特許 7082867 金属積層造形方法

(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】2022-06-01

(45)【発行日】2022-06-09

(54)【発明の名称】金属積層造形方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 9/04 20060101AFI20220602BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20220602BHJP

   B23K 9/032 20060101ALI20220602BHJP

【ＦＩ】

B23K9/04 G

B33Y10/00

B23K9/032 Z

B23K9/04 Z

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2017213481

(22)【出願日】2017-11-06

(65)【公開番号】P2019084553

(43)【公開日】2019-06-06

【審査請求日】2020-08-25

(73)【特許権者】

【識別番号】310010564

【氏名又は名称】三菱重工コンプレッサ株式会社

(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】100162868

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 英輔

(74)【代理人】

【識別番号】100161702

【弁理士】

【氏名又は名称】橋本 宏之

(74)【代理人】

【識別番号】100189348

【弁理士】

【氏名又は名称】古都 智

(74)【代理人】

【識別番号】100196689

【弁理士】

【氏名又は名称】鎌田 康一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100210572

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 太一

(72)【発明者】

【氏名】酒井 泰典

(72)【発明者】

【氏名】川原 光聖

【審査官】柏原 郁昭

(56)【参考文献】

【文献】特開２００９－０１８３４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－１７７７９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１４４４４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－０７７４６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０２－２９５６８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０４４２４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０９６２３０９７（ＣＮ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０９６２３０９８（ＣＮ，Ａ）

【文献】Laurentiu Dan Ghenghea，Experiments for WAAM Technologies，MATEC Web Conferences，Volume 112，2017年07月03日，p.4-5，インターネット<https://www.matec-conferences.org/articles/matecconf/abs/2017/26/matecconf_imane2017_03004/matecconf_imane2017_03004.html>，英語

【文献】LIUPING QIAO，Integrated Deposition and Machining of Aluminium Alloy using WAAM，SEMANTIC SCHOLAR，2013年11月，p.30-32，インターネット<https://www.semanticscholar.org/paper/Integrated-deposition-and-machining-of-aluminium-Qiao/f3857d0fbb134c66710fc1ee1521940a469c1c61>，英語

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ ９／０４

Ｂ３３Ｙ １０／００

Ｂ２３Ｋ ９／０３２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の金属層が順次積層されることで成形された立体的な造形物を造形する金属積層造形方法であって、
アーク溶接によって形成される溶接ビードからなる前記金属層を積層する金属層積層工程と、
前記金属層積層工程で積層された前記金属層の表面の不純物を除去する除去工程と、
を含む単位工程が繰り返し実施され、
前記単位工程が繰り返される際には、前記除去工程で不純物が除去された前記金属層の表面上に新たな前記金属層を積層されるように前記金属層積層工程が再び実施され、
前記金属層積層工程で積層された最上層の前記金属層の表面に冷媒を供給して前記金属層を冷却する冷却工程と、
前記金属層積層工程で積層された最上層の前記金属層を機械加工で削って加工面を形成する機械加工工程とをさらに含み、
前記単位工程が繰り返される際には、前記冷却工程で冷却された前記金属層の表面上に新たな前記金属層が形成されるように前記金属層積層工程が再び実施され、
前記冷却工程では、前記除去工程で前記金属層が削られる際に供給される切削油もしくはエアーを前記冷媒として、前記金属層が冷却され、
前記単位工程が繰り返される際には、前記機械加工工程で形成された加工面上に新たな前記金属層が形成されるように前記金属層積層工程が再び実施され、
前記機械加工工程では、底面が前記加工面となるように端部が突出した凹部が形成される金属積層造形方法。

【請求項2】

複数の金属層が順次積層されることで成形された立体的な造形物を造形する金属積層造形方法であって、
アーク溶接によって形成される溶接ビードからなる前記金属層を積層する金属層積層工程と、
前記金属層積層工程で積層された前記金属層の表面の不純物を除去する除去工程と、
を含む単位工程が繰り返し実施され、
前記単位工程が繰り返される際には、前記除去工程で不純物が除去された前記金属層の表面上に新たな前記金属層を積層されるように前記金属層積層工程が再び実施され、
前記金属層積層工程で積層された最上層の前記金属層の表面に冷媒を供給して前記金属層を冷却する冷却工程と、
前記除去工程で不純物が除去された最上層の前記金属層の形状を測定する形状測定工程と、
前記形状測定工程で測定された最上層の前記金属層の形状が予め定めた基準から外れているか否かを判定する形状判定工程と、
前記形状判定工程で最上層の前記金属層の形状が前記基準から外れていると判断された場合に、形状が測定された前記金属層の表面上に積層される新たな前記金属層の形状を調整する形状調整工程とをさらに含み、
前記単位工程が繰り返される際には、前記冷却工程で冷却された前記金属層の表面上に新たな前記金属層が形成されるように前記金属層積層工程が再び実施され、
前記冷却工程では、前記除去工程で前記金属層が削られる際に供給される切削油もしくはエアーを前記冷媒として、前記金属層が冷却される金属積層造形方法。

