JP2020192605A - 積層造形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高速且つ高品質に積層造形物を形成できる積層造形方法を提供する。【解決手段】積層造形方法は、積層計画により決定されるビード形成軌道に沿ってビード５３Ａ，５３Ｂ，５３Ｃ，５３Ｄを積層するビード積層工程と、互いに隣接したビード同士間に形成される複数のＶ溝部６１Ａ，６１Ｂ，６１Ｃで発生したスラグを、スラグ除去ツールを用いて除去するスラグ除去工程とを有する。スラグ除去工程では、積層計画の情報からＶ溝部６１Ａ，６１Ｂ，６１Ｃを形成するビードのビード高さＨとビード幅Ｗとの寸法比Ｈ／Ｗが０．２を超えるＶ溝部を除去候補箇所として抽出し、抽出された除去候補箇所のスラグを除去する。【選択図】図３

Description

本発明は、ビードを積層した積層造形物を形成する積層造形方法に関する。

金属粉末をレーザビームで焼結させたビードを積層して三次元造形を行う積層造形方法が知られている。この方法は、比較的高級な金属を用いた製品の少量生産に一部が適用されている。一方、機械部品の造形等の産業向けには、より高速で造形でき、内部品質を担保できるプロセスが期待されている。このような造形技術として、溶加材を供給するアーク溶接用のトーチを移動させることで溶融金属（ビード）を積層させ、造形物を製造する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許第３７８４５３９号公報 特許第２９７４３０５号公報 特許第５８８３７００号公報

しかし、形成されるビードの表面には、脱酸材と酸素が反応したスラグが発生し、そのスラグの上に更にビードを積層すると、アークの不安定性が増加し、スラグ巻き込みによる溶接不良も生じる。スラグ巻き込みは、溶融金属中に酸化物が閉じ込められて凝固する現象であって、スラグと金属との接合強度が小さいため、積層造形物の強度や耐久性を低下させてしまう。

溶接時に発生するスラグを除去する技術として、例えば、特許文献２には、溶接後にスラグを除去するロボットが開示され、特許文献３には、トーチと取り替えて用いるタイプとトーチに追加装着して用いるタイプのスラグ除去装置が開示されている。しかし、特許文献２、３に開示された技術では、スラグ巻き込みが懸念される箇所であるか否かを考慮することなくスラグ除去が行われるため、除去作業が煩雑となり、作業に多くの時間を要する。そのため、積層造形物を高速且つ高品質に製造することは困難であった。

本発明は、このような従来の問題点に鑑み、高速且つ高品質に積層造形物を形成できる積層造形方法を提供することを目的とする。

本発明は下記の構成からなる。
溶加材を溶融、凝固させたビードを、該ビードの形成順を定めた積層計画に従って基材の表面に積層して積層造形物を形成する積層造形方法であって、
前記積層計画によって決定されるビード形成軌道に沿って、前記ビードを積層するビード積層工程と、
互いに隣接したビード同士間に形成される複数のＶ溝部で発生したスラグを、スラグ除去ツールを用いて除去するスラグ除去工程と、
を有し、
前記スラグ除去工程は、
前記積層計画のビード形状と前記ビード形成軌道の情報から、前記ビード形成軌道に直交する軌道方向垂直断面における前記Ｖ溝部を形成するビードのビード高さＨとビード幅Ｗとの寸法比Ｈ／Ｗを求め、
複数の前記Ｖ溝部のうち前記寸法比Ｈ／Ｗが０．２を超えるＶ溝部を除去候補箇所として抽出し、
抽出された前記除去候補箇所の前記スラグを除去する、
積層造形方法。

本発明によれば、スラグ巻き込みが懸念される箇所を優先してスラグを除去することで、高速且つ高品質に積層造形物を形成できる。

図１は、積層造形システムの概略構成図である。 図２は、図１に示す積層造形システムにより形成される積層造形物の模式的な一例を示す断面図である。 図３は、スラグの除去候補箇所及びスラグ除去ツールの突き当て方向の決定手順を示す説明図である。 図４の（Ａ）〜（Ｃ）は、図２の示す積層造形物を造形する工程を段階的に示す工程説明図である。 図５の（Ａ）〜（Ｄ）は、図２の示す積層造形物を造形する工程を段階的に示す工程説明図である。 図６の（Ａ），（Ｂ）は、ビードの形成順に応じたＶ溝部の開き角を示す説明図である。 図７は、従来の方法における問題点を説明する説明図である。 図８は、図７で説明した問題点を解消するためのスラグ除去ツールの突き当て方法を示す説明図である。 図９は、図８におけるスラグとＶ溝部の部分の拡大図を示し、スラグ除去前の状態を説明する説明図である。 図１０は、図８におけるスラグとＶ溝部の部分の拡大図を示し、スラグ除去後の状態を説明する説明図である。

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。

＜積層造形システムの構成＞
図１に示すように、本実施形態の積層造形物を形成する積層造形システム１００は、積層造形装置１１と、スラグ除去装置１３と、積層造形装置１１及びスラグ除去装置１３を統括制御するコントローラ１５と、を備える。

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。

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。

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、製造する積層造形物に応じて適宜選定される。

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、後述の基材５１上に溶加材Ｍの溶融凝固体である線状のビード５３が形成される。

