JP2019098353A - 積層造形物の設計方法、製造方法、及び製造装置、並びにプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】特定の方向に沿った形状を有する積層造形体を、溶着ビードを複数積層して造形する場合に、タクトタイムを短縮して高効率に造形できる汎用的な積層造形物の設計方法、製造方法、及び製造装置、並びに、その設計手順をコンピュータに実行させるプログラムを提供する。【解決手段】積層造形物の設計方法は、積層造形物の形状データを用いて、積層造形物の形状を溶着ビード層の１層分のビード高さＨ毎に層分解して、複数の仮想ビード層Ｈ１〜Ｈ７を生成する層分解工程と、複数の仮想ビード層の積層方向中央に配置される中間層において、層分解された積層造形物が連続して延設される方向を基準方向に設定する基準方向設定工程と、複数の仮想ビード層に形成される溶着ビードのビードサイズを、基準方向に直交する断面のビード形状で調整するビード調整工程と、を有する。【選択図】図１３

Description

本発明は、積層造形物の設計方法、製造方法、及び製造装置、並びにプログラムに関する。

近年、生産手段として３Ｄプリンタを用いた造形のニーズが高まっており、金属材料を用いた造形の実用化に向けて研究開発が進められている。金属材料を造形する３Ｄプリンタは、レーザや電子ビーム、更にはアーク等の熱源を用いて、金属粉体や金属ワイヤを溶融させ、溶融金属を積層させることで積層造形物を作製する。

例えば、アークを用いる場合には、アークにより溶加材を溶融及び凝固させて溶着ビードを形成し、この溶着ビードを複数層に積層することで積層造形物を作製する。このような溶着ビードを形成する技術に関して、例えば特許文献１には、ハウジング内に回転自在に取り付けられ、複数枚のブレードを有するインペラをレーザクラッドにより形成する技術が記載されている。

国際公開第２０１６／１４９７７４号

特許文献１のインペラの製造方法では、ブレード形状に沿って複数の金属層を積層して各ブレードを形成している。しかし、特定形状のインペラの製造過程が記載されるのみで、任意形状のワークを積層造形する手順については何ら開示がない。

溶着ビードにより積層造形物を積層造形する際、ビード形成の方向によって、溶着ビードを連続形成できる長さが変化する場合がある。連続形成長さが短い場合には、頻繁に溶加材の加熱をオンオフし、熱源となるトーチを次のビード形成位置まで移動させる等、溶着ビード形成に寄与しない動作が増加する。その結果、積層造形のタクトタイムが増大し、造形効率が低下することになる。
高効率に積層造形物を造形するには、できるだけ連続してビード形成が行えるように、最適なビード形成方向を選定する必要がある。しかし、そのビード形成方向をどのように設定したらよいかは、作業者の経験と勘に頼ることになり、作業に熟練を要する。
一方、粉体を溶融させて造形物を作製するパウダーヘッド方式の金属造形技術が知られている。この造形方法によれば、上記したようなビード形成方向を選定する必要はないが、サーマルヘッドが水平断面を一様に２次元走査する必要がある。そのため、造形物の形状によっては走査時間が長くなる等、必ずしも効率のよい造形方法とはいえなかった。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、特定の方向に沿った形状を有する積層造形体を、溶着ビードを複数積層して造形する場合に、タクトタイムを短縮して高効率に造形できる汎用的な積層造形物の設計方法、製造方法、及び製造装置、並びに、その設計手順をコンピュータに実行させるプログラムを提供することにある。

本発明は、下記構成からなる。
（１） 溶加材を溶融及び凝固させて形成する溶着ビードからなる溶着ビード層を、複数積層して造形される積層造形物の設計方法であって、
前記積層造形物の形状データを用いて、前記積層造形物の形状を前記溶着ビード層の１層分のビード高さ毎に層分解して、複数の仮想ビード層を生成する層分解工程と、
複数の前記仮想ビード層の積層方向中央に配置される中間層において、層分解された前記積層造形物が連続して延設される方向を基準方向に設定する基準方向設定工程と、
複数の前記仮想ビード層に形成される前記溶着ビードのビードサイズを、前記基準方向に直交する断面のビード形状で調整するビード調整工程と、
を有する積層造形物の設計方法。
（２） 溶加材を溶融及び凝固させて形成する溶着ビードからなる溶着ビード層を、複数積層して造形する積層造形物の製造方法であって、
前記積層造形物の形状データを用いて、前記積層造形物の形状を前記溶着ビード層の１層分のビード高さ毎に層分解して、複数の仮想ビード層を生成する層分解工程と、
複数の前記仮想ビード層の積層方向中央に配置される中間層において、層分解された前記積層造形物が連続して延設される方向を基準方向に設定する基準方向設定工程と、
複数の前記仮想ビード層に形成される前記溶着ビードのビードサイズを、前記基準方向に直交する断面のビード形状で調整するビード調整工程と、
複数の前記仮想ビード層を、前記ビード調整工程により調整されたビードサイズで順次形成して積層し、前記積層造形物を造形する造形工程と、
を有する積層造形物の製造方法。
（３） 溶加材を溶融及び凝固させて形成する溶着ビードからなる溶着ビード層を複数積層して造形する積層造形物の設計手順を、コンピュータに実行させるプログラムであって、
前記コンピュータに、
前記積層造形物の形状データを用いて、前記積層造形物の形状を前記溶着ビード層の１層分のビード高さ毎に層分解して、複数の仮想ビード層を生成する層分解機能と、
複数の前記仮想ビード層の積層方向中央に配置される中間層において、層分解された前記積層造形物が連続して延設される方向を基準方向に設定する基準方向設定機能と、
複数の前記仮想ビード層に形成される前記溶着ビードのビードサイズを、前記基準方向に直交する断面のビード形状で調整するビード調整機能と、
を実現させるプログラム。
（４） 溶加材を溶融及び凝固させて形成する溶着ビードからなる溶着ビード層を、複数積層して造形する積層造形物の製造装置であって、
前記積層造形物の形状データを用いて、前記積層造形物の形状を前記溶着ビード層の１層分のビード高さ毎に層分解して、複数の仮想ビード層を生成し、
複数の前記仮想ビード層の積層方向中央に配置される中間層において、層分解された前記積層造形物が連続して延設される方向を基準方向に設定し、
複数の前記仮想ビード層に形成される前記溶着ビードのビードサイズを、前記基準方向に直交する断面のビード形状で調整する制御部と、
前記制御部により駆動され、複数の前記仮想ビード層を、調整された前記ビードサイズで順次形成する造形部と、
を備える積層造形物の製造装置。

