることで、被加工物におけるレーザビーム２４の照射位置を移動させることができる。回転機構１６を用いることで、テーパ形状を有する複雑な形状も造形することができる。
【００２１】
制御装置１は、加工プログラムに従って付加製造装置１００を制御する。制御装置１は、ワイヤ供給部と照射部とガス供給部とを制御し、ワイヤ５が溶融して形成される複数の玉ビード３２により造形物１０１を造形するための制御を担う。制御装置１には、たとえば数値制御装置が用いられる。制御装置１は、ヘッド駆動装置１４へ移動指令を出力することによって、ヘッド駆動装置１４の駆動を制御して、加工ヘッド１０を移動させる。制御装置１は、ビーム出力の条件に応じた指令をレーザ発振器２へ出力することによって、レーザ発振器２によるレーザ発振を制御する。
【００２２】
制御装置１は、材料の供給量の条件に応じた指令を回転モータ４へ出力することによって、回転モータ４の駆動を制御する。制御装置１は、回転モータ４の駆動を制御することによって、ワイヤスプール６から照射位置へ向かうワイヤ５の速度を調整する。以下の説明にて、かかる速度を、供給速度と称することがある。供給速度は、時間当たりの材料の供給量を表す。
【００２３】
制御装置１は、ガスの供給量の条件に応じた指令をガス供給装置７へ出力することによって、ガス供給装置７からガスノズル１３への不活性ガス２５の供給量を制御する。制御装置１は、回転機構１６へ回転指令を出力することによって、回転機構１６の駆動を制御する。すなわち、制御装置１は、各種指令を出力することによって、付加製造装置１００の全体を制御する。
【００２４】
造形物１０１は、ビームノズル１１より照射されるレーザビーム２４を用いて加工領域２６に溶融ワイヤ２１を堆積することで形成される。加工領域２６は、図２に示すように、ワイヤ５が供給され、ワイヤ５にレーザビーム２４が照射される。また、加工領域２６では、ベース材１７の表面または堆積物１８の表面からなる付加対象面２２が溶融して溶融池２３が形成される。そして、加工領域２６では、ワイヤ５が溶けて生成される溶融ワイヤ２１が、溶融池２３に溶着される。付加対象面２２は、溶融ワイヤ２１が溶着して堆積物１８が形成される付加加工の加工対象面である。加工領域２６は、付加対象面２２において付加加工が行われる加工対象となる領域である。
【００２５】
ヘッド駆動装置１４と回転機構１６とを連動させて加工ヘッド１０とステージ１５とを動かすことで、加工領域２６の位置を変化させることができ、所望の形状の造形物１０１を得ることができる。
【００２６】
ここで、制御装置１のハードウェア構成について説明する。図１に示す制御装置１は、本実施の形態１の付加製造装置１００の制御を実行するためのプログラムである制御プログラムがハードウェアで実行されることによって実現される。
【００２７】
図３は、本発明の実施の形態１にかかる制御装置１のハードウェア構成を示すブロック図である。制御装置１は、各種処理を実行するＣＰＵ（Central  Processing  Unit）４１と、データ格納領域を含むＲＡＭ（Random  Access  Memory）４２と、不揮発性メモリであるＲＯＭ（Read  Only  Memory）４３と、外部記憶装置４４と、制御装置１への情報の入力および制御装置１からの情報の出力のための入出力インタフェース４５とを有する。図３に示す各部は、バス４６を介して相互に接続されている。
【００２８】
ＣＰＵ４１は、ＲＯＭ４３および外部記憶装置４４に記憶されているプログラムを実行する。制御装置１による、付加製造装置１００の全体の制御は、ＣＰＵ４１を使用して実現される。
【００２９】
外部記憶装置４４は、ＨＤＤ（Hard  Disk  Drive）あるいはＳＳＤ（Solid  State  Drive）である。外部記憶装置４４は、制御プログラムと各種データとを記憶する。ＲＯＭ４３には、制御装置１であるコンピュータまたはコントローラの基本となる制御のためのプログラムであるＢＩＯＳ（Basic  Input/Output  System）あるいはＵＥＦＩ（Unified  Extensible  Firmware  Interface）といったブートローダであって、ハードウェアを制御するソフトウェアまたはプログラムが記憶されている。なお、制御プログラムは、ＲＯＭ４３に記憶されても良い。
【００３０】
ＲＯＭ４３および外部記憶装置４４に記憶されているプログラムは、ＲＡＭ４２にロードされる。ＣＰＵ４１は、ＲＡＭ４２に制御プログラムを展開して各種処理を実行する。入出力インタフェース４５は、制御装置１の外部の装置との接続インタフェースである。入出力インタフェース４５には、加工プログラムが入力される。また、入出力インタフェース４５は、各種指令を出力する。制御装置１は、キーボードおよびポインティングデバイスといった入力デバイス、およびディスプレイといった出力デバイスを有しても良い。
【００３１】
制御プログラムは、コンピュータによる読み取りが可能とされた記憶媒体に記憶されたものであっても良い。制御装置１は、記憶媒体に記憶された制御プログラムを外部記憶装置４４へ格納しても良い。記憶媒体は、フレキシブルディスクである可搬型記憶媒体、あるいは半導体メモリであるフラッシュメモリであっても良い。制御プログラムは、他のコンピュータあるいはサーバ装置から通信ネットワークを介して、制御装置１となるコンピュータあるいはコントローラへインストールされても良い。
【００３２】
制御装置１の機能は、付加製造装置１００の制御のための専用のハードウェアである処理回路によって実現されても良い。処理回路は、単一回路、複合回路、プログラム化されたプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Application  Specific  Integrated  Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable  Gate  Array）、又はこれらの組み合わせである。制御装置１の機能は、一部を専用のハードウェアで実現し、他の一部をソフトウェアまたはファームウェアで実現するようにしても良い。
【００３３】
次に、図４から図１１を参照して、本実施の形態１にかかる付加製造装置１００の動作について説明する。図４は、本発明の実施の形態１にかかる付加製造装置１００の動作を説明するフローチャートである。図５は、図１に示す付加製造装置１００の加工領域２６を示す模式断面図である。図６は、図１に示す付加製造装置１００の加工領域２６へ吐出されたワイヤ５の先端が付加対象面２２に接触した状態を示す模式断面図である。図７は、図１に示す付加製造装置１００の加工領域２６へレーザビーム２４が照射された状態を示す模式断面図である。図８は、図１に示す付加製造装置１００の加工領域２６へのワイヤ５の供給が開始された状態を示す模式断面図である。図９は、図１に示す付加製造装置１００の加工領域２６からワイヤ５が引き抜かれる状態を示す模式断面図である。図１０は、図１に示す付加製造装置１００の加工領域２６へのレーザビーム２４の照射が停止された状態を示す模式断面図である。図１１は、図１に示す付加製造装置１００の加工ヘッド１０が次の加工領域２６に移動する状態を示す模式断面図である。図５から図１１では、付加対象面２２における加工領域２６の周辺の状態を示している。なお、図７から図１０においては、不活性ガス２５の記載を省略している。
【００３４】
まず、ステップＳ１０において、加工ヘッド１０が、ベース材１７の付加対象面２２における加工領域２６の上方の予め定められた第１の位置に移動して、停止する。ここでの付加対象面２２は、ベース材１７において玉ビード３２が堆積される面であり、ステージ１５に載置されたベース材１７の上面である。加工ヘッド１０は、図５に示すように、ビームノズル１１から出射されるレーザビーム２４の中心軸ＣＬが、付加対象面２２における加工領域２６の中央位置とされる第１の位置に移動する。
【００３５】
次に、ステップＳ２０において、ワイヤノズル１２が、図６に示すように付加対象面２２における加工領域２６へ向けて加工領域２６の上方から斜めにワイヤ５を吐出して、ワイヤ５の先端を付加対象面２２に接触させる。すなわち、本実施の形態１においては、レーザビーム２４を付加対象面２２における加工領域２６に照射する前に、ワイヤ５の先端が付加対象面２２に接触した状態とされる。ワイヤ５を吐出するとは、付加対象面２２の加工領域２６におけるレーザビーム２４の照射位置へ向けてワイヤノズル１２からワイヤ５を進行させて供給することである。
【００３６】
このとき、ワイヤノズル１２から吐出されて付加対象面２２に接触したワイヤ５の中心軸ＣＷと、加工領域２６に照射されるレーザビーム２４の中心軸ＣＬとが、付加対象面２２の表面で交わっている、もしくは、ワイヤ５の中心軸ＣＷは、加工領域２６に照射されるレーザビーム２４の中心軸ＣＬからワイヤノズル１２側のレーザビーム２４のビーム半径内で、付加対象面２２の表面と交わっていることが好ましい。これにより、付加対象面２２において、ワイヤ５の中心軸ＣＷと加工領域２６に照射されるレーザビーム２４の中心軸ＣＬとの交点を中心として玉ビード３２を形成することができる。
【００３７】
次に、ステップＳ３０において、図７に示すようにレーザビーム２４が付加対象面２２における加工領域２６へ向けて照射され、付加対象面２２における加工領域２６に配置されたワイヤ５に照射される。また、レーザビーム２４の照射に合わせて、ガスノズル１３から加工領域２６への不活性ガス２５の噴出が開始される。この場合、レーザビーム２４を付加対象面２２に照射する前に、予め定められた一定時間にわたってガスノズル１３から不活性ガス２５を噴出させることが好ましい。これにより、ガスノズル１３内に残存していた酸素などの活性ガスをガスノズル１３内から除去することができる。
【００３８】
次に、ステップＳ４０において、図８に示すように、ワイヤノズル１２が加工領域２６へのワイヤ５の供給を開始する。すなわち、ワイヤノズル１２が、付加対象面２２へ向けてワイヤ５をさらに吐出する。これにより、予め加工領域２６に配置されていたワイヤ５とレーザビーム２４の照射開始後に加工領域２６へ供給されたワイヤ５とが溶融した溶融ワイヤ２１が、付加対象面２２に溶着する。これにより、付加対象面２２の加工領域２６に、堆積物１８である玉ビード３２が形成される。以降、予め決められた供給時間の間、加工領域２６へのワイヤ５の供給が継続される。