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、積層造形物の更なる品質向上に寄与できる。

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。

スラグ除去装置１３は、汎用ロボット４１を備える。汎用ロボット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の先端部には、スラグ除去ツール４５が装着される。汎用ロボット４１は、コントローラ１５からの指令により、スラグ除去ツール４５の位置や姿勢が、先端アーム４３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。

汎用ロボット４１は、積層造形装置１１の溶接ロボット１９によって基材表面５１ａに積層されたビード５３に生じるスラグを、スラグ除去ツール４５を用いて除去する。スラグ除去ツール４５としては、スラグにタガネ部材を突き当てて振動させ、スラグに打撃を加えるタガネ機構（例えば、特許第２９７４３０５号公報参照）が例示できる。タガネ部材は、多芯のワイヤ部材の束からなり、その束の先端が平坦状、湾曲した凸状等に形成されるが、形状はこれに限らない。ここで、除去対象となるスラグは、互いに隣接するビード５３間のＶ溝部に存在するスラグである。

また、汎用ロボット４１は、ツールチェンジャ機能を有することが好ましく、その場合、周知のツール交換用のチェンジャーユニット４７を備える。チェンジャーユニット４７には、例えば、エンドミルや研削砥石などの金属加工ツール４９が着脱自在に設けられる。

これにより、汎用ロボット４１の先端アーム４３の先端部には、スラグ除去ツール４５と金属加工ツール４９のいずれかを必要に応じて取り付ける可能となっている。金属加工ツール４９の位置や姿勢は、スラグ除去ツール４５と同様に、先端アーム４３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。

また、基材５１の上方に、ビード５３の表面形状を計測する表面形状計測装置４８を配置してもよい。表面形状計測装置４８は、ビード５３の形状が計測できればよく、周知の形状計測方法を利用した装置を採用できる。例えば、ビード５３の表面にスリット光を照射する照明部と、スリット光が照射されたビード５３の表面を撮像する撮像部と、撮像部により得られた画像を解析してビード５３の表面の断面形状を測定する形状測定部とを備える構成であってもよい。表面形状計測装置４８による測定データは、コントローラ１５に入力される。

表面形状計測装置４８は、適宜なフレーム部材（不図示）に固定すればよいが、これに限らず、汎用ロボット４１や溶接ロボット１９に取り付けてもよい。

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。

ＣＡＤ／ＣＡＭ部３１は、製造しようとする積層造形物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、及び汎用ロボット４１によるスラグ除去ツール４５や金属加工ツール４９の移動軌跡を求める。スラグ除去ツール４５と金属加工ツール４９の軌道は、積層計画に基づくトーチ１７の軌道に、ツール形状に応じたオフセットを付与することで求められる。

記憶部３５は、積層造形物の形状データ、生成された層形状データ、トーチ１７の移動軌跡、及びスラグ除去ツール４５や金属加工ツール４９の移動軌跡等のデータを記憶する。

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の移動軌跡に応じた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の移動軌跡に応じて、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。これにより、ビード５３が形成される（ビード積層工程）。

また、制御部３７は、記憶部３５に記憶された形状データやスラグ除去ツール４５の移動軌跡に基づく駆動プログラムを実行して、汎用ロボット４１を駆動する。これにより、汎用ロボット４１の先端アーム４３に設けられたスラグ除去ツール４５によって、ビード間に形成されたＶ溝部のスラグを除去する（スラグ除去工程）。

また、制御部３７は、詳細を後述するが、スラグの除去候補箇所、スラグ除去ツール４５のビード５３のＶ溝部に対する突き当て方向を決定し、必要に応じて、表面形状計測装置４８による計測結果に応じて、スラグ除去ツール４５の軌道及び突き当て方向を補正する。

＜第１の積層造形方法＞
次に、図１の積層造形システム１００を用いた積層造形方法の手順について説明する。 図２は図１に示す積層造形システム１００により形成される積層造形物の模式的な一例を示す断面図である。

図２には、制御部３７（図１参照）の指令により、基材５１の上面に第１層目のビードとして４本のビード５３Ａ〜５３Ｄを図面奥行き方向に沿って形成し、第１層目のビード５３Ａ〜５３Ｄの上に、第２層目のビード５３Ｅ〜５３Ｇを積層した状態が示されている。この場合、７本のビード５３Ａ〜５３Ｇからなる積層造形物５５の点線ＤＬよりも外側のビード領域を切削除去することで、点線ＤＬで示す台形の三次元造形物５７が得られる。

積層造形物５５は、７本のビード５３Ａ，５３Ｂ，５３Ｃ，５３Ｄ，５３Ｅ，５３Ｆ，５３Ｇを、この順に積層することにより形成される。本積層造形方法においては、既に形成されたビード上に次のビードを積層する前に、図２に黒丸で示されたスラグの除去候補箇所Ｒ１〜Ｒ４からスラグを除去する工程を有する。図２に白丸で示された非候補箇所Ｐは、スラグを除去しなくて済む箇所である。このように、スラグの除去は、制御部３７の指令によって選択的に実施される。

