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JP2021003724A - 積層造形方法 - Google Patents

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JP2021003724A JP2019118745A JP2019118745A JP2021003724A JP 2021003724 A JP2021003724 A JP 2021003724A JP 2019118745 A JP2019118745 A JP 2019118745A JP 2019118745 A JP2019118745 A JP 2019118745A JP 2021003724 A JP2021003724 A JP 2021003724A
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Abstract

【課題】積層造形物のビード形成の軌道計画を、煩雑な演算を要することなく作成でき、簡単且つ高精度に積層造形物が得られる積層造形方法を提供する。【解決手段】ビードを積層して造形物を作製する際に、複数のビードモデルに分割する工程は、既存のビードと隣接しない部位にビードを形成する位置には、断面台形の台形ビードモデルＢＭａを適用する。既に形成されたビードに隣接して形成される位置には、ビード積層方向ＤＨの対辺５１，５３が互いに平行で、且つビード配列方向ＤＶの対辺５５，５７が、隣接する他のビードモデルの側辺４９と平行である断面平行四辺形の平行四辺形ビードモデルＢＭｂを適用する。【選択図】図４

Description

本発明は、ビードを積層して造形物を作製する積層造形方法に関する。
アーク溶接等の溶接技術によって形成されるビードを積層し、溶接構造物や積層造形物を作製する技術が知られている（例えば、特許文献１，２）。
特許文献１には、開先溶接を行うに際して、溶接断面形状を解析モデル化して弾塑性解析等を行うことにより、溶接パスの条件を適切に設定する技術が記載されている。また、特許文献２には、積層するビードを楕円モデルで表して、積層造形のビード形成の軌道計画を行う技術が記載されている。この軌道計画では、楕円モデルを表す特定のパラメータと造形条件との関係のデータベースを予め作成しておき、このデータベースに基づくシミュレーションにより目標形状の造形条件を決定している。
特開２０１０−２０１４７４号公報 特開２０１８−２７５５８号公報
しかし、上記のような溶接パスの設定や積層造形の軌道計画において、ビード形状を円や楕円で近似して計算すると、例えば、曲面同士の交点の位置抽出など、幾何学的な計算が複雑となる。また、溶接条件から計算される接合断面を表現するには、適切な曲率等を設定する必要があり、ビード形成の軌道計画が煩雑となる。
そこで本発明は、積層造形物のビード形成の軌道計画を、煩雑な演算を要することなく作成でき、簡単且つ高精度に積層造形物が得られる積層造形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して形成されるビードをベース上に積層して造形物を作製する積層造形方法であって、
前記造形物の３次元形状データを読み込む工程と、
前記３次元形状データの立体モデル形状に応じて、前記ビードの積層方向を決定する工程と、
前記立体モデル形状を前記積層方向に沿って複数の層に分割する工程と、
分割された各層を、前記ビードの形成順にビード形状に応じた複数ラインのビードモデルに分割する工程と、
前記ビードモデルに沿って前記ビードを形成する処理を、前記複数の層の下層から上層まで繰り返して前記造形物を作製する工程と、
を有し、
前記複数ラインのビードモデルに分割する工程は、
前記層内において、前記ビードを既存のビードと隣接しない部位に形成する位置には、ビード積層方向の対辺が互いに平行で、且つ前記層内のビード配列方向の対辺が互いに非平行である、ビード長手方向の垂直断面が台形の台形ビードモデルを適用し、
前記ビードを既に形成されたビードに隣接して形成する位置には、前記ビード積層方向の対辺が互いに平行で、且つ前記ビード配列方向の対辺が、隣接する他のビードモデルの側辺と平行である、ビード長手方向の垂直断面が平行四辺形の平行四辺形ビードモデルを適用する積層造形方法。
本発明によれば、積層造形物のビード形成の軌道計画を、煩雑な演算を要することなく作成でき、簡単且つ高精度に積層造形物が得られる。
