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JP6753989B1 - Laminate planning method of laminated model, manufacturing method and manufacturing equipment of laminated model - Google Patents

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JP6753989B1 JP2019147432A JP2019147432A JP6753989B1 JP 6753989 B1 JP6753989 B1 JP 6753989B1 JP 2019147432 A JP2019147432 A JP 2019147432A JP 2019147432 A JP2019147432 A JP 2019147432A JP 6753989 B1 JP6753989 B1 JP 6753989B1
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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4PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for planning a stacking of a laminated model, a method for producing a laminated model, and a manufacturing apparatus capable of appropriately controlling the temperature between passes to form a model in an optimum modeling time. SOLUTION: For a plurality of welding passes, a step of setting an inter-pass time tun, performing a heat transfer calculation at the inter-pass time tun to calculate an inter-pass temperature Tn, and an inter-pass temperature Tn preset. It is calculated by the process of determining whether or not it falls within the range Tmin to Tmax and adjusting the inter-pass time tun by repeating the heat transfer calculation until the inter-pass temperature Tn falls within the inter-pass temperature range Tmin to Tmax, and the heat transfer calculation. Including a step of calculating the modeling time ta for modeling the laminated model W based on the inter-pass time tn and the welding pass time tpn, the modeling time ta is compared with the preset upper limit value tmax, and the modeling time is compared. The welding conditions in the lamination plan are repeatedly modified until ta becomes equal to or less than the upper limit value tmax. [Selection diagram] Fig. 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。 The present invention relates to a method for planning a laminate of a laminated model, a method for producing a laminated model, and a manufacturing apparatus.

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。 In recent years, there has been an increasing need for modeling using a 3D printer as a means of production, and research and development are being promoted toward the practical application of modeling using metal materials. A 3D printer for modeling a metal material uses a heat source such as a laser, an electron beam, or an arc to melt a metal powder or a metal wire and laminate the molten metal to produce a laminated model.

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。 In addition, as a technique for predicting the temperature of the welded portion, the welding conditions such as the cooling rate are changed to various values such as the interpass temperature, which is the allowable temperature of the welded portion when the welding of the next pass is started, and the amount of heat input. For example, Patent Document 1 describes the adjustment.

特開2004−4034号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2004-4034

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。 By the way, in multi-layer welding in which beads are laminated, the welding temperature is monitored under predetermined construction conditions (plate thickness, number of passes, current, voltage, speed, arc time, etc.) and waits until the predetermined inter-pass temperature. Time data is acquired by experiment, and the inter-pass temperature is controlled based on the acquired data.

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。 However, when a modeled object having a complicated shape is manufactured by laminated modeling, the shape changes as the number of laminated objects increases, so that the overall heat capacity and heat conduction change. In addition, the welding conditions may be changed during modeling depending on the shape of the modeled object. Therefore, in the above-mentioned method of controlling the inter-pass temperature, it is necessary to carry out a large amount of experiments and collect data in order to obtain an appropriate waiting time. For example, when the number of welding passes is several hundred, it is unrealistic because it takes a lot of time and effort. Further, if the temperature between passes is too high, the bead may hang down and the bead shape may be deformed. If the inter-pass temperature is too low, the waiting time for cooling to the inter-pass temperature becomes long, and as a result, the manufacturing time of the modeled object becomes long. Moreover, since the inter-pass temperature changes depending on the welding material, the base material, and the welding method, it is difficult to properly control the inter-pass temperature. Then, in the technique described in Patent Document 1 for welding the groove of the base metal, it is difficult to appropriately control the inter-pass temperature in the laminated molding.

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。 Further, in the laminated modeling technique, since the material is melted and solidified to form the model, the modeled object may be thermally contracted and deformed, and an error may occur with respect to the target shape. Further, when the modeled object is processed by cutting, annealing, or removing the base plate, strain may be generated by releasing the thermal stress remaining inside the modeled object, and the modeled object may be deformed.

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。 Therefore, the present invention provides a method for planning the lamination of a laminated model, a method for producing a laminated model, and a manufacturing apparatus capable of appropriately controlling the temperature between passes to form a model in an optimum modeling time. With the goal.

