(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶加材を溶融および凝固させた溶着ビードを互いに隣接させて溶着ビード層を形成し、該形成された溶着ビード層に次層の溶着ビード層を繰り返し積層して造形する積層造形物の製造方法であって、
前記溶着ビード層を形成する際に、前記各溶着ビードの断面形状を台形形状に近似し、該近似された台形形状の高さをＨ、底角をθとし、隣接する前記溶着ビード間の重なり部分の高さをｈとしたとき、以下の条件（Ａ）、（Ｂ）のいずれかを満たすように前記溶着ビードを形成する、積層造形物の製造方法。
条件（Ａ）：前記底角θが４１．７°未満
条件（Ｂ）：θ［°］＜−３３．１８×ｌｎ（Ｈ／ｈ）＋６５．９７３、且つＨ／ｈ≧２．０７８
【請求項２】
Ｈ／ｈを小さくするように、前記隣接する溶着ビード同士のピッチ間隔を小さくする、請求項１に記載の積層造形物の製造方法。
【請求項３】
前記底角θを小さくするように、前記溶着ビードの入熱量を大きくする、請求項１または２に記載の積層造形物の製造方法。
【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に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、生産手段として３Ｄプリンタを用いた造形のニーズが高まっており、金属材料を用いた造形の実用化に向けて研究開発が進められている。金属材料を造形する３Ｄプリンタは、レーザや電子ビーム、更にはアーク等の熱源を用いて、金属粉体や金属ワイヤを溶融させ、溶融金属を積層させることで積層造形物を作製する。
【０００３】
このような積層造形物を作製する技術として、例えば特許文献１には、溶着ビード同士のオーバーラップ条件を設定して溶着トーチの溶接パスを自動生成する溶着技術が開示されている。オーバーラップ条件の設定では、溶着ビード同士のオーバーラップ量を調整することで溶着欠陥の発生を回避することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−１９６０１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１には、溶着ビードのビード幅、該ビード幅に対する横方向オーバーラップ量に基づいて、溶接パスを生成しているが、横方向オーバーラップ量の設定については具体的に記載されていない。このため、溶着ビードを形成する際の溶接条件に応じた溶接パスによって欠陥を抑制するには更なる改善が望まれる。
【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、隣接する溶着ビード間の欠陥の発生を抑制することが可能な積層造形物の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の上記目的は、下記（１）の積層造形物の製造方法により達成される。
（１）溶加材を溶融および凝固させた溶着ビードを互いに隣接させて溶着ビード層を形成
し、該形成された溶着ビード層に次層の溶着ビード層を繰り返し積層して造形する積層造
形物の製造方法であって、
前記溶着ビード層を形成する際に、前記各溶着ビードの断面形状を台形形状に近似し、
該近似された台形形状の高さをＨ、底角をθとし、隣接する前記溶着ビード間の重なり部分の高さをｈとしたとき、以下の条件（Ａ）、（Ｂ）のいずれかを満たすように前記溶着ビードを形成する、積層造形物の製造方法。
条件（Ａ）：前記底角θが４１．７°未満
条件（Ｂ）：θ［°］＜−３３．１８×ｌｎ（Ｈ／ｈ）＋６５．９７３、且つＨ／ｈ≧２．０７８
【発明の効果】
【０００８】
本発明の積層造形物の製造方法によれば、隣接する溶着ビード間の内部欠陥の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に係る積層造形物の製造方法を用いて積層造形物を製造する製造装置の模式的な構成図である。
【図２】複数の溶着ビード層によって形成された積層造形物の一例を示す斜視図である。
【図３】ベースプレート上に形成された初層の溶着ビード層のうち、隣り合う溶着ビードを台形形状に近似した一例を示す断面図である。
【図４】ベースプレート上に形成された初層の溶着ビード層のうち、隣り合う溶着ビードを台形形状に近似した他の一例を示す断面図である。
【図５】溶着ビード間に隙間が発生しない条件の検討結果を示すグラフである。
【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、本発明に係る積層造形物の製造方法を用いて積層造形物を製造する製造装置の模式的な構成図である。本構成の製造装置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。