本発明によれば、特定の方向に沿った形状を有する積層造形体を、溶着ビードを複数積層して造形する場合に、タクトタイムを短縮して高効率に造形できる。

本発明の積層造形物を製造する製造装置の概略構成図である。 ベース材に形成された溶着ビードの模式的な概略斜視図である。 作製しようとする積層造形物と、溶着ビードの形成方向とを模式的に示す説明図である。 積層造形物の一例を示す斜視図である。 積層造形物を積層設計して造形するプログラムの手順を示すフローチャートである。 積層造形物の一断面形状において粗形材領域を決定する様子を示す説明図である。 積層造形物の外形を、粗形材領域と積層造形領域とに区分けした結果を示す説明図である。 積層造形物の正面図である。 図８に示す領域Ａ１に形成される溶着ビードのIXA−IXA線及びIXB−IXB線断面図である。 積層造形物の形状に応じた溶着ビードの連続形成方法を説明するための模式的な説明図である。 積層造形物の周面の展開図である。 図１１の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示す各周面を、ブレードの一端を一致させて同一平面上に合成した説明図である。 積層造形物の積層造形領域の一部である一つのブレードを層分解した様子を示す説明図である。 溶着ビードを形成する様子を模式的に示す工程説明図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の積層造形物を製造する製造装置の概略構成図である。
本構成の積層造形物の製造装置１００は、造形部１１と、造形部１１を統括制御する造形コントローラ１３と、電源装置１５と、を備える。

造形部１１は、先端軸にトーチ１７が設けられたトーチ移動機構としての溶接ロボット１９と、トーチ１７に溶加材（溶接ワイヤ）Ｍを供給する溶加材供給部２１とを有する。
溶接ロボット１９は、例えば６軸の自由度を有する多関節ロボットであり、ロボットアームの先端軸に取り付けたトーチ１７には、溶加材Ｍが連続供給可能に支持される。トーチ１７の位置や姿勢は、ロボットアームの自由度の範囲で３次元的に任意に設定可能となっている。

トーチ１７は、不図示のシールドノズルを有し、シールドノズルからシールドガスが供給される。アーク溶接法としては、被覆アーク溶接や炭酸ガスアーク溶接等の消耗電極式、ＴＩＧ溶接やプラズマアーク溶接等の非消耗電極式のいずれであってもよく、作製する積層造形物に応じて適宜選定される。例えば、消耗電極式の場合、シールドノズルの内部にはコンタクトチップが配置され、溶融電流が給電される溶加材Ｍがコンタクトチップに保持される。

トーチ１７は、溶加材Ｍを保持しつつ、シールドガス雰囲気で溶加材Ｍの先端からアークを発生する。溶加材Ｍは、ロボットアーム等に取り付けた不図示の繰り出し機構により、溶加材供給部２１からトーチ１７に送給される。そして、溶接ロボット１９によりトーチ１７を移動しつつ、連続送給される溶加材Ｍを溶融及び凝固させる。すると、詳細を後述するように、溶加材Ｍの溶融凝固体である線状の溶着ビード２３がベース材２４上に形成される。

溶加材Ｍを溶融させる熱源としては、上記したアークに限らない。例えば、アークとレーザとを併用した加熱方式、プラズマを用いる加熱方式、電子ビームやレーザを用いる加熱方式等、他の方式による熱源を採用してもよい。電子ビームやレーザにより加熱する場合、加熱量を更に細かく制御でき、溶着ビードの状態をより適正に維持して、積層造形物の更なる品質向上に寄与できる。

造形コントローラ１３は、プログラム生成部２５と、記憶部２７と、これらが接続される制御部２９と、を有する。
プログラム生成部２５は、入力部３１から入力された、作製しようとする積層造形物の形状データ（ＣＡＤデータ等）から、造形部１１を駆動して積層造形物を造形する手順を設定し、この手順をコンピュータに実行させるプログラムを生成する。生成されたプログラムは、記憶部２７に記憶される。また、記憶部２７には、造形部１１の各駆動体や可動範囲等の各種の仕様情報が記憶され、プログラム生成部２５でプログラム生成する際や、プログラムを実行する際に、適宜情報が参照される。記憶部２７は、メモリやハードディスク等の記憶媒体からなり、各種情報の入出力が可能となっている。

制御部２９は、ＣＰＵ、メモリ、Ｉ／Ｏインターフェース等を備えるコンピュータ装置であって、記憶部２７に記憶されたプログラムを読み込み、実行する機能、及び造形部１１の各部を駆動制御する機能を有する。制御部２９は、入力部３１からの操作や通信等による指示によって、駆動制御やプログラムを実行する。このプログラムについては詳細を後述する。

プログラム生成部２５は、造形コントローラ１３側に設けられる以外にも、例えば、積層造形物の製造装置１００とは別体に、ネットワーク等の通信手段や記憶媒体を介して離間して配置されたサーバや端末等のコンピュータＰＣ側に設けられていてもよい。コンピュータＰＣにプログラム生成部３３が接続されることで、積層造形物の製造装置１００を要せずにプログラムを生成でき、プログラム生成作業が繁雑にならない。また、生成したプログラムを、造形コントローラ１３の記憶部２７に転送することで、造形コントローラ１３で生成した場合と同様に実行させることができる。