（スラグの除去候補箇所の決定）
図３はスラグの除去候補箇所及びスラグ除去ツールの突き当て方向の決定手順を示す説明図である。
図３にビード形成途中の様子を示すように、互いに隣接するビード間に、谷間であるＶ溝部６１Ａ，６１Ｂ，６１Ｃがビード形成方向に沿って連続して形成される。

制御部３７は、複数のＶ溝部のうち、完成した積層造形物の外側表面を除く造形物内部に配置されたＶ溝部であって、スラグが残存する可能性が高い部位のみを除去候補箇所として抽出する。

ここで、完成した積層造形物の外側表面のＶ溝部を除くことは、図２に示す積層造形物５５の場合、第２層目のビード５３Ｅ，５３Ｆ，５３Ｇの形成後に、各ビード５３Ｅ，５３Ｆ，５３Ｇの外側表面に形成されるＶ溝部Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３，Ｋ４を除去候補箇所から除くことを意味する。また、造形物内部に配置されたＶ溝部とは、図２に示すビード並び方向（水平方向）及びビード積層方向（鉛直方向）に関して、ビードによって囲まれた除去候補箇所Ｒ１〜Ｒ４、及び非候補箇所Ｐを意味する。そして、スラグが残存する可能性が高い部位とは、ビードの形成時に溶融したビードの表面に浮上するスラグが、溶融ビードの側方に流れ出ずに溜まる開き角の小さいＶ溝部である。具体的には、特にビード形成軌道に直交する軌道方向垂直断面における開き角θが１３０°未満、好ましくは１２０°未満、より好ましくは１００°未満のＶ溝部である。

ここで、Ｖ溝部の開き角θとは、図３に示す軌道方向垂直断面においてＶ溝部６１Ｂを一例として示すと、Ｖ溝部６１Ｂの底部から延び、Ｖ溝部６１Ｂを形成する一方のビード５３Ｂの外側表面６３ａの接線Ｌ１と、他方のビード５３Ｃの外側表面６３ｂの接線Ｌ２とが成す角である。

Ｖ溝部の開き角θの大小は、そのＶ溝部を形成するビードのビード高さとビード幅によっても概ね推定できる。また、ビード高さとビード幅は、設計計画に基づいてモデル化した寸法と、実際にビード形成した場合の寸法との対応関係が良好であることが多い。一方、開き角θは、上記したモデルによる角度と実際の角度とが必ずしも一致しないことが多い。そのため、設計計画の情報からＶ溝部の開き角θの大小を判断するには、ビード高さとビード幅から判断するのが好ましい。

そこで、制御部３７は、ビード間に形成される複数のＶ溝部に対して、Ｖ溝部を形成するビードのビード高さＨとビード幅Ｗとの寸法比Ｈ／Ｗが、予め定めた閾値を超えるか否かをそれぞれ判定し、閾値を超えるＶ溝部をスラグの除去候補箇所として抽出する。寸法比Ｈ／Ｗを求めるビードは、Ｖ溝部を形成する一対のビードのうち、いずれか一方のビードであってもよく、双方のビードとする場合には、各ビードの平均値、最小値、最大値等で判定してもよい。予め定めた寸法比Ｈ／Ｗの閾値としては、例えば、０．２、好ましくは０．５、さらに好ましくは０．７に設定できる。

その結果、図２に示す積層造形物５５の場合には、制御部３７は、複数のＶ溝部のうち、Ｒ１〜Ｒ４を除去候補箇所として抽出し、Ｐについては開き角が大きいため、スラグが溜まらないと判断して非候補箇所とする。

また、制御部３７は、スラグ除去工程におけるスラグ除去ツールの突き当て方向を、Ｖ溝部の開き角θの二等分線Ｎを中心に、開き角θの±１／４までの範囲内に設定する。

（ビード形成工程及びスラグ除去工程）
次に、図４，図５を用いてビード形成工程とスラグ除去工程を説明する。
図４の（Ａ）〜（Ｃ）及び図５の（Ａ）〜（Ｄ）は、図３に示すビード積層状態から図２に示すビード積層状態に至るまでの一連の工程を段階的に示す工程説明図である。

前述したように、制御部３７（図１参照）は、予め設定された積層計画に基づいて、積層造形物に形成されるＶ溝部の除去候補箇所を抽出する。そして、ビードを形成するビード形性工程と、除去候補箇所のスラグを除去するスラグ除去工程とを実施する。以下の工程は、図１に示す制御部３７からの指令により、溶接ロボット１９、汎用ロボット４１を駆動して実施される。

まず、図４の（Ａ）に示すように、基材表面５１ａに、第１層目のビード５３Ａ，５３Ｂ，５３Ｃ，５３Ｄをこの順に形成する。すると、ビード５３Ａとビード５３Ｂとの間のＶ溝部６１Ａ（除去候補箇所Ｒ１）と、ビード５３Ｂとビード５３Ｃとの間のＶ溝部６１Ｂ（除去候補箇所Ｒ２）には、スラグＳＬがそれぞれ残存した状態となる。

