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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024102576
(43)【公開日】2024-07-31
(54)【発明の名称】金属造形物の造形装置及び金属造形物の造形方法
(51)【国際特許分類】
B23K 9/04 20060101AFI20240724BHJP
B23K 37/08 20060101ALI20240724BHJP
B33Y 10/00 20150101ALI20240724BHJP
B33Y 30/00 20150101ALI20240724BHJP
【ＦＩ】
B23K9/04 G
B23K9/04 Z
B23K37/08 D
B33Y10/00
B33Y30/00
【審査請求】未請求
【請求項の数】6
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023006562
(22)【出願日】2023-01-19
(71)【出願人】
【識別番号】000002299
【氏名又は名称】清水建設株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100149548
【弁理士】
【氏名又は名称】松沼 泰史
(74)【代理人】
【識別番号】100161506
【弁理士】
【氏名又は名称】川渕 健一
(74)【代理人】
【識別番号】100161207
【弁理士】
【氏名又は名称】西澤 和純
(72)【発明者】
【氏名】洪 策符
(72)【発明者】
【氏名】山縣 侑加
(57)【要約】
【課題】金属造形物が鉛直方向に対して傾斜する形状の場合でも造形できる金属造形物の造形装置及び金属造形物の造形方法を提供する。
【解決手段】金属層２２を積層して金属造形物２３を造形する造形装置１において、溶融した溶接ワイヤ２１（金属材料）を供給して金属層２２を成形し金属層２２を積層する積層部３と、積層部３を制御する積層制御部４と、を有し、積層制御部４は、溶融した溶接ワイヤ２１を供給する方向が金属造形物２３の接線方向になるように積層部３を制御する。
【選択図】図１
【解決手段】金属層２２を積層して金属造形物２３を造形する造形装置１において、溶融した溶接ワイヤ２１（金属材料）を供給して金属層２２を成形し金属層２２を積層する積層部３と、積層部３を制御する積層制御部４と、を有し、積層制御部４は、溶融した溶接ワイヤ２１を供給する方向が金属造形物２３の接線方向になるように積層部３を制御する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
金属層を積層して金属造形物を造形する金属造形物の造形装置において、
溶融した金属材料を供給して前記金属層を成形し前記金属層を積層する積層部と、
前記積層部を制御する積層制御部と、を有し、
前記積層制御部は、前記溶融した金属材料を供給する方向が前記金属造形物の接線方向になるように前記積層部の姿勢を制御する金属造形物の造形装置。
溶融した金属材料を供給して前記金属層を成形し前記金属層を積層する積層部と、
前記積層部を制御する積層制御部と、を有し、
前記積層制御部は、前記溶融した金属材料を供給する方向が前記金属造形物の接線方向になるように前記積層部の姿勢を制御する金属造形物の造形装置。
【請求項2】
成形された前記金属層の表面を切削する切削部を有し、
前記切削部は、成形された前記金属層の表面のうち、新たに金属層が積層される領域を切削する請求項１に記載の金属造形物の造形装置。
前記切削部は、成形された前記金属層の表面のうち、新たに金属層が積層される領域を切削する請求項１に記載の金属造形物の造形装置。
【請求項3】
前記切削部は、前記金属層の表面を切削して前記金属層と同じ方向に延びる溝部を成形する請求項２に記載の金属造形物の造形装置。
【請求項4】
金属層を積層して金属造形物を造形する金属造形物の造形装置を用いて金属造形物を造形する金属造形物の造形方法において、
溶融した金属材料を供給して前記金属層を成形し前記金属層を積層する積層工程を有し、
前記積層工程では、
前記溶融した金属材料を供給する方向を前記金属造形物の接線方向にする金属造形物の造形方法。
溶融した金属材料を供給して前記金属層を成形し前記金属層を積層する積層工程を有し、
前記積層工程では、
前記溶融した金属材料を供給する方向を前記金属造形物の接線方向にする金属造形物の造形方法。
【請求項5】
成形された前記金属層の表面を切削する切削工程を有し、
前記切削工程では、成形された前記金属層の表面のうち、新たに金属層が積層される領域を切削する請求項４に記載の金属造形物の造形方法。
前記切削工程では、成形された前記金属層の表面のうち、新たに金属層が積層される領域を切削する請求項４に記載の金属造形物の造形方法。
【請求項6】
前記切削工程では、前記金属層の表面を切削して前記金属層と同じ方向に延びる溝部を成形する請求項５に記載の金属造形物の造形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、金属造形物の造形装置及び金属造形物の造形方法に関する。
【背景技術】
【0002】
