JP2021028073A - 積層造形物の積層計画方法、積層造形物の製造方法及び製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パス間温度を適切に管理して最適な造形時間で造形物を造形することを可能とする積層造形物の積層計画方法、積層造形物の製造方法及び製造装置を提供する。【解決手段】複数の溶接パスについて、パス間時間ｔｎを設定し、パス間時間ｔｎにおける伝熱計算を行ってパス間温度Ｔｎを算出する工程と、パス間温度Ｔｎが予め設定したパス間温度範囲Ｔmin〜Ｔmaxに収まるか否かを判定し、パス間温度Ｔｎがパス間温度範囲Ｔmin〜Ｔmaxに収まるまで伝熱計算を繰り返してパス間時間ｔｎを調整する工程と、伝熱計算によって算出されたパス間時間ｔｎと溶接パス時間ｔｐｎとを基に、積層造形物Ｗを造形する造形時間ｔａを算出する工程と、を含み、造形時間ｔａを予め設定した上限値ｔmaxと比較し、造形時間ｔａが上限値ｔmax以下となるまで積層計画における溶接条件を繰り返し修正する。【選択図】図４

Description

本発明は、積層造形物の積層計画方法、積層造形物の製造方法及び製造装置に関する。

近年になって、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、電子ビーム、アーク等の熱源を用い、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。

また、溶接部の温度を予測する技術として、冷却速度等の溶接条件を、次パスの溶接が開始される際の溶接部の許容温度であるパス間温度、及び入熱量を種々の値に変更して調整することが、例えば、特許文献１に記載されている。

特開２００４−４０３４号公報

ところで、ビードを積層させる多層盛り溶接では、所定の施工条件（板厚、パス数、電流、電圧、速度、アークタイムなど）に対して、溶接温度を監視して所定のパス間温度までの待ち時間のデータを実験によって取得しておき、この取得したデータに基づいてパス間温度を管理することが行われる。

しかし、複雑形状を有する造形物を積層造形により製造する場合では、積層数の増加とともに形状が変化するため、全体の熱容量や熱伝導が変化する。また、造形物の形状によって溶接条件を造形途中で変更する場合もある。このため、前述のパス間温度を管理する方法では、適切な待ち時間を求めるために大量に実験を行ってデータを集める必要がある。例えば、溶接パスが数百パスに及ぶような場合は、非常に手間や時間がかかるため非現実である。また、パス間温度が高すぎると、ビードに垂れ落ちなどが生じてビード形状が崩れる。パス間温度が低すぎると、パス間温度まで冷却するための待ち時間が長くなり、結果として造形物の製造時間が長くなる。しかも、溶接材料、母材、溶接方法によってはパス間温度が変化するため、適切にパス間温度を管理することが難しい。そして、母材の開先を溶接する特許文献１に記載された技術では、積層造形におけるパス間温度を適切に管理することが困難である。

また、積層造形の技術では、材料を溶融・凝固させて造形していくため、造形物が熱収縮して変形し、目標形状に対して誤差が発生することがある。さらに、造形物に対して切削、焼鈍などの加工、又はベースプレートの除去を行うと、造形物内部に残留した熱応力の解放によってひずみが生じ、造形物が変形することがある。

そこで本発明は、パス間温度を適切に管理して最適な造形時間で造形物を造形することを可能とする積層造形物の積層計画方法、積層造形物の製造方法及び製造装置を提供することを目的とする。

