特開 2024-176348 積層造形装置

(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】P2024176348

(43)【公開日】2024-12-19

(54)【発明の名称】積層造形装置

(51)【国際特許分類】

   B23K 9/04 20060101AFI20241212BHJP

   B23K 9/095 20060101ALI20241212BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20241212BHJP

【ＦＩ】

B23K9/04 G

B23K9/04 Z

B23K9/04 Y

B23K9/095 510D

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 2023094823

(22)【出願日】2023-06-08

(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】山縣 侑加

(57)【要約】

【課題】溶接トーチと積層物との距離を安定化させることが可能な積層造形装置を提供する。
【解決手段】溶接トーチを所定の移送機構を用いて移動させながら溶接ビードを積層することにより積層物を造形する積層造形装置であって、積層物の最上積層の位置を測定する測定器と、測定器の測定値に基づいて溶接トーチと最上積層との距離を補正して移送機構を制御する制御装置とを備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

溶接トーチを所定の移送機構を用いて移動させながら溶接ビードを積層することにより積層物を造形する積層造形装置であって、
前記積層物の最上積層の位置を測定する測定器と、
前記測定器の測定値に基づいて前記溶接トーチと前記最上積層との距離を補正して前記移送機構を制御する制御装置と
を備える積層造形装置。

【請求項2】

前記測定器は、前記積層物における任意の積層の複数箇所の位置を測定し、複数箇所における前記測定値に統計処理を施した値に基づいて前記距離を補正する請求項１に記載の積層造形装置。

【請求項3】

前記溶接トーチと前記測定器との間に光遮蔽板を備える請求項１又は２に記載の積層造形装置。

【請求項4】

前記光遮蔽板は、前記積層物に対して進退自在である請求項３に記載の積層造形装置。

【請求項5】

前記測定器に付着する溶接ヒュームを除去する溶接ヒューム除去装置をさらに備える請求項３に記載の積層造形装置。

【請求項6】

前記溶接ヒューム除去装置は、前記測定器が備える投光部及び受光部に対して個別に設けられる請求項５に記載の積層造形装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、積層造形装置に関する。

【背景技術】

【0002】

アーク溶接によって金属を積層することにより造形する技術（積層造形方法）として、例えば特許文献１、２に開示されたものがある。これらの積層造形方法は、溶接トーチを予め設定した積層パスに沿って移動させることにより溶融金属のビード（溶接ビード）を積み重ね、以って所定の積層物を造形（形成）するものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１７－１４４４４６号公報

【特許文献2】特許第６７９７３２４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、実際に積層される溶接ビードの高さは、積層物への入熱の蓄積が要因となって徐々に低くなる傾向がある。すなわち、初層の溶接ビードの高さに対する次層の溶接ビードの高さは低くなる。この結果、積層回数の増加に伴って溶接トーチと積層物との距離が徐々に大きくなり、最終的にはさらなる積層が困難になるという問題がある。

【0005】

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、溶接トーチと積層物との距離を安定化させることが可能な積層造形装置の提供を目的とするものである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記目的を達成するために、本発明では、積層造形装置に係る第１の解決手段として、溶接トーチを所定の移送機構を用いて移動させながら溶接ビードを積層することにより積層物を造形する積層造形装置であって、前記積層物の最上積層の位置を測定する測定器と、前記測定器の測定値に基づいて前記溶接トーチと前記最上積層との距離を補正して前記移送機構を制御する制御装置とを備える、という手段を採用する。

【0007】

本発明では、積層造形装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記測定器は、前記積層物における任意の積層の複数箇所の位置を測定し、複数箇所における前記測定値に統計処理を施した値に基づいて前記距離を補正する、という手段を採用する。

【0008】

本発明では、積層造形装置に係る第３の解決手段として、上記第１又は第２の解決手段において、前記溶接トーチと前記測定器との間に光遮蔽板を備える、という手段を採用する。

【0009】

本発明では、積層造形装置に係る第４の解決手段として、上記第３の解決手段において、前記光遮蔽板は、前記積層物に対して進退自在である、という手段を採用する。

【0010】

本発明では、積層造形装置に係る第５の解決手段として、上記第１～第４のいずれかの解決手段において、前記測定器に付着する溶接ヒュームを除去する溶接ヒューム除去装置をさらに備える、という手段を採用する。

【0011】

本発明では、積層造形装置に係る第６の解決手段として、上記第５の解決手段において、前記溶接ヒューム除去装置は、前記測定器が備える投光部及び受光部に対して個別に設けられる、という手段を採用する。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、溶接トーチと積層物との距離を安定化させることが可能な積層造形装置を提供することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の一実施形態に係る積層造形装置の構成を示す模式図である。