【００３９】
ワイヤ５の供給速度は、回転モータ４の回転速度で調整することができる。ワイヤ５の供給速度は、レーザビーム２４の出力によって制限がある。すなわち、加工領域２６への溶融ワイヤ２１の適正な溶着を実現するためのワイヤ５の供給速度とレーザビーム２４の出力とには相関がある。レーザビーム２４の出力を上昇させることにより、玉ビード３２の造形速度を高めることができる。
【００４０】
レーザビーム２４の出力に対してワイヤ５の供給速度が速すぎる場合は、ワイヤ５が溶けずに残る。レーザビーム２４の出力に対してワイヤ５の供給速度が遅い場合には、ワイヤ５が過剰に加熱されることにより、溶融ワイヤ２１が液滴状にワイヤ５から落下し、所望の形状に溶着されない。
【００４１】
また、玉ビード３２の大きさは、ワイヤ５の供給時間およびレーザビーム２４の照射時間を変更することにより調整することができる。ワイヤ５の供給時間およびレーザビーム２４の照射時間を長くすることにより、直径の大きな玉ビード３２を形成することが可能である。一方、ワイヤ５の供給時間およびレーザビーム２４の照射時間を短くすることにより、直径の小さな玉ビード３２を形成することが可能である。
【００４２】
次に、ステップＳ５０において、図９に示すように、ワイヤ５が加工領域２６から引き抜かれる。
【００４３】
次に、ステップＳ６０において、図１０に示すように、レーザ発振器２を停止させて加工領域２６へのレーザビーム２４の照射を停止する。ここで、ガスノズル１３は、被加工物へ向けての不活性ガス２５の噴出を止めずに継続する。すなわち、レーザ発振器２の停止後、ガスノズル１３は、予め定められた継続時間にわたって加工領域２６への向けての不活性ガス２５の噴出を継続する。
【００４４】
継続時間は、レーザ発振器２の停止後に、加工領域２６に溶着された玉ビード３２の温度が予め定められた温度まで低下するまでガスノズル１３から被加工物へ向けて不活性ガス２５の噴出を継続する時間である。継続時間は、ワイヤ５の材質および玉ビード３２の大きさ等の諸条件に基づいて決定されて、予め制御装置１に記憶されている。そして、レーザ発振器２の停止後、予め定められた継続時間が経過すると、ガスノズル１３から加工領域２６への不活性ガス２５の噴出が停止され、１つの玉ビード３２の形成が完了する。
【００４５】
そして、ステップＳ７０において、図１１に示すように、加工ヘッド１０が、ベース材１７の付加対象面２２における次の玉ビード３２を形成する位置に向かって移動する。図１１における矢印５１は、加工ヘッド１０の移動方向を示している。
【００４６】
図１２は、図１に示す付加製造装置１００による造形物１０１の造形方法を説明する模式断面図である。上述した工程を繰り返すことで、付加対象面２２上に造形物１０１を構成する玉ビード３２の層である１層目の玉ビード層２７ａを形成することができる。そして、図１２に示すように、１層目の玉ビード層２７ａ上で上述した工程を繰り返すことで、２層目の玉ビード層２７ｂ、３層目の玉ビード層２７ｃ、・・・と複数の玉ビード層を順次積層することにより、所望の形状の造形物１０１を形成することができる。２層目以降の玉ビードを形成する付加加工においては、既に形成された玉ビード層の上面が付加対象面２２となる。
【００４７】
上述したように、本実施の形態１にかかる付加製造装置１００は、ワイヤ５を溶融させる熱源としてレーザビーム２４を用いるため、ワイヤ５の溶融および溶融ワイヤ２１のワイヤ５からの切り離しに要する熱源投入時間を短くすることができる。これにより、付加製造装置１００は、形成された玉ビード３２の大きさを小さくすることができるため、造形物１０１の形状精度を向上させることができる。熱源投入時間は、ワイヤ５にレーザビーム２４を照射する時間である。
【００４８】
また、本実施の形態１にかかる付加製造装置１００は、レーザビーム２４がワイヤ５に照射される前にワイヤ５の先端を付加対象面２２に接触させておくため、溶融ワイヤ２１の付加対象面２２面への溶着が安定して行われ、溶融ワイヤ２１の付加対象面２２への未溶着を防ぐことができる。
【００４９】
レーザビーム２４の照射開始直後においては、ワイヤ５の先端部の下側の付加対象面２２の領域にはレーザビーム２４が照射されない。このため、ワイヤ５の先端部の下側に位置する付加対象面２２の温度は、ワイヤ５の先端部が溶融した溶融ワイヤ２１においてレーザビーム２４が照射される溶融ワイヤ２１の上部部分よりも低くなる。また、ワイヤ５の先端部が溶融した溶融ワイヤ２１の上部部分は、ワイヤ５の先端部が溶融した溶融ワイヤ２１の下部部分よりも相対的に温度が高くなる。
【００５０】
このため、レーザビーム２４がワイヤ５に照射される前にワイヤ５が付加対象面２２に接触していない場合は、ワイヤ５へのレーザビーム２４の照射開始直後に、溶融ワイヤ２１の下部部分が、ワイヤ５の溶融していない部分から離れずに、相対的に温度の高い溶融ワイヤ２１の上部部分に引き寄せられる駈け上がり現象が生じる。このような駈け上がり現象が生じる場合には、溶融ワイヤ２１の付加対象面２２への未溶着が起こり易くなる。これは、溶融ワイヤ２１の上部部分の濡れ性が向上することによる。
【００５１】
また、ワイヤ５の溶融していない部分から離れずに温度の高い上部部分に引き寄せられた溶融ワイヤ２１は、最終的にワイヤ５の溶融していない部分から離れて付加対象面２２に滴下する。しかしながら、この場合は、所望の位置に玉ビード３２が形成されない可能性があり、造形物１０１の形状精度の悪化につながる。
【００５２】
付加製造装置１００では、レーザビーム２４がワイヤ５に照射される前にワイヤ５の先端を付加対象面２２に接触させておくため、上述したようなワイヤ５へのレーザビーム２４の照射開始直後における駈け上がり現象の発生を防止して溶融ワイヤ２１の付加対象面２２への未溶着を防止することができる。これにより、付加製造装置１００は、ワイヤ５を確実に付加対象面２２に溶着させることができ、形状精度の高い造形物１０１を製造することができる。なお、上記においては、ビームノズル１１から被加工物へ照射されるレーザビーム２４とワイヤ５の中心軸ＣＷとが非同軸とされる場合について説明した。すなわち、上記においては、付加対象面２２における加工領域２６へ向けて加工領域２６の上方から斜めにワイヤ５が吐出される場合について説明した。ビームノズル１１から被加工物へ照射されるレーザビーム２４とワイヤ５の中心軸ＣＷとが同軸とされる場合においても、レーザビーム２４がワイヤ５に照射される前にワイヤ５の先端を付加対象面２２に接触させておくことにより、上記と同様の効果が得られる。
【００５３】
玉ビード３２の堆積を繰り返して造形物１０１を形成する場合は、溶融ワイヤ２１の溶着の動作が玉ビード３２の数だけ発生することになる。このため、付加対象面２２への未溶着の防止は、造形物１０１の形状精度の向上における効果が大きい。
【００５４】
なお、上述したステップＳ２０において、ワイヤノズル１２から吐出されて付加対象面２２に接触したワイヤ５の中心軸ＣＷと、加工領域２６に照射されるレーザビーム２４の中心軸ＣＬとが、付加対象面２２の表面で交わっていない場合でも、レーザビーム２４がワイヤ５に照射されていれば、ワイヤ５は溶融して付加対象面２２におけるレーザビーム２４が照射されている領域に拡がって溶着する。
【００５５】
ただし、付加対象面２２の表面において、付加対象面２２に接触したワイヤ５の中心軸ＣＷの位置が、加工領域２６に照射されるレーザビーム２４の中心軸ＣＬの位置からワイヤノズル１２に近づく側にずれている場合には、ワイヤ５が溶融しにくくなる。付加対象面２２の表面において、付加対象面２２に接触したワイヤ５の中心軸ＣＷの位置が、加工領域２６に照射されるレーザビーム２４の中心軸ＣＬの位置からワイヤノズル１２から離れる側にずれている場合には、ワイヤ５が過剰に溶融し易くなる。
【００５６】
また、付加製造装置１００では、付加対象面２２へのワイヤ５の溶着を行っている間は、加工ヘッド１０の位置を固定して移動させない。すなわち、ワイヤ５の供給位置を固定した状態で加工領域２６へワイヤ５を供給しながら予め定められた照射時間にわたってレーザビーム２４を加工領域２６へ照射した後に、レーザビーム２４の照射およびワイヤ５の供給が停止される。これにより、複数の玉ビード３２を形成する際にも、付加対象面２２において複数の玉ビード３２を形成する経路に依らず一定の形状で玉ビード３２を形成することができ、造形物１０１の形状精度の向上につながる。
【００５７】
また、付加製造装置１００では、レーザ発振器２の停止後、加工ヘッド１０が直ぐに次の加工領域２６に向かって移動せずに、予め定められた継続時間にわたって加工領域２６へ向けての不活性ガス２５の噴出を継続する。すなわち、付加製造装置１００では、レーザビーム２４を加工領域２６へ照射している間にわたって加工領域２６へ不活性ガス２５を噴出させるとともに、レーザ発振器２の停止後も、継続時間の間は、付加対象面２２に溶着した堆積物１８である玉ビード３２に対する不活性ガス２５の噴出を継続する。これにより玉ビード３２の酸化の抑制および冷却を行うことができる。
【００５８】
また、付加製造装置１００では、玉ビード３２を堆積して造形物１０１を形成するため、造形物１０１を構成する複数の玉ビード３２の層を堆積する際の、玉ビード層の１層ごとの加工経路の自由度が向上する。すなわち、付加製造装置１００は、１層の玉ビード層の中で、玉ビード３２の形成位置を自由に分割して形成できる。
【００５９】
図１３は、図１に示す付加製造装置１００による玉ビード３２の形成順序を説明する模式図である。例えば、図１３に示すように、付加対象面２２上に、隣り合う玉ビード３２同士の間に隙間を空けながら複数の玉ビード３２を形成し、その後、隙間を埋めるように玉ビード３２を形成することができる。すなわち、制御装置１は、隣り合う玉ビード同士の間に隙間を空けて複数の第１の玉ビードを形成した後、隙間または第１の玉ビードに隣り合う領域に第２の玉ビードを形成させる制御を行う。