本発明は下記構成からなる。
（１） 溶着ビードをベースプレート上に積層する積層造形装置により、積層造形物を該積層造形物の３次元形状データを用いて造形する積層造形物の積層計画方法であって、
コンピュータが、
前記３次元形状データを取得する工程と、
前記３次元形状データの形状を層分解した各層を前記溶着ビードで形成するための溶接パス、及び前記溶着ビードを形成する際の溶接条件を定める積層計画を作成する工程と、
複数の前記溶接パスについて、溶接パスの終了から次の溶接パスの開始までのパス間時間を設定し、前記パス間時間における伝熱計算を行ってパス間温度を算出する工程と、
前記パス間温度が予め設定したパス間温度範囲に収まるか否かを判定し、前記パス間温度が前記パス間温度範囲に収まるまで、前記パス間時間を調整して伝熱計算を繰り返す工程と、
前記パス間温度範囲に収まる前記パス間温度が算出されたときの前記パス間時間と、前記溶接パスでの前記溶着ビードの形成に要する溶接パス時間とに応じて、前記積層造形物の造形に要する造形時間を算出する工程と、
前記造形時間と予め設定した上限値と比較して、前記造形時間が前記上限値以下となるまで積層計画における前記溶接条件を繰り返し修正する工程と、
を実行する積層造形物の積層計画方法。
（２） （１）に記載の積層造形物の積層計画方法により作成した前記積層計画に基づいて、前記積層造形物を製造する積層造形物の製造方法。
（３） 積層造形物の３次元形状データを用い、溶着ビードをベースプレート上に積層して前記積層造形物を造形する積層造形物の製造装置であって、
前記３次元形状データを取得する入力部と、
前記３次元形状データの形状を層分解した各層を前記溶着ビードで形成するための溶接パス、及び前記溶着ビードを形成する際の溶接条件を定める積層計画を作成する積層計画作成部と、
複数の前記溶接パスについて、溶接パスの終了から次の溶接パスの開始までのパス間時間を設定し、前記パス間時間における伝熱計算を行ってパス間温度を算出する温度予測部と、
前記パス間温度が予め設定したパス間温度範囲に収まるか否かを判定し、前記パス間温度が前記パス間温度範囲に収まるまで、前記パス間時間を変更して伝熱計算を繰り返すパス間温度調整部と、
前記パス間温度範囲に収まる前記パス間温度が算出されたときの前記パス間時間と、前記溶接パスでの前記溶着ビードの形成に要する溶接パス時間とに応じて、前記積層造形物の造形に要する造形時間を算出する造形時間見積り部と、
前記造形時間と予め設定した上限値と比較して、前記造形時間が前記上限値以下となるまで積層計画における前記溶接条件を繰り返し変更する溶接条件調整部と、
を備える積層造形物の製造装置。

本発明によれば、パス間温度を適切に管理して最適な造形時間で造形物を造形することができる。

本発明に係る積層造形物の製造装置の概略構成図である。 積層造形物を上下方向に切断した概略断面図である。 積層造形物の基本的な積層造形の手順を説明する工程説明図であって、積層造形物を上下方向に切断した概略断面図である。 積層造形物の基本的な積層造形の手順を説明する工程説明図であって、積層造形物を上下方向に切断した概略断面図である。 積層造形物の基本的な積層造形の手順を説明する工程説明図であって、積層造形物を上下方向に切断した概略断面図である。 積層造形物の積層計画の手順を示すフローチャートである。 熱収縮を考慮した積層造形物の積層計画の手順を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
＜積層造形物の製造装置＞
図１は本発明に係る積層造形物の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、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、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させる。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、トーチ１７を移動しつつ、連続送給される溶加材Ｍを溶融及び凝固させると、ベースプレート２３上に溶加材Ｍの溶融凝固体である線状の溶着ビードＢが形成される。

溶加材Ｍは、溶接ロボット１９のロボットアーム等に取り付けた不図示の繰り出し機構により、溶加材供給部２１からトーチ１７に送給される。そして、トーチ１７は、コントローラ１３からの指令によりロボットアームが駆動されることで、所望の溶接ラインに沿って移動する。また、連続送給される溶加材Ｍは、トーチ１７の先端で発生するアークによってシールドガス雰囲気で溶融され、凝固する。これにより、溶加材Ｍの溶融凝固体である溶着ビードＢが形成される。このように、造形部１１は、溶加材Ｍの溶融金属を積層する積層造形装置であって、ベースプレート２３上に多層状に溶着ビードＢを積層することで、積層造形物Ｗを造形する。

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。アークを用いる場合は、シールド性を確保しつつ、素材、構造によらずに簡単に溶着ビードＢを形成できる。電子ビームやレーザにより加熱する場合は、加熱量を更に細かく制御でき、溶着ビードＢの状態をより適正に維持して、積層造形物Ｗの更なる品質向上に寄与できる。

コントローラ１３は、積層計画作成部３１と、変形量計算部３３と、余肉量設定部３４と、プログラム生成部３５と、温度予測部３６と、造形時間見積り部３８と、記憶部３７と、入力部３９と、表示部４０と、これら各部が接続される制御部４１と、を有する。制御部４１には、作製しようとする積層造形物Ｗの形状を表す３次元形状データ（ＣＡＤデータ等）や、各種の指示情報が入力部３９から入力される。表示部４０は、制御部４１から送信される信号に応じた各種の情報を表示する。

本構成の積層造形物の製造装置１００は、入力された３次元形状データを用いてビード形成用の形状モデルを生成し、トーチ１７の移動軌跡や溶接条件等の積層計画を作成する。制御部４１は、積層計画に応じた動作プログラムを作成し、この動作プログラムに従って各部を駆動して、所望の形状の積層造形物Ｗを積層造形する。