【図2】本発明の一実施形態に係る積層造形装置の要部構成を示す模式図である。

【図3】本発明の一実施形態に係る積層造形装置における測定点を示す模式図である。

【図4】本発明の一実施形態に係る積層造形装置の補正動作を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態に係る積層造形装置Ａは、図１に示すように、溶接トーチ１、移送機構２、プロファイル測定器３、コンプレッサ４、電磁バルブ５及び制御装置６を備える。

【0015】

溶接トーチ１は、アーク放電によって所定の溶加材（金属）を溶融させるアーク溶接用溶接トーチである。図示していないが、この溶接トーチ１は、上記溶加材を先端部（アーク放電部）に送り出す溶加材送出装置が付帯的に設けられている。溶接トーチ１は、移送機構２によって基材ｂの表面に沿って所定方向に順次移動するとともに、溶加材送出装置によって先端部に順次送り出される溶加材を順次溶融させて上記基材ｂの表面に付着させる。

【0016】

移送機構２は、制御装置６から入力される移送指令に基づいて溶接トーチ１を移動させる機械要素である。すなわち、この移送機構２は、移送指令に基づいて溶接トーチ１を基材ｂの表面に沿って所定方向に順次移動させる。このような移送機構２は、例えば多関節ロボット（マニピュレータ）である。移送機構２と溶接トーチ１との協働によって基材ｂの表面には積層物Ｗが造形（形成）される。

【0017】

図１に示す積層物Ｗは、造形（形成）途中のものであり、ベース板ｂ上に形成された第１積層ｙ１、第２積層ｙ２及び第３積層ｙ３からなる。すなわち、第１積層ｙ１は、ベース板ｂの表面上に直接形成された溶接ビードである。第２積層ｙ２は、第１積層ｙ１上に形成された溶接ビードである。また、第３積層ｙ３は、第２積層ｙ２上に形成された溶接ビードであり、本発明における最上積層である。

【0018】

プロファイル測定器３は、上記積層物Ｗの最上積層の位置を測定する測定器である。このプロファイル測定器３は、溶接トーチ１の移動方向における後方側に溶接トーチ１に一体化された状態で設けられている。このようなプロファイル測定器３は、溶接トーチ１の移動に合わせて所定のタイムインターバルで積層物Ｗにおける最上積層の測定値を取得し、この測定値を制御装置６に順次出力する。

【0019】

例えば、図２に示すように溶接トーチ１の移動軌跡が円環状であり、また基材ｂの表面が水平面であった場合、プロファイル測定器３は、最上積層までの距離を測定する。この高さ位置は、図２に示すように、溶接トーチ１の移動方向における円環状の移動軌跡において所定間隔を空けた複数箇所を測定点とする。

【0020】

このようなプロファイル測定器３は、図１に示すように、投光部３ａ、受光部３ｂ、光遮蔽板３ｃ、第１のガス噴射孔３ｄ及び第２のガス噴射孔３ｅが設けられている。投光部３ａは、第３積層ｙ３（最上積層）の表面に所定波長の測定光ｐを投光する発光素子である。この測定光ｐは、図示するように第３積層ｙ３（最上積層）の表面で反射することにより受光部３ｂに入射する。

【0021】

受光部３ｂは、第３積層ｙ３（最上積層）から入射する測定光ｐ（反射光）を受光する受光素子である。すなわち、この受光部３ｂは、測定光ｐ（光信号）を受光することにより受光信号（電気信号）に変換する。プロファイル測定器３は、例えば投光部３ａにおける測定光ｐの投光タイミングに対する受光部３ｂにおける測定光ｐの受光タイミングのズレ（遅延量）に基づいて第３積層ｙ３（最上積層）の表面位置を測定する。

【0022】

光遮蔽板３ｃは、図示するようにプロファイル測定器３において溶接トーチ１側に設けられている。すなわち、光遮蔽板３ｃは、プロファイル測定器３と溶接トーチ１との間に設けられている。この光遮蔽板３ｃは、溶接トーチ１の先端で発生するアーク放電に付随する光が受光部３ｂに外乱として入射することを遮断又は抑制する板状又はシート状の部材である。

【0023】

この光遮蔽板３ｃは、例えば光透過性を持たない材料から形成された比較的硬い平板または可撓性を有するシート材である。光遮蔽板３ｃは、図示するように先端（下端）が第３積層ｙ３（最上積層）の表面に接触する状態又は非接触だが積層物との距離が十分に小さい状態で設けられている。また、光遮蔽板３ｃは、溶接トーチ１とプロファイル測定器３との対向方向に直交する方向における幅（横幅Ｌｓ）が第３積層ｙ３（最上積層）の横幅Ｌｂの数倍程度に設定されている。