【００６０】
図１３に示すように、１層目の玉ビード層２７ａは、玉ビード３２１、玉ビード３２２、玉ビード３２３および玉ビード３２４が、互いに隙間を設けた状態でこの順で形成される。その後、各玉ビード３２の隙間を埋めるように、玉ビード３２５、玉ビード３２６および玉ビード３２７が、付加対象面２２にこの順で形成されることで形成される。
【００６１】
そして、２層目の玉ビード層２７ｂは、玉ビード３２８、玉ビード３２９、玉ビード３２１０、玉ビード３２１１、玉ビード３２１２、玉ビード３２１３、玉ビード３２１４および玉ビード３２１５が、この順で１層目の玉ビード層２７ａ上に形成されることで形成される。
【００６２】
この場合は、１層目の玉ビード層２７ａにおいて隙間を空けて形成された玉ビード３２１、玉ビード３２２、玉ビード３２３および玉ビード３２４には、接触する玉ビード３２が存在しない。すなわち、次の玉ビード３２が、直前に形成された玉ビード３２から離間した位置に形成される。このため、隙間を空けて形成された各玉ビード３２は、隣り合う玉ビード３２の表面張力の影響を受けずに、設計どおりの所望の大きさに形成される。
【００６３】
このため、玉ビード３２１、玉ビード３２２、玉ビード３２３および玉ビード３２４は、隣り合う玉ビード３２に接触して形成された場合よりも表面積が大きくなり、形成直後に隣り合う玉ビード３２と直接熱的につながることが防止され、各玉ビード３２の熱を分散させることができる。すなわち、１層目の玉ビード層２７ａの形成時において、熱の投入される箇所を分散することができる。これにより、各玉ビード３２は、隣り合う玉ビード３２に接触して形成された場合よりも温度低下が速くなる。
【００６４】
また、１層目の玉ビード層２７ａにおいて隙間を埋めて形成される玉ビード３２５、玉ビード３２６および玉ビード３２７は、先に隙間を空けて形成された各玉ビード３２よりも温度が高いため、先に形成された玉ビード３２の表面張力の影響が抑制される。先に隙間を空けて形成された各玉ビード３２は、隙間を埋める玉ビード３２が形成される頃には温度が低下して温度差が無くなる。この結果、隙間を埋める玉ビード３２が隣り合う玉ビード３２のうちどちらかの玉ビード３２に引っ張られることが無くなる。これにより、隙間を埋めて形成される各玉ビード３２は、隣り合う玉ビード３２の形状に沿って、隙間を埋めた玉ビード３２自体の表面張力により形状が整えられて形成される。すなわち、隙間に形成される玉ビード３２は、隣り合う玉ビード３２に沿うように形成されるため形状制御性が向上し、形状精度の向上につながる。
【００６５】
また、１層目の玉ビード層２７ａにおいて隙間を埋めて形成される各玉ビード３２は、形成時において１層目の玉ビード層２７ａで接触する玉ビード３２が存在しない。すなわち、１層目の玉ビード層２７ａにおいて隙間を埋めて形成される各玉ビード３２は、次に形成される玉ビード３２が、直前に形成された玉ビード３２とから離間した位置に形成される。同様に、２層目の玉ビード層２７ｂにおいて隙間を埋めて形成される各玉ビード３２は、形成時において２層目の玉ビード層２７ｂで接触する玉ビード３２が存在しない。すなわち、２層目の玉ビード層２７ｂにおいて隙間を埋めて形成される各玉ビード３２は、次に形成される玉ビード３２が、直前に形成された玉ビード３２とから離間した位置に形成される。このため、隙間を空けて形成された各玉ビード３２は、隣り合う玉ビード３２の表面張力の影響を受けずに、設計どおりの所望の大きさに形成される。
【００６６】
また、図１３に示すように、２層目の玉ビード層２７ｂの形成において、端部に位置する玉ビード３２１４および玉ビード３２１５は、最後に形成される。玉ビード３２１４は、玉ビード３２１１に接触した状態で形成される。玉ビード３２１５は、玉ビード３２１０に接触した状態で形成される。
【００６７】
この場合、玉ビード３２１４は、玉ビード３２１１の表面張力に引き寄せられることで、形状のだれ、すなわち玉ビード３２１４の形状が設計どおりの形状とならないことが防止される。すなわち、玉ビード３２１４は、玉ビード３２１１の表面張力を利用して形状が整えられる。これにより、２層目の玉ビード層２７ｂの端部の形状がだれてしまうことが防止される。
【００６８】
同様に、玉ビード３２１５は、玉ビード３２１０の表面張力に引き寄せられることで、形状のだれ、すなわち玉ビード３２１５の形状が設計どおりの形状とならないことが防止される。すなわち、玉ビード３２１５は、玉ビード３２１０の表面張力を利用して形状が整えられる。これにより、２層目の玉ビード層２７ｂの端部の形状がだれてしまうことが防止される。
【００６９】
そして、３層目以降の玉ビード層の形成においても、玉ビード層における端部に対応する玉ビード３２を最後に形成することにより、上記と同様の効果が得られる。これにより、造形物１０１の側面の形状および上部の端部の形状がだれてしまうことが防止される。
【００７０】
また、付加製造装置１００では、レーザ発振器２の停止後、玉ビード３２の温度が予め定められた温度まで低下するまで加工領域２６への不活性ガス２５の噴出を継続する。これにより、玉ビード３２および造形物１０１全体の酸化を防ぐことができる。また、玉ビード３２の層と層との間の酸化を防止しながら３次元の造形物１０１を形成することができ、造形物１０１の機械特性を向上させることができる。
【００７１】
なお、付加製造装置１００では、線状に連続した線ビードを複数形成して造形物１０１を形成することも可能である。ただし、この場合には、ガスノズル１３が移動しながら１本の線ビードが形成されるため、線ビードの高温部の温度が低下する前に線ビードの高温部が不活性ガス２５の噴射領域から外れる。ビードの高温部は、酸化反応が起こりやすいため線ビードおよび造形物全体が酸化しやすくなる。
【００７２】
また、付加製造装置１００では、玉ビード３２の形成後を含め、加工ヘッド１０を移動させている最中は不活性ガス２５の噴射を停止してもよい。すなわち、不活性ガス２５の噴出は、上述した継続時間の経過後に、次にレーザビーム２４が照射されるまで停止されもよい。これにより、不活性ガス２５の消費量を削減することができる。
【００７３】
以上、説明したように、本実施の形態１にかかる付加製造装置１００は、造形物の形状精度の向上が可能である、という効果を奏する。
【００７４】
実施の形態２．
本実施の形態２では、図１に示した付加製造装置１００による他の付加加工の形態について説明する。以下、図１４から図１８を参照して、本実施の形態２における付加製造装置１００の動作について説明する。図１４は、本発明の実施の形態２における付加製造装置１００の動作を説明するフローチャートである。図１５は、図１に示す付加製造装置１００の加工ヘッド１０が第２の位置に移動したときのレーザビーム２４の中心軸ＣＬの位置を示す模式断面図である。図１６は、図１に示す付加製造装置１００においてワイヤ５の先端がレーザビーム２４の中心軸ＣＬと交わる位置までワイヤ５が吐出された状態を示す模式断面図である。図１７は、図１に示す付加製造装置１００のワイヤ５の先端を付加対象面２２に接触させた状態を示す模式断面図である。図１８は、図１に示す付加製造装置１００の加工ヘッド１０が次の加工領域２６に移動する状態を示す模式断面図である。図１５から図１８では、付加対象面２２における加工領域２６の周辺の状態を示している。
【００７５】
まず、ステップＳ１１０において、加工ヘッド１０が、ベース材１７の付加対象面２２における加工領域２６の上方の予め定められた第２の位置に移動して、停止する。加工ヘッド１０は、図１５に示すように、ビームノズル１１から出射されるレーザビーム２４の中心軸ＣＬが付加対象面２２における加工領域２６の中央位置とされる第２の位置に移動する。
【００７６】
また、本実施の形態２では、加工ヘッド１０は、加工領域２６に照射されるレーザビーム２４の中心軸ＣＬとワイヤ５とが交わる位置までワイヤ５が吐出されても、ワイヤ５の先端が付加対象面２２に接触しない高さ位置に配置される。すなわち、ワイヤノズル１２が、加工領域２６に照射されるレーザビーム２４の中心軸ＣＬとワイヤ５とが交わる位置までワイヤ５が吐出されても、ワイヤ５の先端が付加対象面２２に接触しない高さ位置に配置される。したがって、第２の位置は、上述した第１の位置よりも高い位置である。
【００７７】
すなわち、ステップＳ１１０においては、加工ヘッド１０は、実施の形態１のステップＳ１０において加工ヘッド１０が配置される高さ位置よりも上方の位置に配置される。そして、ビームノズル１１とワイヤノズル１２とガスノズル１３とは加工ヘッド１０に固定されているため、ステップＳ１１０においては、ビームノズル１１およびガスノズル１３も、実施の形態１のステップＳ１０の場合よりも上方の位置に配置される。
【００７８】
次に、ステップＳ１２０において、ワイヤノズル１２が、図１６に示すように、ワイヤ５の先端がレーザビーム２４の中心軸ＣＬと交わる位置まで、加工領域２６へ向けてワイヤ５を吐出する。
【００７９】
次に、ステップＳ１３０において、図１７に示すように、加工ヘッド１０を付加対象面２２に向けて下方に移動させて、ワイヤ５の先端を付加対象面２２に接触させる。
【００８０】
次に、実施の形態１と同様にして、図７から図１０に示すように上述したステップＳ３０からステップＳ６０が行われる。
【００８１】
そして、レーザ発振器２の停止後、予め定められた継続時間が経過すると、ステップＳ１４０において、図１８に示すように、加工ヘッド１０が、ベース材１７の付加対象面２２における次の玉ビード３２の形成位置に向かって移動する。ここで、加工ヘッド１０は、付加対象面２２における次の玉ビード３２の形成位置の上方に移動する際に、図１８における矢印５２に示すように上方向に移動した後に、図１８における矢印５３に示すように付加対象面２２と平行な方向に移動する。なお、加工ヘッド１０は、付加対象面２２における次の玉ビード３２の形成位置の上方に移動する際に、斜め上方向のみに移動してもよい。
【００８２】