図１は、積層造形方法を実施する積層造形物の製造装置の一例を示す概略構成図である。 図２は、ベースプレート上に形成された複数の線状のビードを示す斜視図である。 図３は、参考例として示す従来のビードモデルを示す断面図である。 図４は、図２に示すベースプレート上に形成された初層のビードと、各ビードに当てはめたビードモデルを示す断面図である。 図５は、初層のビード層の上に複数のビード層を積層したビードモデルの説明図である。 図６は、部分円形モデルの模式的な説明図である。 図７は、図６に示すモデルを幾何学的に示す詳細説明図である。 図８は、ベースプレートの一端部を起点としてビードを形成する場合の説明図である。 図９は、ベースプレートの端部よりも内側のビードを中心に、ビード両脇へ交互にビードを形成する場合の説明図である。
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は本発明に係る積層造形方法を実施する積層造形物の製造装置の一例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、積層造形物、又は所望形状の造形物を得るための粗形材としての積層造形物を形成する装置であり、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１５と、を備える。
積層造形装置１１は、先端軸にトーチ１７を有する溶接ロボット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２３とを有する。トーチ１７は、溶加材Ｍを先端から突出した状態に保持する。
溶接ロボット１９は、多関節ロボットであり、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２３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２７上に溶加材Ｍの溶融凝固体である線状のビード２５が形成される。
なお、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、加熱量をさらに細かく制御でき、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。
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。
コントローラ１５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１５は、ＣＰＵ、メモリ、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る。
ＣＡＤ／ＣＡＭ部３１は、作製しようとする積層造形物の３次元形状データ（ＣＡＤデータ等）を読み込み、この３次元形状データに応じた立体モデルを複数の層に分割して、各層の形状を表す層形状データを生成する。軌道演算部３３は、生成された層形状データから、後述する複数ラインのビードモデルに分割して、トーチ１７の移動軌跡を決定する。記憶部３５は、生成された層形状データやトーチ１７の移動軌跡等の情報を含む各種のデータや駆動プログラムを記憶する。
制御部３７は、記憶部３５に記憶された層形状データやトーチ１７の移動軌跡に応じて作成される駆動プログラムを実行して、溶接ロボット１９を駆動する。つまり、溶接ロボット１９は、コントローラ１５からの指令により、軌道演算部３３で作成した軌道軌跡に沿ってトーチ１７を移動させる。
上記構成の積層造形物の製造装置１００は、層形状データから生成されるトーチ１７の移動軌跡に沿って、トーチ１７を溶接ロボット１９の駆動により移動させる。このトーチ１７の移動と共に、溶加材Ｍを溶融させ、溶融した溶加材Ｍをベースプレート２７上に供給する。これにより、図２に示すように、ベースプレート２７上に複数の線状のビード２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄが凝固して配列されたビード層２９が形成される。図２は初層のビード層２９を示しているが、このビード層２９の上に、同様のビード層を複数回積層することで、図１に示すような多層構造の積層造形物Ｗが造形される。
ベースプレート２７は、鋼板等の金属板からなるが、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。
