特開 2024-140540 構造物形成方法

(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】P2024140540

(43)【公開日】2024-10-10

(54)【発明の名称】構造物形成方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 9/04 20060101AFI20241003BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20241003BHJP

   B29C 64/10 20170101ALI20241003BHJP

【ＦＩ】

B23K9/04 G

B23K9/04 Z

B33Y10/00

B29C64/10

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023051720

(22)【出願日】2023-03-28

(71)【出願人】

【識別番号】000000549

【氏名又は名称】株式会社大林組

(74)【代理人】

【識別番号】100105957

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100068755

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 博宣

(72)【発明者】

【氏名】大川 悠奈

(72)【発明者】

【氏名】中村 允哉

(72)【発明者】

【氏名】池田 雄一

【テーマコード（参考）】

4F213

【Ｆターム（参考）】

4F213WA25

4F213WB01

4F213WL02

4F213WL32

4F213WL74

(57)【要約】

【課題】所望の形状の構造物を短時間で形成することができる構造物形成方法を提供する。
【解決手段】建設部材１０は、溶融した金属材料をノズルの吐出口から吐出させながらノズルを移動させて、ノズルから吐出された材料で構成される層を積み上げることにより形成した曲面部材１５を有する。この建設部材１０は、平板から構成される平面部材１１及び接続部材１２を組み合わせた平板構造部を更に有する。曲面部材１５は、接続部材１２に対して、溶融した材料をノズルから吐出することにより接続部材１２に一体化する建設部材１０の曲面部分を形成する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１領域と第２領域とを備える構造物の形成方法であって、
前記第１領域を平板で構成して配置し、
３次元プリンタにより、前記第１領域に対する前記第２領域の配置に応じて造形材を積層させながら、前記平板に固着させた前記第２領域を形成することを特徴とする構造物形成方法。

【請求項2】

前記第１領域は、複数の前記平板を組み合わせて構成されており、
前記第２領域は、前記第１領域の端部に形成された領域であることを特徴とする請求項１に記載の構造物形成方法。

【請求項3】

前記第１領域は、複数の前記平板を積層して構成されており、
前記第２領域は、前記構造物の形状に対して前記第１領域では不足している部分であることを特徴とする請求項２に記載の構造物形成方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、第１領域と第２領域とを備える構造物の構造物形成方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、３次元（３Ｄ）プリント装置（プリンタ）を用いて、構造物を形成することがある。この３Ｄプリンタにおいては、ノズルから材料を吐出させながらノズルを移動させて層を形成する。この場合、金属を吐出させて構造物を形成するための技術が検討されている（例えば、特許文献１参照。）。この文献に記載の３Ｄプリンタは、材料を分配するプリント・ヘッダを備える。このプリント・ヘッダは、少なくとも１つのアーク溶接トーチを含む。トーチは、軸方向に伸びる第１ノズルと、ノズル外に配置された先端部を有する軸方向に伸びる非消耗電極と、電極を酸化条件から保護するよう保護ガスをノズルに供給する手段と、先端部内で終端する貫通孔内に配置された細長い非帯電ガイド部とを含む。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１８－１０３２６３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

建設工事等で使用する大型の建設部材を形成する場合、平板の鋼板を切断した後、溶接等により部材を組み立てることがある。この場合、建設部材に、複雑な曲面形状がある場合には、精度よく所望の形状に形成することが難しい。

【0005】

一方、所望の形状に形成するために、上述した３Ｄプリンタを用いて、金属材料により積層を繰り返して造形することがある。しかしながら、この方法では、大型の建設部材を形成するには、時間が大幅に掛かる。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決する構造物形成方法は、第１領域と第２領域とを備える構造物の形成方法であって、前記第１領域を平板で構成して配置し、３次元プリンタにより、前記第１領域に対する前記第２領域の配置に応じて造形材を積層させながら、前記平板に固着させた前記第２領域を形成する。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、所望の形状の構造物を短時間で形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施形態の構造物としての建設部材を説明する正面図である。

