(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022093023
(43)【公開日】2022-06-23
(54)【発明の名称】積層造形方法及び積層造形装置、並びにモデル表示装置
(51)【国際特許分類】
B23K 9/04 20060101AFI20220616BHJP
B33Y 10/00 20150101ALI20220616BHJP
B33Y 30/00 20150101ALI20220616BHJP
B33Y 50/00 20150101ALI20220616BHJP
B23K 9/32 20060101ALI20220616BHJP
【ＦＩ】
B23K9/04 G
B33Y10/00
B33Y30/00
B33Y50/00
B23K9/04 K
B23K9/04 A
B23K9/04 Z
B23K9/32 Z
【審査請求】未請求
【請求項の数】12
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2020206079
(22)【出願日】2020-12-11
(71)【出願人】
【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】近口 諭史
(72)【発明者】
【氏名】黄 碩
(57)【要約】
【課題】積層計画の作成に用いるビードモデルを簡単な計算で調整でき、高い再現性で目標形状を造形できるようにする。
【解決手段】造形物を作製する積層造形方法は、３次元形状データに基づいた立体モデル形状を、複数の層に分割するとともに、分割した各層を溶着ビードのビード形状に対応した複数のビードモデルに分割する工程を有する。台形ビードモデルＢＭｂは４つの頂点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４を有する。ビードモデルに分割する工程では、先に形成されるビードモデルＢＭａに隣接して後に形成されるビードモデルＢＭｂを、先に形成されるビードモデルＢＭａと互いの重なり部７３を有するように配置する。また、後に形成されるビードモデルＢＭｂにおける底辺６５両端の頂点のうち、重なり部７３から遠い側の頂点Ｐ４を中心点として、中心点を除く他の３つの頂点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３をそれぞれ回転移動させて、台形ビードモデルＢＭＲの形状を変更する。
【選択図】図７
【解決手段】造形物を作製する積層造形方法は、３次元形状データに基づいた立体モデル形状を、複数の層に分割するとともに、分割した各層を溶着ビードのビード形状に対応した複数のビードモデルに分割する工程を有する。台形ビードモデルＢＭｂは４つの頂点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４を有する。ビードモデルに分割する工程では、先に形成されるビードモデルＢＭａに隣接して後に形成されるビードモデルＢＭｂを、先に形成されるビードモデルＢＭａと互いの重なり部７３を有するように配置する。また、後に形成されるビードモデルＢＭｂにおける底辺６５両端の頂点のうち、重なり部７３から遠い側の頂点Ｐ４を中心点として、中心点を除く他の３つの頂点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３をそれぞれ回転移動させて、台形ビードモデルＢＭＲの形状を変更する。
【選択図】図７
【特許請求の範囲】
【請求項1】
溶加材を溶融及び凝固させて形成する溶着ビードをベース上に積層して、造形物を作製する積層造形方法であって、
前記造形物の３次元形状データを読み込む工程と、
前記３次元形状データに基づく立体モデル形状を複数の層に分割するとともに、分割した各層を、前記溶着ビードのビード形状に対応した複数のビードモデルに分割する工程と、
分割された前記ビードモデルに沿って前記溶着ビードを形成する処理を、前記複数の層の下層から上層まで繰り返して前記溶着ビードを積層する工程と、
を有し、
前記ビードモデルは台形形状であり、ビード長手方向の垂直断面において、前記ベース側の底辺と反ベース側の上辺とが互いに平行で、且つ、同一層内に配置される前記ビードモデルの配列方向に対向する一対の側辺同士が互いに非平行にされ、
前記複数のビードモデルに分割する工程では、
同一層内において、先に形成される溶着ビードに対応する前記ビードモデルと、当該溶着ビードに隣接して後に形成される溶着ビードに対応する前記ビードモデルとを、互いの重なり部を有して配置し、
後に形成される側の前記ビードモデルの４つ頂点のうち、当該ビードモデルの底辺の前記重なり部から遠い側となる端部に配置される頂点を中心に、他の３つの頂点をそれぞれ回転移動させて、後に形成される側の前記ビードモデルの形状を変更する工程を含む、
積層造形方法。
前記造形物の３次元形状データを読み込む工程と、
前記３次元形状データに基づく立体モデル形状を複数の層に分割するとともに、分割した各層を、前記溶着ビードのビード形状に対応した複数のビードモデルに分割する工程と、
分割された前記ビードモデルに沿って前記溶着ビードを形成する処理を、前記複数の層の下層から上層まで繰り返して前記溶着ビードを積層する工程と、
を有し、
前記ビードモデルは台形形状であり、ビード長手方向の垂直断面において、前記ベース側の底辺と反ベース側の上辺とが互いに平行で、且つ、同一層内に配置される前記ビードモデルの配列方向に対向する一対の側辺同士が互いに非平行にされ、
前記複数のビードモデルに分割する工程では、
同一層内において、先に形成される溶着ビードに対応する前記ビードモデルと、当該溶着ビードに隣接して後に形成される溶着ビードに対応する前記ビードモデルとを、互いの重なり部を有して配置し、
後に形成される側の前記ビードモデルの４つ頂点のうち、当該ビードモデルの底辺の前記重なり部から遠い側となる端部に配置される頂点を中心に、他の３つの頂点をそれぞれ回転移動させて、後に形成される側の前記ビードモデルの形状を変更する工程を含む、
積層造形方法。
【請求項2】
前記他の３つの頂点を回転移動させる回転角を、前記溶着ビードの溶接条件又は形成軌道に応じて設定する、
請求項１に記載の積層造形方法。
請求項１に記載の積層造形方法。
【請求項3】
前記他の３つの頂点を回転移動させる回転角を、前記頂点毎に異ならせる、
請求項１又は２に記載の積層造形方法。
請求項１又は２に記載の積層造形方法。
【請求項4】
前記他の３つの頂点を回転移動させる回転角は、予め定めた演算式に基づいてそれぞれ設定する、
請求項１～３のいずれか１項に記載の積層造形方法。
請求項１～３のいずれか１項に記載の積層造形方法。
【請求項5】
前記演算式は、前記ビードモデルの前記底辺に沿った座標値を変数とする、直線又は曲線の関係式である、
請求項４に記載の積層造形方法。
請求項４に記載の積層造形方法。
【請求項6】
前記後に形成される側のビードモデルを前記台形形状に代えて、
前記後に形成される側のビードモデルにおける前記底辺の前記重なり部から遠い側の端にある頂点と、
前記後に形成される側のビードモデルにおける前記上辺の両端にある一対の頂点と、
前記後に形成される側のビードモデルにおける前記重なり部側の側辺と前記先に形成されるビードモデルの外周縁との交点と、
前記先に形成されるビードモデルの底辺の前記重なり部側の端にある頂点と、
によって囲まれた５つの頂点を有する形状に設定する、
請求項１～５のいずれか１項に記載の積層造形方法。
前記後に形成される側のビードモデルにおける前記底辺の前記重なり部から遠い側の端にある頂点と、
前記後に形成される側のビードモデルにおける前記上辺の両端にある一対の頂点と、
前記後に形成される側のビードモデルにおける前記重なり部側の側辺と前記先に形成されるビードモデルの外周縁との交点と、
前記先に形成されるビードモデルの底辺の前記重なり部側の端にある頂点と、
によって囲まれた５つの頂点を有する形状に設定する、
請求項１～５のいずれか１項に記載の積層造形方法。
【請求項7】
最下層に配置されるビードモデルよりも上層に配置されるビードモデルの底辺における一端部又は両端部に、前記溶加材の溶融体の下層へ向けた垂れ落ちを表す垂れ部を設ける、
請求項１～５のいずれか１項に記載の積層造形方法。
請求項１～５のいずれか１項に記載の積層造形方法。
【請求項8】
前記垂れ部は三角形状である、請求項７に記載の積層造形方法。
【請求項9】
溶加材を溶融及び凝固させて形成する溶着ビードをベース上に積層して、造形物を作製する積層造形装置であって、
前記造形物の３次元形状データを読み込む入力部と、
