JP7580682B1 - Additive manufacturing device and additive manufacturing method - Google Patents
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Abstract
積層造形装置は、造形材料を溶融させるビームを出力するビーム熱源供給部と、造形材料に電流を流す電流供給部と、造形材料を被加工物へ供給する造形材料供給部(16)と、ビームの照射および通電によるジュール熱によって造形材料が被加工物上で溶融、固化した下地のビードの状態を示す情報であるビード状態情報を取得し、ビード状態情報にしたがって、下地のビード上に形成される新たなビードが決められた高さおよび幅を有するようにビームの出力値、通電時の電流値および造形材料の供給速度の少なくとも1つを制御するビード形状制御部と、を備える。The additive manufacturing device includes a beam heat source supply unit that outputs a beam that melts the modeling material, a current supply unit that passes current through the modeling material, a modeling material supply unit (16) that supplies the modeling material to a workpiece, and a bead shape control unit that acquires bead state information, which is information indicating the state of a base bead of modeling material melted and solidified on the workpiece by Joule heat caused by beam irradiation and current flow, and controls at least one of the beam output value, the current value when current is passed, and the modeling material supply speed according to the bead state information so that a new bead formed on the base bead has a predetermined height and width.
Description
本開示は、三次元の造形物を製造する積層造形装置および積層造形方法に関する。 The present disclosure relates to an additive manufacturing apparatus and an additive manufacturing method for producing three-dimensional objects.
金属付加加工には、金属粉末を敷き詰め、造形箇所にレーザビームを照射し、溶融させ凝固させるPBF(Powder Bed Fusion)方式、集束した熱エネルギで材料を溶融して結合、堆積するDED(Directed Energy Deposition)方式などがある。DED方式には溶加材であるワイヤを被加工物へ供給して、ワイヤの先端部をレーザビームによって局所的に溶融させることでビードを形成するものがある。Metal additive manufacturing includes the Powder Bed Fusion (PBF) method, in which metal powder is laid out and a laser beam is irradiated onto the area to be shaped, causing it to melt and solidify, and the Directed Energy Deposition (DED) method, in which focused thermal energy is used to melt, bond, and deposit materials. One DED method involves feeding a wire, which acts as a filler material, to the workpiece and locally melting the tip of the wire with a laser beam to form a bead.
特許文献1には、溶融させた溶加材の凝固物であるビードを積み重ねることによって造形物を製造する付加製造装置が記載されている。特許文献1に記載の付加製造装置は、被加工物へ溶加材を供給する供給部と、供給された溶加材を溶融させるビームを出力するビーム源と、溶加材のうちビームの照射によって温度が溶加材の融点に到達した位置である先端位置を、被加工物へ供給される溶加材の供給速度とビーム源によるビーム出力とに基づいて算出する位置算出部と、を備える。Patent Document 1 describes an additive manufacturing device that manufactures a shaped object by stacking beads that are solidified products of molten filler metal. The additive manufacturing device described in Patent Document 1 includes a supply unit that supplies the filler metal to the workpiece, a beam source that outputs a beam that melts the supplied filler metal, and a position calculation unit that calculates the tip position of the filler metal, which is the position at which the temperature of the filler metal reaches the melting point of the filler metal due to irradiation with the beam, based on the supply speed of the filler metal supplied to the workpiece and the beam output from the beam source.
溶加材の供給速度を調整し、形成するビードの高さを一定に制御する際には、ワイヤを十分に溶融させるためビーム出力も調整する必要がある。ビーム出力の大きさはビードの幅と正の相関関係があり、被加工物の高さの制御を行う際に、ビーム出力の変化によってビードの幅が一定にならない問題があった。つまり、積層造形では、ビードの高さおよびビードの幅は、どちらもビーム出力に依存するので、目標とするビードの高さを得るための最適のビーム出力と、目標とするビードの幅を得るための最適のビーム出力とが相違する場合がある。このような場合に、特許文献1では、ビーム出力の条件を満たすことができないことによって、ビードの高さおよびビードの幅を目標値から一定の範囲に収めることが困難となる。つまり、特許文献1に記載の付加製造装置では、積層造形の際に形成されるビードの幅およびビードの高さを同時に制御することができないという問題があった。When adjusting the feed rate of the filler metal to control the height of the bead to be constant, it is necessary to adjust the beam power to melt the wire sufficiently. The magnitude of the beam power is positively correlated with the width of the bead, and when controlling the height of the workpiece, there is a problem that the width of the bead does not become constant due to changes in the beam power. In other words, in additive manufacturing, since both the height and width of the bead depend on the beam power, the optimal beam power for obtaining the target bead height and the optimal beam power for obtaining the target bead width may differ. In such a case, in Patent Document 1, it is difficult to keep the bead height and bead width within a certain range from the target value because the beam power conditions cannot be satisfied. In other words, the additive manufacturing device described in Patent Document 1 has a problem in that the width and height of the bead formed during additive manufacturing cannot be controlled simultaneously.
本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、積層造形の際に形成されるビードの幅およびビードの高さを同時に制御することができる積層造形装置を得ることを目的とする。The present disclosure has been made in consideration of the above, and aims to obtain an additive manufacturing device that can simultaneously control the width and height of the bead formed during additive manufacturing.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示に係る積層造形装置は、造形材料を溶融させるビームを出力するビーム熱源供給部と、造形材料に電流を流す電流供給部と、造形材料を被加工物へ供給する造形材料供給部と、ビームの照射および通電によるジュール熱によって造形材料が被加工物上で溶融、固化した下地のビードの状態を示す情報であるビード状態情報を取得し、ビード状態情報にしたがって、下地のビード上に形成される新たなビードが決められた高さおよび幅を有するようにビームの出力値、通電時の電流値および造形材料の供給速度の少なくとも1つを制御するビード形状制御部と、造形材料のうちビームの照射および通電によるジュール熱によって温度が造形材料の融点に到達した部分の位置である先端位置を、造形材料の供給速度、ビームの出力値および通電時の電流値に基づいて算出する位置算出部と、を備える。 In order to solve the above-mentioned problems and achieve the object, the additive manufacturing apparatus of the present disclosure comprises a beam heat source supply unit that outputs a beam that melts the modeling material, a current supply unit that flows an electric current through the modeling material, a modeling material supply unit that supplies the modeling material to a workpiece, a bead shape control unit that acquires bead state information that is information indicating the state of a base bead of modeling material melted and solidified on the workpiece by Joule heat caused by beam irradiation and current flow, and controls at least one of the beam output value, the current value when current is applied, and the modeling material supply speed in accordance with the bead state information so that a new bead formed on the base bead has a predetermined height and width, and a position calculation unit that calculates the tip position, which is the position of the part of the modeling material whose temperature has reached the melting point of the modeling material by Joule heat caused by beam irradiation and current flow, based on the modeling material supply speed, the beam output value, and the current value when current is applied .
本開示に係る積層造形装置は、積層造形の際に形成されるビードの幅およびビードの高さを同時に制御することができるという効果を奏する。The additive manufacturing device of the present disclosure has the advantage of being able to simultaneously control the width and height of the bead formed during additive manufacturing.
以下に、本開示の実施の形態に係る積層造形装置および積層造形方法を図面に基づいて詳細に説明する。 Below, the additive manufacturing apparatus and additive manufacturing method relating to the embodiments of the present disclosure are described in detail with reference to the drawings.
実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係る積層造形装置の構成の一例を模式的に示す図である。積層造形装置1は、DED方式の積層造形技術を有した装置である。積層造形装置1は、レーザビームLBで造形材料であるワイヤWを溶融させ、基材91または溶融したワイヤWが付加された基材91である被加工物に溶融したワイヤWを付加する積層造形を実行する。
Embodiment 1.
1 is a diagram showing a schematic diagram of an example of the configuration of an additive manufacturing apparatus according to the first embodiment. The additive manufacturing apparatus 1 is an apparatus having an additive manufacturing technique of the DED type. The additive manufacturing apparatus 1 melts a wire W, which is a modeling material, with a laser beam LB, and performs additive manufacturing by adding the molten wire W to a workpiece, which is a
図1において、X軸、Y軸およびZ軸は互いに垂直な3軸である。X軸とY軸とは、水平方向の互いに直交する2つの軸である。Z軸は鉛直方向の軸である。X軸、Y軸およびZ軸の各々において、矢印で示す方向を+方向とし、矢印とは逆の方向を-方向とする。Z軸方向はビード93が積み重ねられる方向である積層方向である。
In FIG. 1, the X-axis, Y-axis, and Z-axis are three mutually perpendicular axes. The X-axis and Y-axis are two horizontal axes that are perpendicular to each other. The Z-axis is a vertical axis. For each of the X-axis, Y-axis, and Z-axis, the direction indicated by the arrow is the + direction, and the direction opposite to the arrow is the - direction. The Z-axis direction is the stacking direction in which the
積層造形装置1は、レーザ発振器11と、レーザ出力制御器12と、ファイバーケーブル13と、加工ヘッド14と、ガス流量調整器15と、造形材料供給部16と、回転部材17と、回転機構18と、電源19と、導線20と、電源出力制御器21と、駆動制御器22と、NC装置23と、を備える。The additive manufacturing device 1 comprises a laser oscillator 11, a laser output controller 12, a
レーザ発振器11は、ワイヤWを溶融させるビームであるレーザビームLBを出力する。レーザ発振器11は、ビーム熱源供給部に対応する。なお、ビームは、レーザビームLBに限られず、アークまたは電子ビームであってもよい。レーザ出力制御器12は、レーザ発振器11を制御することで、レーザ発振器11のビーム出力を制御する。以下の説明では、ビーム出力は、レーザ出力とも称される。ファイバーケーブル13は、レーザ発振器11によって出力されたレーザビームLBを加工ヘッド14へ伝搬させる。The laser oscillator 11 outputs a laser beam LB, which is a beam that melts the wire W. The laser oscillator 11 corresponds to a beam heat source supply unit. The beam is not limited to the laser beam LB, and may be an arc or an electron beam. The laser output controller 12 controls the laser oscillator 11 to control the beam output of the laser oscillator 11. In the following description, the beam output is also referred to as the laser output. The
加工ヘッド14は、被加工物へ向けてレーザビームLBを出射する。加工ヘッド14は、図示しないが、内部に、レーザビームLBを平行化させるコリメート光学系と、レーザビームLBを集束させる集光レンズと、を有する。加工ヘッド14は、X軸方向、Y軸方向およびZ軸方向に移動することができる。加工ヘッド14から被加工物へ照射する中心線の方向はZ軸方向である。中心線は、ビームがレーザビームLBである場合は、一例では、光軸とするのが望ましい。ビームがレーザビームLB以外である場合には、ビームの放射照度分布の中で放射照度が最も強い箇所とするのが望ましい。なお、中心線の位置は、中心線の通る位置に基づいて実行される積層造形のパラメータの制御に問題がない程度に上記に例示した光軸、放射照度が最も強い箇所などからずれがあってもよい。一例では、ビームの中心線を、ビームの内部またはビームの外周から決められた範囲であるビームの外周の近傍を通り、かつビームの進行方向と略平行な軸とすることもできる。The
