JP2022071692A - 積層計画作成方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】溶着ビードを積層する際のビードの垂れ落ちを考慮して、高精度な積層造形が行える積層計画作成方法を提供する。【解決手段】積層計画作成方法では、まず、積層造形物の３次元形状データから目標形状を設定し、設定された目標形状を溶着ビードに対応した形状の複数のビードモデルに分割する。分割されたビードモデルが上下に重なるビード積層部でのビード形成時における溶加材の下層への垂れ落ち量を、溶着ビードの溶接条件に応じて予測する。この予測した垂れ落ち量に応じてビード積層部におけるビードモデルそれぞれのビード高さを補正する。ビード高さが補正されたビードモデルを含む複数のビードモデルを用いて、積層造形物を造形する前記積層計画を作成する。【選択図】図１１

Description

本発明は、溶着ビードを積層して形成される積層造形物の積層計画作成方法に関する。
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、レーザ又は電子ビーム、更にはアーク等の熱源を用いて、金属粉体又は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、特許文献１には、積層造形物の製造プロセスをシミュレーションにより評価して、最適な溶接パス及び溶接条件を調整し、調整された条件で溶接装置を制御して造形する、積層設計方法が開示されている。
特開２０１０－２０１４７４号公報
アーク溶接により複数の溶着ビードを積層して造形する際、溶着ビードが重力により前層に垂れ落ちることがあり、その場合には、形成される溶着ビードのビード高さが予定した高さより低くなる。このような溶着ビードの垂れは、特許文献１による積層設計方法であっても定量的に予測できず、そのため、完成した積層造形物の形状が目標形状からずれを生じてしまうことがあった。
そこで本発明は、溶着ビードを積層する際のビードの垂れ落ちを考慮して、高精度な積層造形が行える積層計画作成方法を提供することを目的とする。
本発明は下記の構成からなる。
溶加材を溶融及び固化させた溶着ビードを積層して積層造形物を造形する際の、前記溶着ビードのビード形成パス及び溶接条件を設定した積層計画を作成する、積層計画作成方法であって、
前記積層造形物の３次元形状データから目標形状を設定する工程と、
設定された前記目標形状を前記溶着ビードに対応した形状の複数のビードモデルに分割する工程と、
前記複数のビードモデルのうち、前記ビードモデル同士が上下に重なるビード積層部でのビード形成時における前記溶加材の下層への垂れ落ち量を、前記溶着ビードの溶接条件に応じて予測する工程と、
予測した前記垂れ落ち量に応じて前記ビード積層部における前記ビードモデルそれぞれのビード高さを補正する工程と、
前記ビード高さが補正されたビードモデルを含む前記複数のビードモデルを用いて、前記積層造形物を造形する前記積層計画を作成する工程と、
を有する、積層計画作成方法。
本発明によれば、溶着ビードを積層する際のビードの垂れ落ちを考慮して、高精度な積層造形が行える積層計画を作成できる。
図１は、積層造形物の製造装置を示す概略構成図である。 図２は、積層造形物の概略形状を示す斜視図である。 図３は、溶着ビードの形成方向に直交する断面におけるビードモデルの基本形状を示す概略説明図である。 図４は、ビード同士が重なるビード積層部におけるビードモデルを示す概略説明図である。 図５は、条件に応じてビードモデルの垂れ部の大きさが増減する様子を（Ａ），（Ｂ）で示す説明図である。 図６は、溶加材送給速度と溶接速度とをそれぞれ変化させて溶着ビードを積層した場合の各溶着ビードの予想プロファイルを示す説明図である。 図７は、図６に示す各溶接条件において、溶着ビードを積層数毎のビード高さの変化を示す説明図である。 図８は、溶接速度に対する充填率の変化の様子を示すグラフである。 図９は、溶着ビードの形成方向に直交する断面における、上層のビードモデルと下層のビードモデルの形状を示す説明図である 図１０は、ビード積層部にビードモデルを適用する場合の溶着ビードの模式的な説明図である。 図１１は、積層計画の作成手順を示すフローチャートである。 図１２は、複数のビードモデルを複数列配置してブロック状にした態様を示すビードモデルの模式図である。 図１３の（Ａ），（Ｂ）は、オーバーハングを有する積層造形物の形状を複数のビードモデルに分割した態様を示すビードモデルの模式図である。 図１４は、積層造形物がオーバーハングを有する積層造形物の場合のビードモデルを示す説明図である。 図１５は、ビードモデルの重なり部と隙間部とを示すビードモデルの説明図である。
