特許 6765359 構造体の製造方法、及び構造体

(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】6765359

(24)【登録日】2020年9月17日

(45)【発行日】2020年10月7日

(54)【発明の名称】構造体の製造方法、及び構造体

(51)【国際特許分類】

   B22D 19/00 20060101AFI20200928BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20200928BHJP

   B33Y 80/00 20150101ALI20200928BHJP

   B22D 23/00 20060101ALI20200928BHJP

   B22C 9/02 20060101ALI20200928BHJP

【ＦＩ】

   B22D19/00 Z

   B33Y10/00

   B33Y80/00

   B22D23/00 Z

   B22C9/02 101Z

【請求項の数】13

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2017-195237(P2017-195237)

(22)【出願日】2017年10月5日

(65)【公開番号】特開2019-63859(P2019-63859A)

(43)【公開日】2019年4月25日

【審査請求日】2019年9月30日

(73)【特許権者】

【識別番号】000001199

【氏名又は名称】株式会社神戸製鋼所

(74)【代理人】

【識別番号】110002000

【氏名又は名称】特許業務法人栄光特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】黄 碩

(72)【発明者】

【氏名】山田 岳史

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 伸志

【審査官】 瀧口 博史

(56)【参考文献】

【文献】 特許第３７８４５３９（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 米国特許出願公開第２０１３／０１９７６８３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 中国特許出願公開第１０１８１７１２１（ＣＮ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１１３６１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−１６１９５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−０６８１０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２７４３２７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２２Ｄ １９／００

Ｂ２２Ｃ ９／０２

Ｂ２２Ｃ ９／０６

Ｂ３３Ｙ １０／００

Ｂ３３Ｙ ８０／００

Ｂ２３Ｋ ９／０４

Ｂ２２Ｄ ２７／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

アークにより溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードをベース上に積層して、少なくとも構造体の外殻を含む積層壁部を造形した後、造形された前記積層壁部で囲まれた内側空間に、鋳湯を流し込んで鋳物部を形成する構造体の製造方法であって、
前記構造体の水平断面における前記鋳物部及び当該鋳物部を挟む一対の前記積層壁部を通る直線であって、前記積層壁部のいずれかの位置の法線を特徴線としたとき、前記位置で前記特徴線により挟まれた前記鋳物部の前記特徴線に沿った肉厚に応じて、前記特徴線に沿った一対の前記積層壁部の合計肉厚を変化させる構造体の製造方法。

【請求項2】

前記積層壁部は、前記外殻の内側に前記溶着ビードにより造形された内殻を含み、
前記積層壁部の合計肉厚は、前記外殻の肉厚と前記内殻の肉厚とを合わせた厚さである請求項１に記載の構造体の製造方法。

【請求項3】

前記特徴線は、前記外殻の法線である請求項２に記載の構造体の製造方法。

【請求項4】

前記特徴線は、前記内殻の法線である請求項２に記載の構造体の製造方法。

【請求項5】

前記特徴線に沿った前記鋳物部の肉厚と、一対の前記積層壁部の合計肉厚との比率を予め設定し、
設定された前記比率に基づいて前記特徴線に沿った前記鋳物部の肉厚と、一対の前記積層壁部の合計肉厚を決定する請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の構造体の製造方法。

【請求項6】

前記比率は、前記構造体の前記水平断面内において一定値である請求項５に記載の構造体の製造方法。

【請求項7】

前記比率は、前記構造体の互いに異なる高さの前記水平断面で、それぞれ同じ一定値である請求項６に記載の構造体の製造方法。

【請求項8】

溶加材の溶融凝固体である溶着ビードがベース上に積層された積層壁部と、前記積層壁部で囲まれた内側空間に形成された鋳物部とを有する構造体であって、
前記構造体の水平断面における前記鋳物部及び当該鋳物部を挟む一対の前記積層壁部を通る直線であって、前記積層壁部のいずれかの位置の法線を特徴線としたとき、前記位置で前記特徴線により挟まれた前記鋳物部の前記特徴線に沿った肉厚に応じて、前記特徴線に沿った一対の前記積層壁部の合計肉厚が変化している構造体。

【請求項9】

前記積層壁部は、前記構造体の外殻と、前記外殻の内側に前記溶着ビードにより造形された内殻とを含み、
一対の前記積層壁部の合計肉厚は、前記外殻の肉厚と前記内殻の肉厚とを合わせた厚さである請求項８に記載の構造体。

