JP6587028B1 - 積層造形方法および積層造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】積層構造物を形成する技術を提供する。【解決手段】供給装置２は、金属板材を積層接合体上に配置し、接合装置３は、金属板材および積層接合体を加熱して接合する。加工装置４は、積層接合体に接合された一層または複数層の金属板材を加工して、一層または複数層を積み上げた積層接合体を形成する。加工装置４の第１加工機能５は、金属板材を、積層構造物３２の部分形状を形成するように切削する。加工装置４の第２加工機能６は、金属板材を表面仕上げする。第１加工機能５は、部分形状の範囲外の領域であって、部分形状に連なる領域を残すように、金属板材を切削する。【選択図】図１

Description

本開示は、金属板材の積層および加工を一層または複数層ごとに繰り返して、積層構造物を形成する積層造形方法および積層造形装置に関する。

摩擦撹拌接合（Friction Stir Welding : FSW）は、専用ツールを高速回転させながら金属材料である母材に挿入し、発生する摩擦熱により母材を軟化させ、回転力によってツール挿入箇所付近の母材を塑性流動させて混ぜ合わせることで、複数の金属部材を接合する技術である。摩擦撹拌接合は、一般に突合せ継手に適用されるが、重ね継手にも適用される。

特許文献１は、デジタル情報として表現されている立体形状を、平行な複数の仮想的な平面で切断した断面形状の集合として表現し、摩擦撹拌接合を用いて板材を積み上げた立体物を形成する加工装置を開示する。特許文献１の加工装置は、除去加工手段によって、板材から断面形状に含まれない不要部を除去する。続いて加工装置は、不要部を除去した板材に新たな板材を摩擦撹拌接合し、除去加工手段によって、新たな板材から、次の断面形状に含まれない不要部を除去する。特許文献１の加工装置は、積層工程、加工工程を必要回数繰り返すことで、立体物を形成する。

特開２００６−１２３１５４号公報

特許文献１に開示されるように、摩擦撹拌接合により金属板材を積層する工程と、積層した金属板材を所望の断面形状に加工する工程とを繰り返し実行することで、所望の全体形状をもつ積層構造物を形成できる。しかしながら、この積層造形技術を実用化するためには様々な工夫、改善が必要である。

本開示はこうした状況に鑑みてなされており、その目的とするところは、積層構造物を適切に形成するための技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の積層造形方法は、積層構造物を形成する積層造形方法であって、金属板材を積層接合体上に配置する第１工程と、金属板材および積層接合体を加熱して接合する第２工程と、積層接合体に接合された一層または複数層の金属板材を加工して、一層または複数層を積み上げた積層接合体を形成する第３工程とを、含み、第３工程で形成される積層接合体が積層構造物となるまで、第１工程から第３工程を繰り返し実行する。第３工程は、金属板材を、積層構造物の部分形状を形成するように切削する切削工程を含む。切削工程は、次回以降の第２工程のために部分形状の範囲外の領域であって、部分形状に連なる領域を残すように、金属板材を切削する。

本発明の別の態様は、積層構造物を形成する積層造形装置である。積層造形装置は、金属板材を積層接合体上に配置する供給装置と、金属板材および積層接合体を加熱して接合する接合装置と、積層接合体に接合された一層または複数層の金属板材を加工して、一層または複数層を積み上げた積層接合体を形成する加工装置とを備える。加工装置は、金属板材を、積層構造物の部分形状を形成するように切削する第１加工機能と、金属板材を表面仕上げする第２加工機能とを有する。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本開示の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本開示の態様として有効である。

本開示によれば、積層構造物を適切に形成するための技術を提供できる。

積層造形装置の機能ブロックを示す図である。 接合方式を説明するための図である。 基本的な積層造形手順を説明するためのフローチャートである。 円柱を積層造形する様子を示す図である。 実施例１における第３工程を説明するための図である。 実施例２において解決するべき問題を説明するための図である。 実施例２における第３工程を説明するための図である。 接合軌跡を説明するための図である。 互いに重なる接合軌跡を示す図である。 積層造形装置の利用態様を示す図である。

図１は、実施形態の積層造形装置１の機能ブロックを示す。積層造形装置１は、金属板材の積層および加工を一層または複数層ごとに繰り返して、所望の全体形状をもつ積層構造物３２を形成する。積層造形装置１は、供給装置２、接合装置３および加工装置４を備える。積層造形装置１は、ＮＣ工作機械であってよい。実施形態において「積層構造物」は積層造形手法による最終的な完成品を意味し、完成品の手前の段階の造形物を「積層接合体」と呼ぶ。

積層構造物３２は、テーブル１０に固定されたベース２０上に金属板材を積層、加工することで形成される。テーブル１０は可動式であっても、固定式であってもよい。ベース２０は、たとえば積層される金属板材よりも厚い金属板材であり、テーブル１０にボルト等により固定される。ベース２０は最終的に積層構造物の一部を構成してもよい。供給装置２は、積層用の金属板材を積層接合体上に配置して仮固定し、接合装置３は、金属板材および積層接合体を加熱して接合する。実施形態の接合装置３は、金属板材と積層接合体とを摩擦攪拌接合するが、他の方式の接合処理を行ってもよい。

以下、実施形態の積層造形装置１に適用可能な接合方式の具体例を示す。以下に示す接合方式は、いずれも金属板材を母材として加熱し接合する点で共通する。
図２（ａ）は、摩擦攪拌接合の様子を示す模式図である。金属板材２２ｂは、積層接合体である金属板材２２ａ上に配置されて、仮固定される。ここでは接合対象となる２層のみを示しているが、金属板材２２ａの下層には、既に接合された１以上の金属層が存在してよい。接合装置３は、金属板材２２ｂが金属板材２２ａ上に配置されて仮固定された状態で、金属板材２２ｂの上方から接合処理を実施する。