制御部２９は、記憶部２７に記憶されたプログラムを実行して、溶接ロボット１９や電源装置１５等を所定の手順に従って駆動する。つまり、溶接ロボット１９は、造形コントローラ１３からの指令により、プログラミングされた軌道軌跡に沿ってトーチ１７を移動させるとともに、溶加材Ｍを所定のタイミングでアークにより溶融させて、溶着ビード２３を形成する。図１には板状のベース材２４上に溶着ビード２３を形成して積層造形物を造形する様子を例示しているが、積層造形物の形状は任意であってよい。

なお、ベース材２４は、鋼板等の金属板からなり、基本的には積層造形物の底面（最下層の面）より大きいものが使用される。また、ベース材２４は、板状に限らず、ブロック体や棒状等、他の形状のベースであってもよい。

溶加材Ｍは、あらゆる市販の溶接ワイヤを用いることができる。例えば、軟鋼，高張力鋼及び低温用鋼用のマグ溶接及びミグ溶接ソリッドワイヤ（ＪＩＳ Ｚ ３３１２）、軟鋼，高張力鋼及び低温用鋼用アーク溶接フラックス入りワイヤ（ＪＩＳ Ｚ ３３１３）等で規定されるワイヤを用いることができる。

上記構成の積層造形物の製造装置１００は、まず、ベース材２４上に複数の線状の溶着ビード２３を互いに隣接させて溶着ビード層を形成する。

図２はベース材２４に形成された溶着ビード２３の模式的な概略斜視図である。
ベース材２４の上面に形成される溶着ビード層Ｈ１は、複数列の溶着ビード２３から構成され、それぞれの溶着ビード２３が所定のビード幅Ｗを有して隙間なく隣接した線状に形成される。この溶着ビード層Ｈ１の上に、更に次層の溶着ビード層を積層することを繰り返すことで、所望形状の積層造形物が造形される。

次に、プログラム生成部２５が生成するプログラムについて詳述する。
図３は作製しようとする積層造形物４１の形状と、溶着ビードの形成方向とを模式的に示す説明図である。
ここで、積層造形物４１が図３の（Ａ）〜（Ｃ）に示すような長方形であり、この長方形上をビード幅Ｗの溶着ビード２３で覆い、１層の溶着ビード層を形成することを考える。
（Ａ）に示すように、溶着ビード２３の連続形成方向Ｖｂを長方形の短辺に沿った方向に設定すると、短辺に沿った短い溶着ビード２３を多数形成する必要がある。そこで、（Ｂ）に示すように、連続形成方向Ｖｂを長方形の短辺と長辺とに傾斜した方向にした場合、（Ａ）の場合と比較して溶着ビード２３の連続形成長さを増やし、溶着ビード２３の本数を軽減できる。更に、（Ｃ）に示すように、溶着ビード２３の連続形成方向Ｖｂを長方形の長辺に沿った方向に設定すると、溶着ビード２３の連続形成長さがより増加して、溶着ビード２３の本数も他の場合よりも少なくなる。

溶着ビード２３は、連続形成する始点から終点までの長さ（連続形成長さ）が長いほど、ビード形成のタクトタイムを短縮でき、造形効率を高められる。つまり、溶着ビード２３の形成においては、終点にトーチが到達すると、アークの発生を停止し、ロボットアームによって次の溶着ビードを形成する始点にトーチを移動させる。トーチが始点に移動された後、再びアークを発生させてトーチを次の終点に向けて移動させる。上記工程の繰り返し回数は、少ないほど、溶着ビードを連続形成できるため好ましい。

そこで、本構成においては、積層造形物４１の形状に応じて、溶着ビード２３をできるだけ長く連続形成できる方向を抽出し、その方向を溶着ビードの連続形成方向（基準方向）に設定する。このように、溶着ビード２３の連続形成長さを長くすることで、アークのオンオフ回数が低減され、溶着ビード２３を形成しないトーチ移動の頻度が軽減される。これにより、積層造形物の造形効率を向上できる。

例えば、積層造形物４１が特定方向に連続した少なくとも一つの突起部を有する場合、この積層造形物は、この連続する特定方向に沿って溶着ビードを形成すれば、効率よく造形でき、積層造形工程の煩雑化が軽減される。そこで、作製しようとする積層造形物の形状データから、まず、積層造形物の連続する特定方向を求める。この特定方向は、コンピュータによる演算によって、形状データを適宜なアルゴリズムで解析して決定してもよく、作業者が判断する等、人為的に決定してもよい。

そして、求めた特定方向を基準方向として、この基準方向に直交する断面において溶着ビードの配置を決定する。上記した形状データから基準方向を設定し、溶着ビードの配置を決定する工程を、コンピュータにより実現するプログラムを、前述したプログラム生成部２５（図１参照）で生成する。なお、ここでいうプログラムとは、入力された積層造形物の形状データから、所定の演算により設計された溶着ビードの形成手順を、造形部１１により実施させるための命令コードである。したがって、予め用意されたプログラムを制御部２９が特定し、制御部２９が、この特定されたプログラムを実行することで、造形部１１が積層造形物４１を製造する。

次に、積層造形物４１の具体的な一例を挙げ、この積層造形物の積層手順を詳細に説明する。
図４は一例として示す積層造形物４１Ａの斜視図である。
この積層造形物４１Ａは、円柱状の軸体４３と、軸体４３の外周に径方向外側へ突出する複数条（図示例では６条）の螺旋状のブレード４５とを備える。複数のブレード４５は、軸体４３の軸方向中間部で、周方向に沿って等間隔に設けられたスクリュー形状となっている。