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。
The present invention has the following configuration.
(1) A method for planning the lamination of a laminated model in which a laminated model is formed by using a laminated modeling device for laminating weld beads on a base plate using the three-dimensional shape data of the laminated model.
Computer
The process of acquiring the three-dimensional shape data and
A step of creating a welding path for forming each layer obtained by layering the shape of the three-dimensional shape data with the welding bead, and a laminating plan for defining welding conditions when forming the welding bead.
For the plurality of welding paths, a step of setting the inter-pass time from the end of the welding path to the start of the next welding path, performing heat transfer calculation in the inter-pass time, and calculating the inter-pass temperature.
A step of determining whether or not the inter-pass temperature falls within a preset inter-pass temperature range, adjusting the inter-pass time, and repeating the heat transfer calculation until the inter-pass temperature falls within the inter-pass temperature range. ,
Depending on the inter-pass time when the inter-pass temperature within the inter-pass temperature range is calculated and the welding pass time required for forming the welding bead in the welding pass, the laminated model is formed. The process of calculating the required molding time and
A step of repeatedly modifying the welding conditions in the lamination plan until the molding time becomes equal to or less than the upper limit value by comparing the molding time with a preset upper limit value.
A method of laminating a laminated model to execute.
(2) A method for manufacturing a laminated model, which manufactures the laminated model based on the laminated plan created by the method for planning the layered model according to (1).
(3) An apparatus for manufacturing a laminated model, in which a welded bead is laminated on a base plate to form the laminated model using three-dimensional shape data of the laminated model.
An input unit for acquiring the three-dimensional shape data and
A laminating plan creation unit that creates a welding path for forming each layer obtained by layering the shape of the three-dimensional shape data with the welding bead, and a laminating plan that defines welding conditions when forming the welding bead.
For the plurality of welding paths, a temperature prediction unit that sets the inter-pass time from the end of the welding path to the start of the next welding path, performs heat transfer calculation in the inter-pass time, and calculates the inter-pass temperature.
It is determined whether or not the inter-pass temperature falls within the preset inter-pass temperature range, and the inter-pass time is changed and the heat transfer calculation is repeated until the inter-pass temperature falls within the inter-pass temperature range. Temperature control unit and
Depending on the inter-pass time when the inter-pass temperature within the inter-pass temperature range is calculated and the welding pass time required for forming the welding bead in the welding pass, the laminated model is formed. A modeling time estimation unit that calculates the required modeling time, and
A welding condition adjusting unit that repeatedly changes the welding conditions in the lamination plan until the molding time becomes equal to or less than the upper limit value by comparing the molding time with a preset upper limit value.
Equipment for manufacturing laminated objects.

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。 According to the present invention, it is possible to appropriately control the inter-pass temperature and model a modeled object in an optimum modeling time.

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。It is a schematic block diagram of the manufacturing apparatus of the laminated model which concerns on this invention. 積層造形物を上下方向に切断した概略断面図である。It is the schematic cross-sectional view which cut | cut the laminated object in the vertical direction. 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。It is a process explanatory drawing explaining the procedure of the basic laminated molding of a laminated model, and is the schematic cross-sectional view which cut | cut the laminated model in the vertical direction. 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。It is a process explanatory drawing explaining the procedure of the basic laminated molding of a laminated model, and is the schematic cross-sectional view which cut | cut the laminated model in the vertical direction. 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。It is a process explanatory drawing explaining the procedure of the basic laminated molding of a laminated model, and is the schematic cross-sectional view which cut | cut the laminated model in the vertical direction. 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。It is a flowchart which shows the procedure of the stacking plan of a laminated model. 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。It is a flowchart which shows the procedure of the stacking plan of a laminated model considering heat shrinkage.

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。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
<Manufacturing equipment for laminated objects>
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a manufacturing apparatus for a laminated model according to the present invention.
The laminated model manufacturing apparatus 100 having this configuration includes a modeling unit 11, a controller 13 that controls the modeling unit 11, and a power supply device 15.

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。 The modeling unit 11 includes a welding robot 19 provided with a torch 17 on the tip shaft, and a filler material supply unit 21 that supplies a filler metal (welding wire) M to the torch 17.

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。 The welding robot 19 is an articulated robot, and the filler metal M is continuously supplied to the torch 17 attached to the tip shaft of the robot arm. The position and posture of the torch 17 can be arbitrarily set three-dimensionally within the range of the degree of freedom of the robot arm.

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。 The torch 17 generates an arc from the tip of the filler metal M in a shield gas atmosphere while holding the filler metal M. The torch 17 has a shield nozzle (not shown), and shield gas is supplied from the shield nozzle. The arc welding method may be either a consumable electrode type such as shielded metal arc welding or carbon dioxide arc welding, or a non-consumable electrode type such as TIG welding or plasma arc welding, and is appropriately selected according to the laminated model to be manufactured. Weld.

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。 For example, in the case of the consumable electrode type, a contact tip is arranged inside the shield nozzle, and the filler metal M to which the melting current is supplied is held by the contact tip. The torch 17 generates an arc from the tip of the filler metal M in a shield gas atmosphere while holding the filler metal M. The filler metal M is fed from the filler metal supply unit 21 to the torch 17 by a feeding mechanism (not shown) attached to a robot arm or the like. Then, when the filler metal M that is continuously fed is melted and solidified while moving the torch 17, a linear welded bead B that is a molten solidified body of the filler metal M is formed on the base plate 23.