【請求項10】

前記特徴線は、前記外殻の法線である請求項９に記載の構造体。

【請求項11】

前記特徴線は、前記内殻の法線である請求項９に記載の構造体。

【請求項12】

前記特徴線に沿った前記鋳物部の肉厚と前記積層壁部の合計肉厚との比率は、前記水平断面内で一定である請求項８〜請求項１１のいずれか一項に記載の構造体。

【請求項13】

前記比率は、前記構造体の互いに異なる前記水平断面で一定である請求項１２に記載の構造体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、構造体の製造方法、及び構造体に関する。

【背景技術】

【0002】

機械部品を鋳造により製造する場合、まず、製品の模型となる木型（金属、樹脂の場合もある）を作製し、この木型を基に砂型を造る。次いで、砂型に鋳湯を流し込み、砂型のキャビティ内で鋳物品を完成させる。しかし、このような鋳造においては、木型や砂型の作製に多くの工数を要し、完成品を得るまでのリードタイムが長くなってしまう。更に、少量生産の場合には、木型や砂型のコストが製品に付加されて製造コストが嵩む要因となる。

【0003】

一方、新規な生産手段として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、レーザや電子ビーム、更にはアーク等の熱源を用いて、金属粉体や金属ワイヤを溶融させ、溶融金属を積層させることで造形物を作製する。

【0004】

このような溶融金属を積層して造形物を造形する技術として、溶着ビードを用いて金型を製造するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１には、金型の形状を表現する形状データを生成する工程と、生成された形状データに基づいて、金型を等高線に沿った積層体に分割する工程と、得られた積層体の形状データに基づいて、溶加材を供給する溶接トーチの移動経路を作成する工程と、を備える金型の製造方法が記載されている。

【0005】

また、金属積層造形法を用いて中空部を有する金属成形体を製造し、この金属成形体を鋳包んで中空部が外部と連通した鋳造品を製造する製造方法が特許文献２に記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特許第３７８４５３９号公報

【特許文献2】特開２０１４−１１３６１０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、特許文献１の技術は、金型の製造方法に関するものであり、機械部品を大量に生産するための技術、特に、少量生産される機械部品の製造技術については記載されていない。また、特許文献２の技術は、金属積層造形法によって形成された金属成形体を鋳包んで、中空部を有する鋳物品を製造する技術である。そのため、金属成形体を鋳包む砂型、及び砂型を製作するための木型が不可欠であり、リードタイムが長くなる。また、少量生産時には、木型や砂型のコストについての課題が残る。

【0008】

そして、鋳物品を製造する際、鋳物部の肉厚が部位によって異なる場合、肉厚が小さい部位では鋳湯が早く凝固し、肉厚が大きい部位では鋳湯が遅く凝固する。このように、鋳湯の凝固時の冷却速度が異なると、下記の（１）〜（３）の問題を生じてしまう。
（１）冷却速度の不均一により、鋳物部の機械的性質が不均一となる。
（２）鋳物部に残留応力が発生する。
（３）厚肉の部位に欠陥（引け巣）、割れ（き裂）が発生しやすい。

【0009】

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、構造体を低コスト、且つ、リードタイムを短縮して製造でき、しかも、材料特性の差違、残留応力、欠陥等の発生を抑制できる構造体の製造方法、及び構造体を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明は下記構成からなる。
（１） アークにより溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードをベース上に積層して、少なくとも構造体の外殻を含む積層壁部を造形した後、造形された前記積層壁部で囲まれた内側空間に、鋳湯を流し込んで鋳物部を形成する構造体の製造方法であって、
前記構造体の水平断面における前記鋳物部及び当該鋳物部を挟む一対の前記積層壁部を通る直線であって、前記積層壁部のいずれかの位置の法線を特徴線としたとき、前記位置で前記特徴線により挟まれた前記鋳物部の前記特徴線に沿った肉厚に応じて、前記特徴線に沿った一対の前記積層壁部の合計肉厚を変化させる構造体の製造方法。
（２） 溶加材の溶融凝固体である溶着ビードがベース上に積層された積層壁部と、前記積層壁部で囲まれた内側空間に形成された鋳物部とを有する構造体であって、
前記構造体の水平断面における前記鋳物部及び当該鋳物部を挟む一対の前記積層壁部を通る直線であって、前記積層壁部のいずれかの位置の法線を特徴線としたとき、前記位置で前記特徴線により挟まれた前記鋳物部の前記特徴線に沿った肉厚に応じて、前記特徴線に沿った一対の前記積層壁部の合計肉厚が変化している構造体。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、構造体を低コスト、且つ、リードタイムを短縮して製造でき、しかも、材料特性の差違、残留応力、欠陥等の発生を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の構造体を製造する製造システムの模式的な概略構成図である。