前記３次元形状データに基づく立体モデル形状を複数の層に分割するとともに、分割した各層を、前記溶着ビードのビード形状に対応した複数のビードモデルに分割するモデル設定部と、
分割された前記ビードモデルに沿って前記溶着ビードを形成する処理を、前記複数の層の下層から上層まで繰り返して前記溶着ビードを積層する造形部と、
を備え、
前記ビードモデルは台形形状であり、ビード長手方向の垂直断面において、前記ベース側の底辺と反ベース側の上辺とが互いに平行で、且つ、同一層内に配置される前記ビードモデルの配列方向に対向する一対の側辺同士が互いに非平行にされ、
前記モデル設定部は、
同一層内において、先に形成される溶着ビードに対応する前記ビードモデルと、当該溶着ビードに隣接して後に形成される溶着ビードに対応する前記ビードモデルとを、互いの重なり部を有して配置し、
後に形成される側の前記ビードモデルの４つ頂点のうち、当該ビードモデルの底辺の前記重なり部から遠い側となる端部に配置される頂点を中心に、他の３つの頂点をそれぞれ回転移動させて、後に形成される側の前記ビードモデルの形状を変更する、
積層造形装置。
前記造形物の３次元形状データを読み込む入力部と、
前記３次元形状データに基づく立体モデル形状を複数の層に分割するとともに、分割した各層を、前記溶着ビードのビード形状に対応した複数のビードモデルに分割するモデル設定部と、
分割された前記ビードモデルに沿って前記溶着ビードを形成する処理を、前記複数の層の下層から上層まで繰り返して前記溶着ビードを積層する造形部と、
を備え、
前記ビードモデルは台形形状であり、ビード長手方向の垂直断面において、前記ベース側の底辺と反ベース側の上辺とが互いに平行で、且つ、同一層内に配置される前記ビードモデルの配列方向に対向する一対の側辺同士が互いに非平行にされ、
前記モデル設定部は、
同一層内において、先に形成される溶着ビードに対応する前記ビードモデルと、当該溶着ビードに隣接して後に形成される溶着ビードに対応する前記ビードモデルとを、互いの重なり部を有して配置し、
後に形成される側の前記ビードモデルの４つ頂点のうち、当該ビードモデルの底辺の前記重なり部から遠い側となる端部に配置される頂点を中心に、他の３つの頂点をそれぞれ回転移動させて、後に形成される側の前記ビードモデルの形状を変更する、
積層造形装置。
【請求項10】
前記モデル設定部により形状が変更された前記ビードモデルの情報が表示される表示部を更に備える、
請求項９に記載の積層造形装置。
請求項９に記載の積層造形装置。
【請求項11】
請求項９に記載の積層造形装置の前記モデル設定部により設定された前記ビードモデルの情報が入力される入力部と、
入力された前記ビードモデルの情報を表示する表示部と、
を備えるモデル表示装置。
入力された前記ビードモデルの情報を表示する表示部と、
を備えるモデル表示装置。
【請求項12】
前記入力部に前記ビードモデルの調整指示の情報が入力され、
入力された前記調整指示の情報に応じて前記ビードモデルを調整し、調整後の前記ビードモデルの表示用データを前記表示部に出力する表示用データ生成部を備える、
請求項１１に記載のモデル表示装置。
入力された前記調整指示の情報に応じて前記ビードモデルを調整し、調整後の前記ビードモデルの表示用データを前記表示部に出力する表示用データ生成部を備える、
請求項１１に記載のモデル表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、積層造形方法及び積層造形装置、並びにモデル表示装置に関する。
【背景技術】
【0002】
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。金属材料を用いて３次元の造形物を作製する技術として、例えば、アーク等の熱源を用いて溶加材（溶接ワイヤ）を溶融及び凝固させた溶着ビードを、所望の形状に積層する方式がある。
【0003】
また、このような造形物を作製する際に、コンピュータによる設計支援又は自動化制御を目的として、溶着ビードの断面形状をモデル化する技術が知られている（例えば特許文献１，２）。
特許文献１には、楕円形状のビードモデルを用いて、造形物の目標形状と、実測データベースから予測される予測形状との差分が許容値以下になるように造形条件を変更することが記載されている。また、特許文献２には、継手形状、板厚、開先角度・幅等のワーク条件に応じて、各層、各ステップの溶着ビードの形状を予測し、その予測したビード形状に応じて次層、次ステップでの適正なトーチねらい位置を決定することが記載されている。
特許文献１には、楕円形状のビードモデルを用いて、造形物の目標形状と、実測データベースから予測される予測形状との差分が許容値以下になるように造形条件を変更することが記載されている。また、特許文献２には、継手形状、板厚、開先角度・幅等のワーク条件に応じて、各層、各ステップの溶着ビードの形状を予測し、その予測したビード形状に応じて次層、次ステップでの適正なトーチねらい位置を決定することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２０１８－２７５５８号公報
【特許文献2】特開昭６３－８４７７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードを積層する際には、溶融時に生じる溶融金属の垂れの蓄積、入熱の蓄積、凝固した溶着ビードの表面の凹凸形状、等の様々な因子が造形物の形状に影響する。例えば、図１７に示すように、同一形状のビードモデルＭｏを４列×４層で配置した積層計画の場合、実際に作製した造形物Ｗの外縁形状が、実線で示すようにビードモデルＭｏの外縁形状と整合しない場合がある。
【0006】
そこで、溶着ビードの形成条件に応じてビードモデルの形状を細かく調整することも考えられるが、演算処理が煩雑となり、造形物の規模によっては現実的な時間で積層計画を作成できない。
【0007】
本発明は、積層計画の作成に用いるビードモデルを簡単な計算で調整でき、高い再現性で目標形状を造形できるようにした造形物の製造方法及び製造装置、並びにモデル表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明は下記の構成からなる。
（１） 溶加材を溶融及び凝固させて形成する溶着ビードをベース上に積層して、造形物を作製する積層造形方法であって、
前記造形物の３次元形状データを読み込む工程と、
前記３次元形状データに基づく立体モデル形状を複数の層に分割するとともに、分割した各層を、前記溶着ビードのビード形状に対応した複数のビードモデルに分割する工程と、
分割された前記ビードモデルに沿って前記溶着ビードを形成する処理を、前記複数の層の下層から上層まで繰り返して前記溶着ビードを積層する工程と、
を有し、
前記ビードモデルは台形形状であり、ビード長手方向の垂直断面において、前記ベース側の底辺と反ベース側の上辺とが互いに平行で、且つ、同一層内に配置される前記ビードモデルの配列方向に対向する一対の側辺同士が互いに非平行にされ、
前記複数のビードモデルに分割する工程では、
同一層内において、先に形成される溶着ビードに対応する前記ビードモデルと、当該溶着ビードに隣接して後に形成される溶着ビードに対応する前記ビードモデルとを、互いの重なり部を有して配置し、
後に形成される側の前記ビードモデルの４つ頂点のうち、当該ビードモデルの底辺の前記重なり部から遠い側となる端部に配置される頂点を中心に、他の３つの頂点をそれぞれ回転移動させて、後に形成される側の前記ビードモデルの形状を変更する工程を含む、
積層造形方法。
（２） 溶加材を溶融及び凝固させて形成する溶着ビードをベース上に積層して、造形物を作製する積層造形装置であって、
前記造形物の３次元形状データを読み込む入力部と、
前記３次元形状データに基づく立体モデル形状を複数の層に分割するとともに、分割した各層を、前記溶着ビードのビード形状に対応した複数のビードモデルに分割するモデル設定部と、
分割された前記ビードモデルに沿って前記溶着ビードを形成する処理を、前記複数の層の下層から上層まで繰り返して前記溶着ビードを積層する造形部と、
を備え、
前記ビードモデルは台形形状であり、ビード長手方向の垂直断面において、前記ベース側の底辺と反ベース側の上辺とが互いに平行で、且つ、同一層内に配置される前記ビードモデルの配列方向に対向する一対の側辺同士が互いに非平行にされ、
前記モデル設定部は、
同一層内において、先に形成される溶着ビードに対応する前記ビードモデルと、当該溶着ビードに隣接して後に形成される溶着ビードに対応する前記ビードモデルとを、互いの重なり部を有して配置し、
後に形成される側の前記ビードモデルの４つ頂点のうち、当該ビードモデルの底辺の前記重なり部から遠い側となる端部に配置される頂点を中心に、他の３つの頂点をそれぞれ回転移動させて、後に形成される側の前記ビードモデルの形状を変更する、
