JP7203686B2 - 造形物の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、造形物の製造方法、積層制御装置、プログラムに関する。

近年、３Ｄプリンタの生産手段としてのニーズが高まっており、特に金属材料での適用については航空機業界等で実用化に向けて研究開発が行われている。金属材料による３Ｄプリンタは、レーザや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て造形物を造形する。

例えば特許文献１には、金型の形状を表現する形状データを生成する工程と、生成された形状データに基づいて、金型を等高線に沿った積層体に分割する工程と、得られた積層体の形状データに基づいて、溶加材を供給する溶接トーチの移動経路を作成する工程とを備える金型の製造方法が記載されている。

特許第３７８４５３９号公報

ここで、アークを用いて溶加材を溶融および固化してなるビードを複数重ねた積層体を含む造形物を製造する場合、ビードを形成する毎にアークを発生させる工程（ア―クスタート）が必要となる。
ただし、既に形成されているビードの上に、次のビードを形成しようとする場合、既に形成されているビードの表面には、溶加材の溶融および固化に伴ってスラグが付着していることがある。そして、通常スラグは絶縁体で構成されているため、スラグが付着している部位ではアークを発生させることが困難となり、結果として、アークの発生不良に起因するビードの形成不良が生じることがあった。

本発明は、アークを用いて溶加材を溶融および固化してなるビードを複数重ねた積層体を含む造形物を製造する場合に、アークの発生不良に起因するビードの形成不良の発生を抑制することを目的とする。

かかる目的のもと、本発明は、三次元形状データに基づき、アークを用いて溶加材を溶融および固化してなるビードを複数重ねた積層体を含む造形物を製造する、造形物の製造方法であって、前記三次元形状データを複数の層に分割して得たスライスデータから、各層の分割点を決定する工程と、前記分割点の一端側を延伸してなる始点と、当該分割点の他端側を延伸してなる終点とを設定し、当該始点および当該終点を付加することで前記スライスデータを修正する工程と、修正された前記スライスデータに基づき、前記始点から前記終点に向かってビードを形成することで、前記造形物を製造する工程とを有し、前記製造する工程では、既に形成されているビードのうち、前記始点および前記終点を付加することに伴って延伸された延伸領域の中から、スラグが付着していない未付着部位を特定し、当該未付着部位を当該始点に修正して次のビードを形成する、造形物の製造方法を提供する。
ここで、前記未付着部位の特定は、既に形成されているビードの表面を撮像した画像からスラグが付着した領域を抽出することで行われる、ものとしてもよい。
また、既に形成されているビードに前記溶加材または当該溶加材を保持する溶接トーチを突き当てることにより、当該ビードに付着したスラグを除去する工程をさらに含む、ものとしてもよい。

また、本発明は、三次元形状データに基づき、アークを用いて溶加材を溶融および固化してなるビードを複数重ねた積層体を含む造形物を製造する、造形物の製造方法であって、前記三次元形状データを複数の層に分割して得たスライスデータの各層に、分割点が設定された出力データを受け付ける工程と、受け付けた前記出力データのうちのｘ層目（ｘは２以上の整数）のデータに基づき、前記分割点の一端側を始点とし、当該分割点の他端側を終点として、当該始点から当該終点に向かってｘ層目のビードを形成する工程と、形成されたｘ層目のビードから、スラグが付着していない未付着部位を検出する工程と、前記ｘ層目のビードにおける前記未付着部位が前記始点となるように、前記出力データのうちのｘ＋１層目のデータを修正する工程と、修正されたｘ＋１層目のデータに基づき、前記ｘ層目のビード上にｘ＋１層目のビードを形成する工程とを有する、造形物の製造方法を提供する。
ここで、前記受け付ける工程では、前記始点を延伸してなる新たな始点と当該終点を延伸してなる新たな終点とが付加された前記出力データを受け付け、前記検出する工程では、形成されたｘ層目のビードのうち、前記新たな始点および前記新たな終点を付加することに伴って延伸された延伸領域の中から、前記未付着部位を検出する、ものとしてもよい。
また、前記検出する工程では、形成されたｘ層目のビードを撮像した画像を用いて前記未付着部位を検出する、ものとしてもよい。

さらに、本発明は、立体的な造形物の形状を表す三次元形状データを複数の層に分割して得たスライスデータの各層に、分割点が設定された出力データを受け付ける受付手段と、受け付けた前記出力データのうちのｘ層目（ｘは２以上の整数）のデータに基づき、前記分割点の一端側を始点とし、当該分割点の他端側を終点として、当該始点から当該終点に向かってｘ層目のビードを形成するための指示を出力する第１出力手段と、形成されたｘ層目のビードから検出された、スラグが付着していない未付着部位が前記始点となるように、前記出力データのうちのｘ＋１層目のデータを修正する修正手段と、修正されたｘ＋１層目のデータに基づき、前記ｘ層目のビード上にｘ＋１層目のビードを形成するための指示を出力する第２出力手段とを含む造形物の積層制御装置を提供する。

さらにまた、本発明は、コンピュータに、立体的な造形物の形状を表す三次元形状データを複数の層に分割して得たスライスデータの各層に、分割点が設定された出力データを受け付ける機能と、受け付けた前記出力データのうちのｘ層目（ｘは２以上の整数）のデータに基づき、前記分割点の一端側を始点とし、当該分割点の他端側を終点として、当該始点から当該終点に向かってｘ層目のビードを形成するための指示を出力する機能と、形成されたｘ層目のビードから検出された、スラグが付着していない未付着部位が前記始点となるように、前記出力データのうちのｘ＋１層目のデータを修正する機能と、修正されたｘ＋１層目のデータに基づき、前記ｘ層目のビード上にｘ＋１層目のビードを形成するための指示を出力する機能とを実現させるためのプログラムを提供する。

本発明によれば、アークを用いて溶加材を溶融および固化してなるビードを複数重ねた積層体を含む造形物を製造する場合に、アークの発生不良に起因するビードの形成不良の発生を抑制することができる。