摩擦攪拌接合では、積層した金属板材２２ａ、２２ｂに、ＦＳＷツールと呼ばれる接合ツール２４を高速回転させながら挿入し、接合ツール２４または金属板材２２ａ、２２ｂを載置したテーブル１０の少なくとも一方を接合方向に動かす。ＦＳＷツールは、ショルダ面と、ショルダ面の中心から突設するプローブとを有し、プローブは、金属板材２２ｂを貫通して、金属板材２２ａの一部にまで挿入され、高速回転する。プローブとショルダ面の回転による摩擦熱により金属板材２２ａ、２２ｂが軟化し、回転力によって挿入箇所付近の母材が塑性流動して混ぜ合わさることで、金属板材２２ａ、２２ｂが固相接合する。ＦＳＷツールのショルダ面は、軟化した母材の盛り上がりを抑える役割も併せもつ。

図２（ｂ）は、電子ビーム溶接の様子を示す模式図である。電子ビーム溶接では、積層した金属板材２２ａ、２２ｂに、電子ビーム発生装置２４ａが発生する電子ビームを衝突させながら、電子ビーム発生装置２４ａまたは金属板材２２ａ、２２ｂを載置したテーブル１０の少なくとも一方を接合方向に動かす。電子ビーム溶接では、電子ビームが衝突することで発生する熱エネルギにより金属板材２２ａ、２２ｂが溶接される。

図２（ｃ）は、レーザ溶接の様子を示す模式図である。レーザ溶接では、積層した金属板材２２ａ、２２ｂに、レーザ発生装置２４ｂが発生するレーザビームを集光した状態で照射させながら、レーザ発生装置２４ｂまたは金属板材２２ａ、２２ｂを載置したテーブル１０の少なくとも一方を接合方向に動かす。レーザ溶接では、レーザビームが照射されることで発生する熱エネルギにより金属板材２２ａ、２２ｂが溶接される。

図２（ｄ）は、プラズマ溶接の様子を示す模式図である。プラズマ溶接では、積層した金属板材２２ａ、２２ｂとプラズマ発生装置２４ｃとの間にプラズマアークを発生させた状態で、プラズマ発生装置２４ｃまたは金属板材２２ａ、２２ｂを載置したテーブル１０の少なくとも一方を接合方向に動かす。プラズマ溶接では、プラズマアークによる熱エネルギにより金属板材２２ａ、２２ｂが溶接される。
なおプラズマ溶接は、アーク溶接の一種であるが、電極を溶融させない非消耗電極式のティグ溶接も、積層造形装置１における接合装置３の接合方式として利用できる。

以上のように接合装置３は、金属板材２２ｂおよび積層接合体（図２に示す例では、金属板材２２ａ）を母材とする様々な接合方式で、接合処理を行ってよい。実施形態では、摩擦攪拌接合（図２（ａ）参照）を採用する。接合装置３は、先端にＦＳＷツールである接合ツール２４を取り付けた回転主軸を備え、後述する接合プログラムが算出する軌跡に応じて回転主軸を積層構造体に対して相対的に動かす機能をもってよい。

加工装置４は、積層接合体に接合された一層または複数層の金属板材を加工して、一層または複数層を積み上げた積層接合体を形成する。加工装置４は、積み上げられた一層または複数層の金属板材を、積層構造物の部分形状を形成するように切削する第１加工機能５と、一層ごとに接合された金属板材を表面仕上げして表面を平坦にする第２加工機能６とを含む。第１加工機能５および第２加工機能６は同じ工具を使用してよいが、異なる工具を使用してよい。加工装置４は、先端に各種工具を取り付け可能な回転主軸を有し、後述する加工プログラムが算出する軌跡に応じて工具を積層構造体に対して相対的に動かす機能をもってよい。

第１加工機能５は、第２加工機能６により表面仕上げされた金属板材を一層ごとに切削してもよいが、接合された複数層の金属板材をまとめて切削してもよい。複数層の金属板材をまとめて切削することで、工程時間の短縮化を実現できる。なお第１加工機能５は複数種類の切削工具を使用して、一層または複数層の金属板材を加工してよい。

積層造形装置１において、供給装置２による金属板材の供給工程、接合装置３による接合工程、および加工装置４による加工工程は、それぞれ金属板材供給プログラム、接合プログラムおよび加工プログラムによって制御、管理される。積層造形装置１では、最終的な造形品である積層構造物の３次元形状データを、平行な複数の仮想平面で切断して、スライスした複数の部分的な断面形状を算出し、メモリに記憶しておく。この部分的な断面形状（以下、「部分形状」とも呼ぶ）は、一層分の金属板材によって形成される形状であり、各層の接合工程、加工工程における目標形状となる。部分形状は板厚を有して、板厚方向に変化する複数の断面形状を含んでよい。複数の断面形状は、板厚方向において所定の間隔で算出されてよい。

接合プログラムは、積層接合体上に配置された金属板材の部分形状をメモリから読み出し、所定のアルゴリズムにしたがって接合箇所を定めて、接合ツール２４の相対的な軌跡を算出する。回転主軸に取り付けられた接合ツール２４は、算出された軌跡にしたがって金属接合体に対して相対的に動かされ、金属板材と積層接合体との接合処理が実施される。