積層計画作成部３１は、入力された３次元形状データの形状モデルを溶着ビードＢの高さに応じた複数の層に分解する。そして、分解された形状モデルの各層について、溶着ビードＢを形成するためのトーチ１７の軌道、及び溶着ビードＢを形成する加熱条件（ビード幅、ビード積層高さ等を得るための溶接条件等を含む）を定める積層計画を作成する。

変形量計算部３３は、積層計画に従って造形した積層造形物Ｗに対して機械開口等を行った際に、積層造形物Ｗの残留応力の解放によって生じる変形量を解析的に求める。

余肉量設定部３４は、機械加工後の構造体Ｗ１から積層造形物Ｗの外縁までの削り代となる余肉量を設定する。

プログラム生成部３５は、造形部１１の各部を駆動して積層造形物Ｗを造形する手順を、コンピュータに実行させる動作プログラムを作成する。作成された動作プログラムは、記憶部３７に記憶される。

温度予測部３６は、詳細を後述する伝熱計算などの事前予測手段を有し、造形前に温度予測することによって溶着ビームの温度管理を行う。また、造形時間見積り部３８は、詳細を後述する積層造形物Ｗを造形するために要する造形時間を事前に見積る。

記憶部３７には、動作プログラムが記憶される他、造形部１１が有する各種駆動部の仕様や溶加材Ｍの材料の情報等も記憶される。記憶された情報は、プログラム生成部３５で動作プログラムを作成する際、動作プログラムを実行する際、等に適宜参照される。

上記の制御部４１を含むコントローラ１３は、ＣＰＵ等のプロセッサ、ＲＯＭやＲＡＭ等のメモリ、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）やＳＳＤ（Solid State Drive）等のストレージ、Ｉ／Ｏインターフェース、等を具備するコンピュータで構成される。コントローラ１３は、記憶部３７に記憶されたデータやプログラムを読み込み、解析処理を含むデータの処理や動作プログラムを実行する機能、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４１は、入力部３９からの操作や通信等による指示に基づいて、各種の動作プログラムの作成や実行を行う。

制御部４１が動作プログラムを実行すると、溶接ロボット１９や電源装置１５等の各部が、プログラムされた所定の手順に従って駆動される。溶接ロボット１９は、コントローラ１３からの指令により、プログラム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、所望の位置に溶着ビードＢを形成する。

ここでいう動作プログラムとは、入力された積層造形物Ｗの３次元形状データから、所定の演算により設計された溶着ビードＢ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。制御部４１は、記憶部３７に記憶された動作プログラムを実行することで、造形部１１によって積層造形物Ｗを製造させる。つまり、制御部４１は、記憶部３７から所望の動作プログラムを読み込み、この動作プログラムに従って、トーチ１７を溶接ロボット１９の駆動により移動させるとともに、トーチ１７先端からアークを発生させる。これにより、ベースプレート２３に溶着ビードＢが繰り返し形成されて積層造形物Ｗが造形される。

積層計画作成部３１、変形量計算部３３、余肉量設定部３４、プログラム生成部３５、温度予測部３６、造形時間見積り部３８等の各演算部は、コントローラ１３に設けられるがこれに限らない。図示はしないが、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を介して離間して配置されたサーバや端末等の外部コンピュータに、上記した演算部が設けられてもよい。外部コンピュータに上記した演算部が設けられることで、積層造形物の製造装置１００を要せずに、所望の動作プログラムを作成でき、プログラム作成作業が繁雑にならない。また、作成した動作プログラムを、コントローラ１３の記憶部３７に、ネットワークや記憶媒体を介して転送することで、コントローラ１３で動作プログラムを作成した場合と同様に、造形部１１を動作させることができる。

＜基本的な積層造形の手順＞
次に、単純な積層造形物Ｗのモデルを用いて、積層造形の手順を簡単に説明する。
図２は積層造形物Ｗを上下方向に切断した概略断面図である。図３Ａ〜図３Ｃは積層造形物Ｗの基本的な積層造形の手順を説明する工程説明図であって、積層造形物Ｗを上下方向に切断した概略断面図である。

図２に一例として示す積層造形物Ｗは、ベースプレート２３上に円筒状に形成されている。ベースプレート２３は、鋼板等の金属板からなり、基本的には積層造形物Ｗの底面（最下層の面）より大きいものが使用される。なお、このベースプレート２３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。