上述した本実施の形態２における付加加工は、付加製造装置１００による造形物１０１の形成において２層目以降の玉ビード層を形成する場合において有効である。図１９は、図１に示す付加製造装置１００による４層目の玉ビード層を形成する状態を示す模式断面図である。ここでは、図１９に示すように、付加対象面２２が３層目の玉ビード層２７ｃである場合について説明する。図１９において、図１９における右側から左下方向に向かって、すなわちレーザビーム２４の外周側から、ワイヤ５が吐出される。複数の玉ビード３２の層を堆積する場合、ワイヤ５の先端が送り出される高さまで、玉ビード３２が既に形成されている場合が生じ得る。そして、実高さＨａと設計高さＨｄとの差は、１層の玉ビード３２における層の実高さと設計高さの差が蓄積することでより大きくなる。
【００８３】
たとえば３層目の玉ビード層２７ｃにおける実高さＨａが、想定している３層目の玉ビード層２７ｃにおける設計高さＨｄよりも高くなる場合がある。すなわち、ワイヤ５の先端が送り出される高さまで玉ビード３２が既に形成されている場合が生じ得る。実高さＨａと設計高さＨｄとの差は、１層の玉ビード３２の層の実高さと設計高さの差が蓄積することでより大きくなる。
【００８４】
この場合には、図１９に示すようにワイヤノズル１２から吐出されたワイヤ５の先端が、加工領域２６の玉ビード３２における頂点よりも付加対象面２２に平行な方向にずれた位置の玉ビード３２の上面に衝突する。そして、付加対象面２２に接触したワイヤ５の中心軸ＣＷと、加工領域２６に照射されるレーザビーム２４の中心軸ＣＬとが、付加対象面２２の表面、すなわち加工領域２６の玉ビード３２の表面で交わらなくなる。すなわち、形成された玉ビード３２の実高さと、玉ビード３２の設計高さとの差が蓄積することで、ワイヤ５の先端が加工領域２６に照射されるレーザビーム２４の中心軸ＣＬまで到達できない状況が発生する。
【００８５】
このような状態が発生すると、玉ビード３２の形成箇所がレーザビーム２４の中心軸ＣＬからずれる状態が発生し、または玉ビード３２の形成ができなくなってしまう。このような状況は、２層目以降の玉ビード３２の層において生じ得る。このような状況で新たに形成される玉ビード３２は、本来の形成位置である、レーザビーム２４の中心軸ＣＬを中心とした円形領域からずれた位置に形成される。
【００８６】
本実施の形態２にかかる付加加工では、ワイヤ５を吐出する前に、ワイヤ５がレーザビーム２４の中心軸ＣＬと交わる位置まで吐出されてもワイヤ５の先端が付加対象面２２に接触しない高さ位置に、ワイヤノズル１２が配置される。そして、加工領域２６に照射されるレーザビーム２４の中心軸ＣＬとワイヤ５の先端とが交わる位置まで加工領域２６へ向けて吐出されたワイヤ５を、付加対象面２２に向けて下方に移動することで、ワイヤ５の先端を付加対象面２２に接触させる。これにより、本実施の形態２では、上記のようにワイヤ５の先端が加工領域２６に照射されるレーザビーム２４の中心軸ＣＬまで到達できない状況を回避することができ、確実に本来の玉ビード３２の形成位置に玉ビード３２を形成することができる。
【００８７】
したがって、本実施の形態２にかかる付加加工では、複数の玉ビード層を形成する際に、玉ビード３２の実高さと設計高さとの差が蓄積した場合に発生する不具合を防止する効果が得られる。
【００８８】
実施の形態３．
本実施の形態３では、図１に示した付加製造装置１００による他の付加加工の形態について説明する。本実施の形態３における付加加工は、上述した実施の形態１における付加加工に対して、レーザビーム２４がワイヤ５に照射される前に吐出されるワイヤ５の先端の位置が異なる。
【００８９】
実施の形態１において説明したように、レーザビーム２４がワイヤ５に照射される前にワイヤ５が付加対象面２２に接触していない場合は、ワイヤ５へのレーザビーム２４の照射開始直後に、溶融ワイヤ２１の下部部分が溶融ワイヤ２１の上部部分に引き寄せられる駈け上がり現象が生じて、溶融ワイヤ２１の付加対象面２２への未溶着が起こり易くなる。
【００９０】
そこで、本実施の形態３では、実施の形態１とは異なる方法で駈け上がり現象を防止する付加加工について説明する。以下、図２０から図２４を参照して、本実施の形態３における付加製造装置１００の動作について説明する。図２０は、図１に示す付加製造装置１００の実施の形態３における動作を説明するフローチャートである。図２１は、図１に示す付加製造装置１００の加工ヘッド１０が第１の位置に移動したときのレーザビーム２４の中心軸ＣＬの位置を示す模式断面図である。図２２は、図１に示す付加製造装置１００においてワイヤ５が待機位置まで吐出された状態を示す模式断面図である。図２３は、図１に示す付加製造装置１００において加工領域２６へレーザビーム２４の照射を開始した状態を示す模式断面図である。図２４は、図１に示す付加製造装置１００の加工領域２６へのワイヤ５の供給が開始された状態を示す模式断面図である。図２１から図２４では、付加対象面２２における加工領域２６の周辺の状態を示している。
【００９１】
まず、図２１に示すように、上述したステップＳ１０が行われる。
【００９２】
次に、ステップＳ３１０においてワイヤノズル１２が、図２２に示すように加工領域２６へ向けてワイヤ５を吐出する。ここで、ワイヤ５は、加工領域２６に照射されるレーザビーム２４の中心軸ＣＬとワイヤ５の先端との間の距離Ｌが、付加対象面２２の面内方向における、Ｄ４σと呼ばれる二次モーメント幅で定義したときのビーム半径で定義したときのビーム半径ω程度の寸法である、レーザビーム２４の半径の０．５倍以上、２．３倍以下の範囲の位置まで吐出される。Ｄ４σと呼ばれる二次モーメント幅で定義したときのビーム半径は、ビームの強度分布の標準偏差σの２倍である。距離Ｌがレーザビーム２４の半径の０．５倍以上、２．３倍以下の範囲である位置は、レーザビーム２４の外周側からレーザビーム２４の中心軸ＣＬに向けてレーザビーム２４中にワイヤ５が供給された場合に、ワイヤ５の融点を超えるエネルギーがワイヤ５に供給されない待機位置である。すなわち、ワイヤ５の先端は、実施の形態１の場合とは異なり、レーザビーム２４を付加対象面２２における加工領域２６に照射する前に、ワイヤ５の先端が付加対象面２２に接触した状態とはされない。
【００９３】
次に、ステップＳ３２０において、レーザビーム２４が、図２３に示すように加工領域２６へ向けて照射される。また、レーザビーム２４の照射に合わせて、ガスノズル１３から加工領域２６への不活性ガス２５の噴出が開始される。
【００９４】
次に、ステップＳ３３０において、図２４に示すように、加工領域２６へのワイヤ５の供給を開始する。すなわち、ワイヤノズル１２が、付加対象面２２へ向けてワイヤ５をさらに吐出する。これにより、レーザビーム２４の中にワイヤ５が送り込まれてワイヤ５が溶融する。そして、溶融ワイヤ２１が、付加対象面２２に溶着し、付加対象面２２の加工領域２６に、堆積物１８である玉ビード３２が形成される。
【００９５】
以降は、図９から図１１に示すように、実施の形態１と同様にして、上述したステップＳ５０からステップＳ７０が行われる。
【００９６】
２層目の玉ビード層の形成処理においては、既に形成された玉ビード３２の層の上面が付加対象面２２となる。
【００９７】
なお、上記の実施の形態３における付加加工に対して、上述した実施の形態２の制御方法を適用してもよい。
【００９８】
上述したように、本実施の形態３の付加加工では、レーザビーム２４を付加対象面２２における加工領域２６に照射する前に、ワイヤ５の先端が、加工領域２６に照射されるレーザビーム２４の中心軸ＣＬとワイヤ５の先端との間の距離Ｌが、Ｄ４σと呼ばれる二次モーメント幅で定義したときのビーム半径で定義したときのビーム半径ω程度の寸法である、レーザビーム２４の半径の０．５倍以上、２．３倍以下の範囲の位置まで吐出される。そして、ワイヤ５の先端の位置を、レーザビーム２４の半径の０．５倍以上、２．３倍以下の範囲の位置に配置した状態でレーザビーム２４が加工領域２６へ向けて照射された後にレーザビーム２４の中にワイヤ５が供給される。
【００９９】
上述した本実施の形態３の付加加工が行われる場合、ワイヤ５の供給が開始される前にワイヤ５がレーザビーム２４により融点以上に熱せられることを防ぐことができ、溶融ワイヤ２１の駈け上がり現象を防止できる。そして、レーザビーム２４の中にワイヤ５が供給されてワイヤ５が溶融する前に、ベース材１７の表面からなる付加対象面２２の温度が上昇し、付加対象面２２が溶けて溶融池２３が形成される。その後、レーザビーム２４の中にワイヤ５が供給され、レーザビーム２４の中のワイヤ５が溶融する。
【０１００】
溶融ワイヤ２１は、温度の高い方に引き寄せられるため、ワイヤノズル１２側の未溶融状態のワイヤ５ではなく温度が上昇している溶融池２３の方に引き寄せられる。これにより、本実施の形態３の付加加工では、溶融ワイヤ２１の駈け上がり現象が生じることが無く、溶融ワイヤ２１が付加対象面２２に溶着し易くなり、ワイヤ５を確実に付加対象面２２に溶着させることができる。
【０１０１】
上記のように溶融ワイヤ２１の下部部分が溶融ワイヤ２１の上部部分に引き寄せられる駈け上がり現象、および溶融ワイヤ２１がワイヤノズル１２側の未溶融状態のワイヤ５側に引き寄せられる駈け上がり現象が発生した場合は、付加対象面２２に溶融ワイヤ２１を溶着させるためには、溶融ワイヤ２１を確実に付加対象面２２に押し付ける時間を確保するために、ワイヤ５の供給時間を長めに設定する必要がある。
【０１０２】
一方、本実施の形態３における付加加工では、上述した駈け上がり現象を無くした状態でワイヤ５をレーザビーム２４の中に供給できるため、ワイヤ５の供給時間を長めに設定する必要がなく、ワイヤ５の供給時間を短くすることができる。ワイヤ５の供給時間が短くなることにより、実施の形態１、２の場合に比べて、ワイヤ５の溶融時間が短くなり、溶融ワイヤ２１の量を少なくすることができ、小さい玉ビード３２を作ることができる。
【０１０３】
したがって、本実施の形態３における付加加工では、ワイヤ５の供給が開始される前にワイヤ５がレーザビーム２４により融点以上に加熱されることを防ぎ、且つ先に溶融池２３を形成することにより、溶融ワイヤ２１の駈け上がり現象の発生を防止する。これにより、ワイヤ５の溶融開始時に溶融ワイヤ２１を付加対象面２２に押し付けるための時間を短くすることができ、ワイヤ５の供給時間を短くすることができる。これにより、玉ビード３２の形成において供給されるワイヤ５の量が少なくなるため、小さい玉ビード３２を作ることができ、造形物１０１の造形精度の向上が可能となる。