【請求項3】

前記金属層積層工程で積層された最上層の前記金属層の表面の温度を測定する温度測定工程を含み、
前記単位工程が繰り返される際には、前記温度測定工程で測定された前記金属層の表面の温度が予め定めた基準温度を下回った場合に、温度が測定された前記金属層の表面上に新たな前記金属層が形成されるように前記金属層積層工程が再び実施される請求項１又は２に記載の金属積層造形方法。

【請求項4】

前記冷却工程では、前記金属層の表面に液状の冷媒が直接供給される請求項１から請求項３の何れか一項に記載の金属積層造形方法。

【請求項5】

複数の金属層が順次積層されることで成形された立体的な造形物を造形する金属積層造形方法であって、
アーク溶接によって形成される溶接ビードからなる前記金属層を積層する金属層積層工程と、
前記金属層積層工程で積層された前記金属層の表面の不純物を除去する除去工程と、
を含む単位工程が繰り返し実施され、
前記単位工程が繰り返される際には、前記除去工程で不純物が除去された前記金属層の表面上に新たな前記金属層を積層されるように前記金属層積層工程が再び実施され、
前記金属層積層工程で積層された最上層の前記金属層を機械加工で削って加工面を形成する機械加工工程を含み、
前記単位工程が繰り返される際には、前記機械加工工程で形成された加工面上に新たな前記金属層が形成されるように前記金属層積層工程が再び実施され、
前記機械加工工程では、底面が前記加工面となるように端部が突出した凹部が形成される金属積層造形方法。

【請求項6】

複数の金属層が順次積層されることで成形された立体的な造形物を造形する金属積層造形方法であって、
アーク溶接によって形成される溶接ビードからなる前記金属層を積層する金属層積層工程と、
前記金属層積層工程で積層された前記金属層の表面の不純物を除去する除去工程と、
を含む単位工程が繰り返し実施され、
前記単位工程が繰り返される際には、前記除去工程で不純物が除去された前記金属層の表面上に新たな前記金属層を積層されるように前記金属層積層工程が再び実施され、
前記除去工程で不純物が除去された最上層の前記金属層の形状を測定する形状測定工程と、
前記形状測定工程で測定された最上層の前記金属層の形状が予め定めた基準から外れているか否かを判定する形状判定工程と、
前記形状判定工程で最上層の前記金属層の形状が前記基準から外れていると判断された場合に、形状が測定された前記金属層の表面上に積層される新たな前記金属層の形状を調整する形状調整工程とを含む金属積層造形方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、金属積層造形方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年に至り、いわゆる３Ｄプリンタ（立体造形）技術の一つとして、金属を積層造形する技術が開発、実用化されるようになった。この種の金属積層造形法では、レーザ照射により金属粉末を溶融・固着する金属粉末焼結法がある、また、最近では、アーク溶接で用いられているアーク放電により金属を溶融・固化させる技術に着目し、溶融金属を積層させることにより三次元造形を行う溶融金属積層法も開発されている。

【0003】

例えば、特許文献１では、金型の形状データに基づいて、溶着ビードで立体的な型素材を造形する金型の製造方法が記載されている。この金型の製造方法では、ＮＣ加工機の可動フレームに取り付けられた溶接トーチを移動させながら溶接ビードを積層していくことで型素材を形成している。形成された型素材に切削工具や研磨工具で仕上加工を行うことで、所望の形状の金型が製造されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特許第３７８４５３９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、アーク溶接で形成される溶接ビードには、スパッタやスラグやヒューム等の溶接欠陥を引き起こす不純物が表面に生じる場合がある。このような不純物を除去せずに溶接ビードを積層し続けた場合、内部に溶接欠陥が残存した状態で造形物が形成され、最終的な造形物の強度低下を引き起こす可能性がある。そのため、溶接欠陥を内部に残存させずに造形物を製造する造形物を製造することが望まれている。