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。 The filler metal M is fed from the filler metal supply unit 21 to the torch 17 by a feeding mechanism (not shown) attached to the robot arm or the like of the welding robot 19. Then, the torch 17 moves along a desired welding line by driving the robot arm by a command from the controller 13. Further, the filler metal M that is continuously fed is melted and solidified in a shield gas atmosphere by an arc generated at the tip of the torch 17. As a result, the weld bead B, which is a melt-solidified body of the filler metal M, is formed. As described above, the modeling unit 11 is a laminated modeling device for laminating the molten metal of the filler metal M, and the laminated model W is modeled by laminating the welded beads B in a multi-layered manner on the base plate 23.

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。 The heat source for melting the filler metal M is not limited to the above-mentioned arc. For example, a heat source by another method such as a heating method using both an arc and a laser, a heating method using plasma, and a heating method using an electron beam or a laser may be adopted. When an arc is used, the welded bead B can be easily formed regardless of the material and structure while ensuring the shielding property. When heating with an electron beam or a laser, the amount of heating can be controlled more finely, the state of the welded bead B can be maintained more appropriately, and the quality of the laminated model W can be further improved.

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。 The controller 13 includes a stacking plan creation unit 31, a deformation amount calculation unit 33, a surplus wall amount setting unit 34, a program generation unit 35, a temperature prediction unit 36, a modeling time estimation unit 38, and a storage unit 37. It has an input unit 39, a display unit 40, and a control unit 41 to which each of these units is connected. Three-dimensional shape data (CAD data, etc.) representing the shape of the laminated model W to be manufactured and various instruction information are input to the control unit 41 from the input unit 39. The display unit 40 displays various types of information according to the signal transmitted from the control unit 41.

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。 The laminated model manufacturing apparatus 100 having this configuration generates a shape model for bead formation using the input three-dimensional shape data, and creates a stacking plan such as a movement locus of the torch 17 and welding conditions. The control unit 41 creates an operation program according to the stacking plan, and drives each unit according to this operation program to laminate and model the laminated model W having a desired shape.

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。 The stacking plan creation unit 31 decomposes the shape model of the input three-dimensional shape data into a plurality of layers according to the height of the welded bead B. Then, for each layer of the decomposed shape model, the trajectory of the torch 17 for forming the welded bead B and the heating conditions (bead width, bead stacking height, etc.) for forming the welded bead B are set. Create a stacking plan that defines (including).

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。 The deformation amount calculation unit 33 analytically obtains the deformation amount generated by the release of the residual stress of the laminated model W when the machine opening or the like is performed on the laminated model W formed according to the lamination plan.

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。 The surplus wall amount setting unit 34 sets the surplus wall amount to be a cutting allowance from the machined structure W1 to the outer edge of the laminated model W.

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。 The program generation unit 35 creates an operation program that causes a computer to execute a procedure of driving each part of the modeling unit 11 to form a laminated model W. The created operation program is stored in the storage unit 37.

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。 The temperature prediction unit 36 has a preliminary prediction means such as a heat transfer calculation described in detail later, and manages the temperature of the welded beam by predicting the temperature before modeling. In addition, the modeling time estimation unit 38 estimates in advance the modeling time required to model the laminated model W, which will be described in detail later.

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。 In addition to storing the operation program, the storage unit 37 also stores specifications of various drive units of the modeling unit 11, information on the material of the filler metal M, and the like. The stored information is appropriately referred to when the program generation unit 35 creates an operation program, executes the operation program, and the like.

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。 The controller 13 including the control unit 41 is a computer including a processor such as a CPU, a memory such as a ROM or a RAM, a storage such as an HDD (Hard Disk Drive) or an SSD (Solid State Drive), an I / O interface, and the like. Consists of. The controller 13 has a function of reading data and programs stored in the storage unit 37, executing data processing including analysis processing and an operation program, and a function of driving and controlling each part of the modeling unit 11. The control unit 41 creates and executes various operation programs based on an operation from the input unit 39 or an instruction by communication or the like.

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。 When the control unit 41 executes the operation program, each unit such as the welding robot 19 and the power supply device 15 is driven according to a predetermined programmed procedure. The welding robot 19 moves the torch 17 along the programmed trajectory according to the command from the controller 13, and melts the filler metal M by an arc at a predetermined timing to bring the welding bead B to a desired position. Form.

