特許 7160768 積層造形物の余肉量設定方法、積層造形物の製造方法及び製造装置

(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】

(24)【登録日】2022-10-17

(45)【発行日】2022-10-25

(54)【発明の名称】積層造形物の余肉量設定方法、積層造形物の製造方法及び製造装置

(51)【国際特許分類】

   B29C 64/393 20170101AFI20221018BHJP

   B22F 10/18 20210101ALI20221018BHJP

   B22F 10/66 20210101ALI20221018BHJP

   B22F 10/85 20210101ALI20221018BHJP

   B23K 9/04 20060101ALI20221018BHJP

   B29C 64/118 20170101ALI20221018BHJP

   B29C 64/379 20170101ALI20221018BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20221018BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20221018BHJP

   B33Y 40/20 20200101ALI20221018BHJP

   B33Y 50/02 20150101ALI20221018BHJP

【ＦＩ】

B29C64/393

B22F10/18

B22F10/66

B22F10/85

B23K9/04 G

B29C64/118

B29C64/379

B33Y10/00

B33Y30/00

B33Y40/20

B33Y50/02

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2019133936

(22)【出願日】2019-07-19

(65)【公開番号】P2021016988

(43)【公開日】2021-02-15

【審査請求日】2021-10-26

(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

(72)【発明者】

【氏名】飛田 正俊

(72)【発明者】

【氏名】藤井 達也

【審査官】▲高▼村 憲司

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１１－１０１９００（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０７７６７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１７－５３００２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－００１０５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－０９７１９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２１－０１６８８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１８／１２３８５８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１９／０４９９８１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１４／００３４６２６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】Z. Zhu, 他２名，A Novel Process Planning Approach for Hybrid Manufacturing Consisting of Additive, Subtractive and Inspection Processes，2012 IEEE INTERNATIONAL CONFERENCE ON INDUSTRIAL ENGINEERING AND ENGINEERING MAGAGEMET，IEEE，2014年06月19日，p.1617-1621

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２９Ｃ ６４／００－６４／４０

Ｂ２２Ｆ １／００－１２／９０

Ｂ２３Ｋ ９／００－１０／０２

２６／００－２６／７０

３１／００－３１／１２

Ｂ３３Ｙ １０／００－９９／００

(57)【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される溶着ビードによりベースプレート上に積層造形物を積層造形し、前記積層造形物を加工して目標形状の構造体を形成する際の、前記積層造形物の余肉量を設定する方法であって、
前記積層造形物を前記ベースプレートから分離した際に生じる前記積層造形物の解放ひずみによる変形量を予測する変形予測工程と、
前記構造体の前記目標形状の外縁を表す目標プロファイルを、前記解放ひずみによる変形とは逆方向へ前記変形量である変位に応じて補正した補正プロファイルを求める変形補正工程と、
前記補正プロファイルから前記積層造形物の外縁までの余肉量が、予め定めた基準範囲に収まるように、前記積層造形物の外縁形状を示す積層体プロファイルを調整する余肉量設定工程と、
を含む余肉量設定方法。

【請求項2】

前記積層体プロファイルと、前記補正プロファイルと、を表示部に重ねて表示させる工程と、
前記積層造形物の造形領域の変更指示を受け付ける入力工程と、
入力された前記変更指示に応じて前記積層造形物の外縁形状を変更し、変更された前記積層造形物の前記積層体プロファイルを前記表示部に表示させる工程と、
を更に備える請求項１に記載の余肉量設定方法。

【請求項3】

前記溶着ビードは、アークを熱源として前記溶加材を溶融させて形成する、請求項１または請求項２に記載の余肉量設定方法。

【請求項4】

請求項１～３のいずれか一項に記載の余肉量設定方法により設計された前記積層造形物を、前記溶着ビードにより前記ベースプレート上に積層造形し、前記積層造形物を前記ベースプレートから分離し、前記目標形状の前記構造体に加工する造形物の製造方法。

【請求項5】

溶加材を溶融及び凝固させて形成される溶着ビードによりベースプレート上に積層造形物を積層造形し、前記積層造形物を加工して目標形状の構造体を形成する積層造形物の製造装置であって、
前記積層造形物を前記ベースプレートから分離した際に生じる前記積層造形物の解放ひずみによる変形量を予測する変位量計算部と、
前記構造体の前記目標形状の外縁を表す目標プロファイルを、前記解放ひずみによる変形とは逆方向へ前記変形量である変位に応じて補正した補正プロファイルを求め、前記補正プロファイルから前記積層造形物の外縁までの余肉量が、予め定めた基準範囲に収まるように、前記積層造形物の外縁形状をしめす積層体プロファイルを調整する余肉量設定部と、
を備える積層造形物の製造装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、積層造形物の余肉量設定方法、積層造形物の製造方法及び製造装置に関する。

