CN111250998A - 层叠造型方法及层叠造型装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种形成层叠构造物的技术。供给装置(2)将金属板材配置在层叠接合体上，接合装置(3)加热金属板材及层叠接合体以进行接合。加工装置(4)对被与层叠接合体接合的一层或多层金属板材进行加工，从而形成堆叠有一层或多层的层叠接合体。加工装置(4)的第1加工功能(5)对金属板材进行切削，以形成层叠构造物(32)的局部形状。加工装置(4)的第2加工功能(6)对金属板材进行表面精加工。第1加工功能(5)以保留局部形状的范围外且与局部形状相连的区域的方式，对金属板材进行切削。

Description

层叠造型方法及层叠造型装置
技术领域
本公开涉及每一层或多层地反复进行金属板材的层叠及加工，以形成层叠构造物的层叠造型方法及层叠造型装置。
背景技术
摩擦搅拌接合(Friction Stir Welding:FSW)是一种如下的技术：通过一边使专用工具高速旋转一边将其插入到金属材料即母材中，利用产生的摩擦热使母材软化，并利用旋转力来使工具插入位置附近的母材发生塑性流动并混合，从而将多个金属构件接合。摩擦搅拌接合一般被适用于对接接头，但也被适用于搭接接头。
专利文献1公开了一种加工装置，该加工装置将作为数字信息来表现的立体形状表现为以平行的多个虚拟平面进行切断而得到的截面形状的集合，并用摩擦搅拌接合来形成将板材堆叠而成的立体物。专利文献1的加工装置通过除去加工手段来从板材中除去不被包含在截面形状中的不需要部。接着，加工装置将新的板材与除去了不需要部的板材摩擦搅拌接合，并通过除去加工手段来从新的板材中除去不被包含于下个截面形状的不需要部。专利文献1的加工装置通过以必要次数来重复层叠工序、加工工序，从而形成立体物。
(现有技术文献)
(专利文献)
专利文献1：日本特开2006-123154号公报
发明内容
(发明所要解决的问题)
如专利文献1公开的那样，能够通过反复执行通过摩擦搅拌接合来层叠金属板材的工序、以及将层叠的金属板材加工成所期望的截面形状的工序，从而形成具备所期望的整体形状的层叠构造物。然而，为了使该层叠造型技术实用化，需要各种努力及改善。
本公开鉴于这样的状况而完成，其目的在于提供一种用于适当地形成层叠构造物的技术。
(解决问题所采用的措施)
为了解决上述问题，本发明的一个方案的层叠造型方法为形成层叠构造物的层叠造型方法，包含：第1工序，其将金属板材配置在层叠接合体上；第2工序，其加热金属板材及层叠接合体以进行接合；以及第3工序，其对被与层叠接合体接合的一层或多层金属板材进行加工，以形成堆叠有一层或多层的层叠接合体；在该方法中，反复执行第1工序～第3工序，直到由第3工序形成的层叠接合体成为层叠构造物为止。第3工序包含切削金属板材以形成层叠构造物的局部形状的切削工序。切削工序以为了下次以后的第2工序而保留处于局部形状的范围外且与局部形状相连的区域的方式对金属板材进行切削。
本发明的另一方案为形成层叠构造物的层叠造型装置。层叠造型装置包括：供给装置，其将金属板材配置在层叠接合体上；接合装置，其加热金属板材及层叠接合体以进行接合；以及加工装置，其对被与层叠接合体接合的一层或多层金属板材进行加工，以形成堆叠有一层或多层的层叠接合体。加工装置具有：第1加工功能，其切削金属板材以形成层叠构造物的局部形状；以及第2加工功能，其对金属板材进行表面精加工。
另外，以上的构成要素的任意组合、以及将本公开的表述在方法、装置、系统等之间进行转换后的结果，作为本公开的方案也是有效的。
(发明的效果)
根据本公开，能够提供一种用于适当地形成层叠构造物的技术。
附图说明
图1是表示层叠造型装置的功能框的图。
图2是用于说明接合方式的图。
图3是用于说明基本的层叠造型步骤的流程图。
图4是表示对圆柱进行层叠造型的情况的图。
图5是用于说明实施例1中的第3工序的图。
图6是用于说明在实施例2中应解决的问题的图。
图7是用于说明实施例2中的第3工序的图。
图8是用于说明接合轨迹的图。
图9是表示相互重合的接合轨迹的图。
图10是表示层叠造型装置的利用方案的图。
具体实施方式
图1表示实施方式的层叠造型装置1的功能框。层叠造型装置1每一层或多层地重复进行金属板材的层叠及加工，从而形成具备所期望的整体形状的层叠构造物32。层叠造型装置1包括供给装置2、接合装置3及加工装置4。层叠造型装置1可以是数控机床。在实施方式中，“层叠构造物”意味着层叠造型方法的最终完成品，将完成品前的阶段的造型物称为“层叠接合体”。