【0006】

本発明は、上記要望に応えるためになされたものであって、内部に残存する溶接欠陥の量を抑えて造形物を製造することが可能な金属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】

【0007】

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明の第一態様に係る金属積層造形方法は、複数の金属層が順次積層されることで成形された立体的な造形物を造形する金属積層造形方法であって、アーク溶接によって形成される溶接ビードからなる前記金属層を積層する金属層積層工程と、前記金属層積層工程で積層された前記金属層の表面の不純物を除去する除去工程と、を含む単位工程が繰り返し実施され、前記単位工程が繰り返される際には、前記除去工程で不純物が除去された前記金属層の表面上に新たな前記金属層を積層されるように前記金属層積層工程が再び実施され、前記金属層積層工程で積層された最上層の前記金属層の表面に冷媒を供給して前記金属層を冷却する冷却工程と、前記金属層積層工程で積層された最上層の前記金属層を機械加工で削って加工面を形成する機械加工工程とをさらに含み、前記単位工程が繰り返される際には、前記冷却工程で冷却された前記金属層の表面上に新たな前記金属層が形成されるように前記金属層積層工程が再び実施され、前記冷却工程では、前記除去工程で前記金属層が削られる際に供給される切削油もしくはエアーを前記冷媒として、前記金属層が冷却され、前記単位工程が繰り返される際には、前記機械加工工程で形成された加工面上に新たな前記金属層が形成されるように前記金属層積層工程が再び実施され、前記機械加工工程では、底面が前記加工面となるように端部が突出した凹部が形成される。

【0008】

このような構成とすることで、不純物が除去された金属層上に新たな金属層が形成される。そのため、溶接欠陥が残存したまま新たな金属層が積層されてしまうことを防ぐことができる。
また、金属層の表面が冷媒で冷却されて温度が低下する。そのため、温度が高い状態の金属層上に新たな金属層が積層されることを防ぐことができる。さらに、単純に金属層を放置して冷却させる場合に比べて、新たな金属層の形成を開始するまでの溶接待ち時間を短縮することができる。
また、表面に凹凸が残された状態の金属層上に新たな金属層が直接形成されて、新たな金属層の形状が崩れてしまうことを抑えることができる。これより、最終的に製造される造形品の形状の精度を安定させることができる。
また、端部から凹ませるように加工面が形成される。そのため、端部が囲いの役目を果たし、溶融している溶接材料が側面に垂れてしまうことを抑えることができる。その結果、新たな金属層の形成時に造形物の側面の形状が崩れてしまうことを抑えることができる。これより、最終的に製造される造形品の形状の精度をより安定させることができる。

【0009】

また、本発明の第二態様に係る金属積層造形方法は、複数の金属層が順次積層されることで成形された立体的な造形物を造形する金属積層造形方法であって、アーク溶接によって形成される溶接ビードからなる前記金属層を積層する金属層積層工程と、前記金属層積層工程で積層された前記金属層の表面の不純物を除去する除去工程と、を含む単位工程が繰り返し実施され、前記単位工程が繰り返される際には、前記除去工程で不純物が除去された前記金属層の表面上に新たな前記金属層を積層されるように前記金属層積層工程が再び実施され、前記金属層積層工程で積層された最上層の前記金属層の表面に冷媒を供給して前記金属層を冷却する冷却工程と、前記除去工程で不純物が除去された最上層の前記金属層の形状を測定する形状測定工程と、前記形状測定工程で測定された最上層の前記金属層の形状が予め定めた基準から外れているか否かを判定する形状判定工程と、前記形状判定工程で最上層の前記金属層の形状が前記基準から外れていると判断された場合に、形状が測定された前記金属層の表面上に積層される新たな前記金属層の形状を調整する形状調整工程とをさらに含み、前記単位工程が繰り返される際には、前記冷却工程で冷却された前記金属層の表面上に新たな前記金属層が形成されるように前記金属層積層工程が再び実施され、前記冷却工程では、前記除去工程で前記金属層が削られる際に供給される切削油もしくはエアーを前記冷媒として、前記金属層が冷却される。
このような構成とすることで、溶接歪み等の影響を低減させて、最終的な造形物の寸法
精度を向上させることができる。
また、本発明の第三態様に係る金属積層造形方法では、第一または第二態様において、前記金属層積層工程で積層された最上層の前記金属層の表面の温度を測定する温度測定工程を含み、前記単位工程が繰り返される際には、前記温度測定工程で測定された前記金属層の表面の温度が予め定めた基準温度を下回った場合に、温度が測定された前記金属層の表面上に新たな前記金属層が形成されるように前記金属層積層工程が再び実施されてもよい。