積層造形装置。
（３） （２）に記載の積層造形装置の前記モデル設定部により設定された前記ビードモデルの情報が入力される入力部と、
入力された前記ビードモデルの情報を表示する表示部と、
を備えるモデル表示装置。
（１） 溶加材を溶融及び凝固させて形成する溶着ビードをベース上に積層して、造形物を作製する積層造形方法であって、
前記造形物の３次元形状データを読み込む工程と、
前記３次元形状データに基づく立体モデル形状を複数の層に分割するとともに、分割した各層を、前記溶着ビードのビード形状に対応した複数のビードモデルに分割する工程と、
分割された前記ビードモデルに沿って前記溶着ビードを形成する処理を、前記複数の層の下層から上層まで繰り返して前記溶着ビードを積層する工程と、
を有し、
前記ビードモデルは台形形状であり、ビード長手方向の垂直断面において、前記ベース側の底辺と反ベース側の上辺とが互いに平行で、且つ、同一層内に配置される前記ビードモデルの配列方向に対向する一対の側辺同士が互いに非平行にされ、
前記複数のビードモデルに分割する工程では、
同一層内において、先に形成される溶着ビードに対応する前記ビードモデルと、当該溶着ビードに隣接して後に形成される溶着ビードに対応する前記ビードモデルとを、互いの重なり部を有して配置し、
後に形成される側の前記ビードモデルの４つ頂点のうち、当該ビードモデルの底辺の前記重なり部から遠い側となる端部に配置される頂点を中心に、他の３つの頂点をそれぞれ回転移動させて、後に形成される側の前記ビードモデルの形状を変更する工程を含む、
積層造形方法。
（２） 溶加材を溶融及び凝固させて形成する溶着ビードをベース上に積層して、造形物を作製する積層造形装置であって、
前記造形物の３次元形状データを読み込む入力部と、
前記３次元形状データに基づく立体モデル形状を複数の層に分割するとともに、分割した各層を、前記溶着ビードのビード形状に対応した複数のビードモデルに分割するモデル設定部と、
分割された前記ビードモデルに沿って前記溶着ビードを形成する処理を、前記複数の層の下層から上層まで繰り返して前記溶着ビードを積層する造形部と、
を備え、
前記ビードモデルは台形形状であり、ビード長手方向の垂直断面において、前記ベース側の底辺と反ベース側の上辺とが互いに平行で、且つ、同一層内に配置される前記ビードモデルの配列方向に対向する一対の側辺同士が互いに非平行にされ、
前記モデル設定部は、
同一層内において、先に形成される溶着ビードに対応する前記ビードモデルと、当該溶着ビードに隣接して後に形成される溶着ビードに対応する前記ビードモデルとを、互いの重なり部を有して配置し、
後に形成される側の前記ビードモデルの４つ頂点のうち、当該ビードモデルの底辺の前記重なり部から遠い側となる端部に配置される頂点を中心に、他の３つの頂点をそれぞれ回転移動させて、後に形成される側の前記ビードモデルの形状を変更する、
積層造形装置。
（３） （２）に記載の積層造形装置の前記モデル設定部により設定された前記ビードモデルの情報が入力される入力部と、
入力された前記ビードモデルの情報を表示する表示部と、
を備えるモデル表示装置。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、積層計画の作成に用いるビードモデルを簡単な計算で調整でき、高い再現性で目標形状を造形できる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図17】従来の積層計画により作成したビードモデルと、造形物の外縁形状とを示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
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。
本発明に係る積層造形方法においては、溶加材が溶融及び凝固して形成される溶着ビードを模擬したビードモデルを用いて積層計画を作成し、作成した積層計画に基づいて、溶着ビードをベース上に形成して造形物を作製する。
本発明に係る積層造形方法においては、溶加材が溶融及び凝固して形成される溶着ビードを模擬したビードモデルを用いて積層計画を作成し、作成した積層計画に基づいて、溶着ビードをベース上に形成して造形物を作製する。
【0012】
＜積層造形装置＞
図１は、積層造形装置を示す概略構成図である。
積層造形装置１００は、造形物、又は所望形状の造形物を得るための粗形材としての造形物を作製する装置であり、造形部１１と、電源部１３と、造形部１１及び電源部１３を統括制御するコントローラ１５とを備える。なお、ここで示す積層造形装置１００は、アークにより溶加材Ｍを溶融及び凝固させて溶着ビードＢを形成し、複数の溶着ビードＢを順次に積層することで造形物Ｗを造形するものであるが、積層造形の方式はこれに限らない。
図１は、積層造形装置を示す概略構成図である。
積層造形装置１００は、造形物、又は所望形状の造形物を得るための粗形材としての造形物を作製する装置であり、造形部１１と、電源部１３と、造形部１１及び電源部１３を統括制御するコントローラ１５とを備える。なお、ここで示す積層造形装置１００は、アークにより溶加材Ｍを溶融及び凝固させて溶着ビードＢを形成し、複数の溶着ビードＢを順次に積層することで造形物Ｗを造形するものであるが、積層造形の方式はこれに限らない。
【0013】
造形部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２１とを有する。
【0014】
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は、溶加材Ｍを連続供給可能にトーチ１７が支持される。トーチ１７の位置及び姿勢は、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。
【0015】
トーチ１７は、溶加材Ｍを支持しつつ、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、被覆アーク溶接又は炭酸ガスアーク溶接等の消耗電極式、ＴＩＧ溶接又は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、作製する造形物に応じて適宜選定される。
【0016】
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２５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。
【0017】
なお、溶加材Ｍを溶融させる熱源としては、上記したアークに限らない。例えば、アークとレーザとを併用した加熱方式、プラズマを用いる加熱方式、電子ビーム又はレーザを用いる加熱方式等、他の方式による熱源を採用してもよい。電子ビーム又は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、造形物の更なる品質向上に寄与できる。
【0018】
溶加材Ｍは、あらゆる市販の溶接ワイヤを用いることができる。例えば、軟鋼，高張力鋼及び低温用鋼用のマグ溶接及びミグ溶接ソリッドワイヤ（ＪＩＳ Ｚ ３３１２）、軟鋼，高張力鋼及び低温用鋼用アーク溶接フラックス入りワイヤ（ＪＩＳ Ｚ ３３１３）等で規定されるワイヤを用いることができる。
【0019】
コントローラ１５は、入力部３１と、モデル設定部３３と、積層計画部３５と、記憶部２７と、通信部３９と、これらが接続される制御部４１と、を有する。このコントローラ１５は、ＣＰＵ、メモリ、ストレージ等を備えるコンピュータ装置により構成される。
【0020】
入力部３１は、作製しようとする造形物の３次元形状データ（ＣＡＤデータ等）を読み込む。モデル設定部３３は、読み込んだ３次元形状データに基づいた立体モデル形状を複数の層に分割し、各層の形状を表す層形状データを生成する。そして、生成された層形状データを後述する複数のビードモデルにそれぞれ分割する。
【0021】
積層計画部３５は、分割されたビードモデルに沿って溶着ビードを形成するためのトーチ１７の移動軌跡、及び各種の溶接条件を決定する。そして、決定した移動軌跡及び溶接条件を用いて、造形部１１及び電源部１３の各部を駆動する駆動プログラムを作成する。この駆動プログラムは、記憶部３７に記憶される。ここでいう造形プログラムとは、入力された造形物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及び電源部１３に実施させるための命令コードである。
【0022】