层叠构造物32通过在被固定于工作台10的基座20上层叠、加工金属板材而形成。工作台10既可以为可动式，也可以为固定式。基座20例如为比被层叠的金属板材厚的金属板材，由螺栓等固定在工作台10上。也可以是，基座20最终构成层叠构造物的一部分。供给装置2将层叠用的金属板材配置在层叠接合体上以进行临时固定，接合装置3加热金属板材及层叠接合体以进行接合。实施方式的接合装置3对金属板材与层叠接合体进行摩擦搅拌接合，但也可以进行其他方式的接合处理。
以下，示出可适用于实施方式的层叠造型装置1的接合方式的具体例。以下所示的接合方式在均以金属板材为母材来加热并进行接合的点上通用。
图2的(a)是表示摩擦搅拌接合的情况的示意图。金属板材22b被配置在层叠接合体即金属板材22a上并被临时固定。在此，虽然仅示出作为接合对象的2层，但是在金属板材22a的下层，可存在已被接合的1个以上的金属层。接合装置3在金属板材22b被配置在金属板材22a上并被临时固定的状态下，从金属板材22b的上方实施接合处理。
在摩擦搅拌接合中，一边使被称为FSW工具的接合工具24高速旋转一边将其插入到层叠的金属板材22a、22b中，并使接合工具24或载置有金属板材22a、22b的工作台10中的至少一者向接合方向移动。FSW工具具有肩面、以及从肩面的中心凸出设置的探针，探针贯穿金属板材22b地被插入到金属板材22a的一部分中为止，并进行高速旋转。由于探针与肩面的旋转所产生的摩擦热，因而金属板材22a、22b会软化，由于插入位置附近的母材因旋转力而发生塑性流动并被混合，因而金属板材22a、22b被固相接合。FSW工具的肩面也兼具抑制软化后的母材的膨胀的作用。
图2的(b)是表示电子束熔接的情况的示意图。在电子束熔接中，一边使电子束产生装置24a所产生的电子束撞击层叠的金属板材22a、22b，一边使电子束产生装置24a或载置有金属板材22a、22b的工作台10中的至少一方向接合方向移动。在电子束熔接中，利用因电子束的撞击而产生的热能来熔接金属板材22a、22b。
图2的(c)是表示激光熔接的情况的示意图。在激光熔接中，一边使激光发生装置24b所产生的激光束以聚光的状态照射到层叠的金属板材22a、22b，一边使激光发生装置24b或载置有金属板材22a、22b的工作台10中的至少一者向接合方向移动。在激光熔接中，利用因照射激光束而产生的热能来熔接金属板材22a、22b。
图2的(d)是表示等离子熔接的情况的示意图。在等离子熔接中，在使层叠的金属板材22a、22b与等离子产生装置24c之间产生等离子弧的状态下，使等离子产生装置24c或载置有金属板材22a、22b的工作台10中的至少一者向接合方向移动。在等离子熔接中，利用等离子弧所产生的热能来熔接金属板材22a、22b。
另外，等离子熔接为电弧熔接中的一种，而不使电极熔融的非自耗电极式的惰性气体保护钨极电弧焊(TIG焊)也能够用作层叠造型装置1中的接合装置3的接合方式。
如上，接合装置3可用以金属板材22b及层叠接合体(在图2所示的例子中，为金属板材22a)为母材的各种接合方式来进行接合处理。在实施方式中，采用摩擦搅拌接合(参照图2的(a))。接合装置3可在前端具备安装有FSW工具即接合工具24的旋转主轴，并具备根据后述的接合程序所算出的轨迹来使旋转主轴相对于层叠构造体而相对运动的功能。
加工装置4对被与层叠接合体接合的一层或多层金属板材进行加工，从而形成堆叠有一层或多层的层叠接合体。加工装置4包含：第1加工功能5，其对被叠上的一层或多层金属板材进行切削，以形成层叠构造物的局部形状；以及第2加工功能6，其逐层对被接合的金属板材进行表面精加工，以使表面平坦。第1加工功能5及第2加工功能6既可以使用相同的工具，也可以使用不同的工具。加工装置4可以具有可在前端安装各种工具的旋转主轴，并具有根据后述的加工程序所算出的轨迹来使工具相对于层叠构造体相对运动的功能。
第1加工功能5既可以对由第2加工功能6进行了表面精加工的金属板材进行逐层切削，又可以将被接合而成的多层金属板材统一切削。通过将多层金属板材统一切削，能够实现工序时间的短缩化。另外，第1加工功能5可使用多种切削工具来加工一层或多层的金属板材。
在层叠造型装置1中，供给装置2所进行的金属板材的供给工序、接合装置3所进行的接合工序、以及加工装置4所进行的加工工序分别由金属板材供给程序、接合程序及加工程序控制、管理。在层叠造型装置1中，用平行的多个虚拟平面来切断最终造型品即层叠构造物的三维形状数据，算出切得的多个局部截面形状，并将其预先存储在存储器中。该局部的截面形状(以下，也称为“局部形状”)是由一层金属板材形成的形状，且为各层的接合工序、以及加工工序中的目标形状。局部形状可具有板厚，并包含沿板厚方向变化的多个截面形状。多个截面形状可在板厚方向上用预定的间隔算出。
接合程序从存储器中读取出被配置在层叠接合体上的金属板材的局部形状，并按照预定的算法来确定接合位置，从而算出接合工具24的相对轨迹。按照被算出的轨迹来使被安装于旋转主轴的接合工具24相对于金属接合体而相对运动，并实施金属板材与层叠接合体的接合处理。