加工プログラムは、積層接合体に接合された金属板材の部分形状をメモリから読み出し、金属板材を、表面仕上げしつつ、当該部分形状を形成するように切削する切削工具の軌跡を算出する。後述するが、実施形態の加工プログラムは、次回以降の接合工程のために当該部分形状の範囲外の領域であって、当該部分形状に連なる領域を残すように、切削工具の軌跡を算出する。そのため加工プログラムは、次回以降の接合工程における接合軌跡を知る必要があり、逆に接合プログラムは、前回以前の切削工程において残されている部分形状の範囲外の領域を知る必要がある。また加工プログラムは、次回以降の接合工程のために残した部分形状の範囲外の領域を後の切削工程（次回以降であって、多くの層が積み上げられて切削工具による加工が困難になる前の切削工程）で削り取るために、その領域を後の切削工程まで覚えておく必要がある。

積層造形装置１において、加工プログラムおよび接合プログラムは、両者を連携させる統合プログラムによって管理され、統合プログラムの指示により、切削する領域および接合する領域をそれぞれ算出してよい。回転主軸に取り付けられた切削工具は、算出された軌跡にしたがって動かされ、金属板材の表面仕上げを行い、金属板材を部分形状となるように切削する。

実施形態の積層造形装置１は各層ごとの部分形状に応じて、金属板材の配置工程、接合工程、加工工程を実施し、積層接合体を一層ずつ積み上げていく。なお積層造形装置１は効率化を目的として、金属板材の配置工程、接合工程および表面仕上げ工程を複数層にわたり連続して実施し、複数層の金属板材に対して切削工程を実施してもよい。各種プログラムによる計算は、積層構造物の形成中に実行されてよいが、造形開始前に実行してもよい。

図３は、基本的な一層ごとの積層造形手順を説明するためのフローチャートである。供給装置２が金属板材を積層接合体上に配置する（第１工程：Ｓ１）。次に接合装置３が、金属板材および積層接合体を加熱して接合する（第２工程：Ｓ２）。続いて加工装置４が、積層接合体に接合された金属板材を加工して、一層積み上げた積層接合体を形成する（第３工程：Ｓ３）。第３工程で形成される積層接合体が積層構造物となるまで（Ｓ４のＮ）、第１工程から第３工程は繰り返し実行され、積層構造物が完成すると（Ｓ４のＹ）、積層造形は終了する。

基本的な積層造形手順の様子を、図４（ａ）〜（ｊ）を用いて説明する。図４（ａ）〜（ｊ）は、円柱を積層造形する様子を示す。
図４（ａ）は、ベース２０を示す。図１に示すように、ベース２０はテーブル１０に固定される。
図４（ｂ）は、供給装置２がベース２０上に金属板材２２ａを配置した状態を示す。金属板材２２ａは、この後、加工されることで（図４（ｅ）参照）、積層構造物３２の１層目を構成する。金属板材２２ａは位置ずれしないように、ベース２０に仮固定される。金属板材２２ａは、たとえば接着剤や、ボルトによって仮固定されてよい。なお供給装置２が金属板材２２ａをベース２０に対してずれることがないように仮固定してもよい。
図４（ｃ）は、接合装置３が接合ツール２４を用いて、金属板材２２ａおよびベース２０を接合する様子を示す。接合箇所２６ａは、最終的な積層構造物である円柱の１層目の部分形状に合わせて接合された箇所である。接合箇所２７ａは、外枠３４ａをベース２０に固定するために接合された箇所である。なお外枠３４ａは、部分形状を構成するものではないため、積層構造物３２が形成された後に除去される。
図４（ｄ）は、加工装置４が加工ツール２８を用いて、金属板材２２ａの表面仕上げを行っている様子を示す。図４（ｃ）に示す接合処理により、金属板材２２ａの表面は荒れているため、加工装置４の第２加工機能６が、荒れた表面を薄く削り、平面を創生する。

図４（ｅ）は、加工装置４が加工ツール３０を用いて、接合した金属板材２２ａのうち、積層構造物３２の１層目の部分形状３１ａと、サポート部材となる外枠３４ａを残し、その他の不要部分を切削して除去する様子を示す。なお加工装置４は、図４（ｄ）に示す加工ツール２８を用いて切削工程を行ってもよく、また別の加工ツールを用いて切削工程を行ってもよい。この例で外枠３４ａは、次回（次の層）の金属板材２２ｂを配置する工程で、金属板材２２ｂを位置決め、仮固定するために残される。なお積層構造体が高剛性で、かつ部分形状３１ａが金属板材２２ｂを十分に支持できる程度に広ければ、外枠３４ａは存在しなくてよく、接合箇所２７ａで接合する工程は省略されてよい。
以上の図４（ｂ）〜図４（ｅ）が、１層目の造形手順を示し、ベース２０に積層された部分形状３１ａは、積層接合体３６ａを構成する。

図４（ｆ）は、供給装置２が金属板材２２ａ上に金属板材２２ｂを配置した状態を示す。金属板材２２ｂは、この後、加工されることで（図４（ｉ）参照）、積層構造物３２の２層目を構成する。金属板材２２ｂは、金属板材２２ａの外枠３４ａにより位置決めされ、仮固定される。
図４（ｇ）は、接合装置３が接合ツール２４を用いて、金属板材２２ｂおよび金属板材２２ａを接合する様子を示す。接合箇所２６ｂは、円柱の２層目の部分形状に合わせて１層目の部分形状３１ａに接合された箇所であり、接合箇所２７ｂは、外枠３４ｂを外枠３４ａに固定するために接合された箇所である。
図４（ｈ）は、加工装置４が加工ツール２８を用いて、金属板材２２ｂの表面仕上げを行っている様子を示す。
図４（ｉ）は、加工装置４が加工ツール３０を用いて、接合した金属板材２２ｂのうち、積層構造物３２の２層目の部分形状３１ｂと、サポート部材となる外枠３４ｂを残し、その他の不要部分を切削して除去する様子を示す。
以上の図４（ｆ）〜図４（ｉ）が、２層目の造形手順を示し、部分形状３１ｂが積層接合体３６ａに積層されることで、一層積み上げた新たな積層接合体３６ｂが形成される。