従来から、ＷＡＡＭ（Ｗｉｒｅ ａｒｃ ａｄｄｉｔｉｖｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）の装置構成として、アーク溶接ロボットを用いて金属材料の積層を行うものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０１７－１４４４４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ＷＡＡＭによる造形では、金属材料が上下方向に積層されるため、溶接トーチの姿勢は鉛直方向の上方から溶接可能となるように鉛直下方を向くように制御されている。このため、傾斜パイプや傾斜柱など鉛直方向に対して傾斜する金属造形物の造形は、上下に重なる層同士の接合面積が小さくなり、難しかった。特に鉛直方向に対して４５°以上傾斜する金属造形物の造形は、特に困難であった。
【0005】
そこで、本発明は、金属造形物が鉛直方向に対して傾斜する形状の場合でも造形できる金属造形物の造形装置及び金属造形物の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】
上記目的を達成するため、本発明に係る金属造形物の造形装置は、金属層を積層して金属造形物を造形する金属造形物の造形装置において、溶融した金属材料を供給して前記金属層を成形し前記金属層を積層する積層部と、前記積層部を制御する積層制御部と、を有し、前記積層制御部は、前記溶融した金属材料を供給する方向が前記金属造形物の接線方向になるように前記積層部の姿勢を制御する。
【0007】
上記目的を達成するため、本発明に係る金属造形物の造形方法は、金属層を積層して金属造形物を造形する金属造形物の造形装置を用いて金属造形物を造形する金属造形物の造形方法において、溶融した金属材料を供給して前記金属層を成形し前記金属層を積層する積層工程を有し、前記積層工程では、前記溶融した金属材料を供給する方向を前記金属造形物の接線方向にする。
【0008】
本発明では、溶融した金属材料を供給する方向が金属造形物の接線方向になることにより、重なる金属層同士の接合面積を一定に確保でき、金属造形物が鉛直方向に対して４５度以上傾斜する場合でも接合面積が小さくなることが無い。これにより、重なる金属層同士の接合強度が向上し、金属造形物が鉛直方向に対して傾斜する形状の場合でも、金属造形物の造形装置で造形できる。
【0009】
また、本発明に係る金属造形物の造形装置では、成形された前記金属層の表面を切削する切削部を有し、前記切削部は、成形された前記金属層の表面のうち、新たに金属層が積層される領域を切削してもよい。
【0010】
また、本発明に係る金属造形物の造形方法では、成形された前記金属層の表面を切削する切削工程を有し、前記切削工程では、成形された前記金属層の表面のうち、新たに金属層が積層される領域を切削してもよい。
【0011】
このような構成とすることにより、金属層の表面のうち、新たに金属層が積層される領域を均すことができる。これにより、溶融した金属材料を供給する積層部と金属層との間隔を一定に維持されるため、新たな金属層を良好に成形できる。
積層工程の間に切削工程を行うため、造形される金属造形物の形状精度及び表面粗さを向上できる。
積層工程の間に切削工程を行うため、残留応力を低減でき、疲労強度を向上できる。
積層工程の間に切削工程を行うため、造形される金属造形物の形状精度及び表面粗さを向上できる。
積層工程の間に切削工程を行うため、残留応力を低減でき、疲労強度を向上できる。
【0012】
また、本発明に係る金属造形物の造形装置では、前記切削部は、前記金属層の表面を切削して前記金属層と同じ方向に延びる溝部を成形してもよい。
【0013】
また、本発明に係る金属造形物の造形方法では、前記切削工程では、前記金属層の表面を切削して前記金属層と同じ方向に延びる溝部を成形してもよい。
【0014】
このような構成とすることにより、金属層に形成された溝部に新たな金属層が積層されるため、重なる金属層同士の接合面積を大きくできる。これにより、重なる金属層同士の接合強度が向上し、金属造形物が鉛直方向に対して４５度以上傾斜する場合でも重なる金属層同士を良好に接合できる。
金属層に形成された溝部に新たな金属層を積層するため、新たな金属層の位置決めが容易であり、新たな金属層２２を安定した状態に積層できる。
金属層に形成された溝部に新たな金属層を積層するため、新たな金属層の位置決めが容易であり、新たな金属層２２を安定した状態に積層できる。
【発明の効果】
【0015】
本発明によれば、金属造形物が鉛直方向に対して傾斜する形状の場合でも金属造形物の造形装置で造形できる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【図1】本発明の実施例に係る金属造形物の造形装置の一例を示す斜視図である。
【図2】スライサー装置の概要を説明する図である。
【図3】溶接トーチ及び切削具を示す斜視図である。
【図4】溝部及びリード角を説明する模式図である。
【図5】切削具で金属造形物の表面に仕上げ加工を行う様子を示す図である。
【図6】（ａ）は傾斜面の傾斜角が７０°である金属造形物の積層状態を示す画像である。（ｂ）は中空の金属造形物（シリンダー）の内側から、水平面を積層する例を示す画像である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
以下、本発明の実施例に係る金属造形物の造形装置について、図１－図６に基づいて説明する。
