JP2004074200A - 曲面を有する金属板の製造方法およびその製造装置並びに曲面を有する金属板 - Google Patents
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Abstract
【課題】経験の浅い作業者であっても熟練技術者が行った作業と同等程度に、船殻外板等の複雑な曲面形状を有する鋼板を目標の形状に加工することができる曲面を有する金属板の製造方法を提供すること。
【解決手段】金属板２の表面に熱を加えることにより起こる角変形と、金属板２の表面から裏面にかけて熱を加えることにより起こる熱収縮とを組み合わせて、前記金属板２を曲面を含む所望の形状に加工していく曲面を有する金属板２の製造方法において、前記金属板２の表面に、幾何学的解析により得られた、角変形を起こさせる加熱線、および／または熱収縮を起こさせる加熱線および／または加熱点を予め設定しておき、これら加熱線および／または加熱点に沿って加熱していくことを特徴とする。
【選択図】 図１
【解決手段】金属板２の表面に熱を加えることにより起こる角変形と、金属板２の表面から裏面にかけて熱を加えることにより起こる熱収縮とを組み合わせて、前記金属板２を曲面を含む所望の形状に加工していく曲面を有する金属板２の製造方法において、前記金属板２の表面に、幾何学的解析により得られた、角変形を起こさせる加熱線、および／または熱収縮を起こさせる加熱線および／または加熱点を予め設定しておき、これら加熱線および／または加熱点に沿って加熱していくことを特徴とする。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、曲面を有する金属板の製造方法およびその製造装置並びに曲面を有する金属板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
たとえば船殻の外板は、推進抵抗を低減して水中を効率よく航行するために、複雑な非可展曲面形状をもつ厚さ１０〜３０ｍｍ程度の鋼板（金属板）で構成されている。
この曲がり外板を加工するのに、一般に角変形と熱収縮とが古くから用いられている。
【０００３】
角変形は、図８の上段に示すように、ガスバーナ等を用いて鋼板の表面を局部的に加熱してその際に生成される塑性歪みによる鋼板の曲がりを利用するものである。
【０００４】
また熱収縮は、図８の下段に示すように、ガスバーナ等を用いて鋼板の表面から裏面にかけて加熱し、その部分を収縮させる、いわゆる絞り加熱といわれるものである。
なお、この加熱位置は線状であってもよいしあるいはピンポイント的な点状であってもよい。
【０００５】
図９は、船殻の外板となる鋼板の曲げ加工方法による従来技術を概念的に示す図であり、当該曲げ加工に用いるたとえば木製の型１を鋼板２に設置した状態を示す斜視図である。
この図に示すように、従来技術においては、まず船殻外板のフレームライン（当該外板の骨材を取り付ける位置におけるこの骨材に沿うライン；以下同じ）を目標形状（所望の形状）として有する多数（図では４個）の型１を鋼板２上に設置する。
つぎに、各型１と鋼板２の形状を作業者が目視観察で比較して両者の形状の違い、たとえば型１と鋼板２との間のギャップ（隙間あるいは差）を考慮し、どの位置を加熱すれば目標形状に近づいていくかを考慮して各加熱位置（加熱点）を決定している。
具体的には、垂直面（図９において左側から見た面）内で型１を鋼板２のフレームラインに沿って転動させ、このとき型１が接する接点を確認しつつ各状態における型１と鋼板２との間のギャップを考慮して決定している。
【０００６】
その後、各加熱点をどのように結べば鋼板２を目標形状に近づけることができるのかを考慮して加熱線を決定し、決定した加熱線をチョーク等で鋼板２の表面上にマークし、この加熱線に沿ってガスバーナで加熱している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、熟練した技術者であっても見た目にわかりやすい角変形を多用して鋼板２の形状を目標の形状、すなわち型１に合わせていこうとするため、鋼板の表面を滑らかに仕上げることができないという問題点があった。
また、加熱線の決定を合理的に行う能力を備えるには約５年以上の経験が必要とされており、経験の浅い作業者では所定の曲面を得ることができないという問題点があった。
さらに、熟練技術者の減少により上述したような鋼板でさえ、得ることが難しい状況になりつつあるという問題点もある。
【０００８】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、経験の浅い作業者であっても熟練技術者が行った作業と同等程度に、船殻外板等の複雑な曲面形状を有する鋼板を目標の形状に加工することができる曲面を有する金属板の製造方法を提供することを目的としている。
また、本発明の他の目的は、船殻外板等に適した滑らかな曲面を有する金属板を提供することを目的としている。
さらに、本発明の別の目的は、船殻外板等の複雑な曲面形状を有する鋼板を目標形状に自動的に曲げ加工することができる曲面を有する金属板の製造装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の曲面を有する金属板の製造方法およびその製造装置並びに曲面を有する金属板では、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
すなわち、請求項１記載の曲面を有する金属板の製造方法によれば、金属板の表面に熱を加えることにより起こる角変形、および／または金属板の表面から裏面にかけて熱を加えることにより起こる熱収縮を用いて、前記金属板を曲面を含む所望の形状に加工していく曲面を有する金属板の製造方法において、前記金属板の表面に、幾何学的解析により得られた、角変形を起こさせる加熱線、および／または熱収縮を起こさせる加熱線および／または加熱点を予め設定しておき、これら加熱線および／または加熱点に沿って加熱していくことを特徴とする。
【００１０】
この曲面を有する金属板の製造方法においては、予め設定（指定）された加熱位置（加熱線および／または加熱点）に沿って熱を加えていくと、鋼板が所望の形状に近づいていくこととなる。
【００１１】
請求項２に記載の曲面を有する金属板の製造方法によれば、請求項１に記載の曲面を有する金属板の製造方法において、前記幾何学的解析とは、前記所望の形状と現在の金属板の形状との差がつくる曲面、および現在の金属板の曲面を曲面解析することであることを特徴とする。
【００１２】
この曲面を有する金属板の製造方法においては、所望の形状と現在の金属板の形状との差がつくる曲面、および現在の金属板の曲面が曲面解析されることとなる。
曲面解析とは曲率線を定義することであり、この曲率線からは曲率線が作る“折れ角”と、曲線の持つ長さ（以下、“ガース長さ”という）とをそれぞれ求めることができる。
したがって、所望の形状と現在の金属板の形状との差がつくる曲面、および現在の金属板の曲面のそれぞれの“折れ角”と“ガース長さ”とを求め、これらの角度と長さのバランスが取れるように金属板を加工することで、綺麗な（滑らかな）曲面を有する金属板を製造することができるようになっている。
すなわち、一つの曲面形状に対して一意的に加熱位置が金属板上に設定されることとなる。
【００１３】
請求項３に記載の曲面を有する金属板の製造方法によれば、請求項１または２に記載の曲面を有する金属板の製造方法において、前記角変形を起こさせる加熱線、および／または熱収縮を起こさせる加熱線および／または加熱点に沿う加熱は、前記所望の形状に合わせて作られた型と、現在の金属板の形状との差に基づいて行われることを特徴とする。
【００１４】
この曲面を有する金属板の製造方法においては、所望の形状に合わせて作られた型と、現在の金属板の形状との差に応じて、加熱位置に熱が加えられることとなる。
【００１５】
請求項４に記載の曲面を有する金属板の製造方法によれば、請求項１または２に記載の曲面を有する金属板の製造方法において、前記角変形を起こさせる加熱線、および／または熱収縮を起こさせる加熱線および／または加熱点に沿う加熱は、データとして蓄積された前記所望の形状と、三次元形状計測手段により計測された現在の金属板の形状との差に基づいて行われることを特徴とする。
【００１６】
この曲面を有する金属板の製造方法においては、データとして蓄積された所望の形状と、三次元形状計測手段により計測された現在の金属板の形状との差に応じて、加熱位置に熱が加えられることとなる。
【００１７】
請求項５に記載の曲面を有する金属板の製造方法によれば、請求項１または２に記載の曲面を有する金属板の製造方法において、前記角変形を起こさせる加熱線、および／または熱収縮を起こさせる加熱線および／または加熱点に沿う加熱は、データとして蓄積された前記所望の形状と、三次元形状計測手段により計測された現在の金属板の形状との差、および入熱量と変形量との関係がデータベースとして蓄積された加熱条件最適化手段から、前記差に基づいて出力される信号に基づいて行われることを特徴とする。
【００１８】
この曲面を有する金属板の製造方法においては、データとして蓄積された所望の形状と、三次元形状計測手段により計測された現在の金属板の形状との差、および入熱量と変形量との関係がデータベースとして蓄積された加熱条件最適化手段から、前記差に基づいて出力される信号に応じて、加熱位置に熱が加えられることとなる。
【００１９】
