特許 6754118 三次元造形のためのコンピュータ支援製造装置，方法およびプログラム，三次元造形のための制御プログラム生成装置，ならびに三次元造形システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6754118

(24)【登録日】2020年8月25日

(45)【発行日】2020年9月9日

(54)【発明の名称】三次元造形のためのコンピュータ支援製造装置，方法およびプログラム，三次元造形のための制御プログラム生成装置，ならびに三次元造形システム

(51)【国際特許分類】

   B23K 9/04 20060101AFI20200831BHJP

   B33Y 50/00 20150101ALI20200831BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20200831BHJP

【ＦＩ】

   B23K9/04 Z

   B33Y50/00

   B33Y30/00

   B23K9/04 K

【請求項の数】11

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2016-160413(P2016-160413)

(22)【出願日】2016年8月18日

(65)【公開番号】特開2018-27558(P2018-27558A)

(43)【公開日】2018年2月22日

【審査請求日】2019年8月8日

(73)【特許権者】

【識別番号】504190548

【氏名又は名称】国立大学法人埼玉大学

(73)【特許権者】

【識別番号】504132881

【氏名又は名称】国立大学法人東京農工大学

(74)【代理人】

【識別番号】110001830

【氏名又は名称】東京ＵＩＴ国際特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】阿部 壮志

(72)【発明者】

【氏名】笹原 弘之

【審査官】 黒石 孝志

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１５−１６０２１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−２２９３３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平７−２１４３１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−８５９３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 欧州特許出願公開第３０５１４４５（ＥＰ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ ９／００ − ９／３２

Ｂ３３Ｙ ３０／００

Ｂ３３Ｙ ５０／００ − ５０／０２

Ｂ２３Ｋ ２６／００ − ２６／７０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

溶融物の所与の積層経路に沿う堆積により造形される三次元造形物の各層の断面についての楕円モデルを表わす特定のパラメータと，その特定パラメータを持つ楕円モデル形状を生じさせる造形条件との関係を表わす実測データベース，
所与の目標形状と，前記実測データベースを参照し楕円モデルを用いて予測される予測形状との差分を所与の許容値以下とする造形条件を導出する造形条件導出手段，および
前記造形条件導出手段による造形条件の導出を，前記所与の目標形状に定められる制御点ごとに繰返すよう制御する繰返し制御手段，
を備える三次元造形のためのコンピュータ支援製造装置。

【請求項2】

前記実測データベースは，制御点の複数の環境条件に対応して楕円モデルを表わす特定パラメータを保存しており，
前記造形条件導出手段はさらに各制御点の環境条件に応じた造形条件を導出するものである，請求項１に記載の三次元造形のためのコンピュータ支援製造装置。

【請求項3】

前記造形条件導出手段は，目標形状と，前記実測データベースを参照し楕円モデルを用いて算出される予測形状との差分が所与の許容値以下になるまで造形条件を変更しながら予測形状を算出するシミュレート手段を含む，請求項１ないしは２に記載の三次元造形のためのコンピュータ支援製造装置。

【請求項4】

前記所与の目標形状を表わすデータを入力する入力手段をさらに備える，請求項１から３のいずれか一項に記載の三次元造形のためのコンピュータ支援製造装置。

【請求項5】

前記造形条件導出手段によって導出された造形条件を反映する，造形装置の制御プログラムを出力する出力手段をさらに備える，請求項１から４のいずれか一項に記載の三次元造形のためのコンピュータ支援製造装置。

【請求項6】

楕円モデルを表わす前記特定のパラメータが，楕円モデルの水平方向の長径と，積層された溶融物ビードによって再溶融される下層の再溶融領域面積を含む，請求項１に記載の三次元造形のためのコンピュータ支援製造装置。

【請求項7】

前記所与の目標形状と予測形状との差分が目標形状の積層ピッチに関連する値で表わされる，請求項１に記載の三次元造形のためのコンピュータ支援製造装置。

【請求項8】

溶融物の所与の積層経路に沿う堆積により造形される三次元造形物の各層の断面についての楕円モデルを表わす特定のパラメータと，その特定パラメータを持つ楕円モデル形状を生じさせる造形条件との関係を表わす実測データベース，
所与の目標形状と，前記実測データベースを参照し楕円モデルを用いて予測される予測形状との差分を所与の許容値以下とする造形条件を，目標形状に定められる制御点ごとに，導出する造形条件導出手段，および
前記造形条件導出手段によって導出された造形条件を反映する，造形装置の制御プログラムを出力する出力手段，
を備える三次元造形のための制御プログラム生成装置。

【請求項9】

請求項８に記載の三次元造形のための制御プログラム生成装置と，この制御プログラム生成装置から出力される制御プログラムにしたがって動作する造形装置とを備える三次元造形システム。

【請求項10】

溶融物の所与の積層経路に沿う堆積により造形される三次元造形物の各層の断面を楕円によりモデル化し，
楕円モデルを表わす特定のパラメータと造形条件との関係を表わす実測データベースを作成しておき，
所与の目標形状と，前記実測データベースを参照し楕円モデルを用いて予測される予測形状との差分を所与の許容値以下とする造形条件を，目標形状について定められる制御点ごとに導出する，
三次元造形のためのコンピュータ支援製造方法。