このように第１工程から第３工程を、積層接合体が、最終的な積層構造物３２となるまで繰り返す。
図４（ｊ）は、最終的な積層構造物３２である円柱を示す。第１工程から第３工程を繰り返し実行し、サポート部材として積み上げられた外枠を除去することで、積層造形装置１は、所望の形状の積層構造物３２を形成できる。

以上は、基本的な積層造形手順であるが、本開示者は、母材を加熱する接合方式を採用した積層造形技術を実施するにあたり、実用化に向けて様々な問題が存在することを認識した。以下に示す実施例において、積層造形法で生じうる問題点および対策について説明する。

＜実施例１＞
積層造形装置１では、接合装置３が接合ツール２４を用いて金属板材同士を摩擦撹拌接合するため、接合終端部に、接合ツール２４を引き抜いたときの穴が残る。なお図２（ｂ）〜（ｄ）に関して説明した電子ビーム溶接、レーザ溶接、プラズマ溶接、ティグ溶接でも、同様に接合終端部に穴が残る。この穴が積層構造物３２内に残留すると、空孔状の欠陥となり好ましくない。そのため接合装置３による接合の終端部は、積層構造物３２の部分形状の範囲外に位置するように、接合プログラムにより接合軌跡が設定される必要がある。実施例１において加工装置４の第１加工機能５は、次回以降の第２工程（接合工程）のために部分形状の範囲外の領域であって、部分形状に連なる領域を残すように、金属板材を切削する。

図５（ａ）〜（ｄ）は、実施例１における第３工程を説明するための図である。
図５（ａ）は、加工装置４が加工ツール３０を用いて、金属板材２２ｄのうち、積層構造物３２の部分形状３１ｄと、サポート部材となる外枠３４ｄと、部分形状３１ｄの範囲外の領域であって、且つ部分形状３１ｄに連なる領域である接合終端領域４０ｄを残し、その他の不要部分を切削して除去した状態を示す。部分形状３１ｄは、積層接合体３６ｄの最上層の形状を構成する。

加工装置４の第１加工機能５は、部分形状３１ｄの範囲外の領域であって、次回以降の第２工程で予定されている接合処理の終端位置を含む接合終端領域４０ｄを残すように、金属板材２２ｄを切削する。接合終端領域４０ｄは、部分形状３１ｄの範囲外であるため、本来は不要な部分であり、残されるべきものではないが、後述する次回以降の第２工程（接合工程）における接合ツール２４の退避箇所として、今回の第３工程（切削工程）により残される。なお接合終端領域４０ｄは、次回以降の第２工程で予定されている部分形状３１ｅの範囲外における接合処理の軌跡を含む領域に設定される。

図５（ｂ）は、供給装置２が積層接合体３６ｄ上に金属板材２２ｅを配置した状態を示す。金属板材２２ｅは、金属板材２２ｄの外枠３４ｄにより位置決めされ、仮固定される。

図５（ｃ）は、接合装置３が接合ツール２４を用いて、金属板材２２ｅおよび積層接合体３６ｄを接合した状態を示す。接合軌跡４２は、始端位置４２ａから終端位置４２ｂまで、接合ツール２４が摩擦撹拌接合した金属板材２２ｅ上の経路を表現する。終端位置４２ｂには、接合ツール２４の引き抜いた穴が形成される。この例の接合軌跡４２は、接合ツール２４が渦巻き線状に動かされた状態を示しているが、他の経路で接合処理が実施されてもよい。

今回の第２工程（接合工程）において、接合装置３は、部分形状３１ｅ上の位置で接合処理を終了するのではなく、部分形状３１ｅの範囲を超えた終端位置４２ｂで接合処理を終了する。これにより接合ツール２４の引き抜き穴を、部分形状３１ｄの範囲内ではなく、部分形状３１ｄの範囲外の位置とすることができる。

前回の第３工程（切削工程）で、接合終端領域４０ｄを残しておいたことにより、今回の第２工程で接合装置３は、接合終端領域４０ｄ上の位置で接合処理を終了できる。なお実施例１で外枠３４ｅは接合終端領域４０ｄとして利用されてよく、接合処理の終了位置は外枠３４ｅ上の位置であってもよい。実施形態の接合処理では、プローブ長さは金属板材２２ｅの厚さよりも長いため、下層に接合終端領域４０ｄが存在しない金属板材２２ｅでは、プローブが金属板材２２ｅから突き出るため、好ましくない。そこで前回以前の切削工程で、今回の第２工程で予定されている部分形状３１ｅの範囲外における接合処理の軌跡を含む接合終端領域４０ｄを残しておくことで、今回の第２工程における部分形状３１ｅの範囲外での接合終了処理を好適に実施できるようになる。

図５（ｄ）は、加工装置４が加工ツール３０を用いて、接合した金属板材２２ｅのうち、積層構造物３２の部分形状３１ｅと、サポート部材となる外枠３４ｅと、次回以降の第２工程で予定されている接合処理の軌跡を含む接合終端領域４０ｅを残すように、金属板材２２ｅを切削した状態を示す。接合終端領域４０ｅは、次回以降の第２工程（接合工程）における接合ツール２４の退避箇所として、今回の第３工程において残される。