【図2】実施形態の構造物としての建設部材を説明する斜視図である。

【図3】実施形態において構造物の第２領域を形成する３Ｄプリンタの構成の説明図である。

【図4】実施形態におけるハードウェア構成の説明図である。

【図5】実施形態における構造物の形成方法を説明する流れ図である。

【図6】実施形態における構造物の形成方法を説明する説明図である。

【図7】第１変更例の構造物としての建設部材を説明する正面図である。

【図8】第１変更例の構造物としての建設部材を説明する斜視図である。

【図9】第２変更例における構造物としての建設部材を説明する斜視図である。

【図10】第３変更例における構造物としての建設部材を説明する斜視図である。

【図11】第４変更例における構造物を説明する斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図１～図６を用いて、構造物形成方法を具体化した一実施形態を説明する。本実施形態では、図１及び図２に示す構造物としての建設部材１０を形成する形成方法として説明する。

【0010】

（建設部材１０の構成）
図１及び図２に示す建設部材１０は、金属材料によって構成される。この建設部材１０は、平板の平面部材１１に、平板の接続部材１２を介して曲面部材１５を取り付けることにより形成されている。ここで、建設部材１０の平面部材１１及び接続部材１２が第１領域、曲面部材１５が第２領域に対応する。

【0011】

具体的には、平面部材１１は、建設部材１０の上面を形成する長方形の板状部材である。接続部材１２は、平面部材１１に対して直交する方向（垂直方向）に配置された板状部材であって、平面部材１１と溶接により一体化されている。接続部材１２は、平面部材１１の下面の中央において、平面部材１１の長手方向に延在している。この接続部材１２の端部１２ｗは、様々な曲率を持つ波線形状を有している。平面部材１１及び接続部材１２としては、長方形の金属材料で構成されたＪＩＳ規格の鋼板を用いる。

【0012】

曲面部材１５は、溶融した金属材料を積層することにより形成される積層部である。この曲面部材１５は、接続部材１２の端部１２ｗの幅よりも広い幅の板部材を、この端部１２ｗの波形に滑らかに沿うように湾曲させたような形状を有する。この曲面部材１５は、例えば、図３に示す３Ｄプリンタ２０で形成される。

【0013】

（３Ｄプリンタ２０の構成）
図３に示す３Ｄプリンタ２０は、金属を積層する３次元プリンタである。この３Ｄプリンタ２０は、例えば、ＷＡＡＭ（Wire Arc Additive Manufacturing）方式により実現される。ＷＡＡＭ方式としては、例えば、母材とワイヤとの間のアークを形成しながら、溶滴を母材に移行させることにより、金属線を３次元形状で積層（形成）するＣＭＴ（Cold Metal Transfer）技術を用いることができる。

【0014】

この３Ｄプリンタ２０は、金属ワイヤを吐出するノズル２１、ロボットアーム２２を備える。ノズル２１は、取付部を介して、移動手段としてのロボットアーム２２に取り付けられる。ノズル２１は、積層可能領域２５内に設置された母材に対して、後述する金属材料を積層する。ノズル２１は、このロボットアーム２２に支持され、このロボットアーム２２の動きに従って水平方向や上下方向に移動する。ロボットアーム２２は、後述する管理装置３０の制御部３１からの指示によって移動が制御される。

【0015】

（ハードウェア構成例）
図４は、図３の３Ｄプリンタ２０の管理装置３０等として機能する情報処理装置Ｈ１０のハードウェア構成例である。

【0016】

情報処理装置Ｈ１０は、通信装置Ｈ１１、入力装置Ｈ１２、表示装置Ｈ１３、記憶装置Ｈ１４及びプロセッサＨ１５を有する。なお、このハードウェア構成は一例であり、他のハードウェアを有していてもよい。

【0017】

通信装置Ｈ１１は、他の装置との間で通信経路を確立して、データの送受信を実行するインタフェースである。
入力装置Ｈ１２は、各種情報の入力を受け付ける装置である。
表示装置Ｈ１３は、各種情報を表示する装置である。
記憶装置Ｈ１４は、３Ｄプリンタ２０の管理装置３０の各種機能を実行するためのデータや各種プログラムを格納する記憶部である。

【0018】

プロセッサＨ１５は、記憶装置Ｈ１４に記憶されるプログラムやデータを用いて、管理装置３０における各処理を制御する。プロセッサＨ１５の一例としては、例えばＣＰＵやＭＰＵ等がある。

