特許 7048374 造形物の製造方法及び造形物

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-03-28

(45)【発行日】2022-04-05

(54)【発明の名称】造形物の製造方法及び造形物

(51)【国際特許分類】

   B23K 9/04 20060101AFI20220329BHJP

   B23C 3/18 20060101ALI20220329BHJP

   B23P 15/02 20060101ALI20220329BHJP

   F04D 29/22 20060101ALI20220329BHJP

   F04D 29/28 20060101ALI20220329BHJP

【ＦＩ】

B23K9/04 G

B23C3/18

B23P15/02

F04D29/22 H

F04D29/28 R

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2018055850

(22)【出願日】2018-03-23

(65)【公開番号】P2019166544

(43)【公開日】2019-10-03

【審査請求日】2020-11-30

(73)【特許権者】

【識別番号】000001199

【氏名又は名称】株式会社神戸製鋼所

(74)【代理人】

【識別番号】110002000

【氏名又は名称】特許業務法人栄光特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 伸志

(72)【発明者】

【氏名】山田 岳史

(72)【発明者】

【氏名】山崎 雄幹

【審査官】奥隅 隆

(56)【参考文献】

【文献】特開昭６２－０３３０６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／０１５１８３３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１７／０９５７８５（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ ９／０４

Ｂ２３Ｃ ３／１８

Ｂ２３Ｐ １５／０２

Ｆ０４Ｄ ２９／２２

Ｆ０４Ｄ ２９／２８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ベース材に溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードを積層させて造形部を造形する造形工程と、
少なくとも前記造形部の表面を切削して凹状の曲面部を形成する切削工程と、
を含み、
前記造形工程において、断面視円形状の前記ベース材の周面に対して、螺線状に配置される複数列の前記溶着ビードを互いに溶融及び凝固させた前記溶着ビードの層を積層した前記造形部を、前記ベース材の周方向に間隔をあけて複数形成し、
前記造形工程において、前記造形部の複数の前記溶着ビードのうち、前記ベース材の表面に造形されて前記切削工程で切削される切削対象溶着ビードを前記ベース材の表面に造形する際に、前記切削対象溶着ビードの高さ寸法をＨ、前記切削対象溶着ビードの切削される最小幅寸法をＡ、前記切削対象溶着ビードの幅寸法をＢ、前記切削対象溶着ビードの底部を通り、前記切削対象溶着ビードの幅方向の中心線と直交する底面線をＸＡ、前記底面線ＸＡと前記曲面部との交点における前記曲面部の接線をＸＢ、前記底面線ＸＡと前記接線ＸＢとのなす角をθとしたときに、
tanθ≧Ｈ／（Ｂ－Ａ）
が成立する位置に前記切削対象溶着ビードを造形する
造形物の製造方法。

【請求項2】

断面視円形状のベース材の周面に対して、溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードを、前記ベース材の周方向へ間隔をあけて積層させて造形部を造形する造形工程と、
前記造形部の表面及び前記ベース材の周面の一部を切削して凹状の曲面部を形成する切削工程と、
を含み、
前記造形物は、前記ベース材からなる軸体の周囲に複数のブレードが周方向へ間隔をあけて設けられ、前記ブレードの間に曲面部を有する凹部を備えており、
前記造形工程において、前記溶着ビードのうちの前記ベース材の表面に造形されて前記切削工程で切削される切削対象溶着ビードを前記ベース材の表面に造形する際に、前記切削対象溶着ビードの高さ寸法をＨ、前記切削対象溶着ビードの切削される最小幅寸法をＡ、前記切削対象溶着ビードの幅寸法をＢ、前記切削対象溶着ビードの底部を通り、前記切削対象溶着ビードの幅方向の中心線と直交する底面線をＸＡ、前記底面線ＸＡと前記曲面部との交点における前記曲面部の接線をＸＢ、前記底面線ＸＡと前記接線ＸＢとのなす角をθとしたときに、
tanθ≧Ｈ／（Ｂ－Ａ）
が成立する位置に前記切削対象溶着ビードを造形する
造形物の製造方法。