【0010】

このような構成とすることで、温度が高い状態の金属層上に新たな金属層が積層されることを防ぐことができる。したがって、新たに形成される金属層の溶接品質の低下を抑えることができる。これより、最終的に製造される造形品の強度の低下をより抑えることができる。

【0017】

また、本発明の第四態様に係る金属積層造形方法では、第一から第三態様のいずれか一つにおいて、前記冷却工程では、前記金属層の表面に液状の冷媒が直接供給されてもよい。

【0018】

このような構成とすることで、間接的に金属層の表面を冷却する場合に比べて、金属層の表面を短時間で冷却することができる。したがって、新たな金属層の形成を開始するまでの溶接待ち時間をより短縮することができる。

【0020】

また、本発明の第五態様に係る金属積層造形方法は、複数の金属層が順次積層されることで成形された立体的な造形物を造形する金属積層造形方法であって、アーク溶接によって形成される溶接ビードからなる前記金属層を積層する金属層積層工程と、前記金属層積層工程で積層された前記金属層の表面の不純物を除去する除去工程と、を含む単位工程が繰り返し実施され、前記単位工程が繰り返される際には、前記除去工程で不純物が除去された前記金属層の表面上に新たな前記金属層を積層されるように前記金属層積層工程が再び実施され、前記金属層積層工程で積層された最上層の前記金属層を機械加工で削って加工面を形成する機械加工工程を含み、前記単位工程が繰り返される際には、前記機械加工工程で形成された加工面上に新たな前記金属層が形成されるように前記金属層積層工程が再び実施され、前記機械加工工程では、底面が前記加工面となるように端部が突出した凹部が形成される。
また、本発明の第六態様に係る金属積層造形方法は、複数の金属層が順次積層されることで成形された立体的な造形物を造形する金属積層造形方法であって、アーク溶接によって形成される溶接ビードからなる前記金属層を積層する金属層積層工程と、前記金属層積層工程で積層された前記金属層の表面の不純物を除去する除去工程と、を含む単位工程が繰り返し実施され、前記単位工程が繰り返される際には、前記除去工程で不純物が除去された前記金属層の表面上に新たな前記金属層を積層されるように前記金属層積層工程が再び実施され、前記除去工程で不純物が除去された最上層の前記金属層の形状を測定する形状測定工程と、前記形状測定工程で測定された最上層の前記金属層の形状が予め定めた基準から外れているか否かを判定する形状判定工程と、前記形状判定工程で最上層の前記金属層の形状が前記基準から外れていると判断された場合に、形状が測定された前記金属層の表面上に積層される新たな前記金属層の形状を調整する形状調整工程とを含む。

【発明の効果】

【0021】

本発明によれば、溶接欠陥を内部に残存させずに造形物を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】本発明の実施形態に係る金属積層造形方法を示す工程図である。

【図2】本発明に係る機械加工工程後の金属層を説明する模式図である。

【図3】本発明に係る第二判定後の凹部の底面に金属層積層工程が実施された状態を説明する模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下、本発明の実施形態について図を参照して説明する。
金属積層造形方法Ｓ１は、複数の金属層１が順次積層されることで成形された立体的な造形物を造形する。本実施形態の金属積層造形方法Ｓ１で製造される造形物は、タービンや圧縮機の部品である。より具体的には、製造される造形物としては、インペラやケーシングが挙げられる。

【0024】

本実施形態の金属積層造形方法Ｓ１は、図１に示すように、金属層積層工程Ｓ２と、金属層処理工程Ｓ３と、温度測定工程Ｓ４と、第一判定工程Ｓ５と、形状測定工程Ｓ６と、形状判定工程Ｓ７と、形状調整工程Ｓ８と、第二判定工程Ｓ９とを含む。金属積層造形方法Ｓ１は、金属層積層工程Ｓ２と後述する除去工程Ｓ３１とを含む単位工程Ｓ１０を繰り返して実施することで、造形物を製造する。本実施形態の金属積層造形方法Ｓ１では、単位工程Ｓ１０は、金属層積層工程Ｓ２と、金属層処理工程Ｓ３と、を含んでいる。金属積層造形方法Ｓ１では、金属層積層工程Ｓ２及び金属層処理工程Ｓ３だけでなく、温度測定工程Ｓ４、第一判定工程Ｓ５、形状測定工程Ｓ６、形状判定工程Ｓ７、形状調整工程Ｓ８、及び第二判定工程Ｓ９も繰り返し実施される。金属積層造形方法Ｓ１は、溶接トーチや加工工具が取り付けられたＮＣ加工機によって実施される。