図３Ａに示すように、積層造形物Ｗを造形するには、予め設置したベースプレート２３上に、動作プログラムに従って溶接ロボット１９が指示された軌道に沿ってトーチ１７を移動させる。このトーチ１７の移動と共にトーチ１７の先端にアークを発生させることで、トーチ１７の軌道に沿って溶着ビードＢを形成する。溶着ビードＢは、溶加材Ｍを溶融及び凝固して形成される。そして、形成したビード層ＢＬに次層のビード層ＢＬを、上記同様の動作によって繰り返し積層する。

図３Ｂに示すように、ベースプレート２３上に積層造形物Ｗを造形したら、ベースプレート２３を、ワイヤーソーやダイヤモンドカッター等による切断機で切断して、ベースプレート２３と積層造形物Ｗとを分離して、ベースプレート２３を除去する。その後、図３Ｃに示すように、例えば、積層造形物Ｗに対して余肉量設定部３４で設定した余肉部分を切削して製品に加工する。なお、ベースプレート２３は、積層造形物Ｗから余肉部分を切削した後に除去してもよい。

＜積層造形物の積層計画＞
次に、積層造形物を造形する積層計画方法について説明する。
ここでは、上記したような積層造形物Ｗを溶着ビードＢの積層により造形する際に、溶着ビードＢのパス間温度を適切に管理して、最適な造形時間で積層造形物Ｗを造形する積層計画を作成する。

図４は積層造形物の積層計画の手順を示すフローチャートである。
まず、コントローラ１３は、造形しようとする積層造形物のＣＡＤデータである３次元形状データＤ_０を入力部３９から取得する（Ｓ１）。

コントローラ１３の積層計画作成部３１は、取得した３次元形状データＤ_０に応じて造形形状を決定し、その造形形状を溶着ビードＢで形成する積層計画を作成するとともに、溶着ビードＢを形成する条件決定を行う（Ｓ２）。条件決定には、トーチ１７を移動させる溶接パス（トーチの軌道）を決定する軌道計画を作成すること、アークを加熱源として溶着ビードＢを形成する際の、溶接電流、アーク電圧、溶接速度、トーチ角等の各種の溶接条件を設定することが含まれる。

具体的には、３次元形状データＤ_０から積層造形物Ｗの造形形状を決定し、この造形形状を垂直方向に複数のビード層（本例では１０層）ＢＬに分割し、各ビード層ＢＬに対応して、それぞれトーチ１７を移動させる溶接パスを求める。溶接パスは、所定のアルゴリズムに基づく演算により決定される。溶接パスの情報としては、例えば、トーチ１７を移動させる経路の空間座標、経路の半径、経路長等の経路の情報や、形成する溶着ビードＢのビード幅やビード高さ等のビード情報等が含まれる。ビード層ＢＬの高さは、溶接条件により設定される溶着ビードＢの高さに応じて決定される。

積層計画を作成した後、温度予測部３６による温度予測処理（Ｓ３〜Ｓ７）を実施する。

最初に、積層計画における溶接パスについて、１つの溶接パスの終了から次の溶接パスの開始までの待ち時間であるパス間時間ｔｎを設定する。また、このパス間時間ｔｎにおいて、許容されるパス間温度の最大値Ｔminと最小値Ｔminを予め設定する（Ｓ３）。

次に、パス間時間ｔｎにおける各溶接パスでのパス間温度Ｔｎを、詳細を後述する伝熱計算を行って算出する（Ｓ４）。

算出した各溶接パスにおけるパス間温度Ｔｎが許容されるパス間温度範囲Ｔmin〜Ｔmaxに収まるか否かを判定する（Ｓ５）。パス間温度Ｔｎがパス間温度範囲Ｔmin〜Ｔmaxから外れている場合（Ｓ５：Ｎｏ）、パス間温度Ｔｎがパス間温度範囲Ｔmin〜Ｔmaxに収まるように、再度、パス間時間ｔｎを変更して伝熱計算し、パス間温度Ｔｎを算出する（Ｓ４）。

このように、分割した全てのビード層ＢＬについてパス間温度Ｔｎがパス間温度範囲Ｔmin〜Ｔmaxに収まるまで、パス間時間ｔｎを変更して伝熱計算を繰り返す（Ｓ６）。この処理は、伝熱計算を繰り返すパス間温度調整部の機能を有する温度予測部３６によって実行される。

分割した全てのビード層ＢＬについてパス間温度Ｔｎがパス間温度範囲Ｔmin〜Ｔmaxに収った場合（Ｓ６：Ｙｅｓ）、各溶接パスにおけるパス間時間ｔｎ及びパス間温度Ｔｎを制御部４１に出力する（Ｓ７）。