加工程序从存储器中读取出被与层叠接合体接合的金属板材的局部形状，并一边对金属板材进行表面精加工，一边算出进行切削以形成该局部形状的切削工具的轨迹。实施方式的加工程序以如下方式算出切削工具的轨迹：为了下次以后的接合工序而保留该局部形状的范围外且与该局部形状相连的区域，这在后面会进行叙述。因此，加工程序需要知道下次以后的接合工序中的接合轨迹，反过来说，接合程序需要知道在前次以前的切削工序中保留的局部形状的范围外的区域。此外，加工程序为了在后面的切削工序(下次以后且因堆叠有多层而变得难以用切削工具加工之前的切削工序)中削取为了下次以后的接合工序而保留的局部形状的范围外的区域，需要预先记忆该区域，直到后面的切削工序为止。
在层叠造型装置1中，加工程序及接合程序由使两者协作的集成程序管理，根据集成程序的指示，可分别算出要进行切削的区域及要进行接合的区域。按照被算出的轨迹来使被安装于旋转主轴的切削工具移动，进行金属板材的表面精加工，并对金属板材进行切削，以使其成为局部形状。
实施方式的层叠造型装置1根据各层的局部形状来实施金属板材的配置工序、接合工序、以及加工工序，并将层叠接合体逐层地堆叠下去。另外，出于效率化的目的，也可以是，层叠造型装置1涉及多层地连续实施金属板材的配置工序、接合工序及表面精加工工序，并针对多层金属板材实施切削工序。由各种程序进行的计算可以在层叠构造物的形成中执行，还可以在造型开始前执行。
图3是用于说明基本的逐层层叠造型过程的流程图。供给装置2将金属板材配置在层叠接合体上(第1工序：S1)。接着，接合装置3加热金属板材及层叠接合体而进行接合(第2工序：S2)。接着，加工装置4对被与层叠接合体接合的金属板材进行加工，从而形成叠上了一层的层叠接合体(第3工序：S3)。到由第3工序形成的层叠接合体成为层叠构造物为止(S4中的“否”)，反复执行第1工序～第3工序，当层叠构造物完成时(S4中的“是”)，层叠造型结束。
用图4的(a)～图4的(j)来说明基本的层叠造型过程的情况。图4的(a)～图4的(j)表示对圆柱进行层叠造型的情况。
图4的(a)表示基座20。如图1所示，基座20被固定于工作台10。
图4的(b)表示供给装置2在基座20上配置了金属板材22a的状态。之后，通过加工(参照图4的(e))，金属板材22a构成层叠构造物32的第1层。金属板材22a被临时固定于基座20，以不发生位置偏离。金属板材22a例如可由粘合剂或螺栓来临时固定。另外，也可以是，供给装置2临时固定金属板材22a，使得其不会相对于基座20而偏移。
图4的(c)表示接合装置3用接合工具24来接合金属板材22a及基座20的情况。接合位置26a是与最终的层叠构造物即圆柱的第1层的局部形状对准并进行接合的位置。接合位置27a是为了将外框34a固定于基座20而进行接合的位置。另外，因为外框34a并不构成局部形状，所以在形成层叠构造物32后会被除去。
图4的(d)表示加工装置4用加工工具28来进行金属板材22a的表面精加工的情况。金属板材22a的表面因图4的(c)所示的接合处理而较为粗糙，因此，加工装置4的第2加工功能6会对粗糙的表面薄薄地进行切削，从而生成平面。
图4的(e)表示加工装置4用加工工具30来在接合后的金属板材22a中，保留层叠构造物32的第1层的局部形状31a、以及支承构件即外框34a，并将其他不需要部分切削除去的情况。另外，加工装置4既可以用图4的(d)所示的加工工具28来进行切削工序，也可以用别的加工工具来进行切削工序。在该例子中，外框34a被保留，以在下次(下层)配置金属板材22b的工序中对金属板材22b进行定位及临时固定。另外，当层叠构造体为高刚性且局部形状31a大到能够充分支承金属板材22b的程度时，外框34a可不存在，在接合位置27a进行接合的工序可被省略。
以上的图4的(b)～图4的(e)表示第1层的造型步骤，被层叠于基座20的局部形状31a构成层叠接合体36a。
图4的(f)表示供给装置2将金属板材22b配置在金属板材22a上的状态。之后，通过加工(参照图4的(i))，金属板材22b构成层叠构造物32的第2层。金属板材22b由金属板材22a的外框34a定位并临时固定。
图4的(g)表示接合装置3用接合工具24来接合金属板材22b及金属板材22a的情况。接合位置26b是与圆柱的第2层的局部形状对准而接合于第1层的局部形状31a的位置，接合位置27b是为了将外框34b固定于外框34a而进行接合的位置。
图4的(h)表示加工装置4用加工工具28来进行金属板材22b的表面精加工的情况。
图4的(i)表示加工装置4用加工工具30来保留接合后的金属板材22b中的层叠构造物32的第2层的局部形状31b、以及支承构件即外框34b，并将其他不需要部分切削除去的情况。