【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。

【0003】

ベースプレート上にアーク溶接で造形物を造形する金属３Ｄプリンタとして、スペーサによって造形テーブルと基台とをそれぞれ離間させた剛性プレートを、造形テーブルと基台に対して着脱可能に設け、基台の上に造形物を造形する際に剛性プレートを冷却媒体に水没させ、造形後に剛性プレートごと２次加工を行うものが知られている（特許文献１参照）。

【0004】

また、積層造形によって造形される造形物についての材料物性値、造形条件、及び造形物サイズに関する条件を受け付け、この条件及び造形時に生成される溶融池周辺の拘束状態を定量化した拘束条件に基づいて導かれる固有ひずみの線形式から固有ひずみを算出する技術が知られている（特許文献２参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１７－１４４４４６号公報

【文献】特開２０１８－１８４６２３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ところで、母材に対して溶着ビードを積層して造形物を造形する積層造形では、材料を溶融・凝固させ造形していくため、熱収縮等によって造形物内部に残留応力が発生していることがある。この状態にて、母材を切削除去すると、残留応力の開放により、造形物に変形が発生し、目標形状に対して誤差が発生するおそれがある。そこで、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、その後の荒加工及び仕上げ加工等の切削加工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増加させると、製造コスト及び製造時間が増大する。さらに、切削加工における切削代を、荒加工で多く残す必要があるため、仕上げ加工の加工時間が長くなる。

【0007】

ベースプレートの変形を矯正する特許文献１の技術、及び造形される造形物の固有ひずみを算出する特許文献２の技術では、母材の切削除去後の造形物の目標形状に対する誤差を抑えることは困難である。

【0008】

そこで本発明は、造形及び機械加工の精度を高め、製造コスト及び製造時間を抑えることが可能な積層造形物の余肉量設定方法、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。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明は下記構成からなる。
（１） 溶加材を溶融及び凝固させて形成される溶着ビードによりベースプレート上に積層造形物を積層造形し、前記積層造形物を加工して目標形状の構造体を形成する際の、前記積層造形物の余肉量を設定する方法であって、
前記積層造形物を前記ベースプレートから分離した際に生じる前記積層造形物の解放ひずみによる変形量を予測する変形予測工程と、
前記構造体の前記目標形状の外縁を表す目標プロファイルを、前記解放ひずみによる変形とは逆方向へ前記変形量である変位に応じて補正した補正プロファイルを求める変形補正工程と、
前記補正プロファイルから前記積層造形物の外縁までの余肉量が、予め定めた基準範囲に収まるように、前記積層造形物の外縁形状を示す積層体プロファイルを調整する余肉量設定工程と、
を含む余肉量設定方法。
（２） 上記（１）に記載の余肉量設定方法により設計された前記積層造形物を、前記溶着ビードにより前記ベースプレート上に積層造形し、前記積層造形物を前記ベースプレートから分離し、前記目標形状の前記構造体に加工する造形物の製造方法。
（３） 溶加材を溶融及び凝固させて形成される溶着ビードによりベースプレート上に積層造形物を積層造形し、前記積層造形物を加工して目標形状の構造体を形成する積層造形物の製造装置であって、
前記積層造形物を前記ベースプレートから分離した際に生じる前記積層造形物の解放ひずみによる変形量を予測する変位量計算部と、
前記構造体の前記目標形状の外縁を表す目標プロファイルを、前記解放ひずみによる変形とは逆方向へ前記変形量である変位に応じて補正した補正プロファイルを求め、前記補正プロファイルから前記積層造形物の外縁までの余肉量が、予め定めた基準範囲に収まるように、前記積層造形物の外縁形状をしめす積層体プロファイルを調整する余肉量設定部と、
を備える積層造形物の製造装置。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、造形及び機械加工の精度を高め、製造コスト及び製造時間を抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】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。