図１に示すように、金属造形物の造形装置１は、アーク溶接装置を利用した金属溶融積層方式の３Ｄプリンタ（ＷＡＡＭ）である。造形装置１は、溶融した溶接ワイヤ２１（金属材料）で金属層２２を成形して積層し、金属造形物２３を造形する。造形装置１は、積層部３と、積層制御部４と、切削部５と、切削制御部６と、を有する。
造形装置１は、金属層２２を下方から上方に向かって積層する。上記の「下方から上方」とは、鉛直方向の下方から上方のみでなく、鉛直方向に対して斜めとなる傾斜方向における下方から上方も含む。
本実施例では、金属造形物の造形装置１で造形される金属造形物は、鉛直方向に延びる断面図（図２）において、鉛直方向に対して傾斜する傾斜部を有する。この鉛直方向に延びる断面図（図２）における、積層箇所での金属造形物の表面における接線方向（図面の矢印Ａの方向）を以下では、単に「接線方向」とする。この接線方向は、鉛直方向に対して傾斜している。
図１に示すように、金属造形物の造形装置１は、アーク溶接装置を利用した金属溶融積層方式の３Ｄプリンタ（ＷＡＡＭ）である。造形装置１は、溶融した溶接ワイヤ２１（金属材料）で金属層２２を成形して積層し、金属造形物２３を造形する。造形装置１は、積層部３と、積層制御部４と、切削部５と、切削制御部６と、を有する。
造形装置１は、金属層２２を下方から上方に向かって積層する。上記の「下方から上方」とは、鉛直方向の下方から上方のみでなく、鉛直方向に対して斜めとなる傾斜方向における下方から上方も含む。
本実施例では、金属造形物の造形装置１で造形される金属造形物は、鉛直方向に延びる断面図（図２）において、鉛直方向に対して傾斜する傾斜部を有する。この鉛直方向に延びる断面図（図２）における、積層箇所での金属造形物の表面における接線方向（図面の矢印Ａの方向）を以下では、単に「接線方向」とする。この接線方向は、鉛直方向に対して傾斜している。
【0018】
本実施例では、まず初めに図２に示す鉛直方向に延びる断面図は、スライサー装置Ｓによって、造形される金属造形物２３の３ＤモデルＭの形状データに基づき、積層する金属層２２毎に用意される。
スライサー装置Ｓは、スライスを行うための面定義(曲面も含む)を行い、金属造形物２３の３ＤモデルＭの形状に沿って一定間隔で３ＤモデルＭをスライスし、金属層２２毎の形状データに基づいて、積層制御部４で積層部３を、また切削制御部６で切削部５を制御する。より具体的にはスライサー装置Ｓは、例えば造形しようとしている金属造形物２３の３ＤモデルＭにおける任意の軸を中心とした、１°おきの断面図、１８０枚をする。
スライサー装置Ｓは、スライスを行うための面定義(曲面も含む)を行い、金属造形物２３の３ＤモデルＭの形状に沿って一定間隔で３ＤモデルＭをスライスし、金属層２２毎の形状データに基づいて、積層制御部４で積層部３を、また切削制御部６で切削部５を制御する。より具体的にはスライサー装置Ｓは、例えば造形しようとしている金属造形物２３の３ＤモデルＭにおける任意の軸を中心とした、１°おきの断面図、１８０枚をする。
【0019】
図１に示すように、積層部３は、溶接トーチ３１と、第１ロボットアーム（不図示）と、を有する。
図１及び図３に示すように、溶接トーチ３１は、不図示のワイヤ供給装置から溶接ワイヤ２１が供給される。溶接トーチ３１は、溶接トーチ３１の先端でアーク放電を行い、溶接ワイヤ２１を溶融する。
第１ロボットアームは、不図示のロボット本体から延びている。第１ロボットアームの先端部には、溶接トーチ３１が取り付けられている。第１ロボットアームは、溶接トーチ３１を所望の位置へ移動可能とするものであって、溶接トーチ３１の姿勢が調整可能とされている。
具体的には、第１ロボットアームは、第１リンクと、第２リンクと、基部と、第１関節と、第２関節と、第３関節と、を有する３節のロボットアームを用いた。第１リンクは、溶接トーチ３１に繋がるものであり、溶接トーチ３１と第１リンクとの間に第１関節が設けられている。また第２リンクは、第１リンクに繋がるものであり、第１リンクと第２リンクとの間に第２関節が設けられている。そして基部は、第２リンクに繋がるものであって、第２リンクと基部との間に第３関節が設けられている。第１関節は、第１リンクの延在方向を回転軸線とするひねりの他、上下（もしくは左右）への曲げを可能とするものとした。また第２関節は、第１リンクの延在方向を回転軸線とする回転の他、上下への曲げを可能とするものとした。そして第３関節は、鉛直方向を回転軸線とする回転の他、前後もしくは左右への曲げを可能とするものとした。
図１及び図３に示すように、溶接トーチ３１は、不図示のワイヤ供給装置から溶接ワイヤ２１が供給される。溶接トーチ３１は、溶接トーチ３１の先端でアーク放電を行い、溶接ワイヤ２１を溶融する。
第１ロボットアームは、不図示のロボット本体から延びている。第１ロボットアームの先端部には、溶接トーチ３１が取り付けられている。第１ロボットアームは、溶接トーチ３１を所望の位置へ移動可能とするものであって、溶接トーチ３１の姿勢が調整可能とされている。
具体的には、第１ロボットアームは、第１リンクと、第２リンクと、基部と、第１関節と、第２関節と、第３関節と、を有する３節のロボットアームを用いた。第１リンクは、溶接トーチ３１に繋がるものであり、溶接トーチ３１と第１リンクとの間に第１関節が設けられている。また第２リンクは、第１リンクに繋がるものであり、第１リンクと第２リンクとの間に第２関節が設けられている。そして基部は、第２リンクに繋がるものであって、第２リンクと基部との間に第３関節が設けられている。第１関節は、第１リンクの延在方向を回転軸線とするひねりの他、上下（もしくは左右）への曲げを可能とするものとした。また第２関節は、第１リンクの延在方向を回転軸線とする回転の他、上下への曲げを可能とするものとした。そして第３関節は、鉛直方向を回転軸線とする回転の他、前後もしくは左右への曲げを可能とするものとした。