次いで、第２層目のビードを形成する前に、図４の（Ｂ）に示すように、スラグ除去ツール４５をＶ溝部６１Ａの位置に配置して、スラグ除去ツール４５の打撃によってＶ溝部６１ＡのスラグＳＬを除去する。その後、図４の（Ｃ）に示すように、不図示のトーチをＶ溝部６１Ａに配置してビード５３Ｅを形成する。すると、ビード５３Ｅとビード５３Ｂとの間に新たに形成されるＶ溝部６１Ｄ（除去候補箇所Ｒ３）には、スラグＳＬが残存した状態となる。また、ビード５３Ｅとビード５３Ａとの間のＶ溝部Ｋ１にもスラグＳＬが残存するが、Ｖ溝部Ｋ１はビードで覆われることがないため、スラグＳＬの残存は問題とならない。

なお、図４、次の図５は、スラグ除去ツール４５の先端を特に示しており、この先端、いわゆるチッパーが上述したタガネ（例えば、特許第２９７４３０５号公報参照）の部分に相当する。スラグ除去ツール４５の先端に相当するタガネは、多芯のワイヤ部材の束から構成され、この束の先端が平坦状、湾曲した凸状等に形成され得るが、形状はこれに限らない。

次に、図５の（Ａ）に示すように、Ｖ溝部６１Ｂ（除去候補箇所Ｒ２）とＶ溝部６１Ｄ（除去候補箇所Ｒ３）の位置に、順次にスラグ除去ツール４５を配置して、それぞれのＶ溝部６１Ｂ，６１ＤからスラグＳＬを除去する。

その後、図５の（Ｂ）に示すように、不図示のトーチをＶ溝部６１Ｂ，６１Ｄの付近に配置してビード５３Ｆを形成する。すると、ビード５３Ｆとビード５３Ｃとの間に新たに形成されるＶ溝部６１Ｆ（除去候補箇所Ｒ４）には、スラグＳＬが残存した状態となる。なお、ビード５３Ｆとビード５３Ｅとの間に新たに形成されるＶ溝部Ｋ２にもスラグＳＬが残存するが、Ｖ溝部Ｋ１と同様に問題にならない。

次に、図５の（Ｃ）に示すように、Ｖ溝部６１Ｆ（除去候補箇所Ｒ４）の位置に、順次にスラグ除去ツール４５を配置して、Ｖ溝部６１ＦからスラグＳＬを除去する。なお、Ｖ溝部６１Ｃは、開き角が大きく、除去候補箇所として抽出されなかった部位である。そのため、Ｖ溝部６１に残存するスラグは殆どない。

その後、図５の（Ｄ）に示すように、不図示のトーチをＶ溝部６１Ｆ，６１Ｃの付近に配置してビード５３Ｇを形成する。すると、ビード５３Ｇとビード５３Ｄとの間、及びビード５３Ｇとビード５３Ｆとの間に新たに形成されるＶ溝部Ｋ４，Ｋ３には、スラグＳＬが残存するが、Ｖ溝部Ｋ１と同様に問題にならない。

以上のビード形成工程及びスラグ除去工程とを実施することにより、基材表面５１ａに７本のビード５３Ａ〜５３Ｇが積層された積層造形物５５が形成される。

ここで、図４の（Ｂ）、図５の（Ａ）及び（Ｃ）のいずれかのスラグ除去工程において、除去候補箇所のＶ溝部の開き角θが小さく、図１に示すトーチ１７やスラグ除去ツール４５が干渉するおそれがある場合には、その箇所を開き角が大きくなるように切削することが好ましい。切削を要すると判断するＶ溝部の開き角θの閾値角度は、トーチ１７や各種ツールのサイズに応じて設定されるが、例えば、１００°未満、好ましくは９０°未満、より好ましくは８０°未満の角度に設定できる。

Ｖ溝部を切削する場合には、スラグを除去した後に、図１に示す汎用ロボット４１の先端アーム４３に取り付けられたスラグ除去ツール４５を、チェンジャーユニット４７に保持された金属加工ツール４９に交換する。そして、汎用ロボット４１の駆動により切削対象のＶ溝部に金属加工ツール４９を移動させ、金属加工ツールによって切削加工する。

上記のように、この積層造形方法によれば、既に形成されたビード上に次のビードを積層する前に、既に形成されたビードの表面に形成されたスラグを除去することにより、スラグ巻き込みを防止して、積層造形物５５の強度や耐久性を向上できる。

また、この積層造形方法では、予め定めた積層計画に基づいて、複数のＶ溝部の中からスラグの除去候補箇所Ｒ１〜Ｒ４を抽出し、これら除去候補箇所Ｒ１〜Ｒ４に対してのみスラグを除去する。そのため、スラグ巻き込みが懸念される箇所のスラグを優先的に除去でき、全てのＶ溝部にスラグ除去を実施する場合と比較して、タクトタイムを短縮して生産性を向上させることができる。よって、高速且つ高品質に積層造形物５５を形成できる。

また、この積層造形方法によれば、スラグ除去ツール４５によるスラグ除去の軌道を、積層造形時の軌道にオフセットを付与するだけの簡単な処理により正確に設定できる。そのため、スラグ除去工程でのスラグ除去ツール４５の軌道計算が煩雑にならず、スラグ除去の工数を簡単に見積もることができる。また、スラグ除去の条件を容易に設定できる。