【請求項11】

溶融物の所与の積層経路に沿う堆積により造形される三次元造形物の目標形状が与えられたときに，該目標形状と，前記三次元造形物の各層の断面についての楕円モデルを表わす特定のパラメータとその特定パラメータを持つ楕円モデル形状を生じさせる造形条件との関係を表わす実測データベースを参照し楕円モデルを用いて予測される予測形状と，の差分を所与の許容値以下とする造形条件を導出する造形条件導出プログラムルーチン，および
前記造形条件導出ルーチンによる造形条件の導出を，前記所与の目標形状に定められる制御点ごとに繰返すよう制御する繰返し制御プログラム部分，
を備える三次元造形のためのコンピュータ支援製造プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は，材料，特に金属材料を溶融し，その溶融物を堆積させて積層造形する指向性エネルギー堆積法による三次元造形のためのコンピュータ支援製造装置，方法およびプログラム，さらに三次元造形のための制御プログラム生成装置，ならびにこの制御プログラムによって動作する造形装置を含む造形システムに関する。

【背景技術】

【0002】

金属材料を溶融し，溶融金属を積層して三次元の目的物を造形する技術，特に造形のための制御，モデリング等の技術が開発されつつある。たとえば次の特許文献を参照。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１５−５８６７８号公報

【特許文献2】特開２０１５−１６０２１７号公報

【特許文献3】特開２０１５−１８２４１９号公報

【発明の概要】

【0004】

この発明は，材料を溶融し，その溶融物を堆積させて積層造形を行う三次元造形技術において，所望の三次元形状を造形するための造形物の新しい断面モデルを提供するものであり，この新しい断面モデルを用いて，所与の目標形状を造形するための造形条件を導出することができる，三次元造形のためのコンピュータ支援製造装置，方法およびプログラムを提供するものである。

【0005】

この発明はまた，上記の導出された造形条件を反映した，三次元造形装置を制御するプログラムを生成する装置を提供するものである。

【0006】

この発明はさらに，三次元造形のための制御プログラム生成装置と，この制御プログラムにしたがって動作する造形装置とを含む造形システムを提供するものである。

【0007】

この発明による三次元造形のためのコンピュータ支援製造装置は，溶融物の所与の積層経路に沿う堆積により造形される三次元造形物の各層の断面についての楕円モデルを表わす特定のパラメータと，その特定パラメータを持つ楕円モデル形状を生じさせる造形条件との関係を表わす実測データベース，所与の目標形状と，前記実測データベースを参照し楕円モデルを用いて予測される予測形状との差分を所与の許容値以下とする造形条件を導出する造形条件導出手段，および前記造形条件導出手段による造形条件の導出を，前記所与の目標形状に定められる制御点ごとに繰返すよう制御する繰返し制御手段を備えるものである。

【0008】

この発明による三次元造形のためのコンピュータ支援製造方法は，溶融物の所与の積層経路に沿う堆積により造形される三次元造形物の各層の断面を楕円によりモデル化し，楕円モデルを表わす特定のパラメータと造形条件との関係を表わす実測データベースを作成しておき，所与の目標形状と，前記実測データベースを参照し楕円モデルを用いて予測される予測形状との差分を所与の許容値以下とする造形条件を，目標形状について定められる制御点ごとに導出するものである。

【0009】

この発明による三次元造形のためのコンピュータ支援製造プログラムは，溶融物の所与の積層経路に沿う堆積により造形される三次元造形物の目標形状が与えられたときに，該目標形状と，前記三次元造形物の各層の断面についての楕円モデルを表わす特定のパラメータとその特定パラメータを持つ楕円モデル形状を生じさせる造形条件との関係を表わす実測データベースを参照し楕円モデルを用いて予測される予測形状と，の差分を所与の許容値以下とする造形条件を導出する造形条件導出プログラムルーチン，および前記造形条件導出ルーチンによる造形条件の導出を，前記所与の目標形状に定められる制御点ごとに繰返すよう制御する繰返し制御プログラム部分を備えるものである。

【0010】

この発明によると溶融物の所与の積層経路に沿う堆積により造形される三次元造形物の各層の堆積物の断面（横断面）を単純な幾何学形状である楕円によりモデル化しているので，モデルが簡素であり，演算も複雑にならなくてすむ。造形物の造形面が隣接する複数経路に沿う溶融物の堆積（複数のビード）により形成される場合には，各経路に沿う個々の堆積（ビード）の断面が楕円モデルで表現される。

【0011】

積層経路に沿う堆積（ビード）の断面に関する実測データベースをあらかじめ作成しておき，この実測データベースを用いて予測形状を演算しているので，実際に則した予測形状を得ることができる。楕円モデルを用いると高さのみならず，幅方向の広がりも考慮されるので，予測形状には精度の高い厚さ（幅）も表現されることになる。したがって，溶融物の堆積により造形物ができ上ったのち，この造形物を切削加工して完成品を形成する場合には，予測形状の幅（厚さ）に基づいて削り代（切削厚さ，または深さ）を決定することも可能となる。