【0020】
積層部３は、第１ロボットアームを駆動して溶接トーチ３１を移動させつつ、溶接トーチ３１で溶接ワイヤ２１を溶融することで、溶融した溶接ワイヤ２１を母材２４（図１参照）の上に供給し、金属層２２を成形する。積層部３は、溶接トーチ３１を移動させながら既に成形された金属層２２に重ねて新たな金属層２２を成形して積層することによって金属造形物２３を造形する。積層される金属層２２が重なる方向（図面の矢印Ｂの方向）を積層方向とする。積層方向のうち、先に積層される側を基端側とし、後に積層される側を先端側とする。
本実施例では、第１ロボットアームの駆動によって溶接トーチ３１が移動するように想定しているが、母材２４を支持する支持台が、例えば、支持台が鉛直軸回りに回転するなど移動するように構成されていてもよい。
本実施例では、第１ロボットアームの駆動によって溶接トーチ３１が移動するように想定しているが、母材２４を支持する支持台が、例えば、支持台が鉛直軸回りに回転するなど移動するように構成されていてもよい。
【0021】
積層制御部４は、溶接トーチ３１の姿勢及び移動方向を制御する姿勢制御部４１を有する。
姿勢制御部４１は、金属造形物２３の形状に応じて溶接トーチ３１を移動すべく第１ロボットアームを制御する。
本実施例では、スライサー装置Ｓが生成した積層しようとする部分に当たる金属層２２の断面が図示された金属造形物２３の断面図に基づき、金属造形物２３における金属層２２での外接線（もしくは内接線）を特定し、接線方向を決定し、溶接トーチ３１から溶融した溶接ワイヤ２１が供給される方向が接線方向となるように溶接トーチ３１の姿勢を制御する。このように既に形成した金属層２２上に、溶接トーチ３１で溶接ワイヤ２１を溶融させ、断面が半円形状となる新たな金属層２２を積層部３で順次、成形することで、金属造形物２３が造形される。
このとき、例えば金属層２２は、均一な断面形状とならず、ひいては意図した、一定の肉盛りとならないことがあった。このような場合にあっては、積層した金属層２２に対し、鉛直方向直上からずれた位置に積層することは特に難しく、金属層２２上にうまく積層することは難しかった。
姿勢制御部４１は、金属造形物２３の形状に応じて溶接トーチ３１を移動すべく第１ロボットアームを制御する。
本実施例では、スライサー装置Ｓが生成した積層しようとする部分に当たる金属層２２の断面が図示された金属造形物２３の断面図に基づき、金属造形物２３における金属層２２での外接線（もしくは内接線）を特定し、接線方向を決定し、溶接トーチ３１から溶融した溶接ワイヤ２１が供給される方向が接線方向となるように溶接トーチ３１の姿勢を制御する。このように既に形成した金属層２２上に、溶接トーチ３１で溶接ワイヤ２１を溶融させ、断面が半円形状となる新たな金属層２２を積層部３で順次、成形することで、金属造形物２３が造形される。
このとき、例えば金属層２２は、均一な断面形状とならず、ひいては意図した、一定の肉盛りとならないことがあった。このような場合にあっては、積層した金属層２２に対し、鉛直方向直上からずれた位置に積層することは特に難しく、金属層２２上にうまく積層することは難しかった。
【0022】
そこで本実施例では、接線方向から溶融した溶接ワイヤ２１を供給するように溶接トーチ３１の姿勢を制御することに加え、図３に示すように切削部５を用いて、積層した金属層２２の一部を除去し、この金属層２２を除去した部分に、新たに金属層２２を成形することとした。図１、図３に示すように切削部５は、切削具５１と、第２ロボットアーム５２と、を有する。
切削具５１は、円柱状のエンドミルである。切削具５１は、軸線方向の一方側の端部５１１側が第２ロボットアーム５２に取り付けられ、軸線方向の他端側が第２ロボットアーム５２から突出している。切削具５１は、円柱形状の中心軸を回転軸として回転した状態で、軸線方向の他方側の端部５１２が金属層２２の表面に押し付けられることで金属層２２の表面を切削する。なお、本実施形態では、エンドミルを用いたフライス加工による切削を行ったが、種々の金属の切削方法を用いてもよい。
第２ロボットアーム５２は、不図示のロボット本体から延びている。第２ロボットアーム５２は、切削具５１を所望の位置へ移動可能とするものであって、切削具５１の姿勢が調整可能とされている。第２ロボットアーム５２は、第１ロボットアーム同様の構成を有する３節のロボットアームを用いた。
切削具５１は、円柱状のエンドミルである。切削具５１は、軸線方向の一方側の端部５１１側が第２ロボットアーム５２に取り付けられ、軸線方向の他端側が第２ロボットアーム５２から突出している。切削具５１は、円柱形状の中心軸を回転軸として回転した状態で、軸線方向の他方側の端部５１２が金属層２２の表面に押し付けられることで金属層２２の表面を切削する。なお、本実施形態では、エンドミルを用いたフライス加工による切削を行ったが、種々の金属の切削方法を用いてもよい。
第２ロボットアーム５２は、不図示のロボット本体から延びている。第２ロボットアーム５２は、切削具５１を所望の位置へ移動可能とするものであって、切削具５１の姿勢が調整可能とされている。第２ロボットアーム５２は、第１ロボットアーム同様の構成を有する３節のロボットアームを用いた。