ここで、温度予測部３６による伝熱計算は、計算速度が速い手法を用いることが好ましい。この伝熱計算は、３次元熱伝導方程式を用いて計算してもよい。温度予測部３６は、例えば、下記の基本式（１）を用いて温度予測する。

ただし、基本式（１）において、
Ｈ：エンタルピ
Ｃ：節点体積の逆数
Ｋ：熱伝導マトリックス
Ｆ：熱流束
Ｑ：体積発熱
である。

なお、３次元熱伝導方程式において、溶接入熱は、溶接速度にあわせて溶接領域に付与してもよい。また、溶着ビードが短い場合は、１ビード全体の入熱を付与してもよい。

温度予測部３６がパス間時間ｔｎ及びパス間温度Ｔｎを制御部４１に出力した後、造形時間見積り部３８は、以下の造形時間の見積り処理（Ｓ８，Ｓ９）を実施する。

造形時間見積り部３８は、分割した全てのビード層ＢＬについての各溶接パスにおけるパス間時間ｔｎ及びパス間温度Ｔｎを制御部４１から入力する。そして、算出されたパス間時間ｔｎと、溶接パスでの溶着ビードの形成に要する溶接パス時間ｔｐｎとに応じて、下記の計算式（２）から積層造形物Ｗの造形に要する造形時間ｔａを算出する（Ｓ８）。つまり、溶接パス時間ｔｐｎにパス間時間ｔｎの積算値を加算して積層造形物Ｗの全体の造形時間ｔａを見積もる。なお、この造形時間ｔａは、溶接ロボット１９の動作時間を含んでいてもよい。

ただし、計算式（２）において、
ｔａ：トータルの造形時間
ｔｐ（ｉ）：ｉ層目の溶接パスの溶接時間
ｔｎ（ｉ＋１）：ｉ層目の溶接パスと（ｉ＋１）層目のパス間時間
である。

計算式（２）により造形時間ｔａを算出した後、この造形時間ｔａを予め設定した上限値ｔmaxと比較する（Ｓ９）。上限値ｔmaxは、積層造形物Ｗの生産性を考慮して設定される時間であり、例えば、積層造形物Ｗの造形に要する時間の制限時間である。

つまり、造形時間ｔａが上限値ｔmaxを超える場合（Ｓ９：Ｎｏ）は、積層造形物Ｗの生産性が低いため、改善が必要と判断される。その場合には、積層計画を改めて作成し（Ｓ２）、その作成した積層計画に基づいて、温度予測処理（Ｓ３〜Ｓ７）及び造形時間ｔａの見積り処理（Ｓ８，Ｓ９）を行う。この処理は、溶接条件を繰り返し変更する溶接条件調整部の機能を有する造形時間見積り部３８によって実行される。
このように、造形時間ｔａが上限値ｔmax以下となるまで、積層計画の修正（Ｓ２）、温度予測処理（Ｓ３〜Ｓ７）及び造形時間ｔａの見積り処理（Ｓ８，Ｓ９）を繰り返す。

ここで、積層計画の修正は、造形速度を速くする修正であり、例えば、溶接条件の修正や溶着ビードＢの積層順の変更等を行う。溶接条件を修正する場合では、溶接速度、パス数、溶着ビードＢの形状（ビード幅、ビード高さ）のいずれかを修正する。例えば、各条件のビード形状（ビード幅、ビード高さ）を事前にデータベース化して記憶部３７に記憶させておき、目標形状寸法と造形時間ｔａに対応する溶接条件を選択してもよい。

以上説明したように、本構成の積層造形物の積層計画方法によれば、複数の溶接パスについて、パス間時間ｔｎを設定して、パス間時間ｔｎにおける伝熱計算を行ってパス間温度Ｔｎを算出し、パス間温度Ｔｎが予め設定したパス間温度範囲Ｔmin〜Ｔmaxに収まるか否かを判定し、パス間温度Ｔｎがパス間温度範囲Ｔmin〜Ｔmaxに収まるまで伝熱計算を繰り返してパス間時間を調整する。そして、伝熱計算によって算出されたパス間時間ｔｎと溶接パス時間ｔｐｎとに応じて、積層造形物Ｗを造形する造形時間ｔａを算出する。さらに、造形時間ｔａを予め設定した上限値ｔmaxと比較して、造形時間ｔａが上限値ｔmax以下となるまで積層計画における溶接条件を繰り返し修正する。したがって、溶着ビードＢを形成する際の溶接パスのパス間温度Ｔｎを適切に管理しつつ、積層計画における溶接条件を変更して、造形時間ｔａを短縮できる。