【0012】

一実施態様では，実測データベースには，制御点の複数の環境条件に対応して楕円モデルを表わす特定パラメータが保存されており，各制御点の環境条件に応じた造形条件が導出される。

【0013】

隣接する溶融物（ビード）が存在するかどうかもまた楕円モデルに影響を与えるので，このような環境条件も考慮してデータベースが作成されているから，精度の高い予測モデルの生成が可能となる。

【0014】

他の実施態様では，造形条件導出手段は，目標形状と，前記実測データベースを参照し楕円モデルを用いて算出される予測形状との差分が所与の許容値以下になるまで造形条件を変更しながら予測形状を算出するシミュレート手段を含む。

【0015】

さらに好ましい実施態様では，所与の目標形状を表わすデータを入力する入力手段，たとえばＣＡＤ装置，三次元スキャナー，電子カメラ等をさらに備える。

【0016】

さらに他の実施態様では，造形条件導出手段によって導出された造形条件を反映する，造形装置の制御プログラムを出力する出力手段を備える。出力された制御プログラムは造形装置で好適に利用される。

【0017】

一実施態様では，楕円モデルを表わす前記特定のパラメータは，楕円モデルの水平方向の長径と，積層された溶融物ビードによって再溶融される下層の再溶融領域面積を含む。楕円モデルの他のパラメータに関する値を実測データベースに格納しておくこともできる。

【0018】

他の実施態様では，所与の目標形状と予測形状との差分が目標形状の積層ピッチに関連する値で表わされる。目標形状と予測形状との差分を他のパラメータを用いて算出してもよい。

【0019】

この発明は三次元造形のための制御プログラム生成装置も提供している。この制御プログラム生成装置は，溶融物の所与の積層経路に沿う堆積により造形される三次元造形物の各層の断面についての楕円モデルを表わす特定のパラメータと，その特定パラメータを持つ楕円モデル形状を生じさせる造形条件との関係を表わす実測データベース，所与の目標形状と，前記実測データベースを参照し楕円モデルを用いて予測される予測形状との差分を所与の許容値以下とする造形条件を，目標形状に定められる制御点ごとに，導出する造形条件導出手段，および前記造形条件導出手段によって導出された造形条件を反映する，造形装置の制御プログラムを出力する出力手段を備えているものである。出力される制御プログラムは造形装置で利用される。

【0020】

この発明はさらに三次元造形システムを提供している。この三次元造形システムは，上記の三次元造形のための制御プログラム生成装置と，この制御プログラム生成装置から出力される制御プログラムにしたがって動作する造形装置とを備えるものである。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】三次元造形装置の一例を示す斜視図である。

【図2】溶接装置の一部を示す概念図である。

【図3】コンピュータ支援製造装置の電気的構成を示すブロック図である。

【図4】造形条件の一例示す。

【図5】造形条件を導出する処理装置による処理の流れを示すフローチャートである。

【図6】シミュレーション処理の詳細を示すフローチャートである。

【図7】円筒形状の造形物の例を示す斜視図であり，Ａは目標形状，Ｂは制御点を加えたもの，Ｃは造形形状を示す。

【図8】図７Ａ，Ｂ，Ｃを重ね合わせた斜視図である。

【図9】円筒形状についての積層経路の一例を斜視的に示す。

【図10】ビードの断面の写真である。

【図11】ビードの断面の二次元楕円モデルを示す。

【図12】環境条件（ａ）を示すもので，Ａは斜視図，Ｂは拡大断面図である。

【図13】環境条件（ａ）を示すもので，Ａは斜視図，Ｂは拡大断面図である。

【図14】環境条件（ｂ）を示すもので，Ａは斜視図，Ｂは拡大断面図である。

【図15】環境条件（ｃ）を示すもので，Ａは斜視図，Ｂは拡大断面図である。

【図16】実測データの一例を示すグラフで，トーチ送り速度に対する楕円長径ａの変化を表わす。

【図17】実測データの一例を示すグラフで，トーチ送り速度に対する再溶融面積Ｓ₂の変化を表わす。

【図18】実測データベースの一例を示す。

【図19】特定の制御点についてシミュレートされた一層目の楕円と目標形状との比較の様子を断面図で示し，Ａはシミュレートされた楕円が小さい場合，Ｂは目標形状に近づいた場合を示す。

【図20】特定の制御点についてシミュレートされた二層目の楕円と目標形状との比較の様子を断面図で示し，Ａはシミュレートされた楕円が大きい場合，Ｂは目標形状に近づいた場合を示す。

【図21】出力される数値制御プログラムの一例を示す。

【図22】円錐形状の造形物の例を示す斜視図であり，Ａは目標形状，Ｂは制御点を加えたもの，Ｃは造形形状を示す。

【図23】図22Ａ，Ｂ，Ｃを重ね合わせた斜視図である。

【図24】円錐形状の目標形状について，特定の制御点についてシミュレートされた二層目の楕円と目標形状との比較の様子を断面図で示し，Ａはシミュレートされた楕円が小さい場合，Ｂは目標形状に近づいた場合を示す。