【0019】

（管理装置３０の構成）
次に、図３を用いて、管理装置３０の機能を説明する。管理装置３０は、制御部３１及び設計情報記憶部３２を備えている。

【0020】

制御部３１は、構造物形成プログラムを実行することにより、構造物の金属材料で構成される積層部（第２領域）を形成するために、ロボットアーム２２の動きを制御する処理を実行する。このロボットアーム２２の動きによって、積層させる金属の経路に応じてノズル２１を移動させる。ここで、制御部３１は、金属の積層状況（金属の積層量、積層部の領域の距離、積層時間等）に応じて環境温度の上昇を予測する温度予測関数を備える。そして、制御部３１は、この温度予測関数を用いて管理条件温度を超えずに、常に所定の管理条件温度以下で積層（溶接）を行なえるように管理する。

【0021】

設計情報記憶部３２には、第２領域を形成するために、３Ｄプリンタ２０の制御情報が記録される。この制御情報は、第２領域を含む構造物の設計を行なった場合に記録される。この制御情報は、３Ｄプリンタ２０を動作させることにより、一連の金属材料で構成される積層部を形成するための情報である。この制御情報には、経路に関する情報等が記録される。

【0022】

経路情報は、３Ｄプリンタ２０のノズル２１の移動経路を特定するための情報である。この移動情報は、一連の移動経路について、時系列に、ノード位置（３次元座標）が並べられた情報である。この時系列のノード間を結んだリンク（走行経路）上を、ノズル２１を移動させることにより金属積層処理を行なう。

【0023】

（構造物の形成方法）
次に、図５及び図６を用いて、上述した構造物の形成方法を説明する。
まず、平板を所望の形状に形成する（ステップＳ１１）。具体的には、平面部材１１及び接続部材１２を形成するための鋼板を特定する。この場合、ＪＩＳ規格等で規格化された市販の鋼板のうち、平面部材１１及び接続部材１２より少し大きい鋼板を特定する。そして、特定した鋼板を、建設部材１０における平面部材１１及び接続部材１２の形状に切断する。

【0024】

次に、複数の平板を組み合わせる（ステップＳ１２）。
具体的には、図６に示すように、平面部材１１の上において、接続部材１２を溶接する。これにより、平面部材１１の上に、接続部材１２が立設された状態の平面構造部材Ｆ１が形成される。

【0025】

次に、組み合わせた平板に対して３Ｄプリンタで金属を積層する（ステップＳ１３）。具体的には、図３の３Ｄプリンタ２０の積層可能領域２５に、形成した平面構造部材Ｆ１を配置する。この場合、曲面部材１５を形成する位置が上面となるように、平面構造部材Ｆ１を配置する。

【0026】

そして、３Ｄプリンタ２０の管理装置３０の制御部３１は、ノズル２１の吐出口から金属ワイヤを供給して溶滴を母材（接続部材１２等）に移行させながら、制御情報の経路に従って、ロボットアーム２２を動かす。この場合、制御部３１は、接続部材１２の長手方向に往復移動させるような動きをノズル２１にさせる。ここで、制御部３１は、制御情報による金属の積層状況を監視しながら、金属を溶融させてノズル２１を動かす。これにより、接続部材１２の端部１２ｗに固定される曲面部材１５を形成する。

【0027】

その後、管理装置３０の制御部３１は、終了判定処理を実行する。この終了判定処理において、設計情報記憶部３２に記憶された経路が終了したと判定した場合には、管理装置３０の制御部３１は、曲面部材１５を形成する処理を終了する。

【0028】

（作用）
建設部材１０は、平板で構成される平面部材１１及び接続部材１２と、金属を積層することにより形成される曲面部材１５とを備える。３Ｄプリンタ２０は、曲面形状の曲面部材１５のみを形成する。

【0029】

本実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）本実施形態の建設部材１０は、平板で構成される平面部材１１及び接続部材１２と、金属を積層することにより形成される曲面部材１５とを備える。板形状を有する平面部材１１及び接続部材１２は、平板を切り出して製作する一方で、曲面部材１５は、３Ｄプリンタ２０で形成する。曲面部材１５を平板で形成するためには曲げ加工が必要になるが、曲面部材１５を３Ｄプリンタ２０で形成するので、所望の形状を精度よく形成することができる。更に、３Ｄプリンタ２０で形成する範囲を小さくできるので、建設部材１０を短時間で形成することができる。