今回の第３工程において残される接合終端領域４０ｅは、前回の第３工程において残されていた接合終端領域４０ｄと、積層方向において重ならない位置に設けられる。これにより、今回の第３工程において、前回の第３工程で残した不要部分である接合終端領域４０ｄを切削して除去できる。仮に接合終端領域４０ｄと接合終端領域４０ｅとを、常に積層方向において重なる位置に設けると、最終的な積層構造物３２が形成されるとき、接合終端領域も積層構造物３２と同じ高さに積み上げられることになる。そのとき接合終端領域を切削して除去するためには、長い突き出し工具を必要とするが、容易に除去できないことも生じうる。そこで、今回の第３工程において残す接合終端領域４０ｅと、前回の第３工程において残す接合終端領域４０ｄとを、積層方向に重ならない位置に設計することで、前回の接合終端領域４０ｄを、今回以降の第３工程における切削工程において除去できるようにする。

なお接合終端領域４０ｅは、前回以前の第３工程において残されていた接合終端領域と、積層方向において重ならない位置に設けられてよい。前回以前の第３工程において残されていた接合終端領域は、少なくとも前回の第３工程において残されていた接合終端領域を含み、さらに前回より前の第３工程において残されていた接合終端領域を含んでよい。

なお第３工程では、金属板材２２ｅを切削した部分形状３１ｅを含む積層接合体が低剛性の場合に、切削時の加工力により部分形状３１ｅを含む積層接合体に変形や振動が生じる可能性がある。そのため接合終端領域４０ｄは、外枠３４ｄと部分形状３１ｄとを繋ぐように形成され、金属板材２２ｅを切削する際の強度を確保するための補強領域としての機能をもたせてよい。接合終端領域４０ｄを、次回の第３工程における補強領域としても利用することで、積層構造物３２を高精度に形成できるようになる。なお接合終端領域４０ｄは、次回の第２工程である接合工程においても補強領域として役立つ。

なお次回の第２工程および第３工程における強度確保のために、今回の第３工程では、接合終端領域４０ｄに限らず、外枠３４ｄと部分形状３１ｄとを繋ぐ補強領域を、複数残すように金属板材２２ｄを切削してもよい。なお次回の第３工程において残される補強領域と、今回の第３工程において残される補強領域とは、積層方向において重ならない位置に設けられ、したがって次回の第３工程において、今回の第３工程で残した不要部分である補強領域は切削して除去されてよい。

＜実施例２＞
積層造形装置１では、接合装置３が接合ツール２４を用いて金属板材同士を摩擦撹拌接合する。接合装置３が積層接合体の外周付近を摩擦撹拌接合するとき、撹拌部分を積層接合体の外周部分が保持できず、既に形成された部分形状の範囲外に母材が流れ出ることがある。なお図２（ｂ）〜（ｄ）に関して説明した電子ビーム溶接、レーザ溶接、プラズマ溶接、ティグ溶接でも、積層接合体の外周付近の接合時には、同様に母材が部分形状の範囲外に流れ出ることがある。このとき積層接合体の外周が、設計形状から外れるという問題が発生するだけでなく、材料が不必要な部分に流れ出ることで、上層の金属板材で材料不足が発生し、金属板材に溝状欠陥が生じてしまう。

図６（ａ）〜（ｃ）は、実施例２において解決するべき問題を説明するための図である。
図６（ａ）は、接合装置３が、金属板材２２ｇと積層接合体３６ｆの外周付近を摩擦撹拌接合する様子を示す。前回の第３工程において、積層接合体３６ｆの最上層は、部分形状３１ｆに既に形成された状態にある。
図６（ｂ）は、摩擦撹拌接合により部分形状３１ｆの側方に材料が流れ出た様子を示す。この例では、部分形状３１ｆの輪郭を構成する外周部分が軟化した結果、材料が側方に流れ出て広がり部分４４が形成されている。
図６（ｃ）は、広がり部分４４に流れ出た材料により金属板材２２ｇに生じた溝状欠陥４５を示す。

以上のように、積層接合体３６ｆの外周付近を摩擦撹拌接合すると、部分形状３１ｆの側方に材料が流れ出し、その結果、部分形状３１ｆが設計形状から外れ、広がり部分４４に流れ出た材料が不足したことによる溝状欠陥４５が金属板材２２ｇに発生する。この状況を回避するためには、部分形状３１ｆの側方への材料の流れ出しを抑える必要がある。そこで実施例２における加工装置４の第１加工機能５は、次回以降の第２工程（接合工程）のために部分形状３１ｆの範囲外の領域であって、部分形状３１ｆに連なる領域を残すように、金属板材を切削する。

図７（ａ）は、積層接合体３６ｆの最上層の部分形状３１ｆの側方に余肉領域４６ｆを残した状態を示す。加工装置４の第１加工機能５は、部分形状３１ｆを形成するための金属板材を切削加工する際、部分形状３１ｆの範囲外の領域であって、部分形状３１ｆの輪郭の外側の余肉領域４６ｆを残すように金属板材を切削しておく。

部分形状３１ｆの側方に余肉領域４６ｆが存在することで、接合ツール２４が積層接合体３６ｆの外周付近を摩擦撹拌接合するとき、余肉領域４６ｆがストッパとなり、部分形状３１ｆの側方への材料の流れ出しを抑えられる。そのため金属板材２２ｇにおける材料不足が解消され、金属板材２２ｇに溝状欠陥４５が発生する事態を回避できる。

図７（ｂ）は、加工装置４が加工ツール３０を用いて、金属板材２２ｇのうち、部分形状３１ｇの外側の余肉領域４６ｇを残すように金属板材２２ｇを切削しつつ、前回の第３工程において残されていた余肉領域４６ｆを除去する様子を示す。ここで余肉領域４６ｆを除去するための加工ツール３０は、たとえばＴスロットカッタを使用する。金属板材２２ｇの切削には、たとえば図４（ｄ）に示した加工ツール２８のような円柱状工具を使用してよい。このように加工装置４は、複数の種類の加工ツールを用いて、切削工程を実施してよい。実施例２では、部分形状の輪郭の外側に余肉領域４６ｇを設けることで、次回の第２工程で積層接合体３６ｇの外周付近を摩擦撹拌接合する際に、部分形状３１ｇの側方に材料が流れ出す状況を抑制する。