【図25】円筒形状の上端縁に外方に延びるフランジが形成された目標形状について，楕円モデルを積層していく様子を示す断面図である。

【実施例】

【0022】

三次元造形システムは，三次元造形装置（図１）とコンピュータ支援製造（ＣＡＭ：Computer aided manufacturing ）装置（図３）とを含む。

【0023】

まず三次元造形装置について図１を参照して簡単に説明する。三次元造形装置は既に知られているものを使用することができる。この実施例では，肉盛溶接技術を利用して金属材料（溶接ワイヤ）を溶融し，その溶融物を堆積させて三次元積層造形を行う。したがって，三次元造形装置10は，移動機構（装置）20と溶接装置30とから構成される。

【0024】

移動機構（装置）20は代表的には数値制御装置であるが（以下，移動装置を数値制御装置という），ロボット装置（直交型ロボット，スカラロボットのいずれでもよい）なども利用できる。この実施例では，溶接装置30のトーチ31および回転体29上の基板Ｓu の少なくともいずれか一方を相対的に，三次元直交３軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ軸）方向への移動，Ｘ軸のまわりの回転（Ａ方向回転）およびＺ軸のまわりの回転（Ｃ方向回転）が可能である。Ｃ方向回転は連続的に 360度以上の回転が可能であるが，Ａ方向回転は 180度の範囲で充分である。基板Ｓu は回転体29上に固定される（固定具は図示略）。Ｚ軸方向が鉛直方向にとられており，Ｚ軸に垂直な平面がＸＹ平面である。図示の状態では回転体29上の基板Ｓu は水平である。

【0025】

数値制御装置20において，固定された基台21の上面の案内面21Ａに沿ってＸ方向可動体22がＸ軸方向に移動自在に支持されている。Ｘ方向可動体22の前面の案内面22Ａに沿って昇降体23が上下方向（Ｚ方向）に移動自在に支持されている。昇降体23にはトーチ31を有する後述する溶接装置30の一部が固定されている。基台21に固定されたＹテーブル24の案内面24Ａに沿ってＹ方向に移動自在にＹ方向可動体25が支持されている。可動体25の両側部に支持体26が設けられ，この支持体26に回転体27がそれぞれＡ方向に回転自在に支持されている。両側の回転体27の間において，それらの回転中心の位置に支持体28が固定的に支持されている。支持体28は回転体27の回転に伴って 180度の範囲で回転自在である。支持体28には回転体29が回転自在に支持されている。上記のように回転体29上に基板Ｓu が固定される。回転体29の表面が水平であれば，基板Ｓu は水平面内で回転する。支持体28が90度回転して，回転体29の表面が垂直になると，回転体29の表面に固定された基板Ｓu は垂直面内で回転する。可動体22，25，昇降体23の移動のための駆動装置（モータや回転／移動変換機構など）（図示略）が設けられ，これらの可動体22，25，昇降体23が移動駆動される。また回転体27，29の回転駆動装置（モータ，歯車など）（図示略）がそれぞれ支持体26，28に設けられ，これらの回転体が回転駆動される。数値制御装置10において，Ｙ軸のまわりに回転させる機構を設けることもできる。なお，運動，移動の座標系として極座標系等を用いる機構でもよい。

【0026】

図２は溶接装置の一部を示すものである。溶接装置30は，溶接電源33，溶接ワイヤ32の供給装置（図示略），シールドガスボンベおよび供給ホース（図示略）等を備えている。図２には基板Ｓu 上に溶接金属が第１層Ｌ１，第２層Ｌ２および第３層Ｌ３の一部まで積層された状態が描かれている。トーチ31の先端に送給される溶接金属ワイヤ32と基板Ｓu との間に電源33によって電圧が印加され，溶接ワイヤ32の先端と基板Ｓu または造形物（積層物Ｌ３など）（ビード）との間にアーク放電Ａrcが発生する。これにより溶接ワイヤ32が溶融して滴下し（溶滴），溶融池Ｐo が形成される。基板Ｓu と溶接トーチ31（ワイヤ32）の位置を上述の数値制御装置20により相対的に移動させながら，溶融金属の滴下，堆積（固化）のプロセスを行うことにより，積層造形が進行していく。すなわち，トーチ31がＸＹ平面（基板Ｓu の面）上を移動することにより，層が形成され，この操作をトーチ31をＺ軸に沿って上昇させながら繰返す。アーク放電の周囲はトーチ31内から噴出されるシールドガスＧによって覆われ，金属材料の酸化が防止される。必要に応じて，冷却水により造形物表面を冷却することもできる。

【0027】

図３は，図１の三次元造形装置とともに三次元造形システムを構成するコンピュータ支援製造（ＣＡＭ）装置の電気的構成例を示している。このコンピュータ支援製造装置40の主構成要素は処理装置41であり，コンピュータシステム（たとえばパーソナルコンピュータ）によって実現される。処理装置41は，後述するように，造形条件導出手段，繰返し制御手段，シミュレーション手段，出力手段，入力手段等として機能する。処理装置41は目標形状，シミュレーション形状，数値制御装置の制御プログラム等を表示する表示装置42や，各種データや後述するデータベースを格納するメモリ装置43を備えている。造形すべき目標形状は，電子カメラ46や三次元スキャナー47から得られる対象物を表わすデータ（画像データ）に基づいて処理装置41において生成されるか，またはＣＡＤ（Computer Aided Design ）システム48において生成され，ＣＡＤデータとして処理装置41に入力される（これらは入力手段の一部を形成する）。処理装置41にはさらに入出力装置45が接続される。入出力装置45は通信装置や記録媒体（ＣＤＲやＵＳＢメモリ）のリーダ／ライタで実現される。処理装置41において生成された後述する制御プログラムは入出力装置45を通して（すなわち，通信によって，または記録媒体を通して）数値制御装置20に与えられる。