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。 The operation program referred to here is an instruction code for causing the modeling unit 11 to carry out the forming procedure of the welded bead B designed by a predetermined calculation from the input three-dimensional shape data of the laminated model W. The control unit 41 causes the modeling unit 11 to manufacture the laminated model W by executing the operation program stored in the storage unit 37. That is, the control unit 41 reads a desired operation program from the storage unit 37, moves the torch 17 by driving the welding robot 19 according to this operation program, and generates an arc from the tip of the torch 17. As a result, the welded bead B is repeatedly formed on the base plate 23 to form the laminated model W.

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。 Each calculation unit such as the stacking plan creation unit 31, the deformation amount calculation unit 33, the surplus thickness setting unit 34, the program generation unit 35, the temperature prediction unit 36, and the modeling time estimation unit 38 is provided in the controller 13, but is limited to this. Absent. Although not shown, the above-mentioned calculation unit is provided on an external computer such as a server or a terminal which is separated from the manufacturing apparatus 100 for a laminated model, for example, by means of a communication means such as a network. May be good. By providing the above-mentioned calculation unit in the external computer, it is possible to create a desired operation program without requiring the manufacturing apparatus 100 for the laminated model, and the program creation work is not complicated. Further, by transferring the created operation program to the storage unit 37 of the controller 13 via a network or a storage medium, the modeling unit 11 can be operated in the same manner as when the operation program is created by the controller 13. ..

<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。
<Basic procedure for laminated molding>
Next, the procedure of the laminated modeling will be briefly described using the model of the simple laminated model W.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the laminated model W cut in the vertical direction. 3A to 3C are process explanatory views for explaining the basic procedure of the laminated modeling of the laminated model W, and are schematic cross-sectional views of the laminated model W cut in the vertical direction.

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。 The laminated model W shown as an example in FIG. 2 is formed in a cylindrical shape on the base plate 23. The base plate 23 is made of a metal plate such as a steel plate, and basically, a base plate 23 larger than the bottom surface (bottom layer surface) of the laminated model W is used. The base plate 23 is not limited to a plate shape, and may be a base having another shape such as a block body or a rod shape.

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。 As shown in FIG. 3A, in order to form the laminated model W, the welding robot 19 moves the torch 17 along the instructed trajectory according to the operation program on the base plate 23 installed in advance. By generating an arc at the tip of the torch 17 with the movement of the torch 17, a welded bead B is formed along the trajectory of the torch 17. The weld bead B is formed by melting and solidifying the filler metal M. Then, the bead layer BL of the next layer is repeatedly laminated on the formed bead layer BL by the same operation as described above.

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。 As shown in FIG. 3B, after the laminated model W is formed on the base plate 23, the base plate 23 is cut by a cutting machine such as a wire saw or a diamond cutter to separate the base plate 23 and the laminated model W. Remove the base plate 23. After that, as shown in FIG. 3C, for example, the surplus portion set by the surplus amount setting unit 34 is cut with respect to the laminated model W and processed into a product. The base plate 23 may be removed after cutting the excess wall portion from the laminated model W.

<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。
<Laminating plan for laminated objects>
Next, a laminating planning method for modeling a laminated model will be described.
Here, when the laminated model W as described above is modeled by laminating the welded beads B, the temperature between passes of the welded beads B is appropriately controlled, and the laminated model W is modeled in the optimum modeling time. Make a plan.

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を入力部39から取得する(S1)。
FIG. 4 is a flowchart showing a procedure for laminating a laminated model.
First, the controller 13 acquires the three-dimensional shape data D 0 , which is the CAD data of the laminated model to be modeled, from the input unit 39 (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。 The stacking plan creation unit 31 of the controller 13 determines the modeling shape according to the acquired three-dimensional shape data D 0 , creates a stacking plan for forming the modeling shape with the welding beads B, and forms the welding beads B. The condition is determined (S2). To determine the conditions, create a trajectory plan to determine the welding path (torch trajectory) to move the torch 17, and to form the welding bead B using an arc as a heating source, the welding current, arc voltage, welding speed, and so on. It includes setting various welding conditions such as torch angle.

具体的には、3次元形状データD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。 Specifically, the modeling shape of the laminated model W is determined from the three-dimensional shape data D 0 , and this modeling shape is vertically divided into a plurality of bead layers (10 layers in this example) BL, and each bead layer BL. Correspondingly, the welding path for moving the torch 17 is obtained. The welding path is determined by an operation based on a predetermined algorithm. The welding path information includes, for example, path information such as the spatial coordinates of the path for moving the torch 17, the radius of the path, and the path length, and bead information such as the bead width and bead height of the welded bead B to be formed. included. The height of the bead layer BL is determined according to the height of the welded bead B set by the welding conditions.

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。 After creating the stacking plan, the temperature prediction process (S3 to S7) is performed by the temperature prediction unit 36.