【0023】
切削制御部６は、スライサー装置Ｓが生成した、切削しようとする部分に当たる金属層２２が図示された金属造形物２３の断面図に基づき、金属造形物２３における金属層２２での外接線（もしくは内接線）を特定し、接線方向を決定し、切削具５１の姿勢及び移動方向を決定し、制御する。切削制御部６は、金属層２２の一部を除去し、金属層２２に溝部２２２を形成するように切削具５１を移動させる。
本実施例では、切削具５１の軸線方向を、スライサー装置Ｓが生成した金属造形物２３の断面図から特定した接線方向に対して所定角度αだけ傾斜した状態で金属層２２と接触させた状態としつつ、金属造形物２３の形状に応じて切削具５１を移動すべく第２ロボットアーム５２を切削制御部６で制御した。
つまり切削制御部６は、金属層２２の積層方向と直交する断面においては、切削具５１の軸線方向が金属層２２の接線方向Ａに沿うように、より具体的には切削具５１の軸線方向が金属層２２の接線方向Ａと平行となる姿勢をとるように、切削具５１の姿勢制御を行う。さらに切削制御部６は、図４に示すように、金属層２２の積層方向に延びる断面においては、切削具５１の軸線方向における、一方側の端部５１１が他方側の端部５１２に対して切削具５１の移動上流側に位置するように所定角度αだけ傾けられた姿勢となるように、切削具５１の姿勢制御を行う。
切削具５１は、このような姿勢をとるようにされることで、切削具５１の角部５１４が金属層２２に押し付けられる構成とされ、金属層２２に溝部２２２を形成可能とされている。
そして切削制御部６は、金属層２２が延びる方向、すなわち、金属層２２を成形した際に溶接トーチ３１の先端を移動させた方向へ切削具５１を移動させるように第２ロボットアーム５２を制御することで、金属層２２が延びる方向と同じ方向に延びる溝部２２２が金属層２２に形成されるようにする。
本実施例では、切削具５１の軸線方向を、スライサー装置Ｓが生成した金属造形物２３の断面図から特定した接線方向に対して所定角度αだけ傾斜した状態で金属層２２と接触させた状態としつつ、金属造形物２３の形状に応じて切削具５１を移動すべく第２ロボットアーム５２を切削制御部６で制御した。
つまり切削制御部６は、金属層２２の積層方向と直交する断面においては、切削具５１の軸線方向が金属層２２の接線方向Ａに沿うように、より具体的には切削具５１の軸線方向が金属層２２の接線方向Ａと平行となる姿勢をとるように、切削具５１の姿勢制御を行う。さらに切削制御部６は、図４に示すように、金属層２２の積層方向に延びる断面においては、切削具５１の軸線方向における、一方側の端部５１１が他方側の端部５１２に対して切削具５１の移動上流側に位置するように所定角度αだけ傾けられた姿勢となるように、切削具５１の姿勢制御を行う。
切削具５１は、このような姿勢をとるようにされることで、切削具５１の角部５１４が金属層２２に押し付けられる構成とされ、金属層２２に溝部２２２を形成可能とされている。
そして切削制御部６は、金属層２２が延びる方向、すなわち、金属層２２を成形した際に溶接トーチ３１の先端を移動させた方向へ切削具５１を移動させるように第２ロボットアーム５２を制御することで、金属層２２が延びる方向と同じ方向に延びる溝部２２２が金属層２２に形成されるようにする。
【0024】
切削具５１は、切削具５１の角部５１４を金属層２２に押し付けて移動することで、金属層２２の表面の起伏を滑らかにし、積層方向の高さを所定の範囲内とすることができる。
そして、切削具５１で金属層２２に溝部２２２を形成した後、溶接トーチ３１の先端で溶融させた溶接ワイヤ２１を溝部２２２の内部に少なくとも一部が入り込むようにしつつ、金属層２２の上に供給し、既に形成した金属層２２上に、新たな金属層２２を積層部３で成形する。このように、積層部３による金属層２２の積層と、切削部５による金属層２２の切削（溝部２２２の形成）を繰り返し、造形装置１は、金属造形物２３を造形する。
なお本実施例では、金属層２２に設けた溝部２２２の断面形状は、金属層２２の積層方向へ凹んだ円弧面を有する形状とした。金属層２２に設けた溝部２２２を設けることにより、この金属層２２上に積層する金属層２２を成形するために供給される溶融した溶接ワイヤ２１を溝部２２２に入り込ませることができる。これにより、既に設けられた金属層２２と、新たに積層される金属層２２を形成するために供給される、溶接ワイヤ２１が溶融された溶融金属と、の接触面積を増大させることができる。この結果、既に設けられた金属層２２を溶融金属の熱で溶かし、既に設けられた金属層２２を形成していた金属と、溶接ワイヤ２１が溶融した溶融金属と、が混然一体となって形成される接合部の深さが深くなることを抑制することができ、既に設けられた金属層２２と、新たに積層される金属層２２と、を一体化する接合部が脆くなることを抑制することができる。
なお溝部２２２は、金属造形物２３に空気が取り込まれることを防止するため、断面形状は、角部を有さない凹形状とすることが好ましい。このように角部を有さない凹形状の断面を有する溝部２２２とすることで、金属層２２を切削し、溝部２２２を形成することも相まって、金属層２２と金属層２２の接合部に酸素などの不純物が取り込まれることをより良く抑制し、成形された金属造形物２３が脆くなることをより良く抑制することができる。