請求項６に記載の曲面を有する金属板の製造装置によれば、所望の形状を画像として作成・処理することができるとともに、金属板を前記所望の形状に加工するため、曲面理論および地図の逆変換を用いて、角変形を起こさせる加熱線、および／または熱収縮を起こさせる加熱線および／または加熱点を前記金属板上に幾何学的に設定することができる画像作成処理手段と、前記角変形を起こさせる加熱線、および／または熱収縮を起こさせる加熱線および／または加熱点に沿って移動可能とされ、前記金属板に熱を加えることのできる加熱手段と、前記加熱手段を移動させるとともにその部位に熱を加えるように信号を出力する制御手段と、を具備することを特徴とする。
【００２０】
この曲面を有する金属板の製造装置においては、画像作成処理手段により設定された加熱位置に、制御手段により制御される加熱手段から熱が加えられるようになる。
すなわち、金属板上に設定された加熱位置に自動的に熱が加えられるようになっている。
【００２１】
請求項７に記載の曲面を有する金属板の製造装置によれば、請求項６に記載の曲面を有する金属板の製造装置において、前記所望の形状に合わせて作られた型と、現在の金属板の形状との差を計測することができるギャップ計測手段を具備し、前記制御手段は、前記ギャップ計測手段からの信号に基づいて、前記加熱手段に信号を出力することを特徴とする。
【００２２】
この曲面を有する金属板の製造装置においては、所望の形状に合わせて作られた型と、現在の金属板の形状との差に応じて、画像作成処理手段により設定された加熱位置に、制御手段により制御される加熱手段から熱が加えられるようになる。
すなわち、所望の形状に合わせて作られた型と、現在の金属板の形状との差に応じて、金属板上に設定された加熱位置に自動的に熱が加えられるようになっている。
【００２３】
請求項８に記載の曲面を有する金属板の製造装置によれば、請求項６に記載の曲面を有する金属板の製造装置において、現在の金属板の形状を三次元的に計測することのできる三次元形状計測手段と、前記画像作成処理手段からの信号および前記三次元形状計測手段からの信号が入力され、これらの信号が比較される比較手段と、を具備し、前記制御手段は、前記比較手段からの信号に基づいて、前記加熱手段に信号を出力することを特徴とする。
【００２４】
この曲面を有する金属板の製造装置においては、データとして蓄積された所望の形状と、三次元形状計測手段により計測された現在の金属板の形状との差に応じて、画像作成処理手段により設定された加熱位置に、制御手段により制御される加熱手段から熱が加えられるようになる。
すなわち、データとして蓄積された所望の形状と、三次元形状計測手段により計測された現在の金属板の形状との差に応じて、金属板上に設定された加熱位置に自動的に熱が加えられるようになっている。
【００２５】
請求項９に記載の曲面を有する金属板の製造装置によれば、請求項６に記載の曲面を有する金属板の製造装置において、現在の金属板の形状を三次元的に計測することのできる三次元形状計測手段と、前記画像作成処理手段からの信号および前記三次元形状計測手段からの信号が入力され、これらの信号が比較される比較手段と、入熱量と変形量との関係がデータベースとして蓄積され、前記比較手段からの信号に応じて加熱条件を出力する加熱条件最適化手段と、を具備し、前記制御手段は、前記加熱条件最適化手段からの信号に基づいて、前記加熱手段に信号を出力することを特徴とする。
【００２６】
この曲面を有する金属板の製造方法においては、データとして蓄積された所望の形状と、三次元形状計測手段により計測された現在の金属板の形状との差、および入熱量と変形量との関係がデータベースとして蓄積された加熱条件最適化手段から、前記差に基づいて出力される信号に応じて、画像作成処理手段により設定された加熱位置に、制御手段により制御される加熱手段から熱が加えられるようになる。
すなわち、データとして蓄積された所望の形状と、三次元形状計測手段により計測された現在の金属板の形状との差、および入熱量と変形量との関係がデータベースとして蓄積された加熱条件最適化手段から、前記差に基づいて出力される信号に応じて、金属板上に設定された加熱位置に自動的に熱が加えられるようになっている。
【００２７】
請求項１０に記載の曲面を有する金属板によれば、金属板の表面に熱を加えることにより起こる角変形と、金属板の表面から裏面にかけて熱を加えることにより起こる熱収縮とにより製造された曲面を有する金属板であって、その表面および裏面が滑らかな自由曲面で形成されていることを特徴とする。
【００２８】
完成した金属板の表面および裏面には、角張った部分が一切形成されていない。このような形状は、従来の手作業では、全く作ることができなかった。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
従来技術の欄のところで既に説明したように、鋼板（金属板）を複雑な曲面を有する形状に加工していく場合、角変形を起こさせる加熱線、および／または熱収縮を起こさせる加熱線および／または加熱点の位置が第一にわかれば、経験の浅い技術者であってもその加熱位置（加熱線および／または加熱点）に加熱していくことにより、鋼板を目標形状（所望の形状）に近づけていくことが容易にできるようになる。本発明の特徴はまさにこの点にあるといっても過言ではない。
【００３０】
まずはじめに、本発明の特徴を、図１を用いて概念的に説明すると以下のようになる。
ａ．目標形状と部材形状との形状差（加工曲面）をとる。
ｂ．加工曲面を曲面理論解析（または地図展開の逆展開（以下、地図の逆変換という））を行って加熱位置を求める。また、加工曲面のガース長さ変化量を求め、ガース長さ変化量から各加熱線の収縮量の目安を算出し、これ（収縮量の目安）を各加熱線の仮の収縮量として加熱条件最適化手段を用いて各加熱線に必要な真の収縮量（固有変形量）および与える加熱量を決定する。
ｃ．加熱位置を部材形状にマッピング（投影）する。
ｄ．加熱位置に基づいて加熱する。
ｅ．以上のことを繰り返し行って、部材形状を目標形状に近づける。
【００３１】
つぎに、鋼板の曲げ加熱加工の原理について説明する。図２に示すように、鋼板の曲がりは、加熱線（Ｕ方向）に対して直交する方向（Ｖ方向）に起こる。このことを詳しく説明すると、図８に示したように加熱量により、鋼板の表面を主に加熱することで起こる角変形と、鋼板の裏面まで板厚方向に加熱することで起こる収縮がある。しかし、これら角変形、収縮はそれぞれ単独に発生するものではなく、角変形を起こす加熱は同時に収縮を起こし、収縮を起こす加熱は同時に角変形も起こすためにそれぞれが重畳される変形が起こる。
【００３２】
【表１】
【００３３】
上記表１に示す実験結果を基に入熱量と角変形、横収縮、縦収縮を整理すると、ほとんど角変形と横収縮が支配的であるといえる。というのは、収縮に関しては、横方向（Ｖ方向）の収縮が縦方向（Ｕ方向）の収縮よりも約３倍と大きいため、加熱線に対して直角方向に縮む変形が支配的となるからである。
これらの加熱による変形原理から、曲げたい方向と直交する方向に加熱すればよいこととなり、加熱量（加熱速度一定で火力を変化させる方法や、火力を一定にして速度を変化させる方法など）の制御により角変形を起こす加熱加工と横収縮を起こす加熱加工の選択を行うことで、希望する加工が実現できる。
【００３４】
前述したように、ガース長さと角度のバランスを取る変形を起こさせるためには、曲げたい方向と直交する方向に加熱すればよいこととなる。この時、加熱の方法として、角度の差が長さの差に比べて大きい時は長さの変化が小さい角変形を起こす折れ曲げ加熱主体の加熱を施工し、角度の差が長さの差に比べて小さい時は絞り加熱主体の加熱を施工すればよい。
このような関係は曲面理論（「ＣＡＤ／ＣＡＭにおける曲線曲面のモデリング」穂坂 衛 著、東京電機大学出版局）を用いることにより幾何学的に解析することができる。
すなわち、図３に示すように、曲面上のある点Ｐに対して垂直にたてられた単位法線ベクトルｎと、この曲面上のある点Ｐに対する単位接線ベクトルｔとで決まる面を法平面といい、この法平面と曲面との交線を法断面という。
そしてこの法断面の微分を曲率として、法平面を法線ｎの周りに回転させると、その回転角θと曲率との関係が、図３の右半分に示すグラフのようになる。
このグラフから、最大曲率と最小曲率とはπ／２（＝９０°）だけずれていることがわかる。
実際には、点Ｐにおける最小曲率を生じる方向（ここでは角度θｂ）に点をわずかにずらし、その点における最小曲率を生じる方向を同様の方法で探し出す。このような作業を繰り返し行って曲面上における最小曲率となる点を結ぶ曲率線を曲面上に貼り付けることで曲面上に直交座標系を構成することができる。この直交座標系を“目標形状（所望の形状）と部材形状（現在の金属板の形状）との差がつくる曲面”と、“部材形状の曲面”それぞれに貼り付けることで、角度および長さとこれらの変形とによってできる形状の変形について、“目標形状と部材形状との差がつくる曲面”と、“部材形状の曲面”との差違が求まる。この差違から、角度の差違が長さの差違に比べて大きい時は長さの変化が小さい角変形を起こす折れ曲げ加熱主体の加熱位置を求める解析を行い、角度の差違が長さの差違に比べて小さい時は絞り加熱主体の加熱位置を求める解析を行う。
この曲率線に沿って角変形、収縮変形を制御しながら加熱すれば、結果的に鋼板を曲げたい方向に曲げていくことができることとなる。
【００３５】
つぎに、地図を作るときなど、曲面を平面に変換しようとすると、角度、長さ、面積を同時かつ正確に投影展開することができないことは周知のことである。たとえば、角度を保持したまま投影展開すると中央部と端部とでは縮尺が異なる。いいかえれば、中央部については略そのままでよいが、端部については拡大する（伸ばす）必要がある。
逆に、平面から曲面をつくる際には、前述の角度保持の展開では、中央部についてはそのままでよいが、端部については収縮させる（縮める）必要がある。
この角度を保持したままの展開は、実は現図展開手法の基になる原理であり、具体的にはメルカトル図法的な正角図法を基にした展開を参考にして現図展開手法が開発された経緯がある。