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)。 First, for the welding paths in the lamination plan, the inter-pass time tun, which is the waiting time from the end of one welding path to the start of the next welding path, is set. Further, in the inter-pass time tn, the maximum value Tmin and the minimum value Tmin of the permissible inter-pass temperature are set in advance (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)。 Next, the inter-pass temperature Tn at each welding pass at the inter-pass time tun is calculated by performing heat transfer calculation described in detail later (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)。 It is determined whether or not the calculated inter-pass temperature Tn in each welding pass falls within the allowable inter-pass temperature range Tmin to Tmax (S5). When the inter-pass temperature Tn is out of the inter-pass temperature range Tmin to Tmax (S5: No), the inter-pass time nt is changed again so that the inter-pass temperature Tn falls within the inter-pass temperature range Tmin to Tmax. The heat transfer is calculated, and the inter-pass temperature Tn is calculated (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。 In this way, the heat transfer calculation is repeated by changing the inter-pass time tn until the inter-pass temperature Tn falls within the inter-pass temperature range Tmin to Tmax for all the divided bead layer BLs (S6). This process is executed by the temperature prediction unit 36 having the function of the inter-pass temperature adjustment unit that repeats the heat transfer calculation.

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)。 When the inter-pass temperature Tn for all the divided bead layers BL falls within the inter-pass temperature range Tmin to Tmax (S6: Yes), the inter-pass time tun and the inter-pass temperature Tn in each welding pass are output to the control unit 41. (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。 Here, it is preferable to use a method having a high calculation speed for the heat transfer calculation by the temperature prediction unit 36. This heat transfer calculation may be calculated using a three-dimensional heat conduction equation. The temperature prediction unit 36 predicts the temperature using, for example, the following basic formula (1).

Figure 0006753989
Figure 0006753989

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。
However, in the basic formula (1),
H: Entalpi
C: Reciprocal of node volume
K: Heat conduction matrix
F: Heat flux
Q: Volumetric heat generation.

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。 In the three-dimensional heat conduction equation, the welding heat input may be applied to the welding region according to the welding speed. Further, when the welded bead is short, heat input for the entire bead may be applied.

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。 After the temperature prediction unit 36 outputs the inter-pass time tn and the inter-pass temperature Tn to the control unit 41, the modeling time estimation unit 38 performs the following modeling time estimation processing (S8, S9).

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。 The modeling time estimation unit 38 inputs the inter-pass time nt and the inter-pass temperature Tn in each welding pass for all the divided bead layer BLs from the control unit 41. Then, according to the calculated inter-pass time tn and the welding pass time tpn required for forming the welded bead in the welding pass, the modeling time ta required for modeling the laminated model W is calculated from the following calculation formula (2). Calculate (S8). That is, the total molding time ta of the laminated model W is estimated by adding the integrated value of the inter-pass time tun to the welding pass time tpn. The modeling time ta may include the operating time of the welding robot 19.

Figure 0006753989
Figure 0006753989

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。
However, in the calculation formula (2),
ta: Total modeling time
tp (i): Welding time of the welding path of the i-th layer
tn (i + 1): The time between the welding path of the i-th layer and the path of the (i + 1) layer.

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。 After calculating the modeling time ta by the calculation formula (2), the modeling time ta is compared with the preset upper limit value tmax (S9). The upper limit value tmax is a time set in consideration of the productivity of the laminated model W, and is, for example, a time limit of the time required for modeling the laminated model W.

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。
That is, when the modeling time ta exceeds the upper limit value tmax (S9: No), the productivity of the laminated model W is low, and it is determined that improvement is necessary. In that case, a stacking plan is created again (S2), and temperature prediction processing (S3 to S7) and modeling time ta estimation processing (S8, S9) are performed based on the created stacking plan. This process is executed by the modeling time estimation unit 38 having the function of the welding condition adjusting unit that repeatedly changes the welding conditions.
In this way, the modification of the stacking plan (S2), the temperature prediction processing (S3 to S7), and the estimation processing of the modeling time ta (S8, S9) are repeated until the modeling time ta becomes equal to or less than the upper limit value tmax.

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。 Here, the modification of the laminating plan is a modification to increase the molding speed, for example, the welding conditions are modified, the laminating order of the welded beads B is changed, and the like. When modifying the welding conditions, any one of the welding speed, the number of passes, and the shape of the welded bead B (bead width, bead height) is modified. For example, the bead shape (bead width, bead height) of each condition may be stored in a database in advance and stored in the storage unit 37, and the welding conditions corresponding to the target shape dimension and the molding time ta may be selected.