なお、本実施例では、金属層２２に溝部２２２を形成する構成としたが、これに限らない。少なくとも金属層２２の表面の起伏を滑らかにし、積層方向の高さを所定の範囲内とすることができるものであればよい。このため、金属層２２に溝部２２２を設ける本実施例にあっては、金属層２２が成形される、下層として機能する金属層２２には、金属層２２の延在方向にわたって延びる溝部２２２を設けた。
しかしながら、金属層２２の肉厚が所定以上となる部分を切削し、除去する場合にあっては、金属層２２の延在方向において、部分的に切削を行い、平面や曲面など所定の形状の面を形成する構成としてもよい。金属層２２を切削し、平面を形成する場合にあっては、スライサー装置Ｓが生成した積層しようとする部分に当たる金属層２２の断面が図示された金属造形物２３の断面図に基づいて特定した接線方向と直交する方向へ延びる面とすることが好ましい。これにより、平面図が形成された金属層２２上に、新たな金属層２２を形成し易くすることができる。
この他、切削部５は、溝部２２２に代わって多数の凹部からなる所定の形状を形成するように金属層２２の先端面２２１を切削してもよい。このような場合も多数の凹部に新たな金属層２２が入り込むため、重なる金属層２２同士の接合面積を大きくできる。
なお、金属層２２を切削する場合にあっては、積層した金属層２２のみならず、その下層に位置する金属層２２を一緒に切削してもよく、さらには金属層２２を切削し、金属層２２の形状を整えてもよい。
そして、切削具５１で金属層２２に溝部２２２を形成した後、溶接トーチ３１の先端で溶融させた溶接ワイヤ２１を溝部２２２の内部に少なくとも一部が入り込むようにしつつ、金属層２２の上に供給し、既に形成した金属層２２上に、新たな金属層２２を積層部３で成形する。このように、積層部３による金属層２２の積層と、切削部５による金属層２２の切削（溝部２２２の形成）を繰り返し、造形装置１は、金属造形物２３を造形する。
なお本実施例では、金属層２２に設けた溝部２２２の断面形状は、金属層２２の積層方向へ凹んだ円弧面を有する形状とした。金属層２２に設けた溝部２２２を設けることにより、この金属層２２上に積層する金属層２２を成形するために供給される溶融した溶接ワイヤ２１を溝部２２２に入り込ませることができる。これにより、既に設けられた金属層２２と、新たに積層される金属層２２を形成するために供給される、溶接ワイヤ２１が溶融された溶融金属と、の接触面積を増大させることができる。この結果、既に設けられた金属層２２を溶融金属の熱で溶かし、既に設けられた金属層２２を形成していた金属と、溶接ワイヤ２１が溶融した溶融金属と、が混然一体となって形成される接合部の深さが深くなることを抑制することができ、既に設けられた金属層２２と、新たに積層される金属層２２と、を一体化する接合部が脆くなることを抑制することができる。
なお溝部２２２は、金属造形物２３に空気が取り込まれることを防止するため、断面形状は、角部を有さない凹形状とすることが好ましい。このように角部を有さない凹形状の断面を有する溝部２２２とすることで、金属層２２を切削し、溝部２２２を形成することも相まって、金属層２２と金属層２２の接合部に酸素などの不純物が取り込まれることをより良く抑制し、成形された金属造形物２３が脆くなることをより良く抑制することができる。
なお、本実施例では、金属層２２に溝部２２２を形成する構成としたが、これに限らない。少なくとも金属層２２の表面の起伏を滑らかにし、積層方向の高さを所定の範囲内とすることができるものであればよい。このため、金属層２２に溝部２２２を設ける本実施例にあっては、金属層２２が成形される、下層として機能する金属層２２には、金属層２２の延在方向にわたって延びる溝部２２２を設けた。
しかしながら、金属層２２の肉厚が所定以上となる部分を切削し、除去する場合にあっては、金属層２２の延在方向において、部分的に切削を行い、平面や曲面など所定の形状の面を形成する構成としてもよい。金属層２２を切削し、平面を形成する場合にあっては、スライサー装置Ｓが生成した積層しようとする部分に当たる金属層２２の断面が図示された金属造形物２３の断面図に基づいて特定した接線方向と直交する方向へ延びる面とすることが好ましい。これにより、平面図が形成された金属層２２上に、新たな金属層２２を形成し易くすることができる。
この他、切削部５は、溝部２２２に代わって多数の凹部からなる所定の形状を形成するように金属層２２の先端面２２１を切削してもよい。このような場合も多数の凹部に新たな金属層２２が入り込むため、重なる金属層２２同士の接合面積を大きくできる。
なお、金属層２２を切削する場合にあっては、積層した金属層２２のみならず、その下層に位置する金属層２２を一緒に切削してもよく、さらには金属層２２を切削し、金属層２２の形状を整えてもよい。
【0025】
続いて、金属造形物の造形装置１を用いて金属造形物２３を造形する金属造形物の造形方法について説明する。
まず、金属造形物２３の３Ｄモデルをスライサー装置Ｓにインポートし、３Ｄモデルの形状データに基づき、特定の軸を中心として切り出した、金属層２２の断面を図示する、複数の金属造形物２３の断面図を自動的に生成する生成工程を行う。
まず、金属造形物２３の３Ｄモデルをスライサー装置Ｓにインポートし、３Ｄモデルの形状データに基づき、特定の軸を中心として切り出した、金属層２２の断面を図示する、複数の金属造形物２３の断面図を自動的に生成する生成工程を行う。
【0026】
続いて、積層部３で溶融した金属材料を母材２４に供給して１層目の金属層２２を成形する積層工程を行う。