＜第１の積層造形方法＞
上記した積層造形物Ｗは、複数のビード２５を積層して形成する手順を示す積層計画に基づいて形成される。具体的には、図１に示すコントローラ１５により、積層計画に基づく駆動プログラムを生成し、生成した駆動プログラムを制御部３７が実行する。制御部３７は、駆動プログラムに従って積層造形装置１１のトーチ１７等の各部を駆動して、ビードを形成する。これにより、所望の形状の積層造形物Ｗが形成される。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１５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１５の記憶部３５に入力される。
上記した積層計画には、積層造形物Ｗの形状を、ビード形状を表すモデル（ビードモデル）の集合体に変換する処理が含まれる。ビードモデルは、そのビードモデルに沿ってトーチ１７を移動させてビードを形成すると、最終的に積層造形物Ｗが得られる位置情報（トーチ移動軌跡の情報）と、各ビードの大きさ、長さ、断面形状等の情報を有する。
図３は参考例として示す従来のビードモデルを示す断面図である。
積層造形物を形成するための従来のビードモデルとしては、ビード長手方向の垂直断面で楕円形状や略三日月形等の形状が広く用いられていた。図３に例示する場合では、ビードの形状を、円４１を中心Ｏから上方の円周に向かう途中の半径位置Ｐ０で、ベースプレート２７の上面（直線）で切断した略三日月形の断面形状のビードモデルＢＭ０に近似させている。つまり、ビードの形状を、半径ｒ、ビード高さｈ、ビード幅Ｗ０、断面積Ｓ０で表されるビードモデルＢＭ０を用いて表している。
このビードモデルＢＭ０では、溶接によって得られる実際のビード断面形状と必ずしも一致せず、その断面形状の差が設計誤差を増加させる要因となっていた。また、積層計画は、一定の溶接条件で連続してビード形成する計画であることが施工上、及び品質上の観点から好ましい。そのため、ビード断面形状（断面積Ｓ０）を一定にすることが望まれる。しかし、表面が円弧状の略三日月形のビードモデルＢＭ０では、他の隣接するビードに対応するビードモデルＢＭ１の断面積Ｓ１を求める際、ビードモデルＢＭ０とビードモデルＢＭ１の円弧部分が重なるために（ピッチＰｔ＜ビード幅Ｗ０のため）、断面積Ｓ１を求める演算が煩雑となる。また、ビードモデルＢＭ１に隣接するビードモデルＢＭ２についても同様に断面積Ｓ２を求める演算が煩雑となる。このことは、楕円形状のビードモデルについても同様である。
そこで、本積層造形方法においては、ビードモデルの形状を、従来の三日月形や楕円形から、実際のビードの断面形状により近い、台形と平行四辺形にする。また、断面形状が台形のビードモデル（台形ビードモデル）に、同じ高さで断面形状が平行四辺形のビードモデル（平行四辺形ビードモデル）を隣接させて配置することで、前述した重なり部分がなくなり、ビードモデルの断面積の演算を簡単にできる。
本積層造形方法は、基本的に次の工程を有する。
（１）積層造形物の３次元形状データを読み込む工程。
（２）３次元形状データの立体モデル形状に応じて、ビードの積層方向を決定する工程。
（３）立体モデル形状を積層方向に沿って複数の層に分割する工程。
（４）分割された各層を、ビードの形成順に、ビード形状に応じた複数ラインのビードモデルに分割する工程。
（５）ビードモデルに沿ってビードを形成する処理を、分割された複数の層の下層から上層まで繰り返し、積層造形物を作製する工程。
上記の（１）〜（３）の工程は、前述したようにコントローラ１５（図１）によって実施され、（５）の工程は、駆動プログラムに従って溶接ロボット１９が駆動されることで実施される。以下、（４）の工程について詳細に説明する。
図４は図２に示すベースプレート２７上に形成された初層のビード２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄと、各ビードに当てはめたビードモデルを示す断面図である。ここでは、説明を簡単にするために４つのビードを示しているが、ビード数やビード高さｈ等は、積層造形物の形状や溶接条件等によって任意に設定されるものである。