【0025】

金属層積層工程Ｓ２は、アーク溶接によって形成される溶接ビードからなる金属層１を積層する。金属層積層工程Ｓ２は、まず、ベース上にアーク溶接によって溶接ビードを形成する。この溶接ビードによって、金属層１は構成されている。金属層積層工程Ｓ２では、予め入力された造形品の形状データに基づいて、溶接ビードが形成される。本実施形態の金属層積層工程Ｓ２では、複数パス（例えば三パス）の溶接ビードがアーク溶接によって連続して形成されることで、一層の金属層１が構成されている。金属層積層工程Ｓ２では、回転アーク溶接等の高速溶接で溶接ビードを形成することが好ましい。

【0026】

なお、金属層１は、例えば、本実施形態のように複数パスの溶接ビードによって一層が構成されることに限定されるものではなく、一パスのみの溶接ビードによって一層が構成されていてもよい。

【0027】

金属層処理工程Ｓ３は、金属層積層工程Ｓ２で形成された最上層の金属層１の一層に種々の処理を施す。本実施形態の金属層処理工程Ｓ３は、除去工程Ｓ３１と、機械加工工程Ｓ３２と、冷却工程Ｓ３３とを含む。

【0028】

除去工程Ｓ３１は、金属層積層工程Ｓ２で積層された最上層の金属層１の表面の不純物を除去する。本実施形態の除去工程Ｓ３１は、ＮＣ加工機に加工工具として切削工具や研磨工具を取り付けて実施される。除去工程Ｓ３１では、金属層１の表面及び周辺に付着した不純物を削り取って除去する。これにより、単位工程Ｓ１０が繰り返される際には、除去工程Ｓ３１で不純物が除去された金属層１の表面上に新たな金属層１Ａを積層されるように金属層積層工程Ｓ２が再び実施される。

【0029】

ここで、不純物とは、溶接欠陥を生じさせる溶接ビードの表面及びその周辺に発生した異物である。具体的には、不純物としては、スパッタや、スラグや、ヒュームが挙げられる。スパッタは、溶接ビードの周辺に飛散した金属粒である。また、スラグは、母材や溶接材料から生じる金属間化合物からなる異物である。具体的なスラグとしては、例えば融点の低いガラス質が挙げられる。また、ヒュームは、溶接ビードの周辺に付着する鉱物性の粉塵である。ヒュームは、母材や溶接材料に含まれる成分からなるが、各成分の比率が元の材料とは大幅に異なっている。

【0030】

機械加工工程Ｓ３２は、金属層積層工程Ｓ２で積層された最上層の金属層１を機械加工で削って平滑な加工面１１を形成する。本実施形態の機械加工工程Ｓ３２では、図２に示すように、底面２１が加工面１１となるように端部２２が突出した凹部２が形成される。機械加工工程Ｓ３２では、造形品の形状データからずれている領域が削られる。したがって、機械加工工程Ｓ３２では、金属層１の表面だけでなく側面も平滑な面を形成するように削られる。凹部２では、凹み量が溶接ビードの一パスの厚みよりも小さくされている。具体的には、溶接ビードの一パスの厚みが２．０ｍｍ～３．０ｍｍの場合、凹部２は、０．５ｍｍ～１．０ｍｍ程度の凹み量で形成される。また、端部２２の幅は、大きくする程アーク溶接時に溶融状態の金属が凹部２からこぼれづらくなるが、造形品の形状データからずれやすくなる。そのため、端部２２の幅は、造形品の形状データからずれない程度とされることが好ましい。また、機械加工工程Ｓ３２では、凹部２の底面２１が平面となるように金属層１が削られる。これにより、単位工程Ｓ１０が繰り返される際には、機械加工工程Ｓ３２で形成された底面２１上に新たな金属層１Ａが形成されるように金属層積層工程Ｓ２が再び実施される。

【0031】

本実施形態の機械加工工程Ｓ３２は、図１に示すように、除去工程Ｓ３１と同時にＮＣ加工機で実施される。つまり、ＮＣ加工機によって金属層１が削られることで、凹部２が形成されるとともに不純物が除去される。したがって、本実施形態の機械加工工程Ｓ３２は、単位工程Ｓ１０に含まれており、金属層積層工程Ｓ２や除去工程Ｓ３１とともに繰り返し実施される。