以上的图4的(f)～图4的(i)表示第2层的造型步骤，由于局部形状31b被层叠于层叠接合体36a，因而会形成叠上了一层的新的层叠接合体36b。
如此，重复第1工序～第3工序，直到层叠接合体成为最终的层叠构造物32为止。
图4的(j)表示最终的层叠构造物32即圆柱。通过反复执行第1工序～第3工序，并除去作为支承构件而堆叠的外框，层叠造型装置1能够形成所期望的形状的层叠构造物32。
以上为基本的层叠造型过程，本发明人认识到，在实施采用了加热母材的接合方式的层叠造型技术时，为了实用化，会存在各种问题。在以下所示的实施例中，针对在层叠造型法中可能产生的问题点及对策进行说明。
＜实施例1＞
因为在层叠造型装置1中，接合装置3用接合工具24来对金属板材之间进行摩擦搅拌接合，所以在接合终端部会留有将接合工具24拉拔而出时的孔。另外，结合图2的(b)～(d)说明的电子束熔接、激光熔接、等离子熔接、以及惰性气体保护钨极电弧焊也同样会在接合终端部留孔。当该孔残留在层叠构造物32内时，会成为空孔状的缺陷，并不理想。因此，接合装置3所进行的接合的终端部需要由接合程序来设定接合轨迹，使其位于层叠构造物32的局部形状的范围外。在实施例1中，加工装置4的第1加工功能5以为了下次以后的第2工序(接合工序)而保留局部形状的范围外且与局部形状相连的区域的方式，对金属板材进行切削。
图5的(a)～(d)是用于说明实施例1中的第3工序的图。
图5的(a)表示加工装置4用加工工具30来在金属板材22d中，保留层叠构造物32的局部形状31d、支承构件即外框34d、以及处于局部形状31d的范围外且与局部形状31d相连的区域即接合终端区域40d，并将其他不需要部分切削除去后的状态。局部形状31d构成层叠接合体36d的最上层的形状。
加工装置4的第1加工功能5以保留处于局部形状31d的范围外且包含下次以后的第2工序中预定的接合处理的终端位置的接合终端区域40d的方式，对金属板材22d进行切削。因为接合终端区域40d为局部形状31d的范围外，所以虽然本来是不需要的部分，不应被保留，但作为后述的下次以后的第2工序(接合工序)中的接合工具24的退避位置，由本次的第3工序(切削工序)保留。另外，接合终端区域40d被设定为包含在下次以后的第2工序中所预定的处于局部形状31e的范围外的接合处理轨迹的区域。
图5的(b)表示供给装置2将金属板材22e配置在层叠接合体36d上后的状态。金属板材22e由金属板材22d的外框34d定位并临时固定。
图5的(c)表示接合装置3用接合工具24接合了金属板材22e及层叠接合体36d的状态。接合轨迹42从始端位置42a起到终端位置42b为止，表示接合工具24进行了摩擦搅拌接合的金属板材22e上的路径。在终端位置42b，形成有接合工具24所拉拔而成的孔。该例的接合轨迹42表示接合工具24被螺线状地移动的状态，但是也可以是，以其他路径来实施接合处理。
在本次第2工序(接合工序)中，接合装置3并非是在局部形状31e上的位置结束接合处理的，而是在超出局部形状31e的范围的终端位置42b上结束接合处理。由此，能够使接合工具24的拉拔孔不位于局部形状31d的范围内，而是位于局部形状31d的范围外。
通过在上次的第3工序(切削工序)中，预先保留了接合终端区域40d，在本次的第2工序中，接合装置3能够在接合终端区域40d上的位置结束接合处理。另外，在实施例1中，外框34e可被利用为接合终端区域40d，接合处理的结束位置也可以为外框34e上的位置。因为在实施方式的接合处理中，探针长度比金属板材22e的厚度长，所以在下层不存在接合终端区域40d的金属板材22e中，探针会从金属板材22e中突出，因此并不理想。因此，能够通过在前次以前的切削工序中，预先保留包含在本次第2工序中预定的局部形状31e的范围外的接合处理轨迹的接合终端区域40d，从而良好地实施本次第2工序中的局部形状31e的范围外的接合结束处理。
图5的(d)表示加工装置4用加工工具30来在接合后的金属板材22e中，以保留层叠构造物32的局部形状31e、支承构件即外框34e、以及包含在下次以后的第2工序中预定的接合处理轨迹的接合终端区域40e的方式，对金属板材22e进行切削的状态。接合终端区域40e作为下次以后的第2工序(接合工序)中的接合工具24的退避位置，在本次第3工序中被保留。
在本次第3工序中保留的接合终端区域40e与在前次第3工序中保留的接合终端区域40d被设置在层叠方向上不重叠的位置。由此，能够在本次第3工序中，将在前次第3工序中保留的不需要部分即接合终端区域40d切削除去。假使将接合终端区域40d与接合终端区域40e设置在始终在层叠方向上重叠的位置，则在形成最终的层叠构造物32时，接合终端区域也会被堆叠成与层叠构造物32相同的高度。此时，为了将接合终端区域切削除去，需要较长的突出工具，也可能发生无法容易地除去的情况。因此，能够通过将在本次第3工序中保留的接合终端区域40e与在前次第3工序中保留的接合终端区域40d设计在不沿层叠方向重叠的位置，从而将前次接合终端区域40d在本次以后的第3工序中的切削工序中除去。