加工ヘッド14にはシールドガスGを供給するガスノズルが搭載されている。積層造形装置1は、シールドガスGを被加工物に向けて噴射することによって、被加工物の酸化を抑制するとともに、形成されたビード93を冷却する。ビード93は、ワイヤWが溶融、凝固したものである。溶融ビード94は、ビード93のうち溶融している部分のものである。ガス流量調整器15は、シールドガスGの流量を制御する。シールドガスGの種類としては、不活性ガスのアルゴン、窒素、二酸化炭素が挙げられる。The
造形材料供給部16は、基材91または溶融したワイヤWが付加された基材91である被加工物へ造形材料であるワイヤWを供給する。造形材料供給部16は、ワイヤスプール161と、回転モータ162と、ワイヤノズル163と、を有する。ワイヤスプール161は、ワイヤWの供給源である。ワイヤWは、ワイヤスプール161に巻き付けられている。ワイヤWは溶加材の一例である。回転モータ162は、ワイヤスプール161を回転させることで、ワイヤスプール161からワイヤWを被加工物へ供給したり、逆方向に回転させることで、被加工物側からワイヤWを引き戻したりする。ワイヤノズル163は、加工ヘッド14に取り付けられていて固定されている。ワイヤノズル163は、ワイヤスプール161からのワイヤWを、被加工物上のレーザビームLBが照射される領域に向けて供給されるようにガイドする。この例では、ワイヤWが供給される方向は、加工ヘッド14からレーザビームLBが出射される方向に対して斜めの方向である。The modeling
回転部材17は、三次元の造形物の形成対象となる基材91を支持する。回転部材17は、基材91を支持するステージの機能を有する。回転部材17は、基材91を固定してもよい。基材91は、回転部材17の上に設置されており、ビード93は基材91上に設置される。基材91は、一例では板材であるが、板材以外のものであってもよい。基材91と、ビード93が形成された基材91と、は、被加工物とも称される。The rotating
回転機構18は、回転部材17を回転させる。図2は、実施の形態1に係る積層造形装置で使用される回転機構の構成の一例を示す図である。基材91は、回転部材17に取り付けられる。回転機構18は、後述するステージ駆動部223が決定した駆動指令に基づいて、a軸またはc軸を中心として回転部材17、すなわち回転部材17に取り付けられた基材91を回転させる。ここで、a軸はc軸に対して垂直である。回転部材17が回転すると基材91と加工ヘッド14との相対的な角度および位置が変化する。図2では、回転機構18は、回転機構18に設置される回転部材17の上面である基材載置面の中心を通り、基材載置面に垂直なc軸と、基材載置面とc軸との交点を通り基材載置面内に設けられるa軸と、を回転軸として回転可能である例が示されている。さらに、回転機構18は、駆動指令に基づいて回転部材17を回転させてもよい。一例では、回転機構18は、c軸を回転軸とする回転方向rcおよびa軸を回転軸とする回転方向raの2つの回転部材17の回転を独立に実行できる構成としてもよい。a軸およびc軸の向きは任意にとることができる。一例では、a軸をX軸に平行とし、c軸をZ軸に平行としてもよい。また、一例では、回転機構18は、回転方向raおよび回転方向rcの2つの回転を実行するサーボモータを備えてもよい。回転機構18を用いることによって、一例では、加工位置へのアクセスに5軸構成が必要となる複雑な形状を積層造形することが可能となる。また、回転機構18はなくてもよい。これは、壁または線の造形物といった単純な造形を行う目的のみの積層造形装置1では、回転機構18を用いた積層造形は必要ないためである。The
図1に戻り、電源19は、ワイヤWに電流を流す。2本の導線20は、電源19の+極および-極に接続されている。+極および-極に接続される2本の導線20はそれぞれ基材91とワイヤノズル163とに接続される。電源19からの電流が、+極側から導線20、基材91、被加工物、そしてワイヤWに流れる。電流が流れたワイヤWはジュール熱によって熱せられる。なお、ワイヤWに電流が流れればよいので、導線20の接続は、+極側に接続された導線20がワイヤノズル163に接続され、-極側に接続された導線20が基材91に接続されるものであってもよい。電源19および導線20は、造形材料であるワイヤWを溶融させる電流をワイヤWに流す電流供給部に対応する。電源出力制御器21は、電源19を制御することで、電源19の電圧および電流を制御する。以下では、電源出力制御器21が電源19の電流を制御する場合を例に挙げる。Returning to FIG. 1, the
積層造形におけるビード93の高さおよびビード93の幅は、どちらもレーザ出力に依存する。このため、目標とするビード93の高さを得るための最適のレーザ出力と、目標とするビード93の幅を得るための最適のレーザ出力と、が相違する場合がある。このような場合に、レーザ出力の条件だけでは、ビード93の高さおよびビード93の幅を目標値から一定の範囲に収めることが困難となる。そこで、実施の形態1では、ビード93の高さおよびビード93の幅を独立して制御できるように、ジュール熱によるワイヤWの加熱を取り入れている。In additive manufacturing, the height and width of the
駆動制御器22は、加工ヘッド14を駆動するヘッド駆動部221と、造形材料供給部16を駆動するワイヤ供給駆動部222と、回転機構18を駆動するステージ駆動部223と、を有する。The
NC装置23は、加工プログラムに従って積層造形装置1の全体を制御する。NC装置23は、レーザ出力制御器12へレーザ出力指令を出力することによって、レーザ発振器11を制御する。NC装置23は、ヘッド駆動部221へ軸指令を出力することによって、加工ヘッド14を制御する。NC装置23は、ワイヤ供給駆動部222へ供給指令を送ることによって、造形材料供給部16を制御する。NC装置23はステージ駆動部223へ回転指令を送ることによって、回転機構18を制御する。NC装置23は、ガス流量調整器15へガス供給指令を出力することによって、シールドガスGの流量を制御する。NC装置23は、電源出力制御器21へ電源出力指令を出力することによって、電源19から流れる電流または電圧を制御する。電源出力指令は、電流指令または電圧指令である。
The
図3は、実施の形態1に係る積層造形装置を制御するNC装置の機能構成の一例を示す図である。NC装置23には、NCプログラムである加工プログラム31が入力される。加工プログラム31はCAM(Computer Aided Manufacturing)装置によって作成される。
Figure 3 is a diagram showing an example of the functional configuration of an NC device that controls the additive manufacturing device according to embodiment 1. A machining program 31, which is an NC program, is input to the
NC装置23は、加工プログラム31を解析するプログラム解析部32と、加工条件テーブルを記憶する加工条件テーブル記憶部33と、加工条件を設定する加工条件設定部34と、軸指令を生成する軸指令生成部35と、レーザ出力指令を生成するレーザ指令生成部36と、供給指令を生成する供給指令生成部37と、電源出力指令をする電源指令生成部38と、を有する。The
プログラム解析部32は、加工プログラム31の記述に基づいて、加工ヘッド14を移動させる移動経路を解析する。プログラム解析部32は、移動経路の解析結果を軸指令生成部35へ出力する。また、プログラム解析部32は、加工条件を設定するための情報を加工条件設定部34へ出力する。The
加工条件テーブル記憶部33は、各種加工条件のデータが格納されている加工条件テーブルを記憶する。加工条件設定部34は、加工条件を設定するための情報に従って加工条件のデータを加工条件テーブルから読み出すことによって、加工条件を設定する。なお、NC装置23は、加工条件テーブルに予め格納されている各種加工条件のデータの中から、指定された加工条件のデータを得る以外に、加工条件のデータが記述されている加工プログラム31から、加工条件のデータを得てもよい。The machining condition
軸指令生成部35は、移動経路の解析結果を基に、移動経路上の単位時間ごとの補間点群である軸指令を生成する。以下の説明では、補間点は、指令点とも称される。ヘッド駆動部221は、軸指令生成部35で生成された軸指令に基づいて、加工ヘッド14を駆動する。軸指令は、一例では、レーザビームLBの中心線とワイヤWの進行方向との交点の位置を含む。The axis
レーザ指令生成部36は、加工条件設定部34によって設定された加工条件を基に、レーザ出力指令を生成する。供給指令生成部37は、加工条件設定部34によって設定された加工条件を基に、供給指令を生成する。電源指令生成部38は、加工条件設定部34によって指令された加工条件を基に、電源出力指令を生成する。ここでは電源出力指令は、電流指令である。The laser
NC装置23は、ビード形状コントローラ39と、フィードフォワードコントローラ40と、加算器41と、を有する。積層造形装置1は、ビード93の状態を検知するビード状態検知部24を有する。ビード状態検知部24は、カメラ、温度計、形状測定器などのビード93の状態を示す情報であるビード状態情報を取得する各種センサである。ビード状態検知部24は、ここではこれから形成を行うビード93の下地となる既に形成されているビード93のビード状態情報を取得する。ビード93の状態には、ビード93の形状が含まれる。ビード形状コントローラ39には、ビード状態検知部24による検出結果が入力される。ビード形状コントローラ39は、ビード93の形状精度を向上させるための制御を行う制御部であり、ビード状態検知部24による検出結果、すなわちビード状態情報に基づいて、レーザ出力の指令値、供給速度の指令値および電流の指令値といったプロセスパラメータを制御する。The
ビード形状コントローラ39は、プロセスパラメータの制御によって、形成されるビード93の高さおよび幅を制御する。ビード93の高さとは、積層方向におけるビード93の長さである。ビード93の幅とは、加工ヘッド14を移動させる方向と積層方向とに垂直な方向におけるビード93の長さである。具体的には、ビード形状コントローラ39は、レーザビームLBの照射および通電によるジュール熱によってワイヤWが被加工物上で溶融、固化した下地のビード93の状態を示す情報であるビード状態情報を取得し、ビード状態情報にしたがって、下地のビード93上に形成される新たなビード93が決められた高さおよび幅を有するようにレーザ出力値、電流値およびワイヤWの供給速度の少なくとも1つを制御する。一例では、ビード形状コントローラ39は、下地のビード93の上面の高さをビード状態情報として取得し、下地のビード93の上面の高さに関わらず、下地のビード93上にこれから形成するビード93の基台91の上面からの高さが一定となるように、レーザ出力の指令値、供給速度の指令値および電流の指令値を制御する。ビード形状コントローラ39は、ビード形状制御部に対応する。加工ヘッド14を移動させる方向がX軸方向である場合を例に挙げると、Z軸方向におけるビード93の高さと、Y軸方向におけるビード93の幅と、がビード形状コントローラ39によって制御される。ビード状態情報は、ビード状態検知部24による検出結果である。なお、ビード形状コントローラ39は、レーザ出力の指令値および電流の指令値の少なくとも1つを制御すればよい。The
ビード形状コントローラ39は、制御後のレーザ出力指令を、レーザ出力制御器12とフィードフォワードコントローラ40とへ出力する。レーザ出力制御器12は、制御後のレーザ出力指令で示されるレーザ出力指令値となるようにレーザ発振器11を制御する。The
ビード形状コントローラ39は、制御後の供給指令を、ワイヤ供給駆動部222とフィードフォワードコントローラ40とへ出力する。ワイヤ供給駆動部222は、制御後の供給指令で示されるワイヤWの供給速度指令値となるように造形材料供給部16を制御する。The
ビード形状コントローラ39は、制御後の電流指令を、電源出力制御器21とフィードフォワードコントローラ40とへ出力する。電源出力制御器21は、制御後の電流指令で示される電流指令値となるように電源19を制御する。The
フィードフォワードコントローラ40は、ワイヤWの先端を算出する位置算出部401と、加工ヘッド14の位置を制御するための補正量を算出する補正量算出部402と、を有する。The
位置算出部401は、ワイヤWのうちレーザビームLBの照射および通電によるジュール熱によって温度がワイヤWの融点に到達した部分の位置である先端位置を被加工物へ供給されるワイヤWの供給速度、レーザビームLBの出力値および通電時の電流値に基づいて算出する。The
具体的には、位置算出部401は、ワイヤWの供給速度と、レーザ発振器11によるレーザ出力値と、電源出力制御器21による電流値と、に基づいて、ワイヤWの先端位置を加工実行前に算出する。図3の例では、位置算出部401は、ビード形状コントローラ39における制御後のレーザ出力指令、制御後の供給指令、および制御後の電流指令と、に基づいて、ワイヤWの先端位置を算出する。位置算出部401は、先端位置の算出結果を補正量算出部402へ出力する。位置算出部401によってワイヤWの先端位置を算出することで、フィードフォワード制御を行うことができる。Specifically, the
位置算出部401は、ワイヤWの供給速度と、レーザ発振器11によるレーザ出力値と、電源出力制御器21による電流値と、を含む加工条件に基づいて、ワイヤWの先端位置を算出する。ワイヤWの先端位置は、積層造形装置1の加工条件テーブルが事前に保持している各加工条件の値から算出することができる。このため、カメラなどでワイヤWの先端位置を観測し先端位置を推定する方法と比較すると、よりリアルタイムにワイヤWの先端位置の算出が可能となる。The
補正量算出部402は、被加工物へ向かうレーザビームLBの中心線と造形材料供給部16から被加工物へ向かって供給されるワイヤWの進行方向との交点である加工基準点の位置を、少なくともビード93が被加工物上で積層される積層方向において制御する。補正量算出部402は、位置算出部401が算出した先端位置に基づいて加工基準点の位置を制御する。The correction
具体的には、補正量算出部402には、積層造形装置1が有する変位量測定部25によって測定された被加工物の上面から指令点までの変位量の測定値が入力される。変位量測定部25は、レーザ変位計などのセンサである。補正量算出部402は、先端位置の算出結果と変位量の測定値とに基づいて、積層方向における補正量を算出する。補正量算出部402は、補正量の算出結果を加算器41へ出力する。
Specifically, the correction
加算器41は、軸指令生成部35によって生成された軸指令に補正量を加算する。補正量算出部402と加算器41とは、位置算出部401が算出した先端位置に基づいて、少なくとも積層方向であるZ軸方向において加工基準点の位置を制御する補正部として機能する。加算器41は、加算結果、すなわち制御後の軸指令をヘッド駆動部221へ出力する。The
図4は、実施の形態1に係る積層造形装置によって造形物が形成される様子を模式的に示す図である。図4の「θ」は、ワイヤノズル163から被加工物へ向かうワイヤWの進行方向と、X軸、すなわち水平方向とがなす角度である。また、ここでは、加工ヘッド14は、X軸方向に進行しているものとする。
Figure 4 is a schematic diagram showing how a molded object is formed by the additive manufacturing device according to embodiment 1. "θ" in Figure 4 is the angle between the direction of travel of the wire W from the
被加工物へ向かうレーザビームLBの中心線Cと、ワイヤノズル163から被加工物へ向かうワイヤWの進行方向との交点を加工ヘッド14の基準点である加工基準点RPとする。積層造形装置1は、加工プログラム31に基づいた指令点の位置に加工基準点RPが一致するように、加工ヘッド14を駆動する。The intersection of the center line C of the laser beam LB toward the workpiece and the traveling direction of the wire W from the
積層造形装置1について、溶融後のワイヤWの塊がワイヤWに残るドロップ現象または溶融前のワイヤWが被加工物に衝突するスタブ現象を生じさせずに安定した加工を継続するために、被加工物とワイヤWの先端位置、すなわち先端部Waの位置との間で適切な位置関係を維持することが求められる。積層造形装置1は、ワイヤWの先端部Waの位置を推定し、推定結果を基に加工基準点RPの位置を制御することで、被加工物と加工基準点RPとの間で適切な位置関係の維持を図り得る。積層造形装置1は、位置算出部401において先端部Waの位置を算出することによって、先端部Waの位置を推定する。
In order to continue stable machining without causing a drop phenomenon in which a lump of molten wire W remains on the wire W or a stub phenomenon in which the wire W before melting collides with the workpiece, the additive manufacturing device 1 is required to maintain an appropriate positional relationship between the workpiece and the tip position of the wire W, i.e., the position of the tip Wa. The additive manufacturing device 1 can maintain an appropriate positional relationship between the workpiece and the processing reference point RP by estimating the position of the tip Wa of the wire W and controlling the position of the processing reference point RP based on the estimation result. The additive manufacturing device 1 estimates the position of the tip Wa by calculating the position of the tip Wa in the
図4において、「L」は、ワイヤノズル163から送り出されるワイヤWがレーザビームLBへ突入してから温度が融点に達した先端部Waの位置とのX軸方向の距離である。図4では、「L」はX軸方向の距離であるが、加工ヘッド14がX軸方向ではない方向に進行している場合には、加工ヘッド14の進行方向の距離である。あるいは、「L」は、加工ヘッド14の進行方向に投影したワイヤWがレーザビームLBに入射する位置を0としたときの、加工ヘッド14の進行方向における先端部Waの位置を示している。以下では、ワイヤWのレーザビームLBへの入射位置は入射点IPと称される。また、加工ヘッド14の進行方向は、加工進行方向と称される。
In FIG. 4, "L" is the distance in the X-axis direction from the position of the tip Wa of the wire W fed from the
図5は、供給速度、レーザ出力値および電流値を互いに異ならせた2つのケースにおける「L」の違いを示す図である。図5の(a)のケースでは、(b)のケースよりも「L」が長くなっている。つまり、(a)のケースでは、(b)のケースと比べて、供給速度が大きいか、レーザ出力値が小さいか、電流値が小さいことを示している。位置算出部401は、ワイヤWの先端部Waの位置とプロセスパラメータとの関係を基に先端部Waの位置を算出する。先端部Waの位置を算出するとは、加工進行方向における入射点IPを基準とした先端部Waの位置である「L」を算出することである。
Figure 5 is a diagram showing the difference in "L" in two cases where the supply speed, laser output value, and current value are different from each other. In the case (a) of Figure 5, "L" is longer than in the case (b). In other words, in the case (a), the supply speed is higher, the laser output value is lower, or the current value is lower than in the case (b). The
先端部Waの位置「L」は、供給速度、レーザ出力値および電流値のプロセスパラメータによって変化するため、次式(1)によって表される。The position "L" of the tip Wa varies depending on the process parameters of the supply speed, laser output value and current value, and is therefore expressed by the following equation (1).