【0032】

なお、機械加工工程Ｓ３２で形成される加工面１１は、平滑な面であればよく、平面であることに限定されるものではない。したがって、加工面１１は、製造する造形品の形状に応じて、滑らかな曲面として形成されていてもよい。

【0033】

冷却工程Ｓ３３は、金属層積層工程Ｓ２で積層された最上層の金属層１の表面に冷媒を供給して金属層１を冷却する。本実施形態の冷却工程Ｓ３３では、金属層１の表面に液状の冷媒が直接供給される。冷却工程Ｓ３３では、冷媒として切削油もしくはエアーが供給される。これにより、単位工程Ｓ１０が繰り返される際には、冷却工程Ｓ３３で冷却された金属層１の表面上に新たな金属層１Ａが形成されるように金属層積層工程Ｓ２が再び実施される。

【0034】

本実施形態の冷却工程Ｓ３３は、除去工程Ｓ３１及び機械加工工程Ｓ３２と同時にＮＣ加工機で実施される。つまり、ＮＣ加工機によって金属層１が削られる際に供給される切削油もしくはエアーを冷媒として、金属層１が冷却される。したがって、本実施形態の冷却工程Ｓ３３は、単位工程Ｓ１０に含まれており、金属層積層工程Ｓ２や除去工程Ｓ３１とともに繰り返し実施される。

【0035】

温度測定工程Ｓ４は、金属層積層工程Ｓ２で積層された最上層の金属層１の表面の温度を測定する。本実施形態の温度測定工程Ｓ４は、単位工程Ｓ１０後に実施される。したがって、温度測定工程Ｓ４では、切削油もしくはエアーがかけられながら凹部２が形成された金属層１の表面である加工面１１の温度が測定される。温度測定工程Ｓ４では、サーモセンサーや非接触温度計を用いて、金属層１に触れることなく金属層１の表面の温度情報を取得する。取得後の温度情報は、不図示の制御装置に送られることで、モニターに表示されたり、ＮＣ加工機での加工に用いられたりする。

【0036】

第一判定工程Ｓ５は、温度測定工程Ｓ４で測定された金属層１の表面の温度が予め定めた基準温度を下回っているか否かを判定する。ここで、基準温度とは、金属層１上に溶接品質の低下を生じさせずに溶接ビードを新たに形成可能な温度であって、金属層１の表面に供給された冷媒が蒸発しているとみなせる温度である。したがって、基準温度は、例えば、１００℃程度である。第一判定工程Ｓ５で、温度測定工程Ｓ４で測定された温度が基準温度を下回っていると判定された場合には、形状測定工程Ｓ６が実施される。また、第一判定工程Ｓ５で、温度測定工程Ｓ４で測定された温度が基準温度を超えていると判定された場合には、所定の時間が経過した後に再び温度測定工程Ｓ４が実施される。

【0037】

形状測定工程Ｓ６は、除去工程Ｓ３１で不純物が除去された最上層の金属層１の形状を測定する。形状測定工程Ｓ６では、冷却工程Ｓ３３によって十分に冷却された最上層の金属層の形状を測定する。本実施形態の形状測定工程Ｓ６は、第一判定工程Ｓ５の後に実施される。形状測定工程Ｓ６では、三次元測定器を用いて接触又は被接触で金属層１の形状が測定される。具体的には、非接触で金属層１の形状を測定する場合には、例えば、レーザ光、パターン光、もしくはアークセンサが利用される。また、接触させて金属層１の形状を測定する場合には、例えば、タッチセンサが利用される。

【0038】

形状判定工程Ｓ７は、形状測定工程Ｓ６で測定された最上層の金属層１の形状が予め定めた基準から外れているか否かを判定する。ここで、予め定めた基準とは、最終的な造形物の形状に対して許容可能な寸法に応じて決定される。例えば、基準としては、造形品の形状データに一定の寸法公差を考慮した値が挙げられる。形状判定工程Ｓ７で金属層１の形状が基準から外れていると判断された場合には、形状調整工程Ｓ８が実施される。また、形状判定工程Ｓ７で金属層１の形状が基準から外れていないと判断された場合には、金属層積層工程Ｓ２が再び実施される。