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。
＜積層造形物の製造装置＞
図１は、積層造形物の製造装置を示す概略構成図である。
本構成の積層造形物の製造装置１００は、積層造形装置１１と、積層造形装置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。積層造形装置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。この積層造形装置１１は、アークにより溶加材Ｍを溶融及び固化させてベースプレート２３上に溶着ビードＢを形成し、溶着ビードＢを順次に積層することで積層造形物２５を造形する。ここで示す積層造形物の製造装置１００は、一構成例に過ぎず、他の構成であってもよい。
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の位置及び姿勢は、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。ここで用いるアーク溶接法としては、被覆アーク溶接及び炭酸ガスアーク溶接等の消耗電極式、又は、ＴＩＧ溶接及び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、この溶着ビードＢからなる積層造形物２５が造形される。
コントローラ１３は、ＣＡＤ／ＣＡＭ部３１と、軌道演算部３３と、記憶部３５と、これらが接続される制御部３７と、を有する。このコントローラ１３は、ＣＰＵ、メモリ、及びストレージ等を備えるコンピュータ装置により構成されている。
ＣＡＤ／ＣＡＭ部３１は、作製しようとする積層造形物２５の３次元形状データ（ＣＡＤデータ等）を入力又は作成する。
軌道演算部３３は、３次元形状データに基づいて目標形状となる形状モデルを生成し、得られた形状モデルを溶着ビードＢの高さに応じた複数の溶着ビード層に分解する。そして、分解した形状モデルの各層について、ビード形成パス（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を形成する溶接条件（ビード幅、ビード積層高さ等を得るための溶接電流、溶接電圧等の加熱条件、又は溶接条件等を含む）を定める積層計画を作成する。つまり、目標形状である形状モデルを、溶着ビードに対応した形状の複数のビードモデルに分割し、分割したそれぞれのビードモデルのビード形成パス及び溶接条件を決定する。作成した積層計画は、積層造形装置１１の各部を駆動する駆動プログラムとして記憶部３５に記憶される。なお、駆動プログラムは、必要とされる情報をコントローラ１３とは異なる他のコンピュータ装置に入力して、他のコンピュータ装置で生成してもよい。その場合、生成した駆動プログラムは、ＬＡＮ等の適宜な通信手段を介してコントローラ１３の記憶部３５に入力される。
なお、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２５の底面（最下層の面）より大きいものが使用される。このベースプレート２３は、板状に限らず、ブロック体又は棒状等の、他の形状のベースであってもよい。
溶加材Ｍとしては、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）、又は、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。
また、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、電子ビーム又は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。電子ビーム又は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。
上記構成の積層造形物の製造装置１００によれば、制御部３７が、記憶部３５に記憶された駆動プログラムを実行して、溶接ロボット１９及び電源装置１５を駆動する。つまり、コントローラ１３は、駆動プログラムに設定された手順に従って溶接ロボット１９を駆動して、トーチ１７をビード形成パスに沿って移動させる。このトーチ１７の移動と共に、トーチ先端で溶加材Ｍをアークにより加熱し、溶融した溶加材Ｍをベースプレート２７上に盛り付ける。これにより、ベースプレート２７上に複数の線状の溶着ビードＢが形成された積層造形物２５が得られる。