【0024】

また、光遮蔽板３ｃは、遮光性の金属平板によって構成されている場合、図２に示すように第３積層ｙ３（最上積層）の表面（上端部）に対して前進及び後退が可能にプロファイル測定器３に取り付けられている。すなわち、この光遮蔽板３ｃは、積層物Ｗに対して進退自在であり、図２に示すように第３積層ｙ３の上に第４積層ｙ４（最上積層）が積層された場合には、第４積層ｙ４（最上積層）の表面（上端部）に当接する。

【0025】

このような光遮蔽板３ｃは、例えばバネ等の付勢部材によって第３積層ｙ３（最上積層）の表面（上端部）に押し当られている。なお、光遮蔽板３ｃが最上積層の表面（上端部）と当接する部分を可撓性を有するシート材によって形成する場合、光遮蔽板３ｃの材質としては、例えばハイシリカ繊維（商品名）、マフテック（商品名）やアルセン（商標）等の不燃性の織物を採用することが考えられる。

【0026】

第１のガス噴射孔３ｄは、投光部３ａの出射に向けて第１の圧縮ガスａ１を噴射する開口である。第１の圧縮ガスａ１は、第１のガス噴射孔３ｄから投光部３ａに直接吹き付けられる。このような第１の圧縮ガスａ１は、投光部３ａに付着し得る溶接ヒュームを効果的に除去する。

【0027】

第２のガス噴射孔３ｅは、受光部３ｂの受光面に向けて第２の圧縮ガスａ２を噴射する開口である。第２の圧縮ガスａ２は、第２のガス噴射孔３ｅから受光部３ｂに直接吹き付けられる。このような第２の圧縮ガスａ２は、受光部３ｂに付着し得る溶接ヒュームを効果的に除去する。

【0028】

コンプレッサ４は、このような第１、第２のガス噴射孔３ｄ、３ｅに第１、第２の圧縮ガスａ１、ａ２を供給するガス供給源である。図示するように、コンプレッサ４と第１、第２のガス噴射孔３ｄ、３ｅとは、第１、第２の圧縮ガスａ１、ａ２の流通が自在なガス配管７によって相互に接続されている。なお、第１、第２の圧縮ガスａ１、ａ２として、例えば空気やアルゴンガスが採用される。

【0029】

コンプレッサ４から吐出された第１、第２の圧縮ガスａ１、ａ２のうち、第１の圧縮ガスａ１は上記ガス配管７を介して第１のガス噴射孔３ｄに供給され、第２の圧縮ガスａ２は上記ガス配管７を介して第２のガス噴射孔３ｅに供給される。なお、このコンプレッサ４の作動は、制御装置６によって制御されている。

【0030】

電磁バルブ５は、上記ガス配管７に設けられ、第１、第２の圧縮ガスａ１、ａ２の第１、第２のガス噴射孔３ｄ、３ｅへの供給／遮断を設定する開閉装置である。すなわち、この電磁バルブ５は、制御装置６から入力される開閉信号に基づいて、第１、第２の圧縮ガスａ１、ａ２の第１、第２のガス噴射孔３ｄ、３ｅへの供給／遮断を設定する。

【0031】

ここで、この電磁バルブ５に加え、第１、第２のガス噴射孔３ｄ、３ｅ、コンプレッサ４及びガス配管７は、本発明の溶接ヒューム除去装置を構成している。すなわち、第１、第２のガス噴射孔３ｄ、３ｅ、コンプレッサ４、電磁バルブ５及びガス配管７は、プロファイル測定器３（測定器）に付着する溶接ヒュームを除去する機能を有するとともに、プロファイル測定器３（測定器）が備える投光部３ａ及び受光部３ｂに対して個別に設けられている。

【0032】

制御装置６は、積層造形装置Ａを統一的に制御するソフトウエア制御装置である。すなわち、この制御装置６は、予め記憶する制御プログラムに基づいて溶接トーチ１、移送機構２、プロファイル測定器３、コンプレッサ４及び電磁バルブ５を統一的に制御することにより、基材ｂ上に積層物Ｗを造形（形成）させる。

【0033】

次に、本実施形態に係る積層造形装置Ａの動作について、図３及び図４を参照して詳しく説明する。

【0034】

例えば、図３に示すように溶接トーチ１の移動軌跡が円環状である場合、つまり基材ｂの表面に円環状の溶接ビードを積み上げることによって積層物Ｗを造形（形成）する場合、溶接トーチ１及びプロファイル測定器３は、基材ｂの表面上において円環状移動ルートＲを移動する。