L=f(F,P,I) ・・・(1)L=f(F,P,I)...(1)
ここで、「F」はワイヤWの供給速度の指令値である。「P」はレーザ出力の指令値である。「I」は電流の指令値である。「f」は「L」を求める関数であることを示しており、括弧「()」内は関数「f」の変数であることを示している。関数「f」は、供給速度「F」が大きい値になると「L」が大きい値になり、レーザ出力「P」が大きい値になると「L」が小さい値になり、電流値「I」が大きい値になると「L」が小さい値になるという性質を有する関数である。関数「f」を単純化すると次式(2)によって表される。 Here, "F" is the command value for the supply speed of the wire W. "P" is the command value for the laser output. "I" is the command value for the current. "f" indicates that it is a function for finding "L", and the values in parentheses "()" indicate the variables of the function "f". The function "f" has the property that when the supply speed "F" is large, "L" becomes large, when the laser output "P" is large, "L" becomes small, and when the current value "I" is large, "L" becomes small. The function "f" can be simplified and expressed by the following equation (2).
L=(K1・F)/(K2・P+K3・I) ・・・(2)L=(K1・F)/(K2・P+K3・I) ...(2)
(2)式に使用される定数「Ki(i=1,2,3)」はワイヤWの物性値、ワイヤWの進行方向「θ」、および積層造形装置1の周囲環境によって変化する定数である。ワイヤWの先端部Waの位置である「L」を求める関数「f」の式は(2)式の形でなくても変数「F」、「P」、「I」の増加または減少と「L」の増加または減少との対応が(2)式と同じ性質であればよい。定数「Ki」は、実施の形態3に記載する予備実験を使用して決定するなど任意の方法で決定することができる。The constants "Ki (i = 1, 2, 3)" used in equation (2) are constants that change depending on the physical properties of the wire W, the direction of travel "θ" of the wire W, and the surrounding environment of the additive manufacturing device 1. The equation for the function "f" that determines "L", which is the position of the tip Wa of the wire W, does not have to be in the form of equation (2), as long as the correspondence between an increase or decrease in the variables "F", "P", and "I" and an increase or decrease in "L" has the same properties as equation (2). The constant "Ki" can be determined by any method, such as by using the preliminary experiment described in embodiment 3.
次に、積層造形装置1による加工の状況とワイヤWの先端部Waの位置との関係について説明する。図6は、実施の形態1に係る積層造形装置による加工の状況とワイヤの先端部の位置との関係を説明する図である。図6では、供給速度、レーザ出力値または電流値が互いに異なる4つのケース(a)から(d)における加工の状況を模式的に示している。4つのケース(a)から(d)では、Z軸方向において先端部Waの位置が互いに異なる。(a)のケースは、4つのケースの中で、先端部Waの位置が最も鉛直上方にあるケースである。図6では(a)、(b)、(c)および(d)の順に、先端部Waの位置が-Z軸方向へ下がっている。Next, the relationship between the processing state by the additive manufacturing device 1 and the position of the tip Wa of the wire W will be described. FIG. 6 is a diagram for explaining the relationship between the processing state by the additive manufacturing device according to embodiment 1 and the position of the tip of the wire. FIG. 6 shows a schematic diagram of the processing state in four cases (a) to (d) in which the supply speed, laser output value, or current value are different from each other. In the four cases (a) to (d), the position of the tip Wa in the Z-axis direction is different from each other. In the case (a), the position of the tip Wa is the most vertically upward among the four cases. In FIG. 6, the position of the tip Wa is lowered in the -Z-axis direction in the order of (a), (b), (c), and (d).
(a)のケースでは、先端部Waの位置は、溶融ビード94から+Z軸方向に離れている。このようなケースの場合、溶融ビード94から離れた位置にてワイヤWが溶融することによって、ワイヤWの先端部Waにドロップ81が形成される。すなわち、ドロップ現象が生じる。In the case of (a), the position of the tip Wa is away from the
(b)のケースでは、先端部Waの位置は、溶融ビード94から+Z軸方向にある。また、先端部Waの位置と溶融ビード94との間には、ワイヤWの溶融物の表面張力によるリンク82が形成されている。このようなケースは先端部Waの位置と溶融ビード94とがリンク82を介してつながっているため、加工を継続することは可能である。しかし、リンク82は外乱等の影響によって容易に切断されるため、(b)のケースは(a)のケースに移行しやすい状態であり、ドロップ現象を生じやすい。In case (b), the position of the tip Wa is in the +Z-axis direction from the
(c)のケースでは、先端部Waの位置は、溶融ビード94の上面よりも-Z軸方向、かつ溶融池96の底面よりも鉛直上方にある。このようなケースの場合、ワイヤWの溶融物と溶融ビード94との接触が維持されることによって、ドロップ現象は生じない。また、溶融池96の底面と先端部Waの位置との間隔が維持されることによって、スタブ現象は生じない。積層造形装置1は、(c)のケースでは、ドロップ現象およびスタブ現象のどちらも生じず、安定した加工を継続することができる。
In the case of (c), the position of the tip Wa is in the -Z axis direction from the top surface of the
(d)のケースでは、先端部Waの位置は、溶融ビード94の底面よりも-Z軸方向にある。または、溶融池96の底面にワイヤWが到達した状態から、さらに-Z軸方向へ先端部Waの位置が進行するようにワイヤWが供給されることによって、ワイヤWの先端部Waが溶融池96の底面に押し付けられる。(d)のケースでは、スタブ現象が生じる。
In the case of (d), the position of the tip Wa is further in the -Z axis direction than the bottom surface of the
以上から、図6の(c)のケースのように、積層造形装置1は、溶融ビード94の上面と溶融池96の底面との間に先端部Waがある状態で、安定した加工を継続することができる。積層造形装置1は、先端部Waが溶融ビード94の上面よりも+Z軸方向、または溶融池96の底面よりも-Z軸方向に位置するときに加工が困難になる。6(c), the additive manufacturing device 1 can continue stable processing with the tip portion Wa located between the top surface of the
次に、積層造形装置1による加工基準点RPの位置の制御について説明する。図7は、実施の形態1に係る積層造形装置での加工基準点を制御する方法を説明する図である。図7の(a)は、加工基準点RPの位置を制御する前におけるワイヤWの先端部Waの位置および被加工物の状態を模式的に表している。図7の(b)は、加工基準点RPの位置を制御した後におけるワイヤWの先端部Waの位置および被加工物の状態を模式的に示している。加工基準点RPの位置が制御されることによって、先端部Waの位置または被加工物は図7の(a)に示される状態から(b)に示される状態へ遷移する。Next, the control of the position of the processing reference point RP by the additive manufacturing device 1 will be described. FIG. 7 is a diagram illustrating a method of controlling the processing reference point in the additive manufacturing device according to embodiment 1. FIG. 7(a) shows a schematic representation of the position of the tip Wa of the wire W and the state of the workpiece before controlling the position of the processing reference point RP. FIG. 7(b) shows a schematic representation of the position of the tip Wa of the wire W and the state of the workpiece after controlling the position of the processing reference point RP. By controlling the position of the processing reference point RP, the position of the tip Wa or the workpiece transitions from the state shown in FIG. 7(a) to the state shown in FIG. 7(b).
図7の(a)に示される状態において、先端部Waの位置は、溶融ビード94から鉛直上方に離れている。位置算出部401には、ビード形状コントローラ39による制御後のレーザ出力指令で示されるレーザ出力指令値と、ビード形状コントローラ39による制御後の供給指令で示される供給速度指令値と、ビード形状コントローラ39による制御後の電流指令で示される電流指令値と、が入力される。位置算出部401は、上述した(1)式に基づいて、入射点IPから先端部Waまでの加工進行方向における距離「L」を算出する。位置算出部401は、距離「L」の算出結果を補正量算出部402へ出力する。7A, the position of the tip Wa is vertically above the
被加工物の上面、図7の(a)の場合には基材91の上面から加工基準点RPまでのZ軸方向の変位量「h」は、レーザ変位計などの変位量測定部25によって測定される。補正量算出部402には、変位量「h」の測定値が入力される。
The displacement amount "h" in the Z-axis direction from the top surface of the workpiece, in the case of (a) in Figure 7, the top surface of the
ワイヤWがレーザビームLBに入射してから加工基準点RPまでの鉛直方向の距離は、レーザビームLBの直径「R」およびワイヤWの進行方向「θ」を用いて、(R/2)tanθで表される。The vertical distance from when the wire W is incident on the laser beam LB to the processing reference point RP is expressed as (R/2) tan θ, where R is the diameter of the laser beam LB and θ is the direction of travel of the wire W.
補正量算出部402は、Z軸方向における基材91の上面と先端部Waの位置との間隔を、補正量として算出する。補正量である「ΔZ」は次式(3)によって表される。The correction
ΔZ=-h-(R/2)tanθ+L・tanθ ・・・(3)ΔZ=-h-(R/2)tanθ+L・tanθ...(3)
補正量算出部402は、(3)式に基づいて補正量「ΔZ」を算出する。補正量算出部402は、「ΔZ」の算出結果を加算器41へ出力する。加算器41は、軸指令生成部35によって生成された軸指令に補正量「ΔZ」を加算する。制御後の軸指令に従って加工ヘッド14が制御されることによって、加工基準点RPの位置は、図7の(a)に示される状態における位置から「ΔZ」だけ-Z軸方向に移動する。加工基準点RPの位置が移動することによって、図7の(b)に示されるように、先端部Waの位置は、溶融ビード94に接触する。つまり、この例では補正量算出部402は、先端部Waの位置が基材91の上面、あるいは溶融ビード94に接触するようにZ軸方向の位置を制御する。The correction
このように、積層造形装置1は、ワイヤWの先端部Waの位置の算出結果に基づいて、積層方向における加工基準点RPの位置を制御する。積層造形装置1は、加工中にプロセスパラメータが変化した場合であっても、加工基準点RPの位置を制御することによって先端部Waの位置を溶融ビード94に接触させることができる。また、加工中にワイヤWの先端部Waの位置を補正することでスタブ現象およびドロップ現象の発生を抑制することができる。つまり、積層造形装置1は、先端部Waの位置を溶融ビード94に常時接触させることで、安定した加工が可能な状態を維持することができる。In this way, the additive manufacturing device 1 controls the position of the processing reference point RP in the stacking direction based on the calculation result of the position of the tip Wa of the wire W. Even if the process parameters change during processing, the additive manufacturing device 1 can bring the position of the tip Wa into contact with the
次に、実施の形態1に係る積層造形装置1が造形物を製造する積層造形方法の手順について説明する。図8は、実施の形態1に係る積層造形装置による造形物の製造における動作手順の一例を示すフローチャートである。Next, the procedure of the additive manufacturing method in which the additive manufacturing device 1 according to embodiment 1 manufactures a molded object will be described. Figure 8 is a flowchart showing an example of the operation procedure in manufacturing a molded object by the additive manufacturing device according to embodiment 1.