本発明の実施の形態における金属積層造形システムの概略構成例を示した図である。 ロボット装置の概略構成を示した斜視図である。 制御装置の機能構成例を示した図である。 計画作成装置のハードウェア構成例を示した図である。 計画作成装置の機能構成例を示した図である。 計画作成装置の動作例を示したフローチャートである。 積層造形装置の動作例を示したフローチャートである。 （ａ）～（ｄ）は、計画作成装置で用いられる各種データの概念を説明するための図である。 （ａ）～（ｃ）は、計画作成装置で用いられる各種データの概念を説明するための図（つづき）である。 延伸済層形状データにおける各種経路を説明するための図である。 （ａ）～（ｄ）は、構造体の製造プロセス例を示した図である。 （ａ）～（ｄ）は、構造体の製造プロセスのうち、１層目および２層目のビードの積層手順例を示した図である。 本実施の形態の製造方法によって製造される積層造形物の他の例を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
［金属積層造形システム］
図１は、本発明の実施の形態における金属積層造形システム１の概略構成例を示した図である。
本実施の形態の金属積層造形システム１は、計画作成装置４０と、積層造形装置６０とを備える。これらのうち、計画作成装置４０は、ビード１２１を順次積層することによって積層造形物１２０を形成する計画（以下では、積層計画と称する）に関する、制御プログラム等の作成を行う。また、積層造形装置６０は、計画作成装置４０が作成した、積層計画に関する制御プログラムに従って動作することで母材１１０上に積層造形物１２０を形成し、母材１１０と積層造形物１２０とを有する構造体１００の製造を行う。そして、積層造形装置６０は、ロボット装置１０と、溶接トーチ２０と、カメラ２５と、制御装置３０とを備える。この金属積層造形システム１では、計画作成装置４０が、積層造形装置６０を制御する制御プログラム等を、各種メモリカード等のリムーバブルな記録媒体５０に書き込む。そして、積層造形装置６０に設けられた制御装置３０が、記録媒体５０に書き込まれた制御プログラム等を読み出して実行する。

また、金属積層造形システム１に設けられた計画作成装置４０には、ＣＡＤ（Computer Aided Design）装置２が接続されている。このＣＡＤ装置２は、コンピュータを用いて、造形物を三次元座標で表した設計を行うとともに、設計によって得られた三次元データ（以下では、「三次元ＣＡＤデータ」と称する）を保持する機能を有している。なお、ここでは、ＣＡＤ装置２が金属積層造形システム１の外部に設置されるものとして説明を行うが、金属積層造形システム１の内部にＣＡＤ装置２を設けてもかまわない。

では次に、金属積層造形システム１を構成する積層造形装置６０および計画作成装置４０のそれぞれについて、説明を行う。
（積層造形装置）
本実施の形態で用いた積層造形装置６０は、ガスシールドアーク溶接方式を採用したロボット溶接装置を転用したものとなっている。そして、この積層造形装置６０は、所謂産業用ロボットで構成されたロボット装置１０と、ロボット装置１０に取り付けられ、溶接プロセスで用いるワイヤ２１の供給等を行う溶接トーチ２０と、ロボット装置１０に取り付けられ、溶接トーチ２０の周辺の画像を撮影するカメラ２５と、これらロボット装置１０、溶接トーチ２０およびカメラ２５の動作を制御する制御装置３０とを有している。なお、この積層造形装置６０は、この他に、シールドガスを供給するガス供給装置やワイヤ２１を供給するワイヤ供給装置等をさらに有しているのであるが、ここではその詳細な説明を省略する。

〔ロボット装置〕
図２は、積層造形装置６０に設けられたロボット装置１０の概略構成を示した斜視図である。以下では、図１に加えて図２も参照しつつ、ロボット装置１０の構成について説明を行う。

本実施の形態のロボット装置１０は、一般的な６つの駆動軸を有する６軸の垂直多関節ロボットである。ただし、ロボット装置１０は垂直多関節ロボットに限られるものではなく、他の構成であってもかまわない。また、ロボット装置１０が垂直多関節ロボットを採用する場合であっても、その軸数は、６軸に限定されるものではなく、５軸以下であってもよいし、７軸以上であってもかまわない。

このロボット装置１０は、床等の設置対象に固定される基部１１と、基部１１上で鉛直方向に沿った第１駆動軸Ｓ１回りに旋回可能に設けられた旋回部１２と、水平方向に沿った第２駆動軸Ｓ２を介して一端部が旋回部１２と連結され、第２駆動軸Ｓ２回りに回転可能な下腕部１３とを備えている。また、ロボット装置１０は、下腕部１３の他端部に第２駆動軸Ｓ２と平行な第３駆動軸Ｓ３を介して接続された上腕部１４と、上腕部１４に設けられ、第４駆動軸Ｓ４によりアーム軸線回りに回転可能な手首旋回部１５とを備えている。さらに、ロボット装置１０は、手首旋回部１５に第５駆動軸Ｓ５を介して接続される手首曲げ部１６と、手首曲げ部１６の先端に第６駆動軸Ｓ６を介して接続される手首回転部１７とを備えている。このロボット装置１０では、これら下腕部１３、上腕部１４、手首旋回部１５、手首曲げ部１６および手首回転部１７が、多関節アームを構成している。

そして、多関節アームの最先端軸となる手首回転部１７には、所謂エンドエフェクタとして機能することで、溶接トーチ２０およびカメラ２５を保持する保持部１８が取り付けられている。

〔溶接トーチ〕
溶接トーチ２０は、アルゴンガスや炭酸ガス等のシールドガスが供給される略筒状のシールドノズルと、シールドノズルの内部に配置されたコンタクトチップ（ともに図示せず）とを有している。そして、コンタクトチップには、送給されてくるワイヤ２１が保持されるようになっている。この溶接トーチ２０は、ワイヤ２１を送給しつつ、シールドガスを流しながらアークを発生させてワイヤ２１を溶融および固化させることで、母材１１０上に複数のビード１２１を形成且つ積層し、積層造形物１２０の形成を行うようになっている。なお、本実施の形態の金属積層造形システム１において、積層造形物１２０の形成に用いられる、溶加材の一例としてのワイヤ２１については、積層造形物１２０に求められる機能や特性等に応じて、適宜選定することが可能である。そして、ここでは、ワイヤ２１自身が電極且つ溶加材となる「溶極式」を例として説明を行うが、「非溶極式」を採用することも可能である。