【0035】

すなわち、溶接トーチ１及びプロファイル測定器３は、移送機構２と制御装置６との協働によって、予め設定された積層開始点から積層方向に円環状移動ルートＲに沿って順次移動する。一体化された溶接トーチ１及びプロファイル測定器３のうち、溶接トーチ１が先行して移動し、またプロファイル測定器３が溶接トーチ１の後側に位置して溶接トーチ１とともに移動する。

【0036】

そして、溶接トーチ１及びプロファイル測定器３が円環状移動ルートＲに沿って１周する間に、溶接トーチ１が作動することにより基材ｂの表面上に円環状の第１積層ｙ１が形成される。また、溶接トーチ１が作動を開始すると、第１、第２のガス噴射孔３ｄ、３ｅから第１、第２の圧縮ガスａ１、ａ２が第１積層ｙ１に向けて噴射される。

【0037】

さらに、プロファイル測定器３は、円環状移動ルートＲに沿って１周する間に、第１積層ｙ１（最上積層）の上面位置を測定点毎に順次測定し、複数の測定値を制御装置６に出力する。制御装置６は、プロファイル測定器３から取得した複数の測定値に所定の統計処理を施すことにより、円環状移動ルートＲの１周に亘る平均値を算出する。

【0038】

そして、制御装置６は、第１積層ｙ１上に第２積層ｙ２を形成する際の計画位置として予め設定された溶接トーチ１の高さ位置（例えば基材ｂの表面を基準とする溶接トーチ１の高さ位置）を上記平均値を用いて補正して移送機構２を制御する。この結果、第２積層ｙ２を形成する際の溶接トーチ１の高さ位置は、第１積層ｙ１の実際の高さに対応したものになる。

【0039】

例えば、図４（ａ）に示すように、予め計画された溶接トーチ１の高さ位置Ｌｒは、予め計画された理想積層ｙｒの高さ（理想高さＨｒ）に対して設定されている。これに対して、図４（ｂ）に示すように、実際に基材ｂ上に形成された第１積層ｙ１の高さＨ１が理想高さＨｒからΔｒだけ高かった場合、つまり上記平均値が（Ｈｒ＋Δｒ）として計算された場合、溶接トーチ１の高さ位置Ｌ１は、この平均値（Ｈｒ＋Δｒ）に基づいて（Ｌｒ＋Δｒ）に補正される。

【0040】

一方、実際に基材ｂ上に形成された第１積層ｙ１の高さＨ１が理想高さＨｒからΔｒだけ低かった場合、つまり上記平均値が（Ｈｒ－Δｒ）として計算された場合、溶接トーチ１の高さ位置Ｌ１は、この平均値（Ｈｒ－Δｒ）に基づいて（Ｌｒ－Δｒ）に補正される。すなわち、溶接トーチ１の高さ位置Ｌ１は、実際に基材ｂの表面に形成された第１積層ｙ１の高さＨ１に対して最適化される。

【0041】

ここで、上記統計処理について追加説明する。プロファイル測定器３は、円環状移動ルートＲに沿って１周する間に複数の測定点について測定値を取得する。制御装置６は、このような複数の測定値のうち、他の測定値に対して極端に乖離している測定値を平均値を算出するための測定値から除外する。

【0042】

例えば、図３において、白丸は平均値を算出するための測定値から除外された測定値を示し、また黒丸は平均値を算出するための測定値を示している。この例では、プロファイル測定器３が円環状移動ルートＲの１周に亘って取得した複数の測定点のうち、最終的に５つの測定値によって平均値が算出される。

【0043】

溶接トーチ１が作動を開始すると、溶接トーチ１の先端と基材ｂとの間にアーク放電が発生する。すなわち、基材ｂ上への第１積層ｙ１の形成では、アーク放電に起因する光（アーク光）が常時発生する。

【0044】

しかしながら、プロファイル測定器３の溶接トーチ１側には光遮蔽板３ｃが設けられているので、アーク光がプロファイル測定器３の受光部３ｂに入射することを防止又は抑制することができる。したがって、溶接トーチ１で発生するアーク光がプロファイル測定器３における測定の外乱として作用することを回避することが可能である。

【0045】

また、溶接トーチ１が作動を開始すると、溶接トーチ１の先端と基材ｂとの間に溶接ヒュームが発生する。この溶接ヒュームは、光遮蔽板３ｃを迂回してプロファイル測定器３側に侵入し、投光部３ａ及び受光部３ｂに付着し得る。