【0028】

図４は造形条件の一例を示している。造形装置が溶接装置を含む場合には，造形条件は溶接装置の運転ないしは制御条件である。この実施例では，溶接装置の運転，制御条件として図４に示すものがある。溶接ワイヤに関しては，ワイヤ材料，ワイヤ径ｄw （mm），ワイヤ送給速度Ｆw（mm／min）がある。溶接電流Ｉ（Ａ）と溶接電圧（Ｖ）は電源33から供給されるものである。トーチ送り速度Ｆ（mm／min）はトーチ31（ワイヤ32）と基板Ｓuまたは造形物との相対移動速度である。積層数は所望の形状にするための層数である。積層金属の冷却速度の制御や駆動体や支持体の保護のために冷却装置を備えており，冷却方法は一般には水冷である。シールドガスはガスの種類，混合比等を指し，その流量がシールドガス流量（L／min）である。特に重要なものは，ワイヤ送給速度Ｆw ，トーチ送り速度Ｆ，溶接電流Ｉ，溶接電圧Ｖ等である。

【0029】

図５は後述する楕円モデルを用いて造形形状を予測し，この予測形状と所与の目標形状との差分が小さくなる（許容値以下となる）ように，造形条件を変更し，最終的に，所望の目標形状に近い形状の造形物を造形する造形条件（造形装置の制御プログラム）を導出する処理装置41による処理の流れ（フローチャート）を示すものである。図６は，図５のステップＳ16のビード形状のシミュレーションの処理の詳細を示すフローチャートである。これらのフローチャートに沿って，他の図面も参照しながら処理装置41による処理について以下に説明する。

【0030】

まず目標形状を取得する（Ｓ11）。目標形状は，たとえばＣＡＤシステム48からＣＡＤデータとして処理装置41に与えてもよいし，電子カメラ46または三次元スキャナー47で取得した画像データに基づいて目標形状を表わすデータを処理装置41において生成することもできる。次に積層ピッチＰを取得する（Ｓ12）。積層ピッチＰは積層造形する各層の厚さ（高さ）であり，造形精度を表わす。積層ピッチはデフォルト値でもよいし，ユーザが入力してもよいし，目標形状の大きさに応じて演算式（経験式）によって算出してもよい。そして，目標形状に応じた積層経路（積層パス）を演算し，各制御点Ｃp を決定する（Ｓ13）。積層経路，制御点等も目標形状を表わす（関連する）要素である。

【0031】

図７Ａ，Ｂ，Ｃは，目標形状，そこに設定された制御点Ｃp および造形形状（ここではシミュレーションされた形状）の一例を示すものである。目標形状の例として円筒（底なし）が示されている。ＸＹ座標系の原点が目標形状の円筒内の中心の最も低い位置にとられている。制御点Ｃp は図９に示す積層経路（積層パス）に沿って所定間隔（溶融物の制御精度に依存して定められる）ごとに定められる。この実施例では積層経路は目標形状の外周面に沿って設定されるので，制御点Ｃp は目標形状の外周面上に存在するように描かれている。肉盛溶接により最終的に形成された造形物，すなわち図７Ｃの造形形状に描かれている形状の造形物を，数値制御（ＮＣ）工作機械等を用いて切削加工することにより，図７Ａに示される目標形状を持つ最終製品（最終造形物）が得られる。

【0032】

図８は，図７Ａ，Ｂ，Ｃの図形を重ねて表現した図形を示している。目標形状，制御点の位置および造形形状の相互の関係が理解できよう。

【0033】

図９は三次元造形において溶融物を堆積していく積層経路の一例を示している。第１層目の経路は点ＳＰ１から始まり，円筒形の一層をほぼ一廻りして点ＳＰ１の手前の点ＥＰ１で終る。次に第２層目は，点ＳＰ１，ＥＰ１等とは円周方向に離れた位置において，第１層の経路から１ピッチＰ分，上昇した点ＳＰ２から始まり，円形状にほぼ一周して点ＳＰ２の直前の点ＥＰ２で終る。第３層目の経路は，さらに点ＳＰ２からは円周方向に離れた点ＳＰ３（第１層目から２ピッチ分，高さが高い）から始まる。各層の開始（出発点）（終了（終着）点）を平面上の同じ位置にしない方が良いことが経験上分っているので，積層経路を描画（演算）するプログラムには，適当な角度ずつ（等角度またはランダムに）変えるべき指令が入れられている。上述した制御点はこれらの積層経路上に定められる。