【図2】第１構成例の構造体の斜視図である。

【図3】ベースプレート上に第１層目の移動軌跡に沿ってトーチを移動させ、第１層目の溶着ビードを形成した状態を示す工程説明図である。

【図4】構造体の水平方向の断面図である。

【図5】図４に示すＡ部の部分拡大図である。

【図6】第２構成例の構造体の概略斜視図である。

【図7】図６に示す構造体のVII−VII線断面図である。

【図8】第３構成例の構造体の概略斜視図である。

【図9】図８に示す構造体のIX−IX線断面図である。

【図10】第４構成例の構造体の概略斜視図である。

【図11】図１０に示す構造体のXI−XI線断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

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。
図１は本発明の構造体を製造する製造システムの模式的な概略構成図である。
本構成の製造システム１００は、積層造形装置１１と、鋳造装置１３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。コントローラ１５は、鋳造装置１３を含めて制御するものであってもよい。

【0014】

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。

【0015】

鋳造装置１３は、不図示の加熱炉によって加熱された鋳湯２５を貯留するるつぼ２７を有し、不図示の注湯機構によって鋳湯２５が所望の位置に供給可能となっている。これら積層造形装置１１と鋳造装置１３は、本構成においては、それぞれ既存の装置が用いられる。

【0016】

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。
溶接ロボット１９は、多関節ロボットであり、先端軸に設けたトーチ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。

【0017】

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、作製する構造体の外殻及び内殻となる積層壁部Ｗに応じて適宜選定される。

【0018】

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４１上に溶加材Ｍの溶融凝固体である線状の溶着ビード４３が形成される。

【0019】

ＣＡＤ／ＣＡＭ部３１は、作製しようとする構造体の外殻及び内殻となる積層壁部Ｗの形状データを作成した後、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に基づいてトーチ１７の移動軌跡を求める。記憶部３５は、生成された層形状データやトーチ１７の移動軌跡等のデータを記憶する。

【0020】

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の移動軌跡に基づく駆動プログラムを実行して、溶接ロボット１９を駆動する。

【0021】

上記構成の製造システム１００は、設定された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ながら、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４１上に供給する。これにより、ベースプレート４１上に線状の溶着ビード４３が形成され、上記した積層壁部Ｗがベースプレート４１上に造形される。

【0022】

なお、ベースプレート４１は、鋼板等の金属板からなり、基本的には積層壁部Ｗの底面（最下層の面）より大きいものが使用される。なお、ベースプレート４１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。

【0023】

積層壁部Ｗの造形後、鋳造装置１３により、造形された積層壁部Ｗの内側空間４５に鋳湯２５を流し込む。流し込んだ鋳湯２５が凝固すると、積層壁部Ｗの内側に鋳物部４７が形成された構造体が得られる。

【0024】

次に、上記構成の製造システム１００により、積層壁部Ｗの造形と鋳物部４７の形成とを実施して構造体を得るまでの具体的な手順について詳述する。
＜第１構成例＞
図２は第１構成例の構造体の斜視図である。
一例として示す本構成の構造体５１は、ギヤポンプの外筒として使用される中空のケーシングである。この構造体５１は、積層壁部Ｗと、積層壁部Ｗの内側空間４５に鋳湯を流し込んで凝固させた鋳物部４７とを有する。

【0025】

積層壁部Ｗは、ギヤポンプの外筒の骨格を形成する断面略楕円形の外殻５５と、外殻５５の内側に形成された断面円弧状の内殻５７とを有する。内殻５７は、２つの円筒体が互いの半径距離よりも近くに平行配置されて一つの内壁として繋がった形状を有する。一対の部分円筒状の内壁によって画成された中空空間には、それぞれポンプのロータが挿入され、内殻５７の内側面がロータの対向面となる。

【0026】

上記構成の構造体５１は、以下に示す手順によって作製される。即ち、図１に示すＣＡＤ／ＣＡＭ部３１が、記憶部３５が有する構造体５１の積層壁部Ｗの形状データを入力し、入力された形状データに基づいて、互いに平行に分割された各層Ｐ（１），Ｐ（２），…，Ｐ（ｎ）の層形状データを生成する。

【0027】

そして、軌道演算部３３が、各層形状データに基づいて、各層Ｐ（１），Ｐ（２），…，Ｐ（ｎ）におけるトーチ１７の移動軌跡を生成し、溶接ロボット１９の駆動プログラムを生成する。そして、制御部３７は、生成された駆動プログラムに基づいて溶接ロボット１９を駆動する。