〔カメラ〕
カメラ２５は、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像デバイスを有しており、この例では、赤外画像を撮影できるようになっている。そして、カメラ２５は、溶接トーチ２０とともに、ロボット装置１０の最先端に位置する手首回転部１７に取り付けられた保持部１８に保持されており、溶接トーチ２０に追従して動くことにより、溶接トーチ２０から突出するワイヤ２１の先端部の周辺の画像（赤外画像）を撮影するようになっている。

〔制御装置〕
図３は、積層造形装置６０に設けられた制御装置３０の機能構成例を示した図である。以下では、図１に加えて図３も参照しつつ、制御装置３０の構成について説明を行う。

本実施の形態の制御装置３０は、受付部３０１と、全体制御部３０２と、ロボット制御部３０３と、溶接制御部３０４、カメラ制御部３０５とを有している。

｛受付部｝
受付部３０１は、計画作成装置４０から、記録媒体５０を介して、積層造形装置６０を構成するロボット装置１０および溶接トーチ２０を連動して動作させるための制御プログラム等を含む出力データの入力を受け付ける。

｛全体制御部｝
第１出力手段、修正手段および第２出力手段の一例としての全体制御部３０２は、受付部３０１が受け付けた制御プログラムにしたがい、ロボット装置１０および溶接トーチ２０を連動して動作させるための全体的な制御を行う。

｛ロボット制御部｝
ロボット制御部３０３は、全体制御部３０２による制御のもと、ロボット装置１０を構成する各部を動作させることにより、保持部１８に保持された溶接トーチ２０の位置制御および姿勢制御等を行う。

｛溶接制御部｝
溶接制御部３０４は、全体制御部３０２による制御のもと、溶接トーチ２０に対する給電動作、ワイヤ送給動作およびガス供給動作等に関する制御を行う。

｛カメラ制御部｝
カメラ制御部３０５は、全体制御部３０２による制御のもと、カメラ２５による撮影動作に関する制御を行う。

（計画作成装置）
続いて、計画作成装置４０の詳細について説明を行う。

〔ハードウェア構成〕
図４は、本実施の形態における計画作成装置４０のハードウェア構成例を示した図である。
本実施の形態の計画作成装置４０は、例えば汎用のＰＣ（Personal Computer）等により実現される。なお、具体的な説明は行わなかったが、積層造形装置６０に設けられた制御装置３０も、以下に説明する計画作成装置４０と同様のハードウェア構成を有している。

この計画作成装置４０は、ＯＳや各種アプリケーション等のプログラムを読み出して実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）４１と、ＣＰＵ４１が実行するプログラムやプログラムを実行する際に使用するデータ等を記憶するＲＯＭ（Read Only Memory）４２と、プログラムを実行する際に一時的に生成されるデータ等を記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）４３とを備えている。また、計画作成装置４０は、各種プログラムや各種データ等を記憶するＨＤＤ（Hard Disk Drive）４４と、計画作成装置４０の外部に設けられたＣＡＤ装置２や制御装置３０等の機器との間でデータの送受信を行うＮＩＣ（Network Interface Card）４５と、操作者からの入力を受け付ける入力装置４６と、表示画面に画像を表示する表示装置４７と、これらを接続するバス４８とをさらに備えている。そして、計画作成装置４０に設けられたＣＰＵ４１が実行するプログラムは、予めＲＯＭ４２やＨＤＤ４４に記憶させておく形態の他、例えばＣＤ－ＲＯＭ等の記憶媒体に格納してＣＰＵ４１に提供したり、あるいは、ネットワーク（図示せず）を介してＣＰＵ４１に提供したりすることも可能である。

〔機能構成〕
図５は、本実施の形態の計画作成装置４０の機能構成例を示した図である。
本実施の形態の計画作成装置４０は、取得部４０１と、変換部４０２と、切断部４０３と、分割部４０４と、延伸部４０５と、作成部４０６と、付加部４０７と、出力部４０８とを有している。以下では、図１に加えて図４も参照しつつ、計画作成装置４０の構成について説明を行う。

｛取得部｝
取得部４０１は、ＣＡＤ装置２から、積層造形物１２０のもととなる造形物の三次元ＣＡＤデータＤ３ｄ（後述する図８（ａ）も参照）を取得する。ここで、三次元ＣＡＤデータＤ３ｄは、三次元形状データの一例である。

｛変換部｝
変換部４０２は、取得部４０１から受け取った三次元ＣＡＤデータＤ３ｄを、計画作成装置４０での各種データ加工に用いられる内部データＤｉに変換する。

｛切断部｝
切断部４０３は、変換部４０２から受け取った内部データＤｉを、複数の層の積層体となるように切断（スライス）することで、層形状データＤｓ（具体的には、１層目の層形状データＤｓ（１）～ｎ層目の層形状データＤｓ（ｎ）を含むｎ層分のデータ：後述する図８（ｂ）も参照）を作成する。ここで層形状データＤｓは、スライスデータの一例である。

｛分割部｝
分割部４０４は、切断部４０３から受け取った層形状データＤｓに対し、層毎に分割点を設定することで、分割済層形状データＤｄ（具体的には、１層目の分割済層形状データＤｄ（１）～ｎ層目の分割済層形状データＤｄ（ｎ）を含むｎ層分のデータ：後述する図８（ｃ）も参照）を作成する。ここで、分割済層形状データＤｄは、修正されたスライスデータの一例である。

｛延伸部｝
延伸部４０５は、分割部４０４から受け取った分割済層形状データＤｄに対し、層毎に始点および終点を付加することで、延伸済層形状データＤｅ（具体的には、１層目の延伸済層形状データＤｅ（１）～ｎ層目の延伸済層形状データＤｅ（ｎ）を含むｎ層分のデータ：後述する図８（ｄ）も参照）を作成する。ここで、延伸済層形状データＤｅは、修正されたスライスデータの一例である。

｛作成部｝
作成部４０６は、延伸部４０５が作成した延伸済層形状データＤｅに基づき、積層造形装置６０の制御装置３０が積層造形物１２０を製造する際に実行する、制御プログラムで使用される制御データＤｃを作成する。