特に、溶接条件の溶接速度、パス数、ビード形状を変更することにより、造形時間ｔａを効率よく短縮できる。

これにより、溶着ビードＢを形成する際の溶接パスのパス間温度Ｔｎを適切に管理しつつ、造形時間ｔａを短縮して、積層造形物Ｗを製造できる。

ところで、ベースプレート２３に溶着ビードＢを積層して積層造形物Ｗを造形する積層造形法では、材料を溶融・凝固させ造形していくため、熱収縮等によって積層造形物Ｗの内部に残留応力が発生していることがある。すると、積層造形物Ｗに対して切削、焼鈍、又はベースプレート２３の除去を行うと、残留応力の解放によって変形が生じ、目標形状に対して誤差が生じる。目標形状に対する誤差を抑制するためには、余肉量を多く設定した上で、切削加工等を実施することとなる。しかし、解放ひずみを考慮して余肉量を設定すると、造形時間が増大する。

このため、本構成の積層造形物の製造装置１００では、積層造形物Ｗの熱収縮が起因する変形量を変形量計算部３３が予測し、この予測した変形量から余肉量設定部３４が余肉量δを調整し、この余肉量δの調整に基づいて、造形時間見積り部３８が造形時間ｔａを修正する。

以下、余肉量δを調整して造形時間ｔａを修正する場合について説明する。
図５は熱収縮を考慮した積層造形物の積層計画の手順を示すフローチャートである。

分割した全てのビード層ＢＬについての各溶接パスにおけるパス間時間ｔｎ及びパス間温度Ｔｎが出力されると、算出されたパス間時間ｔｎとパス間温度Ｔｎとに応じて、変形量計算部３３が積層造形物Ｗの変形量を予測し、熱収縮した際の積層造形物Ｗの造形物形状データＤ_１を作成する（Ｓ１１）。

この造形物形状データＤ_１と３次元形状データＤ_０の造形形状を比較し、その差分から、余肉量設定部３４が余肉量δを算出する（Ｓ１２）。

さらに、算出した余肉量δから、造形時間見積り部３８が積層造形物Ｗを機械加工して構造体Ｗ１の形状にする際に必要となる切削時間ｔｃを推定する（Ｓ１３）。

その後、造形時間見積り処理（Ｓ８，Ｓ９）で求めた造形時間ｔａを、推定した切削時間ｔｃが加算された造形時間ｔａに修正する（Ｓ１４）。

このようにすれば、溶着ビードＢを積層した後に切削する部分である余肉量δを適切に算出し、この余肉部分の切削にかかる切削時間ｔｃを含んだ全体の造形時間ｔａを抑制できる。

ここで、積層造形物の溶接変形及び残留応力は、一般に、有限要素法（Finite Element Method：ＦＥＭ）を用いた熱弾塑性解析法又は弾性解析等を利用したコンピュータシミュレーションによって解析される。

熱弾塑性解析法では、多数の微小時間ステップごとに各種の非線形要素まで考慮して現象を計算するので、高精度な解析をすることができる。一方、弾性解析では、線形要素のみを考慮して解析をするため、短時間で解析をすることができる。溶着ビードＢを積層する積層造形によって積層造形物Ｗを造形すると、積層造形物Ｗの全箇所が金属の溶融・凝固プロセスを経ることになる。金属が溶融・凝固すると、積層造形物Ｗに固有ひずみ（塑性ひずみ、熱ひずみ）が発生する。この固有ひずみに起因した残留応力が積層造形物Ｗの内部に発生する。変形量計算部３３は、このような積層造形による形状変化を解析的に求める。

変形量計算部３３は、例えば、部分モデル熱弾塑性解析部と、全体モデル弾性解析部とを備えた構成であってもよい。部分モデル熱弾塑性解析部は、入力された解析条件（積層造形条件，材料物性条件）に基づいて、造形物の部分的なモデルを用いて熱弾塑性解析をして固有ひずみ（塑性ひずみ、熱ひずみ）を算出する。全体モデル弾性解析部は、算出した固有ひずみに基づいて造形物の全体モデルについて弾性解析をして残留応力等を導出する。解析に使用される条件としては、熱源の出力、熱源の種類、ビームプロファイル、走査速度、走査シーケンス、ラインオフセット又は予熱温度等をパラメータとする積層造形条件と、材料のヤング率、耐力、線膨張係数、加工硬化指数等の機械的物性値と、熱伝導率又は比熱等の熱物性値等の材料物性条件とがある。