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、これらの各部が接続されている制御部３７と、を有する。
【００１３】
溶接ロボット１９は、多関節ロボットであり、先端軸のトーチ１７には溶加材Ｍが連続供給可能に支持されている。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。
【００１４】
トーチ１７は、不図示のシールドノズルを有し、このシールドノズルからシールドガスが供給される。トーチ１７による溶接法としては、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に応じて適宜選定される。
【００１５】
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。
【００１６】
ＣＡＤ／ＣＡＭ部３１は、作製しようとする積層造形物の形状データを作成する。ＣＡＤ／ＣＡＭ部３１は、積層造形物の形状データを作成した後、積層造形物を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、ＣＡＤ／ＣＡＭ部３１により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、ＣＡＤ／ＣＡＭ部３１により生成された層形状データや軌道演算部３３で求められたトーチ１７の移動軌跡のデータ等を記憶する。
【００１７】
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の移動軌跡のデータ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。すなわち、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で生成されたトーチ１７の軌道軌跡に基づき、溶加材Ｍをアークで溶融させながらトーチ１７を移動させる。
【００１８】
上記構成の製造装置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。トーチ１７を移動しつつ、連続送給される溶加材Ｍを繰り返し溶融および凝固させることにより、ベースプレート２７上には、溶加材Ｍの溶融凝固体である線状の溶着ビード２５が一列に並べられて、溶着ビード層３４が形成される。
【００１９】
図２に示すように、溶着ビード層３４は、複数の溶着ビード２５をそれぞれ隣接させて繰り返し形成することによって造形される。積層造形物Ｗは、溶着ビード２５が並設された溶着ビード層３４の上に、同様の溶着ビード層３４を複数層に積層することによって造形される。
【００２０】
なお、ベースプレート２７は、例えば鋼板等の金属板からなり、基本的には積層造形物の底面（最下層の面）より大きいものが使用される。ベースプレート２７は、板状に限らず、ブロック体や棒状等、他の形状のベースであってもよい。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，高張力鋼および低温用鋼用のマグ溶接およびミグ溶接ソリッドワイヤ（ＪＩＳ  Ｚ  ３３１２）、軟鋼，高張力鋼およ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。
【００２１】
ここで、溶着ビード層３４を構成する各溶着ビード２５の形状は、トーチ１７に溶加材Ｍを供給する送給速度、トーチ１７に印加される電圧値や電流値、トーチ１７をベースプレート２７上に直線的に相対移動させる溶接速度などの溶接条件によって決定される。
【００２２】
例えば、図３は、断面形状が横長の二本の溶着ビード２５を示し、図４は、図３に比べて断面形状の形成する底角θと高さＨが大きく、且つ、隣接して形成される溶着ビード同士の重なり部分の高さｈが図３に比べて大きい２本の溶着ビード２５を示している。これらの断面形状を有する溶着ビード２５が並んで形成される場合、図３ではθが小さいために溶融金属は隣接するビードの裾に十分流れて融合することと考えられる。しかしながら、図４の溶着ビード２５において、θが相対的に大きい条件であるため溶融金属の流動性が低く隣接するビードの裾部分と十分な融合が促進されずに空隙が発生してしまう虞がある。
【００２３】