図５は積層造形物４１Ａを積層設計して造形するプログラムの手順を示すフローチャートである。同図に基づいて積層造形物４１Ａを造形するまでの工程を順次説明する。

まず、図１に示すプログラム生成部２５にＣＡＤデータ等の積層造形物４１Ａの形状データを入力する（Ｓ１１）。形状データは、積層造形物４１Ａの外表面の座標、軸体４３の径や軸長等の寸法情報の他、必要に応じて参照される材料の種類や最終仕上げ等の情報も含まれる。以下のプログラムを生成するまでの工程は、プログラム生成部２５により行われる。

図６は積層造形物４１Ａの一断面形状において粗形材領域を決定する様子を示す説明図である。
積層造形物４１Ａは、円筒状の軸体４３を有し、複数のブレード４５が軸体４３から立設されている。そこで、積層造形物４１Ａを造形する際、全形状を積層造形法により形成するのではなく、軸体４３については棒材等の粗形材を用いて形成し、ブレード４５を積層造形法により形成することにする。これにより、積層造形物４１Ａの造形工数を大きく削減できる。

そこで、入力された形状データを用いて、積層造形物４１Ａの外形を、積層造形物４１Ａの基体となる粗形材領域と、基体上に形成される積層造形物４１の外形となる積層造形領域とに区分けする。

粗形材領域と積層造形領域は、形状データと、用意可能な粗形材の種類に応じて決定される。
図６に示す積層造形物４１Ａの場合、一例として示される粗形材（丸棒）４７Ａ，４７Ｂ，４７Ｃのうち、積層造形物４１Ａの形状に合わせるための切削量が最小となる径の粗形材４７Ｃが選択される。

図７は積層造形物４１Ａの外形を、粗形材領域４７と積層造形領域４９とに区分けした結果を示す説明図である。
本例の場合、粗形材４７Ｃが粗形材領域４７となり、粗形材４７Ｃの径方向外側領域のブレード４５がそれぞれ積層造形領域４９となる（Ｓ１２）。

次に、上記Ｓ１２で決定された粗形材４７Ｃ外周に配置される積層造形領域４９に、溶着ビードを形成する手順を考える。
積層造形領域４９は、複数の溶着ビードを順次に積層することで造形する。積層造形領域４９を構成する個々の溶着ビードは、ビード幅やビード高さ等のビードサイズが、トーチ１７（図１参照）の移動速度、つまり、溶着ビードの連続形成速度や、電源装置１５からの溶接電流、溶接電圧、印加パルス等の溶加材や溶接部への入熱量、等の溶接条件の変更によって制御される。このビードサイズは、溶着ビードを形成するトーチの移動方向に直交する断面で管理することが好ましい。

図８は積層造形物４１Ａの正面図、図９は図８に示す領域Ａ１に形成される溶着ビード２３のIXA−IXA線及びIXB−IXB線断面図である。各図中のＣＬは、積層造形物４１Ａの中心軸である。

本構成の積層造形物４１Ａにおいては、螺旋状のブレード４５の延設方向を溶着ビードの連続形成方向Ｖｂに一致させれば、溶着ビードの連続形成長さを長くできる。その場合、溶着ビードのビードサイズは、図９の溶着ビードの連続形成方向に直交するIXB−IXB線断面で示すビード断面５１の形状を基準に制御する。このビード断面５１は、溶着ビード２３の同一タイミングで形成された一断面を表しており、溶着ビード２３形成時のトーチ１７移動方向（溶接の運棒方向）に対して最も速度ばらつきが少ない方向の断面となる。したがって、溶接条件の変更によって、ビード断面５１の形状が直接的に反映されるため、溶接条件とビード断面５１の形状との対比関係を明確に把握できる。一方、図９に示す中心軸ＣＬ方向に直交するIXA−IXA線断面図では、ビード断面５３の形状は、時系列的に異なるタイミングで形成した溶着ビードの形状となる。そのため、ビード断面５３の形状は溶接条件の変更による制御がしにくく、しかも、溶着ビードの連続形成方向Ｖｂが変化した場合等に、実際にビード形成される速度がビード断面５３上で場所によって異なってしまう。

そのため、溶着ビード２３のビードサイズの制御は、各種の溶接条件の変更と、溶着ビードの連続形成方向Ｖｂの直交断面の形状とを対応付けて実施する。

次に、積層造形物４１Ａを複数の溶着ビード層に層分解した際の、各溶着ビード層の溶着ビードの連続形成方向Ｖｂについて説明する。
図１０は積層造形物４１Ａの形状に応じた溶着ビードの連続形成方法を説明するための模式的な説明図である。
この説明図には、積層造形物４１Ａの中心軸ＣＬから異なる半径位置（図示例では３箇所）の周面ＰＬ１，ＰＬ２，ＰＬ３と、一本のブレード４５の延設方向Ｖａとが示されている。
周面ＰＬ１は、図４に示す積層造形物４１Ａの軸体４３の外周面であり、周面ＰＬ３は、ブレード４５の径方向最外縁を含む周面である。また、周面ＰＬ２は、周面ＰＬ１と周面ＰＬ３との間の径方向に関して中央位置に配置される周面である。ここで、周面ＰＬ１は、積層造形領域４９（図７参照）において、最初に溶着ビード２３を形成する層となり、周面ＰＬ３は、最後に溶着ビード２３を形成する層となる。

各周面ＰＬ１，ＰＬ２，ＰＬ３を平面状に展開すると、周面ＰＬ１は図１１の（Ａ）、周面ＰＬ２は図１１の（Ｂ）、周面ＰＬ３は図１１の（Ｃ）に示すようになる。図１１の（Ａ）〜（Ｃ）に示されるブレード４５の延設方向Ｖａ１，Ｖａ２，Ｖａ３は、半径位置の違いによる円周長の変化に応じて、中心軸からの傾斜角がθａ，θｂ，θｃ（θａ＜θｂ＜θｃ）と変化する。