另外，接合终端区域40e可以被设置在与在前次以前的第3工序中保留的接合终端区域不在层叠方向上重叠的位置。在前次以前的第3工序中保留的接合终端区域至少包含在前次第3工序中保留的接合终端区域，进而，可以包含在前次之前的第3工序中保留的接合终端区域。
另外，在第3工序中，在包含切削金属板材22e而成的局部形状31e的层叠接合体为低刚性的情况下，存在如下可能性：因切削时的加工力而在包含局部形状31e的层叠接合体中产生变形或振动。因此，接合终端区域40d被形成为连接外框34d与局部形状31d，可使其具有作为用于确保切削金属板材22e时的强度的加强区域的功能。通过将接合终端区域40d也作为下次第3工序中的加强区域来利用，从而能够高精度地形成层叠构造物32。另外，接合终端区域40d在下次第2工序即接合工序中也会作为加强区域来发挥作用。
另外，也可以是，为了确保下次第2工序及第3工序中的强度，在本次第3工序中，不限于接合终端区域40d，而是以保留多个连接外框34d与局部形状31d的加强区域的方式对金属板材22d进行切削。另外，在下次第3工序中保留的加强区域与在本次第3工序中保留的加强区域被设置在不在层叠方向上重叠的位置，因此，可以在下次第3工序中，将在本次第3工序中保留的不需要部分即加强区域切削除去。
＜实施例2＞
在层叠造型装置1中，接合装置3用接合工具24来对金属板材之间进行摩擦搅拌接合。在接合装置3对层叠接合体的外周附近进行摩擦搅拌接合时，有时层叠接合体的外周部分无法保持搅拌部分，母材会流出到已经被形成的局部形状的范围外。另外，在结合图2的(b)～图2的(d)说明的电子束熔接、激光熔接、等离子熔接、惰性气体保护钨极电弧焊中，在进行层叠接合体的外周附近的接合时，有时母材也会同样流出到局部形状的范围外。此时，不仅会发生层叠接合体的外周偏离设计形状这样的问题，而且由于材料会流出到不必要的部分，因而在上层的金属板材中会发生材料不足，从而在金属板材中产生槽状缺陷。
图6的(a)～(c)是用于说明在实施例2中应解决的问题的图。
图6的(a)表示接合装置3对金属板材22g与层叠接合体36f的外周附近进行摩擦搅拌接合的情况。在前次第3工序中，层叠接合体36f的最上层处于已经被形成为局部形状31f的状态。
图6的(b)表示材料因摩擦搅拌接合而流出到局部形状31f的侧方的情况。在该例中，构成局部形状31f的轮廓的外周部分软化，结果，材料流出到侧方，从而形成了扩展部分44。
图6的(c)表示因流出到扩展部分44的材料而在金属板材22g中产生的槽状缺陷45。
如上，当对层叠接合体36f的外周附近进行摩擦搅拌接合时，材料会流出到局部形状31f的侧方，结果，局部形状31f会偏离设计形状，在金属板材22g中会产生因流出到扩展部分44的材料不足导致的槽状缺陷45。为了避免该状况，需要抑制材料向局部形状31f的侧方的流出。因此，实施例2中的加工装置4的第1加工功能5以为了下次以后的第2工序(接合工序)而保留处于局部形状31f的范围外且与局部形状31f相连的区域的方式，对金属板材进行切削。
图7的(a)表示在层叠接合体36f的最上层的局部形状31f的侧方保留了余料区域46f的状态。加工装置4的第1加工功能5在对用于形成局部形状31f的金属板材进行切削加工时，以保留局部形状31f的范围外的、局部形状31f的轮廓的外侧的余料区域46f的方式，预先对金属板材进行切削。
由于在局部形状31f的侧方存在余料区域46f，因而在接合工具24对层叠接合体36f的外周附近进行摩擦搅拌接合时，余料区域46f会成为止动件，从而能够抑制材料向局部形状31f的侧方的流出。因此，金属板材22g中的材料不足会被消除，从而能够避免在金属板材22g中产生槽状缺陷45这一事态。
图7的(b)表示加工装置4用加工工具30来在金属板材22g中，一边以保留局部形状31g的外侧的余料区域46g的方式对金属板材22g进行切削，一边除去在前次第3工序中保留的余料区域46f的情况。在此，用于除去余料区域46f的加工工具30例如使用T槽铣刀。对于金属板材22g的切削，例如可使用图4的(d)所示的加工工具28那样的圆柱状工具。如此，加工装置4可用多种加工工具来实施切削工序。在实施例2中，通过将余料区域46g设置在局部形状的轮廓的外侧，从而在下次第2工序中对层叠接合体36g的外周附近进行摩擦搅拌接合时，抑制材料流出到局部形状31g的侧方的状况。