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

例えば、上記例では積層造形物Ｗを単純な円筒形状としたが、積層造形物Ｗの形状は、これに限らない。積層造形物Ｗがより複雑な形状であるほど、上記した積層計画、及び製造方法による効果が顕著となるため、本発明を好適に適用することができる。

以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
（１） 溶着ビードをベースプレート上に積層する積層造形装置により、積層造形物を該積層造形物の３次元形状データを用いて造形する積層造形物の積層計画方法であって、
コンピュータが、
前記３次元形状データを取得する工程と、
前記３次元形状データの形状を層分解した各層を前記溶着ビードで形成するための溶接パス、及び前記溶着ビードを形成する際の溶接条件を定める積層計画を作成する工程と、
複数の前記溶接パスについて、溶接パスの終了から次の溶接パスの開始までのパス間時間を設定し、前記パス間時間における伝熱計算を行ってパス間温度を算出する工程と、
前記パス間温度が予め設定したパス間温度範囲に収まるか否かを判定し、前記パス間温度が前記パス間温度範囲に収まるまで、前記パス間時間を調整して伝熱計算を繰り返す工程と、
前記パス間温度範囲に収まる前記パス間温度が算出されたときの前記パス間時間と、前記溶接パスでの前記溶着ビードの形成に要する溶接パス時間とに応じて、前記積層造形物の造形に要する造形時間を算出する工程と、
前記造形時間と予め設定した上限値と比較して、前記造形時間が前記上限値以下となるまで積層計画における前記溶接条件を繰り返し修正する工程と、
を実行する積層造形物の積層計画方法。
この構成の積層造形物の積層計画方法によれば、溶着ビードを形成する際の溶接パスのパス間温度を適切に管理しつつ、積層計画における溶接条件を修正して造形時間を抑えることができる。

（２） 前記溶接条件の修正は、溶接速度、パス数、ビード形状のいずれかを修正する、（１）に記載の積層造形物の積層計画方法。
この構成の積層造形物の積層計画方法によれば、溶接条件である、溶接速度、パス数、又はビード形状を修正することにより、造形時間を良好に抑えることができる。

（３） 前記コンピュータが、
前記伝熱計算が終了して算出された前記パス間時間と前記パス間温度とを基に、熱収縮した際の前記積層造形物の造形物形状データを作成する工程と、
前記造形物形状データと前記３次元形状データの造形形状の差分から、余肉量を算出する工程と、
前記余肉量から前記積層造形物に対する加工時間である切削時間を推定する工程と、
を実施し、
前記造形時間に前記切削時間を加算する前記修正を行う（１）又は（２）に記載の積層造形物の積層計画方法。
この構成の積層造形物の積層計画方法によれば、溶着ビードを積層した後に切削する部分である余肉量を適切に算出し、この余肉部分の切削にかかる切削時間を含んだ全体の造形時間を抑えることができる。

（４） （１）〜（３）のいずれか１つに記載の積層造形物の積層計画方法により作成した前記積層計画に基づいて、前記積層造形物を製造する積層造形物の製造方法。
この構成の積層造形物の製造方法によれば、溶着ビードを形成する際の溶接パスのパス間温度を適切に管理しつつ、積層計画における溶接条件を修正して造形時間を抑えて積層造形物を製造することができる。

（５） 積層造形物の３次元形状データを用い、溶着ビードをベースプレート上に積層して前記積層造形物を造形する積層造形物の製造装置であって、
前記３次元形状データを取得する入力部と、
前記３次元形状データの形状を層分解した各層を前記溶着ビードで形成するための溶接パス、及び前記溶着ビードを形成する際の溶接条件を定める積層計画を作成する積層計画作成部と、
複数の前記溶接パスについて、溶接パスの終了から次の溶接パスの開始までのパス間時間を設定し、前記パス間時間における伝熱計算を行ってパス間温度を算出する温度予測部と、
前記パス間温度が予め設定したパス間温度範囲に収まるか否かを判定し、前記パス間温度が前記パス間温度範囲に収まるまで、前記パス間時間を変更して伝熱計算を繰り返すパス間温度調整部と、
前記パス間温度範囲に収まる前記パス間温度が算出されたときの前記パス間時間と、前記溶接パスでの前記溶着ビードの形成に要する溶接パス時間とに応じて、前記積層造形物の造形に要する造形時間を算出する造形時間見積り部と、
前記造形時間と予め設定した上限値と比較して、前記造形時間が前記上限値以下となるまで積層計画における前記溶接条件を繰り返し変更する溶接条件調整部と、
を備える積層造形物の製造装置。
この構成の積層造形物の製造装置によれば、溶着ビードを形成する際の溶接パスのパス間温度を適切に管理しつつ、積層計画における溶接条件を修正して造形時間を抑えて積層造形物を製造することができる。