積層制御部４は、スライサー装置Ｓで生成した金属造形物２３の断面図に基づいて、金属造形物２３における１層目の金属層２２に対応する部分に溶融した溶接ワイヤ２１を供給する方向が金属造形物の接線方向となるように積層部３の溶接トーチ３１及び第１ロボットアーム姿勢を制御する。
金属造形物２３における１層目の金属層２２に対応する部分の接線方向が鉛直方向に対して傾斜する方向の場合は、この傾斜する方向から母材２４に溶融した溶接ワイヤ２１が供給され、金属層２２が積層される。
積層制御部４は、スライサー装置Ｓで生成した金属造形物２３の断面図に基づいて、金属造形物２３における１層目の金属層２２に対応する部分に溶融した溶接ワイヤ２１を供給する方向が金属造形物の接線方向となるように積層部３の溶接トーチ３１及び第１ロボットアーム姿勢を制御する。
金属造形物２３における１層目の金属層２２に対応する部分の接線方向が鉛直方向に対して傾斜する方向の場合は、この傾斜する方向から母材２４に溶融した溶接ワイヤ２１が供給され、金属層２２が積層される。
【0027】
続いて、積層工程で既に成形された１層目の金属層２２を切削する切削工程を行う。切削工程では、切削部５で、成形された１層目の金属層２２を切削する。
切削制御部６は、切削具５１が１層目の金属層２２に沿って移動するように制御するとともに、一定のリード角αとなるように切削具５１の姿勢を制御する。
切削工程によって、成形された１層目の金属層２２に溝部２２２が形成される。なお、積層工程で金属層２２に凹凸が形成された場合でも、切削工程によって凹凸を無くすことができる。これにより、金属層２２の先端面２２１は、金属層２２が延びる方向（溶接トーチ３１や切削具５１が移動した方向）全体にわたって溝部２２２が形成されるとともに、滑らかに連続した段差の少ない面になる。
切削制御部６は、切削具５１が１層目の金属層２２に沿って移動するように制御するとともに、一定のリード角αとなるように切削具５１の姿勢を制御する。
切削工程によって、成形された１層目の金属層２２に溝部２２２が形成される。なお、積層工程で金属層２２に凹凸が形成された場合でも、切削工程によって凹凸を無くすことができる。これにより、金属層２２の先端面２２１は、金属層２２が延びる方向（溶接トーチ３１や切削具５１が移動した方向）全体にわたって溝部２２２が形成されるとともに、滑らかに連続した段差の少ない面になる。
【0028】
続いて、表面に溝部２２２が形成された１層目の金属層２２に重ねるように、２層目の金属層２２を成形する積層工程を行う。
積層制御部４は、スライサー装置Ｓで生成した金属造形物２３の断面図に基づいて、金属造形物２３における２層目の金属層２２に対応する部分に溶融した溶接ワイヤ２１を供給する方向が金属造形物の接線方向となるように積層部３の溶接トーチ３１及び第１ロボットアーム姿勢を制御する。
積層制御部４は、スライサー装置Ｓで生成した金属造形物２３の断面図に基づいて、金属造形物２３における２層目の金属層２２に対応する部分に溶融した溶接ワイヤ２１を供給する方向が金属造形物の接線方向となるように積層部３の溶接トーチ３１及び第１ロボットアーム姿勢を制御する。
【0029】
続いて、積層工程で既に成形された２層目の金属層２２の表面を切削する切削工程を行う。２層目の金属層２２の表面を切削する切削工程は、１層目の金属層２２の表面を切削する切削工程と同様に行う。
【0030】
このように、積層工程と、切削工程とを繰り返し行いながら金属層２２を積層し、金属造形物２３を造形する。上述しているように、積層工程では、溶融した溶接ワイヤ２１を供給する方向が金属造形物２３における積層する金属層２２に対応する部分の接線方向になるように溶接トーチ３１及び第１ロボットアームを制御しながら金属層２２を積層する。切削工程では、切削具５１が１層目の金属造形物２３の表面に沿って移動するように制御するとともに、切削具５１が移動方向及び金属造形物２３における１層目の金属層２２に対応する部分に対して所定のリード角αとなるように制御しながら金属層２２の表面に溝部２２２を形成する。
【0031】
上述しているように、積層制御部４は、溶融した溶接ワイヤ２１を供給する方向が金属造形物２３における積層する金属層２２に対応する部分の接線方向になるように溶接トーチ３１及び第１ロボットアームを制御する。
【0032】
なお、図５に示すように、切削具５１の外周面５１３を金属層２２の側面に接触させ、金属層２２の側面を均すようにしてもよい。
【0033】
次に、本実施例による金属造形物の造形装置及び金属造形物の造形方法の作用・効果について説明する。
本実施例による金属造形物の造形装置及び金属造形物の造形方法では、溶融した溶接ワイヤ２１を供給する方向が金属造形物２３における積層する金属層２２に対応する部分の接線方向になることにより、重なる金属層２２同士の接合面積を一定に確保でき、金属造形物２３が鉛直方向に対して４５度以上傾斜する場合でも接合面積が小さくなることが無い。これにより、重なる金属層２２同士の接合強度が向上し、金属造形物２３が鉛直方向に対して傾斜する形状の場合でも、造形装置１で造形できる。
本実施例による金属造形物の造形装置及び金属造形物の造形方法では、溶融した溶接ワイヤ２１を供給する方向が金属造形物２３における積層する金属層２２に対応する部分の接線方向になることにより、重なる金属層２２同士の接合面積を一定に確保でき、金属造形物２３が鉛直方向に対して４５度以上傾斜する場合でも接合面積が小さくなることが無い。これにより、重なる金属層２２同士の接合強度が向上し、金属造形物２３が鉛直方向に対して傾斜する形状の場合でも、造形装置１で造形できる。