まず、積層造形装置1は、造形材料であるワイヤWに通電する(ステップS1)。積層造形装置1は、電源19から電流指令に従った電流を流すことによってワイヤWに通電を行う。ステップS1の工程は、通電工程に対応する。First, the additive manufacturing device 1 energizes the wire W, which is the modeling material (step S1). The additive manufacturing device 1 energizes the wire W by passing a current from the
次いで、積層造形装置1は、造形材料であるワイヤWを被加工物へ供給する(ステップS2)。造形材料供給部16は、供給指令に従ったワイヤWの供給速度でワイヤWを供給する。ステップS2の工程は、造形材料供給工程に対応する。Next, the additive manufacturing device 1 supplies the wire W, which is the modeling material, to the workpiece (step S2). The modeling
その後、積層造形装置1は、レーザ発振器11からレーザビームLBを出力することによって、被加工物ヘレーザビームLBを照射する(ステップS3)。レーザ発振器11は、レーザ出力指令に従ったレーザ出力指令値でレーザビームLBを出力する。ステップS3の工程は、造形材料を溶融させるビームを被加工物に照射するビーム照射工程に対応する。以上によって、積層造形装置1は、供給されたワイヤWをレーザビームLBによって溶融させてビード93を形成する。Thereafter, the additive manufacturing device 1 irradiates the workpiece with the laser beam LB by outputting the laser beam LB from the laser oscillator 11 (step S3). The laser oscillator 11 outputs the laser beam LB at a laser output command value according to the laser output command. The process of step S3 corresponds to a beam irradiation process in which the workpiece is irradiated with a beam that melts the modeling material. In this way, the additive manufacturing device 1 melts the supplied wire W with the laser beam LB to form a
次いで、ビード状態検知部24によってビード93の状態を検出する(ステップS4)。ステップS4の工程は、レーザビームLBの照射および通電によるジュール熱によってワイヤWが被加工物上で溶融、固化した下地のビード93の状態を検出するビード状態検出工程に対応する。その後、積層造形装置1は、検出結果に基づいて、所望のビード93の高さおよび幅となるように、電流指令値、レーザ出力指令値および供給速度指令値の少なくとも1つを制御する(ステップS5)。ステップS5の工程は、ビードの状態にしたがって、下地のビード93上に形成される新たなビード93が決められた高さおよび幅を有するようにレーザビームLBの出力値、通電時の電流値およびワイヤWの供給速度の少なくとも1つを制御する指令値制御工程に対応する。Next, the state of the
次いで、積層造形装置1は、ステップS5における制御後の電流指令値、制御後のレーザ出力指令値および制御後の供給速度指令値に基づいてワイヤWの先端部Waの位置を算出する(ステップS6)。ステップS6の工程は、造形材料のうちビームの照射および通電によるジュール熱によって温度が造形材料の融点に到達した部分の位置である先端位置を、被加工物へ供給される造形材料の供給速度、ビームの出力値および通電時の電流値に基づいて算出する位置算出工程である。積層造形装置1は、ステップS6によって、加工時における先端部Waの位置を推定する。Next, the additive manufacturing device 1 calculates the position of the tip Wa of the wire W based on the current command value after control in step S5, the laser output command value after control, and the supply speed command value after control (step S6). The process of step S6 is a position calculation process that calculates the tip position, which is the position of the part of the modeling material whose temperature has reached the melting point of the modeling material due to Joule heat caused by beam irradiation and current flow, based on the supply speed of the modeling material supplied to the workpiece, the output value of the beam, and the current value when current is flowing. In step S6, the additive manufacturing device 1 estimates the position of the tip Wa during processing.
そして、積層造形装置1は、ステップS6における先端部Waの位置の算出結果に基づいて加工基準点RPの位置を制御する(ステップS7)。ステップS7の工程は、レーザ発振器11から出力されるレーザビームLBの中心線Cと、ワイヤノズル163から供給されるワイヤWの進行方向と、の交点である加工基準点RPの位置を、少なくともワイヤWが溶融、凝固したビード93が積層される方向である積層方向において制御する位置制御工程である。この位置制御工程では、補正量算出部402および加算器41は、位置算出部401が算出した先端位置に基づいて加工基準点RPの位置を制御する。積層造形装置1は、所望のビード93の高さおよび幅となるように、電流値、レーザ出力値および供給速度の少なくとも1つを制御するとともに、加工基準点RPの位置を制御しながら、ビード93を形成する動作を繰り返す。積層造形装置1は、基材91上においてビード93を積層することによって三次元の造形物を製造する。
Then, the additive manufacturing device 1 controls the position of the processing reference point RP based on the calculation result of the position of the tip Wa in step S6 (step S7). The process of step S7 is a position control process that controls the position of the processing reference point RP, which is the intersection of the center line C of the laser beam LB output from the laser oscillator 11 and the traveling direction of the wire W supplied from the
次に実施の形態1に係る積層造形装置1がビード93の高さ制御をした際の効果について説明する。図9は、実施の形態1に係る積層造形装置でビードの高さを制御した積層物の一例を模式的に示す図である。Next, we will explain the effect when the additive manufacturing device 1 according to embodiment 1 controls the height of the
図9の(a)はビード93aの鉛直上方向にビード93bを積層した際の造形物を水平方向から見た図である。ビード93aの上にビード93bが積層されている。ビード93aは、上面に凹部931を有する。ビード93bを加工する際にビード93aの形状を測定して、ビード形状コントローラ39は、この計測結果を基に基材91の上面からのビード93bの高さを一定に保つように制御する、ワイヤWの供給速度と、レーザビームLBのレーザ出力値と、電源19の電流値と、を出力指令する。ビード93である被加工物はレーザ変位計などのセンサによって測定される。
Figure 9 (a) is a horizontal view of the molded object when
ビード93の高さはワイヤWの供給速度の大きさと正の相関関係があることからビード93の高さを高くしたい場合には、ビード形状コントローラ39は供給速度を大きくする供給指令を出力する。ただし、ワイヤWの供給速度が大きいとスタブ現象が発生する。このため、ビード形状コントローラ39は、レーザ出力または電源19の電流値を大きくするレーザ出力指令または電流指令を出力して、ワイヤWに入熱を行う。これによって、ワイヤWの供給速度を大きくしながら、スタブ現象の発生を抑制することができる。また、ビード93の高さを低くしたい場合には、ビード形状コントローラ39は供給速度を小さくする供給指令を出力する。ただし、ワイヤWの供給速度が小さいとドロップ現象が発生する。このため、ビード形状コントローラ39は、レーザ出力または電源19の電流値を小さくするレーザ出力指令または電流指令を出力してワイヤWに入熱を行う。これによって、ワイヤWの供給速度を小さくしながら、ドロップ現象の発生を抑制することができる。
Since the height of the
図9の(b)は、ビード93bの高さ制御を行う際に、供給速度の大きさとともにレーザ出力を変化させた場合に形成されるビード93bを鉛直方向から見た図である。つまり、ここでは電流値を変化させていない。ビード93の幅はレーザ出力の大きさと正の相関関係がある。ビード93bの高さを制御する際にスタブ現象およびドロップ現象を生じないように、ビード形状コントローラ39はレーザ出力を行うため、ビード93の幅が一定でなくなる。図9の(a)では、上面に凹部931を有するビード93a上に、ビード93bが形成されている。凹部931は、深さが徐々に深くなり、凹部931の底部に到達した後は、深さが徐々に浅くなる。このため、凹部931上にビード93bを形成する場合には、徐々にビード93bの高さを高くし、また徐々にビード93bの高さを低くするように、供給速度が調整される。また、上記したように供給速度を大きくする場合には、レーザ出力も大きくする指令が出力され、供給速度を小さくする場合には、レーザ出力も小さくする指令が出力される。そして、ビード93の幅は、レーザ出力の大きさと正の相関関係があるため、(b)に示されるように、凹部931に対応する部分のビード93bの幅W2が他の部分の幅W1に比して太くなってしまう。9B is a vertical view of the
図9の(c)は、ビード93の高さ制御を行う際に、供給速度の大きさとともに電源19の電流値を変化させた場合に形成されるビード93bを鉛直方向から見た図である。つまり、ここではレーザ出力を変化させていない。ビード93の幅は電流の大きさと相関関係が小さい。ビード93bの高さを制御する際にレーザ出力を変化させずに、電流値を変化させると、ビード93の幅を一定に保つことが可能となる。つまり、ビード93aの凹部931ではない部分で電流値を小さくしても、凹部931で電流値を大きくしても、ビード93bの幅W1を延在方向にわたってほぼ一定の値とすることができる。さらに、ビード93の幅W1を一定に保ちながら、上記(a)で示したように供給速度を場所によって制御しているので、ビード93の高さを任意の大きさに保つことが可能である。このように、ビード形状コントローラ39で電源19の電流値を制御することで、ワイヤWの先端部Waの位置を任意に制御することが可能となる。9(c) is a vertical view of the
以上のように、レーザビームLBに加えて、電流のジュール熱によってワイヤWを溶融する積層造形装置1では、ビード93の高さを制御する際に、レーザ出力値だけではなく、電流値を制御することで、ビード93の幅を均一に保つことができる。また、レーザビームLBだけではなく、電流も熱源として使用することで、ワイヤWへの入熱を多くすることが可能となる。この結果、レーザビームLBの加工に使用する最大レーザ出力を抑えられ、レーザ発振器11としてより安価なものを使用することができる。また、下地となるビード93aの上面の位置が一定ではなく、凹凸を有する場合に、ビード93の高さ制御時に、ワイヤWを溶融させるために、レーザ出力値ではなく電流値を制御することで、すなわちレーザ出力値を変化させずに、電流値を制御することで、ビード93の幅と高さとを犠牲にすることなくワイヤWの先端位置を任意に調整することができる。As described above, in the additive manufacturing device 1 that melts the wire W by the Joule heat of the electric current in addition to the laser beam LB, the width of the
実施の形態1によると、積層造形装置1は、被加工物へ供給された造形材料をビームの照射および電流のジュール熱によって溶融させる加工を行う。造形材料の加熱に、ビームの照射に加えて電流のジュール熱による入熱を追加することで、被加工物の高さ制御を行う際に、レーザ出力ではなく電流値の制御を行うことで、ビード93の幅を一定に加工することができる。また、積層造形装置1は、被加工物へ供給された造形材料をビームの照射および電流のジュール熱によって溶融させる加工において、加工時における造形材料の先端部Waの位置を推定することができる。さらに、積層造形装置1は、先端部Waの位置の算出結果に基づいて、積層方向において加工基準点RPの位置を制御することによって、ワイヤWの先端部Waの位置を溶融池96の底面と溶融ビード94の上面との間とすることができ、安定した加工が可能な状態を維持することができる。さらにまた、レーザ出力指令値、電流指令値およびワイヤWの供給速度指令値から加工時における造形材料の先端の位置を算出することができるため、短い時間の間でリアルタイムに先端位置を算出することができる。ここで、リアルタイムというのは、同時または即時など短い時間の間に算出するという意味であり、算出した先端位置に基づいて、加工基準点RPの位置などを制御し、加工の状態を制御するが、この制御に支障がない程度に短い時間という意味である。この結果、積層造形装置1は、フィードフォワード制御を行うことができる。According to the first embodiment, the additive manufacturing device 1 performs processing to melt the modeling material supplied to the workpiece by irradiation of a beam and Joule heat of a current. By adding heat input by Joule heat of a current in addition to irradiation of a beam to the heating of the modeling material, the width of the
実施の形態2.