図４に示すビード２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄは、この順に形成されるものとする。実際のビード２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄの各断面形状は、必ずしも台形や平行四辺形ではないが、少なくとも三日月形や楕円よりは台形又は平行四辺形に近い形状となり、ビードモデルとの高いフィッティング性が得られる。
ここでいう台形とは、ビード積層方向ＤＨの対辺となる上底４３と下底４５が互いに平行で、且つビード配列方向ＤＶの対辺となる側辺４７，４９が互いに非平行となる形状である。また、平行四辺形とは、平行四辺形ビードモデルＢＭｂを参照すると、ビード積層方向ＤＨの対辺となる上辺５１と下辺５３が互いに平行で、且つビード配列方向ＤＶの対辺である側辺５５，５７が、この平行四辺形に隣接する他のビードモデル（台形ビードモデルＢＭａ）の側辺４９と平行となる形状である。なお、上記した台形と平行四辺形の高さｈは等しいものとする。
図４に示すビード２５Ａは、最初に形成するビードであって、その断面形状は上側よりも下側（ベースプレート２１側）が幅広となる傾向がある。そこで、ビード２５Ａには台形ビードモデルＢＭａを適用する。
ビード２５Ａに隣接して形成するビード２５Ｂは、ビード２５Ａの一方の側面に一部を溶融させて接合され、ビード２５Ａに寄り添って形成される。その断面形状は、ビード２５Ｂの一方の側辺５５が、これに隣接するビード２５Ａの側辺４９と接合され、これに伴い他方の側辺５７が、一方の側辺５５と略平行となる。そこで、ビード２５Ｂには平行四辺形ビードモデルＢＭｂを適用する。同様に、ビード２５Ｂに隣接して形成するビード２５Ｃ、さらにビード２５Ｃに隣接して形成するビード２５Ｄには、それぞれ平行四辺形ビードモデルＢＭｃ，ＢＭｄを適用する。
このように、トーチの移動軌跡における１パス目のビードには台形ビードモデルを適用し、２パス目以降のビードには、平行四辺形ビードモデルを適用する。各ビードモデルは、形成する層の幅と高さに合うように形状が決定される。また、層内の各ビードを共通する高さｈで積層するため、各ビードの目標形成位置Ｐｂ，Ｐｃ，Ｐｄを微調整することが好ましい。
具体的には、台形ビードモデルＢＭａの底辺（下底４５）と、台形ビードモデルＢＭａに隣接する平行四辺形ビードモデルＢＭｂとの境界の端部Ｐｒから、その隣接する平行四辺形ビードモデルＢＭｂに対応するビードの目標形成位置Ｐｂまでの距離を調整距離Ｌｅとする。平行四辺形ビードモデルＢＭｃについても同様に、先にビード形成する隣接した平行四辺形ビードモデルＢＭｂの底辺（下辺５３）の、平行四辺形ビードモデルＢＭｃ側の端部Ｐｒと、ビードの目標形成位置Ｐｃまでの距離を調整距離Ｌｅとする。平行四辺形ビードモデルＢＭｄについても同様に、平行四辺形ビードモデルＢＭｃの底辺の、平行四辺形ビードモデルＢＭｃ側の端部Ｐｒと、ビードの目標形成位置Ｐｄまでの距離を調整距離Ｌｅとする。
これらの調整距離Ｌｅを、形成する各ビードの高さｈが一定になるように調整する。このとき、他の溶接条件（溶接電流、溶接電圧、シールドガス流量等）は一定とみなす。各調整距離Ｌｅは、一定であってもよく、それぞれ異なる距離に設定されてもよい。この調整作業により、各ビードの目標形性位置同士間のピッチＰｔ１，Ｐｔ２，Ｐｔ３がそれぞれ求められる。
図５は初層のビード層の上に複数のビード層を積層したビードモデルの説明図である。
図５に示すように、初層のビード層の位置には、台形ビードモデルＢＭａを始点として平行四辺形ビードモデルＢＭｂ，ＢＭｃ，ＢＭｄが順次に隣接して配置される。このモデル層の上に、同様に台形ビードモデルＢＭａ，平行四辺形ビードモデルＢＭｂ，ＢＭｃ，ＢＭｄの層が、多段状に配置される。
ピッチＰｔ１，Ｐｔ２，Ｐｔ３は、各層のビード高さｈ、ｈ１，ｈ２が一定になるように、いずれも図４に示す調整距離Ｌｅにより微調整された長さとなっており、これに応じたビード幅Ｗ０，Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３となっている。
複数のビードモデルからなるビードモデル集合体は、形成する積層造形物のサイズが内包される大きさに設定された中実体幅ＷＡ，中実体高さＨＡを有する。これにより、ビードモデルに沿ってビードを積層すれば、必要十分なサイズ（中実体幅ＷＡ，中実体高さＨＡ）の積層造形物が得られる。
上記のようにして、３次元形状データに応じた立体モデルを複数の層に分割し、分割した各層を、台形ビードモデルと平行四辺形ビードモデルに分割して、各ビードモデルをビードの形成順に応じて配列する。そして、配列したビードモデルに沿ってビードを形成する処理を、分割された複数の層の下層から上層まで繰り返すことで、積層造形物を形成する。