図１２は図１１の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示す各周面ＰＬ１，ＰＬ２，ＰＬ３を、ブレードの一端（図中左下部）を一致させて同一平面上に合成した説明図である。
前述したように、溶着ビード２３はブレード４５の延設方向に沿って形成し、ビードサイズは延設方向（溶着ビードの連続形成方向Ｖｂ）の直交断面の形状で制御するのが好ましい。しかし、図１２に示すように、ブレードの延設方向Ｖａ１，Ｖａ２，Ｖａ３は、積層造形物の径方向位置に応じて異なる傾斜角θａ，θｂ，θｃとなり、一定にはならない。そのため、積層造形物の全体にわたり、溶着ビードの連続形成方向（基準方向）に直交する断面でビードサイズを制御する場合には、溶着ビードの位置毎に個別に制御することになる。その場合、積層造形物全体を共通に制御することができず、制御のための演算量が膨大となる。

そこで、中間の径方向位置の周面ＰＬ２におけるブレード４５の延設方向（基準方向）Ｖａ２に直交する方向Ｔに平行な断面を、溶着ビードのビードサイズを制御するための共通の制御用断面とする。これによれば、積層造形物の任意の位置において、共通する制御用断面上でビードサイズを制御できる（Ｓ１３）。

上記のように溶着ビードのビードサイズを制御する制御用断面（つまり基準方向に直交する断面）を決定した後、積層造形物４１Ａの積層造形領域４９を、溶着ビード層の１層分のビード高さ毎に層分解して、複数の仮想ビード層を生成する（Ｓ１４）。

図１３は積層造形物の積層造形領域４９の一部である一つのブレード４５を層分解した様子を示す説明図である。図１３の横軸は、ブレード４５の延設方向（基準方向）に直交する方向Ｔである。

ブレード４５を形成するための溶着ビード（仮想ビード５５として示す）は、溶着ビード層の１層分のビード高さＨに応じて、ブレード４５の最終形状が内包されるように溶着ビード層をｎ回積層させる。図示例では、点線で示す仮想ビード５５を、軸体４３（粗形材４７Ｃ）の表面から順次積層（層Ｈ１，Ｈ２，・・・）して、７層目（層Ｈ７）においてブレード４５の径方向最外縁部４５ａが覆われる場合を示す。つまり、ここでは７層の仮想ビード層を有する積層モデルとなる。

また、図示例のブレード４５の基準方向の幅は、１つの溶着ビードのビード幅Ｗよりも広い部分と狭い部分がある。ブレード４５の幅が狭い部分は１つの溶着ビードで造形できるが、積層方向（図中上下方向）のビード間の括れ等によって、場所によってはブレード外形状が完全に形成されないおそれがある。そのため、各層Ｈ１〜Ｈ６においては、複数の溶着ビード（仮想ビード５５）を仮想ビード層内に並設する。最上層のＨ７は、１つの溶着ビードでブレード外形状を十分に形成できるサイズであるため、一つの溶着ビード（仮想ビード５５）のみ配置する。

ここで、仮想ビード５５のビードサイズは、各層Ｈ１〜Ｈ７においては、径方向外側の層ほど周長が長くなるため、１周当たりのトーチの移動時間が一定である場合、径方向外側の層ほどビードサイズが小さくなる。そこで、各層Ｈ１〜Ｈ７の溶着ビードの形成時には、例えば径方向外側の層ほどトーチの移動速度を遅くすることで、全ての層において一定のビードサイズにできる。

また、上記したように、共通の制御用断面でビード配置位置を変更したり、ビード形状（ビードサイズ等の各種パラメータ）を増減調整するため、積層構造物全体を共通に制御でき、設計変更や調整等を簡単に行える。また、各層の溶着ビードの形状は、積層方向中央の層を基準として基準方向を設定するため、積層方向中央からの距離に応じて対称性を有する。この対称性を利用して、積層方向中央から等距離となる溶着ビードの形状を共通化させる等、設計を簡略化することもできる。なお、層分解した層数が、偶数層である場合は、積層方向中央に配置される２層の平均、又は、２層のうちいずれか１層から基準方向を決定すればよい。

上記した溶着ビードのビード形状の増減調整としては、例えば、全ての溶着ビードを同じ形状にする制御、積層方向（径方向）位置に応じた形状にする制御、積層造形領域４９の形状に応じて異ならせる制御、等が挙げられる。

上記した積層モデルは、図７に示す積層造形物４１Ａの複数の積層造形領域４９の全てに生成される。そして、各積層モデルにおいて、共通の制御用断面でビードサイズを設計する。つまり、積層造形領域４９の各仮想ビード層のビード配置、ビードサイズ、溶接条件等の諸条件を設定する（Ｓ１５）。なお、図１３においては仮想ビード層を７つ分割した例であるが、溶着ビードのビードサイズ、積層造形物の大きさや形状、等に応じて分割層数は任意に設定できる。

次に、上記のように設計された積層モデルに従って溶着ビードを粗形材上に形成する手順を、コンピュータに実行させるプログラムを生成する（Ｓ１６）。
プログラムの生成は、図１に示すプログラム生成部２５又は３３が行い、生成されたプログラムは、記憶部２７に記憶される。

造形コントローラ１３の制御部２９は、生成したプログラムに基づいて積層造形物を積層造形する。つまり、制御部２９は、記憶部２７から所望のプログラムを読み込み、このプログラムを実行することで、造形部１１（図１参照）を駆動して、積層造形物を造形する。

図１４は溶着ビード２３を形成する様子を模式的に示す工程説明図である。
積層造形物４１の軸体４３にプログラムに従って溶着ビード２３（２３Ｂ，２３Ｃ）を順次に並設して第１層目（層Ｈ１）の溶着ビード層を形成する。そして、第１層目（層Ｈ１）の溶着ビード層の上に第２層目（層Ｈ２）の溶着ビード２３Ａ，２３Ｄを順次に並設する。