実施の形態2では、位置算出部401で算出した「L」に基づいてプロセスパラメータを制御する方法について説明する。加工において位置算出部401が算出した「L」を基にプロセスパラメータを制御することで、ワイヤWの先端部Waの位置をレーザビームLBの照射範囲内に維持させて加工することが可能である。実施の形態2では、実施の形態1と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態1とは異なる構成について主に説明する。
In the second embodiment, a method of controlling process parameters based on "L" calculated by the
図10は、実施の形態2に係る積層造形装置を制御するNC装置の機能構成の一例を示す図である。図10のNC装置23は、図3に示される積層造形装置1を制御するNC装置23の機能構成に、加工条件調整部403が追加されている。
Figure 10 is a diagram showing an example of the functional configuration of an NC device that controls the additive manufacturing device according to
フィードフォワードコントローラ40は、加工条件調整部403を有する。加工条件調整部403には、ワイヤWの先端部Waの位置の算出結果と、供給指令、レーザ出力指令および電流指令と、が入力される。加工条件調整部403は、ワイヤWの先端部Waの位置がレーザビームLBの照射範囲に収まるように、位置算出部401が算出した先端位置に基づいて、供給速度、レーザ出力値および電流値の少なくとも1つの補正量を算出する。加工条件調整部403は、補正量の算出結果を加算器41へ入力する。加工条件調整部403は、供給速度、レーザ出力値および電流値のうちの少なくとも1つの補正量を算出すればよいが、補正量を算出しなかったものについては、補正量を0として扱えばよい。The
加算器41は、ビード形状コントローラ39の後段にも追加されている。加算器41は、ビード形状コントローラ39が出力した制御後の供給指令、制御後のレーザ出力指令および制御後の電流指令にそれぞれ補正量を加算する。加算器41は、加算した制御後の供給速度、レーザ出力値および電流値のプロセスパラメータをそれぞれレーザ出力制御器12、ワイヤ供給駆動部222および電源出力制御器21へ出力する。加工条件調整部403と加算器41とは、造形材料の先端部Waの位置がビームの照射範囲に収まるように、位置算出部401が算出した先端位置に基づいて、供給速度、ビームの出力値および電流値の少なくとも1つを制御する加工条件調整処理部に対応する。The
図11および図12は、実施の形態2に係る積層造形装置がワイヤの先端部の位置を制御する様子を説明する図である。図11および図12において、ワイヤWの先端部Waの位置がレーザビームLBの照射範囲から外れにくくなる範囲である先端位置維持範囲がレーザビームLBの照射範囲の中に設定される。加工進行方向およびワイヤWの進行方向を含む面でのレーザビームLBの照射範囲において、加工進行方向、この例ではX軸方向の入射点IPの位置を0とすると、先端位置維持範囲は、「TL」以上「TH」以下の範囲となる。「TL」および「TH」は、0よりも大きくレーザビームLBの直径「R」よりも小さい値である。加工において、入射点IPを基準とした加工進行方向における先端部Waの位置「L」が「TL」よりも小さいと、ワイヤWの先端部Waの位置がレーザビームLBの照射範囲から外れやすくなる。つまり、「TL」は、先端部Waの位置が照射範囲からワイヤノズル163側に外れやすくなるときの閾値である。また、加工において、入射点IPを基準とした加工進行方向における先端部Waの位置「L」が「TH」よりも大きいと、ワイヤWの先端部Waの位置がレーザビームLBの照射範囲から外れやすくなる。つまり、「TH」は、先端部Waの位置が照射範囲からワイヤノズル163とは反対側に外れやすくなるときの閾値である。11 and 12 are diagrams for explaining how the additive manufacturing apparatus according to the second embodiment controls the position of the tip of the wire. In FIG. 11 and FIG. 12, a tip position maintenance range, which is a range in which the position of the tip Wa of the wire W is unlikely to deviate from the irradiation range of the laser beam LB, is set within the irradiation range of the laser beam LB. In the irradiation range of the laser beam LB on a surface including the processing direction and the wire W traveling direction, if the position of the incident point IP in the processing direction, in this example the X-axis direction, is set to 0, the tip position maintenance range is a range from "TL" to "TH". "TL" and "TH" are values that are greater than 0 and smaller than the diameter "R" of the laser beam LB. In processing, if the position "L" of the tip Wa in the processing direction based on the incident point IP is smaller than "TL", the position of the tip Wa of the wire W is likely to deviate from the irradiation range of the laser beam LB. In other words, "TL" is a threshold value when the position of the tip Wa is likely to deviate from the irradiation range to the
図11の(a)は、加工においてワイヤWの先端部Waの位置「L」が閾値「TH」よりも大きい状態を示している。この場合には、加工条件調整部403は、「L」が閾値「TH」よりも小さくなるように、プロセスパラメータを制御する。制御後は、(b)に示されるように、先端部Waの位置「L」が閾値「TH」よりも小さくなった状態となる。
Figure 11 (a) shows a state in which the position "L" of the tip Wa of the wire W during processing is greater than the threshold value "TH". In this case, the processing
加工条件調整部403で制御後の「L」を「L1a」とし、また、プロセスパラメータの供給速度の値「F」のみを制御した際の制御前の「F」を「F1」と置き、制御後の「F」を「F1a」と置くと、「F」の補正値は、(2)式を用いて次式(4)によって表される。
If "L" after control in the processing
F1a-F1=L1a・(K2・P1+K3・I1)/K1-F1 ・・・(4)F1a-F1=L1a・(K2・P1+K3・I1)/K1−F1...(4)
ここで、「P1」および「I1」はそれぞれレーザ出力値および電流値を示している。「F」の補正量は、加工条件調整部403から加算器41に入力され、ビード形状コントローラ39からの供給指令と加算される。供給速度を制御することで、ワイヤWの先端部Waの位置は閾値「TH」よりも小さくなり、先端部Waの位置が先端位置維持範囲に収まり、レーザビームLBの照射範囲から外れることを抑制する。Here, "P1" and "I1" indicate the laser output value and current value, respectively. The correction amount of "F" is input from the processing
次に、プロセスパラメータのレーザ出力値「P」のみを制御する場合を説明する。プロセスパラメータのレーザ出力値「P」のみを制御した後の「P」を「P1a」と置くと、「P」の補正値は、(2)式を用いて次式(5)によって表される。Next, we will explain the case where only the laser output value "P" of the process parameter is controlled. If "P" after controlling only the laser output value "P" of the process parameter is set to "P1a", the correction value of "P" is expressed by the following formula (5) using formula (2).
P1a-P1=(K1・F1-K3・I1・L1a)/(L1a・K2)-P1 ・・・(5)P1a-P1=(K1・F1-K3・I1・L1a)/(L1a・K2)-P1...(5)
「P」の補正量は、加工条件調整部403から加算器41に入力され、ビード形状コントローラ39からのレーザ出力指令と加算される。レーザ出力を制御することで、ワイヤWの先端部Waの位置は閾値「TH」よりも小さくなり、先端部Waの位置が先端位置維持範囲に収まり、レーザビームLBの照射範囲から外れることを抑制する。The correction amount of "P" is input from the processing
次に、プロセスパラメータの電流値「I」のみを制御する場合を説明する。プロセスパラメータの電流値「I」のみを制御した際の制御後の「I」を「I1a」と置くと、「I」の補正値は、(2)式を用いて次式(6)によって表される。Next, a case where only the current value "I" of the process parameter is controlled will be described. If "I" after control when only the current value "I" of the process parameter is controlled is set to "I1a", the correction value of "I" is expressed by the following equation (6) using equation (2).
I1a-I1=(K1・F1-K2・P1・L1a)/(L1a・K3)-I1 ・・・(6)I1a-I1=(K1・F1-K2・P1・L1a)/(L1a・K3)-I1...(6)
「I」の補正量は、加工条件調整部403から加算器41に入力され、ビード形状コントローラ39からの電流指令と加算される。電流値を制御することで、ワイヤWの先端部Waの位置は閾値「TH」よりも小さくなり、先端部Waの位置が先端位置維持範囲に収まり、レーザビームLBの照射範囲から外れることを抑制する。The correction amount of "I" is input from the processing
図12の(a)は、加工においてワイヤWの先端部Waの位置「L」が閾値「TL」よりも小さい状態を示している。この場合には、加工条件調整部403は、「L」が閾値「TL」よりも大きくなるように、プロセスパラメータを制御する。制御後は、(b)に示されるように、先端部Waの位置「L」が閾値「TL」よりも大きくなった状態となる。
Figure 12 (a) shows a state in which the position "L" of the tip Wa of the wire W during processing is smaller than the threshold value "TL". In this case, the processing
加工条件調整部403で制御後の「L」を「L2a」とし、また、プロセスパラメータの供給速度の値「F」のみを制御した際の制御前の「F」を「F2」と置き、制御後の「F」を「F2a」と置くと、「F」の補正値は、(2)式を用いて次式(7)によって表される。
If "L" after control in the processing
F2a-F2=L2a・(K2・P2+K3・I2)/K1-F2 ・・・(7)F2a-F2=L2a・(K2・P2+K3・I2)/K1-F2...(7)
ここで、「P2」および「I2」はそれぞれレーザ出力値および電流値を示している。「F」の補正量は、加工条件調整部403から加算器41に入力され、ビード形状コントローラ39からの供給指令と加算される。供給速度を制御することで、ワイヤWの先端部Waの位置は閾値「TL」よりも大きくなり、先端部Waの位置が先端位置維持範囲に収まり、レーザビームLBの照射範囲から外れることを抑制する。Here, "P2" and "I2" indicate the laser output value and current value, respectively. The correction amount of "F" is input from the processing
次に、プロセスパラメータのレーザ出力値「P」のみを制御する場合を説明する。プロセスパラメータのレーザ出力値「P」のみを制御した後の「P」を「P2a」と置くと、「P」の補正値は、(2)式を用いて次式(8)によって表される。Next, we will explain the case where only the laser output value "P" of the process parameter is controlled. If "P" after controlling only the laser output value "P" of the process parameter is set to "P2a", the correction value of "P" is expressed by the following equation (8) using equation (2).
P2a-P2=(K1・F2-K3・I2・L2a)/(L2a・K2)-P2 ・・・(8)P2a-P2=(K1・F2-K3・I2・L2a)/(L2a・K2)-P2...(8)
「P」の補正量は、加工条件調整部403から加算器41に入力され、ビード形状コントローラ39からのレーザ出力指令と加算される。レーザ出力を制御することで、ワイヤWの先端部Waの位置は閾値「TL」よりも大きくなり、先端部Waの位置が先端位置維持範囲に収まり、レーザビームLBの照射範囲から外れることを抑制する。The correction amount of "P" is input from the processing
次に、プロセスパラメータの電流値「I」のみを制御する場合を説明する。プロセスパラメータの電流値「I」のみを制御した際の制御後の「I」を「I2a」と置くと、「I」の補正値は、(2)式を用いて次式(9)によって表される。Next, a case where only the current value "I" of the process parameter is controlled will be described. If "I" after control when only the current value "I" of the process parameter is controlled is set to "I2a", the correction value of "I" is expressed by the following equation (9) using equation (2).
I2a-I2=(K1・F2-K2・P2・L2a)/(L2a・K3)-I2 ・・・(9)I2a-I2=(K1・F2-K2・P2・L2a)/(L2a・K3)-I2...(9)
「I」の補正量は、加工条件調整部403から加算器41に入力され、ビード形状コントローラ39からの電流指令と加算される。電流値を制御することで、ワイヤWの先端部Waの位置は閾値「TL」よりも大きくなり、先端部Waの位置が先端位置維持範囲に収まり、レーザビームLBの照射範囲から外れることを抑制する。The correction amount of "I" is input from the processing
図11および図12の場合において、レーザ出力値、供給速度および電流値の少なくとも1つを制御すれば、ワイヤWの先端部Waの位置を制御することができるが、レーザ出力値、供給速度および電流値の2つまたは3つを同時に制御してもよい。一例では、レーザ出力値を制御する際に、制御後のレーザ出力値がレーザ発振器11で出力可能な範囲よりも大きい場合には、供給速度または電流値を制御してもよい。このように、加工条件調整部403で補正量を出力するプロセスパラメータは、レーザ出力値、供給速度および電流値の少なくとも1つであればよい。11 and 12, the position of the tip Wa of the wire W can be controlled by controlling at least one of the laser output value, the supply speed, and the current value, but two or three of the laser output value, the supply speed, and the current value may be controlled simultaneously. In one example, when controlling the laser output value, if the laser output value after control is greater than the range that can be output by the laser oscillator 11, the supply speed or the current value may be controlled. In this way, the process parameter for which the processing
実施の形態2によると、積層造形装置1は、位置算出部401で算出した入射点IPを基準とした場合の加工進行方向における先端部Waの位置「L」に基づいてプロセスパラメータを制御することが可能となる。加工において位置算出部401が算出した「L」を基にプロセスパラメータを制御することで、先端部Waの位置がレーザビームLBの照射範囲に維持されて加工することが可能となる。また、ワイヤWの供給速度が大きくなったり、小さくなったりすることでワイヤWの先端位置がレーザビームLBの照射範囲外となることを抑制するため、供給速度と、レーザ出力値および電流値の少なくとも1つと、を調整しワイヤWの先端位置をレーザビームLBの照射範囲内にすることが可能となる。According to the second embodiment, the additive manufacturing device 1 is capable of controlling the process parameters based on the position "L" of the tip Wa in the processing progress direction when the incident point IP calculated by the
実施の形態3.
実施の形態1では、定数「Ki」は任意の方法によって決定可能とした。実施の形態3では、予備実験によって定数「Ki」を決定する方法について説明する。加工において実際に使用される造形材料および積層造形装置1を用いた予備実験の結果に基づいて定数「Ki」を決定することによって、積層造形装置1は、先端部Waの位置の高精度な推定が可能となる。実施の形態3では、実施の形態1,2と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態1,2とは異なる構成について主に説明する。
Embodiment 3.
In the first embodiment, the constant "Ki" can be determined by any method. In the third embodiment, a method of determining the constant "Ki" by a preliminary experiment is described. By determining the constant "Ki" based on the results of a preliminary experiment using the modeling material actually used in processing and the additive manufacturing device 1, the additive manufacturing device 1 is able to estimate the position of the tip portion Wa with high accuracy. In the third embodiment, the same components as those in the first and second embodiments are given the same reference numerals, and the configurations different from those in the first and second embodiments are mainly described.
実施の形態3では、積層造形装置1は、予備実験によって、供給速度の境界値とレーザ発振器11によるレーザ出力値と電源19の電流値との関係を求める。供給速度の境界値は、レーザビームLBへ向けて供給されたワイヤWが溶融せずにレーザビームLBを通り抜ける場合における供給速度の最小値である。位置算出部401は、供給速度の境界値とレーザ出力および電流値との関係に基づいて、定数「Ki」を算出する。具体的には、位置算出部401は、先端位置と、レーザ出力値、電流値および供給速度と、の関係を示す関数を用いて先端位置を算出する。また、位置算出部401は、レーザ出力値と、電流値と、このレーザ出力値および電流値の組におけるワイヤWの先端部Waが溶融することなくレーザビームLBの照射領域を通り抜けるときの積層造形装置1における供給速度の最小値と、の複数の組み合わせである境界情報を用いて、関数、すなわちワイヤWの先端部Waの位置「L」を算出する関数で使用される定数「Ki」を算出する。In the third embodiment, the additive manufacturing device 1 obtains the relationship between the boundary value of the supply speed, the laser output value by the laser oscillator 11, and the current value of the
ここで、予備実験について説明する。図13は、実施の形態3に係る積層造形装置における供給速度の境界値とレーザ出力と電流値との関係を求める予備実験の一例を説明する図である。Here, we will explain the preliminary experiment. Figure 13 is a diagram that explains an example of a preliminary experiment to determine the relationship between the boundary value of the supply speed, the laser output, and the current value in an additive manufacturing device according to embodiment 3.