制御部４１は、記憶部３７に記憶された駆動プログラムを実行して、溶接ロボット１９及び電源部１３等の各部を駆動する。これにより、溶接ロボット１９は、コントローラ１５からの指令を受けて、積層計画に応じた軌道軌跡に沿ってトーチ１７を移動させる。また、溶接ロボット１９は、トーチ１７の移動と共に溶加材Ｍを溶融させ、溶融した溶加材Ｍをベースプレート２５上に供給する。すると、ベースプレート２５上に、線状の溶着ビードＢが形成される。
【0023】
図２は、ベースプレート２５に形成される溶着ビードＢの外観を示す概略斜視図である。
図２に示すように、ベースプレート２５上に溶着ビードＢを繰り返し形成することで、複数の線状の溶着ビードＢが凝固して配列されたビード層４５が、高さｈで形成される。図２には初層のビード層４５を示しているが、このビード層４５の上に、同様のビード層を複数回積層することで、図１に一例を示す多層構造の造形物Ｗが造形される。
図２に示すように、ベースプレート２５上に溶着ビードＢを繰り返し形成することで、複数の線状の溶着ビードＢが凝固して配列されたビード層４５が、高さｈで形成される。図２には初層のビード層４５を示しているが、このビード層４５の上に、同様のビード層を複数回積層することで、図１に一例を示す多層構造の造形物Ｗが造形される。
【0024】
なお、ベースプレート２５は、鋼板等の金属板からなるが、板状に限らず、ブロック体又は棒状等、他の形状のベースであってもよい。
【0025】
図１に示すモデル設定部３３、積層計画部３５等の各演算部は、コントローラ１５以外に設けてもよい。例えば、通信部３９にネットワークを介して接続されるサーバ又は端末等の外部コンピュータＰＣ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ＰＣに上記した各演算部が設けられることで、積層造形装置１００を要せずに所望の駆動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、作成した駆動プログラムを、コントローラ１５の記憶部３７に転送することで、コントローラ１５で駆動プログラムを作成した場合と同様に、造形部１１及び電源部１３を動作させることができる。
【0026】
また、詳細は後述するが、コントローラ１５に液晶表示器等の表示部４３を接続して、モデル情報を表示する機能を持たせてもよい。例えば、この表示部４３にモデル設定部３３で設定されたビードモデルの情報等を画面表示させることで、作業者に積層計画の各種情報の確認、又は計画内容の調整等が簡単に行える。つまり、造形物の設計支援を行える。また、外部コンピュータＰＣに接続されるモニタ等の表示部４７に、同様のビードモデル等の情報を表示させる機能を持たせてもよい。このように、積層造形装置１００が造形物の設計支援機能を備える構成であってもよく、積層造形装置１００の外部に表示部４３を備えた装置が接続された構成であってもよい。
【0027】
図３は、モデル表示装置２００の機能ブロック図である。
造形物の設計支援を行うモデル表示装置２００は、前述したモデル設定部３３により設定されたビードモデルの情報が入力される入力部５１と、入力されたビードモデルの情報を表示する表示部５３とを備える。これにより、表示部５３に表示されたビードモデルの形状、大きさ、又は実際の溶着ビードの形状との差、等の確認が視覚的に行える。また、入力されたビードモデルの情報を加工して表示用データを生成する表示用データ生成部５５を有していてもよい。その場合、作業者が入力部５１に各種条件を調整する指示を入力することで、ビードモデルの再設定を行うことができる。
造形物の設計支援を行うモデル表示装置２００は、前述したモデル設定部３３により設定されたビードモデルの情報が入力される入力部５１と、入力されたビードモデルの情報を表示する表示部５３とを備える。これにより、表示部５３に表示されたビードモデルの形状、大きさ、又は実際の溶着ビードの形状との差、等の確認が視覚的に行える。また、入力されたビードモデルの情報を加工して表示用データを生成する表示用データ生成部５５を有していてもよい。その場合、作業者が入力部５１に各種条件を調整する指示を入力することで、ビードモデルの再設定を行うことができる。
【0028】
＜積層造形方法＞
上記した造形物Ｗは、溶着ビードの形成手順及び溶接条件等の各種条件を示す積層計画に基づいて、複数の溶着ビードＢを積層して形成される。具体的には、図１に示すコントローラ１５又は外部コンピュータＰＣによって、作業者が入力した情報に応じた積層計画を作成し、作成された積層計画に基づく駆動プログラムを生成する。そして、生成された駆動プログラムを制御部４１が実行して造形部１１及び電源部１３を駆動することで、積層計画した所望の形状の造形物Ｗを作製する。
上記した造形物Ｗは、溶着ビードの形成手順及び溶接条件等の各種条件を示す積層計画に基づいて、複数の溶着ビードＢを積層して形成される。具体的には、図１に示すコントローラ１５又は外部コンピュータＰＣによって、作業者が入力した情報に応じた積層計画を作成し、作成された積層計画に基づく駆動プログラムを生成する。そして、生成された駆動プログラムを制御部４１が実行して造形部１１及び電源部１３を駆動することで、積層計画した所望の形状の造形物Ｗを作製する。
【0029】
上記した積層計画には、造形物Ｗの形状を、溶着ビードＢの個々のビード形状を表すビードモデルの集合体に変換する処理が含まれる。ビードモデルは、溶着ビードを模擬して一方向に延びて形成された形状モデルであって、位置情報（トーチ移動軌跡の情報）と、各溶着ビードの大きさ、長さ、又は断面形状等の情報とを有する。ビードモデルに沿ってトーチ１７を移動させながら溶着ビードＢを形成すると、最終的に造形物Ｗが得られる。
【0030】
＜ビードモデルの設定＞
（モデル分割）
図４は、造形物Ｗの形状に応じたビードモデルを設定する手順を示すフローチャートである。図５の（Ａ）～（Ｄ）は、ビードモデルを設定する様子を模式的に示す説明図である。
まず、造形対象とする造形物の形状を表す３次元形状データ（ＣＡＤデータ等）を読み込む（Ｓ１）。読み込んだ３次元形状データの形状を、図５の（Ａ）に示すように、溶着ビードの積層方向Ｈと直交する面６１でスライスして複数の層に分割する（Ｓ２）。分割する手段は特に限定されず、公知の手段を採用できる。
（モデル分割）
図４は、造形物Ｗの形状に応じたビードモデルを設定する手順を示すフローチャートである。図５の（Ａ）～（Ｄ）は、ビードモデルを設定する様子を模式的に示す説明図である。
まず、造形対象とする造形物の形状を表す３次元形状データ（ＣＡＤデータ等）を読み込む（Ｓ１）。読み込んだ３次元形状データの形状を、図５の（Ａ）に示すように、溶着ビードの積層方向Ｈと直交する面６１でスライスして複数の層に分割する（Ｓ２）。分割する手段は特に限定されず、公知の手段を採用できる。
【0031】
次に、図５の（Ｂ）に示すように、分割した各層ＢＬを、溶着ビードのビード形状に対応するように、面６３によって複数の矩形ビードモデルＢＭ０に分割する（Ｓ３）。図５の（Ｂ）に示す矩形ビードモデルＢＭ０は、図５の奥行き方向に連続する線状の立体モデルであるが、以降の説明では、矩形ビードモデルＢＭ０が連続する長手方向（奥行方向）に直交する断面における矩形形状を、矩形ビードモデルＢＭ０ということにする。つまり、上記の矩形ビードモデルＢＭ０への分割処理は、各層ＢＬの断面形状をビード単位毎に分割する処理を全層について行う。これにより、それぞれの層ＢＬに複数の矩形ビードモデルＢＭ０が配置される。矩形ビードモデルＢＭ０の分割時においては、各モデルでビード長手方向の直交断面におけるビード断面積を一定にする等、条件を指定してもよい。
【0032】
そして、分割された複数の矩形ビードモデルＢＭ０を、単純な幾何図形である台形に当てはめ、台形ビードモデルＢＭに変更する（Ｓ４）。台形ビードモデルＢＭは、ビード長手方向の垂直断面において、ベースプレート２５側に配置される底辺６５と、底辺６５にビード積層方向に対向する上辺６７とが互いに平行で、且つ層ＢＬ内のビード配列方向に対向する一対の側辺６９，７１が互いに非平行にされた４つの頂点を有する台形形状である。
【0033】
台形形状は任意に設定できるが、予め溶接条件とビード形状の関係をデータベースとして管理している場合には、そのデータベースを参照して設定してもよい。例えば、台形の底辺６５、上辺６７、側辺６９，７１の各長さ、及び底辺６５と側辺６９，７１とのなす角度、等の各種パラメータを適宜に決定する。
【0034】
次に、図５の（Ｄ）に示すように、複数の台形ビードモデルＢＭのうち、特定の台形ビードモデルの形状を変更する（Ｓ５）。この処理は、隣接する溶着ビード同士が重なり合う影響を考慮して、製造工程で後に形成される側の溶着ビードに対応する台形ビードモデルＢＭに対し、その台形ビードモデルＢＭの各頂点位置を修正することで行う。