【図2】積層造形物の上下方向に沿う概略断面図である。

【図3A】積層造形物の基本的な積層造形の手順を説明する上下方向に沿う概略断面図である。

【図3B】積層造形物の基本的な積層造形の手順を説明する上下方向に沿う概略断面図である。

【図3C】積層造形物の基本的な積層造形の手順を説明する上下方向に沿う概略断面図である。

【図4】ベースプレートを除去した際の積層造形物の変形について説明する積層造形物の上下方向に沿う概略断面図である。

【図5】余肉量の設定手順を示すフローチャートである。

【図6A】余肉量の設定手順を説明する積層造形物の模式図である。

【図6B】余肉量の設定手順を説明する積層造形物の模式図である。

【図6C】余肉量の設定手順を説明する積層造形物の模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

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。

【0013】

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。

【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。

【0015】

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。

【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。

【0017】

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。

【0018】

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。

【0019】

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、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から送信される画像情報に基づいて各種の画像を表示する。

【0020】

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。

【0021】

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。また、積層計画作成部３１は、溶着ビードＢを重ねて積層造形した積層造形物Ｗに対して機械加工して作製される構造体Ｗ１の目標形状の外縁を表す目標プロファイルＰｍと、機械加工前の積層造形物Ｗの外形を表す積層体プロファイルＰｓとを作成する。

【0022】

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からベースプレート２３を除去した際に、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。

【0023】

余肉量設定部３４は、構造体Ｗ１のプロファイルである目標プロファイルＰｍ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。また、余肉量設定部３４は、変形量計算部３３で予測された変形量に応じて余肉量を補正する。

【0024】

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の造形手順を設定し、この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。

【0025】

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、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、記憶された情報が適宜参照される。この記憶部３７は、メモリやハードディスク等の記憶媒体からなり、各種情報の入出力が可能となっている。

【0026】

制御部４１を含むコントローラ１３は、ＣＰＵ、メモリ、Ｉ／Ｏインターフェース等を備えるコンピュータ装置である。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、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、動作プログラムの作成や実行がなされる。

【0027】

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。

【0028】

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。

【0029】

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や記憶媒体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。

【0030】

＜基本的な積層造形の手順＞
次に、単純なモデルとして例示した図示例の積層造形物Ｗに対する積層造形の手順を簡単に説明する。

【0031】

図２は積層造形物Ｗの上下方向に沿う概略断面図である。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上下方向に沿う概略断面図である。図４はベースプレートを除去した際の積層造形物Ｗの変形について説明する積層造形物Ｗの上下方向に沿う概略断面図である。

【0032】

図２に示すように、一例に係る積層造形物Ｗは、円筒状に形成されている。この積層造形物Ｗは、ベースプレート２３上に造形されている。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。なお、図２においては、一本の溶着ビードＢにより一層分のビード層ＢＬを形成する例を示しているが、複数本の溶着ビードＢによりビード層ＢＬを形成することもできる。

【0033】

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。そして、このトーチ１７の移動と共にアークを発生させ、トーチ１７が移動する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を溶融及び凝固させて形成され、形成されたビード層ＢＬに次層のビード層ＢＬが繰り返し積層される。

【0034】

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を積層造形物Ｗから除去し、積層造形物Ｗを分離する。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構造体Ｗ１に加工する。なお、積層造形物Ｗに対して余肉部分を切削した後にベースプレート２３を除去してもよい。

【0035】

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、ベースプレート２３を切断して積層造形物Ｗから除去すると、積層造形物Ｗが残留応力の解放によって変形することがある。例えば、図４に示すように、円筒状に造形した積層造形物Ｗは、ベースプレート２３を除去することによって、そのベースプレート２３と接合されていた端部側が残留応力の解放によって拡径し、目標形状である形状モデルＭＡ（図４中点線で示す）に対して誤差が生じることがある。このため、その後に余肉部分を切削して構造体Ｗ１とすることが困難となることがある。

【0036】

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。

【0037】

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。

【0038】

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。

【0039】

このような解析処理は、プログラムに沿ってコンピュータで実行される。つまり、変形量計算部３３は、ＣＰＵ等のプロセッサ、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ(Random Access Memory)、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記憶装置、を具備するコンピュータとして構成することができる。この場合、各部の機能は記憶装置からなる記憶部３７に記憶された所定のプログラムをプロセッサが実行することによって実現することができる。

【0040】

＜積層造形物の余肉量設定＞
本実施形態では、ベースプレート２３を除去した後の積層造形物Ｗの変形量を変形量計算部３３が予測し、その予測に基づいて高精度で目標プロファイルＰｍを補正して適切な余肉量を設定する。以下、本実施形態に係る余肉量の設定について詳述する。

【0041】

図５は積層造形物の余肉量設定の手順を示すフローチャートである。図６Ａ～図６Ｃは余肉量の設定手順を説明する積層造形物Ｗの模式図である。

【0042】

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（３Ｄ）データを入力部３９から取得する（Ｓ１）。３次元形状データには、積層造形物Ｗの外縁の座標等、種々の寸法情報の他、必要に応じて参照される材料の種類や最終仕上げ等の情報も含まれる。