このように、実際には曲面を有する地表面を平面である地図に変換したり、あるいは逆に平面となった地図から曲面を有する地表面に逆変換する技術、すなわち幾何モデルを解析する技術は、電算機などを使用して解析することができるものであり、現在では周知の技術となっている。
なお、地図展開については、１９７０年代以降の地図展開では、前述の角度、長さ、面積の歪みを小さくするために従来のマクロ的な展開（例、メルカトル図法）からミクロ的な展開（歪みの誤差が無視できる程度に曲面を微小曲面の集まりとして定義する、ＵＴＭ：ユニバーサル横メルカトル図法）に置き換われつつあり、電算機などを使用することにより歪みの小さい展開をすることが可能になることができるものであり、現在では周知の技術となっている。
したがって、このような技術を使えば、鋼板を曲面にする場合に、“折れ曲げ”や“収縮”させなければならない部位、すなわち鋼板上で“角変形”や“熱収縮”を起こさせるべき加熱線および／または加熱点の位置を鋼板上に設定することができる。
【００３６】
このように、図に示すように、所望の形状と現在の金属板の形状との差が作る曲面に対し、曲面理論や地図の逆展開を用いて角変形や熱収縮を起こさせ得るべき加熱線および／または加熱点の位置を鋼板上に設定することができ、所望の形状と現在の金属板の形状との差がなくなるまで繰り返すことで、鋼板を所望の形状に曲げていくことができることになる。
また、作業者はこの予め設定された加熱位置（加熱線および／または加熱点の位置）に熱を加えていくだけで、鋼板を所望の形状に曲げていくことができることとなる。
【００３７】
実際の作業手順としては図４ないし図６に示すような手順をとることとなる。なお、図４ないし図６において１次曲げプレスが描かれているが、この作業はなくても良いし、また必要で有ればこれ以外の曲げプレスが予め加えられていても良い。
また従来と同一の部材には同一の符号を付している。
図４ないし図６はいずれも鋼板２を皿型形状に加工しようとする例である。
【００３８】
まずはじめに、画像作成処理手段により所望の形状をＣＡＤ情報（画像）として作成・処理するとともに、この画像を上述した曲面理論、および地図の逆変換を用いて処理し、鋼板２上に加熱位置（加熱線および／または加熱点）を指定する。
図４の場合、鋼板２に１次曲げプレスを与え、大まかな形状を形成させている。
そして、この鋼板２の内側面（凹面）上にたとえば木製の型１をあてて、目標形状と現在の鋼板２の形状とのギャップを作業者が目で確認する。
作業者は、鋼板２の形状を型１の形状に近づけていくため、予め設定された加熱位置に沿って、熱を加えていく。
熱を加えた後、再び目標形状と現在の鋼板２の形状とのギャップを作業者が目で確認する。
このように、加熱位置にしたがった入熱と、現在の鋼板と型とのギャップの確認作業を繰り返し行って、鋼板２の形状を目標の形状に近づけていくこととなる。
ここでは、加熱位置については予め指定されているが、加える熱量の判断については、作業者に任されていることとなる。
すなわち、作業者が視認した鋼板２の形状と目標の形状とのギャップに応じて、作業者は鋼板２上に指定された加熱位置に熱を加えていき、鋼板２を目標形状に徐々に近づけていくこととなる。
【００３９】
このように、熟練者の永年の経験と勘により設定されていた加熱位置が、予め幾何学的に解析されて鋼板上に指定されることとなるので、経験の浅い作業者であっても、十分に鋼板を目標形状に加工することができる。
また、加熱位置は目標形状によって決定されており、作業者の経験や勘によって左右されることがないので、完成した製品に大きな差を生じることがなく、略均一の製品を作り出すことができる。
なお、図中の加熱位置指定における黒点は熱収縮を与えるための絞り加熱位置、等高線のような線は角変形を与えるための線状加熱位置、左から右に延びる直線は１次曲げプレスによるローラ線、左上から右下に延びる６本の平行線はそれぞれフレームラインである。
【００４０】
つぎに、図５に示す実施形態について説明する。図４同様、画像作成処理手段により所望の形状をＣＡＤ情報（画像）として作成・処理するとともに、この画像を上述した曲面理論、および地図の逆変換を用いて処理し、鋼板２上に加熱位置（加熱線および／または加熱点）を指定する。
図５の場合、鋼板２に１次曲げプレスを与え、大まかな形状を形成させている。
そして、この鋼板２の形状を三次元的に計測することのできる三次元形状計測手段３０により計測し、この計測結果と目標形状とのギャップを、たとえばディスプレイなどの表示器（図示せず）に表示して、作業者にこのギャップを視覚的に伝える。
作業者は、鋼板２の形状を目標形状に近づけていくため、予め設定された加熱位置に沿って、熱を加えていく。
熱を加えた後、再び鋼板２を三次元形状計測手段３０で計測するとともに、表示器に表示された目標形状と現在の鋼板２の形状とのギャップを作業者が目で確認する。
このように、加熱位置にしたがった入熱と、現在の鋼板と目標形状とのギャップの確認作業を繰り返し行って、鋼板の形状を目標形状に近づけていくこととなる。
ここでも図４に示すものと同様、加熱位置については予め指定されているが、加える熱量の判断については、作業者に任されていることとなる。
すなわち、作業者が表示器に表示された鋼板形状と目標形状とのギャップに応じて、作業者は鋼板に指定された加熱位置に熱を加えていき、鋼板を目標形状に徐々に近づけていくこととなる。
【００４１】
このように、三次元形状計測手段３０を使用することにより、型１の製作、設置、および撤去などといった付帯作業を省略することができて、コストを低減させることができるとともに、作業時間および作業工数を大幅に削減することができる。
また、熟練者の永年の経験と勘により設定されていた加熱位置が、予め幾何学的に解析されて鋼板上に指定されることとなるので、経験の浅い作業者であっても、十分に鋼板を目標形状に加工することができる。
さらに、加熱位置は目標形状によって決定されており、作業者の経験や勘によって左右されることがないので、完成した製品に大きな差を生じることがなく、略均一の製品を作り出すことができる。
なお、図中の加熱位置指定における黒点は熱収縮を与えるための絞り加熱位置、等高線のような線は角変形を与えるための線状加熱位置、左から右に延びる直線は１次曲げプレスによるローラ線、左上から右下に延びる６本の平行線はそれぞれフレームラインである。
【００４２】
つぎに、図６に示す実施形態について説明する。図４および図５同様、画像作成処理手段により所望の形状をＣＡＤ情報（画像）として作成・処理するとともに、この画像を上述した曲面理論、および地図の逆変換を用いて処理し、鋼板２上に加熱位置（加熱線および／または加熱点）を指定する。
図６の場合、鋼板２に１次曲げプレスを与え、大まかな形状を形成させている。
そして、この鋼板２の形状を三次元的に計測することのできる三次元形状計測手段３０により計測し、この計測結果とＣＡＤ情報から得られた目標形状とのギャップを、たとえばディスプレイなどの表示器（図示せず）に表示して、作業者にこのギャップを視覚的に伝える。
また、三次元形状計測手段３０による計測結果は加熱条件最適化手段（図示せず）に出力され、この加熱条件最適化手段に蓄積された入熱量・変形量データと比較される。比較された結果は加熱条件（たとえば入熱量など）として前述した表示器あるいは別途用意された、たとえばディスプレイなどの表示器（図示せず）に表示される。
すなわち、作業者はどの加熱位置にどれだけの熱を加えればよいかを表示器で確認することができることとなる。
作業者は、鋼板２の形状を目標形状に近づけていくため、予め設定された加熱位置に沿って、加熱条件最適化手段より出力された熱量分だけを加えていく。
熱を加えた後、再び鋼板２を三次元形状計測手段３０で計測するとともに、表示器に表示された目標形状と現在の鋼板２の形状とのギャップ、および加熱条件最適化手段により出力された熱量を作業者が目で確認する。
このように、指示された加熱位置に指示された熱量分だけ鋼板２に熱を加えることと、現在の鋼板と目標形状とのギャップの確認作業とを繰り返し行って、鋼板の形状を目標形状に近づけていく。
図６に示す実施形態では、加熱位置と入熱量が指定されることとなるので、作業者の判断によるところはほとんどない。
すなわち、作業者は、鋼板上に指定された加熱位置に、表示器上に表示された熱量を加えていくだけで、鋼板を目標形状により早く近づけいていくことができる。
【００４３】
このように、加熱条件最適化手段を使用することにより、どの加熱位置にどれくらいの熱量を加えればよいのかを情報として得ることができるので、作業効率を向上させることができて、作業時間を短縮することができる。
また、三次元形状計測手段３０を使用することにより、型１の製作、設置、および撤去などといった付帯作業を省略することができて、コストを低減させることができるとともに、作業時間および作業工数を大幅に削減することができる。さらに、熟練者の永年の経験と勘により設定されていた加熱位置が、予め幾何学的に解析されて鋼板上に指定されることとなるので、経験の浅い作業者であっても、十分に鋼板を目標形状に加工することができる。
さらにまた、加熱位置は目標形状によって決定されており、作業者の経験や勘によって左右されることがないので、完成した製品に大きな差を生じることがなく、略均一の製品を作り出すことができる。
なお、図中の加熱位置指定における黒点は熱収縮を与えるための絞り加熱位置、等高線のような線は角変形を与えるための線状加熱位置、左から右に延びる直線は１次曲げプレスによるローラ線、左上から右下に延びる６本の平行線はそれぞれフレームラインである。
【００４４】