なお加工装置４は、部分形状の範囲外の領域であって、部分形状の輪郭の外側の余肉領域を残すように金属板材を切削しつつ、前回以前の第３工程で残されていた余肉領域を除去してよい。前回以前の第３工程で残されていた余肉領域は、少なくとも前回の第３工程において残されていた余肉領域を含み、さらに前回より前の第３工程において残されていた余肉領域を含んでよい。

上記したように実施例１、２で説明した技術は、接合装置３が摩擦撹拌接合を行う場合だけでなく、他の接合方式、たとえば電子ビーム溶接、レーザ溶接、プラズマ溶接、ティグ溶接などを利用する場合にも適用できる。

＜実施例３＞
積層造形装置１では、接合装置３が接合ツール２４を用いて金属板材同士を摩擦撹拌接合する。接合したい部分形状の幅が接合ツールの幅に比べて広い場合、金属板材同士をより強固に接合するためには、接合装置３が接合ツール２４を、金属板材の部分形状の全面にわたり動かす必要がある。本開示者は、接合ツール２４と金属板材表面との距離を一定に維持しながら接合軌跡が重なるように接合ツール２４を動かすと、溝状欠陥が発生することを実験により認識した。

本開示者は、以下の原因により溝状欠陥が発生したことを突き止めた。
・ＦＳＷツールでは、ショルダ面で塑性流動する材料を押さえつけているが、表面の材料の一部はバリとなって側方へ逃げるため、表面高さは僅かに低くなる。
・ＦＳＷツールの挿入深さが一定のまま、接合軌跡が重なると、接合済みの領域は若干表面高さが低いため、ショルダ面で十分に材料を押さえつけながら撹拌できなくなる。
・これを繰り返すことで、ある接合箇所で、材料および撹拌の不足が生じ、溝状欠陥が発生する。

実施例３において、接合装置３は、金属板材および積層接合体を加熱する接合ツール２４を動かして、以下で示すように接合処理を行うツール制御工程を実施する。
（接合軌跡に関するツール制御）
上記したように、部分形状の全面を接合する工程において、溝状欠陥が発生する原因は、接合軌跡が重なっていることにある。そこで接合装置３は、複数回に分けて接合ツール２４を動かして接合処理を実施し、各回において、金属板材および積層接合体における接合軌跡が重ならないように接合ツール２４を動かす。なお実施例３では各回において接合軌跡を重ねないように接合ツール２４が制御されるが、異なる回における接合軌跡の重なりは許容される。

図８は、接合装置３による接合軌跡を説明するための図である。なお実施例１で説明した接合終端位置は、ここでは考慮していない。
図８（ａ）は、金属板材２２上の全面接合する接合領域５０を示す。
図８（ｂ）は、１回目の接合ツール２４の移動軌跡を示す。接合装置３は、金属板材２２における接合軌跡が重ならないように接合ツール２４を動かす。第１軌跡５２ａは、１回目の接合処理における接合軌跡を示す。第１軌跡５２ａは、ショルダ幅よりも広い間隔を空けて折り返すことで、重なることのないように制御される。第１軌跡５２ａによる１回目の接合処理が終了すると、加工装置４の第２加工機能６により、表面を切削する表面仕上げ工程が実施され、フライス加工により平坦な表面が創成される。

図８（ｃ）は、２回目の接合ツール２４の移動軌跡を示す。接合装置３は、金属板材２２における接合軌跡が重ならないように接合ツール２４を動かす。なお１回目の接合工程後に、金属板材２２の表面がフライス加工により削られているため、接合ツール２４の挿入深さは、表面を削った分だけ深く設定される。第２軌跡５２ｂは、２回目の接合処理における接合軌跡を示す。第２軌跡５２ｂも、第１軌跡５２ａと同様に、ショルダ幅よりも広い間隔を空けて折り返すことで、重なることのないように制御される。第２軌跡５２ｂによる２回目の接合処理が終了すると、加工装置４の第２加工機能６により、表面を切削する表面仕上げ工程が実施され、フライス加工により平坦な表面が創成される。

図８（ｄ）は、３回目の接合ツール２４の移動軌跡を示す。接合装置３は、金属板材２２における接合軌跡が重ならないように接合ツール２４を動かす。なお２回目の接合工程後に、金属板材２２の表面がフライス加工により削られているため、接合ツール２４の挿入深さは、表面を削った分だけ深く設定される。第３軌跡５２ｃは、３回目の接合処理における接合軌跡を示す。第３軌跡５２ｃも、第１軌跡５２ａと同様に、ショルダ幅よりも広い間隔を空けて折り返すことで、重なることのないように制御される。第３軌跡５２ｃによる３回目の接合処理が終了すると、加工装置４の第２加工機能６により、表面を切削する表面仕上げ工程が実施され、フライス加工により平坦な表面が創成される。
以上のように複数回の接合処理を実施することで、接合領域５０の全面を摩擦撹拌接合により固定できる。

（接合深さに関するツール制御）
上記したように、部分形状の全面を接合する工程において、溝状欠陥が発生する原因は、接合軌跡が重なる際に、ＦＳＷの挿入深さを変更しないことにある。そこで接合装置３は、既に接合処理がなされた箇所においては、接合ツール２４による接合深さ（挿入深さ）を、当該箇所の接合深さよりも深くする。

図９は、互いに重なる接合軌跡を示す。図９には、３つの第１軌跡５４ａ、第２軌跡５４ｂ、第３軌跡５４ｃが示されており、第２軌跡５４ｂは、第１軌跡５４ａと重なっており、また第３軌跡５４ｃは、第２軌跡５４ｂと重なっている。