另外，加工装置4可以一边以保留局部形状的范围外的、局部形状的轮廓的外侧的余料区域的方式对金属板材进行切削，一边除去在前次以前的第3工序中保留的余料区域。在前次以前的第3工序中保留的余料区域至少包含在前次第3工序中保留的余料区域，进而，还可以包含在前次之前的第3工序中保留的余料区域。
如上所述，在实施例1、2中说明的技术不仅能够适用于接合装置3进行摩擦搅拌接合的情况，也能够适用于其他接合方式，例如利用电子束熔接、激光熔接、等离子熔接、以及惰性气体保护钨极电弧焊的情况。
＜实施例3＞
在层叠造型装置1中，接合装置3用接合工具24来对金属板材之间进行摩擦搅拌接合。在欲接合的局部形状的宽度比接合工具的宽度大的情况下，为了更为牢固地使金属板材之间接合，需要接合装置3使接合工具24在金属板材的局部形状的整个表面内移动。本发明人通过实验认识到，当一边将接合工具24与金属板材表面的距离维持恒定一边以接合轨迹重合的方式使接合工具24移动时，会发生槽状缺陷。
本发明人查明，槽状缺陷因以下的原因而产生。
·虽然在FSW工具中，用肩面来按压塑性流动的材料，但是因为表面材料的一部分会成为毛刺而向侧方偏离，所以表面高度会略变低。
·因为当FSW工具的插入深度保持恒定而接合轨迹重合时，已接合的区域的表面高度会略低，所以无法一边以肩面充分按压材料一边进行搅拌。
·如此循环，在某一接合位置会发生材料及搅拌的不足，并产生槽状缺陷。
在实施例3中，接合装置3使加热金属板材及层叠接合体的接合工具24移动，从而如下所示地实施进行接合处理的工具控制工序。
(与接合轨迹有关的工具控制)
如上所述，在对局部形状的整个表面进行接合的工序中，产生槽状缺陷的原因在于接合轨迹的重合。因此，接合装置3分多次移动接合工具24地实施接合处理，在各次中，使接合工具24以金属板材及层叠接合体中的接合轨迹不会重合的方式移动。另外，虽然在实施例3中，在各次中，接合工具24被以不使接合轨迹重合的方式控制，但是允许不同次中的接合轨迹的重合。
图8是用于说明接合装置3的接合轨迹的图。另外，在实施例1中说明的接合终端位置在此未做考虑。
图8的(a)表示金属板材22上的进行整面接合的接合区域50。
图8的(b)表示接合工具24的第1次的移动轨迹。接合装置3以金属板材22中的接合轨迹不会重合的方式使接合工具24移动。第1轨迹52a表示第1次接合处理中的接合轨迹。第1轨迹52a通过隔开大于肩宽的间隔地折返，从而被控制成不会重合的方式。当第1轨迹52a的第1次接合处理结束时，通过加工装置4的第2加工功能6来实施对表面进行切削的表面精加工工序，并通过铣削加工来生成平坦的表面。
图8的(c)表示接合工具24的第2次的移动轨迹。接合装置3以金属板材22中的接合轨迹不会重合的方式使接合工具24移动。另外，因为在第1次接合工序后，金属板材22的表面已由铣削加工切削，所以接合工具24的插入深度被设定为与对表面进行切削后相应地深。第2轨迹52b表示第2次接合处理中的接合轨迹。第2轨迹52b也与第1轨迹52a同样，通过隔开大于肩宽的间隔地折返，从而被以不会重合的方式控制。当第2轨迹52b的第2次接合处理结束时，通过加工装置4的第2加工功能6来实施对表面进行切削的表面精加工工序，并通过铣削加工来生成平坦的表面。
图8的(d)表示接合工具24的第3次的移动轨迹。接合装置3以金属板材22中的接合轨迹不会重合的方式使接合工具24移动。另外，因为在第2次接合工序后，金属板材22的表面已由铣削加工切削，所以接合工具24的插入深度被设定为对表面进行切削的量的深度。第3轨迹52c表示第3次接合处理中的接合轨迹。第3轨迹52c也与第1轨迹52a同样，通过隔开大于肩宽的间隔地折返，从而被以不会重合的方式控制。当第3轨迹52c的第3次接合处理结束时，通过加工装置4的第2加工功能6来实施对表面进行切削的表面精加工工序，并通过铣削加工来生成平坦的表面。
如上所述，能够通过实施多次接合处理，从而通过摩擦搅拌接合来固定接合区域50的整个表面。
(与接合深度有关的工具控制)
如上所述，在对局部形状的整个表面进行接合的工序中，产生槽状缺陷的原因在于：在接合轨迹重合时，不会改变FSW的插入深度。因此，接合装置3在已完成接合处理的位置上，使得接合工具24的接合深度(插入深度)比该位置的接合深度更深。
图9表示相互重合的接合轨迹。在图9中，示出了3条轨迹，即第1轨迹54a、第2轨迹54b、第3轨迹54c，第2轨迹54b与第1轨迹54a重合，此外，第3轨迹54c与第2轨迹54b重合。