｛付加部｝
付加部４０７は、制御装置３０が実行する制御プログラムに、延伸部４０５から受け取った延伸済層形状データＤｅと、作成部４０６から受け取った制御データＤｃとを付加することで、出力データＤｏを作成する。

｛出力部｝
出力部４０８は、付加部４０７から受け取った出力データＤｏを、記録媒体５０に書き込むことによって出力する。

［構造体］
ここで、図１等を参照しながら、本実施の形態の金属積層造形システム１によって製造される構造体１００に関する説明を行っておく。
本実施の形態の構造体１００は、積層対象となる母材１１０と、ワイヤ２１を用いて母材上に形成される積層造形物１２０とを備えている。図１に示す例において、母材１１０は、矩形状（板状）を呈するとともに、その表面が鉛直上方を向くように配置されている。また、図１に示す例において、積層体の一例としての積層造形物１２０は、円筒状を呈するとともに、母材１１０の表面に、自身に設けられた開口部が鉛直上方を向くように形成されている。

なお、本実施の形態では、母材１１０と積層造形物１２０とを含む構造体１００が、最終的な製品となることがある。また、構造体１００から母材１１０を取り除くことで得られた積層造形体１２０が、最終的な製品となることもある。さらに、いずれの場合においても、積層造形物１２０に切削加工を含む各種機械加工を施した加工物１３０（後述する図１１（ｄ）も参照）が、最終的な製品となることがある。

（母材）
母材１１０は、積層造形物１２０の土台となるものである。母材１１０には、所謂溶接プロセスによる積層造形物１２０の形成が可能な金属材を用いることができる。また、積層造形時の安定性の確保等を考慮すれば、積層造形物１２０として、図１に示すような板材を使用することが望ましい。

（積層造形物）
積層造形物１２０は、それぞれがワイヤ２１を溶融・固化してなる複数のビード１２１を、鉛直方向上側に向かって積み重ねた構造を有している。そして、図１に示す積層造形物１２０では、ｎ層のビード１２１（具体的は、１層目のビード１２１（１）～ｎ層目のビード１２１（ｎ））を積み重ねることによって、積層造形物１２０が構成されている。

［金属積層造形システムの動作］
続いて、図１に示す金属積層造形システム１の動作について説明を行う。
本実施の形態の金属積層造形システム１では、まず、計画作成装置４０が、積層造形物１２０の形成で使用する、制御プログラムおよび各種データを含む出力データＤｏの作成を行うとともに、作成した出力データＤｏを記録媒体５０に書き込む。そして、積層造形装置６０が、記録媒体５０から読み出した出力データＤｏに含まれる制御プログラム（および各種データ）にしたがって動作し、母材１１０上に積層造形物１２０の形成を行う。そこで、以下では、最初に計画作成装置４０の動作について説明を行い、続いて積層造形装置６０の動作について説明を行う。

（計画作成装置の動作）
図６は、計画作成装置４０の動作例を示したフローチャートである。なお、ここでは、これから製造しようとする積層造形物１２０のもととなる造形物に関する三次元ＣＡＤデータＤ３ｄが、既にＣＡＤ装置２によって作成されているものとする。

計画作成装置４０の動作が開始すると、まず、取得部４０１が、ＣＡＤ装置２から三次元ＣＡＤデータＤ３ｄを取得する（ステップ１０）。

次に、変換部４０２が、取得部４０１から受け取った三次元ＣＡＤデータＤ３ｄを、内部データＤｉに変換する（ステップ２０）。

続いて、切断部４０３が、変換部４０２から受け取った内部データＤｉを用いて、層形状データＤｓを作成する（ステップ３０）。

さらに、分割部４０４が、切断部４０３から受け取った層形状データＤｓを用いて、分割済層形状データＤｄを作成する（ステップ４０：決定する工程の一例）。

次いで、延伸部４０５が、分割部４０４から受け取った分割済層形状データＤｄを用いて、延伸済層形状データＤｅを作成する（ステップ５０：修正する工程の一例）。

また、作成部４０６が、延伸部４０５が作成した延伸済層形状データＤｅを用いて、制御データＤｃを作成する（ステップ６０）。

さらに、付加部４０７が、積層造形装置６０の制御装置３０が実行する制御プログラムと、延伸部４０５から受け取った延伸済層形状データＤｅと、作成部４０６から受け取った制御データＤｃとを用いて、出力データＤｏを作成する（ステップ７０）。

そして、出力部４０８が、付加部４０７から受け取った出力データＤｏを、記録媒体５０に書き込むことによって出力する(ステップ８０)。
以上により、計画作成装置４０の動作が完了する。

（積層造形装置の動作）
図７は、積層造形装置６０の動作例を示したフローチャートである。ただし、図７は、実際には、積層造形装置６０を構成する制御装置３０の動作手順を示している。なお、図７に示す手順に従って積層造形装置６０が動作を開始する前に、ロボット装置１０の周辺のうちの予め定められた位置には、母材１１０が固定された状態で位置決めされているものとする。また、これから説明するステップ１１０～ステップ１９０が、製造する工程の一例となっている。

積層造形装置６０が動作を開始すると、まず、受付部３０１が、記録媒体５０から読み出された、出力データＤｏの入力を受け付ける（ステップ１１０；受け付ける工程の一例）。

次に、全体制御部３０２は、ステップ１１０で受け取った出力データＤｏに含まれる制御プログラムを、同じくステップ１１０で受け取った出力データＤｏに含まれる各種データ（延伸済層形状データＤｅおよび制御データＤｃ）を参照しながら実行する。また、全体制御部３０２は、変数ｘを１に設定する（ステップ１２０）。