また、Ｖ溝部の開き角θが所定の閾値角度（例えば、１００°）未満である場合に、そのＶ溝部に対しては、金属加工ツール等切削加工により開き角θを大きくすることで、トーチ１７、スラグ除去ツール４５との隙間を増加させることができる。これにより、トーチ１７やスラグ除去ツール４５との干渉を回避でき、積層造形物５５内における空隙の発生を防止できる。

なお、上記の積層造形方法では、積層造形物５５の外側表面のＶ溝部についてのスラグ除去工程を省略しているが、スラグ除去を実施してもよい。その場合、基材５１と第１層目のビードとの間に形成されるＶ溝部についてもスラグ除去を実施する。これによれば、積層造形物５５の形成後に表面処理等を行う後処理を、不要又は簡単化できるため、生産性をより高められる。

＜第２の積層造形方法＞
上記した第１の積層造形方法では、予め設定された積層計画に基づいて、スラグの除去候補箇所を抽出して、ビード形成工程と、抽出された除去候補箇所のスラグ除去工程とを実施していたが、本積層造形方法では、除去候補箇所を、ビード形状を実測して決定する。

本積層造形方法では、図１に示す表面形状計測装置４８により、形成したビードの形状を計測する。表面形状計測装置４８は、溶接ロボット１９によるトーチ１７の移動により形成されるビードの、ビード幅Ｗ、ビード高さＨ（図３参照）、ビード位置等を計測し、その計測結果を制御部３７に出力する。

制御部３７は、入力されたビードの計測結果から、実測したビード形状やビード位置と、積層計画に基づいて予測されるビード形状やビード形成軌道とを比較して、Ｖ溝部のスラグを除去する除去候補箇所を抽出する条件や、スラグ除去ツール４５の軌道を決定するためのオフセット値等を必要に応じて補正する。

そして、制御部３７は、補正後の抽出条件やオフセット値等の補正情報を用いて、前述した第１の積層造形方法と同様に積層造形物を造形する。

本積層造形方法によれば、実際に形成したビードに応じて除去候補箇所やオフセット値等が決定されるため、正確なビード形成と、最適なスラグの除去を実現でき、積層造形物の品質と生産性をより高められる。

＜第３の積層造形方法＞
上記した第１、第２の積層造形方法においては、ビードの積層順序は、基本的に下層の形成を完了した後、上層の形成を開始するものである。しかし、ビードが積層されて得られる積層造形物５５の外形は同じであっても、ビードを積層する工程によっては、不具合が生じることがある。例えば、ビード形成時に溶融した溶加材が液だれする等、重力の影響を受ける場合には、液だれ防止用として、一方向に延びる複数のビードからなるビード積層体を先に形成するのが好ましい。その場合、ビード積層体形成後のビード形成時に、流動可能な溶加材の溶融体が生じても、溶融体の下方に形成されたビード積層体が溶融体の流動を阻止することで液だれを防止できる。

このような場合には、前述したＶ溝部の開き角θの定義が異なるため、スラグを除去する除去候補箇所の条件や、スラグ除去ツールの突き当て方向が前述した第１、第２の積層造形方法の場合と異なる。つまり、図６の（Ａ）に示すように、基材表面５１ａ上の第１層目のビード５４Ａ、ビード５４Ｂ、第２層目のビード５４Ｃ、ビード５４Ｄの順に形成する場合、Ｖ溝部６２の開き角θは、ビード５４Ｃとビード５４Ｄの外側表面の接線Ｌ１，Ｌ２との成す角で表される。

これに対して、図６の（Ｂ）に示すように、ビードを垂直方向に積層したビード積層体（壁体）を先に形成する場合、つまり、基材表面５１ａ上の第１層目のビード５４Ａ、第２層目のビード５４Ｂ、第２層目のビード５４Ｃ、第１層目のビード５４Ｄの順に形成する場合、Ｖ溝部６２の開き角θは、ビード５４Ａ，５４Ｂ，５４Ｃの積層方向ＬＮと、ビード５４Ｄの外側表面の接線Ｌ２との成す角で表される。

このように、ビードの積層順の採り方によってＶ溝部の開き角θは異なるので、同じ形状の積層造形物であっても、積層計画の内容によっては、スラグ除去工程が変化する。例えば、図６の（Ａ）に示す場合には、Ｖ溝部の周囲のスペースが確保されるため、スラグ除去ツールや金属加工ツール等のアクセスが容易であるが、図６の（Ｂ）に示す場合には、ビード５４Ａ，５４Ｂ，５４Ｃからなるビード積層体が壁となり、ツールのアクセスに制限が生じる。

そのため、本積層造形方法においては、積層計画に定めたビードの積層順序に応じて、Ｖ溝部の開き角θを適切に求め、これに応じてスラグの除去候補箇所を決定する。これによれば、スラグ除去ツール４５や金属加工ツール等がＶ溝部に干渉することなく適切にアクセス可能となる。

＜第４の積層造形方法＞
上記した第１、第２の積層造形方法においては基本的に、スラグ除去ツールがＶ溝部のスラグに届くケースを対象としている。しかし、ビードの表面形状、積層状態等によっては、スラグが、スラグ除去ツールの届かない場所に蓄積することがある。例えば、スラグ除去ツールの先端の径に対し、Ｖ溝部があまりに小さい場合、スラグ除去ツールを垂直に下ろしてスラグの表面に打突を加えても、Ｖ溝部の深いところまでは当たらず、スラグの取り残しが発生しうる。