【0039】

形状調整工程Ｓ８は、形状判定工程Ｓ７で最上層の金属層１の形状が基準から外れていると判断された場合に、形状が測定された金属層１の表面上に積層される新たな金属層１Ａの形状を調整する。本実施形態の形状調整工程Ｓ８では、新たな金属層１Ａを形成する際の条件を調整することで、新たな金属層１Ａの形状が調整される。形状調整工程Ｓ８で調整される新たな金属層１Ａを形成する際の条件としては、例えば、最終的な造形物の形状に影響を与える溶接歪みを解消させることが可能な条件であることが好ましい。具体的には、溶接歪みを解消させる条件としては、例えば、冷却工程Ｓ３３での冷却条件（温度や時間等）が挙げられる。また、他の条件としては、例えば、金属層積層工程Ｓ２で溶接ビードを形成する際の溶接トーチの位置や、後加工を追加する等が挙げられる。

【0040】

第二判定工程Ｓ９は、金属層１が所定回数積層されたか否かを判定する。ここで、所定回数とは、最終的な造形物の形状が完成するために必要な金属層の数であって、造形品の形状データに基づいて決定される。第二判定工程Ｓ９では、金属層１が所定回数積層されていないと判定した場合には、単位工程Ｓ１０を再び実施させる。つまり、第二判定工程Ｓ９では、金属層１が所定回数積層されていないと判定した場合には、金属層積層工程Ｓ２を再び実施される。これにより、単位工程Ｓ１０が繰り返される際には、温度測定工程Ｓ４で測定された金属層１の表面の温度が基準温度を下回った場合に、温度が測定された金属層１の表面上に新たな金属層１Ａが形成されるように金属層積層工程Ｓ２が再び実施される。また、第二判定工程Ｓ９では、金属層１が所定回数積層されていると判定した場合には、全工程を終了する。

【0041】

これにより、第二判定工程Ｓ９後の金属層積層工程Ｓ２では、図３に示すように、温度が測定された金属層１の底面２１上に新たな金属層１Ａが形成される。ここで、本実施形態において、新たな金属層１Ａが形成される金属層１は、除去工程Ｓ３１で不純物が除去された金属層１であって、冷却工程Ｓ３３で冷却された金属層１である。そして、この金属層１の表面は、機械加工工程Ｓ３２で削られて凹部２が形成されることで底面２１となっている加工面１１である。

【0042】

上記のような金属積層造形方法Ｓ１によれば、除去工程Ｓ３１で最上層の金属層１の表面の不純物が除去される。その後、不純物が除去された金属層１上に新たな金属層１Ａが形成される。そのため、金属層１の表面や周辺に不純物が残ったまま、新たな金属層１Ａが積層されてしまうことを防ぐことができる。したがって、溶接欠陥が残存したまま新たな金属層１Ａが積層されてしまうことを防ぐことができる。これにより、内部に残存する溶接欠陥の量を抑えて造形物を製造することができる。

【0043】

また、機械加工工程Ｓ３２で最上層の金属層１の表面を削って加工面１１が形成されることで、加工面１１上に新たな金属層１Ａが形成される。そのため、表面に凹凸が残された状態の金属層１上に新たな金属層１Ａが直接形成されて、新たな金属層１Ａの形状が崩れてしまうことを抑えることができる。これより、最終的に製造される造形品の形状の精度を安定させることができる。

【0044】

特に、金属層１の表面を単に平滑な加工面１１とするだけでなく、加工面１１を底面２１とする凹部２が、端部２２が突出するように形成されている。金属層１の端部２２では、アーク溶接時に溶融されて固化される前の溶接材料が垂れやすくなっている。ところが、底面２１よりも高い端部２２が囲いの役目を果たし、溶融している溶接材料が側面に垂れてしまうことを抑えることができる。その結果、新たな金属層１Ａの形成時に造形物の側面の形状が崩れてしまうことを抑えることができる。これより、最終的に製造される造形品の形状の精度をより安定させることができる。

【0045】

また、最上層の金属層１の表面が切削油によって冷却されている。そのため、金属層１の加工面１１が切削油で冷却されて温度が低下する。金属層１を積層する場合、温度が高くなりすぎた状態の金属層１上に新たな金属層１Ａが積層されると溶接品質が低下する可能性が有る。ところが、切削油で冷却することで、温度が高い状態の金属層１上に新たな金属層１Ａが積層されることを防ぐことができる。さらに、単純に金属層１を放置して冷却させる場合に比べて、新たな金属層１Ａの形成を開始するまでの溶接待ち時間を短縮することができる。