【0034】
従来のＷＡＡＭによる造形では、金属層の上面（先端面）に凹凸が生じる場合がある。金属層の上面に凹凸が生じると、以下のような問題が生じる虞がある。
例えば、溶接トーチが金属造形物の形状に合わせて設定された高さで移動するように制御された場合、金属層の上面に意図せずに凹凸が生じると溶接トーチと金属層との距離が一定に維持されないことがある。溶接条件が一定の場合は、距離が小さい方がより多く肉盛りされるため、積層回数を重ねるにつれて凹凸が大きくなり、最上段の金属層の傾斜角度が拡大する。
溶接トーチと金属層との距離が近くなりすぎた場合には、溶接トーチと金属層とが衝突する。
溶接トーチと金属層との距離が遠くなりすぎた場合には、溶接中に火花（溶接スパッタ）が飛散したりする他、溶融した金属が気化したのち空気中で冷却されることで生じる金属の小さな粒子（溶接ヒューム）が発生する。
例えば、溶接トーチが金属造形物の形状に合わせて設定された高さで移動するように制御された場合、金属層の上面に意図せずに凹凸が生じると溶接トーチと金属層との距離が一定に維持されないことがある。溶接条件が一定の場合は、距離が小さい方がより多く肉盛りされるため、積層回数を重ねるにつれて凹凸が大きくなり、最上段の金属層の傾斜角度が拡大する。
溶接トーチと金属層との距離が近くなりすぎた場合には、溶接トーチと金属層とが衝突する。
溶接トーチと金属層との距離が遠くなりすぎた場合には、溶接中に火花（溶接スパッタ）が飛散したりする他、溶融した金属が気化したのち空気中で冷却されることで生じる金属の小さな粒子（溶接ヒューム）が発生する。
【0035】
溶接ビードは、高い段差があった場合には破断される。このため、金属層の上面に凹凸が生じたまま積層を継続すると、溶接ビードが破断してしまい、金属層が不連続となる。金属層は、一度破断してしまうと、上方に積層される金属層も破断してしまうことが多く、積層方向の下から上まで連続した亀裂が金属造形物に生じてしまう。
【0036】
本実施例による金属造形物の造形装置及び金属造形物の造形方法では、成形された金属層２２の先端面２２１を切削部５で切削する。
このような構成とすることにより、新たに金属層２２が積層される金属層２２の先端面２２１を均すことができる。これにより、溶融した金属材料を供給する溶接トーチ３１と金属層２２との間隔を一定に維持されるため、上述した従来のＷＡＡＭによる造形の問題が生じる虞が無く、金属層２２を良好に成形できる。
積層工程の間に切削工程を行うため、造形される金属造形物２３の形状精度を向上できる。
このような構成とすることにより、新たに金属層２２が積層される金属層２２の先端面２２１を均すことができる。これにより、溶融した金属材料を供給する溶接トーチ３１と金属層２２との間隔を一定に維持されるため、上述した従来のＷＡＡＭによる造形の問題が生じる虞が無く、金属層２２を良好に成形できる。
積層工程の間に切削工程を行うため、造形される金属造形物２３の形状精度を向上できる。
【0037】
本実施例による金属造形物の造形装置及び金属造形物の造形方法では、成形された金属層２２の先端面２２１に金属層２２と同じ方向に延びる溝部２２２を成形する。
このような構成とすることにより、金属層２２に形成された溝部２２２に新たな金属層２２が積層されるため、重なる金属層２２同士の接合面積を大きくできる。これにより、重なる金属層同士の接合強度が向上し、金属造形物２３が鉛直方向に対して４５度以上傾斜する場合でも重なる金属層２２同士を良好に接合できる。
金属層２２に形成された溝部２２２に新たな金属層２２を積層するため、新たな金属層２２の位置決めが容易であり、新たな金属層２２を安定した状態に積層できる。
このような構成とすることにより、金属層２２に形成された溝部２２２に新たな金属層２２が積層されるため、重なる金属層２２同士の接合面積を大きくできる。これにより、重なる金属層同士の接合強度が向上し、金属造形物２３が鉛直方向に対して４５度以上傾斜する場合でも重なる金属層２２同士を良好に接合できる。
金属層２２に形成された溝部２２２に新たな金属層２２を積層するため、新たな金属層２２の位置決めが容易であり、新たな金属層２２を安定した状態に積層できる。
【0038】
図６は、積層のみを行う従来の造形装置を採用した溶接トーチの姿勢制御の試験結果を一部示す。図６（ａ）には、傾斜角が４５°を超えた７０°である金属造形物の積層状態を示す。傾斜角の範囲が拡大したことがわかる。図６（ｂ）には、中空の金属造形物（シリンダー）の内側から、水平面の積層例を示す。干渉を避けるため、溶接トーチを積層進行方向に対して、ローリング方向に４５°傾斜した状態で金属層の積層を行う。このような場合、スライサー装置は、リード角に加えてローリング方向の傾斜角も設定可能であってもよい。
【0039】
以上、本発明による金属造形物の造形装置の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【符号の説明】
【0040】
１ 造形装置
３ 積層部
４ 積層制御部
５ 切削部
２２ 金属層
２３ 金属造形物
４１ 姿勢制御部
２２２ 溝部
３ 積層部
４ 積層制御部
５ 切削部
２２ 金属層
２３ 金属造形物
４１ 姿勢制御部
２２２ 溝部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】