ここで、溶着ビード２３Ａの外表面と溶着ビード２３Ｂの外表面との境界をＰｃ（溶着ビード２３Ａの図中右側の境界）とし、境界Ｐｃにおける溶着ビード２３Ａの外表面の接線をＬ１、境界Ｐｃにおける溶着ビード２３Ｂの外表面の接線をＬ２とする。また、接線Ｌ１とＬ２とのなす角をθとし、角θの二等分線をＮとする。

溶着ビード２３Ａに隣接する次の溶着ビード２３Ｄは、境界Ｐｃを目標位置として形成する。溶着ビード２３Ｄを形成する際、トーチ１７のトーチ軸線の向きは、直線Ｎと概ね同じ方向に設定される。なお、溶着ビード２３Ｄを形成する目標位置は、境界Ｐｃに限らず、溶着ビード２３Ｂと溶着ビード２３Ｃとの間の境界Ｐｃａにしてもよい。つまり、既に形成された３つの溶着ビード２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ同士のいずれかの境界を、新たな溶着ビード２３Ｄを形成する目標位置にすればよい。

図１４に示すように、プログラムに従ってトーチ１７を図中奥側（紙面垂直方向）に向けて移動させ、シールドガスＧ雰囲気中で発生させたアークにより目標位置付近を加熱する。そして、加熱により溶融した溶加材Ｍが目標位置で凝固することで、新たな溶着ビード２３Ｄが形成される。

このとき、溶着ビード２３Ｄは、溶着ビード２３Ｂの外表面を覆い、溶着ビード２３Ａから溶着ビード２３Ｃの外表面にかけて形成される。溶着ビード２３Ｄのビードサイズは、上記のように境界Ｐｃ，Ｐｃａ等の狭隘部が埋められる大きさに設定される。これにより、溶着ビード間にブローホール等の溶接欠陥が生じることを防止できる。

以上説明したように、積層造形物の設計方法は、積層造形物の形状データを用いて、積層造形物の形状を溶着ビード層の１層分のビード高さ毎に層分解して、複数の仮想ビード層を生成する。更に、複数の仮想ビード層のうち最初に形成される前層と最後に形成される後層との間の中央に配置される中間層において、層分解された積層造形物が連続する特定方向を基準方向に設定する。そして、複数の仮想ビード層に形成される溶着ビードのビードサイズを、基準方向に直交する断面のビード形状で調整する。

このように設計された積層造形物の積層モデルに応じて、複数の仮想ビード層の前層から後層まで、調整されたビードサイズで溶着ビードを順次形成して積層する。これにより、積層造形物が造形される。

造形された積層造形物は、不要部分を切削や研磨等により除去することで、最終的な製品形状に仕上げられる。

なお、ビードサイズを制御するための制御用断面を決定する基準方向は、前述したように、図１０に示す積層造形領域の最大径の周面ＰＬ３と最小径の周面ＰＬ１との間の、径方向中央の周面ＰＬ２におけるブレード延設方向に設定することに限らない。例えば、積層造形領域を層分割する際に、分割した仮想ビード層の積層方向中央（径方向中央）に配置される仮想ビード層におけるブレード延設方向で設定してもよい。この場合でも、結果的には同じブレード延設方向が基準方向に設定される。つまり、基準方向の設定は、図５に示す各層の形成条件を設定するステップ（Ｓ１５）の段階で定まっていればよく、ステップＳ１３で基準方向を設定しても、ステップＳ１４の層分解後に設定してもよい。

また、積層造形領域における各溶着ビードの配置やビードサイズの設計は、図４に示す回転対称体の積層造形物へ適用することに限らない。特定方向に沿って連続した少なくとも一つの突起部を有する形状の積層造形物であれば、本設計方法や製造方法を好ましく適用できる。特に、積層方向に沿って、上記特定方向が変化する捩れ構造を有する形状では、より高効率な積層造形物の造形が可能になる。

また、積層造形物の一部に用いる粗形材は、上記例では丸棒を用いたが、これに限らない。例えば、角棒や断面多角形の棒体であってもよく、積層造形物の形状に応じて、段付き部や適宜な加工を施した部材や、複数の部材の接合体等であってもよい。粗形材領域と積層造形領域との区分けは、製造工数、製造コスト、材料コスト等の関係から適宜設定される。そのため、製品形状にするまでの加工全体を考慮して、例えば、粗形材の一部に敢えて切削等による除去部を設けることを前提に粗形材を選定してもよい。

本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、実施形態の各構成を相互に組み合わせることや、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。

以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
（１） 溶加材を溶融及び凝固させて形成する溶着ビードからなる溶着ビード層を、複数積層して造形される積層造形物の設計方法であって、
前記積層造形物の形状データを用いて、前記積層造形物の形状を前記溶着ビード層の１層分のビード高さ毎に層分解して、複数の仮想ビード層を生成する層分解工程と、
複数の前記仮想ビード層の積層方向中央に配置される中間層において、層分解された前記積層造形物が連続して延設される方向を基準方向に設定する基準方向設定工程と、
複数の前記仮想ビード層に形成される前記溶着ビードのビードサイズを、前記基準方向に直交する断面のビード形状で調整するビード調整工程と、
を有する積層造形物の設計方法。
この積層造形物の設計方法によれば、積層造形物を複数の仮想ビード層に分解した各仮想ビード層のビード形状を、積層方向の中央に配置される中間層での基準方向を用い、この基準方向に直交する断面のビード形状で調整する。このため、積層造形物全体の溶着ビードのビード形状を、統一した断面で調整でき、ビード形状の調整が煩雑とならず、しかも、全ての仮想ビード層を均等に調整できるため、溶接条件の設定が簡単となる。