【0028】

図３はベースプレート４１上に第１層目の移動軌跡に沿ってトーチ１７を移動させ、第１層目の溶着ビード４３を形成した状態を示す工程説明図である。
ベースプレート４１上でトーチ１７を移動させつつ、溶加材Ｍとベースプレート４１とをアークにより溶融させることで、溶融した溶加材Ｍをベースプレート４１上に隆起させて盛り付ける。これにより、外殻５５と内殻５７の第１層目の溶着ビード４３が形成される。２層目以降の溶着ビード４３は、溶加材Ｍのみの溶融によって形成される。

【0029】

つまり、溶加材Ｍが溶融及び凝固した溶着ビード４３を、ベースプレート４１上の平面視で、閉じられた線状の層にして形成する。そして、この線状の層を上下方向に隙間なく積層して積層壁部Ｗを形成し、有底筒状の積層造形体を造形する。

【0030】

次に、上記した層形状データによる造形を更に詳細に説明する。
図４は構造体５１の水平方向の断面図、図５は図４に示すＡ部の部分拡大図である。
図４に示す構造体５１の水平断面において、外殻５５と内殻５７とが最も接近する外殻５５の位置をＰｔ１、外殻５５の長手軸中央で内殻５７の穿部５７ａに対向する外殻５５の位置をＰｔ２とする。

【0031】

位置Ｐｔ１での外殻５５の法線を特徴線Ｌ１とする。特徴線Ｌ１は、鋳物部４７と、この鋳物部４７を挟む一対の積層壁部である外殻５５及び内殻５７を通る。この特徴線Ｌ１に沿った鋳物部４７の肉厚をｔ_ｃ１、特徴線Ｌ１に沿った外殻５５の肉厚をｔ_ｏｕｔ１、特徴線Ｌ１に沿った内殻５７の肉厚をｔ_ｉｎ１とする。
また、位置Ｐｔ２での外殻５５の法線を特徴線Ｌ２とする。特徴線Ｌ２も同様に、鋳物部４７と、この鋳物部４７を挟む一対の積層壁部である外殻５５及び内殻５７を通る。この特徴線Ｌ２に沿った鋳物部４７の肉厚をｔ_ｃ２、特徴線Ｌ２に沿った外殻５５の肉厚をｔ_ｏｕｔ２、特徴線Ｌ２に沿った内殻５７の肉厚をｔ_ｉｎ２とする。

【0032】

ここで、本構成の構造体５１は、一例として示す外殻５５の位置Ｐｔ１，Ｐｔ２において、外殻５５，内殻５７，鋳物部４７の各肉厚の関係が（１）式を満足するように、それぞれ決定される。

【0033】

（ｔ_ｉｎ１＋ｔ_ｏｕｔ１）／ｔ_ｃ１＝（ｔ_ｉｎ２＋ｔ_ｏｕｔ２）／ｔ_ｃ２…（１）

【0034】

上記（１）式は、位置Ｐｔ１，Ｐｔ２についての厚さの関係を示しているが、外殻５５の他の点（例えばＰｔi等の任意の点）においても、外殻５５，内殻５７，鋳物部４７の肉厚（位置Ｐｔｉではｔ_ｏｕｔｉ，ｔ_ｉｎｉ，ｔ_ｃｉ）の関係が（１）式と同様に決定される。つまり、鋳物部４７の肉厚が大きいほど、外殻５５及び内殻５７の合計肉厚も大きくし、鋳物部４７の肉厚が小さいほど、外殻５５及び内殻５７の合計肉厚も小さくする。これにより、各位置の特徴線Ｌ１，Ｌ２，Ｌｉに沿った積層壁部Ｗ（外殻５５、内殻５７）と鋳物部４７との体積比が一定になるようにする。また、外殻５５の全ての位置において（１）式を満足するのではなく、複数の代表点で（１）式を満足させる構成であってもよい。

【0035】

外殻５５と内殻５７の肉厚は、互いに等しいか、略等しくすることが好ましい。これにより、外殻５５からの放熱量と、内殻５７からの放熱量との差が小さくなり、鋳物部４７の冷却速度が不均一になりにくくなる。また、熱がこもりやすい内殻５７側よりも外殻５５側の放熱が活発となる傾向のある場合には、外殻５５の肉厚を内殻５７の肉厚より大きくすることが好ましい。

【0036】

外殻５５と内殻５７の肉厚の変更は、具体的には、図５に示すように、鋳物部４７の肉厚ｔ_ｃ１，ｔ_ｃ２に応じて、溶着ビード４３の水平断面におけるビード幅を増減させることで行える。ビード幅は、図示例のように溶着ビード４３を並列させて形成する場合には、溶着ビード４３の列数を調整することで増減させる。この調整は、ＣＡＤ／ＣＡＭ部３１と軌道演算部３３によって行われる。