【0035】
図６は、台形ビードモデルＢＭの断面形状と実際の溶着ビードＢの断面形状とを示す説明図である。
図６に示すように、同一形状の台形ビードモデルＢＭを単に配列するだけでは、台形ビードモデルＢＭに沿って溶着ビードＢを形成した際、状況によっては、隣接する溶着ビード同士の重なりによるビード形状の変化を吸収できないことがある。その場合、実際に形成された溶着ビードの表面形状と、台形ビードモデルＢＭの形状との差δが生じて、造形体の目標形状からのずれが生じ得る。
図６に示すように、同一形状の台形ビードモデルＢＭを単に配列するだけでは、台形ビードモデルＢＭに沿って溶着ビードＢを形成した際、状況によっては、隣接する溶着ビード同士の重なりによるビード形状の変化を吸収できないことがある。その場合、実際に形成された溶着ビードの表面形状と、台形ビードモデルＢＭの形状との差δが生じて、造形体の目標形状からのずれが生じ得る。
【0036】
そこで、隣接する溶着ビード同士の重なりを考慮して、台形ビードモデルＢＭの頂点位置を変更することで、台形ビードモデルＢＭの形状を実際の溶着ビードの形状により近づける。ここでは、溶着ビードを図５の（Ｃ）における左端から順に積層することを想定しているため、重ねられる側である左端の台形ビードモデルＢＭの各頂点は回転移動させていない。
【0037】
（台形ビードモデルの形状変更）
図７は、台形ビードモデルＢＭの形状を変更する様子を示す説明図である。以降の説明では、同一の部材及び同一の部位に対する符号については、同じ符号を付与することでその説明を省略又は簡単化する。
図７は、台形ビードモデルＢＭの形状を変更する様子を示す説明図である。以降の説明では、同一の部材及び同一の部位に対する符号については、同じ符号を付与することでその説明を省略又は簡単化する。
【0038】
図７に示す複数の台形ビードモデルＢＭのうち、同一の層ＢＬ内に配置され、先に形成される溶着ビードの位置の台形ビードモデルをＢＭａとし、後に形成される溶着ビードの位置の台形ビードモデルをＢＭｂ（点線で表示）とする。また、先に形成される側の台形ビードモデルＢＭａと、後に形成される側の台形ビードモデルＢＭｂとは、互いの重なり部７３（ドットハッチで表示）を有するように配置する。
【0039】
ここで、後に形成される側の台形ビードモデルＢＭｂ（点線で表示）における、底辺６５の重なり部７３に近い側の端にある頂点をＰ１とし、遠い側の端にある頂点Ｐ４とする。また、ビードモデルＢＭｂにおける上辺６７の両端にある一対の頂点のうち、重なり部７３に近い側にある頂点をＰ２とし、遠い側にある頂点をＰ３とする。また、ビードモデルＢＭｂにおける重なり部７３側の側辺６９と、先に形成されるビードモデルＢＭａの外周縁（この場合は側辺７１）との交点をＱ１とする。また、先に形成されるビードモデルＢＭａの底辺６５の重なり部７３側の端にある頂点をＱ２とする。
【0040】
そして、後に形成される側の台形ビードモデルＢＭｂ（点線で表示）の頂点Ｐ４を中心として、頂点Ｐ４を除く他の３つの頂点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３をそれぞれ回転移動させる。ここでは、台形ビードモデルＢＭｂを、矢印で示すθの方向（時計回り方向）に回転移動させる。すると、回転中心の頂点Ｐ４はそのままで、頂点Ｐ１が頂点Ｐ１ａとなり、頂点Ｐ２が頂点Ｐ２ａとなり、頂点Ｐ３が頂点Ｐ３ａとなる。つまり、回転後の台形ビードモデルＢＭｂは、４つの頂点Ｐ１，Ｐ２ａ，Ｐ３ａ，Ｐ４ａの互いの相対位置を回転前後で一定に維持しつつ移動して、回転前と同じ形状の台形ビードモデルＢＭｂとなる。
【0041】
上記した台形ビードモデルＢＭｂの回転動作を更に詳細に説明する。
図８は、図７に示す台形ビードモデルＢＭｂの回転動作の詳細を示す説明図である。
図７においては、台形ビードモデルＢＭａの形状をそのまま維持したまま回転させた例を示したが、これに限らず、台形形状を変化させてもよい。図８に示すように、後に形成される台形ビードモデルＢＭｂ（点線で表示）の頂点Ｐ１を、頂点Ｐ４を中心に角度θ１で回転移動させて頂点Ｐ１ａにし、同様に、頂点Ｐ２を角度θ２で回転移動させて頂点Ｐ２ａにし、頂点Ｐ３を角度θ３で回転移動させて頂点Ｐ３ａにする。各頂点Ｐｉ（ｉ＝１，２，３）を回転移動させる角度θｊ（ｊ＝１，２，３）は、回転中心である頂点Ｐ４からの半径距離ｘｋ（ｋ＝１，２，３）に依存した設定にできる。なお、頂点Ｐ４の半径距離Ｘ４は０となる。
図８は、図７に示す台形ビードモデルＢＭｂの回転動作の詳細を示す説明図である。
図７においては、台形ビードモデルＢＭａの形状をそのまま維持したまま回転させた例を示したが、これに限らず、台形形状を変化させてもよい。図８に示すように、後に形成される台形ビードモデルＢＭｂ（点線で表示）の頂点Ｐ１を、頂点Ｐ４を中心に角度θ１で回転移動させて頂点Ｐ１ａにし、同様に、頂点Ｐ２を角度θ２で回転移動させて頂点Ｐ２ａにし、頂点Ｐ３を角度θ３で回転移動させて頂点Ｐ３ａにする。各頂点Ｐｉ（ｉ＝１，２，３）を回転移動させる角度θｊ（ｊ＝１，２，３）は、回転中心である頂点Ｐ４からの半径距離ｘｋ（ｋ＝１，２，３）に依存した設定にできる。なお、頂点Ｐ４の半径距離Ｘ４は０となる。
【0042】
各頂点Ｐｉの回転移動には、回転後のビードモデルＢＭｂが、変形前の台形ビードモデルＢＭｂと等しい断面積になるようにする条件を付与してもよい。このようにして設定された台形ビードモデルＢＭａ，ＢＭｂを積層計画用のビードモデルに設定して積層計画を作成する（Ｓ６）。
【0043】
図７及び図８においては、台形ビードモデルＢＭａに隣接する台形ビードモデルＢＭｂと積層計画で用いるビードモデルとを示したが、図５の（Ｄ）に示すように、複数の台形ビードモデルＢＭｂが繰り返し配列される。これらの台形ビードモデルＢＭｂは、それぞれ同じ形状のモデルにすることで、ビードモデルの設定を簡単にできる。また、モデルの配置場所に応じて頂点Ｐｉの回転移動量を変更して、台形ビードモデルＢＭｂの形状を適宜に変化させてもよい。
【0044】
＜積層計画用のビードモデルの変形例１＞
次に、上記のようにして各頂点Ｐｉを回転移動させて得られる台形ビードモデルＢＭｂから、さらに実際の溶着ビードに近い形状にした積層計画用のビードモデルを説明する。
次に、上記のようにして各頂点Ｐｉを回転移動させて得られる台形ビードモデルＢＭｂから、さらに実際の溶着ビードに近い形状にした積層計画用のビードモデルを説明する。
【0045】
ここで設定される積層計画用のビードモデルは、４つの頂点を有する台形ビードモデルＢＭｂに代えて、図７に太線内をハッチングして示される５角形のモデルとする。すなわち、上記した頂点Ｑ２と、交点Ｑ１と、頂点Ｐ２ａと、頂点Ｐ３ａと、頂点Ｐ４とにより囲まれた５つの頂点を有する領域を、積層計画で用いるビードモデルＢＭＲに設定する。
【0046】
また、同じ層ＢＬ内で最初に形成する溶着ビードに対応した台形ビードモデルＢＭａについては、そのままの形状で積層計画に用いるビードモデルＢＭＲとして扱う。
【0047】
各ビードモデルＢＭＲは、変形前の台形ビードモデルＢＭａ，ＢＭｂの断面積と等しい断面積になるように設定してもよい。つまり、図７に示す頂点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４からなる台形ビードモデルＢＭｂの断面積と、頂点Ｑ２，交点Ｑ１，頂点Ｐ２ａ，Ｐ３ａ，Ｐ４からなる５角形のビードモデルＢＭＲの断面積とを等しくする。
【0048】
ビードモデルＢＭＲを積層計画用のビードモデルとして用いた場合、先に形成される溶着ビードに対応する台形ビードモデルＢＭａの片側の側辺７１に沿って、隣接するビードモデルＢＭＲが配置される。このため、双方のモデル同士の重なり部が生じず、より正確な積層計画を作成できる。
【0049】
（各頂点の回転移動量の設定方法）
前述した図８に示す頂点Ｐｉの回転移動の角度θｊ（Ｊ＝１，２，３）は、溶着ビードの溶接条件と溶着ビードの形成軌道とに応じて設定できる。また、頂点毎に異ならせてもよい。溶接条件としては、例えば、コールドメタルトランスファー（ＣＭＴ）方式、パルスアーク方式、若しくは低電圧（ＣＶ）溶接方式等の溶接方式、溶接電流、溶接電圧、溶加材の供給速度、又は溶接速度、等が挙げられる。形成軌道としては、直線軌道、曲線軌道、上向き軌道、又は下向き軌道等が挙げられる。また、角度θｊは半径距離ｘｋの関数を用いて設定してもよい。その場合、予め実験的に求めた造形物の形状と一致するように、各関数の係数をフィッティングさせる。