図２は、積層造形物２５の概略形状を示す斜視図である。
一例として示す積層造形物２５は、溶着ビードＢが複数回積層されたビード積層部４１を有する。ビード積層部４１においては、初層の溶着ビードＢＰと、初層の溶着ビードＢＰ上に積層された他の溶着ビードＢとのそれぞれは、ビード高さｈＰ（及びビード幅ｗＰ）が必ずしも一定ではない。そのため、各溶着ビードが積層されたビード積層部４１の合計高さＨを正確に予測することは難しい。このことは、溶着ビードが形成される際に、加熱された溶融金属が下層に垂れ落ち、この垂れ落ちた溶融金属の容積に応じた分だけビード高さが低くなることに起因する。
そこで、上記のようなビード積層部を有する積層造形物２５の積層計画を作成する際、溶着ビードの垂れ落ちを予測し、この垂れ落ちによる溶着ビードの形状変化を反映して積層計画を作成する。以下に、溶着ビードの垂れ落ちを考慮した積層造形物の積層計画の作成方法について説明する。
＜積層計画の作成＞
積層造形物を造形するためのビード形成パス及び溶接条件を設定した積層計画を作成するために、まず、積層造形物の３次元形状データに基づく目標形状を、溶着ビードに対応した形状の複数のビードモデルに分割する。
図３は、溶着ビードＢの形成方向に直交する断面におけるビードモデルＢＭの基本形状を示す概略説明図である。
基本形状のビードモデルＢＭは、ビード形成方向（図３の奥行き方向）に直交する断面において、ビード形成面４５（最下層ではベースプレート２３であり、上層では下層のビードモデルの上面）から盛り上がる残存部４７と、ビード形成面４５より下方に垂れ落ちる垂れ部４９とを有する。残存部４７は、模式的に点線で示す溶着ビードＢの断面形状に近似された多角形状であって、ここでは互いに平行な上辺５１と下辺５３と、一対の側辺５５，５７とを有する台形の領域となる。なお、ベースプレート２３上に形成される初層の溶着ビードについては、上記した垂れ落ちが生じないものとし、ビードモデルＢＭに垂れ部４９を設けない。
残存部４７の点Ｐ１－Ｐ２で示す下辺５３の長さｗは、点Ｐ３－Ｐ４で示す上辺５１の長さｕより長い。また、垂れ部４９は、残存部４７の下辺５３の両端Ｐ１，Ｐ２を含み、ビード形成面４５より下方に頂点Ｋが形成される１つ又は２つの三角形の領域である。図３においては、残存部４７の下辺５３の両端部に２つの垂れ部４９Ｒ，４９Ｌが配置されるが、積層形態によってはいずれか一方の端部にのみ垂れ部が配置されることもある。また、一対の垂れ部４９Ｌ，４９Ｒの三角形の面積は、それぞれ等しくしているが、異なる場合もある。これら場合については後述することにする。
図４は、溶着ビード同士が重なるビード積層部４１におけるビードモデルを示す概略説明図である。
ビード積層部４１では、ベースプレート２３に複数層の溶着ビードが積層される。これら複数層の溶着ビードを、ビード形成方向の垂直面でモデル化すると、初層の溶着ビードに対応するビードモデルＢＭ１の上にビードモデルＢＭ２，ＢＭ３，・・・，ＢＭｎ（ｎは溶着ビードの全層数を表す整数）が順次に積層されたモデルとなる。
初層のビードモデルＢＭ１には垂れ部が存在せず、２層目からのビードモデルＢＭ２，ＢＭ３，・・・，ＢＭｎには、それぞれ垂れ部４９Ｒ，４９Ｌが形成される。垂れ部４９Ｒ，４９Ｌの形状は、そのビードモデルの残存部４７における下辺５３の両端（図３のＰ１，Ｐ２）と、その下層に配置されたビードモデルの残存部４７における上辺５１の両端（図３のＰ３，Ｐ４に対応する。）の位置、側辺５５，５７及び、溶着ビードを形成する溶接条件に応じて決定される。
図５は、条件に応じてビードモデルの垂れ部の大きさが増減する様子を（Ａ），（Ｂ）で示す説明図である。
下層の溶着ビードの上に溶着ビードを積層した場合、上層の溶着ビードには下層に向けて垂れ下がる垂れ部を生じる。これをモデルで表すと、図５の（Ａ）に示すようになる。すなわち、下層のビードモデルＢＭｎ－１の上層にビードモデルＢＭｎを設けた場合に、上層のビードモデルＢＭｎに垂れ部４９Ｒ，４９Ｌが下方に延びて設けられる。
ここで、下層のビードモデルＢＭｎ－１における残存部４７の下辺をＱ１－Ｑ２とし、上辺をＱ３－Ｑ４する。また、上層のビードモデルＢＭｎにおける残存部４７の下辺をＰ１－Ｐ２とし、上辺をＰ３－Ｐ４とする。
この場合、垂れ部４９Ｌは、Ｐ１－Ｑ３を一辺とし、頂点を下層のビードモデルＢＭｎ－１における残存部４７の側辺５５（Ｑ３－Ｑ１）に沿って設定した三角形にする。垂れ部４９Ｒも同様に、Ｐ２－Ｑ４を一辺とし、頂点が下層のビードモデルＢＭｎ－１における残存部４７の側辺５７（Ｑ４－Ｑ２）に沿って設定した三角形にする。