以上説明してきたように、本発明による手法によれば、図７の下段に示すように、少しずつなだらかに鋼板を目標の形状に近づけていくことができる。したがって、完成した製品の、特に表面が非常に滑らかな曲面で形成されることとなり、たとえば船殻外板等に用いられる場合には推進抵抗を低減させることができるようになる。
これに対して、従来のような熟練作業者の経験と勘だけに頼る手法では、図７の上段に示すように、徐々に目標形状に近づいてはいくものの、目標形状を通り越して何回も曲げられてしまうため、完成した製品の表面および裏面が波打ってしまうこととなる。
このように、従来の手法と本発明による手法とでは完成した製品にも大きな形状上の差違が生じてくる。
なお、図７の下段に示すグラフの内、実線で示すものは図４および図５による実施形態を採用した場合であり、一点鎖線で示すものは図６に示す実施形態を採用した場合である。すなわち、図６のもののように、加熱条件が指定された場合には、より早く目標形状に到達し得るということを示している。
【００４５】
また、図４ないし図６に示す熱曲げ加工を、機械的に自動で行わせることもできる。
すなわち、図４に示す実施形態において、現在の鋼板形状と型形状とのギャップを計測することのできるギャップ計測手段と、入力された加熱位置に沿って移動可能とされ、鋼板に熱を加えることのできる加熱手段と、ギャップに応じて加熱手段を移動させるとともにその部位に熱を加えるよう信号を出力する制御手段とを設けるようにすることができる。
これにより、過酷な作業から作業者を解放することができるとともに、人件費を削減することができ、コストを低減させることができる。
【００４６】
また、図５に示す実施形態において、ＣＡＤ情報として蓄えられた目標形状と三次元形状計測手段３０により計測された計測結果とが入力される比較手段と、入力された加熱位置に沿って移動可能とされ、鋼板に熱を加えることのできる加熱手段と、比較手段からのデータに応じて加熱手段を移動させるとともにその部位に熱を加えるよう信号を出力する制御手段とを設けるようにすることができる。
これにより、過酷な作業から作業者を解放することができるとともに、人件費を削減することができ、コストを低減させることができる。
【００４７】
さらに、図６に示す実施形態において、ＣＡＤ情報として蓄えられた目標形状と三次元形状計測手段３０により計測された計測結果とが入力される比較手段と、入力された加熱位置に沿って移動可能とされ、鋼板に熱を加えることのできる加熱手段と、入熱量と変形量との関係がデータベースとして蓄積され、比較手段からの信号に応じて加熱条件を出力する加熱条件最適化手段と、加熱条件最適化手段からのデータに応じて加熱手段を移動させるとともにその部位に最適な熱を加えるよう信号を出力する制御手段とを設けるようにすることができる。
これにより、過酷な作業から作業者を解放することができるとともに、人件費を削減することができ、コストを低減させることができる。
【００４８】
なお、上述した実施形態において、三次元形状計測手段３０はカメラを用いたものを採用しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、たとえばＸ−Ｙ方向（すなわち水平方向）に移動自在とされたシリンダと、このシリンダ内でＺ方向（垂直方向）に移動自在とされたピストンと、このピストンの先端に設けられ、鋼板上を転動するローラとにより構成されたものであっても良い。
すなわち、ローラがシリンダおよびピストンとともに鋼板上を移動していくことにより、鋼板の三次元形状が把握できるようなものであっても良い。
【００４９】
また、本発明は船殻外板に対してのみ適用されるものではなく、たとえば原子力、航空／宇宙、自動車／列車などの技術分野における金属板（たとえば、アルミニウムやステンレス鋼の板）に対しても適用可能なものである。
【００５０】
【発明の効果】
本発明の曲面を有する金属板の製造方法およびその製造装置並びに曲面を有する金属板によれば、以下の効果を奏する。
請求項１に記載の曲面を有する金属板の製造方法によれば、予め設定（指定）された加熱位置（加熱線および／または加熱点）に沿って熱を加えていけば、鋼板が所望の形状に近づいていくこととなるので、経験の浅い作業者であっても、十分に鋼板を目標形状に加工することができるという効果を奏する。
【００５１】
請求項２に記載の曲面を有する金属板の製造方法によれば、加熱位置が目標形状に対して一対一で決定されることとなるので、作業者の経験や勘に左右されず、完成した製品に大きな差を生じることがなく、略均一の製品を作り出すことができるという効果を奏する。
【００５２】
請求項３に記載の曲面を有する金属板の製造方法によれば、所望の形状に合わせて作られた型と、現在の金属板の形状との差に応じて、加熱位置に熱が加えられることとなるので、加えた熱量による金属板の変形量をその場で確認することができて、作業状況を即座に把握することができるという効果を奏する。
【００５３】
請求項４に記載の曲面を有する金属板の製造方法によれば、現在の金属板の形状が三次元形状計測手段により計測されることとなるので、型の製作、設置、および撤去などといった付帯作業を省略することができて、コストを低減させることができるとともに、作業時間および作業工数を大幅に削減することができるという効果を奏する。
【００５４】
請求項５に記載の曲面を有する金属板の製造方法によれば、どの加熱位置にどれくらいの熱量を加えればよいのかを作業者が情報として得ることができるので、作業効率を向上させることができて、作業時間を短縮することができるという効果を奏する。
【００５５】
請求項６に記載の曲面を有する金属板の製造装置によれば、金属板上に設定された加熱位置に自動的に熱が加えられるようになっているので、過酷な作業から作業者を解放することができるとともに、人件費を削減することができ、コストを低減させることができるという効果を奏する。
【００５６】
請求項７に記載の曲面を有する金属板の製造装置によれば、金属板上に設定された加熱位置に自動的に熱が加えられるようになっているので、過酷な作業から作業者を解放することができるとともに、人件費を削減することができ、コストを低減させることができるという効果を奏する。
【００５７】
請求項８に記載の曲面を有する金属板の製造装置によれば、現在の金属板の形状が三次元形状計測手段により計測されることとなるので、型の製作、設置、および撤去などといった付帯作業を省略することができて、コストを低減させることができるとともに、作業時間および作業工数を大幅に削減することができ、かつ過酷な作業から作業者を解放することができるとともに、人件費を削減することができ、コストを低減させることができるという効果を奏する。
【００５８】
請求項９に記載の曲面を有する金属板の製造装置によれば、どの加熱位置にどれくらいの熱量を加えればよいのかを情報として得ることができるので、作業効率を向上させることができて、作業時間を短縮することができ、かつ過酷な作業から作業者を解放することができるとともに、人件費を削減することができ、コストを低減させることができるという効果を奏する。
【００５９】
請求項１０に記載の曲面を有する金属板によれば、完成した金属板の表面および裏面が滑らかな曲線で形成されることとなるので、たとえば船殻外板等に用いられた場合には推進抵抗を低減させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の概念を説明するための図である。
【図２】変形を詳細に説明するための説明図である。
【図３】本発明に適用した曲面理論を説明するための説明図である。
【図４】本発明による金属板の曲げ加工手法の一実施形態を概念的に示す図である。
【図５】本発明による金属板の曲げ加工手法の他の実施形態を概念的に示す図である。
【図６】本発明による金属板の曲げ加工手法の別の実施形態を概念的に示す図である。
【図７】熟練技能者と本発明による加工手法の違いをイメージ化した図である。
【図８】一般に行われている角変形と熱収縮とを説明するための説明図である。
【図９】船殻の外板となる鋼板の曲げ加工手法による従来技術を概念的に示す図であり、当該曲げ加工に用いる型を鋼板に設置した状態を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ 型
２ 鋼板（金属板）
３０ 三次元形状計測手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、曲面を有する金属板の製造方法およびその製造装置並びに曲面を有する金属板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
たとえば船殻の外板は、推進抵抗を低減して水中を効率よく航行するために、複雑な非可展曲面形状をもつ厚さ１０〜３０ｍｍ程度の鋼板（金属板）で構成されている。
この曲がり外板を加工するのに、一般に角変形と熱収縮とが古くから用いられている。
【０００３】
角変形は、図８の上段に示すように、ガスバーナ等を用いて鋼板の表面を局部的に加熱してその際に生成される塑性歪みによる鋼板の曲がりを利用するものである。
【０００４】
また熱収縮は、図８の下段に示すように、ガスバーナ等を用いて鋼板の表面から裏面にかけて加熱し、その部分を収縮させる、いわゆる絞り加熱といわれるものである。
なお、この加熱位置は線状であってもよいしあるいはピンポイント的な点状であってもよい。
【０００５】
図９は、船殻の外板となる鋼板の曲げ加工方法による従来技術を概念的に示す図であり、当該曲げ加工に用いるたとえば木製の型１を鋼板２に設置した状態を示す斜視図である。
この図に示すように、従来技術においては、まず船殻外板のフレームライン（当該外板の骨材を取り付ける位置におけるこの骨材に沿うライン；以下同じ）を目標形状（所望の形状）として有する多数（図では４個）の型１を鋼板２上に設置する。