図７は、ビード幅Ｗとスラグ除去ツール４５の先端の径（先端径）ｄの関係が、例えばＷ／ｄ＜１／２となるケース、すなわちビード幅Ｗに比してスラグ除去ツール４５の先端径ｄが大きいケースを示している（先端径ｄがビード幅Ｗの２倍より大きい）。このようなケースでは、スラグ除去ツール４５の先端を特殊な形状に加工しない限り、先端がＶ溝部６１に到達し難く、スラグＳＬの除去が困難である。なお、スラグ除去ツール４５の先端（チッパー）は、例えば上述した様な多芯のタガネ、すなわちワイヤ部材の束によって構成され得るが、この様な例においては、スラグ除去ツール４５の先端の径（先端径）ｄは、ワイヤ部材の束の径を意味する。

この様なケースにおいて問題となるのはＶ溝部６１の大きさである。Ｖ溝部６１の大きさはビード単体の形状や隣接するビードとの重なり量、溶接時の状態等の要因によって左右される。しかしながら、ビード幅Ｗ、ビード高さＨ、スラグ除去ツール４５の先端径ｄといった値を各々比較することにより、上述した様なスラグ除去が難しいケースを予見できる。

すなわち、ビード幅Ｗ、ビード高さＨ、先端径ｄのうち、少なくとも二つを用いて計算される特徴量が所定の基準範囲から外れる場合は、スラグ除去が難しいケースであると判定する。具体的には、ｄ／Ｗ、Ｈ／Ｗｄ、Ｗ／Ｈ、ｄ／Ｗ^２の少なくともいずれか一つの値が、所定の基準値より大きくなる場合は、スラグ除去ツール４５を通常の方法で用いてもスラグ除去が難しいと判定する。
スラグ除去が困難であると判定された場合、本方法においては、スラグ除去ツール４５を垂直方向から傾ける。具体的には、図８のようにスラグ除去ツール４５を傾けつつ、Ｖ溝部６１にスラグ除去ツール４５の傾斜した先端を接触させることにより、先端とスラグＳＬを限りなく近接させる。本実施形態のスラグ除去ツール４５の先端は、傾斜した際に少なくとも二つの面が二つのビード５３の間のＶ溝部６１と接触するように加工されている。すなわち、スラグ除去ツール４５の先端に存在する少なくとも二つの面を、Ｖ溝部６１に突き当ててスラグ除去工程を実施する。この状態であれば、スラグ除去ツール４５の先端がスラグＳＬに直接届かなくても、スラグ除去ツール４５に振動を与えてスラグＳＬを浮かすため、円滑にスラグＳＬを除去できる。さらにスラグ除去ツール４５の先端をＶ溝部６１の側方に当てつつ、スラグ除去ツール４５をビード形成軌道に沿って移動させることにより、スラグ除去工程を実施する。

図９、図１０は、図８におけるスラグＳＬとＶ溝部６１の部分の拡大図を示す。本実施形態において、スラグ除去ツール４５の先端４６は、少なくとも図示する限りにおいて第１の面４６ａ、第２の面４６ｂ、第３の面４６ｃの複数の面を含んでいる。先端４６がワイヤ部材の束によって構成される場合、各ワイヤ部材の長さ（ワイヤ部材の先端の位置）を調整することにより、この様な複数の面を先端に設けることができる。本例では先端４６はＣカットされており、第１の面４６ａが側面、第３の面４６ｃがＣカットの頂面、第２の面４６ｂが第１の面４６ａと第３の面４６ｃを繋ぐ面になっている。

図９においては、スラグ除去ツール４５の先端４６がスラグＳＬまで達しきっておらず、スラグＳＬが残存している。図８のようにスラグ除去ツール４５が傾いており、図１０に示す様に振動により先端４６が矢印で示す様に前進した際、第１の面４６ａ、第２の面４６ｂがスラグＳＬに到達し、除去候補箇所Ｒ５，Ｒ６におけるスラグＳＬが円滑に除去される。Ｖ溝部６１がスラグ除去ツール４５（の先端４６）に比して小さい場合、除去候補箇所Ｒ５，Ｒ６におけるスラグＳＬを除去するのは一般的に困難である。本例においては、先端４６が複数の面を持つように加工し、スラグ除去ツール４５を斜めに傾けた状態でＶ溝部６１に挑むように配置することにより、除去困難な箇所におけるスラグＳＬも除去することが可能となる。

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。

例えば、上記の実施形態では、板状の基材５１にビードを積層して積層造形物を形成する場合を示したが、基材５１の形状は板状に限らず、円柱状、円筒状、円錐状、多角形の角柱や角錐等、他の形状であってもよい。