垂れ部４９Ｌが採り得る最大の面積は、一辺であるＰ１－Ｑ３と、下辺５３の一端Ｑ１を頂点Ｋとする三角形の面積である。図５の（Ｂ）に示すように、頂点ＫがＱ１からＱ３に近くなるほど、垂れ部４９Ｌの面積が減少する。垂れ部４９Ｒも同様に、頂点ＫがＱ２の位置で採り得る最大の面積となり、頂点ＫがＱ２からＱ４に近くなるほど、垂れ部４９Ｒの面積が減少する。
ビードモデルＢＭｉ（ｉは溶着ビードの層数を表す整数）の断面積は、溶加材Ｍの供給量を一定とする溶接条件の下では同一に設定される。そうすると、図５の（Ａ）に示すビードモデルＢＭｉの断面積と、図５の（Ｂ）に示すビードモデルＢＭｉの断面積とは等しく、したがって、図５の（Ｂ）に示すビードモデルの残存部４７の高さｈｉは、図５の（Ａ）に示す高さｈｉより高くなる。このような垂れ部４９Ｒ，４９Ｌの形状及び面積は、溶接条件等によって変化する。
上記した垂れ部４９Ｒ，４９Ｌの形状及び面積を定量的に表すため、図５の（Ａ）に示す垂れ部４９Ｒ，４９Ｌの最大面積をＳｆｍａｘとし、図５の（Ｂ）に示す垂れ部４９Ｒ，４９Ｌの面積をＳｆとした場合の、ＳｆｍａｘとＳｆとの面積比を定量値とする。つまり、下層に垂れると予想される最大の三角形領域に対して、実際に垂れた領域の断面積が占める割合を充填率α［％］（＝Ｓｆ／Ｓｆｍａｘ×１００）と定義する。
充填率αは、溶接条件に応じて変化することが分かっている。以下、溶接条件を変化させた場合のそれぞれで、充填率αを求めた一例を説明する。
図６は、溶加材送給速度と溶接速度とをそれぞれ変化させて溶着ビードを積層した場合の各溶着ビードの予想プロファイルを示す説明図である。
溶加材送給速度をＶａ，１．２Ｖａ及び１．５Ｖａ、溶接速度をＶｂ，２Ｖｂ及び３Ｖｂ（溶加材供給速度：１．５Ｖａの場合のみ）のそれぞれの条件で、合計１１層を積層した場合の各溶着ビードの形状をシミュレーションにより予測した。
図６に示すように、溶加材送給速度がＶａの場合、溶接速度をＶｂから２Ｖｂに増加させると、溶着ビードのビード幅が狭くなるとともに、積層高さが低くなる。溶加材送給速度が１．２Ｖａ，１．５Ｖａの場合も同様である。
図７は、図６に示す各溶接条件において、溶着ビードを積層数毎のビード高さの変化を示す説明図である。
図７に示すビード高さは、１層目のビード高さを基準値（＝１）として、２層目以降のビード高さを１層目のビード高さに対する比率で示している。
層毎の溶着ビードのビード高さは、条件にもよるが、例えば３層以下の範囲では高くなる傾向があり、４層以上では略一定となる。この傾向は溶接速度が遅いほど顕著となる。一方、溶加材送給速度の違いによるビード高さの違いは殆ど見られない。また、溶加材送給速度が速いほど、溶着ビードの形状は安定しなくなる。このように、種々の溶接条件のうち、特に溶接速度に関しては、溶着ビードのビード高さとの相関を有することがわかる。
図８は、溶接速度に対する充填率の変化の様子を示すグラフである。
図８には、図６，図７に示す各溶接条件における３層目以降の溶着ビードの形状を、図３に示すビードモデルに近似させ、その近似させたビードモデルの垂れ部の充填率αを演算により求めた結果を示している。また、このグラフには、各溶接条件で求めた充填率αを最小自乗法により求めた近似曲線ＬＭを示している。図８によれば、溶接速度が速いほど、溶着ビードの垂れ量が少なくなり、充填率αが小さくなる。また、溶接速度が遅いほど、溶着ビードの垂れ量が多くなり、充填率αが大きくなる。
図８に示すような溶接速度に対する充填率の変化特性をデータベースに登録しておくことで、溶着ビード形成時の溶接速度が定まれば、この登録されたデータベースを参照して、溶接速度に対応する充填率αを簡単に求められる。
次に、ビードモデルの形状の算出式について説明する。
図９は、溶着ビードの形成方向に直交する断面における、上層のビードモデルＢＭｉと下層のビードモデルＢＭｉ－１の形状を示す説明図である。図９に示す記号の意味は次のとおりである。
Ｓ：上層のビードモデルＢＭｉの全断面積（残存部４７及び垂れ部４９Ｒ，４９Ｌを含む）
Ｓｅ：ビードモデルＢＭｉの残存部４７の面積
Ｓｆ：ビードモデルＢＭｉの垂れ部４９Ｒ，４９Ｌの合計面積
ｕｉ：ビードモデルＢＭｉの残存部４７の上辺５１の長さ
ｗｉ：ビードモデルＢＭｉの残存部４７の下辺５３の長さ
ｈｉ：ビードモデルＢＭｉの残存部４７の高さ
θｉ：ビードモデルＢＭｉの残存部４７の底角（下辺５３と側辺５５，５７とがなす角）