続いて、全体制御部３０２は、ｘ層目（最初は１層目）のビード１２１を形成するための指示（以下では「層形成指示」と称する）を作成する（ステップ１３０）。

さらに、全体制御部３０２は、ステップ１３０で作成したｘ層目の層形成指示に基づき、ｘ層目のビード１２１のアーク発生点（最初にアークを発生させる場所）を探索するための指示（以下では「探索指示」と称する）を作成し、ロボット制御部３０３およびカメラ制御部３０５に出力する（ステップ１４０）。すると、ロボット装置１０は、探索指示に基づいて動作し、カメラ２５が、母材１１０上あるいは母材１１０に既に形成済となっているビード１２１を撮影する。そして、全体制御部３０２は、カメラ２５が撮影した撮影結果（赤外画像）に基づき、ｘ層目のビード１２１の形成で用いるアーク開始点の探索を行う。

次いで、全体制御部３０２は、ｘ層目のビード１２１の形成で用いるアーク発生点を特定できたか否かを判定する（ステップ１５０）。ステップ１５０で否定の判断（Ｎｏ）を行った場合は、ステップ１４０に戻って処理を続行する。

ここで、母材１１０上に形成されたビード１２１には、ワイヤ２１に含まれるフラックス等に起因するスラグが付着していることがある。一般に、スラグは金属酸化物等からなる絶縁物であることが多く、スラグが付着している部位ではアークを発生させることが困難である。そして、例えば形成直後のビード１２１では、スラグが付着していない部位は、スラグが付着している部位と比べて、金属酸化物等からなる膜が存在していない分、表面温度が高くなることが多い。

このため、本実施の形態では、全体制御部３０２が、カメラ２５が撮影した赤外画像に基づいて、ビード１２１表面の温度の高低を観察し、予め定められた温度よりも高くなっていると判断した部位を、ｘ層目のビード１２１の形成で用いるアーク開始点に設定する。

一方、ステップ１５０で肯定の判断（Ｙｅｓ）を行った場合、換言すれば、ｘ層目のビード１２１の形成で用いるアーク発生点を特定できた場合、全体制御部３０２は、ステップ１３０で作成したｘ層目の層形成指示を、特定したアーク発生点を加味して修正する（ステップ１６０：修正する工程の一例）。

それから、全体制御部３０２は、ステップ１６０で修正したｘ層目の層形成指示（以下では「修正済の層形成指示」と称する）を、ロボット制御部３０３および溶接制御部３０４の両者に出力する（ステップ１７０）。すると、ロボット装置１０および溶接トーチ２０は、探索指示に基づいて協働して動作し、母材１１０上あるいは母材１１０に既に形成済となっているビード１２１上に、ｘ層目のビード１２１の形成を行う（ｘ層目のビードを形成する工程、および、ｘ＋１層目のビードを形成する工程、の一例）。

それから、全体制御部３０２は、変数ｘが積層造形物１２０の総層数ｎと等しくなったか否かを判断する（ステップ１８０）。

ステップ１８０で否定の判断（Ｎｏ）を行った場合、全体制御部３０２は、変数ｘをｘ＋１に更新し（ステップ１９０）、ステップ１３０に戻って次の層に関する処理を続行する。

一方、ステップ１８０で肯定の判断（Ｙｅｓ）を行った場合、全体制御部３０２は、一連の処理を終了する。
以上により、母材１１０上に、複数のビード１２１を積層してなる積層造形物１２０が形成された、構造体１００を得ることができる。これにより、積層造形装置６０の動作が完了する。

なお、上述した説明では、ステップ１５０で否定の判断（Ｎｏ）を行った場合に、アーク発生点の特定を続行するようにしていたが、これに限られるものではない。例えば、ロボット装置１０を動作させて、溶接トーチ２０に保持されたワイヤ２１の先端を形成済のビード１２１と対峙させ、この状態で、溶接トーチ２０を用いてワイヤ２１を進退させることで、ビード１２１に付着したスラグを突いて破壊し、この部位をアーク発生点に設定する処理としてもよい。すなわち、アーク発生点を特定するのではなく、アーク発生点を作成するようにしてもかまわない。また、溶接トーチ２０を用いてワイヤ２１を進退させることに代えて、ワイヤ２１を保持する溶接トーチ２０を振動させることで、ビード１２１に付着したスラグを突いて破壊し、この部位をアーク発生点に設定する処理としてもよい。このような処理が、除去する工程の一例に対応することになる。

［具体例］
では、上述した金属積層造形システム１を用いた構造体１００の製造に関し、具体的な例を挙げて説明を行う。なお、ここでは、図１に示したように、矩形状を呈する母材１１０上に、円筒状を呈する積層造形物１２０を形成することで、構造体１００を製造する場合を例とする。

（各種データ）
最初に、積層造形物１２０の製造に用いられる、各種データに関する説明を行う。
図８（ａ）～（ｄ）および図９（ａ）～（ｃ）は、積層造形物１２０の製造に際して、計画作成装置４０で用いられる各種データの概念を説明するための図である。なお、ここで説明する各種データは、実際には、バイナリ形式やアスキー形式等によって表現されるものであるが、ここでは、理解を助けるために模式的な表記を行っている。そして、図８（ａ）～（ｄ）では、各データの全体を三次元形状（斜視図）として表記しており、図９（ａ）～（ｃ）では、各データのうちの１層分のデータを二次元形状（上面図）として表記している。

〔三次元形状データ〕
図８（ａ）は、三次元ＣＡＤデータＤ３ｄの一例を示している。
図８（ａ）に示す三次元ＣＡＤデータＤ３ｄは、上述したように、ＣＡＤ装置２が作成し、計画作成装置４０の取得部４０１が取得する。なお、ここには記載していないが、計画作成装置４０の変換部４０２が作成する内部データＤｉも、表現形式が異なるだけで、表現しようとする形状そのものは、三次元ＣＡＤデータＤ３ｄと同じである。

〔層形状データ〕
図８（ｂ）は、層形状データＤｓの一例を示している。また、図９（ａ）は、図８（ｂ）に示す層形状データＤｓを構成する、１層目の層形状データＤｓ（１）の一例を示している。

図８（ｂ）に示す層形状データＤｓは、上述したように、計画作成装置４０の切断部４０３が作成する。そして、この例では、層形状データＤｓが、１層目の層形状データＤｓ（１）～ｎ層目の層形状データＤｓ（ｎ）を含むｎ層構成となっている。

また、図９（ａ）に示す１層目の層形状データＤｓ（１）は、もととなる三次元ＣＡＤデータＤ３ｄ（内部データＤｉ）が円筒状を呈していることに対応して、円環状を呈するようになっている。