【0043】

コントローラ１３の積層計画作成部３１は、取得した３次元形状データに基づいて、積層計画を作成する（Ｓ２）。具体的には、図６Ａに示すように、溶着ビードＢを重ねて積層造形する積層造形物Ｗの外形を表す積層体プロファイルＰｓ及び積層造形物Ｗを機械加工して作製する構造体Ｗ１の目標形状の外縁を表す目標プロファイルＰｍを作成する。

【0044】

さらに、余肉量設定部３４が、作成した積層体プロファイルＰｓ及び目標プロファイルＰｍに基づいて、機械加工を施す前の構造体Ｗ１の周囲に設ける余肉量を算出する（Ｓ３
）。ここで、前述のように、溶着ビードＢからなる積層造形物Ｗは、ベースプレート２３を除去することで、残留応力が解放されて変形する。これにより、積層計画作成部３１で作成された目標プロファイルＰｍは、解放ひずみによって変形することになる（図６Ａにおける二点鎖線参照）。

【0045】

そこで、積層計画の作成後に、変形量計算部３３は、ベースプレート２３の除去後の目標プロファイルＰｍの変形を予測し（Ｓ４）、この変形による目標プロファイルＰｍの変形量である変位δＡを算出する（Ｓ５）。そして、変形量計算部３３は、図６Ｂに示すように、目標プロファイルＰｍ（図６Ｂにおける点線参照）を、解放ひずみによる変形方向の逆方向へ変位δＡに応じて変形させた補正プロファイルＰｍｄを求める。次に、余肉量設定部３４では、算出した余肉量と、変形量計算部３３で予測された変形量である変位δＡとを比較する。

【0046】

そして、余肉量が変位δＡより大きく、かつ予め設定した許容量αを加算した許容変位δＡ＋α以下であるか否か（δＡ＜余肉量≦δＡ＋α）を判定する（Ｓ６）。ここで、許容量αは、余肉量に上限を持たせて過剰な余肉の機械加工を最小限に抑えるために予め設定した値である。

【0047】

余肉量設定部３４は、算出した余肉量が、変位δＡより大きく、かつ許容変位δＡ＋α以下の条件から外れている場合は、この条件を満たす余肉量に補正する（Ｓ３）。補正前の余肉量が、変位δＡより大きく、かつ許容変位δＡ＋α以下の条件を満たしている場合は、その余肉量を含む積層体プロファイルＰｓを維持させる。

【0048】

このようにして、補正プロファイルＰｍｄを求めた後、積層計画作成部３１は、図６Ｃに示すように、最終積層計画として、補正プロファイルＰｍｄに余肉量を付加した領域を含む積層体プロファイルＰｓを作成する（Ｓ７）。

【0049】

以上説明したように、本構成の積層造形物の余肉量設定方法によれば、目標形状の外縁を表す目標プロファイルＰｍを、積層造形物Ｗをベースプレート２３から分離した際に生じる解放ひずみによる変形量である変位δＡに応じて補正することで、余肉量を適切に設定できる。これにより、造形後のベースプレート２３からの分離後の解放ひずみを考慮した精度の高い造形及び加工ができ、また、加工にかかる時間を抑えて加工効率を高められる。

【0050】

したがって、本構成の積層造形物の製造方法及び製造装置によれば、余肉量を適切に設定した積層造形物Ｗを溶着ビードＢで造形し、その積層造形物Ｗをベースプレート２３から分離して加工することで、目標形状の構造体Ｗ１を、効率よく高精度に製造できる。

【0051】

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。

【0052】

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、好適に適用することができる。

【0053】

また、表示部４０に積層体プロファイルＰｓ、目標プロファイルＰｍあるいは補正プロファイルＰｍｄを重ねて表示させてもよい。このようにすれば、作業者は、表示部４０に表示された各プロファイルに基づいて、余肉量を補正する必要があるか否かを判断し、その結果、余肉量の補正が必要と判断した場合は、入力部３９を操作して、積層体プロファ
イルＰｓを修正するように変更指示を行うことができる。

【0054】

これにより、ベースプレート２３からの分離による解放ひずみが反映された積層計画を効率よく作成できる。さらに、表示部４０に表示される変更後の積層造形物Ｗの積層体プロファイルＰｓの表示から、変更状態を容易に確認できる。