【0030】

（２）本実施形態の３Ｄプリンタ２０は、平面部材１１と接続部材１２とを組み合わせた平面構造部材Ｆ１の端部１２ｗを上に向けた状態で、ノズル２１から金属を吐出して曲面部材１５を形成する。これにより、安定した状態で曲面部材１５を形成することができる。

【0031】

（３）本実施形態の建設部材１０は、３Ｄプリンタ２０のノズル２１を、長手方向に移動させながら、曲面部材１５を形成する。これにより、ノズル２１が形成した周囲の温度を低く抑えることができるので、連続して曲面部材１５を形成することができる。

【0032】

本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・上記実施形態の建設部材１０は、複数の金属で構成される平板の平面部材１１及び接続部材１２を備える。構造物は、２枚の平板を備える構成に限られず、１枚の平板や３枚以上の平板を備える構成であってもよい。

【0033】

例えば、図７及び図８に示す建設部材４０は、平板で構成される平面部材１１と、３Ｄプリンタ２０を用いて形成される積層部４５とを備える。積層部４５は、手前の面が曲面で構成されるブロック形状の接続部材４６と、この接続部材４６の下面の波形に沿って形成される曲面部材４７とを備える。この建設部材４０は、建設部材１０の平板で構成された接続部材１２を、曲面を有するブロック形状で構成される接続部材４６に代えた部材である。これにより、このような複雑な曲面形状の接続部材４６及び曲面部材４７を有する建設部材４０を短時間で形成することができる。

【0034】

更に、図９に示す建設部材５０は、平板で構成される平面部材１１、接続部材５２，５３及び曲面部材５５を備える。接続部材５２，５３は、同じ形状を有した平板であって、離間した位置で配置されている。そして、接続部材５２，５３の上端部のそれぞれは、平面部材１１に溶接されている。そして、接続部材５２，５３に渡るように、曲線形状の曲面部材５５が、３Ｄプリンタ２０で形成される。

【0035】

・上記実施形態の建設部材１０は、平板の接続部材１２の片側に、３Ｄプリンタ２０を用いて曲面部材１５を形成した。３Ｄプリンタ２０を用いて形成される第２領域は、１つの平板に対して形成される場合に限られず、複数の平板にわたるように形成してもよい。

【0036】

例えば、図１０に示す建設部材６０を形成してもよい。この建設部材６０は、金属によって構成され、同じ形状の２枚のフランジ６１，６２と、これらを連結するウェブ６５とを有する。各フランジ６１，６２は、規格化された平板の鋼板を、幅がある円弧形状に切断することにより形成される。ウェブ６５は、３Ｄプリンタ２０を用いて金属を積層することにより、平板を湾曲させたような曲面形状で形成される。

【0037】

この建設部材６０を形成する場合には、まず、３Ｄプリンタ２０の積層可能領域２５に、平面の湾曲形状で切り出したフランジ６１を配置する。そして、このフランジ６１の軸線に沿って、かつこのフランジ６１面に対して直交方向（垂直方向）に延在するように、ウェブ６５を形成する。ここで、ウェブ６５は、湾曲した曲面で形成される。配置されたフランジ６１に一体に形成されたウェブ６５の先端を、フランジ６２の軸線位置に溶接する。

【0038】

また、別の形成方法として、フランジ６１，６２を連結するようにウェブ６５を形成してもよい。具体的には、３Ｄプリンタ２０の積層可能領域２５に、フランジ６１，６２を垂直方向に延在するように立設する。この場合、フランジ６１，６２は、ウェブ６５の大きさの間隔をおいて配置する。そして、これらフランジ６１，６２を繋ぐように、３Ｄプリンタ２０のノズル２１を左右に動かしてウェブ６５を形成する。
更に、３Ｄプリンタ２０の積層可能領域２５に、建設部材の平板を把持するポジショナ（支持部材）を配置してもよい。この場合、ポジショナを、建設部材の第２領域の積層角度や形状に応じて、３Ｄプリンタ２０のロボットアーム２２の動きと連動するようにポジショナを動かして、第２領域を形成してもよい。