なお、ここでは詳細な説明を行わないが、２層目の層形状データＤｓ（２）～ｎ層目の層形状データＤｓ（ｎ）のそれぞれも、円環状を呈するようになっている。そして、この例では、１層目の層形状データＤｓ（１）～ｎ層目の層形状データＤｓ（ｎ）のそれぞれが、同一形状を呈するものとなっている。

〔分割済層形状データ〕
図８（ｃ）は、分割済層形状データＤｄの一例を示している。また、図９（ｂ）は、図８（ｃ）に示す分割済層形状データＤｄを構成する、１層目の分割済層形状データＤｄ（１）の一例を示している。

図８（ｃ）に示す分割済層形状データＤｄは、上述したように、計画作成装置４０の分割部４０４が作成する。そして、図９（ｂ）に示す１層目の分割済層形状データＤｄ（１）は、もととなる１層目の層形状データＤｓ（１）が円環状を呈していることに対応して、円環状を呈するようになっている。

また、１層目の分割済層形状データＤｄ（１）では、もととなる１層目の層形状データＤｓ（１）に対し、周上の一箇所に分割点Ｐｄが設定されている。そして、分割点Ｐｄが設定された１層目の分割済層形状データＤｄ（１）のうち、分割点Ｐｄの一端に隣接する側が仮始点Ｐｔｓに設定されており、分割点Ｐｄの他端に隣接する側が仮終点Ｐｔｅに設定されている。その結果、この１層目の分割済層形状データＤｄ（１）は、仮始点Ｐｔｓから仮終点Ｐｔｅに至るまで、分割点Ｐｄを通ることなく、１パス（所謂一筆書き）で表現できる状態となっている。

なお、ここでは詳細な説明を行わないが、２層目の分割済層形状データＤｄ（２）～ｎ層目の分割済層形状データＤｄ（ｎ）のそれぞれについても、分割点Ｐｄ、仮始点Ｐｔｓおよび仮終点Ｐｔｅの３つが設定される。そして、この例では、共通の形状を有する１層目の分割済層形状データＤｄ（１）～ｎ層目の分割済層形状データＤｄ（ｎ）において、分割点Ｐｄ、仮始点Ｐｔｓおよび仮終点Ｐｔｅのそれぞれは、鉛直上方からみたときに重なるように配置されている。

〔延伸済層形状データ〕
図８（ｄ）は、延伸済層形状データＤｅの一例を示している。また、図９（ｃ）は、図８（ｄ）に示す延伸済層形状データＤｅを構成する、１層目の延伸済層形状データＤｅ（１）の一例を示している。

図８（ｄ）に示す延伸済層形状データＤｅは、上述したように、計画作成装置４０の延伸部４０５が作成する。そして、図９（ｃ）に示す１層目の延伸済層形状データＤｅ（１）は、もととなる１層目の分割済層形状データＤｄ（１）が円環状を呈していることに対応して、基本的には円環状であるものの、その外周面の一部が外側に突出する突起部を備えた形状を呈するようになっている。そして、１層目の延伸済層形状データＤｅ（１）では、このような突起部が、分割点Ｐｄの設定部位、より具体的には、分割点Ｐｄの一端である仮始点Ｐｔｓおよび分割点の他端である仮終点Ｐｔｅの両者から延伸するようになっている。より具体的に説明すると、この突起部は、１層目の延伸済層形状データＤｅ（１）のうち、仮始点Ｐｔｓを起点としてその外側に設定された始点Ｐｓに至るまで延伸した部位と、仮終点Ｐｔｅを起点としてその外側に設定された終点Ｐｅに至るまで延伸した部位とを、隣接して配置することで構成されている。その結果、始点Ｐｓおよび終点Ｐｅが設定された１層目の延伸済層形状データＤｅ（１）は、始点Ｐｓから仮始点Ｐｔｓおよび仮終点Ｐｔｅを介して終点Ｐｅに至るまで、分割点Ｐｄを通ることなく、１パス（所謂一筆書き）で表現できる状態となっている。ここで、始点Ｐｓは新たな始点の一例となっており、終点Ｐｅは新たな終点の一例となっている。

なお、ここでは詳細な説明を行わないが、２層目の延伸済層形状データＤｅ（２）～ｎ層目の延伸済層形状データＤｅ（ｎ）のそれぞれについても、始点Ｐｓおよび終点Ｐｅの２つが設定される。そして、この例では、共通の形状を有する１層目の延伸済層形状データＤｅ（１）～ｎ層目の延伸済層形状データＤｅ（ｎ）において、始点Ｐｓおよび終点Ｐｅのそれぞれも、鉛直上方からみたときに重なるように配置されている。

〔延伸済層形状データにおける各経路〕
図１０は、延伸済層形状データＤｅにおける各種経路を説明するための図である。ただし、図１０は、上述した図９（ｃ）と同じく、延伸済層形状データＤｅを構成する、１層目の延伸済層形状データＤｅ（１）を例示している。

本実施の形態では、分割点Ｐｄを跨ぐことなく、始点Ｐｓから仮始点Ｐｔｓおよび仮終点Ｐｔｅを介して終点Ｐｅに至る経路のことを、「形成経路Ｒｆ」と称する。また、形成経路Ｒｆのうち、分割点Ｐｄを跨ぐことなく仮始点Ｐｔｓから仮終点Ｐｔｅに至る経路（この例では略円形状を呈する経路）のことを、「製品経路Ｒｐ」と称する。さらに、形成経路Ｒｆのうち、始点Ｐｓから仮始点Ｐｔｓに至る経路のことを、「始点側延伸経路Ｒｓ」と称する。さらにまた、形成経路Ｒｆのうち、仮終点Ｐｔｅから終点Ｐｅに至る経路のことを、「終点側延伸経路Ｒｅ」と称する。ここで、本実施の形態では、始点側延伸経路Ｒｓおよび終点側延伸経路Ｒｅが、延伸領域の一例となっている。

