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公開番号2021003724
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210114
出願番号2019118745
出願日20190626
発明の名称積層造形方法
出願人株式会社神戸製鋼所
代理人特許業務法人栄光特許事務所
主分類B23K 9/04 20060101AFI20201211BHJP(工作機械;他に分類されない金属加工)
要約【課題】積層造形物のビード形成の軌道計画を、煩雑な演算を要することなく作成でき、簡単且つ高精度に積層造形物が得られる積層造形方法を提供する。
【解決手段】ビードを積層して造形物を作製する際に、複数のビードモデルに分割する工程は、既存のビードと隣接しない部位にビードを形成する位置には、断面台形の台形ビードモデルBMaを適用する。既に形成されたビードに隣接して形成される位置には、ビード積層方向DHの対辺51,53が互いに平行で、且つビード配列方向DVの対辺55,57が、隣接する他のビードモデルの側辺49と平行である断面平行四辺形の平行四辺形ビードモデルBMbを適用する。
【選択図】図4
特許請求の範囲【請求項1】
溶加材を溶融及び固化して形成されるビードをベース上に積層して造形物を作製する積層造形方法であって、
前記造形物の3次元形状データを読み込む工程と、
前記3次元形状データの立体モデル形状に応じて、前記ビードの積層方向を決定する工程と、
前記立体モデル形状を前記積層方向に沿って複数の層に分割する工程と、
分割された各層を、前記ビードの形成順にビード形状に応じた複数ラインのビードモデルに分割する工程と、
前記ビードモデルに沿って前記ビードを形成する処理を、前記複数の層の下層から上層まで繰り返して前記造形物を作製する工程と、
を有し、
前記複数ラインのビードモデルに分割する工程は、
前記層内において、前記ビードを既存のビードと隣接しない部位に形成する位置には、ビード積層方向の対辺が互いに平行で、且つ前記層内のビード配列方向の対辺が互いに非平行である、ビード長手方向の垂直断面が台形の台形ビードモデルを適用し、
前記ビードを既に形成されたビードに隣接して形成する位置には、前記ビード積層方向の対辺が互いに平行で、且つ前記ビード配列方向の対辺が、隣接する他のビードモデルの側辺と平行である、ビード長手方向の垂直断面が平行四辺形の平行四辺形ビードモデルを適用する積層造形方法。
続きを表示(約 610 文字)【請求項2】
複数種の溶接条件、ビード高さ、ビード幅の組み合わせによる造形結果が記憶されたデータベースを参照して、
前記ビードモデルの前記垂直断面における高さと幅に応じて、前記ビードの溶接条件を変更する工程を有する請求項1に記載の積層造形方法。
【請求項3】
前記立体モデル形状の外縁に余肉部を追加する工程と、
追加された前記余肉部の位置に近接する前記ビードモデルに対して、前記垂直断面において、前記近接するビードモデルの幅を、前記余肉部の幅に応じて変更する工程と、
を有する請求項1又は2に記載の積層造形方法。
【請求項4】
同じ層内に配置され互いに隣接する一対の前記ビードモデルの底辺同士の境界位置から、前記一対のビードモデルのうちビード形成順が後のビードモデルのビード目標形成位置までの調整距離を、前記層内の前記ビードの高さが一定になるように決定する請求項1又は2に記載の積層造形方法。
【請求項5】
前記台形ビードモデルと前記平行四辺形ビードモデルに対して、前記垂直断面において少なくとも一部に円弧を有する部分円形ビードモデルをそれぞれ当てはめる工程を有し、
前記工程では、隣り合う前記部分円形ビードモデルの前記円弧同士の重なりが、予め定めた重なり量になるように、前記調整距離を補正する請求項4に記載の積層造形方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、ビードを積層して造形物を作製する積層造形方法に関する。
続きを表示(約 6,300 文字)【背景技術】
【0002】
アーク溶接等の溶接技術によって形成されるビードを積層し、溶接構造物や積層造形物を作製する技術が知られている(例えば、特許文献1,2)。
特許文献1には、開先溶接を行うに際して、溶接断面形状を解析モデル化して弾塑性解析等を行うことにより、溶接パスの条件を適切に設定する技術が記載されている。また、特許文献2には、積層するビードを楕円モデルで表して、積層造形のビード形成の軌道計画を行う技術が記載されている。この軌道計画では、楕円モデルを表す特定のパラメータと造形条件との関係のデータベースを予め作成しておき、このデータベースに基づくシミュレーションにより目標形状の造形条件を決定している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
特開2010−201474号公報
特開2018−27558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、上記のような溶接パスの設定や積層造形の軌道計画において、ビード形状を円や楕円で近似して計算すると、例えば、曲面同士の交点の位置抽出など、幾何学的な計算が複雑となる。また、溶接条件から計算される接合断面を表現するには、適切な曲率等を設定する必要があり、ビード形成の軌道計画が煩雑となる。
【0005】
そこで本発明は、積層造形物のビード形成の軌道計画を、煩雑な演算を要することなく作成でき、簡単且つ高精度に積層造形物が得られる積層造形方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明は下記の構成からなる。
溶加材を溶融及び固化して形成されるビードをベース上に積層して造形物を作製する積層造形方法であって、
前記造形物の3次元形状データを読み込む工程と、
前記3次元形状データの立体モデル形状に応じて、前記ビードの積層方向を決定する工程と、
前記立体モデル形状を前記積層方向に沿って複数の層に分割する工程と、
分割された各層を、前記ビードの形成順にビード形状に応じた複数ラインのビードモデルに分割する工程と、
前記ビードモデルに沿って前記ビードを形成する処理を、前記複数の層の下層から上層まで繰り返して前記造形物を作製する工程と、
を有し、
前記複数ラインのビードモデルに分割する工程は、
前記層内において、前記ビードを既存のビードと隣接しない部位に形成する位置には、ビード積層方向の対辺が互いに平行で、且つ前記層内のビード配列方向の対辺が互いに非平行である、ビード長手方向の垂直断面が台形の台形ビードモデルを適用し、