（２） 前記ビード調整工程は、前記ビード形状を、前記溶着ビードの連続形成速度、前記溶加材への入熱量の少なくともいずれかを変化させて調整する（１）に記載の積層造形物の設計方法。
この積層造形物の設計方法によれば、溶着ビードの連続形成速度や入熱量等の溶接条件の変更により、溶着ビードのビードサイズを応答性よく、正確に制御できる。

（３） 前記積層造形物は、前記基準方向に連続した少なくとも一つの突起部を有する（１）又は（２）に記載の積層造形物の設計方法。
この積層造形物の設計方法によれば、突起部の連続する方向に沿って溶着ビードが形成され、突起部の造形のタクトタイムを短縮できる。

（４） 前記形状データを用いて、前記積層造形物の形状を、前記積層造形物の基体となる粗形材領域と、前記基体上に形成される前記突起部を含む積層造形領域とに区分けする工程を有し、
前記層分解工程は、前記積層造形領域を複数の前記仮想ビード層に分解する工程である、（３）に記載の積層造形物の設計方法。
この積層造形物の設計方法によれば、突起部のみを積層造形領域として積層造形することで、全てを積層造形する場合比較して、積層造形の工数を大幅に削減できる。

（５） 前記突起部は、一軸方向に沿った複数条の螺旋状の突起である（３）又は（４）に記載の積層造形物の設計方法。
この積層造形物の設計方法によれば、例えば、スクリューやプロペラ等の形状を積層造形により形成でき、鋳造、鍛造、切削により加工する場合と比較して、形状自由度が高く、低コストで高効率に加工できる。

（６） 溶加材を溶融及び凝固させて形成する溶着ビードからなる溶着ビード層を、複数積層して造形する積層造形物の製造方法であって、
前記積層造形物の形状データを用いて、前記積層造形物の形状を前記溶着ビード層の１層分のビード高さ毎に層分解して、複数の仮想ビード層を生成する層分解工程と、
複数の前記仮想ビード層の積層方向中央に配置される中間層において、層分解された前記積層造形物が連続して延設される方向を基準方向に設定する基準方向設定工程と、
複数の前記仮想ビード層に形成される前記溶着ビードのビードサイズを、前記基準方向に直交する断面のビード形状で調整するビード調整工程と、
複数の前記仮想ビード層を、前記ビード調整工程により調整されたビードサイズで順次形成して積層し、前記積層造形物を造形する造形工程と、
を有する積層造形物の製造方法。
この積層造形物の製造方法によれば、層造形物を複数の仮想ビード層に分解した各仮想ビード層のビード形状を、積層方向の中央に配置される中間層での基準方向を用いて、この基準方向に直交する断面のビード形状で調整する。このように調整したビード形状で溶着ビードを順次形成して積層するため、積層造形物を効率よく高精度に造形できる。

（７） 前記形状データを用いて、前記積層造形物の形状を、前記積層造形物の基体となる粗形材領域と、前記基体上に形成される突起部を含む積層造形領域とに区分けする工程と、
前記粗形材領域に応じて粗形材を選定する工程と、
を有し、
前記層分解工程は、前記積層造形領域を複数の前記仮想ビード層に分解する工程であり、
前記造形工程は、前記粗形材に前記溶着ビードを形成する工程である、
（６）に記載の積層造形物の製造方法。
この積層造形物の製造方法によれば、突起部のみを積層造形領域として積層造形することで、全てを積層造形する場合比較して、積層造形の工数を大幅に削減できる。

（８） 溶加材を溶融及び凝固させて形成する溶着ビードからなる溶着ビード層を複数積層して造形する積層造形物の設計手順を、コンピュータに実行させるプログラムであって、
前記コンピュータに、
前記積層造形物の形状データを用いて、前記積層造形物の形状を前記溶着ビード層の１層分のビード高さ毎に層分解して、複数の仮想ビード層を生成する層分解機能と、
複数の前記仮想ビード層の積層方向中央に配置される中間層において、層分解された前記積層造形物が連続して延設される方向を基準方向に設定する基準方向設定機能と、
複数の前記仮想ビード層に形成される前記溶着ビードのビードサイズを、前記基準方向に直交する断面のビード形状で調整するビード調整機能と、
を実現させるプログラム。
このプログラムによれば、積層造形物を複数の仮想ビード層に分解した各仮想ビード層のビード形状を、積層方向の中央に配置される中間層での基準方向を用いて、この基準方向に直交する断面のビード形状で調整する。このため、積層造形物全体の溶着ビードのビード形状を、統一した基準で調整でき、ビード形状の調整が煩雑とならず、しかも、全ての仮想ビード層を均等に調整するため、溶接条件の設定が簡単となる。

（９） 溶加材を溶融及び凝固させて形成する溶着ビードからなる溶着ビード層を、複数積層して造形する積層造形物の製造装置であって、
前記積層造形物の形状データを用いて、前記積層造形物の形状を前記溶着ビード層の１層分のビード高さ毎に層分解して、複数の仮想ビード層を生成し、
複数の前記仮想ビード層の積層方向中央に配置される中間層において、層分解された前記積層造形物が連続して延設される方向を基準方向に設定し、
複数の前記仮想ビード層に形成される前記溶着ビードのビードサイズを、前記基準方向に直交する断面のビード形状で調整する制御部と、
前記制御部により駆動され、複数の前記仮想ビード層を、調整された前記ビードサイズで順次形成する造形部と、
を備える積層造形物の製造装置。
この積層造形物の製造装置によれば、層造形物を複数の仮想ビード層に分解した各仮想ビード層のビードサイズを、積層方向の中央に配置される中間層での基準方向を用いて、この基準方向に直交する断面のビード形状で調整する。このように調整したビード形状で溶着ビードを順次形成して積層するため、積層造形物を効率よく高精度に造形できる。

（１０） 前記造形部は、
前記溶加材を支持するとともに、前記溶加材の先端を溶融させるトーチと、
前記トーチを移動させるトーチ移動機構と、
を備える（９）に記載に積層造形物の製造装置。
この積層造形物の製造装置によれば、溶加材を支持したトーチをトーチ移動機構により移動させながら、任意形状の溶着ビードを高効率で形成できる。