【０１０４】
なお、上述した駈け上がり現象が生じるためにワイヤ５の供給時間を長めに設定する場合でも、駈け上がり現象が生じないと仮定した場合に比べて、ワイヤ５の供給時間の余分に要する時間は、０．２秒程度となる。したがって、玉ビード３２の形成において溶融ワイヤ２１の供給量が大幅に増加するわけではなく、造形精度の観点では精度の良い造形物１０１を得ることは可能であるが、本実施の形態３における付加加工を行うことにより、より造形精度の高い造形物１０１の製造が可能となる。
【０１０５】
ここで、上述した加工領域２６に照射されるレーザビーム２４の中心軸ＣＬとワイヤ５の先端との間の距離Ｌの範囲について説明する。距離Ｌの範囲は、以下の条件に基づいて決定されている。
【０１０６】
まず、以下の条件を前提条件とする。
・レーザビーム２４の照射時間を０．３秒以下にして玉ビード３２による造形を実施する。
・ワイヤ５が付加対象面２２に到達する前に、付加対象面２２を溶かして溶融池２３を形成する。
・ワイヤ５の材質：ＳＵＳ３０４、ワイヤ５のワイヤ径（ｍｍ）：１．２ｍｍ、レーザビーム２４の出力（Ｗ）：８００Ｗ、レーザビーム２４のビーム径Ｃ（ｍｍ）：２．０ｍｍである場合に、ワイヤ５のワイヤ径（ｍｍ）：１．２ｍｍよりも大きな溶融池２３を形成するために必要な時間は約０．１ｓｅｃとする。
【０１０７】
次に、ワイヤ５の先端位置の算出方法について図２５および図２６を参照して説明する。図２５は、本発明の実施の形態３におけるワイヤ５の先端位置の算出方法を説明するための模式図である。図２６は、本発明の実施の形態３におけるワイヤ５の先端位置の算出方法を説明するための条件を示した図である。
【０１０８】
前記の前提条件において、ワイヤ５のワイヤ供給角度Ｆ：４５度、ワイヤ５のワイヤ供給速度Ａ（ｍｍ／ｍｉｎ）：７３７ｍｍ／ｍｉｎ＝ワイヤ供給速度Ｂ（ｍｍ／ｓｅｃ）：７３７ｍｍ／６０ｍｉｎ＝１２．３ｍｍ／ｓｅｃとする。
【０１０９】
レーザビーム２４の照射方向に見た、ビーム半径に対する、レーザビーム２４の中心軸ＣＬからワイヤ５の先端までの距離の比率であるワイヤ位置比率Ｄを０．８５とする。したがって、レーザビーム２４の中心軸ＣＬからワイヤ５の先端までの距離であるワイヤ先端距離Ｅを、レーザビーム２４の照射方向に見て、レーザビーム２４の中心軸ＣＬからレーザビーム２４のビーム半径の０．８５倍の距離＝２．０ｍｍ／２×０．８５＝０．８５ｍｍとして、ワイヤ５の先端位置をレーザビーム２４の中心軸ＣＬからビーム半径方向に０．８５ｍｍだけ手前の位置とする。
【０１１０】
ワイヤ５の供給角度であるワイヤ供給角度Ｆは、レーザビーム２４の照射方向に見て、レーザビーム２４の中心軸ＣＬの方向と、ワイヤノズル１２から吐出されるワイヤ５の中心軸ＣＷの方向とがなす角度とする。手前の位置は、レーザビーム２４の照射方向に垂直な方向に見て、レーザビーム２４に対するワイヤノズル１２側の位置である。この場合、ワイヤ５の先端位置からレーザビーム２４の中心軸ＣＬまでワイヤ５を供給するワイヤ供給距離Ｇは、Ｅ×１／ｃｏｓ（Ｆ）＝１．２ｍｍとなる。そして、ワイヤ５の先端がワイヤの先端位置からレーザビーム２４の中心軸ＣＬまで到達するまでに要する到達時間Ｈは０．１ｓｅｃとなる。
【０１１１】
レーザビーム２４の照射時間を０．３ｓｅｃ以下にして玉ビード３２による造形を実施する場合、ワイヤ５の投入時間として０．１ｓｅｃを確保すると、ワイヤ５の先端の位置は、ワイヤ位置比率Ｄが０．８５倍の位置まで０．２ｓｅｃかけて到達する距離まで離すことができる。上記条件で計算すると、ワイヤ５の先端の位置は、ビーム半径の１．７倍の距離だけ手前の位置となる。したがって、上記条件においては、ワイヤ５の先端の位置は、距離Ｌがビーム半径の０．８５倍以上、１．７倍以下である範囲の位置となる。
【０１１２】
一方、ワイヤ供給角度が変化すると距離Ｌも変わる。ワイヤ供給角度を２０度以上、７０度以下の範囲とすると、ワイヤ５の先端の位置は、距離Ｌがビーム半径の０．５倍以上、２．３倍以下である範囲の位置となる。
【０１１３】
なお、上記においては、レーザビーム２４とワイヤ５の中心軸ＣＷとが非同軸である場合について説明したが、レーザビーム２４とワイヤ５の中心軸ＣＷとが同軸である場合においても上述した効果を得ることができる。レーザビーム２４とワイヤ５の中心軸ＣＷとが同軸である場合には、付加対象面２２とワイヤ５の先端との間の距離がレーザビーム２４の半径の０．５倍以上、２．３倍以下の範囲である待機位置までワイヤ５を供給させた後に、レーザビーム２４を加工領域２６へ照射させ、さらにワイヤ５を加工領域２６へ供給させる制御が行われる。これにより、レーザビーム２４とワイヤ５の中心軸ＣＷとが同軸である場合においても上述した効果を得ることができる。また、レーザビーム２４とワイヤ５の中心軸ＣＷとが同軸である場合には、付加対象面２２とワイヤ５の先端との間の距離がレーザビーム２４の半径の０．６倍以上、１．２倍以下の範囲である待機位置までワイヤ５を供給させた後に、レーザビーム２４を加工領域２６へ照射させ、さらにワイヤ５を加工領域２６へ供給させる制御が行われることがより好ましい。
【０１１４】
また、本実施の形態３における付加加工では、溶融ワイヤ２１を付加対象面２２に接触させるための動作および溶融ワイヤ２１を付加対象面２２に押し付けるための動作が行われない。上述したように、複数の玉ビード層を形成するにつれて玉ビード３２の実高さと玉ビード３２の設計高さとの差が蓄積することで、ワイヤ５の先端が送り出される高さまで玉ビード３２が既に形成されている場合が生じ得る。
【０１１５】
このような状態においても、玉ビード３２を確実に形成するためには、ワイヤ５の先端位置と、ワイヤ５と付加対象面２２との間の高さ方向の間隔を厳密に管理することが好ましい。高さ方向は、Ｚ軸方向である。
【０１１６】
高さ方向における、ワイヤ５と付加対象面２２との間の間隔を厳密に管理することで、ワイヤ５の先端が、付加対象面２２となる玉ビード３２の上面におけるレーザビーム２４の中心軸ＣＬの位置まで到達できない状況を回避することができる。これにより、新たな玉ビード３２の形成位置がレーザビーム２４の中心軸ＣＬの位置からずれることを防ぐことができ、または玉ビード３２の造形ができなくなることを防ぐことができる。
【０１１７】
たとえば、２層目以上の玉ビード層が付加対象面２２である場合に、制御装置１は、ステップＳ３１０とステップＳ３３０との間において、付加対象面２２の高さとワイヤ５の先端位置の高さとをセンサまたは画像処理技術を用いて検出する。そして、制御装置１は、検出結果に基づいて、ステップＳ３３０において付加対象面２２に向けてワイヤ５の供給を行った場合にワイヤ５の先端が付加対象面２２となる玉ビード３２の上面におけるレーザビーム２４の中心軸ＣＬの位置まで到達可能であるか否かを判定する。
【０１１８】
制御装置１は、ワイヤ５の先端が付加対象面２２となる玉ビード３２の上面におけるレーザビーム２４の中心軸ＣＬの位置まで到達できないと判定した場合には、加工ヘッド１０の高さ位置を上げた後にステップＳ３３０を実施するように制御する。すなわち、制御装置１は、ステップＳ３１０において待機位置に配置されたワイヤ５を、ステップＳ３３０において付加対象面２２に向けてワイヤ５の供給を行った場合にワイヤ５の先端が付加対象面２２となる玉ビード３２の上面におけるレーザビーム２４の中心軸ＣＬの位置まで到達できる高さ位置まで上方に移動させた後にステップＳ３３０を実施するように制御する。これにより、ワイヤ５の先端を、常に付加対象面２２となる玉ビード３２の上面におけるレーザビーム２４の中心軸ＣＬの位置まで到達させることができるため、造形物１０１の形状精度の向上が可能となる。
【０１１９】
このようにワイヤ５の先端位置と、ワイヤ５と付加対象面２２との間の高さ方向の間隔とに基づいたワイヤ５の高さの制御は、上述した実施の形態１の付加加工においても有効である。
【０１２０】
上述したように、本実施の形態３の付加加工では、溶融ワイヤ２１の駈け上がり現象が生じることが無く、溶融ワイヤ２１が付加対象面２２に溶着し易くなり、ワイヤ５を確実に付加対象面２２に溶着させることができる、という効果が得られる。
【０１２１】
実施の形態４．
本実施の形態４では、図１に示した付加製造装置１００による他の付加加工の実施の形態について説明する。本実施の形態４における付加加工は、上述した実施の形態１における付加加工に対して、加工領域２６からのワイヤ５の引き抜き方法が異なる。以下、図２７から図２９を参照して、本実施の形態４における付加製造装置１００の動作について説明する。図２７は、図１に示す付加製造装置１００の実施の形態４における動作を説明するフローチャートである。図２８は、図１に示す付加製造装置１００のワイヤ５が上方に移動する状態を示す模式断面図である。図２９は、図１に示す付加製造装置１００の加工領域２６からワイヤ５が引き抜かれる状態を示す模式断面図である。
【０１２２】
まず、図５から図８に示すように、実施の形態１と同様にして、上述したステップＳ１０からステップＳ４０が行われる。
【０１２３】
次に、ワイヤ５が、２段階の動作により加工領域２６から引き抜かれる。まず、ステップＳ４１０において、１段階目の動作が行われる。１段階目の動作では、図２８に示すように加工ヘッド１０が、予め定められた距離だけＺ軸方向において移動して、ワイヤノズル１２が上方に移動する。これにより、加工領域２６に供給されるワイヤ５が上方に移動し、溶融ワイヤ２１が生成される位置が上方に移動する。このとき、ワイヤ５が溶融ワイヤ２１から離れない範囲で、ワイヤ５を上方に移動させる。ワイヤ５の供給は、ワイヤ５を上方に移動している間も継続される。予め定められた距離は、たとえば３ｍｍ以下の距離とされる。
【０１２４】
次に、ステップＳ４２０において、２段階目の動作が行われる。２段階目の動作では、図２９に示すように、ワイヤ５が加工領域２６から引き抜かれる。
【０１２５】
以降は、図１０および図１１に示すように、実施の形態１と同様にして、上述したステップＳ６０およびステップＳ７０が行われる。