【請求項3】

請求項１または請求項２に記載の造形物の製造方法によって製造された造形物。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、造形物の製造方法及び造形物に関する。

【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造形物を作製する。

【0003】

例えば、ポンプや圧縮機などの流体機械に設けられるインペラやロータ等の回転部材を製造する技術として、ハブとなるベース材の表面にビードを積層して複数のブレードとなる造形部を造形し、その後、造形部を切削してブレードを形成する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】

【0004】

【文献】国際公開第２０１６／１４９７７４号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上記の製造技術によれば、材料からの削り出しと比べ、歩留りが高く、製造時間も短縮させることができる。また、複雑な鋳型を組み合わせて製造する鋳造と比べ、鋳型の組合せ部分に生じるバリの除去や鋳型のずれによる製造不良をなくすことができる。

【0006】

ところで、ビードを積層して造形部を造形し、その造形部を切削することで、曲面部を形成する場合、切削対象のビードの大部分を切削することとなると、無駄が多くなり、生産性が低下してしまう。このため、曲面部を有する造形物を製造する際の造形するビードの無駄を極力押させて生産性の向上を図ることが要求されている。

【0007】

本発明の目的は、曲面部を有する部位を備えた造形物を無駄なく効率的に製造して生産性の向上を図ることが可能な造形物の製造方法及び造形物を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明は下記構成からなる。
（１） ベース材に溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードを積層させて造形部を造形する造形工程と、
少なくとも前記造形部の表面を切削して凹状の曲面部を形成する切削工程と、
を含み、
前記造形工程において、前記溶着ビードのうちの前記ベース材の表面に造形されて前記切削工程で切削される切削対象溶着ビードを前記ベース材の表面に造形する際に、
前記切削対象溶着ビードの高さ寸法をＨ、前記切削対象溶着ビードの切削される最小幅寸法をＡ、前記切削対象溶着ビードの幅寸法をＢ、前記切削対象溶着ビードの底部を通り、前記切削対象溶着ビードの幅方向の中心線と直交する底面線をＸＡ、前記底面線ＸＡと前記曲面部との交点における前記曲面部の接線をＸＢ、前記底面線ＸＡと前記接線ＸＢとのなす角をθとしたときに、
tanθ≧Ｈ／（Ｂ－Ａ）
が成立する位置に前記切削対象溶着ビードを造形する
造形物の製造方法。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、曲面部を有する部位を備えた造形物を無駄なく効率的に製造して生産性の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1A】本発明の製造方法で製造する造形物であるロータの斜視図である。

【図1B】本発明の製造方法で製造する造形物であるロータの軸方向に直交する断面図である。

【図2】造形物を製造する製造システムの模式的な概略構成図である。

【図3A】本実施形態に係る造形物の製造方法における積層工程を説明するロータの一部の概略断面図である。

【図3B】本実施形態に係る造形物の製造方法における積層工程を説明するロータの一部の概略断面図である。

【図4A】本実施形態に係る造形物の製造方法における切削工程を説明するロータの一部の概略断面図である。

【図4B】本実施形態に係る造形物の製造方法における切削工程を説明するロータの一部の概略拡大断面図である。

【図5】本実施形態に係る切削対象溶着ビードの造形位置の設定について説明する模式図である。

【図6】参考例に係る切削対象溶着ビードの造形位置の設定について説明する模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

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。
図１Ａ及び図１Ｂは、それぞれ本発明の製造方法で製造する造形物であるロータを示す図であり、図１Ａはロータの斜視図、図１Ｂはロータの軸方向に直交する断面図である。

【0012】

図１Ａ及び図１Ｂに示すように、本実施形態に係る製造方法によって製造する造形物Ｗは、柱状の軸体５１と、軸体５１の外周に径方向外側へ突出する複数条（図示例では６条）の螺旋状のブレード５３とを備える。この造形物Ｗは、例えば、圧縮機などの流体機械に設けられるロータ５５である。

【0013】

ロータ５５は、軸体５１の軸方向中間部で、複数のブレード５３が周方向に沿って等間隔に設けられたスクリュー形状となっている。このロータ５５は、各ブレード５３同士の間にＵ字状に凹んだ曲面形状の凹部５７を有している。