前述した図８に示す頂点Ｐｉの回転移動の角度θｊ（Ｊ＝１，２，３）は、溶着ビードの溶接条件と溶着ビードの形成軌道とに応じて設定できる。また、頂点毎に異ならせてもよい。溶接条件としては、例えば、コールドメタルトランスファー（ＣＭＴ）方式、パルスアーク方式、若しくは低電圧（ＣＶ）溶接方式等の溶接方式、溶接電流、溶接電圧、溶加材の供給速度、又は溶接速度、等が挙げられる。形成軌道としては、直線軌道、曲線軌道、上向き軌道、又は下向き軌道等が挙げられる。また、角度θｊは半径距離ｘｋの関数を用いて設定してもよい。その場合、予め実験的に求めた造形物の形状と一致するように、各関数の係数をフィッティングさせる。
【0050】
図９は、半径距離ｘと角度θとの関係を１次関数で表したグラフである。１次関数は、例えばθ＝ａｘ＋ｂで表され、係数ａ，ｂが適宜に設定される。この場合の角度θは、各頂点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の頂点Ｐ４からの半径距離に応じて線形的に変化し、頂点Ｐ４に近いほど角度θが小さくなる。
【0051】
上記した角度θの設定には、上記した一次関数に限らず種々の関数を採用できる。
図１０の（Ａ）は、半径距離ｘと角度θとの関係を０次関数で表したグラフであり、（Ｂ）は（Ａ）に示す関数を用いて角度θを決定した場合のビードモデルの形状を模式的に示す説明図である。
この場合の角度θは、各頂点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３で全て一定であり、４つの頂点からなる各台形ビードモデルＢＭｂ（点線で表示）は互いに合同となる。また、５つの頂点からなる各ビードモデルＢＭＲは、それぞれハッチングで示された形状となる。
図１０の（Ａ）は、半径距離ｘと角度θとの関係を０次関数で表したグラフであり、（Ｂ）は（Ａ）に示す関数を用いて角度θを決定した場合のビードモデルの形状を模式的に示す説明図である。
この場合の角度θは、各頂点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３で全て一定であり、４つの頂点からなる各台形ビードモデルＢＭｂ（点線で表示）は互いに合同となる。また、５つの頂点からなる各ビードモデルＢＭＲは、それぞれハッチングで示された形状となる。
【0052】
図１１の（Ａ）は、半径距離ｘと角度θとの関係を３次関数で表したグラフであり、（Ｂ）は（Ａ）に示す関数を用いて角度θを決定した場合のビードモデルの形状を模式的に示す説明図である。３次関数は、例えばθ＝ｃｘ３＋ｄｘ２＋ｅ＋ｆで表され、係数ｃ，ｄ，ｅ，ｆが適宜に設定される。
この場合の角度θは、頂点Ｐ１の半径距離ｘ１付近で急激に増加する。そのため、台形ビードモデルＢＭｂの頂点Ｐ１が、隣接する台形ビードモデルＢＭａの側辺７１を超えて持ち上げられ、その結果、ビードモデルの形状が実際の溶着ビードの形状により近づく。
この場合の角度θは、頂点Ｐ１の半径距離ｘ１付近で急激に増加する。そのため、台形ビードモデルＢＭｂの頂点Ｐ１が、隣接する台形ビードモデルＢＭａの側辺７１を超えて持ち上げられ、その結果、ビードモデルの形状が実際の溶着ビードの形状により近づく。
【0053】
図１２は、半径距離ｘと角度θとの関係をｎ次関数（ｎは例えば１．５又は２）で表したグラフである。このｎ次関数としては、例えばθ＝ｇｘｎ＋ｈで表され、係数ｇ，ｈが適宜に設定される。この場合の角度θ１，θ２と角度θ３とは、極性が反転している。
【0054】
図１３は、図１２に示すｎ次関数を用いて角度θを決定した場合のビードモデルの形状を示す説明図である。
図１３に示すように、台形ビードモデルＢＭｂの頂点Ｐ１，Ｐ２が頂点Ｐ４を中心に時計回りに回転移動しているのに対して、頂点Ｐ３は反時計回りに回転移動している。このような回転移動の向きを頂点に応じて異ならせることで、ビードモデルＢＭＲの形状の設定自由度が高められ、ビードモデルＢＭＲを実際の溶着ビードの形状により近づけられる。なお、台形ビードモデルＢＭｂを用いる場合も同様の効果が得られる。
図１３に示すように、台形ビードモデルＢＭｂの頂点Ｐ１，Ｐ２が頂点Ｐ４を中心に時計回りに回転移動しているのに対して、頂点Ｐ３は反時計回りに回転移動している。このような回転移動の向きを頂点に応じて異ならせることで、ビードモデルＢＭＲの形状の設定自由度が高められ、ビードモデルＢＭＲを実際の溶着ビードの形状により近づけられる。なお、台形ビードモデルＢＭｂを用いる場合も同様の効果が得られる。
【0055】
図１４は、図１３に示すビードモデルＢＭＲを、台形ビードモデルＢＭａに並べて配置した様子を示す説明図である。
図１４に示すように、半径距離ｘと角度θとの関係を表すｎ次関数の次数及び係数を調整することにより、実際の溶着ビードの形状との近似度を更に向上できる。
図１４に示すように、半径距離ｘと角度θとの関係を表すｎ次関数の次数及び係数を調整することにより、実際の溶着ビードの形状との近似度を更に向上できる。
【0056】
上記した積層造形方法によれば、台形形状のビードモデルの各頂点を回転移動させるという単純な計算で、ビードモデルの形状を簡単に調整できる。また、３つの頂点を回転移動させる回転角を、溶着ビードの溶接条件又は形成軌道に応じて設定することで、溶着ビードの場所、積層パターンに応じて、ビードモデルの形状をより適切な形状に設定できる。そして、回転移動させる回転角を頂点毎に異ならせることで、溶着ビードが台形の単純な回転では表現できない複雑な形状であっても、その複雑な形状を容易に再現が可能となる。このようにして、目標形状により近い形状の造形物が簡単に作製できるようになる。
【0057】
さらに、３つの頂点を回転移動させる回転角を、予め定めた演算式に基づいてそれぞれ設定する場合、演算式中の係数を調整して、実際の溶着ビードの形状にビードモデルをより近づけることができる。
また、回転させた台形ビードモデルに基づいた５つの頂点を有するビードモデルＢＭＲを用いて積層計画を行う場合、既設の溶着ビードに隣接して形成する溶着ビードの形状を、より忠実に再現できる。つまり、既設の溶着ビードに隣接させてビード形成した場合、その溶着ビードの断面形状は、台形形状よりも平行四辺形に近い形状となる。そのような場合でも、５つの頂点を有するビードモデルＢＭＲでフィッティングさせることで、実際の溶着ビード形状にモデルを良好に近似できる。
また、回転させた台形ビードモデルに基づいた５つの頂点を有するビードモデルＢＭＲを用いて積層計画を行う場合、既設の溶着ビードに隣接して形成する溶着ビードの形状を、より忠実に再現できる。つまり、既設の溶着ビードに隣接させてビード形成した場合、その溶着ビードの断面形状は、台形形状よりも平行四辺形に近い形状となる。そのような場合でも、５つの頂点を有するビードモデルＢＭＲでフィッティングさせることで、実際の溶着ビード形状にモデルを良好に近似できる。
【0058】
＜積層計画用のビードモデルの変形例２＞
溶着ビードの形成時において、下層の溶着ビードの上に新たに溶着ビードを形成した場合、上層の溶着ビードには下層に向けて垂れ下がる部位を生じることがある。溶着ビードの一部が垂れ下がると、その垂れ下がりにより溶着ビードの肉盛り高さが減少する。そのため、実際の溶着ビードの肉盛高さが、計画していた高さよりも低くなりやすい。そこで、積層計画の段階で、溶着ビードの垂れ下がりを考慮したビードモデルを生成することが好ましい。
溶着ビードの形成時において、下層の溶着ビードの上に新たに溶着ビードを形成した場合、上層の溶着ビードには下層に向けて垂れ下がる部位を生じることがある。溶着ビードの一部が垂れ下がると、その垂れ下がりにより溶着ビードの肉盛り高さが減少する。そのため、実際の溶着ビードの肉盛高さが、計画していた高さよりも低くなりやすい。そこで、積層計画の段階で、溶着ビードの垂れ下がりを考慮したビードモデルを生成することが好ましい。
【0059】
図１５は、溶着ビードの垂れ下がりを考慮したビードモデルＢＭＲｓを示す説明図である。
積層された台形ビードモデルＢＭａ，ＢＭｂのうち、上層の台形ビードモデルＢＭａ，ＢＭｂについては、底辺６５の端部に、下方へ延びる垂れ部７５Ａ，７５Ｂを追加して、ビードモデルＢＭＲｓに変更している。垂れ部７５Ａ，７５Ｂは、それぞれ底辺６５の端部を一辺とする三角形であり、前述した溶着ビードの溶接条件と形成軌道とに応じて、その形状と面積が設定される。垂れ部７５Ａと垂れ部７５Ｂとは、同一形状であってもよいが、互いに異なる形状に設定してもよい。また、一対の垂れ部７５Ａ，７５Ｂは、台形ビードモデルＢＭａ，ＢＭｂの底辺６５のいずれか一方の端部のみに設けてもよい。