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。 As described above, according to the laminating planning method of the laminated model of the present configuration, the inter-pass time tun is set for a plurality of welding passes, the heat transfer calculation at the inter-pass time tun is performed, and the inter-pass temperature Tn. Is calculated, it is determined whether or not the inter-pass temperature Tn falls within the preset inter-pass temperature range Tmin to Tmax, and the heat transfer calculation is repeated until the inter-pass temperature Tn falls within the inter-pass temperature range Tmin to Tmax. Adjust the interim time. Then, the modeling time ta for modeling the laminated model W is calculated according to the inter-pass time tn and the welding pass time tpn calculated by the heat transfer calculation. Further, the molding time ta is compared with the preset upper limit value tmax, and the welding conditions in the lamination plan are repeatedly modified until the molding time ta becomes equal to or less than the upper limit value tmax. Therefore, the molding time ta can be shortened by appropriately controlling the inter-pass temperature Tn of the welding path when forming the welded bead B and changing the welding conditions in the lamination plan.

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。 In particular, the molding time ta can be efficiently shortened by changing the welding speed, the number of passes, and the bead shape under the welding conditions.

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。 As a result, the laminated model W can be manufactured by shortening the modeling time ta while appropriately controlling the inter-pass temperature Tn of the welding path when forming the welded bead B.

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。 By the way, in the laminated modeling method in which the welded bead B is laminated on the base plate 23 to form the laminated model W, the material is melted and solidified to form the model, so that residual stress is generated inside the laminated model W due to heat shrinkage or the like. It may have occurred. Then, when the laminated model W is cut, annealed, or the base plate 23 is removed, deformation occurs due to the release of the residual stress, and an error occurs with respect to the target shape. In order to suppress an error with respect to the target shape, it is necessary to set a large amount of surplus wall and then perform cutting or the like. However, if the surplus thickness is set in consideration of the release strain, the molding time increases.

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。 Therefore, in the laminated model manufacturing apparatus 100 having this configuration, the deformation amount calculation unit 33 predicts the amount of deformation caused by the heat shrinkage of the laminated model W, and the surplus wall amount setting unit 34 determines the amount of deformation caused by the heat shrinkage of the laminated model W. The surplus thickness δ is adjusted, and the modeling time estimation unit 38 corrects the modeling time ta based on the adjustment of the surplus thickness δ.

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。
Hereinafter, a case where the modeling time ta is corrected by adjusting the surplus thickness δ will be described.
FIG. 5 is a flowchart showing a procedure for laminating a laminated model in consideration of heat shrinkage.

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を作成する(S11)。 When the inter-pass time nt and the inter-pass temperature Tn in each welding pass for all the divided bead layer BLs are output, the deformation amount calculation unit 33 is based on the calculated inter-pass time nt and the inter-pass temperature Tn. Predicts the amount of deformation of the laminated model W, and creates the model shape data D 1 of the laminated model W when it is heat-shrinked (S11).

この造形物形状データDと3次元形状データD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)。 The modeled object shape data D 1 and the three-dimensional shape data D 0 are compared with each other, and the surplus wall amount setting unit 34 calculates the surplus wall amount δ from the difference (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)。 Further, from the calculated surplus thickness δ, the modeling time estimation unit 38 estimates the cutting time ct required when the laminated model W is machined into the shape of the structure W1 (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)。 After that, the modeling time ta obtained in the modeling time estimation process (S8, S9) is corrected to the modeling time ta to which the estimated cutting time ct is added (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。 By doing so, it is possible to appropriately calculate the surplus wall amount δ, which is the portion to be cut after laminating the welded beads B, and suppress the total modeling time ta including the cutting time ct required for cutting the surplus wall portion. ..

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。 Here, the welding deformation and residual stress of the laminated model are generally analyzed by a thermal elasto-plastic analysis method using a finite element method (FEM) or a computer simulation using an elastic analysis or the like.

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。 In the thermal elasto-plastic analysis method, since the phenomenon is calculated in consideration of various non-linear elements for each of a large number of minute time steps, highly accurate analysis can be performed. On the other hand, in the elastic analysis, since the analysis considers only the linear elements, the analysis can be performed in a short time. When the laminated model W is formed by laminating the weld beads B, all the parts of the laminated model W undergo a metal melting / solidification process. When the metal melts and solidifies, natural strain (plastic strain, thermal strain) is generated in the laminated model W. Residual stress due to this natural strain is generated inside the laminated model W. The deformation amount calculation unit 33 analytically obtains a shape change due to such laminated modeling.