【0046】

しかしながら、溶接トーチ１が作動すると、第１、第２のガス噴射孔３ｄ、３ｅから第１、第２の圧縮ガスａ１、ａ２が投光部３ａ及び受光部３ｂに向けて噴射されるので、投光部３ａ及び受光部３ｂに付着した溶接ヒュームは、第１、第２の圧縮ガスａ１、ａ２によって効果的に除去される。

【0047】

このような本実施形態によれば、溶接トーチ１を所定の移送機構２を用いて移動させながら第１～第３積層ｙ１～ｙ３（溶接ビード）を積層することにより積層物Ｗを造形する積層造形装置Ａであって、積層物Ｗの最上積層の位置を測定するプロファイル測定器３（測定器）と、プロファイル測定器３（測定器）の測定値に基づいて溶接トーチ１と最上積層との距離を補正して移送機構２を制御する制御装置とを備えるので、溶接トーチ１と積層物Ｗとの距離を安定化させることが可能である。

【0048】

また、本実施形態によれば、プロファイル測定器３（測定器）は、積層物Ｗにおける任意の積層の複数箇所の位置を測定し、複数箇所における測定値に統計処理を施した値に基づいて溶接トーチ１と最上積層との距離を補正するので、溶接トーチ１と積層物Ｗとの距離をより安定化させることが可能である。

【0049】

また、本実施形態によれば、溶接トーチ１とプロファイル測定器３（測定器）との間に光遮蔽板３ｃを備えるので、溶接トーチ１のアーク光がプロファイル測定器３に外乱として作用することを回避することが可能であり、以ってプロファイル測定器３の測定値の信頼性を向上させることが可能である。

【0050】

また、本実施形態によれば、光遮蔽板３ｃは、積層物Ｗに対して進退自在なので、積層物Ｗの総数が変化しても溶接トーチ１のアーク光がプロファイル測定器３に外乱として作用することを回避することが可能であり、以ってプロファイル測定器３（測定器）の測定値の信頼性を向上させることが可能である。

【0051】

また、本実施形態によれば、プロファイル測定器３（測定器）に付着する溶接ヒュームを除去する溶接ヒューム除去装置をさらに備えるので、溶接ヒュームに起因するプロファイル測定器３（測定器）の測定精度の低下を防止又は抑制することが可能である。したがって、これによってもプロファイル測定器３（測定器）の測定値の信頼性を向上させることが可能である。

【0052】

さらに、本実施形態によれば、溶接ヒューム除去装置は、プロファイル測定器３（測定器）が備える投光部３ａ及び受光部３ｂに対して個別に設けられるので、投光部３ａにおける測定光ｐの積層物Ｗへの投光を安定化することが可能であるとともに、受光部３ｂにおける測定光ｐ（反射光）の受光を安定化することが可能である。したがって、これによってもプロファイル測定器３（測定器）の測定値の信頼性を向上させることが可能である。

【0053】

なお、上記実施形態では、溶接ヒューム除去装置を投光部３ａ及び受光部３ｂに対して個別に設けたが、本発明はこれに限定されない。すなわち、必要に応じて投光部３ａ及び受光部３ｂのいずれか一方に設けてもよい。例えば溶接トーチ１により近い投光部３ａに対してのみ溶接ヒューム除去装置を設けることが考えられる。

【0054】

また、上記実施形態では、プロファイル測定器３（測定器）の一面を遮蔽するように光遮蔽板３ｃを設けたが、本発明はこれに限定されない。アーク放電に起因するアーク光は、ベース板ｂ等の周囲の部材に反射すことにより、あらゆる方向から受光部３ｂに入射して来ることがあり得るので、プロファイル測定器３（測定器）の一面だけではなく、プロファイル測定器３（測定器）の複数面を遮蔽するように光遮蔽板３ｃを設けてもよい。

【符号の説明】

【0055】

Ａ 積層造形装置
Ｗ 積層物
ａ１、ａ２ 圧縮ガス
ｂ ベース板
ｐ 測定光
ｙ１ 第１積層（溶接ビーム）
ｙ２ 第２積層（溶接ビーム）
ｙ３ 第３積層（溶接ビーム）
ｙ４ 第４積層（溶接ビーム）
１ 溶接トーチ
２ 移送機構
３ プロファイル測定器（測定器）
３ａ 投光部
３ｂ 受光部
３ｃ 光遮蔽板
３ｄ 第１のガス噴射孔（溶接ヒューム除去装置）
３ｅ 第２のガス噴射孔（溶接ヒューム除去装置）
４ コンプレッサ（溶接ヒューム除去装置）
５ 電磁バルブ（溶接ヒューム除去装置）
６ 制御装置
７ ガス配管（溶接ヒューム除去装置）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】