つぎに、各型１と鋼板２の形状を作業者が目視観察で比較して両者の形状の違い、たとえば型１と鋼板２との間のギャップ（隙間あるいは差）を考慮し、どの位置を加熱すれば目標形状に近づいていくかを考慮して各加熱位置（加熱点）を決定している。
具体的には、垂直面（図９において左側から見た面）内で型１を鋼板２のフレームラインに沿って転動させ、このとき型１が接する接点を確認しつつ各状態における型１と鋼板２との間のギャップを考慮して決定している。
【０００６】
その後、各加熱点をどのように結べば鋼板２を目標形状に近づけることができるのかを考慮して加熱線を決定し、決定した加熱線をチョーク等で鋼板２の表面上にマークし、この加熱線に沿ってガスバーナで加熱している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、熟練した技術者であっても見た目にわかりやすい角変形を多用して鋼板２の形状を目標の形状、すなわち型１に合わせていこうとするため、鋼板の表面を滑らかに仕上げることができないという問題点があった。
また、加熱線の決定を合理的に行う能力を備えるには約５年以上の経験が必要とされており、経験の浅い作業者では所定の曲面を得ることができないという問題点があった。
さらに、熟練技術者の減少により上述したような鋼板でさえ、得ることが難しい状況になりつつあるという問題点もある。
【０００８】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、経験の浅い作業者であっても熟練技術者が行った作業と同等程度に、船殻外板等の複雑な曲面形状を有する鋼板を目標の形状に加工することができる曲面を有する金属板の製造方法を提供することを目的としている。
また、本発明の他の目的は、船殻外板等に適した滑らかな曲面を有する金属板を提供することを目的としている。
さらに、本発明の別の目的は、船殻外板等の複雑な曲面形状を有する鋼板を目標形状に自動的に曲げ加工することができる曲面を有する金属板の製造装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の曲面を有する金属板の製造方法およびその製造装置並びに曲面を有する金属板では、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
すなわち、請求項１記載の曲面を有する金属板の製造方法によれば、金属板の表面に熱を加えることにより起こる角変形、および／または金属板の表面から裏面にかけて熱を加えることにより起こる熱収縮を用いて、前記金属板を曲面を含む所望の形状に加工していく曲面を有する金属板の製造方法において、前記金属板の表面に、幾何学的解析により得られた、角変形を起こさせる加熱線、および／または熱収縮を起こさせる加熱線および／または加熱点を予め設定しておき、これら加熱線および／または加熱点に沿って加熱していくことを特徴とする。
【００１０】
この曲面を有する金属板の製造方法においては、予め設定（指定）された加熱位置（加熱線および／または加熱点）に沿って熱を加えていくと、鋼板が所望の形状に近づいていくこととなる。
【００１１】
請求項２に記載の曲面を有する金属板の製造方法によれば、請求項１に記載の曲面を有する金属板の製造方法において、前記幾何学的解析とは、前記所望の形状と現在の金属板の形状との差がつくる曲面、および現在の金属板の曲面を曲面解析することであることを特徴とする。
【００１２】
この曲面を有する金属板の製造方法においては、所望の形状と現在の金属板の形状との差がつくる曲面、および現在の金属板の曲面が曲面解析されることとなる。
曲面解析とは曲率線を定義することであり、この曲率線からは曲率線が作る“折れ角”と、曲線の持つ長さ（以下、“ガース長さ”という）とをそれぞれ求めることができる。
したがって、所望の形状と現在の金属板の形状との差がつくる曲面、および現在の金属板の曲面のそれぞれの“折れ角”と“ガース長さ”とを求め、これらの角度と長さのバランスが取れるように金属板を加工することで、綺麗な（滑らかな）曲面を有する金属板を製造することができるようになっている。
すなわち、一つの曲面形状に対して一意的に加熱位置が金属板上に設定されることとなる。
【００１３】
請求項３に記載の曲面を有する金属板の製造方法によれば、請求項１または２に記載の曲面を有する金属板の製造方法において、前記角変形を起こさせる加熱線、および／または熱収縮を起こさせる加熱線および／または加熱点に沿う加熱は、前記所望の形状に合わせて作られた型と、現在の金属板の形状との差に基づいて行われることを特徴とする。
【００１４】
この曲面を有する金属板の製造方法においては、所望の形状に合わせて作られた型と、現在の金属板の形状との差に応じて、加熱位置に熱が加えられることとなる。
【００１５】
請求項４に記載の曲面を有する金属板の製造方法によれば、請求項１または２に記載の曲面を有する金属板の製造方法において、前記角変形を起こさせる加熱線、および／または熱収縮を起こさせる加熱線および／または加熱点に沿う加熱は、データとして蓄積された前記所望の形状と、三次元形状計測手段により計測された現在の金属板の形状との差に基づいて行われることを特徴とする。
【００１６】
この曲面を有する金属板の製造方法においては、データとして蓄積された所望の形状と、三次元形状計測手段により計測された現在の金属板の形状との差に応じて、加熱位置に熱が加えられることとなる。
【００１７】
請求項５に記載の曲面を有する金属板の製造方法によれば、請求項１または２に記載の曲面を有する金属板の製造方法において、前記角変形を起こさせる加熱線、および／または熱収縮を起こさせる加熱線および／または加熱点に沿う加熱は、データとして蓄積された前記所望の形状と、三次元形状計測手段により計測された現在の金属板の形状との差、および入熱量と変形量との関係がデータベースとして蓄積された加熱条件最適化手段から、前記差に基づいて出力される信号に基づいて行われることを特徴とする。
【００１８】
この曲面を有する金属板の製造方法においては、データとして蓄積された所望の形状と、三次元形状計測手段により計測された現在の金属板の形状との差、および入熱量と変形量との関係がデータベースとして蓄積された加熱条件最適化手段から、前記差に基づいて出力される信号に応じて、加熱位置に熱が加えられることとなる。
【００１９】
請求項６に記載の曲面を有する金属板の製造装置によれば、所望の形状を画像として作成・処理することができるとともに、金属板を前記所望の形状に加工するため、曲面理論および地図の逆変換を用いて、角変形を起こさせる加熱線、および／または熱収縮を起こさせる加熱線および／または加熱点を前記金属板上に幾何学的に設定することができる画像作成処理手段と、前記角変形を起こさせる加熱線、および／または熱収縮を起こさせる加熱線および／または加熱点に沿って移動可能とされ、前記金属板に熱を加えることのできる加熱手段と、前記加熱手段を移動させるとともにその部位に熱を加えるように信号を出力する制御手段と、を具備することを特徴とする。
【００２０】
この曲面を有する金属板の製造装置においては、画像作成処理手段により設定された加熱位置に、制御手段により制御される加熱手段から熱が加えられるようになる。
すなわち、金属板上に設定された加熱位置に自動的に熱が加えられるようになっている。
【００２１】
請求項７に記載の曲面を有する金属板の製造装置によれば、請求項６に記載の曲面を有する金属板の製造装置において、前記所望の形状に合わせて作られた型と、現在の金属板の形状との差を計測することができるギャップ計測手段を具備し、前記制御手段は、前記ギャップ計測手段からの信号に基づいて、前記加熱手段に信号を出力することを特徴とする。
【００２２】
この曲面を有する金属板の製造装置においては、所望の形状に合わせて作られた型と、現在の金属板の形状との差に応じて、画像作成処理手段により設定された加熱位置に、制御手段により制御される加熱手段から熱が加えられるようになる。
すなわち、所望の形状に合わせて作られた型と、現在の金属板の形状との差に応じて、金属板上に設定された加熱位置に自動的に熱が加えられるようになっている。
【００２３】
請求項８に記載の曲面を有する金属板の製造装置によれば、請求項６に記載の曲面を有する金属板の製造装置において、現在の金属板の形状を三次元的に計測することのできる三次元形状計測手段と、前記画像作成処理手段からの信号および前記三次元形状計測手段からの信号が入力され、これらの信号が比較される比較手段と、を具備し、前記制御手段は、前記比較手段からの信号に基づいて、前記加熱手段に信号を出力することを特徴とする。
【００２４】
この曲面を有する金属板の製造装置においては、データとして蓄積された所望の形状と、三次元形状計測手段により計測された現在の金属板の形状との差に応じて、画像作成処理手段により設定された加熱位置に、制御手段により制御される加熱手段から熱が加えられるようになる。
すなわち、データとして蓄積された所望の形状と、三次元形状計測手段により計測された現在の金属板の形状との差に応じて、金属板上に設定された加熱位置に自動的に熱が加えられるようになっている。
【００２５】
請求項９に記載の曲面を有する金属板の製造装置によれば、請求項６に記載の曲面を有する金属板の製造装置において、現在の金属板の形状を三次元的に計測することのできる三次元形状計測手段と、前記画像作成処理手段からの信号および前記三次元形状計測手段からの信号が入力され、これらの信号が比較される比較手段と、入熱量と変形量との関係がデータベースとして蓄積され、前記比較手段からの信号に応じて加熱条件を出力する加熱条件最適化手段と、を具備し、前記制御手段は、前記加熱条件最適化手段からの信号に基づいて、前記加熱手段に信号を出力することを特徴とする。