【0055】

また、上記例では、ベースプレート２３を除去した際の解放ひずみによる変形に基づいて余肉量を補正したが、例えば、荒加工、仕上加工等を伴う機械加工を行った際の解放ひずみによる変形に基づいた余肉量の補正を併せて行ってもよい。

【0056】

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される溶着ビードによりベースプレート上に積層造形物を積層造形し、前記積層造形物を加工して目標形状の構造体を形成する際の、前記積層造形物の余肉量を設定する方法であって、
前記積層造形物を前記ベースプレートから分離した際に生じる前記積層造形物の解放ひずみによる変形量を予測する変形予測工程と、
前記構造体の前記目標形状の外縁を表す目標プロファイルを、前記解放ひずみによる変形とは逆方向へ前記変形量である変位に応じて補正した補正プロファイルを求める変形補正工程と、
前記補正プロファイルから前記積層造形物の外縁までの余肉量が、予め定めた基準範囲に収まるように、前記積層造形物の外縁形状を示す積層体プロファイルを調整する余肉量設定工程と、
を含む余肉量設定方法。
この余肉量設定方法によれば、目標形状の外縁を表す目標プロファイルを、積層造形物をベースプレートから分離した際に生じる解放ひずみによる変形量である変位に応じて補正することで、余肉量を適切に設定できる。これにより、造形後のベースプレートからの分離後の解放ひずみを考慮した精度の高い造形及び加工ができ、また、加工にかかる時間を抑えて加工効率を高められる。

【0057】

（２） 前記積層体プロファイルと、前記補正プロファイルと、を表示部に重ねて表示させる工程と、
前記積層造形物の造形領域の変更指示を受け付ける入力工程と、
入力された前記変更指示に応じて前記積層造形物の外縁形状を変更し、変更された前記積層造形物の前記積層体プロファイルを前記表示部に表示させる工程と、
を更に備える（１）に記載の余肉量設定方法。
この余肉量設定方法によれば、表示部に表示された積層体プロファイルに重ねて表示された補正プロファイルを確認し、積層造形物の造形領域の変更指示を入力することができる。これにより、ベースプレートからの分離による解放ひずみが反映された積層計画を効率よく作成できる。さらに、表示部に表示される変更された積層造形物の積層体プロファイルの表示から、変更状態を容易に確認できる。

【0058】

（３） 前記溶着ビードは、アークを熱源として前記溶加材を溶融させて形成する、（１）または（２）に記載の余肉量設定方法。
この余肉量設定方法によれば、アークを熱源として溶加材を溶融させて溶着ビードを積層して積層造形物を造形する際に、溶着ビードの熱による影響を考慮して積層造形物を高い精度で造形することができる。

【0059】

（４） （１）～（３）のいずれか一つに記載の余肉量設定方法により設計された前記積層造形物を、前記溶着ビードにより前記ベースプレート上に積層造形し、前記積層造形物を前記ベースプレートから分離し、前記目標形状の前記構造体に加工する造形物の製造方
法。
この造形物の製造方法によれば、余肉量を適切に設定した積層造形物を溶着ビードで造形し、その積層造形物をベースプレートから分離して加工することで、目標形状の構造体を、効率よく高精度に製造できる。

【0060】

（５） 溶加材を溶融及び凝固させて形成される溶着ビードによりベースプレート上に積層造形物を積層造形し、前記積層造形物を加工して目標形状の構造体を形成する積層造形物の製造装置であって、
前記積層造形物を前記ベースプレートから分離した際に生じる前記積層造形物の解放ひずみによる変形量を予測する変位量計算部と、
前記構造体の前記目標形状の外縁を表す目標プロファイルを、前記解放ひずみによる変形とは逆方向へ前記変形量である変位に応じて補正した補正プロファイルを求め、前記補正プロファイルから前記積層造形物の外縁までの余肉量が、予め定めた基準範囲に収まるように、前記積層造形物の外縁形状をしめす積層体プロファイルを調整する余肉量設定部と、
を備える積層造形物の製造装置。
この積層造形物の製造装置によれば、余肉量を適切に設定した積層体を溶着ビードで造形し、その積層体をベースプレートから分離して加工することで、目標形状とした構造体を、効率よく高精度に製造できる。

【符号の説明】

【0061】

２３ ベースプレート
３３ 変形量計算部
３４ 余肉量設定部
４０ 表示部
１００ 製造装置
Ｂ 溶着ビード
Ｍ 溶加材
Ｐｍ 目標プロファイル
Ｐｍｄ 補正プロファイル
Ｐｓ 積層体プロファイル
Ｗ 積層造形物
Ｗ１ 構造体
δＡ 変位

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図6C】