θｉ－１：ビードモデルＢＭｉ－１の残存部４７の底角（下辺５３と側辺５５，５７とがなす角）
ｈＲ：ビードモデルＢＭｉの垂れ部４９Ｒの高さ
ｈＬ：ビードモデルＢＭｉの垂れ部４９Ｌの高さ
ｗＲ：ビードモデルＢＭｉの垂れ部４９Ｒの幅
ｈＬ：ビードモデルＢＭｉの垂れ部４９Ｌの幅
この場合、垂れ部４９Ｒの充填率αＲ［％］と垂れ部４９Ｌとにおける充填率αＬ［％］は、それぞれ（１）式と（２）式で表せる。
Figure 2022071692000002
ここでは、充填率αＲとαＬとは等しいものとして、纏めてαとして表す（α＝αＲ＝αＬ）。
残存部の面積Ｓｅは、ビードモデルＢＭｎ全体の面積Ｓ及び垂れ部４９の面積Ｓｆから、（３）式で表せる。
Figure 2022071692000003
また、残存部４７の底角θｉとｗｉ，ｕｉ，ｈｉとは、（４）式の関係を有する。
Figure 2022071692000004
上記した（３）、（４）式からｎ層目の残存部４７における、上辺５１の長さｕｉと高さｈｉとは、（５）、（６）式で表せる。
Figure 2022071692000005
以上より、積層計画で溶着ビードを形成する溶接条件を決定した後、その溶接条件に応じた充填率αを前述したデータベースを参照して求め、得られた充填率αを溶着ビードの層数iに応じてαｉとして設定する。そして、積層計画から求められる既知のパラメータであるＳ，ｗｉ，ｔａｎθｉ－１、ｈｉ－１、及びＳｆ等から計算されるφ、ｗＲ，ｗＬ，ｈＲ，ｈＬの各値を求め、これらの各パラメータと、設定された充填率αｉとを（５）、（６）式に代入して、ビードモデルＢＭｉの残存部４７における上辺５１の長さｕｉ、高さｈｉ、を求める。これにより、ビードモデルＢＭｉの形状を、垂れ部４９Ｒ，４９Ｌに応じたより正確な高さ及び幅に決定できる。
図１０は、ビード積層部４１にビードモデルを適用する場合の溶着ビードＢの模式的な説明図である。
ここでは、積層造形物の目標形状６１を得るために、ベースプレート２３上に溶着ビードＢを複数層積層して、ビード積層部４１を造形する場合を例示する。
例えば、垂れの影響を考慮せずに目標形状６１を得る積層計画を作成した場合、５層の溶着ビードＢを積層すれば、目標形状の高さＨｂ以上の積層高さが計算上得られたとする。その場合、実際の溶着ビードＢには、前述した垂れ部４９が形成されるため、各層のビード高さｈ１～ｈ５は、生じた垂れの容積分だけビード高さが変化する。すると、５層の溶着ビードＢの高さを合計した積層高さＨａは、目標形状の高さＨｂより低くなる。この場合、ビード積層部４１を完全な形状に造形できない。
そのような場合に、積層高さＨｃが目標形状の高さＨｂより高くなるまで、溶着ビードＢａを追加する。つまり、最上層のビードモデルの更に上に新たなビードモデルを追加する。これにより、垂れが生じた場合でも確実に目標形状の高さＨｂを確保できる積層計画が得られる。
以上の積層計画の作成手順を纏めると、次のようになる。
図１１は、積層計画の作成手順を示すフローチャートである。
まず、積層造形物の３次元形状データを取得して、目標形状を設定する（Ｓ１）。
設定した目標形状をベースプレート上で積層造形することを想定し、目標形状を台形形状等の簡易ビードモデルに分割し、簡易ビードモデルの諸寸法と溶接条件とを決定する（Ｓ２）。
複数の簡易ビードモデルのうち、簡易ビードモデル同士が上下に重なるビード積層部４１でのビード形成時における溶加材の下層への垂れ落ち量を、溶着ビードの溶接条件に応じて予測する（Ｓ３）。ここでは、決定した簡易ビードモデルの配置と溶接条件とに応じて、前述した数式を用いて前層への垂れを求め、簡易ビードモデルの形状を、残存部４７と、垂れ部４９（存在しなモデルもある）とを有する図３に示すビードモデルＢＭの形状にする。
溶着ビードＢの溶着量は、溶接条件によらずに不変であることを制約条件とし、各ビードモデルＢＭの面積は一定とする。また、垂れ部４９の面積Ｓｆは、充填率αを用いて決定する。この充填率αは、溶接条件に応じて予め実験的に求めた充填率αのデータベースを参照して求める。充填率αのデータベースは、前述した図８に示すような溶接速度に応じた充填率αの関係を表す近似曲線の数式であってもよく、溶接速度と充填率αとの対応テーブルであってもよい。
予測した垂れ落ち量に応じてビード積層部４１におけるビードモデルそれぞれのビード高さを補正する（Ｓ４）。
次に、ビード積層部４１におけるビードモデルＢＭの各ビード高さを合計した積層高さＨａを求める（Ｓ５）。そして、求めた積層高さＨａが目標形状の高さＨｂよりも高いかを判断する（Ｓ６）。図１０に示すように、積層高さＨａが、目標形状の高さＨｂより低い場合には、目標形状の高さを超えるまで、少なくとも1つのビードモデルＢＭａを追加する（Ｓ７）。