【0039】

・上記実施形態の建設部材１０では、曲面の曲面部材１５を、３Ｄプリンタ２０を用いて構成した。３Ｄプリンタ２０で形成する第２領域は、曲面を形成する場合に限られない。例えば、所望の形状を形成する場合に、板状部材では不足する部分を、３Ｄプリンタ２０で構成してもよい。

【0040】

具体的には、図１１に示す構造物７０を形成してもよい。この構造物７０は、長方形状の板状部材と、この上の四角錐台形状のブロック部とを有した形状を有する。ブロック部は、長方形状の板状部材の上面から、この上面よりも小さく高い位置の中央にある長方形状へと向かって傾斜した傾斜部を有する。構造物７０は、金属材料によって構成され、複数の板形状の部材を重ねるとともに、その周囲の傾斜部を第２領域である積層部７５で構成する。

【0041】

この構造物７０は、複数の平板７１，７２，７３，７４を重ね合わせて構成される。各平板７１～７４は、構造物７０の形状に基づいて、構造物７０の形成に用いると特定された複数のＪＩＳ規格の長方形の板状の鋼板である。この構造物７０は、平板７１～７４の順番で小さくなる長方形形状に切断されて用いられる。そして、平板７１～７４を、中心を一致させた状態で、大きい順番に下から重ねて一体化させる。この場合、平板７２～７４の周囲を、その直下の平板７１～７３に溶接により一体化してもよいし、隣接する平板７１～７４同士を、固相接合を用いて一体化してもよい。

【0042】

そして、平板７１～７４が一体化された後、平板７１の上面から平板７４の上面に向かう傾斜部を形成する第２領域７５ａ，７５ｂ，７５ｃを、３Ｄプリンタ２０を用いて形成する。

【0043】

これにより、この形状の構造物７０を、３Ｄプリンタ２０のみを用いて形成する場合に比べて効率的に形成することができる。
更に、上記実施形態の建設部材１０の曲面部材１５の一部に、平板で形成できる部分がある場合は、この部分を平板で更に形成するとともに、その他の部分を、３Ｄプリンタ２０で形成してもよい。これにより、曲面部材１５のすべてを３Ｄプリンタ２０で形成しないので、建設部材１０を迅速に形成することができる。

【0044】

・上記実施形態の建設部材１０は、平面部材１１に対して接続部材１２を溶接により固定した。板部材同士の固定は、溶接に限られず、例えば、切り込み同士を組み合わせて固定したり、凹凸形状を形成して固定したりしてもよい。

【0045】

・上記実施形態の建設部材１０は、金属材料で構成した。第１領域及び第２領域を備える構造物は、金属材料で構成される場合に限られない。例えば、金属材料と同じように、既に吐出された材料の一部が、後から吐出された材料の熱で溶融されて一体化して積層可能な造形材（例えば、合成樹脂材料）を用いてもよい。

【0046】

次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について、以下に追記する。
（ａ）複数の前記平板を、前記第２領域を介して固定することを特徴とする請求項１に記載の構造物形成方法。

【0047】

（ｂ）第１領域と第２領域とを備える構造物の形成方法であって、
前記構造物において、平板によって形成可能な第１領域を特定し、
前記第１領域を構成する前記平板を配置し、
３次元プリンタにより、前記第１領域に対する前記第２領域の配置に応じて造形材を積層させながら、前記平板に固着させた前記第２領域を形成することを特徴とする構造物形成方法。

【符号の説明】

【0048】

Ｆ１…平面構造部材、１０，４０，５０，６０…構造物としての建設部材、１１…第１領域としての平面部材、１２，４６，５２，５３…第１領域としての接続部材、１２ｗ…端部、１５，４７，５５…第２領域としての曲面部材、２０…３次元プリンタ、２１…ノズル、２２…ロボットアーム、２５…積層可能領域、３０…管理装置、３１…制御部、３２…設計情報記憶部、４５，７５…第２領域としての積層部、６１，６２…フランジ、６５…ウェブ、７０…構造物、７１，７２，７３，７４…平板、７５ａ，７５ｂ，７５ｃ…第２領域。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】