積層された台形ビードモデルＢＭａ，ＢＭｂのうち、上層の台形ビードモデルＢＭａ，ＢＭｂについては、底辺６５の端部に、下方へ延びる垂れ部７５Ａ，７５Ｂを追加して、ビードモデルＢＭＲｓに変更している。垂れ部７５Ａ，７５Ｂは、それぞれ底辺６５の端部を一辺とする三角形であり、前述した溶着ビードの溶接条件と形成軌道とに応じて、その形状と面積が設定される。垂れ部７５Ａと垂れ部７５Ｂとは、同一形状であってもよいが、互いに異なる形状に設定してもよい。また、一対の垂れ部７５Ａ，７５Ｂは、台形ビードモデルＢＭａ，ＢＭｂの底辺６５のいずれか一方の端部のみに設けてもよい。
【0060】
垂れ部７５Ａ，７５Ｂを設けたビードモデルＢＭＲｓを積層計画用のビードモデルに設定することで、溶着ビードのビード高さが、溶着ビードに生じる垂れ下がりによる影響を受けにくくなる。よって、作製する造形物を、積層計画通りの形状により近づけられる。また、垂れ部７５Ａ，７５Ｂの形状が単純な三角形であることで、演算負担を軽減できる。
【0061】
図１６の（Ａ），（Ｂ）は、溶着ビードの垂れ下がりを考慮したビードモデルＢＭＲｓと、ビードモデルＢＭＲｓを用いた積層計画で作製した造形物Ｗの外縁形状とを示す概略図である。図１６の（Ｂ）は、溶加材の供給速度及び溶接速度を図１６の（Ａ）の場合よりも増加させた結果である。このように、いずれの場合でも、積層計画のビードモデルに近い形状で造形物Ｗを製造できる。
【0062】
＜表示装置を用いた積層計画作成の支援＞
以上説明した各種のビードモデルを用いた積層計画は、目標形状のモデル化と、モデルの修正とを繰り返すことで、造形物の形状を更に目標形状に近づけることができる。
図３に示すモデル表示装置２００は、例えば、前述した図１０の（Ｂ）、図１１の（Ｂ）、図１４、又は図１６に示すようなビードモデルの形状等を表示部５３に表示させることで、作業者にモデル化の是非を確認させたり、モデルの修正を促したりすることが容易に行える。また、モデルの修正が必要な場合には、作業者が入力部５１から調整指示の情報を入力することで、ビードモデルを再設定することが可能となる。
以上説明した各種のビードモデルを用いた積層計画は、目標形状のモデル化と、モデルの修正とを繰り返すことで、造形物の形状を更に目標形状に近づけることができる。
図３に示すモデル表示装置２００は、例えば、前述した図１０の（Ｂ）、図１１の（Ｂ）、図１４、又は図１６に示すようなビードモデルの形状等を表示部５３に表示させることで、作業者にモデル化の是非を確認させたり、モデルの修正を促したりすることが容易に行える。また、モデルの修正が必要な場合には、作業者が入力部５１から調整指示の情報を入力することで、ビードモデルを再設定することが可能となる。
【0063】
具体的には、図１６に示す各ビードモデルと造形物Ｗの形状とを表示部５３に表示することで、双方を比較し、目標形状への近似度が十分か否かを確認できる。また、調整指示の情報を入力してビードモデルの形状を更に変更した場合には、その変更内容の是非を視覚的に確認できる。このように、積層計画した内容を簡単に確認できるため、積層計画の作業性を向上できる。このモデル表示装置２００を積層造形装置１００に付帯された構成にすれば、例えば、造形直前であっても上記した確認が簡単に行えるため、積層造形の作業性を向上できる。
【0064】
このように、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、実施形態の各構成を相互に組み合わせることや、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。
【0065】
以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
（１） 溶加材を溶融及び凝固させて形成する溶着ビードをベース上に積層して、造形物を作製する積層造形方法であって、
前記造形物の３次元形状データを読み込む工程と、
前記３次元形状データに基づく立体モデル形状を複数の層に分割するとともに、分割した各層を、前記溶着ビードのビード形状に対応した複数のビードモデルに分割する工程と、
分割された前記ビードモデルに沿って前記溶着ビードを形成する処理を、前記複数の層の下層から上層まで繰り返して前記溶着ビードを積層する工程と、
を有し、
前記ビードモデルは台形形状であり、ビード長手方向の垂直断面において、前記ベース側の底辺と反ベース側の上辺とが互いに平行で、且つ、同一層内に配置される前記ビードモデルの配列方向に対向する一対の側辺同士が互いに非平行にされ、
前記複数のビードモデルに分割する工程では、
同一層内において、先に形成される溶着ビードに対応する前記ビードモデルと、当該溶着ビードに隣接して後に形成される溶着ビードに対応する前記ビードモデルとを、互いの重なり部を有して配置し、
後に形成される側の前記ビードモデルの４つ頂点のうち、当該ビードモデルの底辺の前記重なり部から遠い側となる端部に配置される頂点を中心に、他の３つの頂点をそれぞれ回転移動させて、後に形成される側の前記ビードモデルの形状を変更する工程を含む、
積層造形方法。
この積層造形方法によれば、台形形状のビードモデルの各頂点を回転移動させるという単純な計算で、ビードモデルの形状を簡単に調整できる。これにより、目標形状により近い形状の造形物を作製できる。
（１） 溶加材を溶融及び凝固させて形成する溶着ビードをベース上に積層して、造形物を作製する積層造形方法であって、
前記造形物の３次元形状データを読み込む工程と、
前記３次元形状データに基づく立体モデル形状を複数の層に分割するとともに、分割した各層を、前記溶着ビードのビード形状に対応した複数のビードモデルに分割する工程と、
分割された前記ビードモデルに沿って前記溶着ビードを形成する処理を、前記複数の層の下層から上層まで繰り返して前記溶着ビードを積層する工程と、
を有し、
前記ビードモデルは台形形状であり、ビード長手方向の垂直断面において、前記ベース側の底辺と反ベース側の上辺とが互いに平行で、且つ、同一層内に配置される前記ビードモデルの配列方向に対向する一対の側辺同士が互いに非平行にされ、
前記複数のビードモデルに分割する工程では、
同一層内において、先に形成される溶着ビードに対応する前記ビードモデルと、当該溶着ビードに隣接して後に形成される溶着ビードに対応する前記ビードモデルとを、互いの重なり部を有して配置し、
後に形成される側の前記ビードモデルの４つ頂点のうち、当該ビードモデルの底辺の前記重なり部から遠い側となる端部に配置される頂点を中心に、他の３つの頂点をそれぞれ回転移動させて、後に形成される側の前記ビードモデルの形状を変更する工程を含む、
積層造形方法。
この積層造形方法によれば、台形形状のビードモデルの各頂点を回転移動させるという単純な計算で、ビードモデルの形状を簡単に調整できる。これにより、目標形状により近い形状の造形物を作製できる。
【0066】
（２） 前記他の３つの頂点を回転移動させる回転角を、前記溶着ビードの溶接条件又は形成軌道に応じて設定する、（１）に記載の積層造形方法。
この積層造形方法によれば、溶着ビードの場所、積層パターンに応じて、ビードモデルの形状をより適切な形状に設定できる。
この積層造形方法によれば、溶着ビードの場所、積層パターンに応じて、ビードモデルの形状をより適切な形状に設定できる。
【0067】
（３） 前記他の３つの頂点を回転移動させる回転角を、前記頂点毎に異ならせる、（１）又は（２）に記載の積層造形方法。
この積層造形方法によれば、溶着ビードが台形の単純な回転では表現できない複雑な形状であっても、その複雑な形状を容易に再現できる。
この積層造形方法によれば、溶着ビードが台形の単純な回転では表現できない複雑な形状であっても、その複雑な形状を容易に再現できる。
【0068】
（４） 前記他の３つの頂点を回転移動させる回転角は、予め定めた演算式に基づいてそれぞれ設定される、（１）～（３）のいずれか１つに記載の積層造形方法。
この積層造形方法によれば、演算式中の係数を調整することで、実際の溶着ビードの形状にビードモデルをより近づけることができる。
この積層造形方法によれば、演算式中の係数を調整することで、実際の溶着ビードの形状にビードモデルをより近づけることができる。
【0069】
（５） 前記演算式は、前記ビードモデルの前記底辺に沿った座標値を変数とする、直線又は曲線の関係式である、（４）に記載の積層造形方法。
この積層造形方法によれば、回転中心となる１つの頂点からの半径距離に応じた回転移動量に設定できる。
この積層造形方法によれば、回転中心となる１つの頂点からの半径距離に応じた回転移動量に設定できる。
【0070】
（６） 前記後に形成される側のビードモデルを前記台形形状に代えて、
前記後に形成される側のビードモデルにおける前記底辺の前記重なり部から遠い側の端にある頂点と、
前記後に形成される側のビードモデルにおける前記上辺の両端にある一対の頂点と、