そして、ビードモデルＢＭの積層高さＨｃが目標形状の高さＨｂを超えた場合に、新たに追加したビードモデルを含む全ビードモデルＢＭを用いて積層計画を作成する（Ｓ８）。作成した積層計画は、図１に示す積層造形装置１１の各部を駆動する駆動プログラムとして記憶部３５に記憶される。
このようにして作成された積層計画によれば、多層の溶着ビードが積層されるビード積層部４１において、ビード形成時に生じる垂れによって積層高さが変化する場合でも、ビードモデルが垂れを考慮して設定されるため、確実に目標形状の高さ以上の積層高さに造形できる。よって、垂れの影響を受けることなく高精度な積層造形が行える。
＜他のビードモデルの配列＞
次に、溶着ビードの種々の形態におけるビードモデルの配列を説明する。
図１２は、複数のビードモデルＢＭ１，ＢＭ２，ＢＭ３を複数列配置してブロック状にした態様を示すビードモデルの模式図である。
各ビードモデルＢＭ１，ＢＭ２，ＢＭ３は、隣接するビードモデル同士の間に重なり部を有して配列され、複数列のうち両端の列のビードモデルＢＭ１，ＢＭ２，ＢＭ３に垂れ部４９Ｒ，４９Ｌを設ける。この場合、両端の列より内側のビードモデルＢＭ１，ＢＭ２，ＢＭ３は、お互いに重なり部を有するため、垂れが生じてもビード高さは殆ど変化しない。しかし、両端の列のビードモデルＢＭ１，ＢＭ２，ＢＭ３は、垂れの影響を受ける。
そこで、特に垂れによる高さ変化が大きい両端の列のビードモデルＢＭ１，ＢＭ２，ＢＭ３にのみ垂れ部４９Ｒ，４９Ｌを設けて、垂れ部４９Ｒ，４９Ｌの大きさに応じて残存部４７の高さを補正する。これにより、部分的な高さ補正を実施するだけで済み、効率よく正確な積層計画を作成できる。
図１３の（Ａ），（Ｂ）は、オーバーハングを有する積層造形物の形状を複数のビードモデルＢＭに分割した態様を示すビードモデルの模式図である。
図１３の（Ａ）には、積層されるビードモデルＢＭ１，ＢＭ２，ＢＭ３が傾斜して積層され、上層に積層されるビードモデルの下辺５３の両端よりも内側に、下層のビードモデルの上辺５１が配置される場合を示す。この場合には、ビードモデルＢＭ２，ＭＢ３のそれぞれに、下辺５３の両端に垂れ部４９Ｒ，４９Ｌを設けて、残存部４７の高さを求めるようにする。
一方、図１３の（Ｂ）に示すように、上層に積層されるビードモデルの下辺５３の一方の端部が、下層のビードモデルの上辺５１の両端より内側に配置される場合には、上層に配置されるビードモデルの下辺５３の他方の端部側にのみ垂れ部（ここでは４９Ｌ）を設けて、残存部４７の高さを求めるようにする。
この場合においては、前述した（１）式、（４）式、及び（６）式の関係から、（７）式が得られる。
Figure 2022071692000006
そして、垂れ部４９Ｒ，４９Ｌを合計した面積Ｓｆは（８）式、（９）式で表せる。ここで、Ｓｆｐは、周囲のビードモデルとの重なり部６３の面積であり、Ｓｃは、隣接するビードモデルの間に生じた隙間部６５の面積である(後述の図１５参照)。
Figure 2022071692000007
図１４は、積層造形物がオーバーハングを有する場合のビードモデルを示す説明図である。図１５は、重なり部と隙間部とを示すビードモデルの説明図である。
（７）式、（８）式、（９）式を基本として、前述と同様に前述した（５）式、（６）式からビードモデルＢＭｉの残存部４７における上辺５１の長さｕｉ，高さｈｉ、を求める。これにより、垂れ部４９Ｒ，４９Ｌが互いに非対称又はいずれか一方のみが存在する場合でも、正確なビードモデルの形状を求めることができる。
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） 溶加材を溶融及び固化させた溶着ビードを積層して積層造形物を造形する際の、前記溶着ビードのビード形成パス及び溶接条件を設定した積層計画を作成する、積層計画作成方法であって、
前記積層造形物の３次元形状データから目標形状を設定する工程と、
設定された前記目標形状を前記溶着ビードに対応した形状の複数のビードモデルに分割する工程と、
前記複数のビードモデルのうち、前記ビードモデル同士が上下に重なるビード積層部でのビード形成時における前記溶加材の下層への垂れ落ち量を、前記溶着ビードの溶接条件に応じて予測する工程と、
予測した前記垂れ落ち量に応じて前記ビード積層部における前記ビードモデルそれぞれのビード高さを補正する工程と、