接合装置3首先以第1轨迹54a来移动接合工具24。接着，接合装置3以与第1轨迹54a重合的第2轨迹54b来移动接合工具24。此时，接合装置3将以第2轨迹54b来移动接合工具24时的插入深度(接合深度)设定得比以第1轨迹54a来移动接合工具24时的插入深度(接合深度)略深。该插入深度的差可被设定为金属板材22的表面高度因接合处理而降低的深度。由此，第2轨迹54b中的接合处理中，材料也不会不足，此外，能够实现充分的搅拌，并能够抑制槽状缺陷的产生。同样，接合装置3以与第2轨迹54b重合的第3轨迹54c来移动接合工具24。此时，接合装置3将以第3轨迹54c移动接合工具24时的插入深度(接合深度)设定得比以第2轨迹54b来移动接合工具24时的插入深度(接合深度)略深。由此，能够防止槽状缺陷的产生。
如上，接合装置3能够通过在金属板材的表面已被加热的位置上，使得接合工具24的接合深度比前次以前的接合轨迹中的接合深度更深，从而抑制槽状缺陷的产生。像这样地控制接合工具24的插入深度来进行接合处理的工序也可以被适用于将接合处理分为多次来实施的处理。例如，虽然在图8所示的例子中，实施了分为3次的接合处理，但是能够通过使第2次的插入深度比第1次的插入深度深，使第3次的插入深度比第2次的插入深度深，从而使3次接合轨迹不在其间夹有表面精加工工序地连续执行。
以上，基于实施方式对本发明进行了说明。该实施方式仅为例示，本领域技术人员应理解的是，在它们的各构成要素或各处理过程的组合中可能存在各种变形例，并且那样的变形例也在本发明的范围之内。虽然在实施方式的第1工序中，在层叠接合体上配置有未实施切削加工的平板材料即金属板材22，但是也可以是，金属板材22为被预先切削加工成包含余料的形状的板材。
图10表示层叠造型装置1的利用方案的变形例。与在实施方式中示出的层叠造型装置1同样，变形例中的层叠造型装置1也逐层重复金属板材的层叠及加工，从而形成具有所期望的整体形状的层叠构造物，但是在图10所示的利用方案中，通过将多个金属板材层叠于接合体36来形成一层。
在该利用方案中，最终的层叠构造物32为在内侧具有空间的箱状构造物，在图10中，示出了层叠造型中的层叠接合体36。另外，箱状构造物也可以具有切去一面或二面而成的“U”字状或“L”字状的截面，还可以为圆管状或中空的多棱柱状的构造物。根据在实施方式中说明的层叠造型过程，准备出较大的金属板材，并通过切削来除去箱的内侧以形成箱的框部分，通过将较大的金属板材接合于该框部分，并以保留框部分的方式对其进行加工，从而能够形成箱状的层叠构造物。
然而，根据该层叠造型过程，因为仅保留箱的框部分，而将框部分的内侧的金属板材作为不需要部分除去，所以也考虑许多金属材料会被浪费，从成本考虑并不适合。因此，在图10所示的利用方案中，以降低金属材料的损耗为目的，通过多次的层叠工序及加工工序来形成一层。
如图所示，层叠接合体36的最上层由4张金属板材22p、22q、22r、22s形成。在此，各金属板材22p、22q、22r、22s可通过在对从供给装置2供给的金属板材22进行接合后以立铣刀仅切断必要部分，从而被堆叠在层叠接合体36上。在图10中，示出金属板材22p、22q、22r被配置在最上层并被接合的状态。虽然在该利用方案中，多个供给装置2也可以被设置在与层叠接合体36的各边相对的位置，但是也可以是，每当形成一边的框时，工作台10就旋转必要的角度(在该情况下，为90度)，而一个供给装置2将金属板材22供给到层叠接合体36。
作为与实施方式不同的点，接合装置3不仅实施层叠方向(金属板材的板厚方向)的接合，也实施左右方向(金属板材的面内方向)的接合处理。即，变形例的接合装置3通过也进行构成一层的板材间的对接接合来形成箱状结构。
在变形例中，供给装置2可在第1工序中使多张金属板材重叠，此外，重叠的多张金属板材可为种类不同的板材。通过对将多种金属板材重叠配置而成的多层进行加热、接合，从而能够对不同种类的金属进行混合，从而生成合金或金属间化合物并将其层叠。此外，能够通过在反复层叠中，使金属板材的种类发生变化，从而制造出金属的种类会沿层叠方向发生变化的层叠构造物。
本发明的概要如下所述。本发明的一个方案为一种形成层叠构造物的层叠造型方法，包含：第1工序，其将金属板材配置在层叠接合体上；第2工序，其加热金属板材及层叠接合体以进行接合；以及第3工序，其对被与层叠接合体接合的一层或多层金属板材进行加工，从而形成堆叠有一层或多层的层叠接合体；该方法中，到由第3工序形成的层叠接合体成为层叠构造物为止，反复执行第1工序～第3工序；第3工序包含对金属板材进行切削以形成层叠构造物的局部形状的切削工序。切削工序以为了下次以后的第2工序而保留处于局部形状的范围外且与局部形状相连的区域的方式，对金属板材进行切削。第3工序可包含对被与层叠接合体接合的金属板材的表面进行加工以使其平坦的表面精加工工序。
切削工序可以保留处于局部形状的范围外的、包含在下次以后的第2工序中预定的接合处理的终端位置的接合终端区域的方式，对金属板材进行切削。接合终端区域可以包含在下次以后的第2工序中预定的局部形状的范围外的接合处理的轨迹。在本次第3工序中保留的接合终端区域可以被设置在与在前次以前的第3工序中保留的接合终端区域在层叠方向上不重叠的位置，在前次以前的第3工序中保留的接合终端区域可以通过本次以后的第3工序中的切削工序除去。