【0014】

このロータ５５は、軸体５１となる棒状のベース材６１の周面に、ブレード５３となる溶着ビード６３を形成して積層させ、その後、切削加工によって溶着ビード６３及びベース材６１を切削し、ブレード５３及びブレード５３の間の凹部５７を形成することで得られる。

【0015】

次に、上記のロータ５５からなる造形物Ｗを製造する製造システムについて説明する。
図２は造形物を製造する製造システムの模式的な概略構成図である。

【0016】

図２に示すように、本構成の製造システム１００は、積層造形装置１１と、切削装置１２と、積層造形装置１１及び切削装置１２を統括制御するコントローラ１５と、を備える。

【0017】

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２１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。

【0018】

溶接ロボット１９は、多関節ロボットであり、先端軸に設けたトーチ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。

【0019】

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。本構成で用いら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、作製する造形物Ｗに応じて適宜選定される。

【0020】

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２１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、後述のベース材６１上に溶加材Ｍの溶融凝固体である線状の溶着ビード６３が形成される。

【0021】

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、加熱量を更に細かく制御でき、溶着ビードの状態をより適正に維持して、造形物Ｗの更なる品質向上に寄与できる。

【0022】

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。

【0023】

切削装置１２は、切削ロボット４１を備えている。切削ロボット４１は、溶接ロボット１９と同様に、多関節ロボットであり、先端アーム４３の先端部に、例えば、エンドミルや研削砥石などの金属加工工具４５を備える。これにより、切削ロボット４１は、コントローラ１５により、その加工姿勢が任意の姿勢を取り得るように、３次元的に移動可能となっている。

【0024】

切削ロボット４１は、積層造形装置１１の溶接ロボット１９によってベース材６１に溶着ビード６３が積層された造形物Ｗを金属加工工具４５で切削してロータ５５に加工する。

【0025】

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。

【0026】

ＣＡＤ／ＣＡＭ部３１は、作製しようとする造形物Ｗの形状データを作成した後、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に基づいてトーチ１７の移動軌跡を求める。また、軌道演算部３３は、形状データに基づいて、金属加工工具４５の移動軌跡を求める。記憶部３５は、造形物Ｗの形状データ、生成された層形状データ、トーチ１７の移動軌跡及び金属加工工具４５の移動軌跡等のデータを記憶する。

【0027】

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。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で生成したトーチ１７の移動軌跡に基づき、溶加材Ｍをアークで溶融させながらトーチ１７を移動する。また、制御部３７は、記憶部３５に記憶された形状データや金属加工工具４５の移動軌跡に基づく駆動プログラムを実行して、切削ロボット４１を駆動する。これにより、切削ロボット４１の先端アーム４３に設けられた金属加工工具４５によって造形物Ｗに対して切削加工を行う。なお、図２においては、鉛直方向に立設させた断面視円形状の柱状のベース材６１の周面に、ブレード５３となる溶着ビード６３を螺旋状に形成して造形物Ｗを造形し、その後、造形物Ｗに対して切削加工を行う様子を示している。

【0028】

次に、本実施形態に係る造形物の製造方法について説明する。
図３Ａ及び図３Ｂは本実施形態に係る造形物の製造方法における積層工程を説明する図であり、図３Ａ及び図３Ｂはそれぞれロータの一部の概略断面図である。図４Ａ及び図４Ｂは本実施形態に係る造形物の製造方法における切削工程を説明する図であり、図４Ａはロータの一部の概略断面図、図４Ｂはロータの一部の概略拡大断面図である。

【0029】

（造形工程）
図３Ａに示すように、製造システム１００に、軸体５１となる断面視円形状の柱状のベース材６１をセットする。次いで、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、積層造形装置１１のトーチ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をベース材６１の周面に供給する。これにより、ベース材６１の周面に対して複数の溶着ビード６３を螺旋状に形成する。その後、図３Ｂに示すように、形成した溶着ビード６３の層に対してさらに溶着ビード６３を順に積層させ、ブレード５３となる造形部６５を有する造形物Ｗを作製する。