したがって、始点Ｐｓ、仮始点Ｐｔｓ、仮終点Ｐｔｅおよび終点Ｐｅは、始点側延伸経路Ｒｓと製品経路Ｒｐと終点側延伸経路Ｒｅとを含む形成経路Ｒｆによって、１パスで結ばれていることになる。

ここで、製品経路Ｒｐは、分割済層形状データＤｄ（図８（ｃ）、図９（ｂ）参照）において、既に存在している経路である。これに対し、始点側延伸経路Ｒｓおよび終点側延伸経路Ｒｅは、分割済層形状データＤｄには存在せず、延伸済層形状データＤｅ（図８（ｄ）、図９（ｃ）参照）となって、初めて現れる経路である。

（構造体）
続いて、上記図８～図１０に示す各種データを用いた、積層造形物１２０を含む構造体１００の製造について説明を行う。
図１１（ａ）～（ｄ）は、構造体１００の製造プロセス例を示した図である。
また、図１２（ａ）～（ｄ）は、図１１に示す構造体１００の製造プロセスのうち、１層目および２層目のビード１２１の積層手順例を示した図である。
なお、ここでは、積層造形物１２０を構成するビード１２１の総層数が、５（ｎ＝５）である場合を例として説明を行う。

〔１層目のビードの形成〕
図１１（ａ）は、１層目の延伸済層形状データＤｅ（１）に基づき、母材１１０上に、１層目のビード１２１（１）を形成した後の状態を示す斜視図である。また、図１２（ａ）は、１層目のビード１２１（１）を形成する前の状態を示す上面図である。さらに、図１２（ｂ）は、１層目のビード１２１（１）を形成した後の状態を示す上面図である。

ここで、１層目のビード１２１（１）のもととなる１層目の延伸済層形状データＤｅ（１）には、図１２（ａ）に示すように、１層目の始点Ｐｓ（１）、１層目の仮始点Ｐｔｓ（１）、１層目の仮終点Ｐｔｅ（１）および１層目の終点Ｐｅ（１）が設定されている。

そして、１層目の延伸済層形状データＤｅ（１）を用いてロボット装置１０を駆動することにより、溶接トーチ２０に保持されたワイヤ２１を、母材１１０上で、１層目の始点Ｐｓ（１）から、１層目の始点側延伸経路Ｒｓ（１）、１層目の仮始点Ｐｔｓ（１）、１層目の製品経路Ｒｐ（１）、１層目の仮終点Ｐｔｅ（１）、１層目の終点側延伸経路Ｒｅ（１）および１層目の終点Ｐｅ（１）の順で移動させる。これにより、図１１（ａ）等に示すように、母材１１０上に１層目のビード１２１（１）が形成される。

〔２層目のビードの形成〕
図１１（ｂ）は、２層目の延伸済層形状データＤｅ（２）に基づき、１層目のビード１２１（１）上に、２層目のビード１２１（２）を形成した後の状態を示す斜視図である。また、図１２（ｃ）は、１層目のビード１２１（１）を形成した後であって、２層目のビード１２１（２）を形成する前の状態を示す図である。さらに、図１２（ｄ）は、２層目のビード１２１（２）を形成した後の状態を示す上面図である。

ここで、２層目のビード１２１（２）のもととなる２層目の延伸済層形状データＤｅ（２）にも、図１２（ｃ）に示すように、２層目の始点Ｐｓ（２）、２層目の仮始点Ｐｔｓ（２）、２層目の仮終点Ｐｔｅ（２）および２層目の終点Ｐｅ（２）が設定されている。なお、この例では、１層目の延伸済層形状データＤｅ（１）と２層目の延伸済層形状データＤｅ（２）とが、同一形状を呈するものとなっていることから、２層目の始点Ｐｓ（２）は１層目の始点Ｐｓ（１）と、２層目の仮始点Ｐｔｓ（２）は１層目の仮始点Ｐｔｓ（１）と、２層目の仮終点Ｐｔｅ（２）は１層目の仮終点Ｐｔｅ(１)と、２層目の終点Ｐｅ（２）は１層目の終点Ｐｅ（１）と、それぞれ重なる位置となっている。

そして、本実施の形態では、２層目のビード１２１（２）を形成する前に、既に形成されている１層目のビード１２１（１）上で、アーク発生点の探索を行う。より具体的に説明すると、アーク発生点の探索は、１層目のビード１２１（１）のうちの１層目の始点側延伸経路Ｒｓ（１）に対応する部位から、溶接に伴って発生するスラグが付着していない部位（未付着部位）を検出することで行う（検出する工程の一例）。

それから、本実施の形態では、図１２（ｃ）に示す２層目の延伸済層形状データＤｅ（２）に、検出した未付着部位を加味した補正を行う。より具体的に説明すると、本実施の形態では、図１２（ｃ）に示す２層目の延伸済層形状データＤｅ（２）に対し、検出した未付着部位を始点Ｐｓに修正する補正を行う。これにより、２層目の延伸済層形状データＤｅ（２）は、図１２（ｃ）に示す状態から、例えば図１２（ｄ）に示す状態へと修正される。なお、図１２（ｄ）に示す例では、図１２（ｃ）に示す例と比較して、始点Ｐｓが仮始点Ｐｔｓ側へと移動している。

そして、修正された２層目の延伸済層形状データＤｅ（２）を用いてロボット装置１０を駆動することにより、溶接トーチ２０に保持されたワイヤ２１を、母材１１０上で、２層目の始点Ｐｓ（２）から、２層目の始点側延伸経路Ｒｓ（２）、２層目の仮始点Ｐｔｓ（２）、２層目の製品経路Ｒｐ（２）、２層目の仮終点Ｐｔｅ（２）、２層目の終点側延伸経路Ｒｅ（２）および２層目の終点Ｐｅ（２）の順で移動させる。これにより、図１１（ｂ）等に示すように、１層目のビード１２１（１）上に、２層目のビード１２１（２）が形成される。このとき、２層目の始点Ｐｓ（２）は、スラグが付着してない未付着部位に修正されていることから、２層目のビード１２１（２）の形成において、アークの発生不良等は生じ難い。