（１１） 前記トーチ移動機構は、多軸ロボットである（１０）に記載の積層造形物の製造装置。
この積層造形物の製造装置によれば、トーチの姿勢を自在に変更できるため、高い自由度で任意形状の積層造形物を容易に造形できる。

１１ 造形部
１３ 造形コントローラ
１５ 電源装置
１７ トーチ（造形部）
１９ 溶接ロボット（造形部）
２３ 溶着ビード
２５，３３ プログラム生成部
２７ 記憶部
２９ 制御部
４１，４１Ａ 積層造形物
４３ 軸体
４５ ブレード
４７ 粗形材領域
４７Ｃ 粗形材
４９ 積層造形領域
５１ ビード断面
５５ 仮想ビード
Ｖｂ 溶着ビードの連続形成方向
１００ 積層造形物の製造装置

Claims (11)

1. 溶加材を溶融及び凝固させて形成する溶着ビードからなる溶着ビード層を、複数積層して造形される積層造形物の設計方法であって、
   前記積層造形物の形状データを用いて、前記積層造形物の形状を前記溶着ビード層の１層分のビード高さ毎に層分解して、複数の仮想ビード層を生成する層分解工程と、
   複数の前記仮想ビード層の積層方向中央に配置される中間層において、層分解された前記積層造形物が連続して延設される方向を基準方向に設定する基準方向設定工程と、
   複数の前記仮想ビード層に形成される前記溶着ビードのビードサイズを、前記基準方向に直交する断面のビード形状で調整するビード調整工程と、
   を有する積層造形物の設計方法。
2. 前記ビード調整工程は、前記ビード形状を、前記溶着ビードの連続形成速度、前記溶加材への入熱量の少なくともいずれかを変化させて調整する請求項１に記載の積層造形物の設計方法。
3. 前記積層造形物は、前記基準方向に連続した少なくとも一つの突起部を有する請求項１又は請求項２に記載の積層造形物の設計方法。
4. 前記形状データを用いて、前記積層造形物の形状を、前記積層造形物の基体となる粗形材領域と、前記基体上に形成される前記突起部を含む積層造形領域とに区分けする工程を有し、
   前記層分解工程は、前記積層造形領域を複数の前記仮想ビード層に分解する工程である、請求項３に記載の積層造形物の設計方法。
5. 前記突起部は、一軸方向に沿った複数条の螺旋状の突起である請求項３又は請求項４に記載の積層造形物の設計方法。
6. 溶加材を溶融及び凝固させて形成する溶着ビードからなる溶着ビード層を、複数積層して造形する積層造形物の製造方法であって、
   前記積層造形物の形状データを用いて、前記積層造形物の形状を前記溶着ビード層の１層分のビード高さ毎に層分解して、複数の仮想ビード層を生成する層分解工程と、
   複数の前記仮想ビード層の積層方向中央に配置される中間層において、層分解された前記積層造形物が連続して延設される方向を基準方向に設定する基準方向設定工程と、
   複数の前記仮想ビード層に形成される前記溶着ビードのビードサイズを、前記基準方向に直交する断面のビード形状で調整するビード調整工程と、
   複数の前記仮想ビード層を、前記ビード調整工程により調整されたビードサイズで順次形成して積層し、前記積層造形物を造形する造形工程と、
   を有する積層造形物の製造方法。
7. 前記形状データを用いて、前記積層造形物の形状を、前記積層造形物の基体となる粗形材領域と、前記基体上に形成される突起部を含む積層造形領域とに区分けする工程と、
   前記粗形材領域に応じて粗形材を選定する工程と、
   を有し、
   前記層分解工程は、前記積層造形領域を複数の前記仮想ビード層に分解する工程であり、
   前記造形工程は、前記粗形材に前記溶着ビードを形成する工程である、
   請求項６に記載の積層造形物の製造方法。
8. 溶加材を溶融及び凝固させて形成する溶着ビードからなる溶着ビード層を複数積層して造形する積層造形物の設計手順を、コンピュータに実行させるプログラムであって、
   前記コンピュータに、
   前記積層造形物の形状データを用いて、前記積層造形物の形状を前記溶着ビード層の１層分のビード高さ毎に層分解して、複数の仮想ビード層を生成する層分解機能と、
   複数の前記仮想ビード層の積層方向中央に配置される中間層において、層分解された前記積層造形物が連続して延設される方向を基準方向に設定する基準方向設定機能と、
   複数の前記仮想ビード層に形成される前記溶着ビードのビードサイズを、前記基準方向に直交する断面のビード形状で調整するビード調整機能と、
   を実現させるプログラム。
9. 溶加材を溶融及び凝固させて形成する溶着ビードからなる溶着ビード層を、複数積層して造形する積層造形物の製造装置であって、
   前記積層造形物の形状データを用いて、前記積層造形物の形状を前記溶着ビード層の１層分のビード高さ毎に層分解して、複数の仮想ビード層を生成し、
   複数の前記仮想ビード層の積層方向中央に配置される中間層において、層分解された前記積層造形物が連続して延設される方向を基準方向に設定し、
   複数の前記仮想ビード層に形成される前記溶着ビードのビードサイズを、前記基準方向に直交する断面のビード形状で調整する制御部と、
   前記制御部により駆動され、複数の前記仮想ビード層を、調整された前記ビードサイズで順次形成する造形部と、
   を備える積層造形物の製造装置。
10. 前記造形部は、
    前記溶加材を支持するとともに、前記溶加材の先端を溶融させるトーチと、
    前記トーチを移動させるトーチ移動機構と、
    を備える請求項９に記載に積層造形物の製造装置。
11. 前記トーチ移動機構は、多軸ロボットである請求項１０に記載の積層造形物の製造装置。

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