【0030】

（切削工程）
切削ロボット４１を駆動させて金属加工工具４５によって造形物Ｗを切削加工する。これにより、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、造形部６５の表面及びベース材６１の一部を切削し、ブレード５３を形成するとともに、ブレード５３間の凹部５７を形成する。これにより、柱状の軸体５１の外周に複数のブレード５３を備えたロータ５５を形成する。

【0031】

ここで、本実施形態では、造形部６５となる溶着ビード６３のうちのベース材６１の表面である周面に造形されて切削工程で切削される切削対象溶着ビード６３Ａの造形位置を以下のように設定する。

【0032】

図５は、切削対象溶着ビード６３Ａの造形位置の設定について説明する模式図である。図５に示すように、切削対象溶着ビード６３Ａの高さ寸法をＨ、切削対象溶着ビード６３Ａの切削される最小幅寸法をＡ、切削対象溶着ビード６３Ａの幅寸法をＢ、切削対象溶着ビード６３Ａの底部を通り、切削対象溶着ビード６３Ａの幅方向の中心線と直交する底面線をＸＡ、底面線ＸＡと凹部５７の曲面部５７ａとの交点における曲面部５７ａの接線をＸＢ、底面線ＸＡと接線ＸＢとのなす角をθとしたときに、次式（１）が成立する位置を、切削対象溶着ビード６３Ａの造形位置に設定する。

【0033】

tanθ≧Ｈ／（Ｂ－Ａ）…（１）

【0034】

そして、切削対象溶着ビード６３Ａの造形位置が、上式（１）を満たす位置となるようにベース材６１を選定し、造形しようとする造形物Ｗの形状データを作成して層形状データを生成する。

【0035】

ここで、切削対象溶着ビード６３Ａの造形位置が上式（１）を満たさない場合について比較検討する。

【0036】

図６に示すように、切削対象溶着ビード６３Ａの造形位置が上式（１）を満たさない場合、つまり、ｔａｎθ＜Ｈ／（Ｂ－Ａ）となる場合では、切削対象溶着ビード６３Ａのかなり領域（図６におけるハッチング部分）が切削されることとなる。

【0037】

これに対して、図５に示すように、切削対象溶着ビード６３Ａの造形位置がtanθ≧Ｈ／（Ｂ－Ａ）を満たす本実施形態によれば、切削対象溶着ビード６３Ａは、実質的に切削される領域が、小さい領域（図５におけるハッチング部分）に抑えられることとなる。

【0038】

以上、説明したように、本実施形態に係る造形物の製造方法によれば、切削対象溶着ビードの高さ寸法をＨ、切削対象溶着ビードの切削される最小幅寸法をＡ、切削対象溶着ビードの幅寸法をＢ、切削対象溶着ビードの底部を通り、切削対象溶着ビードの幅方向の中心線と直交する底面線をＸＡ、底面線ＸＡと曲面部との交点における曲面部の接線をＸＢ、底面線ＸＡと接線ＸＢとのなす角をθとしたときに、tanθ≧Ｈ／（Ｂ－Ａ）を満たす位置に切削対象溶着ビードを造形する。

【0039】

これにより、溶着ビード６３を形成するベース材６１を適切に選定し、切削工程において、切削対象溶着ビード６３Ａにおける切削する領域を少なくすることができ、切削対象溶着ビード６３Ａの多くの部分を切削することによる無駄を極力抑えることができる。これにより、曲面部５７ａを有する部位を備えた造形物Ｗを無駄なく製造することができ、生産性を向上させることができる。

【0040】

そして、本実施形態によれば、例えば、ベース材６１からなる軸体５１の周囲に複数のブレード５３が周方向へ間隔をあけたロータ５５からなる造形物Ｗを、無駄なく効率的に製造することができる。

【0041】

また、本実施形態の製造方法で製造される造形物Ｗによれば、ベース材６１の表面に造形した溶着ビード６３の無駄な切削が極力抑えられるので、高い生産性で効率的に製造可能な造形物Ｗとすることができる。

【0042】

なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、実施形態の各構成を相互に組み合わせることや、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。