切削工序一边对金属板材进行切削以形成层叠构造物的局部形状，一边至少保留金属板材的外框，进而，为了确保强度，可以以保留连接外框与局部形状的加强区域的方式对金属板材进行切削。
切削工序可以一边以保留处于局部形状的范围外的、局部形状的轮廓外侧的余料区域的方式对金属板材进行切削，一边除去在前次以前的第3工序中保留的余料区域。
第2工序可以包含使加热金属板材及层叠接合体的接合工具移动来进行接合处理的工具控制工序。接合工具控制工序分多次使接合工具移动来实施接合处理，并可以以各次中的接合轨迹不会重合的方式移动接合工具。接合工具控制工序可以在金属板材的表面已被加热的位置上，使得接合工具的接合深度比该位置的接合深度更深。
本发明的另一方案为一种形成层叠构造物的层叠造型装置，包括：供给装置，其将金属板材配置在层叠接合体上；接合装置，其加热金属板材及层叠接合体以进行接合；以及加工装置，其对被与层叠接合体接合的一层或多层金属板材进行加工，从而形成堆叠有一层或多层的层叠接合体。加工装置可以包含：第1加工功能，其对金属板材进行切削，以形成层叠构造物的局部形状；以及第2加工功能，其对金属板材进行表面精加工。
[附图标记说明]
1···层叠造型装置、2···供给装置、3···接合装置、4···加工装置、5···第1加工功能、6···第2加工功能、10···工作台、20···基座、24···接合工具、28、30···加工工具、32···层叠构造物、36···层叠接合体。

Claims (11)

1.一种形成层叠构造物的层叠造型方法，其特征在于，包含：
第1工序，其将金属板材配置在层叠接合体上，
第2工序，其加热金属板材及层叠接合体并进行接合，以及
第3工序，其对被与层叠接合体接合的一层或多层金属板材进行加工，从而形成堆叠有一层或多层的层叠接合体；
反复执行第1工序～第3工序，直到由第3工序形成的层叠接合体成为层叠构造物；
第3工序包含对金属板材进行切削，以形成层叠构造物的局部形状的切削工序；
切削工序以为了下次以后的第2工序而保留处于局部形状的范围外且与局部形状相连的区域的方式，对金属板材进行切削。
2.如权利要求1所述的层叠造型方法，其特征在于，
第3工序包含对被与层叠接合体接合的金属板材的表面进行加工以使其平坦的表面精加工工序。
3.如权利要求1或2所述的层叠造型方法，其特征在于，
切削工序以保留处于局部形状的范围外的、包含下次以后的第2工序中预定的接合处理的终端位置的接合终端区域的方式，对金属板材进行切削。
4.如权利要求3所述的层叠造型方法，其特征在于，
接合终端区域包含在下次以后的第2工序中预定的局部形状的范围外的接合处理的轨迹。
5.如权利要求3或4所述的层叠造型方法，其特征在于，
在本次的第3工序中保留的接合终端区域被设置在与前次以前的第3工序中保留的接合终端区域在层叠方向上不重叠的位置；
在前次以前的第3工序中保留的接合终端区域通过本次以后的第3工序中的切削工序而被除去。
6.如权利要求1～5的任何一项所述的层叠造型方法，其特征在于，
切削工序一边对金属板材进行切削以形成层叠构造物的局部形状，一边至少保留金属板材的外框，进而，为了确保强度，以保留连接外框与局部形状的加强区域的方式对金属板材进行切削。
7.如权利要求1～6的任何一项所述的层叠造型方法，其特征在于，
切削工序一边以保留处于局部形状的范围外的、局部形状的轮廓外侧的余料区域的方式对金属板材进行切削，一边除去前次以前的第3工序中保留的余料区域。
8.如权利要求1～7的任何一项所述的层叠造型方法，其特征在于，
第2工序包含使加热金属板材及层叠接合体的接合工具移动来进行接合处理的工具控制工序。
9.如权利要求8所述的层叠造型方法，其特征在于，
接合工具控制工序分多次移动接合工具来实施接合处理，并且以各次中的接合轨迹不会重合的方式移动接合工具。
10.如权利要求8或9所述的层叠造型方法，其特征在于，
接合工具控制工序在金属板材的表面已被加热的位置上，使接合工具的接合深度比该位置的接合深度更深。
11.一种形成层叠构造物的层叠造型装置，其特征在于，包括：
供给装置，其将金属板材配置在层叠接合体上，
接合装置，其加热金属板材及层叠接合体以进行接合，以及
加工装置，其对被与层叠接合体接合的一层或多层金属板材进行加工，从而形成堆叠有一层或多层的层叠接合体；
加工装置包含：
第1加工功能，其对金属板材进行切削，以形成层叠构造物的局部形状，以及
第2加工功能，其对金属板材进行表面精加工。
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