前記ビード高さが補正されたビードモデルを含む前記複数のビードモデルを用いて、前記積層造形物を造形する前記積層計画を作成する工程と、
を有する、積層計画作成方法。
この積層計画作成方法によれば、ビード積層部でのビード形成時に、溶加材が下層へ垂れ落ちる垂れ落ち量を溶着ビードの溶接条件に応じて予測することで、正確なビード高さを有するビードモデルを設定できる。これにより、垂れ落ちの影響を受けることなく、正確な積層高さが得られる積層計画を作成できる。
（２） 前記ビード高さを補正する工程は、前記垂れ落ち量を前記溶着ビードを形成する溶接速度に応じて補正する、（１）に記載の積層計画作成方法。
この積層計画作成方法によれば、垂れ落ち量との相関のある溶接速度に応じて垂れ落ち量を補正することで、ビードモデルのビード高さを正確に設定できる。
（３） 前記ビード形成時の溶接速度と、前記ビード形成時における前記溶加材の垂れ落ち量との関係を表す情報を含むデータベースを用意する工程を更に有し、
前記ビード高さを補正する工程は、前記データベースを参照して、前記ビード形成時の溶接速度に対応する前記垂れ落ち量を求め、前記ビードモデルのビード高さを、前記垂れ落ち量に応じた高さに補正する、（２）に記載の積層計画作成方法。
この積層計画作成方法によれば、垂れ落ち量を予め用意されたデータベースを参照して求めることで、効率良くビード高さを補正できる。
（４） 複数層にわたって積層される前記ビードモデルは、ビード形成方向に直交する断面において、ビード形成面から肉盛りされる領域を表す残存部と、前記ビード形成面より下方に垂れ落ちる垂れ領域を有する場合にのみ設けられる前記垂れ領域を表す垂れ部と、を有し、
前記残存部は、互いに平行な上辺及び下辺と、一対の側辺とを有し、前記下辺が前記上辺より長い台形形状の領域であり、
前記垂れ部は、ｉ層目の前記ビードモデルの前記残存部の下辺より下側に配置され、前記ｉ層目のビードモデルの下層に配置されたｉ－１層目のビードモデルの前記残存部における一方の側辺又は双方の側辺に沿って形成された１つ又は２つの三角形状の領域であり、
前記ｉ層目のビードモデルに対する、ビードモデル全面積をＳ、前記残存部の面積をＳe、前記垂れ部の合計面積をＳｆ、前記残存部の上辺の長さをｕｉ、下辺の長さをｗｉ、高さをｈｉ、底角をθｉとし、
ｉ－１層目の前記ビードモデルに対する、前記残存部の上辺の長さをｕｎ－１、下辺の長さをｗｉ－１、高さをｈｉ－１とし、
前記垂れ部が採り得る最大の合計面積に対する前記垂れ部の面積との比率をαとして、下記式を用いて前記ビードモデルの形状を決定する、（３）に記載の積層計画作成方法。
Figure 2022071692000008
この積層計画作成方法によれば、台形形状の残存部と三角形の垂れ部とを有するビードモデルを用いて、幾何学的な演算により正確なビード高さを予測できる。
（５） 前記ビードモデルが上下に重なるビード積層部が、オーバーハングして積層される場合には、
溶着ビードの形成方向に直交する断面において、
前記ビードモデルと周囲の他のビードモデルとの重なり部の面積をｆｐとし、
前記残存部の下辺の一端部に前記垂れ部が形成される場合に、当該垂れ部の三角形の底辺の長さをＷＲ、底辺から頂点までの高さをｈＲとし、
前記残存部の下辺の他端部に前記垂れ部が形成される場合に、当該垂れ部の三角形の底辺の長さをＷＬ、底辺から頂点までの高さをｈＬとし、
周囲ビードとの重なり部の面積をＳｆｐとし、
互いに隣接する前記残存部同士の間に形成される隙間面積をＳｃとしたとき、
下記式を用いて前記ｉ層目のビードモデルの形状を決定する、（４）に記載の積層計画作成方法。
Figure 2022071692000009
この積層計画作成方法によれば、溶着ビードがオーバーハングして斜めに積層された場合でも、正確なビード高さを求めることができる。
（６） 前記ビード積層部における前記ビード高さが補正された複数のビードモデルの積層高さが、前記ビード積層部に対応する前記目標形状の高さより低い場合に、前記目標形状の高さを超えるまで前記ビード積層部に前記ビードモデルを更に追加する、（４）又は（５）に記載の積層計画作成方法。
この積層計画作成方法によれば、垂れの影響により積層後のビード高さが予定した高さに満たなくなる場合でも、ビード高さが正確に予測できるため、溶着ビードを追加形成して、確実に必要とされる溶着ビードの積層高さにできる。
１１ 積層造形装置
１３ コントローラ
１５ 電源装置
１７ トーチ
１９ 溶接ロボット
２１ 溶加材供給部
２３ ベースプレート
２５ 積層造形物
３１ ＣＡＤ／ＣＡＭ部
３３ 軌道演算部