予備実験において、加工ヘッド14を、加工時における位置よりも鉛直上方の位置にて静止させる。積層造形装置1は、加工ヘッド14を静止させたまま任意のレーザ出力でレーザビームLBを照射して、レーザビームLBの方へワイヤWを供給する。図13には、レーザ出力指令値および電流指令値をある値として、供給速度指令値を互いに異ならせた2つの場合においてワイヤWを供給した状態を示している。図13の(b)のケースでは、(a)のケースと比べて、供給速度が大きい。In a preliminary experiment, the
(a)のケースでは、ワイヤWに電流のジュール熱が入熱されており、ワイヤWがレーザビームLBへ突入したときからレーザビームLBを通り抜けるよりも前に、ワイヤWの先端部Waが溶融する。ワイヤWの先端部Waには、ドロップ81が形成される。積層造形装置1は、図13における(a)のケースから供給速度を順次上げてワイヤWを供給することを繰り返す。ワイヤWの供給速度がある値よりも大きくなると、(b)のケースに示されるように、ワイヤWは、先端部Waが溶融することなく、レーザビームLBを通り抜けるようになる。レーザビームLBを通り抜け始めたときのワイヤWの供給速度が、境界値である。つまり、このときの境界値は、先端部Waが溶融することなくレーザビームLBを通り抜けるときのワイヤWの供給速度の最小値である。このようにして、積層造形装置1は、レーザ出力指令値および電流指令値に対応する境界値を求める。ワイヤWがレーザビームLBを通り抜けたか否かの判定には、各種センサによる検出結果を使用することができる。In the case of (a), Joule heat of the current is input to the wire W, and the tip Wa of the wire W melts from when the wire W enters the laser beam LB until it passes through the laser beam LB. A
積層造形装置1は、境界値を取得するための上記動作を、レーザ出力指令値および電流指令値を変化させながら複数回繰り返す。これによって、積層造形装置1は、レーザ出力指令値P_Nと電流指令値I_Nと供給速度の境界値F_Nとの組である(P_N,I_N,F_N)を複数求める。ここで、「N」は、境界値を取得するための上記動作であるサンプリングの回数を表し、2以上の任意の整数である。積層造形装置1は、複数の(P_N,I_N,F_N)を境界情報として保持する。The additive manufacturing device 1 repeats the above operation for obtaining the boundary value multiple times while changing the laser output command value and the current command value. In this way, the additive manufacturing device 1 obtains multiple (P_N, I_N, F_N) pairs of laser output command value P_N, current command value I_N, and supply speed boundary value F_N. Here, "N" represents the number of sampling operations for obtaining the boundary value, and is any integer equal to or greater than 2. The additive manufacturing device 1 holds multiple (P_N, I_N, F_N) as boundary information.
ここで、境界情報である複数の(P_N,I_N,F_N)の各々のワイヤWの先端部Waの位置「L」はレーザビームLBの直径「R」に相当し、(2)式を満足する。積層造形装置1の位置算出部401は、複数の(P_N,I_N,F_N)と(2)式との関係を基に、最小二乗法によって定数「Ki」を算出する。Here, the position "L" of the tip Wa of each of the multiple (P_N, I_N, F_N) wires W, which is the boundary information, corresponds to the diameter "R" of the laser beam LB and satisfies equation (2). The
積層造形装置1の位置算出部401は、算出された定数「Ki」を用いた演算によって、ワイヤWの先端部Waの位置「L」を算出する。定数「Ki」の算出は、積層造形装置1において過去に使用していたワイヤWとは異なる材料のワイヤWを使用する加工が行われる前に実施される。定数「Ki」の算出は、積層造形装置1の製造時に実施されてもよい。なお、ここでは、(2)式を用いたが、(2)式を使用しなくても変数「F」、「P」、「I」の増加または減少によって「L」の増加または減少の対応が(2)式と同じ性質となる関数が用いられればよい。一例では、(2)式の代わりに次式(10)のような式を用いてもよい。The
L=K1・F/(K2・P+K3・I2)+K4 ・・・(10) L=K1・F/(K2・P+K3・I 2 )+K4...(10)
(10)式は(2)式と同様に、以下の性質がある。供給速度「F」が大きい値になると「L」が大きい値になる。レーザ出力「P」が大きい値になると「L」が小さい値になる。電流値「I」が大きい値になると「L」が小さい値になる。 Equation (10), like equation (2), has the following properties: When the supply speed "F" becomes larger, "L" becomes larger. When the laser output "P" becomes larger, "L" becomes smaller. When the current value "I" becomes larger, "L" becomes smaller.
実施の形態3の方法によると、位置算出部401は、ワイヤWの物性値と、供給速度と、ビーム出力値と、電流値と、に基づいてワイヤWの先端位置を算出する。このように、ワイヤWの供給速度と、ビーム出力値と、電流値と、ワイヤWの物性値およびワイヤWの進行方向を含むパラメータからワイヤWの先端位置の算出が可能になる。つまり、実際に使用されるワイヤWおよび積層造形装置1について、ワイヤWの物性値と、ワイヤWの進行方向などの機械パラメータと、がまとめられた定数「Ki」を算出することができる。積層造形装置1は、実際に使用されるワイヤWの物性値、および実際に使用される積層造形装置1のプロセスパラメータに対して、定数「Ki」の誤差を少なくすることができる。これによって、積層造形装置1は、先端部Waの位置の高精度な推定が可能となる。According to the method of the third embodiment, the
実施の形態4.
実施の形態4では、積層造形装置1が加工開始時にプロセスパラメータを制御する方法を説明する。ビームの出射が開始される時点である加工開始時において、プロセスパラメータを制御することで、開始時のスタブ現象、スパッタ、造形物の積層不足といった加工不良を抑制することが可能となる。実施の形態4では、実施の形態1から3と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態1から3とは異なる構成について主に説明する。
Embodiment 4.
In the fourth embodiment, a method for controlling the process parameters at the start of processing by the additive manufacturing apparatus 1 will be described. By controlling the process parameters at the start of processing, which is the time when beam emission starts, it is possible to suppress processing defects such as stub phenomenon, sputtering, and insufficient lamination of the molded object at the start of processing. In the fourth embodiment, the same components as those in the first to third embodiments are given the same reference numerals, and the configurations different from those in the first to third embodiments will be mainly described.
図14は、実施の形態4に係る積層造形装置を制御するNC装置の機能構成の一例を示す図である。図14のNC装置は、図3に示される積層造形装置1を制御するNC装置23の機能構成に、造形開始時加工条件調整部404が追加されている。
Figure 14 is a diagram showing an example of the functional configuration of an NC device that controls the additive manufacturing device according to embodiment 4. The NC device in Figure 14 has a manufacturing start processing condition adjustment unit 404 added to the functional configuration of the
フィードフォワードコントローラ40は、造形開始時加工条件調整部404をさらに有する。造形開始時加工条件調整部404は、加工開始から予め定めた時間、ワイヤWの供給速度、電流値、およびワイヤWの供給軸の移動速度の少なくとも1つを漸次的に上昇させるように動作させる。ワイヤWの供給軸の移動速度は、この例では、ワイヤノズル163は加工ヘッド14に固定されているので、加工ヘッド14の移動速度に対応する。また、造形開始時加工条件調整部404は、ワイヤWの供給速度、電流値、およびワイヤWの供給軸の移動速度の少なくとも1つを上昇させた後、予め定めた時間、供給速度、電流値およびワイヤWの供給軸の移動速度を定常値に維持する。The
図15および図16は、実施の形態4に係る積層造形装置の加工開始時のプロセスパラメータの指令値の時間的変化の一例を示す図である。プロセスパラメータは、レーザ発振器11によるレーザ出力値、電源出力制御器21による電流値、並びに駆動制御器22によるワイヤWの供給速度および加工ヘッド14の軸速度である。加工ヘッド14の軸速度は、造形材料の供給軸の移動速度に対応する。電流値は電圧値であってもよい。造形物は、プロセスパラメータであるレーザ出力値、供給速度、電流値および軸速度がそれぞれ定常値である「P_fin」、「F_fin」、「I_fin」、「Fwir_fin」の値で加工される。
Figures 15 and 16 are diagrams showing an example of the temporal change in the command values of the process parameters at the start of processing by the additive manufacturing device of embodiment 4. The process parameters are the laser output value by the laser oscillator 11, the current value by the power output controller 21, and the supply speed of the wire W by the
図15は、加工開始時にレーザ出力値、供給速度、電流値および軸速度のプロセスパラメータの値として「P_fin」、「F_fin」、「I_fin」、「Fwir_fin」を出力指令して加工を行った際のプロセスパラメータの時間的変化の一例を示す図である。図16は、加工開始時に、レーザ出力値のプロセスパラメータの値として「P_fin」を出力指令し、供給速度、電流値および軸速度のプロセスパラメータの値を、加工開始から「F_fin」、「I_fin」、「Fwir_fin」まで漸次的に増加させつつ出力指令した際のプロセスパラメータの時間的変化を示す図である。また、供給速度、電流値および軸速度のプロセスパラメータの値を漸次的に増加させた後、予め定めた時間、供給速度、電流値および軸速度を定常時に維持する。なお、図16について、漸次的に増加させるプロセスパラメータは供給速度、電流値および軸速度の少なくともいずれか1つであればよい。この際、漸次的に増加させないプロセスパラメータは加工開始時に造形物を加工する値を出力してもよい。複数のプロセスパラメータを漸次的に増加させる際には、造形物を加工する値に到達する時間は、同時でなくてもよい。また、レーザ出力も漸次的に増加させてもよい。 Figure 15 is a diagram showing an example of the change over time of the process parameters when processing is performed by outputting "P_fin", "F_fin", "I_fin", and "Fwir_fin" as the process parameter values of the laser output value, the supply speed, the current value, and the axis speed at the start of processing. Figure 16 is a diagram showing the change over time of the process parameters when outputting "P_fin" as the process parameter value of the laser output value at the start of processing, and outputting the process parameter values of the supply speed, the current value, and the axis speed while gradually increasing them from the start of processing to "F_fin", "I_fin", and "Fwir_fin". In addition, after gradually increasing the values of the process parameters of the supply speed, the current value, and the axis speed, the supply speed, the current value, and the axis speed are maintained in a steady state for a predetermined time. Note that, in FIG. 16, the process parameter that is gradually increased may be at least one of the supply speed, the current value, and the axis speed. In this case, the process parameter that is not gradually increased may be a value that processes the object at the start of processing. When a plurality of process parameters are gradually increased, the times at which they reach the values at which the object is processed do not have to be simultaneous. Also, the laser output may be gradually increased.
図17は、実施の形態4に係る積層造形装置の加工開始時のプロセスパラメータの指令値の時間的変化の他の例を示す図である。ステップS11は加工開始時を示す。ステップS11ではレーザ出力値が「P_ini」となるように出力指令する。「P_ini」の値は供給速度が「F_ini」でスタブ現象およびドロップ現象を起こさない条件であることが望ましい。「P_ini」は、「P_fin」の1/2以上2/3以下であることが望ましい。ステップS11において、他のプロセスパラメータは「0」のままである。 Figure 17 is a diagram showing another example of the change over time in the command values of the process parameters at the start of processing in the additive manufacturing device of embodiment 4. Step S11 shows the start of processing. In step S11, an output command is issued so that the laser output value becomes "P_ini". It is desirable that the value of "P_ini" is a condition in which the supply speed is "F_ini" and no stub or drop phenomenon occurs. It is desirable that "P_ini" is greater than or equal to 1/2 and less than or equal to 2/3 of "P_fin". In step S11, the other process parameters remain at "0".
ステップS12では、レーザ出力値、供給速度、電流値および軸速度を漸次的に増加させる。レーザ出力によって先に入熱され、溶融した造形材料が被加工物に積層され始めている状態であり、ドロップ現象の発生の抑制のため、供給速度については「F_ini」の値を出力指令し、「F_ini」から漸次的に増加させながら、被加工物に造形材料を供給する。「F_ini」の値は造形材料の物性値およびプロセスパラメータの値にも依存するが、「F_fin」の1/10以上1/2以下であることが望ましい。レーザ出力値は、「P_ini」から漸次的に増加させ、電流値および軸速度は「0」から漸次的に増加させる。In step S12, the laser output value, supply speed, current value, and shaft speed are gradually increased. The molten modeling material, which has been heated by the laser output, is beginning to be layered on the workpiece. In order to prevent the drop phenomenon from occurring, the supply speed is commanded to output the value of "F_ini" and gradually increased from "F_ini" while supplying the modeling material to the workpiece. The value of "F_ini" depends on the physical properties of the modeling material and the process parameters, but it is desirable that it is 1/10 or more and 1/2 or less of "F_fin". The laser output value is gradually increased from "P_ini", and the current value and shaft speed are gradually increased from "0".
ステップS13では、電流値が「I_fin」に達する。ステップS14では、漸次的に増加させた供給速度、軸速度およびレーザ出力がそれぞれ「F_fin」、「Fwir_fin」および「P_fin」に達する。造形物のプロセスパラメータである供給速度および軸速度がそれぞれ「F_fin」および「Fwir_fin」に達するよりも先に電流値が「I_fin」に達することで、供給速度に対して造形材料の先端部Waの位置が被加工物に衝突するスタブ現象を抑制する。In step S13, the current value reaches "I_fin". In step S14, the gradually increased supply speed, shaft speed and laser output reach "F_fin", "Fwir_fin" and "P_fin", respectively. The current value reaches "I_fin" before the supply speed and shaft speed, which are the process parameters of the model, reach "F_fin" and "Fwir_fin", respectively, thereby suppressing the stub phenomenon in which the position of the tip Wa of the modeling material collides with the workpiece relative to the supply speed.