接合装置３は、最初に第１軌跡５４ａで接合ツール２４を動かす。続いて接合装置３は、第１軌跡５４ａに重なる第２軌跡５４ｂで、接合ツール２４を動かす。このとき接合装置３は、第１軌跡５４ａで接合ツール２４を動かしたときの挿入深さ（接合深さ）よりも、第２軌跡５４ｂで接合ツール２４を動かすときの挿入深さ（接合深さ）を、若干深く設定する。この挿入深さの差は、接合処理により金属板材２２の表面高さが低下する深さに設定されてよい。これにより第２軌跡５４ｂにおける接合処理は、材料が不足することもなく、また十分な撹拌を実現でき、溝状欠陥の発生を抑制できる。同様に、接合装置３は、第２軌跡５４ｂに重なる第３軌跡５４ｃで、接合ツール２４を動かす。このとき接合装置３は、第２軌跡５４ｂで接合ツール２４を動かしたときの挿入深さ（接合深さ）よりも、第３軌跡５４ｃで接合ツール２４を動かすときの挿入深さ（接合深さ）を、若干深く設定する。これにより溝状欠陥の発生を防止できる。

以上のように接合装置３は、金属板材の表面が既に加熱された箇所においては、接合ツール２４による接合深さを、前回以前の接合軌跡における接合深さよりも深くすることで、溝状欠陥の発生を抑制できる。このように接合ツール２４の挿入深さを制御して接合処理を行う工程は、接合処理を複数回に分けて実施する処理に適用されてもよい。たとえば図８に示した例では、３回に分けて接合処理を実施したが、１回目の挿入深さよりも２回目の挿入深さを深くし、２回目の挿入深さよりも３回目の挿入深さを深くすることで、３回の接合軌跡を、間に表面仕上げ工程を挟むことなく、連続して実行することが可能となる。

以上、本開示を実施形態をもとに説明した。この実施形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本開示の範囲にあることは当業者に理解されるところである。実施形態の第１工程では積層接合体上に、切削加工を施していない平板材である金属板材２２を配置しているが、金属板材２２は、余肉を含めた形状に予め切削加工された板材であってもよい。

図１０は、積層造形装置１の利用態様の変形例を示す。実施形態で示した積層造形装置１と同様に、変形例における積層造形装置１も、金属板材の積層および加工を一層ごとに繰り返して、所望の全体形状をもつ積層構造物を形成するが、図１０に示す利用態様では、一層分を、複数の金属板材を積層接合体３６に積層することによって形成する。

この利用態様では、最終的な積層構造物３２が、内側に空間を有する箱状構造物であり、図１０には、積層造形中の積層接合体３６が示されている。なお箱状構造物は、一面または二面を切り欠かれたＵ字状またはＬ字状の断面を有するものであってもよく、円管状や中空の多角柱状の構造物でもよい。実施形態で説明した積層造形手順によれば、大きな金属板材を用意して、箱の内側を切削により除去して箱の枠部分を形成し、この枠部分に、大きな金属板材を接合して、枠部分を残すように加工することで、箱状の積層構造物を形成できる。

しかしながら、この積層造形手順によると、箱の枠部分のみを残し、枠部分の内側の金属板材を不要部分として除去するため、多くの金属材料が無駄となり、コスト的に見合わないことも想定される。そこで図１０に示す利用態様では、金属材料のロスを低減する目的で、一層分を、複数回の積層工程および加工工程によって形成する。

図示されるように、積層接合体３６の最上層は、４枚の金属板材２２ｐ、２２ｑ、２２ｒ、２２ｓにより形成される。ここで各金属板材２２ｐ、２２ｑ、２２ｒ、２２ｓは、供給装置２から供給される金属板材２２を接合後にエンドミルで必要分だけ切断することで、積層接合体３６上に積み上げられてよい。図１０には、金属板材２２ｐ、２２ｑ、２２ｒが最上層に配置され、接合されている状態が示される。この利用態様では、複数の供給装置２が、積層接合体３６の各辺に対向する位置に設けられてもよいが、一辺の枠を形成するたびに、テーブル１０が必要な角度（この場合は９０度）回転して、一つの供給装置２が、積層接合体３６に対して金属板材２２を供給してもよい。

実施形態と異なる点としては、接合装置３が、積層方向（金属板材の板厚方向）の接合だけでなく、左右方向（金属板材の面内方向）の接合処理も実施する。つまり変形例の接合装置３は、一層を構成する板材間の突き合わせ接合も行うことで、箱状構造物を形成する。

変形例において、供給装置２は第１工程で複数枚の金属板材を重ねてよく、また重ねた複数枚の金属板材は種類の異なるものであってよい。複数種類の金属板材を重ねて配置した複数層を加熱、接合することで、異なる種類の金属を混ぜ合わせ、合金や金属間化合物を生成して積層できる。また繰返し積層する中で金属板材の種類を変化させることで、積層方向に金属の種類が変化する積層構造物を造ることができる。

本開示の概要は、次のとおりである。本開示のある態様は、積層構造物を形成する積層造形方法であって、金属板材を積層接合体上に配置する第１工程と、金属板材および積層接合体を加熱して接合する第２工程と、積層接合体に接合された一層または複数層の金属板材を加工して、一層または複数層を積み上げた積層接合体を形成する第３工程とを、含み、第３工程で形成される積層接合体が積層構造物となるまで、第１工程から第３工程を繰り返し実行する方法であって、第３工程は、金属板材を、積層構造物の部分形状を形成するように切削する切削工程を含む。切削工程は、次回以降の第２工程のために部分形状の範囲外の領域であって、部分形状に連なる領域を残すように、金属板材を切削する。第３工程は、積層接合体に接合された金属板材の表面を加工して平坦にする表面仕上げ工程を含んでよい。