前記ビードを既に形成されたビードに隣接して形成する位置には、前記ビード積層方向の対辺が互いに平行で、且つ前記ビード配列方向の対辺が、隣接する他のビードモデルの側辺と平行である、ビード長手方向の垂直断面が平行四辺形の平行四辺形ビードモデルを適用する積層造形方法。
【発明の効果】
【0007】
本発明によれば、積層造形物のビード形成の軌道計画を、煩雑な演算を要することなく作成でき、簡単且つ高精度に積層造形物が得られる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
図1は、積層造形方法を実施する積層造形物の製造装置の一例を示す概略構成図である。
図2は、ベースプレート上に形成された複数の線状のビードを示す斜視図である。
図3は、参考例として示す従来のビードモデルを示す断面図である。
図4は、図2に示すベースプレート上に形成された初層のビードと、各ビードに当てはめたビードモデルを示す断面図である。
図5は、初層のビード層の上に複数のビード層を積層したビードモデルの説明図である。
図6は、部分円形モデルの模式的な説明図である。
図7は、図6に示すモデルを幾何学的に示す詳細説明図である。
図8は、ベースプレートの一端部を起点としてビードを形成する場合の説明図である。
図9は、ベースプレートの端部よりも内側のビードを中心に、ビード両脇へ交互にビードを形成する場合の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
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。
<積層造形物の製造装置>
図1は本発明に係る積層造形方法を実施する積層造形物の製造装置の一例を示す概略構成図である。
本構成の積層造形物の製造装置100は、積層造形物、又は所望形状の造形物を得るための粗形材としての積層造形物を形成する装置であり、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。
【0010】
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。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。
【0011】
溶接ロボット19は、多関節ロボットであり、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。
【0012】
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に応じて適宜選定される。
【0013】
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ビード25が形成される。
【0014】
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、加熱量をさらに細かく制御でき、溶着ビードの状態をより適正に維持して、積層造形物の更なる品質向上に寄与できる。
【0015】
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。
【0016】
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。このコントローラ15は、CPU、メモリ、ストレージ等を備えるコンピュータ装置により構成される。
【0017】
CAD/CAM部31は、作製しようとする積層造形物の3次元形状データ(CADデータ等)を読み込み、この3次元形状データに応じた立体モデル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、生成された層形状データから、後述する複数ラインのビードモデルに分割して、トーチ17の移動軌跡を決定する。記憶部35は、生成された層形状データやトーチ17の移動軌跡等の情報を含む各種のデータや駆動プログラムを記憶する。
【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の移動軌跡に応じて作成される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で作成した軌道軌跡に沿ってトーチ17を移動させる。
【0019】
上記構成の積層造形物の製造装置100は、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る。このトーチ17の移動と共に、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上に複数の線状のビード25A,25B,25C,25Dが凝固して配列されたビード層29が形成される。図2は初層のビード層29を示しているが、このビード層29の上に、同様のビード層を複数回積層することで、図1に示すような多層構造の積層造形物Wが造形される。
【0020】
ベースプレート27は、鋼板等の金属板からなるが、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。
【0021】
<第1の積層造形方法>
上記した積層造形物Wは、複数のビード25を積層して形成する手順を示す積層計画に基づいて形成される。具体的には、図1に示すコントローラ15により、積層計画に基づく駆動プログラムを生成し、生成した駆動プログラムを制御部37が実行する。制御部37は、駆動プログラムに従って積層造形装置11のトーチ17等の各部を駆動して、ビードを形成する。これにより、所望の形状の積層造形物Wが形成される。なお、駆動プログラムは、必要とされる情報をコントローラ15とは異なる他のコンピュータ装置に入力して、他のコンピュータ装置で生成してもよい。その場合、生成した駆動プログラムは、LAN等の適宜な通信手段を介してコントローラ15の記憶部35に入力される。
【0022】
上記した積層計画には、積層造形物Wの形状を、ビード形状を表すモデル(ビードモデル)の集合体に変換する処理が含まれる。ビードモデルは、そのビードモデルに沿ってトーチ17を移動させてビードを形成すると、最終的に積層造形物Wが得られる位置情報(トーチ移動軌跡の情報)と、各ビードの大きさ、長さ、断面形状等の情報を有する。
【0023】
図3は参考例として示す従来のビードモデルを示す断面図である。
積層造形物を形成するための従来のビードモデルとしては、ビード長手方向の垂直断面で楕円形状や略三日月形等の形状が広く用いられていた。図3に例示する場合では、ビードの形状を、円41を中心Oから上方の円周に向かう途中の半径位置P