そこで、本発明者は、溶着ビード２５間の隙間の発生を抑制するために、溶着ビード２５の断面形状と隣接する溶着ビード２５同士の重なり量との関係に着目して検討を行った。具体的には、溶着ビード２５の断面形状を台形形状に近似し、該近似された台形形状４１の高さＨと、底角θと、隣接して形成される溶着ビード２５同士の重なり部分の高さ（図では、ベースプレート２７から隣接する溶着ビード２５間に形成される狭隘部Ｎまでの高さ）ｈとの関係について検討した。なお、溶着ビード２５の台形近似は、例えばレーザ等を用いて溶着ビード２５の断面形状を計測し、計測された断面形状を台形形状で近似処理して行うことができる。
【００２４】
図５は、上記近似された台形形状の高さＨと、底角θと、隣接して形成される溶着ビード２５同士の重なり部分の高さｈとの関係について検討した結果を示すグラフである。図５に示すグラフにおいて、縦軸は近似された台形形状の底角θを示し、横軸は重なり部分の高さｈに対する近似された台形形状の高さＨの比Ｈ／ｈを示す。また、該グラフにおいて、「〇」印が溶着ビード２５間に隙間が発生しなかったサンプルを示し、「×」印が溶着ビード２５間に隙間が発生したサンプルを示す。
【００２５】
例えば、サンプルＳ１は、近似された台形形状の底角θを４０°にしたとき、重なり部分の高さｈに対する近似された台形形状の高さＨの比Ｈ／ｈを２に設定すると溶着ビード２５間に隙間が発生しないことを表している。また、サンプルＳ２は、近似された台形形状の底角θを４５°にしたとき、重なり部分の高さｈに対する近似された台形形状の高さＨの比Ｈ／ｈを１．４に設定すると溶着ビード２５間に隙間が発生しないことを表している。また、サンプルＳ３は、近似された台形形状の底角θを４５°にしたとき、重なり部分の高さｈに対する近似された台形形状の高さＨの比Ｈ／ｈを２．５に設定すると溶着ビード２５間に隙間が発生することを表している。
【００２６】
これらの検討結果より、本発明者は、図３および図４から得られる定性的な知見と図５の実験結果から、近似された台形形状の底角θが４１．７°以上の場合は、θ＜−３３．１８×ｌｎ（Ｈ／ｈ）＋６５．９７３、且つＨ／ｈ≧２．０７８を満たすように隣接する溶着ビード２５同士を形成することで溶着ビード２５間に隙間が発生しないことを見出した。また、近似された台形形状の底角θが４１．７°未満の場合、Ｈとｈとの関係は任意に設定することができることを見出した。
【００２７】
したがって、本実施形態では、上記２つの関係をテーブルとしてコントローラ１５の記憶部３５に記憶させ、溶着ビード２５間に隙間が発生しない、上記近似された台形形状（溶着ビード）の高さＨ、底角θ、及び隣接する溶着ビード２５同士の重なり部の高さｈの関係を満足するように、溶着ビード２５の溶接条件を求める。このため、これら高さＨ、底角θ、及び高さｈの各パラメータと、溶加材Ｍの送給速度、トーチ１７に印加される電圧値や電流値、溶接速度、隣接する溶着ビード２５間のピッチ等の溶接条件との関係を対応付けてデータベース化しておき、これらの関係も記憶部３５に記憶しておくのが好ましい。また、Ｈ／ｈを下げるためには例えば隣接するビード同士のピッチ間隔を小さくすればよく、θを小さくするには入熱量を大きくすればよいことから、所定の溶接条件を基準に上記の関係を満たすようにピッチ間隔や入熱量を調整してもよい。
【００２８】
次に、上記検討結果により見出された上記テーブルを用いて、溶着ビード層３４を形成する手順の一例について詳述する。
【００２９】
まず、溶着ビード層３４を形成するための溶着ビード２５の形状を把握する。溶着ビード２５の形状は、溶着ビード２５を等脚台形形状に近似したときのその台形形状の底角θと高さＨによって与えられる。これらの値は、実際に形成される溶着ビード２５に関する底角θと高さＨを測定することにより取得してもよいし、或いは、一部の溶接条件を決定し、記憶部３５に記憶されたデータベースを利用して求めてもよい。また、データベースを利用する場合には、底角θのみを求めるようにしてもよい。
【００３０】
そして、台形形状の底角θを選択することで、内部欠陥（隙間）が発生しない、底角θに対応付けて記憶部３５に記憶されている溶着ビード２５の高さＨと隣接する溶着ビード２５同士の重なり部分の高さｈの組み合せ値（Ｈ／ｈ）の範囲を選定する。
さらに、測定された台形形状の高さＨが与えられている場合には、内部欠陥が発生しない隣接する溶着ビード２５同士の重なり部分の高さｈの範囲を求め、所望の高さｈを与える、溶加材Ｍの送給速度、トーチ１７に印加される電圧値や電流値、溶接速度、隣接する溶着ビード２５間のピッチ等の溶接条件を設定する。
また、データベースを利用した底角θのみを設定している場合には、組み合わせ値（Ｈ／ｈ）を満たす、台形形状の高さＨ、重なり部分の高さｈを与える、溶加材Ｍの送給速度、トーチ１７に印加される電圧値や電流値、溶接速度、隣接する溶着ビード２５間のピッチ等の溶接条件を設定する。
【００３１】