【0034】

積層される各層を，肉盛技術の分野ではビードという。ビード形状は溶融池の形状により決定される。溶融池の形状は，材料の重力，表面張力，アーク圧力などの影響を受ける。複数層にわたって積層したビードの積層方向（ＸＹ平面における溶接トーチの移動方向に直交する方向）の断面形状の一例のマイクロスコープ写真が図10に示されている。各ビードの断面形状（二次元形状）を単純な幾何形状である楕円としてモデル化する（楕円Ｄ１，Ｄ２等）。そして図11に示すように楕円形状をその一部を重複させて積み重ねることにより，造形物の積層形状を描画する。断面形状は，少なくとも積層経路に沿う制御点間では，堆積進行方向に（積層経路方向）にほぼ同形である。

【0035】

図10において，積層された金属の組織の違いにより，最上層のビード（楕円Ｄ１の符号Ｓ₁で示す範囲）を積層したときに，その下層のビードの上部（楕円Ｄ２の符号Ｓ₂で示す範囲）が最上層のビードの熱の影響で再溶融していることが分る。ここで上層（最上層）のビードにおける符号Ｓ₁ を，上層のビードを形成するときにあらたに投入された金属材料の断面積（ビード単位長当りの体積）と定義する。また，符号Ｓ₂ を，下層（最上層から２番目の層）のビードにおいて上層のビート積層時に上層の熱により再溶融された領域の断面積（ビード単位長当りの体積）と定義する。

【0036】

図11に示す楕円モデルにおいては，符号Ｓ₁ は上層（最上層）の楕円の，下層の楕円とは重なっていない部分の面積であり（一重のハッチングで示す），符号Ｓ₂ は上下層２つの楕円の重なり合った部分の上部の面積（二重のハッチングで示す）である。楕円のパラメータとして，さらに，水平方向の径（長径）ａと，垂直方向の径（短径）ｂを採用する。さらに，造形途上のパラメータとして，最上層（上層）の楕円の中心点の高さ（基板Ｓu からの高さ）をｚと定義する。

【0037】

これらの楕円のパラメータＳ₁，Ｓ₂，ａ，ｂおよびｚは，造形条件（図４）によって変化する。

【0038】

このうち，長径ａと断面積Ｓ₂ は断面写真に基づいて実測可能である。したがって，各種造形条件を変えながら，実測し，そのデータベースをあらかじめ作成しておく（詳しくは後述する）。

【0039】

断面積Ｓ₁ （単位長当りの体積）は，ビード形成のためにあらたに投入された金属材料の断面積（単位長当りの体積）に等しい。また，Ｓ₁ は他のパラメータｂ，ｚに依存するので，ｂ，ｚを用いた関係式（関数）をｆ（ｂ，ｚ）とすると，次式が成立つ。

【0040】

【数1】

【0041】

ここでｄw は材料となるワイヤの直径（mm），Ｆw はワイヤの送給速度（送り速度）（mm／min），Ｆはトーチ送り速度（mm／min）であり，実測（実験）の条件から既知の値である。また，Ｓ₂ は未知のパラメータｂ，ｚに依存するので，ｂ，ｚを用いた関係式（関数）をｇ（ｂ，ｚ）とすると，
Ｓ₂＝ｇ（ｂ，ｚ） ‥‥式(2)
と表わすことができる。Ｓ₂ は上述のように実測する。式(1)と式(2)を連立すると，未知のパラメータｂ，ｚを既知のソフトウェアによって求めることができる。

【0042】

さらにビード形成時のビードの置かれた周辺環境に応じて上述した楕円パラメータは変わる。この環境の代表例として次の３種類を挙げておく。

【0043】

環境条件（ケース）（ａ）は図12，図13に示されている。環境条件（ａ）は平面上にビードを最初に，単独で形成する場合である。図12Ａ，Ｂ（Ａは斜視図，Ｂは拡大断面図，以下同じ）は基板Ｓu 上に最初のビードを形成する場合を示し，図13Ａ，Ｂは複数のビードが並列に形成された層（平面とみなせる）の上に最初のビードを形成する場合である。

【0044】

環境条件（ケース）（ｂ）は図14に示され，１ビード（１パス）ずつ積上げられていく場合であり，特に壁構造やシェル構造を造形する場合の条件である。この場合でも，最下層のビードは環境条件（ａ）に当ることになる。

【0045】

環境条件（ケース）（ｃ）は，図15に示され，既に形成されたビードがあり，既に形成されたビードに隣接してビードを造形する場合である。この場合でも，並列して形成された最下層のビードの最初のビードについては環境条件（ａ）に当り，第２層目であっても最初のビードについては環境条件（ａ）に当る。

【0046】

実測データの一例を図16，図17を参照して説明する。図16は，環境条件（ｂ）において，造形条件のうちトーチ送り速度Ｆを変えて楕円モデルのパラメータａ（直径）を実測した例をグラフで示すものである。図17は，環境条件（ｂ）においてトーチ送り速度Ｆを変えて楕円モデルのパラメータＳ₂ を実測した例をグラフで示すものである。トーチ送り速度75mm／minから250mm／minの範囲では，ａ，Ｓ₂のいずれもトーチ送り速度Ｆと線形の関係にある。後述するデータベースには個々の実測値に代えてこの線形関係を表わす式を記憶させておいてもよい（またはプログラムに式を組込んでおいてもよい）。