【００２６】
この曲面を有する金属板の製造方法においては、データとして蓄積された所望の形状と、三次元形状計測手段により計測された現在の金属板の形状との差、および入熱量と変形量との関係がデータベースとして蓄積された加熱条件最適化手段から、前記差に基づいて出力される信号に応じて、画像作成処理手段により設定された加熱位置に、制御手段により制御される加熱手段から熱が加えられるようになる。
すなわち、データとして蓄積された所望の形状と、三次元形状計測手段により計測された現在の金属板の形状との差、および入熱量と変形量との関係がデータベースとして蓄積された加熱条件最適化手段から、前記差に基づいて出力される信号に応じて、金属板上に設定された加熱位置に自動的に熱が加えられるようになっている。
【００２７】
請求項１０に記載の曲面を有する金属板によれば、金属板の表面に熱を加えることにより起こる角変形と、金属板の表面から裏面にかけて熱を加えることにより起こる熱収縮とにより製造された曲面を有する金属板であって、その表面および裏面が滑らかな自由曲面で形成されていることを特徴とする。
【００２８】
完成した金属板の表面および裏面には、角張った部分が一切形成されていない。このような形状は、従来の手作業では、全く作ることができなかった。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
従来技術の欄のところで既に説明したように、鋼板（金属板）を複雑な曲面を有する形状に加工していく場合、角変形を起こさせる加熱線、および／または熱収縮を起こさせる加熱線および／または加熱点の位置が第一にわかれば、経験の浅い技術者であってもその加熱位置（加熱線および／または加熱点）に加熱していくことにより、鋼板を目標形状（所望の形状）に近づけていくことが容易にできるようになる。本発明の特徴はまさにこの点にあるといっても過言ではない。
【００３０】
まずはじめに、本発明の特徴を、図１を用いて概念的に説明すると以下のようになる。
ａ．目標形状と部材形状との形状差（加工曲面）をとる。
ｂ．加工曲面を曲面理論解析（または地図展開の逆展開（以下、地図の逆変換という））を行って加熱位置を求める。また、加工曲面のガース長さ変化量を求め、ガース長さ変化量から各加熱線の収縮量の目安を算出し、これ（収縮量の目安）を各加熱線の仮の収縮量として加熱条件最適化手段を用いて各加熱線に必要な真の収縮量（固有変形量）および与える加熱量を決定する。
ｃ．加熱位置を部材形状にマッピング（投影）する。
ｄ．加熱位置に基づいて加熱する。
ｅ．以上のことを繰り返し行って、部材形状を目標形状に近づける。
【００３１】
つぎに、鋼板の曲げ加熱加工の原理について説明する。図２に示すように、鋼板の曲がりは、加熱線（Ｕ方向）に対して直交する方向（Ｖ方向）に起こる。このことを詳しく説明すると、図８に示したように加熱量により、鋼板の表面を主に加熱することで起こる角変形と、鋼板の裏面まで板厚方向に加熱することで起こる収縮がある。しかし、これら角変形、収縮はそれぞれ単独に発生するものではなく、角変形を起こす加熱は同時に収縮を起こし、収縮を起こす加熱は同時に角変形も起こすためにそれぞれが重畳される変形が起こる。
【００３２】
【表１】
上記表１に示す実験結果を基に入熱量と角変形、横収縮、縦収縮を整理すると、ほとんど角変形と横収縮が支配的であるといえる。というのは、収縮に関しては、横方向（Ｖ方向）の収縮が縦方向（Ｕ方向）の収縮よりも約３倍と大きいため、加熱線に対して直角方向に縮む変形が支配的となるからである。
これらの加熱による変形原理から、曲げたい方向と直交する方向に加熱すればよいこととなり、加熱量（加熱速度一定で火力を変化させる方法や、火力を一定にして速度を変化させる方法など）の制御により角変形を起こす加熱加工と横収縮を起こす加熱加工の選択を行うことで、希望する加工が実現できる。
【００３４】
前述したように、ガース長さと角度のバランスを取る変形を起こさせるためには、曲げたい方向と直交する方向に加熱すればよいこととなる。この時、加熱の方法として、角度の差が長さの差に比べて大きい時は長さの変化が小さい角変形を起こす折れ曲げ加熱主体の加熱を施工し、角度の差が長さの差に比べて小さい時は絞り加熱主体の加熱を施工すればよい。
このような関係は曲面理論（「ＣＡＤ／ＣＡＭにおける曲線曲面のモデリング」穂坂 衛 著、東京電機大学出版局）を用いることにより幾何学的に解析することができる。
すなわち、図３に示すように、曲面上のある点Ｐに対して垂直にたてられた単位法線ベクトルｎと、この曲面上のある点Ｐに対する単位接線ベクトルｔとで決まる面を法平面といい、この法平面と曲面との交線を法断面という。
そしてこの法断面の微分を曲率として、法平面を法線ｎの周りに回転させると、その回転角θと曲率との関係が、図３の右半分に示すグラフのようになる。
このグラフから、最大曲率と最小曲率とはπ／２（＝９０°）だけずれていることがわかる。
実際には、点Ｐにおける最小曲率を生じる方向（ここでは角度θｂ）に点をわずかにずらし、その点における最小曲率を生じる方向を同様の方法で探し出す。このような作業を繰り返し行って曲面上における最小曲率となる点を結ぶ曲率線を曲面上に貼り付けることで曲面上に直交座標系を構成することができる。この直交座標系を“目標形状（所望の形状）と部材形状（現在の金属板の形状）との差がつくる曲面”と、“部材形状の曲面”それぞれに貼り付けることで、角度および長さとこれらの変形とによってできる形状の変形について、“目標形状と部材形状との差がつくる曲面”と、“部材形状の曲面”との差違が求まる。この差違から、角度の差違が長さの差違に比べて大きい時は長さの変化が小さい角変形を起こす折れ曲げ加熱主体の加熱位置を求める解析を行い、角度の差違が長さの差違に比べて小さい時は絞り加熱主体の加熱位置を求める解析を行う。
この曲率線に沿って角変形、収縮変形を制御しながら加熱すれば、結果的に鋼板を曲げたい方向に曲げていくことができることとなる。
【００３５】
つぎに、地図を作るときなど、曲面を平面に変換しようとすると、角度、長さ、面積を同時かつ正確に投影展開することができないことは周知のことである。たとえば、角度を保持したまま投影展開すると中央部と端部とでは縮尺が異なる。いいかえれば、中央部については略そのままでよいが、端部については拡大する（伸ばす）必要がある。
逆に、平面から曲面をつくる際には、前述の角度保持の展開では、中央部についてはそのままでよいが、端部については収縮させる（縮める）必要がある。
この角度を保持したままの展開は、実は現図展開手法の基になる原理であり、具体的にはメルカトル図法的な正角図法を基にした展開を参考にして現図展開手法が開発された経緯がある。
このように、実際には曲面を有する地表面を平面である地図に変換したり、あるいは逆に平面となった地図から曲面を有する地表面に逆変換する技術、すなわち幾何モデルを解析する技術は、電算機などを使用して解析することができるものであり、現在では周知の技術となっている。
なお、地図展開については、１９７０年代以降の地図展開では、前述の角度、長さ、面積の歪みを小さくするために従来のマクロ的な展開（例、メルカトル図法）からミクロ的な展開（歪みの誤差が無視できる程度に曲面を微小曲面の集まりとして定義する、ＵＴＭ：ユニバーサル横メルカトル図法）に置き換われつつあり、電算機などを使用することにより歪みの小さい展開をすることが可能になることができるものであり、現在では周知の技術となっている。
したがって、このような技術を使えば、鋼板を曲面にする場合に、“折れ曲げ”や“収縮”させなければならない部位、すなわち鋼板上で“角変形”や“熱収縮”を起こさせるべき加熱線および／または加熱点の位置を鋼板上に設定することができる。
【００３６】
このように、図に示すように、所望の形状と現在の金属板の形状との差が作る曲面に対し、曲面理論や地図の逆展開を用いて角変形や熱収縮を起こさせ得るべき加熱線および／または加熱点の位置を鋼板上に設定することができ、所望の形状と現在の金属板の形状との差がなくなるまで繰り返すことで、鋼板を所望の形状に曲げていくことができることになる。
また、作業者はこの予め設定された加熱位置（加熱線および／または加熱点の位置）に熱を加えていくだけで、鋼板を所望の形状に曲げていくことができることとなる。
【００３７】
実際の作業手順としては図４ないし図６に示すような手順をとることとなる。なお、図４ないし図６において１次曲げプレスが描かれているが、この作業はなくても良いし、また必要で有ればこれ以外の曲げプレスが予め加えられていても良い。
また従来と同一の部材には同一の符号を付している。
図４ないし図６はいずれも鋼板２を皿型形状に加工しようとする例である。
【００３８】
まずはじめに、画像作成処理手段により所望の形状をＣＡＤ情報（画像）として作成・処理するとともに、この画像を上述した曲面理論、および地図の逆変換を用いて処理し、鋼板２上に加熱位置（加熱線および／または加熱点）を指定する。
図４の場合、鋼板２に１次曲げプレスを与え、大まかな形状を形成させている。
そして、この鋼板２の内側面（凹面）上にたとえば木製の型１をあてて、目標形状と現在の鋼板２の形状とのギャップを作業者が目で確認する。
作業者は、鋼板２の形状を型１の形状に近づけていくため、予め設定された加熱位置に沿って、熱を加えていく。
熱を加えた後、再び目標形状と現在の鋼板２の形状とのギャップを作業者が目で確認する。
このように、加熱位置にしたがった入熱と、現在の鋼板と型とのギャップの確認作業を繰り返し行って、鋼板２の形状を目標の形状に近づけていくこととなる。
ここでは、加熱位置については予め指定されているが、加える熱量の判断については、作業者に任されていることとなる。