【0037】

上記のように層Ｐ１（１）の溶着ビード４３を形成した後、同様に層Ｐ（２），Ｐ（３），…，Ｐ（ｎ）の溶着ビード４３を順次に形成し、複数の層Ｐ（１），Ｐ（２），Ｐ（３），…，Ｐ（ｎ）の溶着ビード４３を積層させる。これにより、外殻５５と内殻５７を有する積層壁部Ｗが得られる。

【0038】

そして、積層壁部Ｗの外殻５５と内殻５７とによって画成される内側空間４５に、鋳湯２５を流し込んで凝固させ、鋳物部４７を形成する。ベースプレート４１は、必要に応じて、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、所望の形状の構造体５１とする。

【0039】

以上、説明したように、本構成の構造体５１の製造方法によれば、積層壁部Ｗを溶着ビード４３の積層によって造形するので、鋳造のための型作製が不要となり、鋳造工数や型材料のコストを低減できると共に、構造体５１を製造するリードタイムが短縮される。また、比較的コスト高となる積層材料の使用が外殻５５、内殻５７だけで済み、材料費を抑えて製造コストを低減できる。

【0040】

また、積層壁部Ｗは、外殻５５の法線方向（特徴線Ｌ１，Ｌ２，…，Ｌｉ）に沿った鋳物部４７の肉厚、つまり、図３に示す内側空間４５の厚さと、上記の特徴線に沿った外殻５５及び内殻５７の合計肉厚との比率が、予め設定した比率となるように積層造形される。これによれば、内側空間４５に流し込んだ鋳湯は、鋳物部４７の各部における肉厚に応じて冷却速度が調整され、いずれの部位に対しても均等な冷却速度になる。よって、流し込んだ鋳湯は、その水平断面内において各部が同時に凝固するようになり、均質な鋳物部４７が得られる。このため、構造体５１の機械的性質の不均一、鋳物部４７の残留応力、鋳物部４７の厚肉部分における引け巣等の欠陥、き裂等の割れの発生を抑制でき、高品質な構造体５１を製造できる。

【0041】

なお、上記した構造体５１の製造方法では、鋳物部４７の肉厚、つまり内側空間４５の厚さと、外殻５５及び内殻５７の合計肉厚との比率を一定としたが、この比率の値は、構造体５１の機械的性質が均一となる比率を解析により事前に予測して決定してもよく、鋳造分野における冷やし金の板厚を設定する手法等に基づいて決定してもよい。

【0042】

また、上記比率は、一定値であることが好ましいが、適宜な範囲の中で変動することを許容してもよい。つまり、構造体５１の形状によっては、（１）式に示すように鋳物部４７の肉厚と、外殻５５及び内殻５７の合計肉厚との比率を一定にしなくても、比率が概ね一定であればよい。その場合でも、鋳湯の冷却速度が部位によらずに略均等になり、鋳物部４７の不具合の発生を抑制できる。また、上記比率としては、例えば、０．０１５〜２、好ましくは０．１〜１．５、更に好ましくは０．４〜１とすることができる。この範囲であれば、良好な鋳物部４７が得られる。

【0043】

更に、上記の特徴線Ｌ１，Ｌ２，…，Ｌｉは、外殻５５の法線として設定しているが、これに限らず、内殻５７の法線として設定してもよい。また、外殻５５の法線と内殻５７の法線とを混在させてもよい。その場合、構造体５１が複雑な形状であっても、外殻５５、内殻５７の肉厚をより適格に設定できる。構造体５１が更に複雑な形状である場合、外殻５５の外側面や、内殻５７の内側面に対して、法絡線（凹凸を有する表面の頂部同士を結ぶ線や曲線）や外接円等の線の法線から特徴線を設定してもよい。その場合、鋳物部４７の均等な冷却によって、構造体５１の機械的性質をより均一化できる。

【0044】

更に、上記の比率は、構造体５１の水平断面における長さにより求めているが、水平断面に交差する断面における長さから求める比率であってもよい。例えば、積層造形時の積層壁部Ｗの上下方向と、鋳湯を注入する際の積層壁部Ｗの上下方向とが異なる方向である場合、鋳湯を注入する際の上下方向を基準にして積層壁部Ｗを造形するのが好ましい。