２３ ベースプレート
３１ 積層計画作成部
３３ 変形量計算部
３４ 余肉量設定部
３５ プログラム生成部
３６ 温度予測部
３７ 記憶部
３８ 造形時間見積り部
３９ 入力部
４０ 表示部
１００ 積層造形物の製造装置
Ｂ 溶着ビード
Ｄ_０ ３次元形状データ
Ｄ_１ 造形物形状データ
Ｔｎ パス間温度
ｔａ 造形時間
ｔｃ 切削時間
ｔｐｎ 溶接パス時間
ｔｎ パス間時間
Ｗ 積層造形物
δ 余肉量

Claims (5)

1. 溶着ビードをベースプレート上に積層する積層造形装置により、積層造形物を該積層造形物の３次元形状データを用いて造形する積層造形物の積層計画方法であって、
   コンピュータが、
   前記３次元形状データを取得する工程と、
   前記３次元形状データの形状を層分解した各層を前記溶着ビードで形成するための溶接パス、及び前記溶着ビードを形成する際の溶接条件を定める積層計画を作成する工程と、
   複数の前記溶接パスについて、溶接パスの終了から次の溶接パスの開始までのパス間時間を設定し、前記パス間時間における伝熱計算を行ってパス間温度を算出する工程と、
   前記パス間温度が予め設定したパス間温度範囲に収まるか否かを判定し、前記パス間温度が前記パス間温度範囲に収まるまで、前記パス間時間を調整して伝熱計算を繰り返す工程と、
   前記パス間温度範囲に収まる前記パス間温度が算出されたときの前記パス間時間と、前記溶接パスでの前記溶着ビードの形成に要する溶接パス時間とに応じて、前記積層造形物の造形に要する造形時間を算出する工程と、
   前記造形時間と予め設定した上限値と比較して、前記造形時間が前記上限値以下となるまで積層計画における前記溶接条件を繰り返し修正する工程と、
   を実行する積層造形物の積層計画方法。
2. 前記溶接条件の修正は、溶接速度、パス数、ビード形状のいずれかを修正する請求項１に記載の積層造形物の積層計画方法。
3. 前記コンピュータが、
   前記伝熱計算が終了して算出された前記パス間時間と前記パス間温度とを基に、熱収縮した際の前記積層造形物の造形物形状データを作成する工程と、
   前記造形物形状データと前記３次元形状データの造形形状の差分から、余肉量を算出する工程と、
   前記余肉量から前記積層造形物に対する加工時間である切削時間を推定する工程と、
   を実施し、
   前記造形時間に前記切削時間を加算する前記修正を行う請求項１又は２に記載の積層造形物の積層計画方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の積層造形物の積層計画方法により作成した前記積層計画に基づいて、前記積層造形物を製造する積層造形物の製造方法。
5. 積層造形物の３次元形状データを用い、溶着ビードをベースプレート上に積層して前記積層造形物を造形する積層造形物の製造装置であって、
   前記３次元形状データを取得する入力部と、
   前記３次元形状データの形状を層分解した各層を前記溶着ビードで形成するための溶接パス、及び前記溶着ビードを形成する際の溶接条件を定める積層計画を作成する積層計画作成部と、
   複数の前記溶接パスについて、溶接パスの終了から次の溶接パスの開始までのパス間時間を設定し、前記パス間時間における伝熱計算を行ってパス間温度を算出する温度予測部と、
   前記パス間温度が予め設定したパス間温度範囲に収まるか否かを判定し、前記パス間温度が前記パス間温度範囲に収まるまで、前記パス間時間を変更して伝熱計算を繰り返すパス間温度調整部と、
   前記パス間温度範囲に収まる前記パス間温度が算出されたときの前記パス間時間と、前記溶接パスでの前記溶着ビードの形成に要する溶接パス時間とに応じて、前記積層造形物の造形に要する造形時間を算出する造形時間見積り部と、
   前記造形時間と予め設定した上限値と比較して、前記造形時間が前記上限値以下となるまで積層計画における前記溶接条件を繰り返し変更する溶接条件調整部と、
   を備える積層造形物の製造装置。

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