３５ 記憶部
３７ 制御部
４１ ビード積層部
４５ ビード形成面
４７ 残存部
４９ 垂れ部
５１ 上辺
５３ 下辺
５５ 側辺
５７ 側辺
６１ 目標形状
６３ 重なり部
６５ 隙間部
１００ 積層造形物の製造装置

Claims (6)

  1. 溶加材を溶融及び固化させた溶着ビードを積層して積層造形物を造形する際の、前記溶着ビードのビード形成パス及び溶接条件を設定した積層計画を作成する、積層計画作成方法であって、
    前記積層造形物の３次元形状データから目標形状を設定する工程と、
    設定された前記目標形状を前記溶着ビードに対応した形状の複数のビードモデルに分割する工程と、
    前記複数のビードモデルのうち、前記ビードモデル同士が上下に重なるビード積層部でのビード形成時における前記溶加材の下層への垂れ落ち量を、前記溶着ビードの溶接条件に応じて予測する工程と、
    予測した前記垂れ落ち量に応じて前記ビード積層部における前記ビードモデルそれぞれのビード高さを補正する工程と、
    前記ビード高さが補正されたビードモデルを含む前記複数のビードモデルを用いて、前記積層造形物を造形する前記積層計画を作成する工程と、
    を有する、積層計画作成方法。
  2. 前記ビード高さを補正する工程は、前記垂れ落ち量を前記溶着ビードを形成する溶接速度に応じて補正する、
    請求項１に記載の積層計画作成方法。
  3. 前記ビード形成時の溶接速度と、前記ビード形成時における前記溶加材の垂れ落ち量との関係を表す情報を含むデータベースを用意する工程を更に有し、
    前記ビード高さを補正する工程は、前記データベースを参照して、前記ビード形成時の溶接速度に対応する前記垂れ落ち量を求め、前記ビードモデルのビード高さを、前記垂れ落ち量に応じた高さに補正する、
    請求項２に記載の積層計画作成方法。
  4. 複数層にわたって積層される前記ビードモデルは、ビード形成方向に直交する断面において、ビード形成面から肉盛りされる領域を表す残存部と、前記ビード形成面より下方に垂れ落ちる垂れ領域を有する場合にのみ設けられる前記垂れ領域を表す垂れ部と、を有し、
    前記残存部は、互いに平行な上辺及び下辺と、一対の側辺とを有し、前記下辺が前記上辺より長い台形形状の領域であり、
    前記垂れ部は、ｉ層目の前記ビードモデルの前記残存部の下辺より下側に配置され、前記ｉ層目のビードモデルの下層に配置されたｉ－１層目のビードモデルの前記残存部における一方の側辺又は双方の側辺に沿って形成された１つ又は２つの三角形状の領域であり、
    前記ｉ層目のビードモデルに対する、ビードモデル全面積をＳ、前記残存部の面積をＳe、前記垂れ部の合計面積をＳｆ、前記残存部の上辺の長さをｕｉ、下辺の長さをｗｉ、高さをｈｉ、底角をθｉとし、
    ｉ－１層目の前記ビードモデルに対する、前記残存部の上辺の長さをｕｎ－１、下辺の長さをｗｉ－１、高さをｈｉ－１とし、
    前記垂れ部が採り得る最大の合計面積に対する前記垂れ部の面積との比率をαとして、下記式を用いて前記ビードモデルの形状を決定する、
    請求項３に記載の積層計画作成方法。
    Figure 2022071692000010
  5. 前記ビード積層部が、オーバーハングして積層される場合には、
    前記溶着ビードの形成方向に直交する断面において、
    前記ビードモデルと周囲の他のビードモデルとの重なり部の面積をｆｐとし、
    前記残存部の下辺の一端部に前記垂れ部が形成される場合に、当該垂れ部の三角形の底辺の長さをＷＲ、底辺から頂点までの高さをｈＲとし、
    前記残存部の下辺の他端部に前記垂れ部が形成される場合に、当該垂れ部の三角形の底辺の長さをＷＬ、底辺から頂点までの高さをｈＬとし、
    周囲ビードとの重なり部の面積をＳｆｐとし、
    互いに隣接する前記残存部同士の間に形成される隙間面積をＳｃとしたとき、
    下記式を用いて前記ｉ層目のビードモデルの形状を決定する、
    請求項４に記載の積層計画作成方法。
    Figure 2022071692000011
  6. 前記ビード積層部における前記ビード高さが補正された複数のビードモデルの積層高さが、前記ビード積層部に対応する前記目標形状の高さより低い場合に、前記目標形状の高さを超えるまで前記ビード積層部に前記ビードモデルを更に追加する、
    請求項４又は５に記載の積層計画作成方法。
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