【０１２６】
なお、上記の実施の形態４における付加加工に対して、上述した実施の形態２における制御方法または実施の形態３における制御方法を適用してもよい。
【０１２７】
上記のように、本実施の形態４にかかる付加加工では、ワイヤ５は、付加対象面２２に溶着されている溶融ワイヤ２１の塊からワイヤ５が抜けない範囲でワイヤ５を上方に移動させた後に、ワイヤ５の供給方向と反対の方向に引き抜かれる。このように２段階の動作により付加対象面２２に溶着されている溶融ワイヤ２１からワイヤ５が引き抜かれることにより、付加対象面２２に溶着されている溶融ワイヤ２１の塊に対して新たに供給される溶融ワイヤ２１の供給位置を上方に移動させることができ、玉ビード３２の高さを高くすることが可能である。玉ビード３２の高さを高くすることで、ワイヤ５の供給時間を長めの時間とした場合でも、直径の小さい玉ビード３２を形成することが可能となり、幅の狭い造形物１０１を形成することができる。
【０１２８】
また、ワイヤ５は、レーザビーム２４の中に入って直ぐには溶融せず、レーザビーム２４の中心軸ＣＬに近づくにしたがって温度が融点に達して溶融する。このため、直径の大きい玉ビード３２を形成するためにワイヤ５の供給時間をたとえば１秒以上の長めの時間に設定する場合には、付加対象面２２に溶着されている溶融ワイヤ２１の塊の中において未溶融状態にあるワイヤ５の長さが長くなる。溶融ワイヤ２１の塊の中において未溶融状態にあるワイヤ５の長さが長い場合、ワイヤ５を溶融ワイヤ２１の塊から引き抜く際に、溶融ワイヤ２１の塊の表面部分が、未溶融状態にあるワイヤ５に引っ張られることで玉ビード３２の形状が崩れることがある。
【０１２９】
一方、上記のように２段階の動作によりワイヤ５が引き抜かれることにより、未溶融状態にあるワイヤ５の先端部分が溶融ワイヤ２１の塊の上方に移動するため、溶融ワイヤ２１の塊の中から引き抜かれる未溶融状態にあるワイヤ５の長さを短くすることができ、玉ビード３２の形状が崩れることを防止することができる。これにより、玉ビード３２の形状の繰り返し安定性が向上し、造形物１０１の形状精度を向上させることができる。
【０１３０】
実施の形態５．
付加製造装置１００では、ワイヤ５は、レーザビーム２４の中心軸ＣＬと非同軸の状態で供給される。付加対象面２２に先に形成された玉ビード３２をワイヤ５が乗り越える位置関係で、加工ヘッド１０の移動方向とワイヤ５の供給方向とが設定されている場合、玉ビード３２の高さおよびワイヤ５の先端高さによっては、加工ヘッド１０が移動する際にワイヤ５の先端が玉ビード３２に衝突する場合が発生する。ワイヤ５の先端が玉ビード３２に衝突した場合は、ワイヤ５が曲げられ、ワイヤ５の先端と付加対象面２２との間に設計外の隙間が発生してしまい、ワイヤ５の溶着が想定どおりに行われない加工不具合が発生する。
【０１３１】
制御装置１により、加工ヘッド１０が移動する際に、加工ヘッド１０の移動方向とワイヤ５の供給方向とが、付加対象面２２に形成済みの玉ビード３２を乗り越えながらワイヤ５が供給されることがない方向に制御されることにより、上述した加工不具合を防止できる。また、付加対象面２２に形成済みの玉ビード３２を乗り越えながらワイヤ５が供給されることがない方向は、付加対象面２２の面内において、付加対象面２２に形成済みの玉ビード３２と、加工領域２６に供給されるワイヤ５とが重ならない方向である。すなわち、ワイヤノズル１２の移動方向とワイヤ５の供給方向とが、付加対象面２２の面内において、付加対象面２２に形成済みの玉ビード３２と、加工領域２６に供給されるワイヤ５とが重ならない方向に制御されることにより、上述した加工不具合を防止できる。
【０１３２】
図３０は、本発明の実施の形態５における加工ヘッド１０の移動方向５４とワイヤ５の供給方向５５との関係との一例を示す図である。たとえば図３０に示すように、加工ヘッド１０の移動方向５４とワイヤ５の供給方向５５との、付加対象面２２の面内方向における成分を反対方向とすることにより、上述した加工不具合を防止できる。
【０１３３】
加工ヘッド１０を移動させずに、回転機構１６を用いて被加工物を回転させて加工領域２６の位置を移動させる場合には、被加工物の回転方向とワイヤ５の供給方向とが、付加対象面２２の面内において、付加対象面２２に形成済みの玉ビード３２と、加工領域２６に供給されるワイヤ５とが重ならない方向に制御されることにより、上述した加工不具合を防止できる。なお、上述した制御は、回転機構１６を用いて被加工物を第２軸を中心に回転させることで付加対象面２２の面内において円形の付加加工を行う場合に適用可能である。また、上述した制御は、加工ヘッド１０を移動させて材料供給部と前記照射部とを付加対象面２２の面内方向において円形に移動させることで付加対象面２２の面内において円形の付加加工を行う場合にも適用可能である。
【０１３４】
実施の形態６．
本実施の形態６では、図１に示した付加製造装置１００による他の付加加工の形態について説明する。本実施の形態６における付加加工は、上述した実施の形態における付加加工に対して、レーザビーム２４がワイヤ５に照射される前にワイヤ５の供給動作が開始されることが異なる。
【０１３５】
レーザビーム２４がワイヤ５に照射される前にワイヤ５の供給動作が開始されることによって、レーザビーム２４の照射が開始された時点においては、すでにワイヤ５の供給動作が開始されているため、溶融ワイヤ２１の付加対象面２２への溶着がスムーズに行われる。これにより、溶融ワイヤ２１の付加対象面２２への溶着が安定して行われ、溶融ワイヤ２１の付加対象面２２への未溶着を防ぐことができる。
【０１３６】
以下、図３１から図３６を参照して、本実施の形態６における付加製造装置１００による付加加工について説明する。図３１は、図１に示す付加製造装置１００の実施の形態６における動作を説明するフローチャートである。図３２は、図１に示す付加製造装置１００の加工ヘッド１０が第１の位置に移動したときのレーザビーム２４の中心軸ＣＬの位置を示す模式断面図である。図３３は、図１に示す付加製造装置１００において加工領域２６へ吐出されたワイヤ５の先端が付加対象面２２に接触した状態を示す模式断面図である。図３４は、図１に示す付加製造装置１００の加工領域２６へのワイヤ５の供給が開始された状態を示す模式断面図である。図３５は、図１に示す付加製造装置１００において加工領域２６へレーザビーム２４の照射を開始した状態を示す模式断面図である。図３６は、図１に示す付加製造装置１００において溶融ワイヤ２１が付加対象面２２に溶着した状態を示す模式断面図である。図３２から図３６では、付加対象面２２における加工領域２６の周辺の状態を示している。
【０１３７】
まず、図３２に示すように、上述したステップＳ１０が行われる。
【０１３８】
次に、図３３に示すように、上述したステップＳ２０が行われる。すなわち、ワイヤノズル１２が、図３３に示すように付加対象面２２における加工領域２６へ向けて加工領域２６の上方から斜めにワイヤ５を吐出して、ワイヤ５の先端を付加対象面２２に接触させる。すなわち、レーザビーム２４を付加対象面２２における加工領域２６に照射する前に、ワイヤ５の先端が付加対象面２２に接触した状態とされる。
【０１３９】
このとき、ワイヤノズル１２から吐出されて付加対象面２２に接触したワイヤ５の中心軸ＣＷと、加工領域２６に照射されるレーザビーム２４の中心軸ＣＬとが、付加対象面２２の表面で交わっている、もしくは、ワイヤ５の中心軸ＣＷは、加工領域２６に照射されるレーザビーム２４の中心軸ＣＬからワイヤノズル１２側のレーザビーム２４のビーム半径内で、付加対象面２２の表面と交わっていることが好ましい。これにより、付加対象面２２において、ワイヤ５の中心軸ＣＷと加工領域２６に照射されるレーザビーム２４の中心軸ＣＬとの交点を中心として玉ビード３２を形成することができる。
【０１４０】
次に、ステップＳ５１０において、図３４に示すように、ワイヤノズル１２が加工領域２６へのワイヤ５の供給を開始する。すなわち、ワイヤノズル１２が、付加対象面２２へ向けてワイヤ５をさらに吐出する。以降、予め決められた供給時間の間、加工領域２６へのワイヤ５の供給が継続される。
【０１４１】
次に、ステップＳ５２０において、図３５に示すようにレーザビーム２４が付加対象面２２における加工領域２６へ向けて照射され、付加対象面２２における加工領域２６に配置されたワイヤ５に照射される。また、レーザビーム２４の照射に合わせて、ガスノズル１３から加工領域２６への不活性ガス２５の噴出が開始される。これにより、予め加工領域２６に配置されていたワイヤ５とレーザビーム２４の照射開始後に加工領域２６へ供給された金属ワイヤとが溶融した溶融ワイヤ２１が、図３６に示すように付加対象面２２に溶着する。これにより、付加対象面２２の加工領域２６に、堆積物１８である玉ビード３２が形成される。
【０１４２】
この場合、レーザビーム２４を付加対象面２２に照射する前に、予め定められた一定時間にわたってガスノズル１３から不活性ガス２５を噴出させることが好ましい。これにより、ガスノズル１３内に残存していた酸素などの活性ガスをガスノズル１３内から除去することができる。
【０１４３】
以降は、図９から図１１に示すように、実施の形態１と同様にして、上述したステップＳ５０からステップＳ７０が行われる。
【０１４４】
なお、上述した付加加工に対して、上述した実施の形態２におけるステップＳ１１０からステップＳ１３０の制御方法を適用してもよい。
【０１４５】
上記のようにレーザビーム２４がワイヤ５に照射される前にワイヤ５の供給動作が開始されることによって、レーザビーム２４の照射が開始された時点においては、すでにワイヤ５の供給動作が開始されているため、溶融ワイヤ２１の付加対象面２２への溶着がスムーズに行われる。
【０１４６】
また、上記のように、レーザビーム２４を付加対象面２２における加工領域２６に照射する前にワイヤ５の先端が付加対象面２２に接触した状態とされ、ワイヤ５の供給動作が開始された後にレーザビーム２４がワイヤ５に照射されることによって、所望の玉ビード３２を形成する際のレーザ照射時間を、玉ビード３２を形成するために必要な最小限のレーザ照射時間の極限まで短くすることができる。これにより、形成された玉ビード３２の大きさを小さくすることができ、直径の小さな玉ビード３２を形成することが可能であるため、造形物１０１の形状精度を向上させることができる。