【0045】

＜第２構成例＞
図６は第２構成例の構造体５１Ａの概略斜視図、図７は図６に示す構造体５１ＡのVII−VII線断面図である。
図６に示す本構成の構造体５１Ａは、全体が円錐台状に形成され、積層壁部Ｗ_Ａと鋳物部４７Ａとを有する。積層壁部Ｗ_Ａは、外殻５５と内殻５７を有する。外殻５５は、上方へ向かって次第に窄まる円錐状に形成される。内殻５７は、上下方向に略同径の円筒状に形成される。鋳物部４７Ａは、積層壁部Ｗ_Ａの外殻５５と内殻５７との間の内側空間４５に鋳湯を流し込み、凝固させることで形成される。この構造体５１Ａの外殻５５，内殻５７、鋳物部４７Ａは、積層方向（上下方向）に沿って水平断面の肉厚がそれぞれ変化している。

【0046】

図７に示すように、本構成の構造体５１Ａにおいて、前述同様に水平断面における外殻５５の任意の点における法線方向の特徴線Ｌに沿った鋳物部４７Ａの肉厚をｔ_ｃ、特徴線Ｌに沿った外殻５５の肉厚をｔ_ｏｕｔ、特徴線に沿った内殻５７の肉厚をｔ_ｉｎとする。本構成の構造体５１Ａは、鋳物部４７Ａの肉厚ｔ_ｃが上方ほど小さいが、（２）式で示すように、特徴線Ｌに沿った鋳物部の肉厚（ｔ_ｃ）と、積層壁部Ｗ_Ａである外殻５５と内殻５７との合計肉厚（ｔ_ｉｎ＋ｔ_ｏｕｔ）との比率Ｒ_１が一定にされている。

【0047】

Ｒ_１＝（ｔ_ｉｎ＋ｔ_ｏｕｔ）／ｔ_ｃ …（２）

【0048】

本構成の構造体５１Ａによれば、積層壁部Ｗ_Ａである外殻５５及び内殻５７と、鋳物部４７Ａとの体積比のばらつきが小さくなる。したがって、構造体５１Ａの機械的性質の不均一、鋳物部４７Ａの残留応力、鋳物部４７Ａの厚肉部分における引け巣等の欠陥、き裂等の割れの発生を抑制でき、高品質な構造体５１Ａを製造できる。

【0049】

＜第３構成例＞
図８は第３構成例の構造体５１Ｂの概略斜視図、図９は図８に示す構造体５１ＢのIX−IX線断面図である。
図８に示す本構成の構造体５１Ｂは、第２構成例の構造体５１Ａの内殻５７を備えず、外殻５５の内側空間全てに鋳物部４７Ｂが形成されている。構造体５１Ｂの外殻５５と、鋳物部４７Ａとは、積層方向（上下方向）に沿って水平断面の肉厚がそれぞれ変化している。

【0050】

ここで、図９に示すように、水平断面における外殻５５の任意の点における法線方向の特徴線Ｌに沿った鋳物部４７Ａの厚さをｔ_ｃ、特徴線Ｌに沿った外殻５５の厚さをｔ_ｏｕｔとする。

【0051】

本構成の構造体５１Ｂは、鋳物部４７Ａの肉厚ｔ_ｃが上方ほど小さいが、（３）式で示すように、特徴線Ｌに沿った鋳物部の肉厚ｔ_ｃと、積層壁部Ｗ_Ｂである外殻５５の肉厚ｔ_ｏｕｔとの比率Ｒ_２が水平断面内のいずれの位置においても一定にされている。

【0052】

Ｒ_２＝２ｔ_ｏｕｔ／ｔ_ｃ …（３）

【0053】

本構成の構造体５１Ｂの場合も、外殻５５と鋳物部４７Ａとの体積比のばらつきが小さくなり、第１，第２構成例と同様に高品質な構造体５１Ｂが得られる。

【0054】

＜第４構成例＞
図１０は第４構成例の構造体５１Ｃの概略斜視図、図１１は図１０に示す構造体５１ＣのXI−XI線断面図である。
図１０に示す本構成の構造体５１Ｃは、第３構成例の構造体５１Ｂの上に同形状の構造体５１Ｂを上下反転させて重ねた形状に形成される。つまり、鋳物部４７Ｃは、図中下側から大径部、小径部、大径部として一体に形成され、積層壁部Ｗ_Ｃである外殻５５は、鋳物部４７Ｃの水平断面における外径に応じて幅広部、幅狭部、幅広部として一体に形成されている。

【0055】

本構成の構造体５１Ｃの場合も、図１１に示すように、特徴線Ｌに沿った鋳物部の肉厚ｔ_ｃと、外殻５５の肉厚ｔ_ｏｕｔとの比率Ｒ_２（上記（２）式参照）が、いずれの水平断面においても一定にされている。これにより、高品質な構造体５１Ｃが得られる。