配列したビードモデルに沿ってビードを形成する処理の手順は、前述した駆動プログラムの実行によりなされる。これにより、所望の積層造形物を正確に、しかも効率よく形成できる。
本積層造形方法によれば、個々のビードモデルの断面形状が曲線部の存在しない単純な形状であるため、ビード境界の抽出やビード高さ、ビード幅の評価が簡単に行える。よって、ＣＡＤデータ等の積層造形物の形状情報からビード形成のパスと層数を簡単かつ正確に見積もりでき、積層計画が煩雑とならない。また、積層造形物の端部位置や、繰り返しの溶接条件、ビードの目標形性位置のピッチ等、各種の条件を変更しても簡単に再計画できるため、設計変更が容易に行える。
また、実際の造形においては、上記の積層計画が実現可能な溶接条件を設定する工程も必要となる。そのためには、所定の幅・高さを有する台形ビードモデル、平行四辺形ビードモデルと各溶接条件とを組み合わせた造形結果の情報をデータベース化しておき、モデル条件と溶接条件との対応関係を簡単に参照できるようにする。これにより、データベースを用いてビードモデルに適した溶接条件を決定でき、より適切なビードの形成が行える。
さらに、３次元形状データに応じた立体モデルの外縁に余肉部を設ける場合、立体モデルの外縁及び余肉部に対応する部位のビードモデルのビード幅を、余肉部の余肉量（ビード長手方向に直交する断面における余肉幅）に応じて変更すればよい。本積層造形方法では、立体モデルに余肉部が設けられた場合でも、その余肉部の位置に近接するビードモデル、つまり、端部のビードモデルの幅（ビード幅）を変更するだけで、煩雑な演算を繰り返すことなく、簡単に外形状の変更が可能となる。
＜第２の積層造形方法＞
次に、第２の積層造形方法を説明する。
第１の積層造形方法で説明した台形ビードモデル、及び平行四辺形ビードモデルは、造形後の形状を簡易に予測できるモデルである。しかし、造形条件をさらに正確に探索したい場合には、隣接するビードとの重なり量を評価して、第１の積層造形方法により求めたビードモデルを補正すればよい。本積層造形方法では、略三日月形のビードモデル（部分円形ビードモデル）を用い、隣接ビードとの重なり量を考慮することで、高精度に積層設計できるビードモデルを実現する。
図６は部分円形モデルの模式的な説明図、図７は図６に示すモデルを幾何学的に示す詳細説明図である。
本積層造形方法では、図６に示すように、ビードを一方向に並設する場合に、半径ｒの円周（円弧）を有する部分円形ビードモデルＢＭＰ０，ＢＭＰ１，ＢＭＰ２，ＢＭＰ３を用いる。この場合、隣接するビードモデルの円弧同士に重なり部が生じる。このビードの重なりを、図７に示すように、重なり量（クロスフィード長さ）Ｃｆで表す。
重なり量Ｃｆは、一例として下記の（１）式で示すように、前述したビード幅Ｗ０と、調整距離Ｌｅとの関係式で表すことができる。
Ｃｆ＝（１／２）Ｗ０−Ｌｅ ・・・（１）
この重なり量Ｃｆを、予め求めた溶接欠陥の発生しにくい適切な値に設定する。つまり、設定した部分円形ビードモデルの重なり量Ｃｆに応じて、前述した台形ビードモデル、及び平行四辺形ビードモデルを用いて決定した調整距離Ｌｅを補正する。これにより、各ビードのピッチＰｔ１，Ｐｔ２，Ｐｔ３（図４参照）をより適正に設定できる。
具体的には、台形ビードモデルＢＭａへの部分円形ビードモデルＢＭＰ０のフィッティングは、部分円形ビードモデルＢＭＰ０の円周が、台形ビードモデルＢＭａの下底４５の両端と公差し、且つ、台形ビードモデルの上底４３に接する半径ｒを選定することで行う。また、部分円形ビードモデルＢＭＰ０の円周が台形ビードモデルの上底４３に接することに代えて、部分円形ビードモデルＢＭＰ０の面積が、所望の断面積Ｓ０となるように半径ｒを選定してもよい。
ここでは、台形ビードモデルＢＭａの下底４５の両端部Ｐｓ，Ｐｒを通り、且つ上底４３に接する半径ｒの仮想基準円６１を定義する。また、台形ビードモデルＢＭａに隣接する平行四辺形ビードモデルＢＭｂの下辺５３の、台形ビードモデルＢＭａ側とは反対側の端部Ｐｒを通り、且つ上辺５１に接する仮想円６３を、仮想基準円６１の少なくとも一部と重ねて（オーバーラップさせて）定義する。この仮想円６３を求める際、重なり量Ｃｆが上記した予め求めた値になるように、調整距離Ｌｅを補正する。また、断面積Ｓ１が台形ビードモデルＢＭａの断面積Ｓ０と等しくなる半径ｒに決定することで求めてもよい。