【0047】

図18は，メモリ装置43に設けられている実測データベースの一例を示すものである。楕円パラメータのうち，長径ａの実測値と再溶融面積Ｓ₂ の実測値が，上述した環境条件（ａ），（ｂ），（ｃ）のそれぞれについて，造形条件のいくつかの値を変えてあらかじめ実測した結果として記憶されている。特に長径ａについては造形条件のうち，ワイヤ送給速度Ｆw ，溶接電流Ｉ，溶接電圧Ｖおよびトーチ送り速度Ｆに依存するので，これらの造形条件を適当な間隔で変えて長径ａの値を実測しておくとよい。面積Ｓ₂ については，特に溶接電流Ｉ，溶接電圧Ｖおよびトーチ送り速度Ｆに依存するので，これらの条件を変えながら面積Ｓ₂ をマイクロスコープ写真に基づいて実測しておくとよい。もちろん，ワイヤ送給速度Ｆw を変えてもよい。他の造形条件については固定でも，いくつかの代表値を採用するというように，変化させてもよい。

【0048】

さて，図５に戻って，与えられた目標形状について積層経路と制御点が定まると，各制御点（ＸＹＺ座標系の座標値で規定される）ごとに，造形条件を導出する処理（Ｓ14〜Ｓ21）に進む（造形条件導出手段，繰返し制御手段）。

【0049】

制御点ごとに環境条件が異なることがあるので，その制御点の環境条件が上述した（ａ），（ｂ），（ｃ）のいずれかであるかが判断される（Ｓ14）。この判断により，実測データベース中の採用すべきデータ群の範囲が定まる。造形条件の初期値はデフォルト値でもよいし，前回の処理ルーチンで決定した一つ前の制御点の造形条件を採用してもよい（Ｓ15）。

【0050】

そして，上のようにして与えられた造形条件の下で造形されるであろうその制御点についてのビード形状（断面形状，二次元形状）のシミュレーションが行なわれる（Ｓ16）（シミュレート手段）。シミュレーション処理の詳細を示す図６を参照して，楕円のパラメータのうちの短径ｂの初期値および楕円の中心の高さｚの初期値を取得する（Ｓ31，Ｓ32）。これらの初期値はデフォルト値でもよい（特に，各層の最初の楕円の高さｚの場合），または前回求めた制御点の対応する値でもよい。

【0051】

図５，Ｓ14で定められた環境条件の中で，図５，Ｓ15で取得，または後述するＳ18で変更された造形条件（所与の造形条件）における楕円パラメータａ（長径）およびＳ₂ （再溶融面積）をデータベースから読み出す（Ｓ33）。また式(1) にしたがう演算を行い，新たに投入される材料による面積Ｓ₁ を所与の造形条件から算出する（Ｓ34）。

【0052】

初期値として与えられたパラメータｂとｚが所与の造形条件から導き出された他のパラメータａ，Ｓ₂，Ｓ₁を満たすように修正される。すなわち，与えられたパラメータａ，ｂ，ｚによって描かれる制御点における楕円について，Ｓ₁，Ｓ₂が演算され（たとえば画素数のカウント），演算されたＳ₂とＳ33で読出したＳ₂との差分が所定の許容値以下となるようにパラメータｚの値が変更され（Ｓ37，Ｓ38），演算されたＳ₁ とＳ34で計算されたＳ₁ との差分が所定の許容値以下となるようにパラメータｂの値が変更される（Ｓ39，Ｓ40）。このようにして，所与の造形条件に適合するパラメータｂ，ｚが求まると，Ｓ33で読出したパラメータａを用いて，その制御点における楕円形状が描画される（Ｓ41）。この楕円形状は必要に応じて表示装置に表示される。

【0053】

このようにして，着目している特定の制御点に関して楕円形状（予測形状）が描画されると，その制御点における目標形状と合致するか（誤差が許容範囲内か）がチェックされる（Ｓ17）。

【0054】

このチェックは，たとえば，描画された楕円（２層目以降は積層された楕円）（予測形状）の頂部の高さ位置と目標形状の該当する頂部の高さ位置（積層経路におけるピッチにより算出可能）とを比較することにより行なわれる。

【0055】

図19Ａは第１層目の比較を，図12Ａは第２層目の比較の様子を示している。図５，Ｓ16のシミュレーションで求められた楕円のパラメータによって描画される制御点の楕円（予測形状）の頂部（頂点）の高さは，
ｚ＋ｂ／２ ‥‥式(3)
で与えられる。

【0056】

また，目標形状の楕円の頂部（頂点）の高さは，ピッチＰの加算値（図19では第１層目のピッチ分，図20では第１層目と第２層目のピッチの和）で表わされる。

【0057】

シミュレーションによる形状（頂部の高さ）と目標形状（ピッチの和）との差分の絶対値が許容値を超えている場合には，上記の差分が小さくなる方向に造形条件（Ｓ15の初期値，またはＳ18で変更された値）が修正される（Ｓ18）。図19Ａではシミュレーションによる形状が目標形状よりも小さいので，シミュレーション形状を大きくする方向に（図19Ｂ参照），図20Ａではシミュレーションによる形状が目標形状よりも大きいので，シミュレーション形状を小さくする方向に（図20Ｂ），造形条件の代表的な一つ，または複数がその優先順位等にしたがって変更される。必要に応じてＳ16〜Ｓ18の処理が，シミュレーション形状と目標形状との差が許容値以下となるまで繰返される（Ｓ17）。