【0056】

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。

【0057】

例えば、本発明は、水平方向と上下方向の少なくともいずれかの方向に沿って肉厚が変化する構造体にも適用可能であり、例えば、角筒形状の構造体、平面視で矩形状、三角形状、楕円形状等の各種形状の構造体にも適用可能である。

【0058】

また、上記した構造体の製造方法では、アーク放電により溶接ワイヤを溶解して溶着ビードを形成しており、低コストで且つ短いリードタイムで構造体を作製している。この溶着ビードの形成は、アーク放電に限らず、アーク放電とレーザとを併用した加熱方式、レーザによる加熱方式、摩擦撹拌方式等、他の加熱方式を採用してもよい。レーザにより加熱する場合、加熱量を更に細かく制御でき、溶着ビードの状態をより適正に維持して、積層壁部の更なる品質向上に寄与できる。

【0059】

更に、上記の説明では、溶着ビードを一つの閉じられた線状にした層を形成した構成を示しているが、溶着ビードによる閉じられた線は、同一の水平断面上で複数箇所に存在してもよい。また、閉じられた線状の層において、溶着ビードによる線の外側や内側に更に延出する溶着ビード部分が存在してもよい。いずれの場合でも、閉じられた領域内にそれぞれ鋳湯を流し込むことで、より複雑な形状の構造体を作製できる。この場合の閉じられた領域とは、円形や楕円形に限らず、正方形、長方形、多角形等の任意の形状とすることができる。

【0060】

また、上記の説明では、一本の線状の溶着ビードにより積層壁部を造形しているが、ウィービング動作のようにトーチ１７を揺動させながら溶着ビードを形成したり、溶接ロボット１９の駆動により、円や三角等の軌跡を描かせながらトーチ１７を移動させたりしてもよい。その場合、溶接方向とは別方向の移動成分を有してトーチ１７が移動されるため、溶着ビード幅を増減でき、外殻５５、内殻５７の幅を任意に調整できる。

【0061】

以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
（１） アークにより溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードをベース上に積層して、少なくとも構造体の外殻を含む積層壁部を造形した後、造形された前記積層壁部で囲まれた内側空間に、鋳湯を流し込んで鋳物部を形成する構造体の製造方法であって、
前記構造体の水平断面における前記鋳物部及び当該鋳物部を挟む一対の前記積層壁部を通る直線であって、前記積層壁部のいずれかの位置の法線を特徴線としたとき、前記位置で前記特徴線により挟まれた前記鋳物部の前記特徴線に沿った肉厚に応じて、前記特徴線に沿った一対の前記積層壁部の合計肉厚を変化させる構造体の製造方法。
この構造体の製造方法によれば、溶着ビードの積層によって積層壁部を成形するので、鋳造のための型作製が不要となり、鋳造工数や型材料のコストを低減できると共に、構造体を製造するリードタイムが短縮される。また、比較的高コストな積層材料の使用が積層壁部だけで済み、材料費を抑えて製造コストを低減できる。
そして、構造体の水平断面での積層壁部の法線を特徴線とし、この特徴線に沿った鋳物部の肉厚に応じて一対の積層壁部の合計肉厚を変化させることで、一対の積層壁部間の内側空間に注がれた鋳湯の冷却速度が均一になる。これにより、構造体の機械的性質の不均一、鋳物部の残留応力、鋳物部の厚肉部分における引け巣等の欠陥やき裂などの割れの発生を抑制できる。よって、高品質な構造体を製造することができる。

【0062】

（２） 前記積層壁部は、前記外殻の内側に前記溶着ビードにより造形された内殻を含み、
前記積層壁部の合計肉厚は、前記外殻の肉厚と前記内殻の肉厚とを合わせた厚さである（１）に記載の構造体の製造方法。
この構造体の製造方法によれば、溶着ビードにより造形された外殻と内殻との間に鋳物部が設けられ、鋳物部は、その部位によらずに均一な冷却速度で凝固される。

【0063】

（３） 前記特徴線は、前記外殻の法線である（２）に記載の構造体の製造方法。
この構造体の製造方法によれば、外殻が内殻よりも単純形状である場合に、より適切な肉厚の設定が可能となる。

【0064】

（４） 前記特徴線は、前記内殻の法線である（２）に記載の構造体の製造方法。
この構造体の製造方法によれば、内殻が外殻よりも単純形状である場合に、より適切な肉厚の設定が可能となる。