切削工程は、部分形状の範囲外の領域であって、次回以降の第２工程で予定されている接合処理の終端位置を含む接合終端領域を残すように、金属板材を切削してよい。接合終端領域は、次回以降の第２工程で予定されている部分形状の範囲外における接合処理の軌跡を含んでよい。今回の第３工程で残される接合終端領域は、前回以前の第３工程で残されていた接合終端領域と、積層方向において重ならない位置に設けられてよく、前回以前の第３工程で残されていた接合終端領域は、今回以降の第３工程における切削工程により除去されてよい。

切削工程は、積層構造物の部分形状を形成するように金属板材を切削しつつ、金属板材の外枠を少なくとも残すものであって、さらに強度確保のために外枠と部分形状とを繋ぐ補強領域を残すように金属板材を切削してよい。

切削工程は、部分形状の範囲外の領域であって、部分形状の輪郭の外側の余肉領域を残すように金属板材を切削しつつ、前回以前の第３工程で残されていた余肉領域を除去してよい。

第２工程は、金属板材および積層接合体を加熱する接合ツールを動かして、接合処理を行うツール制御工程を含んでよい。接合ツール制御工程は、複数回に分けて、接合ツールを動かして接合処理を実施するものであって、各回における接合軌跡が重ならないように接合ツールを動かしてよい。接合ツール制御工程は、金属板材の表面が既に加熱された箇所においては、接合ツールによる接合深さを、当該箇所の接合深さよりも深くしてよい。

本開示の別の態様は、積層構造物を形成する積層造形装置であって、金属板材を積層接合体上に配置する供給装置と、金属板材および積層接合体を加熱して接合する接合装置と、積層接合体に接合された一層または複数層の金属板材を加工して、一層または複数層を積み上げた積層接合体を形成する加工装置と、を備える。加工装置は、金属板材を、積層構造物の部分形状を形成するように切削する第１加工機能と、金属板材を表面仕上げする第２加工機能とを含んでよい。

１・・・積層造形装置、２・・・供給装置、３・・・接合装置、４・・・加工装置、５・・・第１加工機能、６・・・第２加工機能、１０・・・テーブル、２０・・・ベース、２４・・・接合ツール、２８，３０・・・加工ツール、３２・・・積層構造物、３６・・・積層接合体。

Claims (11)

1. 積層構造物を形成する積層造形方法であって、
   金属板材を積層接合体上に配置する第１工程と、
   金属板材および積層接合体を加熱して接合する第２工程と、
   積層接合体に接合された一層または複数層の金属板材を加工して、一層または複数層を積み上げた積層接合体を形成する第３工程とを、含み、第３工程で形成される積層接合体が積層構造物となるまで、第１工程から第３工程を繰り返し実行する方法であって、
   第３工程は、
   金属板材を、積層構造物の部分形状を形成するように切削する切削工程を含み、
   切削工程は、次回以降の第２工程のために部分形状の範囲外の領域であって、部分形状に連なる領域を残すように、金属板材を切削する、
   ことを特徴とする積層造形方法。
2. 第３工程は、
   積層接合体に接合された金属板材の表面を加工して平坦にする表面仕上げ工程を含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載の積層造形方法。
3. 切削工程は、部分形状の範囲外の領域であって、次回以降の第２工程で予定されている接合処理の終端位置を含む接合終端領域を残すように、金属板材を切削する、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の積層造形方法。
4. 接合終端領域は、次回以降の第２工程で予定されている部分形状の範囲外における接合処理の軌跡を含む、
   ことを特徴とする請求項３に記載の積層造形方法。
5. 今回の第３工程において残される接合終端領域は、前回以前の第３工程で残されていた接合終端領域と、積層方向において重ならない位置に設けられ、
   前回以前の第３工程で残されていた接合終端領域は、今回以降の第３工程における切削工程により除去される、
   ことを特徴とする請求項３または４に記載の積層造形方法。
6. 切削工程は、積層構造物の部分形状を形成するように金属板材を切削しつつ、金属板材の外枠を少なくとも残すものであって、さらに強度確保のために外枠と部分形状とを繋ぐ補強領域を残すように金属板材を切削する、
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の積層造形方法。
7. 切削工程は、部分形状の範囲外の領域であって、部分形状の輪郭の外側の余肉領域を残すように金属板材を切削しつつ、前回以前の第３工程で残されていた余肉領域を除去する、
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の積層造形方法。
8. 第２工程は、
   金属板材および積層接合体を加熱する接合ツールを動かして、接合処理を行うツール制御工程を含む、
   ことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の積層造形方法。
9. 接合ツール制御工程は、複数回に分けて、接合ツールを動かして接合処理を実施するものであって、各回における接合軌跡が重ならないように接合ツールを動かす、
   ことを特徴とする請求項８に記載の積層造形方法。
10. 接合ツール制御工程は、金属板材の表面が既に加熱された箇所においては、接合ツールによる接合深さを、当該箇所の接合深さよりも深くする、
    ことを特徴とする請求項８または９に記載の積層造形方法。
11. 積層構造物を形成する積層造形装置であって、
    金属板材を積層接合体上に配置する供給装置と、
    金属板材および積層接合体を加熱して接合する接合装置と、
    積層接合体に接合された一層または複数層の金属板材を加工して、一層または複数層を積み上げた積層接合体を形成する加工装置と、を備え、
    加工装置は、
    金属板材を、積層構造物の部分形状を形成するように切削する加工機能を含み、
    加工機能は、部分形状の範囲外の領域であって、部分形状に連なる領域を残すように、金属板材を切削する、
    ことを特徴とする積層造形装置。

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