【0058】

着目している制御点について造形条件が定まると，その造形条件を出力（メモリ装置43の所定のエリアに記憶）し，次の制御点に移動してＳ14〜Ｓ20の処理を繰返す。一層分の造形条件導出処理，すなわち，ある層の開始点（ＳＰ１，ＳＰ２など）から終了点（ＥＰ１，ＥＰ２など）までのすべての制御点について造形条件の導出が終了すると（Ｓ21でYES ），終了した一層分を加えて，それまでにシミュレーションされた造形物の形状をメモリ上で描画し，必要に応じて表示装置42に表示する（Ｓ22）。

【0059】

Ｓ14からＳ22までの処理を造形物（目標形状）の最上層に至るまで繰返し（Ｓ23），最上層に至ると，ポストプロセスに移る（Ｓ24）。

【0060】

ポストプロセス（出力手段）では，上述のようにして導出された制御点ごとの造形条件が造形装置の制御装置の制御プログラム（たとえば数値制御装置20のＮＣ制御プログラム）として出力されるとともに，図７Ｃに示すような造形形状を表わすデータが入出力装置45から出力され，必要に応じて数値制御装置20に与えられる。また，必要に応じて表示装置42に表示される。

【0061】

図21は作成された造形条件を含む造形制御プログラムの例である。簡単に説明すると次の通りである。

【0062】

Ｇ９０は絶対座標系（図７Ａに示す座標系）を示し，Ｇ００Ｘ０．Ｙ０．はＸＹ座標原点までの早送り命令を表わし，Ｇ００Ｚ０．はＺ座標原点までの早送り命令を示す。Ｎ００１は一層目であることを示し，次のＧ００から始まる行は，Ｘ座標0.0000，Ｙ座標−20.0000 ，Ｚ座標0.0000（すなわち開始点ＳＰ１）までの早送り命令を示す。Ｍ０３は積層開始命令，Ｇ０４Ｐ１．は一秒停止命令である。Ｇ０１で始まる行は，トーチ送り速度Ｆ194.90，その他の造形条件（図示略）で，次の制御点（Ｘ座標3.1287，Ｙ座標−19.7538 ，Ｚ座標0.0000）まで積層造形すべきことを命令する。以下，同じように，各制御点まで与えられた造形条件で造形していくことになる。制御点は造形条件や造形（積層）方向を変更する位置を示す。制御点間は一般に直線的に移動して積層していくので，制御点間は短い方が分解能が高い。また，造形条件を変更できるので，複雑な形状にも対応しうる。

【0063】

Ｍ０５は積層動作終了を示し，次のＮ００２は第２層目を表わす。第２層目では開始点の位置と造形条件が第１層目とは異なっていることが分る。

【0064】

図22Ａは円錐形状の目標形状を示し，図22Ｂはそれに制御点を加えた図，図22Ｃは造形形状を示す。図23は図22Ａ〜Ｃを重ねた図である。このように，円錐形状の造形も可能である。

【0065】

円錐形状の造形の場合には，二次元楕円モデルを図24に示すように，斜めに積層していくことになる。図24Ａは許容値を超える差分が生じている様子，図24Ｂは差分が小さくなった様子を示している。必要に応じて，積層する斜めの傾きが大きい場合には，回転体29上の基板Ｓu を傾けてもよい（回転体27によるＡ方向回転）。

【0066】

図25は円筒形上の上端縁に水平外方に延びるフランジを造形するモデルを示すものである。図25に示す断面に則して述べれば楕円形状のモデルを垂直方向に積層して，最上層に達した後，基板Ｓu を90度回転させ（回転体27による90度回転），フランジ部分を積層させていけばよい。もちろん，各層において，基板Ｓu （回転体29）を回転させ，積層箇所（制御点）が円を描くように材料の堆積を進行させるのはいうまでもない。

【0067】

以上，肉盛溶接技術による積層造形について説明したが，他のタイプの指向性エネルギー堆積技術にもこの発明は適用可能である。

【符号の説明】

【0068】

10 三次元造形装置
20 移動機構（装置）（数値制御装置）
29 回転体
30 溶接装置
31 トーチ
32 溶接金属ワイヤ
33 電源
40 コンピュータ支援製造装置
41 処理装置
42 表示装置
43 メモリ装置
45 入出力装置
46 電子カメラ
47 三次元スキャナー
48 ＣＡＤシステム
Ｓu 基板
Ｃp 制御点
Ｄ１，Ｄ２ 楕円
ａ 水平方向の径（長径）
ｂ 垂直方向の径（短径）
ｚ 高さ
Ｓ₁ 新たに投入された金属材料の断面積
Ｓ₂ 再溶融面積

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】