【0065】

（５） 前記特徴線に沿った前記鋳物部の肉厚と、一対の前記積層壁部の合計肉厚との比率を予め設定し、
設定された前記比率に基づいて前記特徴線に沿った前記鋳物部の肉厚と、一対の前記積層壁部の合計肉厚を決定する（１）〜（４）のいずれか一つに記載の構造体の製造方法。
この構造体の製造方法によれば、一対の積層壁部と鋳物部との体積比のばらつきを低減でき、更に高品質な構造体を製造できる。

【0066】

（６） 前記比率は、前記構造体の前記水平断面内において一定値である（５）に記載の構造体の製造方法。
この構造体の製造方法によれば、一定の比率で一対の積層壁部と鋳物部の肉厚が決定されるため、鋳物部をより均一な冷却速度で凝固させることができる。

【0067】

（７） 前記比率は、前記構造体の互いに異なる高さの前記水平断面で、それぞれ同じ一定値である（６）に記載の構造体の製造方法。
この構造体の製造方法によれば、高さ方向に関しても一定の比率で一対の積層壁部と鋳物部との肉厚が決定されるため、鋳物部を更に均一な冷却速度で凝固させることができる。

【0068】

（８） 溶加材の溶融凝固体である溶着ビードがベース上に積層された積層壁部と、前記積層壁部で囲まれた内側空間に形成された鋳物部とを有する構造体であって、
前記構造体の水平断面における前記鋳物部及び当該鋳物部を挟む一対の前記積層壁部を通る直線であって、前記積層壁部のいずれかの位置の法線を特徴線としたとき、前記位置で前記特徴線により挟まれた前記鋳物部の前記特徴線に沿った肉厚に応じて、前記特徴線に沿った一対の前記積層壁部の合計肉厚が変化している構造体。
この構造体によれば、溶着ビードの積層によって積層壁部を成形するので、鋳造のための型作製が不要となり、鋳造工数や型材料のコストを低減できると共に、構造体を製造するリードタイムが短縮される。また、比較的高コストな積層材料の使用が積層壁部だけで済み、材料費を抑えて製造コストを低減できる。
そして、構造体の水平断面での積層壁部の法線を特徴線とし、この特徴線に沿った鋳物部の肉厚に応じて一対の積層壁部の合計肉厚を変化させることで、一対の積層壁部間の内側空間に注がれた鋳湯の冷却速度が均一になる。これにより、構造体の機械的性質の不均一、鋳物部の残留応力、鋳物部の厚肉部分における引け巣等の欠陥やき裂などの割れの発生を抑制できる。

【0069】

（９） 前記積層壁部は、前記構造体の外殻と、前記外殻の内側に前記溶着ビードにより造形された内殻とを含み、
一対の前記積層壁部の合計肉厚は、前記外殻の肉厚と前記内殻の肉厚とを合わせた厚さである（８）に記載の構造体。
この構造体によれば、溶着ビードにより造形された外殻と内殻との間に鋳物部が設けられ、鋳物部は、その部位によらずに均一な冷却速度で凝固される。

【0070】

（１０） 前記特徴線は、前記外殻の法線である（９）に記載の構造体の製造方法。
この構造体によれば、外殻が内殻よりも単純形状である場合に、より適切な肉厚の設定が可能となる。

【0071】

（１１） 前記特徴線は、前記内殻の法線である（９）に記載の構造体の製造方法。
この構造体によれば、内殻が外殻よりも単純形状である場合に、より適切な肉厚の設定が可能となる。

【0072】

（１２）前記特徴線に沿った前記鋳物部の肉厚と前記積層壁部の合計肉厚との比率は、前記水平断面内で一定である（８）〜（１１）のいずれか一つに記載の構造体の製造方法。
この構造体によれば、一対の積層壁部と鋳物部との体積比のばらつきを低減できる。

【0073】

（１３）前記比率は、前記構造体の互いに異なる前記水平断面で一定である（１２）に記載の構造体。
この構造体によれば、高さ方向に関しても一定の比率で一対の積層壁部と鋳物部との肉厚が決定されるため、鋳物部の冷却速度が更に均一となる。

【符号の説明】

【0074】

２５ 鋳湯
４１ ベースプレート（ベース）
４３ 溶着ビード
４５ 内側空間
４７，４７Ａ，４７Ｂ，４７Ｃ 鋳物部
５１，５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃ 構造体
５５ 外殻
５７ 内殻
Ｌ，Ｌ１，Ｌ２，Ｌｉ 特徴線
Ｍ 溶加材
Ｗ，Ｗ_Ａ，Ｗ_Ｂ，Ｗ_Ｃ 積層壁部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】