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。 The deformation amount calculation unit 33 may be configured to include, for example, a partial model thermal elasto-plastic analysis unit and an overall model elasticity analysis unit. The partial model thermal elasto-plastic analysis unit performs thermal elasto-plastic analysis using a partial model of the modeled object based on the input analysis conditions (laminated modeling conditions, material physical property conditions), and the intrinsic strain (plastic strain, Thermal strain) is calculated. The overall model elasticity analysis unit performs elastic analysis on the entire model of the modeled object based on the calculated intrinsic strain and derives residual stress and the like. The conditions used for the analysis include laminated molding conditions with parameters such as heat source output, heat source type, beam profile, scanning speed, scanning sequence, line offset or preheating temperature, and Young's modulus, proof stress, and linear expansion of the material. There are mechanical property values such as a coefficient and a work hardening index, and material property conditions such as a thermal property value such as thermal conductivity or specific heat.

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。 The present invention described above is not limited to the above-described embodiment, and can be modified or applied by those skilled in the art based on the combination of each configuration of the embodiments, the description of the specification, and well-known techniques. This is also the subject of the present invention and is included in the scope for which protection is sought.

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。 For example, in the above example, the laminated model W has a simple cylindrical shape, but the shape of the laminated model W is not limited to this. The more complicated the shape of the laminated model W is, the more remarkable the effects of the above-mentioned lamination plan and manufacturing method are, so that the present invention can be suitably applied.

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。
As described above, the following matters are disclosed in this specification.
(1) A method for planning the lamination of a laminated model in which a laminated model is formed by using a laminated modeling device for laminating weld beads on a base plate using the three-dimensional shape data of the laminated model.
Computer
The process of acquiring the three-dimensional shape data and
A step of creating a welding path for forming each layer obtained by layering the shape of the three-dimensional shape data with the welding bead, and a laminating plan for defining welding conditions when forming the welding bead.
For the plurality of welding paths, a step of setting the inter-pass time from the end of the welding path to the start of the next welding path, performing heat transfer calculation in the inter-pass time, and calculating the inter-pass temperature.
A step of determining whether or not the inter-pass temperature falls within a preset inter-pass temperature range, adjusting the inter-pass time, and repeating the heat transfer calculation until the inter-pass temperature falls within the inter-pass temperature range. ,
Depending on the inter-pass time when the inter-pass temperature within the inter-pass temperature range is calculated and the welding pass time required for forming the welding bead in the welding pass, the laminated model is formed. The process of calculating the required molding time and
A step of repeatedly modifying the welding conditions in the lamination plan until the molding time becomes equal to or less than the upper limit value by comparing the molding time with a preset upper limit value.
A method of laminating a laminated model to execute.
According to the laminating planning method of the laminated model having this configuration, it is possible to reduce the molding time by modifying the welding conditions in the laminating plan while appropriately controlling the inter-pass temperature of the welding path when forming the welding bead. ..

(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。
(2) The method for planning the lamination of a laminated model according to (1), wherein the modification of the welding condition is to modify any of the welding speed, the number of passes, and the bead shape.
According to the laminating planning method of the laminated model having this configuration, the modeling time can be satisfactorily suppressed by modifying the welding conditions such as the welding speed, the number of passes, or the bead shape.

(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。
(3) The computer
Based on the inter-pass time calculated after the heat transfer calculation is completed and the inter-pass temperature, a step of creating model shape data of the laminated model when heat shrinks,
A step of calculating the amount of surplus from the difference between the modeled object shape data and the modeled shape of the three-dimensional shape data, and
A step of estimating the cutting time, which is the processing time for the laminated model, from the surplus thickness,
And carry out
The laminating planning method for a laminated model according to (1) or (2), wherein the modification is performed by adding the cutting time to the modeling time.
According to the laminating planning method of the laminated model having this configuration, the amount of surplus wall to be cut after laminating the welded beads is appropriately calculated, and the entire modeling including the cutting time required for cutting this surplus wall portion is included. You can save time.

(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。
(4) A method for manufacturing a laminated model, which manufactures the laminated model based on the laminated plan created by the method for planning the lamination of the laminated model according to any one of (1) to (3).
According to the method for manufacturing a laminated model having this configuration, the temperature between the welding paths when forming the welding bead is appropriately controlled, and the welding conditions in the welding plan are modified to reduce the molding time and the laminated model. Can be manufactured.