【０１４７】
つぎに、図３７から図４２を参照して、本実施の形態６における付加製造装置１００による他の付加加工について説明する。図３７は、図１に示す付加製造装置１００の実施の形態６における他の動作を説明するフローチャートである。図３８は、図１に示す付加製造装置１００の加工ヘッド１０が第１の位置に移動したときのレーザビーム２４の中心軸ＣＬの位置を示す模式断面図である。図３９は、図１に示す付加製造装置１００においてワイヤ５の先端が付加対象面２２に接触しない位置までワイヤ５が吐出された状態を示す模式断面図である。図４０は、図１に示す付加製造装置１００の加工領域２６へのワイヤ５の供給が開始された状態を示す模式断面図である。図４１は、図１に示す付加製造装置１００において加工領域２６へレーザビーム２４の照射を開始した状態を示す模式断面図である。図４２は、図１に示す付加製造装置１００において溶融ワイヤ２１が付加対象面２２に溶着した状態を示す模式断面図である。図３８から図４２では、付加対象面２２における加工領域２６の周辺の状態を示している。
【０１４８】
まず、図３８に示すように、上述したステップＳ１０が行われる。
【０１４９】
次に、ステップＳ６１０においてワイヤノズル１２が、図３９に示すように加工領域２６へ向けてワイヤ５を吐出する。ここで、ワイヤ５は、ワイヤ５の先端が加工領域２６に接触しない位置まで、すなわちワイヤ５の先端が付加対象面２２に接触しない位置まで吐出される。たとえば、ワイヤ５は、加工領域２６に照射されるレーザビーム２４の中心軸ＣＬのワイヤノズル１２側において、加工領域２６に照射されるレーザビーム２４の半径の位置まで吐出される。すなわち、ワイヤ５は、ワイヤノズル１２側のレーザビーム２４の外周上の位置まで吐出される。
【０１５０】
なお、ワイヤ５の先端は、ワイヤ５の供給が開始される前に、加工領域２６に照射されるレーザビーム２４の中心軸ＣＬのワイヤノズル１２側において、加工領域２６に照射されるレーザビーム２４の半径外であってワイヤ５の先端が付加対象面２２に接触しない位置まで吐出されてもよい。また、ワイヤ５の先端は、ワイヤ５の供給が開始される前に、加工領域２６に照射されるレーザビーム２４の中心軸ＣＬのワイヤノズル１２側において、加工領域２６に照射されるレーザビーム２４の半径内であってワイヤ５の先端が付加対象面２２に接触しない位置まで吐出されてもよい。
【０１５１】
このとき、ワイヤノズル１２から吐出されて付加対象面２２に接触しないワイヤ５の中心軸ＣＷと、加工領域２６に照射されるレーザビーム２４の中心軸ＣＬとが、付加対象面２２の表面で交わっている、もしくは、ワイヤ５の中心軸ＣＷは、加工領域２６に照射されるレーザビーム２４の中心軸ＣＬからワイヤノズル１２側のレーザビーム２４のビーム半径内で、付加対象面２２の表面と交わっていることが好ましい。これにより、付加対象面２２において、ワイヤ５の中心軸ＣＷと加工領域２６に照射されるレーザビーム２４の中心軸ＣＬとの交点を中心として玉ビード３２を形成することができる。
【０１５２】
玉ビード３２の形状精度を向上させるためには、ワイヤ５と加工領域２６との間の距離Ｌ１は、後述するようにワイヤ５の供給が開始された後にワイヤ５の供給速度が予め定められた規定値に達するまでの時間においてワイヤ５が供給される距離以上となっていることが好ましい。ワイヤ５の供給速度が規定値に到達するまでには、発明者の実験結果により、０．２秒から０．５秒程度の時間が必要であることがわかっている。このため、たとえばワイヤ５の供給速度の規定値が７３７ｍｍ／ｍｉｎである場合には、ワイヤ５は、距離Ｌ１が１６μｍ以上４０μｍ以下の範囲の距離、または４０μｍよりも長い距離だけ、加工領域２６から離して配置されていることが好ましい。
【０１５３】
したがって、ワイヤ５は、後述するようにワイヤ５の供給が開始されてからワイヤ５が加工領域２６に到達するまでに０．２秒以上必要な距離だけ離れた位置に配置されていることが好ましい。ワイヤ５の供給が開始されてからワイヤ５が加工領域２６に到達するまでに０．２秒以上必要な距離だけ離れた位置にワイヤ５が配置され、レーザビーム２４がワイヤ５に照射される前にワイヤ５の供給動作が開始されることによって、ワイヤ５へのレーザビーム２４の照射の開始時にはワイヤ５の供給速度が規定値に到達しているようにすることができる。
【０１５４】
次に、ステップＳ６２０において、図４０に示すように、ワイヤノズル１２が加工領域２６へのワイヤ５の供給を開始する。すなわち、ワイヤノズル１２が、加工領域２６へ向けてワイヤ５をさらに吐出する。以降、予め決められた供給時間の間、加工領域２６へのワイヤ５の供給が継続される。
【０１５５】
次に、ステップＳ６３０において、図４１に示すようにレーザビーム２４が付加対象面２２における加工領域２６へ向けて照射され、付加対象面２２における加工領域２６に配置されたワイヤ５に照射される。また、レーザビーム２４の照射に合わせて、ガスノズル１３から加工領域２６への不活性ガス２５の噴出が開始される。これにより、予め加工領域２６に配置されていたワイヤ５とレーザビーム２４の照射開始後に加工領域２６へ供給された金属ワイヤとが溶融した溶融ワイヤ２１が、図４２に示すように加工領域２６に溶着する。これにより、付加対象面２２の加工領域２６に、堆積物１８である玉ビード３２が形成される。
【０１５６】
この場合、レーザビーム２４を加工領域２６に照射する前に、予め定められた一定時間にわたってガスノズル１３から不活性ガス２５を噴出させることが好ましい。これにより、ガスノズル１３内に残存していた酸素などの活性ガスをガスノズル１３内から除去することができる。
【０１５７】
玉ビード３２の形状精度を向上させるためには、ワイヤ５が加工領域２６に到達すると同時にレーザビーム２４がワイヤ５に照射されることが好ましい。ただし、造形物１０１の造形が進むと加工領域２６は想定している高さからずれてくる可能性があり、距離Ｌ１を設定値どおりに常に保つことが困難なことが想定される。
【０１５８】
そこで、玉ビード３２の形成前に加工領域２６の高さを測定し、距離Ｌ１が設定値となるようにステップＳ６１０におけるワイヤ５の吐出位置を制御する。または、ステップＳ６１０において、加工ヘッド１０の上部に取り付けられたセンサまたは計測システム６１を用いてワイヤ５の先端の位置を観測し、距離Ｌ１が設定値となるようにワイヤ５の先端の吐出位置を制御する。
【０１５９】
図４３は、図１に示す付加製造装置１００に計測システム６１が設けられた状態を示す図である。計測システム６１には、カメラなどの撮像装置および画像処理装置を用いることができる。これにより、距離Ｌ１を設定値どおりに保つことができ、ワイヤ５が加工領域２６に到達すると同時にレーザビーム２４をワイヤ５に照射することができ、玉ビード３２の形状精度を向上させることができる。
【０１６０】
ワイヤ５の位置を加工ヘッド１０の上部に取り付けられたカメラで観測する場合は、ワイヤ５が加工領域２６に到達する瞬間をカメラで撮像した画像で認識することで、ワイヤ５が加工領域２６に到達すると同時にレーザビーム２４を照射することが可能である。すなわち、制御装置１は、レーザビーム２４を加工領域２６へ照射させるタイミングを、計測システム６１でのワイヤ５の先端の位置の観測結果に基づいて制御する。
【０１６１】
以降は、図９から図１１に示すように、実施の形態１と同様にして、上述したステップＳ５０からステップＳ７０が行われる。
【０１６２】
なお、上述した付加加工に対して、上述した実施の形態２におけるステップＳ１１０からステップＳ１３０の制御方法を適用してもよい。
【０１６３】
上述した本実施の形態６における付加製造装置１００による他の付加加工では、制御装置１は、ワイヤ５をワイヤ５の先端が付加対象面２２の加工領域２６に接触しない非接触位置まで吐出させ、さらにワイヤ５を加工領域２６に供給させた後に、レーザビーム２４を加工領域２６へ照射させる制御を行う。そして、非接触位置は、非接触位置からワイヤ５の加工領域２６への供給が開始された後にワイヤ５の先端が加工領域２６に到達するまでに０．２秒以上必要な距離だけ離れた位置とされる。
【０１６４】
上記のようにレーザビーム２４がワイヤ５に照射される前にワイヤ５の供給動作が開始されることによって、ワイヤ５が加工領域２６に到達すると同時にレーザビーム２４をワイヤ５に照射することができる。そして、レーザビーム２４の照射が開始された時点においては、すでにワイヤ５の供給動作が開始されているため、溶融ワイヤ２１の加工領域２６への溶着がスムーズに行われる。
【０１６５】
また、レーザビーム２４がワイヤ５に照射される前にワイヤ５の供給動作が開始されることによって、ワイヤ５が加工領域２６に到達すると同時にレーザビーム２４をワイヤ５に照射することができる。これにより、所望の玉ビード３２を形成する際のレーザ照射時間を、玉ビード３２を形成するために必要な最小限のレーザ照射時間の極限まで短くすることができる。これにより、形成された玉ビード３２の大きさを小さくすることができ、直径の小さな玉ビード３２を形成することが可能であるため、造形物１０１の形状精度を向上させることができる。
【０１６６】
また、レーザビーム２４がワイヤ５に照射される前にワイヤ５の供給動作が開始されることによって、ワイヤ５の供給速度に、予め定められた規定値どおりの値を用いることができるため、造形物１０１の形状精度を向上させることができる。
【０１６７】
また、ステップＳ６１０において、計測システム６１によってワイヤ５の先端の位置を観測し、距離Ｌ１が設定値となるようにワイヤ５の先端の吐出位置を制御することによって、距離Ｌ１を設定値どおりに保つことができる。このため、ワイヤ５が加工領域２６に到達すると同時にレーザビーム２４をワイヤ５に照射することができ、所望の玉ビード３２を形成する際のレーザ照射時間を、玉ビード３２を形成するために必要な最小限のレーザ照射時間の極限まで短くすることができる。これにより、形成された玉ビード３２の大きさを小さくすることができ、直径の小さな玉ビード３２を形成することが可能であるため、造形物１０１の形状精度を向上させることができる。