【0043】

例えば、上記実施形態では、造形物Ｗを切削する切削装置１２として、多関節ロボットの先端アーム４３に金属加工工具４５を備えた切削ロボット４１を用いた場合を例示したが、使用可能な切削装置１２としては、切削ロボット４１に限らない。切削装置１２としては、例えば、５軸加工機やロータ専用の加工機（歯切り加工機）などの切削加工機を用いてもよい。

【0044】

また、上記実施形態では、複数のブレード５３を有するロータ５５を造形する場合を例示したが、本発明は、ロータ５５に限らず、曲面形状を有する各種の造形物の製造に適用可能である。

【0045】

以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
（１） ベース材に溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードを積層させて造形部を造形する造形工程と、
少なくとも前記造形部の表面を切削して凹状の曲面部を形成する切削工程と、
を含み、
前記造形工程において、前記溶着ビードのうちの前記ベース材の表面に造形されて前記切削工程で切削される切削対象溶着ビードを前記ベース材の表面に造形する際に、
前記切削対象溶着ビードの高さ寸法をＨ、前記切削対象溶着ビードの切削される最小幅寸法をＡ、前記切削対象溶着ビードの幅寸法をＢ、前記切削対象溶着ビードの底部を通り、前記切削対象溶着ビードの幅方向の中心線と直交する底面線をＸＡ、前記底面線ＸＡと前記曲面部との交点における前記曲面部の接線をＸＢ、前記底面線ＸＡと前記接線ＸＢとのなす角をθとしたときに、
tanθ≧Ｈ／（Ｂ－Ａ）
が成立する位置に前記切削対象溶着ビードを造形する
造形物の製造方法。
この造形物の製造方法によれば、切削対象溶着ビードの高さ寸法をＨ、切削対象溶着ビードの切削される最小幅寸法をＡ、切削対象溶着ビードの幅寸法をＢ、切削対象溶着ビードの底部を通り、切削対象溶着ビードの幅方向の中心線と直交する底面線をＸＡ、底面線ＸＡと曲面部との交点における曲面部の接線をＸＢ、底面線ＸＡと接線ＸＢとのなす角をθとしたときに、tanθ≧Ｈ／（Ｂ－Ａ）を満たす位置に切削対象溶着ビードを造形する。
これにより、溶着ビードを形成するベース材を適切に選定し、切削工程において、切削対象溶着ビードにおける切削する領域を少なくすることができ、溶着ビードの多くの部分を切削することによる無駄を極力抑えることができる。これにより、曲面部を有する部位を備えた造形物を無駄なく製造することができ、生産性を向上させることができる。また、溶着ビードの溶着量を減らすことができ、これにより、溶着ビードの溶着量が多いことで生じる溶接変形による精度低下を抑制して精度向上を図ることができる。

【0046】

（２） 前記造形工程において、断面視円形状の前記ベース材の周面に対して、周方向へ間隔をあけて前記溶着ビードを積層させて造形部を形成し、
前記切削工程において、前記造形部の表面及び前記ベース材の周面の一部を切削し、
前記ベース材からなる軸体の周囲に複数のブレードが周方向へ間隔をあけて設けられ、前記ブレードの間に曲面部を有する凹部を備えた造形物を製造する
（１）に記載の造形物の製造方法。
この造形物の製造方法によれば、ベース材からなる軸体の周囲に複数のブレードが周方向へ間隔をあけた造形物を、無駄なく効率的に製造することができる。

【0047】

（３） （１）または（２）に記載の造形物の製造方法によって製造された
造形物。
この造形物によれば、ベース材の表面に造形した溶着ビードの無駄な切削が極力抑えられるので、高い生産性で効率的に製造可能な造形物とすることができる。

【符号の説明】

【0048】

５１ 軸体
５３ ブレード
５５ ロータ
５７ 凹部
５７ａ 曲面部
６１ ベース材
６３ 溶着ビード
６３Ａ 切削対象溶着ビード
６５ 造形部
Ａ 最小幅寸法
Ｂ 幅寸法
Ｈ 高さ寸法
Ｍ 溶加材
Ｗ 造形物
ＸＡ 底面線
ＸＢ 接線
θ なす角

【図1A】

【図1B】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6】