(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。
(5) An apparatus for manufacturing a laminated model, in which a welded bead is laminated on a base plate to form the laminated model using three-dimensional shape data of the laminated model.
An input unit for acquiring the three-dimensional shape data and
A lamination plan creation unit that creates a welding path for forming each layer obtained by layering the shape of the three-dimensional shape data with the welding bead, and a lamination plan that defines welding conditions when forming the welding bead.
For the plurality of welding paths, a temperature prediction unit that sets the inter-pass time from the end of the welding path to the start of the next welding path, performs heat transfer calculation in the inter-pass time, and calculates the inter-pass temperature.
It is determined whether or not the inter-pass temperature falls within the preset inter-pass temperature range, and the inter-pass time is changed and the heat transfer calculation is repeated until the inter-pass temperature falls within the inter-pass temperature range. Temperature control unit and
Depending on the inter-pass time when the inter-pass temperature within the inter-pass temperature range is calculated and the welding pass time required for forming the welding bead in the welding pass, the laminated model is formed. A modeling time estimation unit that calculates the required modeling time, and
A welding condition adjusting unit that repeatedly changes the welding conditions in the lamination plan until the molding time becomes equal to or less than the upper limit value by comparing the molding time with a preset upper limit value.
Equipment for manufacturing laminated objects.
According to the manufacturing equipment for the laminated model having this configuration, the temperature between the welding paths when forming the welding bead is appropriately controlled, and the welding conditions in the welding plan are modified to reduce the molding time and the laminated model. Can be manufactured.

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
3次元形状データ
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
23 Base plate 31 Lamination plan creation unit 33 Deformation amount calculation unit 34 Surplus thickness setting unit 35 Program generation unit 36 Temperature prediction unit 37 Storage unit 38 Modeling time estimation unit 39 Input unit 40 Display unit 100 Welding bead D 0 3D shape data D 1 Modeled object shape data Tn Inter-pass temperature ta Modeling time ct Cutting time tpn Welding pass time tun Inter-pass time W Laminated model δ Surplus thickness

Claims (5)

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。
This is a laminating planning method for a laminated model in which a laminated model is modeled using the three-dimensional shape data of the laminated model by a laminated modeling device for laminating weld beads on a base plate.
Computer
The process of acquiring the three-dimensional shape data and
A step of creating a welding path for forming each layer obtained by layering the shape of the three-dimensional shape data with the welding bead, and a laminating plan for defining welding conditions when forming the welding bead.
For the plurality of welding paths, a step of setting the inter-pass time from the end of the welding path to the start of the next welding path, performing heat transfer calculation in the inter-pass time, and calculating the inter-pass temperature.
A step of determining whether or not the inter-pass temperature falls within a preset inter-pass temperature range, adjusting the inter-pass time, and repeating the heat transfer calculation until the inter-pass temperature falls within the inter-pass temperature range. ,
Depending on the inter-pass time when the inter-pass temperature within the inter-pass temperature range is calculated and the welding pass time required for forming the welding bead in the welding pass, the laminated model is formed. The process of calculating the required molding time and
A step of repeatedly modifying the welding conditions in the lamination plan until the molding time becomes equal to or less than the upper limit value by comparing the molding time with a preset upper limit value.
A method of laminating a laminated model to execute.
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。 The method for planning the lamination of a laminated model according to claim 1, wherein the modification of the welding condition is to modify any of the welding speed, the number of passes, and the bead shape. 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。
The computer is
Based on the inter-pass time calculated after the heat transfer calculation is completed and the inter-pass temperature, a step of creating model shape data of the laminated model when heat shrinks,
A step of calculating the amount of surplus from the difference between the modeled object shape data and the modeled shape of the three-dimensional shape data, and
A step of estimating the cutting time, which is the processing time for the laminated model, from the surplus thickness,
And carry out
The laminating planning method for a laminated model according to claim 1 or 2, wherein the modification is performed by adding the cutting time to the modeling time.
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。 A method for manufacturing a laminated model, which manufactures the laminated model based on the laminated plan created by the method for planning the lamination of the laminated model according to any one of claims 1 to 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。
It is a manufacturing apparatus for a laminated model that uses three-dimensional shape data of a laminated model to laminate weld beads on a base plate to form the laminated model.
An input unit for acquiring the three-dimensional shape data and
A lamination plan creation unit that creates a welding path for forming each layer obtained by layering the shape of the three-dimensional shape data with the welding bead, and a lamination plan that defines welding conditions when forming the welding bead.
For the plurality of welding paths, a temperature prediction unit that sets the inter-pass time from the end of the welding path to the start of the next welding path, performs heat transfer calculation in the inter-pass time, and calculates the inter-pass temperature.
It is determined whether or not the inter-pass temperature falls within the preset inter-pass temperature range, and the inter-pass time is changed and the heat transfer calculation is repeated until the inter-pass temperature falls within the inter-pass temperature range. Temperature control unit and
Depending on the inter-pass time when the inter-pass temperature within the inter-pass temperature range is calculated and the welding pass time required for forming the welding bead in the welding pass, the laminated model is formed. A modeling time estimation unit that calculates the required modeling time, and
A welding condition adjusting unit that repeatedly changes the welding conditions in the lamination plan until the molding time becomes equal to or less than the upper limit value by comparing the molding time with a preset upper limit value.
Equipment for manufacturing laminated objects.
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