このように、造形開始時加工条件調整部40は、加工開始時に、供給速度、電流値およびワイヤWの供給軸の移動速度を0にした状態でレーザ出力値を定常値よりも低い値に維持した後、レーザ出力値、供給速度、電流値およびワイヤWの供給軸の移動速度を定常値まで漸次的に上昇させるようにしてもよい。In this way, the processing
図18は、実施の形態4に係る積層造形装置の加工開始時においてプロセスパラメータを図15に示す時間的変化で変化させたときの造形物を形成する様子の一例を説明する模式図である。図18には、図15の時間的変化でプロセスパラメータを出力した際の加工開始時の様子が示されている。ワイヤWが被加工物である基材91へ供給されており、レーザビームLBがワイヤWの先端部Waに照射されている。ワイヤWに電源19からの電流が導通されており、ジュール熱でワイヤWに入熱されている。加工開始時に電流値「I_fin」を出力すると急激にワイヤWに電流が流れるため突発電流が発生する。突発電流が発生することによって、ワイヤWと被加工物との間で溶融した造形材料が飛散するスパッタ85が発生する。スパッタ85は、被加工物の加工品質に影響を及ぼす。また、加工開始時に供給速度を「F_fin」出力すると、加工開始時はワイヤWが溶融し始めの状態であるため、ワイヤWの先端部Waが被加工物に衝突するスタブ現象を発生させる。また、加工開始時に軸速度を「Fwir_fin」出力すると、加工開始時はワイヤWが溶融しづらい状態であるため、造形物の始端部で積層物の幅、高さが他の箇所より小さくなる加工となる。このように、積層造形装置1で加工開始時にプロセスパラメータを造形物の加工値に出力すると造形物の加工品質に影響を与える。
Figure 18 is a schematic diagram illustrating an example of the state of forming a model when the process parameters are changed with the time change shown in Figure 15 at the start of processing of the additive manufacturing device according to embodiment 4. Figure 18 shows the state at the start of processing when the process parameters are output with the time change of Figure 15. The wire W is supplied to the
図19は、実施の形態4に係る積層造形装置の加工開始時においてプロセスパラメータを図16に示す時間的変化で変化させたときの造形物を形成する様子の一例を説明する模式図である。図19には、図16の時間的変化でプロセスパラメータを出力した際の加工開始時の様子が示されている。ワイヤWが被加工物である基材91へ供給されており、レーザビームLBが先端部Waに照射されている。加工開始から電流値を漸次的に「I_fin」まで増加させて、ワイヤWにジュール熱で入熱を行う。電流を徐々に増加させることで、ワイヤWと被加工物とに大きな電流が流れることを抑制し、スパッタ85の抑制になる。加工開始から供給速度を漸次的に「F_fin」まで増加させる。供給速度を徐々に増加させることで、造形物の始端部における溶融前のワイヤWの先端部Waが被加工物に衝突するスタブ現象を抑制することができる。加工開始から軸速度を漸次的に「Fwir_fin」まで増加させる。軸速度を徐々に増加させることで、ワイヤWの溶融位置が定常状態に達しておらず、造形材料の溶融速度が加工の定常状態と比較して低い始端部において、定常状態時に近い、十分な幅および高さの積層物を積層することができる。このように、積層造形装置1で加工開始時に電流値、供給速度、軸速度を漸次的に増加させることで造形物の加工品質を保つことが可能となる。
Figure 19 is a schematic diagram illustrating an example of how a molded object is formed when the process parameters are changed with the time change shown in Figure 16 at the start of processing by the additive manufacturing device according to embodiment 4. Figure 19 shows the state at the start of processing when the process parameters are output with the time change in Figure 16. The wire W is supplied to the
実施の形態4によると、積層造形装置1の造形開始時加工条件調整部404が、加工開始から予め定めた時間、供給速度、電流値およびワイヤWの供給軸の移動速度の少なくとも1つのプロセスパラメータを漸次的に上昇させるように制御する。加工開始時において、プロセスパラメータを制御することで、加工開始時の造形材料が溶融していないことによるスタブ現象の発生を抑止し、また始端部における造形物の高さおよび幅が他の箇所よりも小さい状態になったり、突発電流によるスパッタ85が発生したりするといった加工不良を抑制することが可能となる。According to the fourth embodiment, the start-of-modeling processing condition adjustment unit 404 of the additive manufacturing device 1 controls at least one of the process parameters, the supply speed, the current value, and the movement speed of the supply axis of the wire W, to be gradually increased for a predetermined time from the start of processing. By controlling the process parameters at the start of processing, it is possible to prevent the occurrence of a stub phenomenon caused by the modeling material not being melted at the start of processing, and to prevent processing defects such as the height and width of the model at the starting end being smaller than other parts, and the occurrence of
実施の形態5.
実施の形態1から4では、加工基準点RPの位置を制御したとしても、被加工物の形状または加工基準点RPの移動方向によっては、ワイヤWがビード93に衝突する場合がある。実施の形態5では、ワイヤWがビード93に衝突した際に、衝突を検知し、プロセスパラメータを制御する方法について説明する。実施の形態5では、上記の実施の形態1から4と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態1から4とは異なる構成について主に説明する。
Embodiment 5.
In the first to fourth embodiments, even if the position of the machining reference point RP is controlled, the wire W may collide with the
図20は、実施の形態5に係る積層造形装置によってビードを造形する様子の一例を説明する図である。積層造形装置1は、ワイヤノズル163に取り付けられた負荷検知部26をさらに備える。負荷検知部26は、被加工物からワイヤWに加わる負荷力を検知する。負荷力は、ワイヤWに加わる力、モーメント、圧力、ひずみなどである。負荷検知部26の一例は、力およびモーメントを測定する力センサ、あるいはワイヤノズル163のひずみを検知するひずみゲージである。ワイヤWの先端部Waが被加工物、一例では基材91に衝突しワイヤWに力およびモーメントの負荷力がかかる。ワイヤWにかかる負荷力はワイヤノズル163を通して負荷検知部26に伝わり、負荷検知部26は負荷力を検知する。負荷検知部26で検知できるのは先端部Waに加わる負荷力だけではなく、ワイヤWにかかる力およびモーメントも検知することができる。一例では、ワイヤWの側面に加工時のスパッタ85が付着したり、または被加工物がワイヤWに接触したりした際に、ワイヤWからワイヤノズル163へ力およびモーメントが加わるため、負荷検知部26で検知することができる。
Figure 20 is a diagram illustrating an example of how a bead is formed by the additive manufacturing device according to the fifth embodiment. The additive manufacturing device 1 further includes a
図20はワイヤWの供給速度が大きい、レーザ出力が小さい、または電流値が小さい場合の様子を示している。図20では、ワイヤWの供給速度が大きく、あるいはレーザ出力または電流値が小さく、入熱が小さいため、ワイヤWの先端部Waの位置が被加工物と衝突しスタブ現象を生じる。図20の(a)はスタブ現象が発生する前の加工の様子を示しており、(b)はスタブ現象が発生した後の加工の様子を示している。(b)の加工の状態のとき、ワイヤWの先端位置が被加工物に衝突しているため、負荷検知部26は先端位置の負荷力を検知する。
Figure 20 shows the situation when the wire W supply speed is high, the laser output is low, or the current value is low. In Figure 20, because the wire W supply speed is high, or the laser output or current value is low, and the heat input is small, the position of the tip Wa of the wire W collides with the workpiece, causing the stub phenomenon. Figure 20 (a) shows the state of machining before the stub phenomenon occurs, and (b) shows the state of machining after the stub phenomenon occurs. In the machining state of (b), the tip position of the wire W collides with the workpiece, so the
図21は、スタブ現象発生時前後の負荷検知部で検知した負荷力の一例を示す図である。この図で横軸は時刻を示し、縦軸は負荷力を示している。時刻t10でスタブ現象が発生したものとすると、スタブ現象の発生後は、負荷検知部26は、ワイヤWの先端部Waにかかる負荷力を検知する。このようにして、積層造形装置1は加工時にスタブ現象が発生した際、負荷検知部26でワイヤWの先端部Waと被加工物との接触を検知することができる。
Figure 21 is a diagram showing an example of the load force detected by the load detection unit before and after the stub phenomenon occurs. In this diagram, the horizontal axis indicates time and the vertical axis indicates the load force. If we assume that the stub phenomenon occurs at time t10, after the stub phenomenon occurs, the
図22は、実施の形態5に係る積層造形装置を制御するNC装置の機能構成の一例を示す図である。図22は、図3に示される積層造形装置1を制御するNC装置23の機能構成にスタブ抑制補正部42が追加されている。
Figure 22 is a diagram showing an example of the functional configuration of an NC device that controls the additive manufacturing device according to embodiment 5. In Figure 22, a stub suppression correction unit 42 is added to the functional configuration of the
NC装置23は、入力された負荷力に基づいてレーザ出力値、供給速度および電流値の少なくとも1つを制御するスタブ抑制補正部42をさらに備える。スタブ抑制補正部42には、負荷検知部26で検知した負荷力が入力される。具体的には、スタブ抑制補正部42は、入力された負荷力に基づいてレーザ出力指令、供給指令および電流指令の補正量を算出する。一例では、スタブ抑制補正部42は、少なくとも供給指令の補正量を算出するものであってもよい。スタブ抑制補正部42は、補正量の算出結果を加算器41へ入力する。スタブ抑制補正部42は、レーザ出力指令、供給指令および電流指令のうちの少なくとも1つの補正量を算出すればよいが、補正量を算出しなかったものについては、補正量を0として扱えばよい。
The
加算器41は、ビード形状コントローラ39が出力したレーザ出力指令、供給指令および電流指令にそれぞれ補正量を加算する。加算器41は、制御後のレーザ出力値、供給速度および電流値のプロセスパラメータをそれぞれレーザ出力制御器12、ワイヤ供給駆動部222および電源出力制御器21へと出力する。スタブ抑制補正部42と加算器41とは、負荷検知部26によって検知された負荷力に基づいて、レーザ出力値、供給速度および電流値の少なくとも1つを制御するスタブ抑制補正処理部に対応する。The
スタブ抑制補正部42で出力する補正量は負荷検知部26で検知した負荷力によって求められる。一例では、負荷力からレーザ出力を算出する式は、次式(11)によって示される。The correction amount output by the stub suppression correction unit 42 is determined by the load force detected by the
DP=-K_dp×Force ・・・(11)DP=-K_dp×Force...(11)
ここで、「DP」は、レーザ出力の補正量を意味する。「Force」は負荷力を意味する。「K_dp」は、レーザ出力の補正量を算出する際の比例定数を意味する。負荷力「Force」は、負荷検知部26が先端部Waの位置からワイヤノズル163への向きでワイヤWの方向に加わる力である。「K_dp」には、加工中にスタブ現象が見られた場合には正の値が入力される。また、「K_dp」には、加工中にスタブ現象が見られなければ、0が入力されてもよい。負荷力から供給速度および電流値を算出する式は、それぞれ次式(12)、(13)によって示される。Here, "DP" means the correction amount of the laser output. "Force" means the load force. "K_dp" means the proportional constant when calculating the correction amount of the laser output. The load force "Force" is the force applied by the
DF=-K_ff×Force ・・・(12)
DI=K_if×Force ・・・(13)
DF=-K_ff×Force...(12)
DI=K_if×Force...(13)
ここで、「DF」、「DI」はそれぞれ供給速度および電流値の補正量を示す。「K_ff」、「K_if」はそれぞれ供給速度および電流値の補正量を算出する際の比例定数を意味する。「K_ff」、「K_if」には、加工中にスタブ現象が見られた場合には、正の値が入力される。また、「K_ff」、「K_if」には、加工中にスタブ現象が見られなければ、0が入力されてもよい。スタブ抑制補正部42は、(11)式から(13)式の少なくとも1つを使用していればよい。 Here, "DF" and "DI" indicate the correction amount of the supply speed and the current value, respectively. "K_ff" and "K_if" respectively mean the proportional constants used when calculating the correction amount of the supply speed and the current value. If a stub phenomenon is observed during machining, a positive value is input to "K_ff" and "K_if". Also, if a stub phenomenon is not observed during machining, 0 may be input to "K_ff" and "K_if". The stub suppression correction unit 42 may use at least one of equations (11) to (13).