すなわち、作業者が視認した鋼板２の形状と目標の形状とのギャップに応じて、作業者は鋼板２上に指定された加熱位置に熱を加えていき、鋼板２を目標形状に徐々に近づけていくこととなる。
【００３９】
このように、熟練者の永年の経験と勘により設定されていた加熱位置が、予め幾何学的に解析されて鋼板上に指定されることとなるので、経験の浅い作業者であっても、十分に鋼板を目標形状に加工することができる。
また、加熱位置は目標形状によって決定されており、作業者の経験や勘によって左右されることがないので、完成した製品に大きな差を生じることがなく、略均一の製品を作り出すことができる。
なお、図中の加熱位置指定における黒点は熱収縮を与えるための絞り加熱位置、等高線のような線は角変形を与えるための線状加熱位置、左から右に延びる直線は１次曲げプレスによるローラ線、左上から右下に延びる６本の平行線はそれぞれフレームラインである。
【００４０】
つぎに、図５に示す実施形態について説明する。図４同様、画像作成処理手段により所望の形状をＣＡＤ情報（画像）として作成・処理するとともに、この画像を上述した曲面理論、および地図の逆変換を用いて処理し、鋼板２上に加熱位置（加熱線および／または加熱点）を指定する。
図５の場合、鋼板２に１次曲げプレスを与え、大まかな形状を形成させている。
そして、この鋼板２の形状を三次元的に計測することのできる三次元形状計測手段３０により計測し、この計測結果と目標形状とのギャップを、たとえばディスプレイなどの表示器（図示せず）に表示して、作業者にこのギャップを視覚的に伝える。
作業者は、鋼板２の形状を目標形状に近づけていくため、予め設定された加熱位置に沿って、熱を加えていく。
熱を加えた後、再び鋼板２を三次元形状計測手段３０で計測するとともに、表示器に表示された目標形状と現在の鋼板２の形状とのギャップを作業者が目で確認する。
このように、加熱位置にしたがった入熱と、現在の鋼板と目標形状とのギャップの確認作業を繰り返し行って、鋼板の形状を目標形状に近づけていくこととなる。
ここでも図４に示すものと同様、加熱位置については予め指定されているが、加える熱量の判断については、作業者に任されていることとなる。
すなわち、作業者が表示器に表示された鋼板形状と目標形状とのギャップに応じて、作業者は鋼板に指定された加熱位置に熱を加えていき、鋼板を目標形状に徐々に近づけていくこととなる。
【００４１】
このように、三次元形状計測手段３０を使用することにより、型１の製作、設置、および撤去などといった付帯作業を省略することができて、コストを低減させることができるとともに、作業時間および作業工数を大幅に削減することができる。
また、熟練者の永年の経験と勘により設定されていた加熱位置が、予め幾何学的に解析されて鋼板上に指定されることとなるので、経験の浅い作業者であっても、十分に鋼板を目標形状に加工することができる。
さらに、加熱位置は目標形状によって決定されており、作業者の経験や勘によって左右されることがないので、完成した製品に大きな差を生じることがなく、略均一の製品を作り出すことができる。
なお、図中の加熱位置指定における黒点は熱収縮を与えるための絞り加熱位置、等高線のような線は角変形を与えるための線状加熱位置、左から右に延びる直線は１次曲げプレスによるローラ線、左上から右下に延びる６本の平行線はそれぞれフレームラインである。
【００４２】
つぎに、図６に示す実施形態について説明する。図４および図５同様、画像作成処理手段により所望の形状をＣＡＤ情報（画像）として作成・処理するとともに、この画像を上述した曲面理論、および地図の逆変換を用いて処理し、鋼板２上に加熱位置（加熱線および／または加熱点）を指定する。
図６の場合、鋼板２に１次曲げプレスを与え、大まかな形状を形成させている。
そして、この鋼板２の形状を三次元的に計測することのできる三次元形状計測手段３０により計測し、この計測結果とＣＡＤ情報から得られた目標形状とのギャップを、たとえばディスプレイなどの表示器（図示せず）に表示して、作業者にこのギャップを視覚的に伝える。
また、三次元形状計測手段３０による計測結果は加熱条件最適化手段（図示せず）に出力され、この加熱条件最適化手段に蓄積された入熱量・変形量データと比較される。比較された結果は加熱条件（たとえば入熱量など）として前述した表示器あるいは別途用意された、たとえばディスプレイなどの表示器（図示せず）に表示される。
すなわち、作業者はどの加熱位置にどれだけの熱を加えればよいかを表示器で確認することができることとなる。
作業者は、鋼板２の形状を目標形状に近づけていくため、予め設定された加熱位置に沿って、加熱条件最適化手段より出力された熱量分だけを加えていく。
熱を加えた後、再び鋼板２を三次元形状計測手段３０で計測するとともに、表示器に表示された目標形状と現在の鋼板２の形状とのギャップ、および加熱条件最適化手段により出力された熱量を作業者が目で確認する。
このように、指示された加熱位置に指示された熱量分だけ鋼板２に熱を加えることと、現在の鋼板と目標形状とのギャップの確認作業とを繰り返し行って、鋼板の形状を目標形状に近づけていく。
図６に示す実施形態では、加熱位置と入熱量が指定されることとなるので、作業者の判断によるところはほとんどない。
すなわち、作業者は、鋼板上に指定された加熱位置に、表示器上に表示された熱量を加えていくだけで、鋼板を目標形状により早く近づけいていくことができる。
【００４３】
このように、加熱条件最適化手段を使用することにより、どの加熱位置にどれくらいの熱量を加えればよいのかを情報として得ることができるので、作業効率を向上させることができて、作業時間を短縮することができる。
また、三次元形状計測手段３０を使用することにより、型１の製作、設置、および撤去などといった付帯作業を省略することができて、コストを低減させることができるとともに、作業時間および作業工数を大幅に削減することができる。さらに、熟練者の永年の経験と勘により設定されていた加熱位置が、予め幾何学的に解析されて鋼板上に指定されることとなるので、経験の浅い作業者であっても、十分に鋼板を目標形状に加工することができる。
さらにまた、加熱位置は目標形状によって決定されており、作業者の経験や勘によって左右されることがないので、完成した製品に大きな差を生じることがなく、略均一の製品を作り出すことができる。
なお、図中の加熱位置指定における黒点は熱収縮を与えるための絞り加熱位置、等高線のような線は角変形を与えるための線状加熱位置、左から右に延びる直線は１次曲げプレスによるローラ線、左上から右下に延びる６本の平行線はそれぞれフレームラインである。
【００４４】
以上説明してきたように、本発明による手法によれば、図７の下段に示すように、少しずつなだらかに鋼板を目標の形状に近づけていくことができる。したがって、完成した製品の、特に表面が非常に滑らかな曲面で形成されることとなり、たとえば船殻外板等に用いられる場合には推進抵抗を低減させることができるようになる。
これに対して、従来のような熟練作業者の経験と勘だけに頼る手法では、図７の上段に示すように、徐々に目標形状に近づいてはいくものの、目標形状を通り越して何回も曲げられてしまうため、完成した製品の表面および裏面が波打ってしまうこととなる。
このように、従来の手法と本発明による手法とでは完成した製品にも大きな形状上の差違が生じてくる。
なお、図７の下段に示すグラフの内、実線で示すものは図４および図５による実施形態を採用した場合であり、一点鎖線で示すものは図６に示す実施形態を採用した場合である。すなわち、図６のもののように、加熱条件が指定された場合には、より早く目標形状に到達し得るということを示している。
【００４５】
また、図４ないし図６に示す熱曲げ加工を、機械的に自動で行わせることもできる。
すなわち、図４に示す実施形態において、現在の鋼板形状と型形状とのギャップを計測することのできるギャップ計測手段と、入力された加熱位置に沿って移動可能とされ、鋼板に熱を加えることのできる加熱手段と、ギャップに応じて加熱手段を移動させるとともにその部位に熱を加えるよう信号を出力する制御手段とを設けるようにすることができる。
これにより、過酷な作業から作業者を解放することができるとともに、人件費を削減することができ、コストを低減させることができる。
【００４６】
また、図５に示す実施形態において、ＣＡＤ情報として蓄えられた目標形状と三次元形状計測手段３０により計測された計測結果とが入力される比較手段と、入力された加熱位置に沿って移動可能とされ、鋼板に熱を加えることのできる加熱手段と、比較手段からのデータに応じて加熱手段を移動させるとともにその部位に熱を加えるよう信号を出力する制御手段とを設けるようにすることができる。
これにより、過酷な作業から作業者を解放することができるとともに、人件費を削減することができ、コストを低減させることができる。
【００４７】
さらに、図６に示す実施形態において、ＣＡＤ情報として蓄えられた目標形状と三次元形状計測手段３０により計測された計測結果とが入力される比較手段と、入力された加熱位置に沿って移動可能とされ、鋼板に熱を加えることのできる加熱手段と、入熱量と変形量との関係がデータベースとして蓄積され、比較手段からの信号に応じて加熱条件を出力する加熱条件最適化手段と、加熱条件最適化手段からのデータに応じて加熱手段を移動させるとともにその部位に最適な熱を加えるよう信号を出力する制御手段とを設けるようにすることができる。
これにより、過酷な作業から作業者を解放することができるとともに、人件費を削減することができ、コストを低減させることができる。
【００４８】