前記後に形成される側のビードモデルにおける前記重なり部側の側辺と前記先に形成されるビードモデルの外周縁との交点と、
前記先に形成されるビードモデルの底辺の前記重なり部側の端にある頂点と、
によって囲まれた５つの頂点を有する形状に設定する、（１）～（５）のいずれか１つに記載の積層造形方法。
この積層造形方法によれば、既設の溶着ビードに隣接させて形成する溶着ビードのように、台形形状よりも平行四辺形に近い溶着ビードであっても、良好な形状のフィッティングが図れる。
前記後に形成される側のビードモデルにおける前記底辺の前記重なり部から遠い側の端にある頂点と、
前記後に形成される側のビードモデルにおける前記上辺の両端にある一対の頂点と、
前記後に形成される側のビードモデルにおける前記重なり部側の側辺と前記先に形成されるビードモデルの外周縁との交点と、
前記先に形成されるビードモデルの底辺の前記重なり部側の端にある頂点と、
によって囲まれた５つの頂点を有する形状に設定する、（１）～（５）のいずれか１つに記載の積層造形方法。
この積層造形方法によれば、既設の溶着ビードに隣接させて形成する溶着ビードのように、台形形状よりも平行四辺形に近い溶着ビードであっても、良好な形状のフィッティングが図れる。
【0071】
（７） 最下層に配置されるビードモデルよりも上層に配置されるビードモデルの底辺における一端部又は両端部に、前記溶加材の溶融体の下層へ向けた垂れ落ちを表す垂れ部を設ける、（１）～（５）のいずれか１つに記載の積層造形方法。
この積層造形方法によれば、ビードモデルに垂れ部を設けることで、溶着ビードのビード高さが、溶着ビードに生じる垂れ下がりによる影響を受けにくくなる。よって、作製される造形物の形状を、積層計画通りの形状により近づけることができる。
この積層造形方法によれば、ビードモデルに垂れ部を設けることで、溶着ビードのビード高さが、溶着ビードに生じる垂れ下がりによる影響を受けにくくなる。よって、作製される造形物の形状を、積層計画通りの形状により近づけることができる。
【0072】
（８） 前記垂れ部は三角形状である、（７）に記載の積層造形方法。
この積層造形方法によれば、垂れ部の形状を単純な三角形にすることで、演算負担を軽減できる。
この積層造形方法によれば、垂れ部の形状を単純な三角形にすることで、演算負担を軽減できる。
【0073】
（９） 溶加材を溶融及び凝固させて形成する溶着ビードをベース上に積層して、造形物を作製する積層造形装置であって、
前記造形物の３次元形状データを読み込む入力部と、
前記３次元形状データに基づく立体モデル形状を複数の層に分割するとともに、分割した各層を、前記溶着ビードのビード形状に対応した複数のビードモデルに分割するモデル設定部と、
分割された前記ビードモデルに沿って前記溶着ビードを形成する処理を、前記複数の層の下層から上層まで繰り返して前記溶着ビードを積層する造形部と、
を備え、
前記ビードモデルは台形形状であり、ビード長手方向の垂直断面において、前記ベース側の底辺と反ベース側の上辺とが互いに平行で、且つ、同一層内に配置される前記ビードモデルの配列方向に対向する一対の側辺同士が互いに非平行にされ、
前記モデル設定部は、
同一層内において、先に形成される溶着ビードに対応する前記ビードモデルと、当該溶着ビードに隣接して後に形成される溶着ビードに対応する前記ビードモデルとを、互いの重なり部を有して配置し、
後に形成される側の前記ビードモデルの４つ頂点のうち、当該ビードモデルの底辺の前記重なり部から遠い側となる端部に配置される頂点を中心に、他の３つの頂点をそれぞれ回転移動させて、後に形成される側の前記ビードモデルの形状を変更する、
積層造形装置。
この積層造形装置によれば、台形形状のビードモデルの各頂点を回転移動させるという単純な計算で、ビードモデルの形状を簡単に調整できる。これにより、目標形状により近い形状の造形物を作製できる。
前記造形物の３次元形状データを読み込む入力部と、
前記３次元形状データに基づく立体モデル形状を複数の層に分割するとともに、分割した各層を、前記溶着ビードのビード形状に対応した複数のビードモデルに分割するモデル設定部と、
分割された前記ビードモデルに沿って前記溶着ビードを形成する処理を、前記複数の層の下層から上層まで繰り返して前記溶着ビードを積層する造形部と、
を備え、
前記ビードモデルは台形形状であり、ビード長手方向の垂直断面において、前記ベース側の底辺と反ベース側の上辺とが互いに平行で、且つ、同一層内に配置される前記ビードモデルの配列方向に対向する一対の側辺同士が互いに非平行にされ、
前記モデル設定部は、
同一層内において、先に形成される溶着ビードに対応する前記ビードモデルと、当該溶着ビードに隣接して後に形成される溶着ビードに対応する前記ビードモデルとを、互いの重なり部を有して配置し、
後に形成される側の前記ビードモデルの４つ頂点のうち、当該ビードモデルの底辺の前記重なり部から遠い側となる端部に配置される頂点を中心に、他の３つの頂点をそれぞれ回転移動させて、後に形成される側の前記ビードモデルの形状を変更する、
積層造形装置。
この積層造形装置によれば、台形形状のビードモデルの各頂点を回転移動させるという単純な計算で、ビードモデルの形状を簡単に調整できる。これにより、目標形状により近い形状の造形物を作製できる。
【0074】
（１０） 前記モデル設定部により形状が変更された前記ビードモデルの情報が表示される表示部を更に備える、（９）に記載の積層造形装置。
この積層造形装置によれば、ビードモデルの形状等を表示部に表示させることで、実際に造形物を作製して得られる形状に近い形状を、造形前に容易に確認できる。
この積層造形装置によれば、ビードモデルの形状等を表示部に表示させることで、実際に造形物を作製して得られる形状に近い形状を、造形前に容易に確認できる。
【0075】
（１１） （９）に記載の積層造形装置の前記モデル設定部により設定された前記ビードモデルの情報が入力される入力部と、
入力された前記ビードモデルの情報を表示する表示部と、
を備えるモデル表示装置。
このモデル表示装置によれば、ビードモデルの形状等を表示部に表示させることで、作業者にモデル化の是非を確認させたり、修正を促したりすることが容易に行える。
入力された前記ビードモデルの情報を表示する表示部と、
を備えるモデル表示装置。
このモデル表示装置によれば、ビードモデルの形状等を表示部に表示させることで、作業者にモデル化の是非を確認させたり、修正を促したりすることが容易に行える。
【0076】
（１２） 前記入力部に前記ビードモデルの調整指示の情報が入力され、
入力された前記調整指示の情報に応じて前記ビードモデルを調整し、調整後の前記ビードモデルの表示用データを前記表示部に出力する表示用データ生成部を備える、（１１）に記載のモデル表示装置。
このモデル表示装置によれば、作業者がビードモデルを調整した結果を表示でき、利便性が高められる。
入力された前記調整指示の情報に応じて前記ビードモデルを調整し、調整後の前記ビードモデルの表示用データを前記表示部に出力する表示用データ生成部を備える、（１１）に記載のモデル表示装置。
このモデル表示装置によれば、作業者がビードモデルを調整した結果を表示でき、利便性が高められる。
【符号の説明】
【0077】
１１ 造形部
１３ 電源部
１５ コントローラ
１７ トーチ
１９ 溶接ロボット
２１ 溶加材供給部
２５ ベースプレート
３１ 入力部
３３ モデル設定部
３５ 積層計画部
３７ 記憶部
３９ 通信部
４１ 制御部
４３，４７ 表示部
４５ ビード層
５１ 入力部
５３ 表示部
５５ 表示用データ生成部
６１，６３ 面
６５ 底辺
６７ 上辺
６９，７１ 側辺
７３ 重なり部
１００ 積層造形装置
２００ モデル表示装置
Ｍ 溶加材
ＰＣ 外部コンピュータ
ＢＭ０ 矩形ビードモデル
ＢＭ 台形ビードモデル
ＢＭＲ ビードモデル
ＢＭＲｓ ビードモデル
Ｂ 溶着ビード
ＢＬ 層
１３ 電源部
１５ コントローラ
１７ トーチ
１９ 溶接ロボット
２１ 溶加材供給部
２５ ベースプレート
３１ 入力部
３３ モデル設定部
３５ 積層計画部
３７ 記憶部
３９ 通信部
４１ 制御部
４３，４７ 表示部
４５ ビード層
５１ 入力部
５３ 表示部
５５ 表示用データ生成部
６１，６３ 面
６５ 底辺
６７ 上辺
６９，７１ 側辺
７３ 重なり部
１００ 積層造形装置
２００ モデル表示装置
Ｍ 溶加材
ＰＣ 外部コンピュータ
ＢＭ０ 矩形ビードモデル
ＢＭ 台形ビードモデル
ＢＭＲ ビードモデル
ＢＭＲｓ ビードモデル
Ｂ 溶着ビード
ＢＬ 層
【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】