【０１６８】
上述したように、本実施の形態６の付加加工では、溶融ワイヤ２１の加工領域２６への溶着がスムーズに行われるため、溶融ワイヤ２１の付加対象面２２への溶着が安定して行われ、溶融ワイヤ２１の付加対象面２２への未溶着を防ぐことができる、という効果が得られる。
【０１６９】
実施の形態７．
本実施の形態７では、図１に示した付加製造装置１００による他の付加加工の形態について説明する。本実施の形態７における付加加工は、上述した実施の形態１における付加加工に対して、ワイヤ５の供給速度を上げることが異なる。
【０１７０】
以下、図４４から図４８を参照して、本実施の形態７における付加製造装置１００による付加加工について説明する。図４４は、図１に示す付加製造装置１００の実施の形態７における動作を説明するフローチャートである。図４５は、図１に示す付加製造装置１００の加工ヘッド１０が第１の位置に移動したときのレーザビーム２４の中心軸ＣＬの位置を示す模式断面図である。図４６は、図１に示す付加製造装置１００においてワイヤ５の先端が加工領域２６に接触しない位置までワイヤ５が吐出された状態を示す模式断面図である。図４７は、図１に示す付加製造装置１００において加工領域２６へレーザビーム２４の照射を開始した状態を示す模式断面図である。図４８は、図１に示す付加製造装置１００の加工領域２６へのワイヤ５の供給が開始された状態を示す模式断面図である。図４５から図４８では、付加対象面２２における加工領域２６の周辺の状態を示している。
【０１７１】
まず、図４５に示すように、上述したステップＳ１０が行われる。
【０１７２】
次に、ステップＳ７１０においてワイヤノズル１２が、図４６に示すように加工領域２６へ向けてワイヤ５を吐出する。ここで、ワイヤ５は、ワイヤ５の先端が加工領域２６に接触しない位置まで、すなわちワイヤ５の先端が付加対象面２２に接触しない位置まで吐出される。たとえば、ワイヤ５は、加工領域２６に照射されるレーザビーム２４の中心軸ＣＬのワイヤノズル１２側において、加工領域２６に照射されるレーザビーム２４の半径の位置まで吐出される。すなわち、ワイヤ５は、ワイヤノズル１２側のレーザビーム２４の外周上の位置まで吐出される。
【０１７３】
なお、ワイヤ５の先端は、ワイヤ５の供給が開始される前に、加工領域２６に照射されるレーザビーム２４の中心軸ＣＬのワイヤノズル１２側において、加工領域２６に照射されるレーザビーム２４の半径外であってワイヤ５の先端が付加対象面２２に接触しない位置まで吐出されてもよい。また、ワイヤ５の先端は、ワイヤ５の供給が開始される前に、加工領域２６に照射されるレーザビーム２４の中心軸ＣＬのワイヤノズル１２側において、加工領域２６に照射されるレーザビーム２４の半径内であってワイヤ５の先端が付加対象面２２に接触しない位置まで吐出されてもよい。
【０１７４】
このとき、ワイヤノズル１２から吐出されて付加対象面２２に接触しないワイヤ５の中心軸ＣＷと、加工領域２６に照射されるレーザビーム２４の中心軸ＣＬとが、付加対象面２２の表面で交わっている、もしくは、ワイヤ５の中心軸ＣＷは、加工領域２６に照射されるレーザビーム２４の中心軸ＣＬからワイヤノズル１２側のレーザビーム２４のビーム半径内で、付加対象面２２の表面と交わっていることが好ましい。これにより、付加対象面２２において、ワイヤ５の中心軸ＣＷと加工領域２６に照射されるレーザビーム２４の中心軸ＣＬとの交点を中心として玉ビード３２を形成することができる。
【０１７５】
次に、ステップＳ７２０において、レーザビーム２４が、図４７に示すように加工領域２６へ向けて照射される。また、レーザビーム２４の照射に合わせて、ガスノズル１３から加工領域２６への不活性ガス２５の噴出が開始される。
【０１７６】
次に、ステップＳ７３０において、図４８に示すように、加工領域２６へのワイヤ５の供給を開始する。すなわち、ワイヤノズル１２が、加工領域２６へ向けてワイヤ５をさらに吐出する。これにより、レーザビーム２４の中にワイヤ５が送り込まれてワイヤ５が溶融する。そして、溶融ワイヤ２１が、付加対象面２２に溶着し、付加対象面２２の加工領域２６に、堆積物１８である玉ビード３２が形成される。
【０１７７】
本実施の形態７では、ステップＳ７１０においてワイヤ５が加工領域２６に接触していない。このため、本実施の形態７では、ワイヤ５を加工領域２６に接触させた状態からワイヤ５の供給を開始する場合と比較して、ワイヤ５の供給を開始してからワイヤ５の先端が加工領域２６に到達するまでの間に、余分にレーザビーム２４からの入熱を得る。これにより、本実施の形態７における付加加工では、ワイヤ５を加工領域２６に接触させた状態からワイヤ５の供給を開始する場合と比較して、ワイヤ５の供給速度を上げることができる。すなわち、本実施の形態７における付加加工では、上述した実施の形態１の場合のようにワイヤ５を加工領域２６に接触させた状態からワイヤ５の供給を開始する場合と比較して、速いワイヤ５の供給速度でワイヤ５を供給する。
【０１７８】
これにより、本実施の形態７における付加加工では、溶融ワイヤ２１の駆け上がり現象を抑制するとともに、玉ビード３２の造形速度を高めることができる。実施の形態７における付加加工でのワイヤ５の供給速度とは、ワイヤ５の供給を開始してからワイヤ５の供給を停止するまでの間のワイヤ供給速度、もしくは回転モータ４の回転速度の最高速度のことを指す。
【０１７９】
図４９は、図１に示す付加製造装置１００での付加加工においてワイヤ５の供給速度が過剰である場合のワイヤ５の供給状態の画像を示す図である。図５０は、図１に示す付加製造装置１００での付加加工においてワイヤ５の供給速度が正常である場合のワイヤ５の供給状態の画像を示す図である。ワイヤ５を加工領域２６に接触させた状態で、本実施の形態７における付加加工でのワイヤ供給速度を用いてワイヤ５の供給動作を実施すると、ワイヤ５の供給速度が過剰となり、レーザビーム２４の照射方向に見た場合に、図４９に示すように、ワイヤ５の供給中の中心軸の位置が、ワイヤ５の供給開始時の中心軸の位置から乖離する現象が発生する。
【０１８０】
ここで、本実施の形態７における付加加工は、玉ビード３２の形状精度を向上させて造形物１０１の形状精度の向上を図ることを目的に実施されるものであるので、ワイヤ５の供給中の中心軸の位置の、ワイヤ５の供給開始時の中心軸の位置からの乖離量が、ワイヤ５の直径の１／１０を超えた場合に、ワイヤ５の供給速度が過剰と判断する。ワイヤ５の供給速度が過剰である場合には、ワイヤ５が加工領域２６から逸れるおそれがある。
【０１８１】
一方、本実施の形態７における付加加工では、図５０に示すように、ワイヤ５の供給中の中心軸の位置が、ワイヤ５の供給開始時の中心軸の位置と同じ位置となる。すなわち、ワイヤ５の供給中の中心軸の位置が、ワイヤ５の供給開始時の中心軸の位置から乖離する現象は発生しない。
【０１８２】
したがって、本実施の形態７における付加加工では、ワイヤ５を加工領域２６に接触させた状態からワイヤ５の供給動作を開始すると、ワイヤ５の供給中の中心軸の位置が、ワイヤ５の供給開始時の中心軸の位置から逸れる速度で、ワイヤ５を供給する。より詳細には、本実施の形態７における付加加工では、ワイヤ５を加工領域２６に接触させた状態からワイヤ５の供給動作を開始すると、ワイヤ５の供給中の中心軸の位置の、ワイヤ５の供給開始時の中心軸の位置からの乖離量が、ワイヤ５の直径の１／１０を超える速度で、ワイヤ５を供給する。これにより、本実施の形態７における付加加工では、溶融ワイヤ２１の駆け上がり現象を抑制するとともに、玉ビード３２の造形速度を高めて造形物１０１の造形速度を高めることができる。
【０１８３】
以降は、図９から図１１に示すように、実施の形態１と同様にして、上述したステップＳ５０からステップＳ７０が行われる。
【０１８４】
なお、上述した付加加工に対して、上述した実施の形態２におけるステップＳ１１０からステップＳ１３０の制御方法を適用してもよい。
【０１８５】
上述したように、本実施の形態７の付加加工では、溶融ワイヤ２１の駈け上がり現象が生じることが無く、玉ビード３２の造形速度が速くなり、造形物１０１の造形速度が速くなる、という効果が得られる。
【０１８６】
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、実施の形態同士の技術を組み合わせることも可能であるし、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
【符号の説明】
【０１８７】
１  制御装置、２  レーザ発振器、３  ファイバーケーブル、４  回転モータ、５  ワイヤ、６  ワイヤスプール、７  ガス供給装置、８  配管、１０  加工ヘッド、１１  ビームノズル、１２  ワイヤノズル、１３  ガスノズル、１４  ヘッド駆動装置、１５  ステージ、１６  回転機構、１７  ベース材、１８  堆積物、１９  ワイヤ供給部、２１  溶融ワイヤ、２２  付加対象面、２３  溶融池、２４  レーザビーム、２５  不活性ガス、２６  加工領域、２７ａ  １層目の玉ビード層、２７ｂ  ２層目の玉ビード層、２７ｃ  ３層目の玉ビード層、３２  玉ビード、４１  ＣＰＵ、４２  ＲＡＭ、４３  ＲＯＭ、４４  外部記憶装置、４５  入出力インタフェース、４６  バス、５１，５２，５３  矢印、５４  移動方向、５５  供給方向、６１  計測システム、１００  付加製造装置、１０１  造形物、３２１，３２２，３２３，３２４，３２５，３２６，３２７，３２８，３２９，３２１０，３２１１，３２１２，３２１３，３２１４，３２１５  玉ビード、Ａ，Ｂ  ワイヤ供給速度、Ｃ  ビーム径、ＣＬ，ＣＷ  中心軸、Ｄ  ワイヤ位置比率、Ｅ  ワイヤ先端距離、Ｆ  ワイヤ供給角度、Ｇ  ワイヤ供給距離、Ｈ  到達時間、Ｌ  距離。
【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】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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