以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
（１） 溶加材を溶融、凝固させたビードを、該ビードの形成順を定めた積層計画に従って基材の表面に積層して積層造形物を形成する積層造形方法であって、
前記積層計画によって決定されるビード形成軌道に沿って、前記ビードを積層するビード積層工程と、
互いに隣接したビード同士間に形成される複数のＶ溝部で発生したスラグを、スラグ除去ツールを用いて除去するスラグ除去工程と、を有し、
前記スラグ除去工程は、
前記積層計画のビード形状と前記ビード形成軌道の情報から、前記ビード形成軌道に直交する軌道方向垂直断面における前記Ｖ溝部を形成するビードのビード高さＨとビード幅Ｗとの寸法比Ｈ／Ｗを求め、
複数の前記Ｖ溝部のうち前記寸法比Ｈ／Ｗが０．２を超えるＶ溝部を除去候補箇所として抽出し、
抽出された前記除去候補箇所の前記スラグを除去する、
積層造形方法。
この積層造形方法によれば、スラグ巻き込みが懸念される箇所のスラグを優先的に除去して、高速に且つ高品質な積層造形物を安定して製造できる。

（２） 前記除去候補箇所を、前記積層造形物の外側表面を除く造形物内部に配置されたＶ溝部から抽出する（１）に記載の積層造形方法。
この積層造形方法によれば、強度に影響を及ぼさないＶ溝部をスラグの除去候補箇所から除外することで、スラグ除去の実施回数が抑えられ、生産性を向上できる。

（３） 前記除去候補箇所となる前記Ｖ溝部は、前記軌道方向垂直断面において、前記Ｖ溝部の底部から延び、前記Ｖ溝部を形成する一方のビードの外側表面の接線と、他方のビードの外側表面の接線とが成す開き角が１２０°未満である（２）に記載の積層造形方法。
この積層造形方法によれば、スラグ除去を実施する箇所をＶ溝部の開き角から直接的に判定するので、スラグの残存する箇所を正確に求めることができる。

（４） 前記スラグ除去ツールは、前記スラグにタガネ部材を突き当てて振動させ、前記スラグに打撃を加えるタガネ機構を有し、
前記タガネ部材の突き当て方向の軸線と、前記Ｖ溝部の前記開き角の二等分線との交差角を、前記開き角の±１／４までの範囲内に設定する（３）に記載の積層造形方法。
この積層造形方法によれば、スラグ除去ツールのＶ溝部への突き当て方向が開き角の中心側に設定されるため、スラグ除去ツールがＶ溝部周囲のビードと干渉しにくくなる。

（５） 前記スラグ除去工程は、前記スラグ除去ツールを、前記ビード形成軌道にオフセットを付与した移動軌道に沿って移動させる（３）又は（４）に記載の積層造形方法。
この積層造形方法によれば、スラグ除去ツールの軌道や突き当て角度を、ビード形成軌道を利用して簡単に設定できる。

（６） 前記スラグ除去工程は、
前記ビード積層工程で形成した前記ビードの表面形状を計測する工程と、
前記表面形状の計測結果に応じて、前記開き角と前記オフセットの少なくとも一方を補正する工程と、
をさらに含む（５）に記載の積層造形方法。
この積層造形方法によれば、実際に形成されたビード形状に応じてスラグの除去候補箇所を抽出できる。そのため、除去候補箇所を抽出がより正確に行え、スラグの除去漏れや無用な除去処理が生じることを未然に防止できる。

（７） 前記スラグ除去工程の実施前に、前記Ｖ溝部の開き角が１００°未満となる前記ビードの表面を切削して、前記開き角を増加させる切削工程をさらに含む（１）〜（５）のいずれか１つに記載の積層造形方法。
この積層造形方法によれば、Ｖ溝部の開き角が小さい箇所では、スラグを除去してもビード形成後に空隙が発生するおそれがある。そのような箇所においては、ビードのＶ溝部を切削して開き角を増加させることで、トーチをＶ溝部の溝内に十分に近づけられるようにすることで、ビード形成後に空隙が発生することを防止できる。

（８） 前記スラグ除去工程は、前記ビードが複数段に積層されたビードユニットと、当該ビードユニットの形成後、前記ビードユニットに隣接して形成されるビードとの間のＶ溝部のスラグを除去する工程を含み、
前記ビードユニットに対応する前記ビード高さと前記ビード幅は、前記ビードユニットを構成する１つのビードであって、前記ビードユニットに隣接して形成されるビードと同じ層のビードのビード高さとビード幅である（１）〜（７）のいずれか１つに記載の積層造形方法。
この積層造形方法によれば、複数のビードを一つのビードユニットとして判断することで、ビードの形成順によってビード形成の周囲状況が異なる場合であっても、適切にスラグを除去すべきＶ溝部を選定できる。

（９） 前記ビード高さＨ、前記ビード幅Ｗ、前記スラグ除去ツールの先端径のうち、少なくとも二つを用いて計算される特徴量が所定の基準範囲から外れる場合において、前記スラグ除去ツールの先端に存在する少なくとも二つの面を、前記Ｖ溝部に突き当てて前記スラグ除去工程を実施する、（１）〜（８）のいずれか１つに記載の積層造形方法。
この積層造形方法によれば、スラグ除去が難しいケースを予見し、円滑にスラグを除去できる。

（１０） 前記ビード高さＨ、前記ビード幅Ｗ、前記スラグ除去ツールの先端径のうち、少なくとも二つを用いて計算される特徴量が所定の基準範囲から外れる場合において、前記スラグ除去ツールの先端部に存在する少なくとも二つの面を、前記Ｖ溝部の側方に当てつつ、前記スラグ除去ツールを前記ビード形成軌道に沿って移動させることにより、前記スラグ除去工程を実施する、（１）〜（８）のいずれか１つに記載の積層造形方法。
この積層造形方法によれば、スラグ除去が難しいケースを予見し、円滑にスラグを除去できる。