実施の形態5では、負荷検知部26でワイヤWにかかる負荷力を検知し、スタブ抑制補正部42で、検知された負荷力に基づいて、レーザ出力指令、供給指令および電流指令の少なくとも1つを補正する補正量を算出する。そして、加算器41は、ビード形状コントローラ39から出力されるレーザ出力指令、供給指令および電流指令の少なくとも1つに算出した補正量を加算する。これによって、スタブ現象の検知が可能となり、スタブ現象検知後の加工条件の調整が可能となる。つまり、スタブ現象の検知後に、ワイヤWの先端部Waの位置が先端位置維持範囲に収まるように、加工条件を制御することが可能となる。In the fifth embodiment, the
加工条件調整部403、造形開始時加工条件調整部404、スタブ抑制補正部42などの動作は、構成要素ごとに、別の装置が行ってもよいし、複数の構成要素の動作を、1つの装置が同時または異なる時刻に行ってもよい。一例では、造形開始時加工条件調整部404は、位置算出部401、加工条件調整部403などと同一の装置によって構成されてもよいし、構成要素ごとに異なる装置によって構成されてもよい。なお、上記の装置は、プロセッサ、メモリまたはこれらを一体化させたものである電子計算機を含む装置である場合がある。The operations of the processing
次に、NC装置23が有するハードウェア構成について説明する。NC装置23の機能は、積層造形装置1の制御を実行するためのプログラムである制御プログラムがハードウェアを用いて実行されることによって実現される。Next, we will explain the hardware configuration of the
図23は、実施の形態1から5に係る積層造形装置が有するNC装置のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。NC装置23は、各種処理を実行するCPU301と、データ格納領域を含むRAM302と、不揮発性メモリであるROM303と、記憶装置304と、NC装置23への情報の入力およびNC装置23からの情報の出力のための入出力インタフェース305と、を有する。図23に示す各部は、バス306を介して相互に接続されている。
Figure 23 is a block diagram showing an example of the hardware configuration of an NC device of the additive manufacturing device according to embodiments 1 to 5. The
CPU301は、ROM303または記憶装置304に記憶されているプログラムを実行する。NC装置23による積層造形装置1の全体の制御は、CPU301を使用して実現される。The CPU 301 executes a program stored in the
記憶装置304は、HDD(Hard Disk Drive)またはSSD(Solid State Drive)である。記憶装置304は、制御プログラムと各種データとを記憶する。ROM303には、NC装置23であるコンピュータまたはコントローラの基本となる制御のためのプログラムであるBIOS(Basic Input/Output System)あるいはUEFI(Unified Extensible Firmware Interface)といったブートローダであって、ハードウェアを制御するソフトウェアまたはプログラムが記憶されている。なお、制御プログラムは、ROM303に記憶されてもよい。The storage device 304 is a hard disk drive (HDD) or a solid state drive (SSD). The storage device 304 stores a control program and various data. The
ROM303および記憶装置304に記憶されているプログラムは、RAM302にロードされる。CPU301は、RAM302に制御プログラムを展開して各種処理を実行する。入出力インタフェース305は、NC装置23の外部の装置との接続インタフェースである。入出力インタフェース305には、加工プログラム31、CADデータ等が入力される。また、入出力インタフェース305は、各種指令を出力する。NC装置23は、キーボードおよびポインティングデバイスといった入力デバイス、およびディスプレイといった出力デバイスを有してもよい。
The programs stored in
制御プログラムは、コンピュータによる読み取りが可能とされた記憶媒体に記憶されたものであってもよい。NC装置23は、記憶媒体に記憶された制御プログラムを記憶装置304へ格納してもよい。記憶媒体は、フレキシブルディスクである可搬型記憶媒体、あるいは半導体メモリであるフラッシュメモリであってもよい。制御プログラムは、他のコンピュータあるいはサーバ装置から通信ネットワークを介して、NC装置23となるコンピュータあるいはコントローラへインストールされてもよい。The control program may be stored in a storage medium that can be read by a computer. The
NC装置23の機能は、積層造形装置1の制御のための専用のハードウェアである処理回路によって実現されてもよい。処理回路は、単一回路、複合回路、プログラム化されたプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、FPGA(Field-Programmable Gate Array)、またはこれらの組み合わせである。NC装置23の機能は、一部を専用のハードウェアで実現し、他の一部をソフトウェアまたはファームウェアで実現するようにしてもよい。The functions of the
以上の実施の形態に示した構成は、一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、実施の形態同士を組み合わせることも可能であるし、要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。 The configurations shown in the above embodiments are merely examples, and may be combined with other known technologies, or the embodiments may be combined with each other. Also, parts of the configurations may be omitted or modified without departing from the spirit of the invention.
1 積層造形装置、11 レーザ発振器、12 レーザ出力制御器、13 ファイバーケーブル、14 加工ヘッド、15 ガス流量調整器、16 造形材料供給部、17 回転部材、18 回転機構、19 電源、20 導線、21 電源出力制御器、22 駆動制御器、23 NC装置、24 ビード状態検知部、25 変位量測定部、26 負荷検知部、31 加工プログラム、32 プログラム解析部、33 加工条件テーブル記憶部、34 加工条件設定部、35 軸指令生成部、36 レーザ指令生成部、37 供給指令生成部、38 電源指令生成部、39 ビード形状コントローラ、40 フィードフォワードコントローラ、41 加算器、42 スタブ抑制補正部、81 ドロップ、82 リンク、85 スパッタ、91 基材、93,93a,93b ビード、94 溶融ビード、96 溶融池、161 ワイヤスプール、162 回転モータ、163 ワイヤノズル、221 ヘッド駆動部、222 ワイヤ供給駆動部、223 ステージ駆動部、401 位置算出部、402 補正量算出部、403 加工条件調整部、404 造形開始時加工条件調整部、931 凹部、C 中心線、G シールドガス、IP 入射点、LB レーザビーム、RP 加工基準点、W ワイヤ、Wa 先端部。1 Additive manufacturing device, 11 Laser oscillator, 12 Laser output controller, 13 Fiber cable, 14 Processing head, 15 Gas flow rate regulator, 16 Modeling material supply unit, 17 Rotating member, 18 Rotating mechanism, 19 Power supply, 20 Conductor, 21 Power output controller, 22 Drive controller, 23 NC device, 24 Bead state detection unit, 25 Displacement amount measurement unit, 26 Load detection unit, 31 Processing program, 32 Program analysis unit, 33 Processing condition table storage unit, 34 Processing condition setting unit, 35 Axis command generation unit, 36 Laser command generation unit, 37 Supply command generation unit, 38 Power command generation unit, 39 Bead shape controller, 40 Feedforward controller, 41 Adder, 42 Stub suppression correction unit, 81 Drop, 82 Link, 85 Sputter, 91 Base material, 93, 93a, 93b Bead, 94 molten bead, 96 molten pool, 161 wire spool, 162 rotation motor, 163 wire nozzle, 221 head drive unit, 222 wire supply drive unit, 223 stage drive unit, 401 position calculation unit, 402 correction amount calculation unit, 403 processing condition adjustment unit, 404 processing condition adjustment unit at start of molding, 931 recess, C center line, G shielding gas, IP incidence point, LB laser beam, RP processing reference point, W wire, Wa tip portion.
Claims (12)
前記造形材料に電流を流す電流供給部と、
前記造形材料を被加工物へ供給する造形材料供給部と、
前記ビームの照射および通電によるジュール熱によって前記造形材料が前記被加工物上で溶融、固化した下地のビードの状態を示す情報であるビード状態情報を取得し、前記ビード状態情報にしたがって、前記下地のビード上に形成される新たなビードが決められた高さおよび幅を有するように前記ビームの出力値、前記通電時の電流値および前記造形材料の供給速度の少なくとも1つを制御するビード形状制御部と、
前記造形材料のうち前記ビームの照射および通電によるジュール熱によって温度が前記造形材料の融点に到達した部分の位置である先端位置を、前記造形材料の供給速度、前記ビームの出力値および前記通電時の電流値に基づいて算出する位置算出部と、
を備えることを特徴とする積層造形装置。 A beam heat source supply unit that outputs a beam that melts the modeling material;
A current supply unit that supplies a current to the modeling material;
A modeling material supply unit that supplies the modeling material to a workpiece;
a bead shape control unit that acquires bead state information, which is information indicating the state of a base bead formed by melting and solidifying the modeling material on the workpiece by Joule heat caused by irradiation of the beam and energization, and controls at least one of the output value of the beam, the current value during energization, and the supply speed of the modeling material according to the bead state information so that a new bead formed on the base bead has a predetermined height and width;
a position calculation unit that calculates a tip position of a portion of the modeling material whose temperature has reached a melting point of the modeling material due to Joule heat caused by irradiation of the beam and energization, based on a supply speed of the modeling material, an output value of the beam, and a current value during the energization;
An additive manufacturing apparatus comprising:
前記補正部は、前記位置算出部が算出した前記先端位置に基づいて前記加工基準点の位置を制御することを特徴とする請求項1に記載の積層造形装置。 A correction unit controls the position of a processing reference point, which is an intersection of a center line of the beam output from the beam heat source supply unit and a traveling direction of the modeling material supplied from the modeling material supply unit, at least in a stacking direction, which is a direction in which the bead is stacked on the workpiece,
The layered manufacturing apparatus according to claim 1 , wherein the correction unit controls the position of the processing reference point based on the tip position calculated by the position calculation unit.
前記先端位置と、前記ビームの出力値、前記電流値および前記供給速度と、の関係を示す関数を用いて前記先端位置を算出し、
前記ビームの出力値と、前記電流値と、この前記ビームの出力値および前記電流値の組における前記造形材料の先端部が溶融することなく前記ビームの照射領域を通り抜けるときの前記積層造形装置における前記供給速度の最小値と、の複数の組み合わせである境界情報を用いて、前記関数で使用される定数を算出することを特徴とする請求項1または2に記載の積層造形装置。 The position calculation unit is
calculating the tip position using a function indicating a relationship between the tip position and the output value, the current value, and the supply speed of the beam;
The additive manufacturing device according to claim 1 or 2, characterized in that the constants used in the function are calculated using boundary information which is a plurality of combinations of the beam output value, the current value, and the minimum value of the supply speed in the additive manufacturing device when the tip of the modeling material for this combination of the beam output value and the current value passes through the beam irradiation area without melting.
前記造形材料に電流を流す電流供給部と、
前記造形材料を被加工物へ供給する造形材料供給部と、
前記ビームの照射および通電によるジュール熱によって前記造形材料が前記被加工物上で溶融、固化した下地のビードの状態を示す情報であるビード状態情報を取得し、前記ビード状態情報にしたがって、前記下地のビード上に形成される新たなビードが決められた高さおよび幅を有するように前記ビームの出力値、前記通電時の電流値および前記造形材料の供給速度の少なくとも1つを制御するビード形状制御部と、
加工開始から予め定めた時間、前記供給速度、前記電流値および前記造形材料の供給軸の移動速度の少なくとも1つを漸次的に上昇させるように動作させる造形開始時加工条件調整部と、
を備えることを特徴とする積層造形装置。 A beam heat source supply unit that outputs a beam that melts the modeling material;
A current supply unit that supplies a current to the modeling material;
A modeling material supply unit that supplies the modeling material to a workpiece;
a bead shape control unit that acquires bead state information, which is information indicating the state of a base bead formed by melting and solidifying the modeling material on the workpiece by Joule heat caused by irradiation of the beam and energization, and controls at least one of the output value of the beam, the current value during energization, and the supply speed of the modeling material according to the bead state information so that a new bead formed on the base bead has a predetermined height and width;
a start-of-modeling processing condition adjustment unit that operates to gradually increase at least one of the supply speed, the current value, and the moving speed of the supply shaft of the modeling material for a predetermined time from the start of processing ;
An additive manufacturing apparatus comprising :
前記造形材料を被加工物へ供給する造形材料供給工程と、
前記造形材料を溶融させるビームを前記被加工物に照射するビーム照射工程と、
前記ビームの照射および通電によるジュール熱によって前記造形材料が前記被加工物上で溶融、固化した下地のビードの状態を検出するビード状態検出工程と、
前記ビードの状態にしたがって、前記下地のビード上に形成される新たなビードが決められた高さおよび幅を有するように前記ビームの出力値、前記通電時の電流値および前記造形材料の供給速度の少なくとも1つを制御する指令値制御工程と、
前記造形材料のうち前記ビームの照射および通電によるジュール熱によって温度が前記造形材料の融点に到達した部分の位置である先端位置を、前記造形材料の供給速度、前記ビームの出力値および前記通電時の電流値に基づいて算出する位置算出工程と、
を含むことを特徴とする積層造形方法。 A current passing process for passing an electric current through the molding material;
a modeling material supplying step of supplying the modeling material to a workpiece;
a beam irradiation step of irradiating the workpiece with a beam that melts the modeling material;
a bead state detection process for detecting a state of a bead of the base material formed by melting and solidifying the modeling material on the workpiece by Joule heat caused by irradiation of the beam and energization;
a command value control step of controlling at least one of the output value of the beam, the current value during energization, and the supply speed of the modeling material according to the state of the bead so that a new bead formed on the base bead has a predetermined height and width;
a position calculation process for calculating a tip position of a portion of the shaping material whose temperature has reached the melting point of the shaping material due to Joule heat caused by irradiation of the beam and energization based on a supply speed of the shaping material, an output value of the beam, and a current value during the energization;
An additive manufacturing method comprising:
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Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2016059930A (en) | 2014-09-16 | 2016-04-25 | 株式会社東芝 | Laser welding equipment and laser welding process |
JP2018149570A (en) | 2017-03-13 | 2018-09-27 | 株式会社神戸製鋼所 | Manufacturing method, manufacturing system and manufacturing program of stacking formed object |
JP6765569B1 (en) | 2019-08-07 | 2020-10-07 | 三菱電機株式会社 | Laminated modeling equipment, laminated modeling method, and laminated modeling program |
JP7374390B1 (en) | 2023-02-08 | 2023-11-06 | 三菱電機株式会社 | Defect estimation device, numerical control device, additive manufacturing device, and defect estimation method |
JP7399370B1 (en) | 2023-06-13 | 2023-12-15 | 三菱電機株式会社 | Laminated manufacturing method, layered manufacturing device, and method for manufacturing a layered product |
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