こうして決定した仮想円６３の位置に応じて、ビードの目標形成位置Ｐａ，Ｐｂ間のピッチＰｔ１を変更する。平行四辺形ビードモデルＢＭｃ、ＢＭｄについても同様に、ビードモデルの重なり量Ｃｆが上記した設定値になるように、又は、各断面積Ｓ２，Ｓ３が等しくなるように調整距離Ｌｅを補正し、ビードの目標形成位置Ｐｃ，ＰｄのピッチＰｔ２，Ｐｔ３を変更する。
ビードモデルの重なり量Ｃｆが各部分円形ビードモデルＢＭＰ０，ＢＭＰ１，ＢＭＰ２，ＢＭＰ３で一定であれば、ピッチＰｔ１，Ｐｔ２，Ｐｔ３は等間隔となる。
この手法によれば、台形ビードモデルと平行四辺形ビードモデルを用いて積層計画を行い、ビード形成の概略位置を決定した後、部分円形モデルを用いて、それぞれの部分円形モデルの重なり量Ｃｆが所望の値になるようにビードの目標形成位置が補正される。これにより、ビードの重なり部分が考慮された、より正確なビード形成位置を決定でき、積層計画の精度をさらに向上できる。また、最初から部分円形ビードモデルのみで積層造形の軌道計画を行う場合と比較して、演算処理を複雑化させることなく、ビードの重なり部分を考慮した積層計画が行え、ビードモデルの実際のビードとの形状ズレを低減できる。
そして、この手法は、第１の積層造形方法における台形ビードモデルと平行四辺形ビードモデルにより設定された調整距離Ｌｅの、妥当性の検証に用いることもできる。
＜第３の積層造形方法＞
上記した積層造形方法においては、台形ビードモデルを起点とし、台形ビードモデルに隣接して平行四辺形ビードモデルを一方向に沿って繰り返し配置する形態を示したが、これに限らない。
例えば、図８に示すように、ベースプレート２７の一端部を起点としてビードを形成する場合に、最初に形成するビード（台形ビードモデルＢＭａ）において、溶融した溶加材等の溶接金属がベースプレート２７の端部から垂れ落ちることがある。
このような場合、ビード形成順序を変更することが好ましい。例えば、図９に示すように、ベースプレート２７の端部よりも内側にビード形成の起点を設ける。そして、起点のビード（台形ビードモデルＢＭａ）を中心に、その両脇へ交互にビード（平行四辺形ビードモデルＢＭｂ，ＢＭｃ，ＢＭｄ，ＢＭｅ）を形成するビード形成順序にする。
また、図９に示す場合では、点線で示すビード列の端部がベースプレート２７の端部に配置されるが、ビード形成時には、トーチ１７から生じるアークが既設のビード側に寄る。そのため、ベースプレート２７の端部にビードを形成する場合でも、溶接金属の垂れ落ちが抑制されると推察できる。
このように、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して形成されるビードをベース上に積層して造形物を作製する積層造形方法であって、
前記造形物の３次元形状データを読み込む工程と、
前記３次元形状データの立体モデル形状に応じて、前記ビードの積層方向を決定する工程と、
前記立体モデル形状を前記積層方向に沿って複数の層に分割する工程と、
分割された各層を、前記ビードの形成順にビード形状に応じた複数ラインのビードモデルに分割する工程と、
前記ビードモデルに沿って前記ビードを形成する処理を、前記複数の層の下層から上層まで繰り返して前記造形物を作製する工程と、
を有し、
前記複数ラインのビードモデルに分割する工程は、
前記層内において、前記ビードを既存のビードと隣接しない部位に形成する位置には、ビード積層方向の対辺が互いに平行で、且つ前記層内のビード配列方向の対辺が互いに非平行である、ビード長手方向の垂直断面が台形の台形ビードモデルを適用し、
前記ビードを既に形成されたビードに隣接して形成する位置には、前記ビード積層方向の対辺が互いに平行で、且つ前記ビード配列方向の対辺が、隣接する他のビードモデルの側辺と平行である、ビード長手方向の垂直断面が平行四辺形の平行四辺形ビードモデルを適用する積層造形方法。
この積層造形方法によれば、積層造形物の形状からビード形成のパスと層数を簡単かつ正確に見積もりでき、積層計画が煩雑とならない。また、積層造形物の端部位置や、繰り返しの溶接条件、ビードの目標形性位置のピッチ等、各種の条件を変更しても簡単に再計画できるため、設計変更が容易に行える。
（２） 複数種の溶接条件、ビード高さ、ビード幅の組み合わせによる造形結果が記憶されたデータベースを参照して、
前記ビードモデルの前記垂直断面における高さと幅に応じて、前記ビードの溶接条件を変更する工程を有する（１）に記載の積層造形方法。