１１ 積層造形装置
１３ スラグ除去装置
１５ コントローラ
１７ トーチ
１９ 溶接ロボット
２１ 溶加材供給部
３１ ＣＡＤ／ＣＡＭ部
３３ 軌道演算部
３５ 記憶部
３７ 制御部
４１ 汎用ロボット
４３ 先端アーム
４５ スラグ除去ツール
４７ チェンジャーユニット
４８ 表面形状計測装置
４９ 金属加工ツール
５１ 基材
５１ａ 表面
５３，５３Ａ，５３Ｂ，５３Ｃ，５３Ｄ，５３Ｅ，５３Ｆ，５３Ｇ ビード
５５ 積層造形物
５７ 三次元造形物
６１Ａ，６１Ｂ，６１Ｃ Ｖ溝部
６３ａ 外側表面
６３ｂ 外側表面
１００ 積層造形システム
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４ 除去候補箇所

Claims (10)

1. 溶加材を溶融、凝固させたビードを、該ビードの形成順を定めた積層計画に従って基材の表面に積層して積層造形物を形成する積層造形方法であって、
   前記積層計画によって決定されるビード形成軌道に沿って、前記ビードを積層するビード積層工程と、
   互いに隣接したビード同士間に形成される複数のＶ溝部で発生したスラグを、スラグ除去ツールを用いて除去するスラグ除去工程と、
   を有し、
   前記スラグ除去工程は、
   前記積層計画のビード形状と前記ビード形成軌道の情報から、前記ビード形成軌道に直交する軌道方向垂直断面における前記Ｖ溝部を形成するビードのビード高さＨとビード幅Ｗとの寸法比Ｈ／Ｗを求め、
   複数の前記Ｖ溝部のうち前記寸法比Ｈ／Ｗが０．２を超えるＶ溝部を除去候補箇所として抽出し、
   抽出された前記除去候補箇所の前記スラグを除去する、
   積層造形方法。
2. 前記除去候補箇所を、前記積層造形物の外側表面を除く造形物内部に配置されたＶ溝部から抽出する請求項１に記載の積層造形方法。
3. 前記除去候補箇所となる前記Ｖ溝部は、前記軌道方向垂直断面において、前記Ｖ溝部の底部から延び、前記Ｖ溝部を形成する一方のビードの外側表面の接線と、他方のビードの外側表面の接線とが成す開き角が１２０°未満である請求項２に記載の積層造形方法。
4. 前記スラグ除去ツールは、前記スラグにタガネ部材を突き当てて振動させ、前記スラグに打撃を加えるタガネ機構を有し、
   前記タガネ部材の突き当て方向の軸線と、前記Ｖ溝部の前記開き角の二等分線との交差角を、前記開き角の±１／４までの範囲内に設定する請求項３に記載の積層造形方法。
5. 前記スラグ除去工程は、前記スラグ除去ツールを、前記ビード形成軌道にオフセットを付与した移動軌道に沿って移動させる請求項３又は４に記載の積層造形方法。
6. 前記スラグ除去工程は、
   前記ビード積層工程で形成した前記ビードの表面形状を計測する工程と、
   前記表面形状の計測結果に応じて、前記開き角と前記オフセットの少なくとも一方を補正する工程と、
   をさらに含む請求項５に記載の積層造形方法。
7. 前記スラグ除去工程の実施前に、前記Ｖ溝部の開き角が１００°未満となる前記ビードの表面を切削して、前記開き角を増加させる切削工程をさらに含む請求項１〜５のいずれか１項に記載の積層造形方法。
8. 前記スラグ除去工程は、前記ビードが複数段に積層されたビードユニットと、当該ビードユニットの形成後、前記ビードユニットに隣接して形成されるビードとの間のＶ溝部のスラグを除去する工程を含み、
   前記ビードユニットに対応する前記ビード高さとビード幅は、前記ビードユニットを構成する１つのビードであって、前記ビードユニットに隣接して形成されるビードと同じ層のビードのビード高さとビード幅である請求項１〜７のいずれか１項に記載の積層造形方法。
9. 前記ビード高さＨ、前記ビード幅Ｗ、前記スラグ除去ツールの先端径のうち、少なくとも二つを用いて計算される特徴量が所定の基準範囲から外れる場合において、前記スラグ除去ツールの先端に存在する少なくとも二つの面を、前記Ｖ溝部に突き当てて前記スラグ除去工程を実施する、請求項１〜８のいずれか１項に記載の積層造形方法。
10. 前記ビード高さＨ、前記ビード幅Ｗ、前記スラグ除去ツールの先端径のうち、少なくとも二つを用いて計算される特徴量が所定の基準範囲から外れる場合において、前記スラグ除去ツールの先端部に存在する少なくとも二つの面を、前記Ｖ溝部の側方に当てつつ、前記スラグ除去ツールを前記ビード形成軌道に沿って移動させることにより、前記スラグ除去工程を実施する、請求項１〜８のいずれか１項に記載の積層造形方法。

Images