【0046】

特に、新たな金属層１Ａが積層される加工面１１に直接切削油が供給されている。そのため、金属層１の側面を冷却する等のように、間接的に金属層１の加工面１１を冷却する場合に比べて、金属層１の加工面１１を短時間で冷却することができる。したがって、新たな金属層１Ａの形成を開始するまでの溶接待ち時間をより短縮することができる。

【0047】

また、ＮＣ加工機を用いて除去工程Ｓ３１、機械加工工程Ｓ３２、及び冷却工程Ｓ３３を同時に実施することで、最終的な造形物の製造を完了するまでの製造時間をより一層短縮することができる。

【0048】

また、温度測定工程Ｓ４で加工面１１の温度を測定することで、温度が高い金属層１に新たな金属層１Ａが積層されることを確実に防ぐことができる。したがって、新たな金属層１Ａの溶接品質の低下を確実に抑えることができる。これより、最終的に製造される造形品の強度の低下をより抑えることができる。

【0049】

また、形状測定工程Ｓ６で最上層の金属層１の形状を測定することで、製造途中の造形物の形状が溶接歪みによって形状データからどれだけずれているかを把握することができる。そして、測定した金属層１の形状に応じて新たな金属層１Ａの形状を調整することで、溶接歪みの影響によるずれを矯正させながら造形物を製造できる。これにより、最終的な造形物の寸法精度を向上させることができる。

【0050】

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。

【0051】

例えば、除去工程Ｓ３１や機械加工工程Ｓ３２や冷却工程Ｓ３３は、本実施形態のように、同時に実施されることに限定されるものではない。除去工程Ｓ３１、機械加工工程Ｓ３２、及び冷却工程Ｓ３３は、それぞれ別々に実施されてもよく、いずれかの工程が実施されなくてもよい。したがって、機械加工工程Ｓ３２や冷却工程Ｓ３３は単位工程Ｓ１０後に別途実施されてもよい。

【0052】

また、除去工程Ｓ３１では、切削工具や研磨工具を用いたＮＣ加工機による加工が実施されることに限定されるものではない。除去工程Ｓ３１では、不純物が除去されればよく、例えば、グラインダーやブラッシングやチッピングやＴＩＧ付ドレッシングを利用して、作業者が手作業で実施してもよい。

【0053】

また、金属積層造形方法Ｓ１では、温度測定工程Ｓ４、第一判定工程Ｓ５、及び第二判定工程Ｓ９は、本実施形態のように繰返し実施されることに限定されるものではない。温度測定工程Ｓ４、第一判定工程Ｓ５、及び第二判定工程Ｓ９は、最終的に一度のみ実施されてもよく、断続的に実施されてもよい。

【0054】

また、温度測定工程Ｓ４や第一判定工程Ｓ５は、単位工程Ｓ１０後に実施されることに限定されるものではない。温度測定工程Ｓ４や第一判定工程Ｓ５は、単位工程Ｓ１０に含まれており、金属層積層工程Ｓ２と除去工程Ｓ３１（金属層処理工程Ｓ３）との間に実施されてもよい。

【0055】

また、金属積層造形方法Ｓ１では、形状測定工程Ｓ６、形状判定工程Ｓ７、及び形状調整工程Ｓ８は、本実施形態のように必ず実施されることに限定されるものではない。例えば、金属積層造形方法Ｓ１では、形状測定工程Ｓ６、形状判定工程Ｓ７、及び形状調整工程Ｓ８が実施されてなくてもよい。また、形状測定工程Ｓ６、形状判定工程Ｓ７、及び形状調整工程Ｓ８は、溶接歪みの影響が少ない場合には、複数回の単位工程Ｓ１０が実施される度に一回実施されるようにしてもよい。

【符号の説明】

【0056】

Ｓ１ 金属積層造形方法
Ｓ２ 金属層積層工程
Ｓ３ 金属層処理工程
Ｓ３１ 除去工程
Ｓ３２ 機械加工工程
Ｓ３３ 冷却工程
Ｓ４ 温度測定工程
Ｓ５ 第一判定工程
Ｓ６ 形状測定工程
Ｓ７ 形状判定工程
Ｓ８ 形状調整工程
Ｓ９ 第二判定工程
Ｓ１０ 単位工程
１ 金属層
２ 凹部
２１ 底面
２２ 端部
１１ 加工面
１Ａ 新たな金属層

【図1】

【図2】

【図3】