この積層造形方法によれば、データベースを参照してビードモデルに応じた溶接条件を決定することで、より適切なビードの形成が行える。
（３） 前記立体モデル形状の外縁に余肉部を追加する工程と、
追加された前記余肉部の位置に近接する前記ビードモデルに対して、前記垂直断面において、前記近接するビードモデルの幅を、前記余肉部の幅に応じて変更する工程と、
を有する（１）又は（２）に記載の積層造形方法。
この積層造形方法によれば、余肉部が設けられた場合でも、その余肉部に対応する端部のビードモデルを変更するだけで、簡単に外形状の変更が可能となる。
（４） 同じ層内に配置され互いに隣接する一対の前記ビードモデルの底辺同士の境界位置から、前記一対のビードモデルのうちビード形成順が後のビードモデルのビード目標形成位置までの調整距離を、前記層内の前記ビードの高さが一定になるように決定する（１）又は（２）に記載の積層造形方法。
この積層造形方法によれば、調整距離を適切に調整することで、層内の各ビードの高さを一定に揃えることができる。
（５） 前記台形ビードモデルと前記平行四辺形ビードモデルに対して、前記垂直断面において少なくとも一部に円弧を有する部分円形ビードモデルをそれぞれ当てはめる工程を有し、
前記工程では、隣り合う前記部分円形ビードモデルの前記円弧同士の重なりが、予め定めた重なり量になるように、前記調整距離を補正する（４）に記載の積層造形方法。
この積層造形方法によれば、ビード同士の重なり量を考慮してビードモデルを決定でき、より高精度な積層計画が実現できる。
１１ 積層造形装置
１５ コントローラ
１７ トーチ
１９ 溶接ロボット
２３ 溶加材供給部
２５，２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄ ビード
２７ ベースプレート
２９ ビード層
３１ ＣＡＤ／ＣＡＭ部
３３ 軌道演算部
３５ 記憶部
３７ 制御部
４３ 上底
４５ 下底（底辺）
４７，４９ 側辺
５１ 上辺
５３ 下辺
５５，５７ 側辺
６１ 仮想基準円
６３ 仮想円
１００ 積層造形物の製造装置
ＢＭａ 台形ビードモデル
ＢＭｂ，ＢＭｃ，ＢＭｄ，ＢＭｅ 平行四辺形ビードモデル
ＢＭＰ０，ＢＭＰ１，ＢＭＰ２，ＢＭＰ３ 部分円形ビードモデル
Ｃｆ 重なり量
ＤＨ ビード積層方向
ＤＶ ビード配列方向
ｈ ビード高さ
Ｌｅ 調整距離
Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃ，Ｐｄ 目標形成位置
Ｐｔ，Ｐｔ１，Ｐｔ２，Ｐｔ３ ピッチ
Ｗ 積層造形物
Ｗ０，Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３ ビード幅
本発明は下記の構成からなる。
（１） 溶加材を溶融及び固化して形成されるビードをベース上に積層して造形物を作製する積層造形方法であって、
前記造形物の３次元形状データを読み込む工程と、
前記３次元形状データの立体モデル形状に応じて、前記ビードの積層方向を決定する工程と、
前記立体モデル形状を前記積層方向に沿って複数の層に分割する工程と、
分割された各層を、前記ビードの形成順にビード形状に応じた複数ラインのビードモデルに分割する工程と、
前記ビードモデルに沿って前記ビードを形成する処理を、前記複数の層の下層から上層まで繰り返して前記造形物を作製する工程と、
を有し、
前記複数ラインのビードモデルに分割する工程は、
前記層内において、前記ビードを既存のビードと隣接しない部位に形成する位置には、
ビード積層方向の対辺が互いに平行で、且つ前記層内のビード配列方向の対辺が互いに非平行である、ビード長手方向の垂直断面が台形の台形ビードモデルを適用し、
前記ビードを既に形成されたビードに隣接して形成する位置には、前記ビード積層方向の対辺が互いに平行で、且つ前記ビード配列方向の対辺が、隣接する他のビードモデルの側辺と平行である、ビード長手方向の垂直断面が平行四辺形の平行四辺形ビードモデルを適用し、
さらに、前記立体モデル形状の外縁に余肉部を追加する工程と、
追加された前記余肉部の位置に近接する前記ビードモデルに対して、前記垂直断面において、前記近接するビードモデルの幅を、前記余肉部の幅に応じて変更する工程と、
を有する積層造形方法。
（２） 溶加材を溶融及び固化して形成されるビードをベース上に積層して造形物を作製する積層造形方法であって、