なお、上述した実施形態において、三次元形状計測手段３０はカメラを用いたものを採用しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、たとえばＸ−Ｙ方向（すなわち水平方向）に移動自在とされたシリンダと、このシリンダ内でＺ方向（垂直方向）に移動自在とされたピストンと、このピストンの先端に設けられ、鋼板上を転動するローラとにより構成されたものであっても良い。
すなわち、ローラがシリンダおよびピストンとともに鋼板上を移動していくことにより、鋼板の三次元形状が把握できるようなものであっても良い。
【００４９】
また、本発明は船殻外板に対してのみ適用されるものではなく、たとえば原子力、航空／宇宙、自動車／列車などの技術分野における金属板（たとえば、アルミニウムやステンレス鋼の板）に対しても適用可能なものである。
【００５０】
【発明の効果】
本発明の曲面を有する金属板の製造方法およびその製造装置並びに曲面を有する金属板によれば、以下の効果を奏する。
請求項１に記載の曲面を有する金属板の製造方法によれば、予め設定（指定）された加熱位置（加熱線および／または加熱点）に沿って熱を加えていけば、鋼板が所望の形状に近づいていくこととなるので、経験の浅い作業者であっても、十分に鋼板を目標形状に加工することができるという効果を奏する。
【００５１】
請求項２に記載の曲面を有する金属板の製造方法によれば、加熱位置が目標形状に対して一対一で決定されることとなるので、作業者の経験や勘に左右されず、完成した製品に大きな差を生じることがなく、略均一の製品を作り出すことができるという効果を奏する。
【００５２】
請求項３に記載の曲面を有する金属板の製造方法によれば、所望の形状に合わせて作られた型と、現在の金属板の形状との差に応じて、加熱位置に熱が加えられることとなるので、加えた熱量による金属板の変形量をその場で確認することができて、作業状況を即座に把握することができるという効果を奏する。
【００５３】
請求項４に記載の曲面を有する金属板の製造方法によれば、現在の金属板の形状が三次元形状計測手段により計測されることとなるので、型の製作、設置、および撤去などといった付帯作業を省略することができて、コストを低減させることができるとともに、作業時間および作業工数を大幅に削減することができるという効果を奏する。
【００５４】
請求項５に記載の曲面を有する金属板の製造方法によれば、どの加熱位置にどれくらいの熱量を加えればよいのかを作業者が情報として得ることができるので、作業効率を向上させることができて、作業時間を短縮することができるという効果を奏する。
【００５５】
請求項６に記載の曲面を有する金属板の製造装置によれば、金属板上に設定された加熱位置に自動的に熱が加えられるようになっているので、過酷な作業から作業者を解放することができるとともに、人件費を削減することができ、コストを低減させることができるという効果を奏する。
【００５６】
請求項７に記載の曲面を有する金属板の製造装置によれば、金属板上に設定された加熱位置に自動的に熱が加えられるようになっているので、過酷な作業から作業者を解放することができるとともに、人件費を削減することができ、コストを低減させることができるという効果を奏する。
【００５７】
請求項８に記載の曲面を有する金属板の製造装置によれば、現在の金属板の形状が三次元形状計測手段により計測されることとなるので、型の製作、設置、および撤去などといった付帯作業を省略することができて、コストを低減させることができるとともに、作業時間および作業工数を大幅に削減することができ、かつ過酷な作業から作業者を解放することができるとともに、人件費を削減することができ、コストを低減させることができるという効果を奏する。
【００５８】
請求項９に記載の曲面を有する金属板の製造装置によれば、どの加熱位置にどれくらいの熱量を加えればよいのかを情報として得ることができるので、作業効率を向上させることができて、作業時間を短縮することができ、かつ過酷な作業から作業者を解放することができるとともに、人件費を削減することができ、コストを低減させることができるという効果を奏する。
【００５９】
請求項１０に記載の曲面を有する金属板によれば、完成した金属板の表面および裏面が滑らかな曲線で形成されることとなるので、たとえば船殻外板等に用いられた場合には推進抵抗を低減させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の概念を説明するための図である。
【図２】変形を詳細に説明するための説明図である。
【図３】本発明に適用した曲面理論を説明するための説明図である。
【図４】本発明による金属板の曲げ加工手法の一実施形態を概念的に示す図である。
【図５】本発明による金属板の曲げ加工手法の他の実施形態を概念的に示す図である。
【図６】本発明による金属板の曲げ加工手法の別の実施形態を概念的に示す図である。
【図７】熟練技能者と本発明による加工手法の違いをイメージ化した図である。
【図８】一般に行われている角変形と熱収縮とを説明するための説明図である。
【図９】船殻の外板となる鋼板の曲げ加工手法による従来技術を概念的に示す図であり、当該曲げ加工に用いる型を鋼板に設置した状態を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ 型
２ 鋼板（金属板）
３０ 三次元形状計測手段
Claims (10)
- 金属板の表面に熱を加えることにより起こる角変形、および／または金属板の表面から裏面にかけて熱を加えることにより起こる熱収縮を用いて、前記金属板を曲面を含む所望の形状に加工していく曲面を有する金属板の製造方法において、
前記金属板の表面に、幾何学的解析により得られた、角変形を起こさせる加熱線、および／または熱収縮を起こさせる加熱線および／または加熱点を予め設定しておき、これら加熱線および／または加熱点に沿って加熱していくことを特徴とする曲面を有する金属板の製造方法。 - 請求項１に記載の曲面を有する金属板の製造方法において、
前記幾何学的解析とは、前記所望の形状と現在の金属板の形状との差がつくる曲面、および現在の金属板の曲面を曲面解析することであることを特徴とする曲面を有する金属板の製造方法。 - 請求項１または２に記載の曲面を有する金属板の製造方法において、
前記角変形を起こさせる加熱線、および／または熱収縮を起こさせる加熱線および／または加熱点に沿う加熱は、前記所望の形状に合わせて作られた型と、現在の金属板の形状との差に基づいて行われることを特徴とする曲面を有する金属板の製造方法。 - 請求項１または２に記載の曲面を有する金属板の製造方法において、
前記角変形を起こさせる加熱線、および／または熱収縮を起こさせる加熱線および／または加熱点に沿う加熱は、データとして蓄積された前記所望の形状と、三次元形状計測手段により計測された現在の金属板の形状との差に基づいて行われることを特徴とする曲面を有する金属板の製造方法。 - 請求項１または２に記載の曲面を有する金属板の製造方法において、
前記角変形を起こさせる加熱線、および／または熱収縮を起こさせる加熱線および／または加熱点に沿う加熱は、データとして蓄積された前記所望の形状と、三次元形状計測手段により計測された現在の金属板の形状との差、および入熱量と変形量との関係がデータベースとして蓄積された加熱条件最適化手段から、前記差に基づいて出力される信号に基づいて行われることを特徴とする曲面を有する金属板の製造方法。 - 所望の形状を画像として作成・処理することができるとともに、金属板を前記所望の形状に加工するため、曲面理論および地図の逆変換を用いて、角変形を起こさせる加熱線、および／または熱収縮を起こさせる加熱線および／または加熱点を前記金属板上に幾何学的に設定することができる画像作成処理手段と、
前記角変形を起こさせる加熱線、および／または熱収縮を起こさせる加熱線および／または加熱点に沿って移動可能とされ、前記金属板に熱を加えることのできる加熱手段と、
前記加熱手段を移動させるとともにその部位に熱を加えるように信号を出力する制御手段と、を具備することを特徴とする曲面を有する金属板の製造装置。 - 請求項６に記載の曲面を有する金属板の製造装置において、
前記所望の形状に合わせて作られた型と、現在の金属板の形状との差を計測することができるギャップ計測手段を具備し、
前記制御手段は、前記ギャップ計測手段からの信号に基づいて、前記加熱手段に信号を出力することを特徴とする曲面を有する金属板の製造装置。 - 請求項６に記載の曲面を有する金属板の製造装置において、
現在の金属板の形状を三次元的に計測することのできる三次元形状計測手段と、
前記画像作成処理手段からの信号および前記三次元形状計測手段からの信号が入力され、これらの信号が比較される比較手段と、を具備し、
前記制御手段は、前記比較手段からの信号に基づいて、前記加熱手段に信号を出力することを特徴とする曲面を有する金属板の製造装置。 - 請求項６に記載の曲面を有する金属板の製造装置において、
現在の金属板の形状を三次元的に計測することのできる三次元形状計測手段と、
前記画像作成処理手段からの信号および前記三次元形状計測手段からの信号が入力され、これらの信号が比較される比較手段と、
入熱量と変形量との関係がデータベースとして蓄積され、前記比較手段からの信号に応じて加熱条件を出力する加熱条件最適化手段と、を具備し、
前記制御手段は、前記加熱条件最適化手段からの信号に基づいて、前記加熱手段に信号を出力することを特徴とする曲面を有する金属板の製造装置。 - 金属板の表面に熱を加えることにより起こる角変形と、金属板の表面から裏面にかけて熱を加えることにより起こる熱収縮とにより製造された曲面を有する金属板であって、
その表面および裏面が滑らかな自由曲面で形成されていることを特徴とする曲面を有する金属板。
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