で、ベースプレート27の上面(直線)で切断した略三日月形の断面形状のビードモデルBM0に近似させている。つまり、ビードの形状を、半径r、ビード高さh、ビード幅W

、断面積S

で表されるビードモデルBM0を用いて表している。
【0024】
このビードモデルBM0では、溶接によって得られる実際のビード断面形状と必ずしも一致せず、その断面形状の差が設計誤差を増加させる要因となっていた。また、積層計画は、一定の溶接条件で連続してビード形成する計画であることが施工上、及び品質上の観点から好ましい。そのため、ビード断面形状(断面積S

)を一定にすることが望まれる。しかし、表面が円弧状の略三日月形のビードモデルBM0では、他の隣接するビードに対応するビードモデルBM1の断面積S

を求める際、ビードモデルBM0とビードモデルBM1の円弧部分が重なるために(ピッチPt<ビード幅W

のため)、断面積S

を求める演算が煩雑となる。また、ビードモデルBM1に隣接するビードモデルBM2についても同様に断面積S

を求める演算が煩雑となる。このことは、楕円形状のビードモデルについても同様である。
【0025】
そこで、本積層造形方法においては、ビードモデルの形状を、従来の三日月形や楕円形から、実際のビードの断面形状により近い、台形と平行四辺形にする。また、断面形状が台形のビードモデル(台形ビードモデル)に、同じ高さで断面形状が平行四辺形のビードモデル(平行四辺形ビードモデル)を隣接させて配置することで、前述した重なり部分がなくなり、ビードモデルの断面積の演算を簡単にできる。
【0026】
本積層造形方法は、基本的に次の工程を有する。
(1)積層造形物の3次元形状データを読み込む工程。
(2)3次元形状データの立体モデル形状に応じて、ビードの積層方向を決定する工程。
(3)立体モデル形状を積層方向に沿って複数の層に分割する工程。
(4)分割された各層を、ビードの形成順に、ビード形状に応じた複数ラインのビードモデルに分割する工程。
(5)ビードモデルに沿ってビードを形成する処理を、分割された複数の層の下層から上層まで繰り返し、積層造形物を作製する工程。
【0027】
上記の(1)〜(3)の工程は、前述したようにコントローラ15(図1)によって実施され、(5)の工程は、駆動プログラムに従って溶接ロボット19が駆動されることで実施される。以下、(4)の工程について詳細に説明する。
【0028】
図4は図2に示すベースプレート27上に形成された初層のビード25A,25B,25C,25Dと、各ビードに当てはめたビードモデルを示す断面図である。ここでは、説明を簡単にするために4つのビードを示しているが、ビード数やビード高さh等は、積層造形物の形状や溶接条件等によって任意に設定されるものである。
【0029】
図4に示すビード25A,25B,25C,25Dは、この順に形成されるものとする。実際のビード25A,25B,25C,25Dの各断面形状は、必ずしも台形や平行四辺形ではないが、少なくとも三日月形や楕円よりは台形又は平行四辺形に近い形状となり、ビードモデルとの高いフィッティング性が得られる。
【0030】
ここでいう台形とは、ビード積層方向DHの対辺となる上底43と下底45が互いに平行で、且つビード配列方向DVの対辺となる側辺47,49が互いに非平行となる形状である。また、平行四辺形とは、平行四辺形ビードモデルBMbを参照すると、ビード積層方向DHの対辺となる上辺51と下辺53が互いに平行で、且つビード配列方向DVの対辺である側辺55,57が、この平行四辺形に隣接する他のビードモデル(台形ビードモデルBMa)の側辺49と平行となる形状である。なお、上記した台形と平行四辺形の高さhは等しいものとする。
(【0031】以降は省略されています)

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