以降、同様の手順で始点Ｐｓを修正しながら、３層目のビード１２１（３）、４層目のビード１２１（４）および５層目のビード１２１（５）の積層が行われる。

〔ｎ層目（ｎ＝５）のビードの形成〕
図１１（ｃ）は、５層目の延伸済層形状データＤｅ（５）に基づき、４層目のビード１２１（４）上に、最終層となる５層目のビード１２１（５）を形成した後の状態、すなわち、母材１１０上に積層造形物１２０を形成した後の状態を示す図である。

本実施の形態の場合、得られる積層造形物１２０の形状は、もととなる円筒状の造形物の外周面側に、鉛直方向に沿って延びる突起部が形成されたものとなっている。また、溶接プロセスを用いてビード１２１の形成を行っているため、その外周面および内周面に、ビード１２１に起因する凹凸が存在するものとなっている。

〔加工〕
図１１（ｄ）は、図１１（ｃ）に示す積層造形物１２０に機械加工を施して得られた加工物１３０を示している。
ここで、図１１（ｄ）に示す加工物１３０は、図１１（ｃ）に示す積層造形物１２０上の突起部を除去する切削加工が施されることによって略平坦となった外周面１３１と、特に機械加工が施されることなく、凹凸がそのまま残った内周面１３２とを有している。これにより、加工物１３０の形状を、もととなる造形物の形状（三次元ＣＡＤデータＤ３ｄ）に近づけることができる。なお、内周面１３２にも、外周面１３１と同様の切削加工を施すようにすれば、加工物１３０の形状を、もととなる造形物の形状にさらに近づけることが可能である。

［その他］
上述した本実施の形態では、造形物の三次元ＣＡＤデータＤ３ｄに基づいて積層造形物１２０を製造するにあたり、始点側延伸経路Ｒｓおよび終点側延伸経路Ｒｅに基づく突起部を積層造形物１２０に形成するようにしていたが、これに限られるものではない。

図１３は、本実施の形態の製造方法によって製造される積層造形物１２０の他の例を示す図である。
この例では、計画作成装置４０が、図８（ｃ）に示す分割済層形状データＤｄを作成した後、延伸済層形状データＤｅを作成せずに、この分割済層形状データＤｄを含む出力データＤｏを作成し、出力する。そして、積層造形装置６０では、１層のビード１２１を形成する毎に、アーク発生点の探索を行い、始点Ｐｓ（図１０等に示す例では仮始点Ｐｔｓと記載）および終点Ｐｅ（図１０等に示す例では仮終点Ｐｔｅ）の修正を行う。これは、１層毎に分割点Ｐｄの修正（変更）を行うことと等価である。
このようにした場合にも、各層のビード１２１の形成を開始するに際して、アークの発生不良に伴うビード１２１の形成不良を抑制することができる。

なお、本実施の形態では、円筒状を呈する積層造形物１２０の形成において、突起部を外側に向けて延伸するようにしていたが、これに限られるものではなく、突起部を内側に向けて延伸するようにしてもかまわない。

また、本実施の形態では、ロボット装置１０にカメラ２５を取り付けていたが、これに限られるものではなく、母材１１０等が撮影できる場所であれば、ロボット装置１０とは別の場所にカメラ２５を設置するようにしてもかまわない。

さらに、本実施の形態では、カメラ２５による撮影結果に基づいて、アーク発生点の探索を行っていたが、これに限られるものではなく、例えばビード１２１の電気抵抗（接触抵抗）の測定結果に基づいて、アーク発生点の探索を行ってもかまわない。

さらにまた、本実施の形態では、計画作成装置４０で、三次元ＣＡＤデータＤ３ｄを内部データＤｉに変換してから各種処理を施していたが、これに限られるものではなく、例えば三次元ＣＡＤデータＤ３ｄから直接層形状データＤｓを作成してもかまわない。

１…金属積層造形システム、２…ＣＡＤ装置、１０…ロボット装置、２０…溶接トーチ、２１…ワイヤ、２５…カメラ、３０…制御装置、４０…計画作成装置、５０…記録媒体、６０…積層造形装置、１００…構造体、１１０…母材、１２０…積層造形物、１２１…ビード、１３０…加工物、１３１…外周面、１３２…内周面、３０１…受付部、３０２…全体制御部、３０３…ロボット制御部、３０４…溶接制御部、４０１…取得部、４０２…変換部、４０３…切断部、４０４…分割部、４０５…延伸部、４０６…作成部、４０７…付加部、４０８…出力部、Ｄ３ｄ…三次元ＣＡＤデータ、Ｄｉ…内部データ、Ｄｓ…層形状データ、Ｄｄ…分割済層形状データ、Ｄｅ…延伸済層形状データ、Ｄｃ…制御データ、Ｐｄ…分割点、Ｐｔｓ…仮始点、Ｐｓ…始点、Ｐｔｅ…仮終点、Ｐｅ…終点、Ｒｆ…積層経路、Ｒｐ…製品経路、Ｒｓ…始点側延伸経路、Ｒｅ…終点側延伸経路

Claims (3)

1. 三次元形状データに基づき、アークを用いて溶加材を溶融および固化してなるビードを複数重ねた積層体を含む造形物を製造する、造形物の製造方法であって、
   前記三次元形状データを複数の層に分割して得たスライスデータから、各層の分割点を決定する工程と、
   前記分割点の一端側を延伸してなる始点と、当該分割点の他端側を延伸してなる終点とを設定し、当該始点および当該終点を付加することで前記スライスデータを修正する工程と、
   修正された前記スライスデータに基づき、前記始点から前記終点に向かってビードを形成することで、前記造形物を製造する工程と
   を有し、
   前記製造する工程では、既に形成されているビードのうち、前記始点および前記終点を付加することに伴って延伸された延伸領域の中から、スラグが付着していない未付着部位を特定し、当該未付着部位を当該始点に修正して次のビードを形成する、造形物の製造方法。
2. 前記未付着部位の特定は、既に形成されているビードの表面を撮像した画像からスラグが付着した領域を抽出することで行われる、請求項１記載の造形物の製造方法。
3. 既に形成されているビードに前記溶加材または当該溶加材を保持する溶接トーチを突き当てることにより、当該ビードに付着したスラグを除去する工程をさらに含む、請求項１記載の造形物の製造方法。

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