前記造形物の３次元形状データを読み込む工程と、
前記３次元形状データの立体モデル形状に応じて、前記ビードの積層方向を決定する工程と、
前記立体モデル形状を前記積層方向に沿って複数の層に分割する工程と、
分割された各層を、前記ビードの形成順にビード形状に応じた複数ラインのビードモデルに分割する工程と、
前記ビードモデルに沿って前記ビードを形成する処理を、前記複数の層の下層から上層まで繰り返して前記造形物を作製する工程と、
を有し、
前記複数ラインのビードモデルに分割する工程は、
前記層内において、前記ビードを既存のビードと隣接しない部位に形成する位置には、ビード積層方向の対辺が互いに平行で、且つ前記層内のビード配列方向の対辺が互いに非平行である、ビード長手方向の垂直断面が台形の台形ビードモデルを適用し、
前記ビードを既に形成されたビードに隣接して形成する位置には、前記ビード積層方向の対辺が互いに平行で、且つ前記ビード配列方向の対辺が、隣接する他のビードモデルの側辺と平行である、ビード長手方向の垂直断面が平行四辺形の平行四辺形ビードモデルを適用し、
同じ層内で互いに隣接する一対の前記ビードモデルの底辺同士の境界位置から、前記一対のビードモデルのうちビード形成順が後のビードモデルのビード目標形成位置までの調整距離を、前記層内の前記ビードの高さが一定になるように決定し、
前記台形ビードモデルと前記平行四辺形ビードモデルに対して、前記垂直断面において少なくとも一部に円弧を有する部分円形ビードモデルをそれぞれ当てはめる工程を有し、
前記工程では、隣り合う前記部分円形ビードモデルの前記円弧同士の重なりが、予め定めた重なり量になるように、前記調整距離を補正する積層造形方法。

Claims (5)

  1. 溶加材を溶融及び固化して形成されるビードをベース上に積層して造形物を作製する積層造形方法であって、
    前記造形物の３次元形状データを読み込む工程と、
    前記３次元形状データの立体モデル形状に応じて、前記ビードの積層方向を決定する工程と、
    前記立体モデル形状を前記積層方向に沿って複数の層に分割する工程と、
    分割された各層を、前記ビードの形成順にビード形状に応じた複数ラインのビードモデルに分割する工程と、
    前記ビードモデルに沿って前記ビードを形成する処理を、前記複数の層の下層から上層まで繰り返して前記造形物を作製する工程と、
    を有し、
    前記複数ラインのビードモデルに分割する工程は、
    前記層内において、前記ビードを既存のビードと隣接しない部位に形成する位置には、ビード積層方向の対辺が互いに平行で、且つ前記層内のビード配列方向の対辺が互いに非平行である、ビード長手方向の垂直断面が台形の台形ビードモデルを適用し、
    前記ビードを既に形成されたビードに隣接して形成する位置には、前記ビード積層方向の対辺が互いに平行で、且つ前記ビード配列方向の対辺が、隣接する他のビードモデルの側辺と平行である、ビード長手方向の垂直断面が平行四辺形の平行四辺形ビードモデルを適用する積層造形方法。
  2. 複数種の溶接条件、ビード高さ、ビード幅の組み合わせによる造形結果が記憶されたデータベースを参照して、
    前記ビードモデルの前記垂直断面における高さと幅に応じて、前記ビードの溶接条件を変更する工程を有する請求項１に記載の積層造形方法。
  3. 前記立体モデル形状の外縁に余肉部を追加する工程と、
    追加された前記余肉部の位置に近接する前記ビードモデルに対して、前記垂直断面において、前記近接するビードモデルの幅を、前記余肉部の幅に応じて変更する工程と、
    を有する請求項１又は２に記載の積層造形方法。
  4. 同じ層内に配置され互いに隣接する一対の前記ビードモデルの底辺同士の境界位置から、前記一対のビードモデルのうちビード形成順が後のビードモデルのビード目標形成位置までの調整距離を、前記層内の前記ビードの高さが一定になるように決定する請求項１又は２に記載の積層造形方法。
  5. 前記台形ビードモデルと前記平行四辺形ビードモデルに対して、前記垂直断面において少なくとも一部に円弧を有する部分円形ビードモデルをそれぞれ当てはめる工程を有し、
    前記工程では、隣り合う前記部分円形ビードモデルの前記円弧同士の重なりが、予め定めた重なり量になるように、前記調整距離を補正する請求項４に記載の積層造形方法。
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