制御部３７は、定められた溶加材Ｍの送給速度、トーチ１７に印加される電圧値や電流値、溶接速度、隣接する溶着ビード２５間のピッチ等の溶接条件、および積層造形物の層形状データ、トーチ１７の移動軌跡等のデータに基づく駆動プログラムを実行して、溶接ロボット１９を駆動させる。溶接ロボット１９は、トーチ１７を移動させながら、連続送給される溶加材Ｍを繰り返し溶融および凝固させることにより、ベースプレート２７上に溶着ビード２５を互いに隣接させて並列に形成し、初層の溶着ビード層３４を形成する。
【００３２】
さらに、初層の溶着ビード層３４の上に積層される次層の溶着ビード層３４についても同様の手順で形成し、複数の溶着ビード層３４を繰り返し積層することにより、目的の積層造形物を造形する。
【００３３】
このように上記実施形態に係る積層造形物の製造方法によれば、溶着ビード２５の形状を台形形状に近似して、該近似された台形形状（溶着ビード）の高さＨと、底角θと、隣接して形成される溶着ビード２５同士の重なり部分の高さｈとの関係に基づいて各溶着ビード層３４が形成される。そして、底角θが４１．７°以上の場合には、θ＜−３３．１８×ｌｎ（Ｈ／ｈ）＋６５．９７３、且つＨ／ｈ≧２．０７８を満たすように隣接する溶着ビード２５同士が形成され、底角θが４１．７°未満の場合には、高さＨとｈとを任意に設定して隣接する溶着ビード２５同士が形成される。即ち、条件（Ａ）：底角θを４１．７°未満とするか、条件（Ｂ）：θ＜−３３．１８×ｌｎ（Ｈ／ｈ）＋６５．９７３、且つＨ／ｈ≧２．０７８とする、いずれかの条件を満たすことで、隣接する溶着ビード２５間の隙間に溶融した溶加材Ｍを良好に入り込ますことができ、溶着ビード２５間の内部欠陥（隙間）の発生を抑制することができる。
【００３４】
以上の通り、本明細書には、次の事項が開示されている。
（１）  溶加材を溶融および凝固させた溶着ビードを互いに隣接させて溶着ビード層を形成し、該形成された溶着ビード層に次層の溶着ビード層を繰り返し積層して造形する積層造形物の製造方法であって、
前記溶着ビード層を形成する際に、前記各溶着ビードの断面形状を台形形状に近似し、該近似された台形形状の高さをＨ、底角をθとし、隣接する前記溶着ビード間の重なり部分の高さをｈとしたとき、以下の条件（Ａ）、（Ｂ）のいずれかを満たすように前記溶着ビードを形成する、積層造形物の製造方法。
条件（Ａ）：前記底角θが４１．７°未満
条件（Ｂ）：θ＜−３３．１８×ｌｎ（Ｈ／ｈ）＋６５．９７３、且つＨ／ｈ≧２．０７８
この積層造形物の製造方法によれば、隣接する溶着ビード間の内部欠陥の発生を抑制することができる。
【００３５】
（２）  Ｈ／ｈを小さくするように、前記隣接する溶着ビード同士のピッチ間隔を小さくする、（１）に記載の積層造形物の製造方法。
この積層造形物の製造方法によれば、ピッチ間隔を調整することで、隣接する溶着ビード間の内部欠陥の発生を抑制する条件を設定し易くなる。
【００３６】
（３）前記底角θを小さくするように、前記溶着ビードの入熱量を大きくする、（１）または（２）に記載の積層造形物の製造方法。
この積層造形物の製造方法によれば、入熱量を調整することで、隣接する溶着ビード間の内部欠陥の発生を抑制する条件を設定し易くなる。
【符号の説明】
【００３７】
１１  積層造形装置
１５  コントローラ
１７  トーチ
１９  溶接ロボット
２３  溶加材供給部
２５  溶着ビード
３１  ＣＡＤ／ＣＡＭ部
３３  軌道演算部
３４  溶着ビード層
３５  記憶部
３７  制御部
４１  台形形状
１００  製造装置
θ  台形形状の底角
Ｈ  台形形状の高さ
ｈ  重なり部分の高さ
Ｍ  溶加材
Ｎ  狭隘部
Ｗ  積層造形物
【要約】
【課題】隣接する溶着ビード間の内部欠陥の発生を抑制することが可能な積層造形物の製造方法を提供する。
【解決手段】積層造形物の製造方法は、溶加材を溶融および凝固させた溶着ビード２５を互いに隣接させて溶着ビード層３４を形成し、形成された溶着ビード層３４に次層の溶着ビード層３４を繰り返し積層して造形する。溶着ビード層３４を形成する際に、各溶着ビード２５の断面形状を台形形状に近似し、近似された台形形状の高さをＨ、底角をθとし、隣接する溶着ビード２５間の重なり部分の高さをｈとしたとき、以下の条件（Ａ）、（Ｂ）のいずれかを満たすように前記溶着ビードを形成する。条件（Ａ）：前記底角θが４１．７°未満、条件（Ｂ）：θ＜−３３．１８×ｌｎ（Ｈ／ｈ）＋６５．９７３、且つＨ／ｈ≧２．０７８
【選択図】図４【図１】
0006859471.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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