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(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】2023-12-27
(45)【発行日】2024-01-11
(54)【発明の名称】自動計算装置、自動計算方法、および立体加工用基材の製造方法
(51)【国際特許分類】
G06F 30/10 20200101AFI20231228BHJP
G06F 113/24 20200101ALN20231228BHJP
【ＦＩ】
G06F30/10 100
G06F113:24
【請求項の数】
9
(21)【出願番号】P 2022530038
(86)(22)【出願日】2021-03-30
(86)【国際出願番号】 JP2021013643
(87)【国際公開番号】W WO2021250982
(87)【国際公開日】2021-12-16
【審査請求日】2023-01-06
(31)【優先権主張番号】P 2020101140
(32)【優先日】2020-06-10
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(31)【優先権主張番号】P 2020145446
(32)【優先日】2020-08-31
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】390014672
【氏名又は名称】株式会社アマダ
(74)【代理人】
【識別番号】100083806
【弁理士】
【氏名又は名称】三好 秀和
(74)【代理人】
【識別番号】100101247
【弁理士】
【氏名又は名称】高橋 俊一
(74)【代理人】
【識別番号】100095500
【弁理士】
【氏名又は名称】伊藤 正和
(74)【代理人】
【識別番号】100098327
【弁理士】
【氏名又は名称】高松 俊雄
(72)【発明者】
【氏名】高津 正人
(72)【発明者】
【氏名】吉川 昇
【審査官】合田 幸裕
(56)【参考文献】
【文献】特開２００２－０６６６７２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００５－２２４９４２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－１３２６８４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００６－１９８８５４（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１８／００７１９８６（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０６Ｆ ３０／１０
Ｇ０６Ｆ １１３／２４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
板状の部材から立体形状を有する構造物を作製するための自動計算装置において、前記板状の部材は板状の炭素繊維部材であり、前記板状の炭素繊維部材の材質と、前記板状の炭素繊維部材の板厚と、前記立体形状とを含む条件データを取得するデータ取得部と、
前記板状の炭素繊維部材を弾性変形させて前記構造物を作製するために、前記板状の炭素繊維部材を弾性変形させる加工領域に対して千鳥状パターンに配列された複数のスリットを割り付ける割付処理を実行する演算部と、
前記板状の炭素繊維部材をレーザビームで切断することで前記板状の炭素繊維部材に前記千鳥状パターンのスリットを形成するために、前記演算部による割付処理の結果を出力する出力部と、を備え、
前記割付処理は、前記データ取得部が取得した条件データに基づいて、前記千鳥状パターンのスリットの諸元を計算する処理を含む
自動計算装置。
【請求項2】
前記千鳥状パターンのスリットは、隣り合うスリット同士が間隔を隔てて前記スリットの長さ方向に直線状に配列されたスリット列を、前記スリットの長さ方向と直交する方向に間隔を隔離して複数個並べて構成され、隣り合うスリット列同士のうち、一方のスリット列は、他方のスリット列に対して前記スリットの位置が前記スリットの長さ方向にかけてオフセットするように構成されている
請求項１記載の自動計算装置。
【請求項3】
前記千鳥状パターンのスリットの諸元は、前記スリットの長さ、前記スリットの長さ方向におけるスリット同士の間隔、および前記スリットの長さ方向と直交する方向におけるスリット同士の間隔である幅を含む請求項２記載の自動計算装置。
【請求項4】
前記千鳥状パターンのスリットの諸元は、前記スリット列の個数を含む請求項３記載の自動計算装置。
【請求項5】
前記演算部は、前記条件データに基づいて、前記板状の炭素繊維部材から前記構造物を立体加工するための一つ以上の加工種別を特定し、
前記一つ以上の加工種別の中から、ユーザに加工方法を選択させる選択処理を行う
請求項１から４いずれか一項記載の自動計算装置。
【請求項6】
前記一つ以上の加工方法は、前記千鳥状パターンのスリットのそれぞれを前記スリットの長さ方向と直交する方向に押し広げることで前記加工領域を弾性変形させる千鳥状パターンのスリット加工を含み、前記演算部は、前記選択処理において前記千鳥状パターンのスリット加工が選択された場合に、前記割付処理を実行する
請求項５記載の自動計算装置。
【請求項7】
前記演算部は、隣り合うスリット同士により挟まれた部位であるフレームの捩れ角に関する関係式を保持し、前記関係式から求められるフレームの捩れ角に基づいて、前記千鳥状パターンのスリットの諸元を計算する請求項１から６いずれか一項記載の自動計算装置。
【請求項8】
コンピュータによって実行される、板状の部材から立体形状を有する構造物を作製するための自動計算方法であって、前記板状の部材は板状の炭素繊維部材であり、前記板状の炭素繊維部材の材質と、前記板状の炭素繊維部材の板厚と、前記立体形状とを含む条件データを取得する取得工程と、
前記板状の炭素繊維部材を弾性変形させて前記構造物を作製するために、前記板状の炭素繊維部材を弾性変形させる加工領域に対して、千鳥状パターンに配列された複数のスリットを割り付ける割付工程と、
前記板状の炭素繊維部材をレーザビームで切断することで前記板状の炭素繊維部材に前記千鳥状パターンのスリットを形成するために、前記割付工程の結果を出力する出力工程と、を備え、
前記割付工程は、前記取得工程で取得した前記条件データに基づいて、前記千鳥状パターンのスリットの諸元を計算する工程を含む
自動計算方法。
【請求項9】
立体形状を有する構造物を作製するための立体加工用基材を、板状の部材から製造する立体加工用基材の製造方法において、前記板状の部材は板状の炭素繊維部材であり、前記板状の炭素繊維部材の材質と、前記板状の炭素繊維部材の板厚と、前記立体形状とを含む条件データを取得する取得工程と、
前記板状の炭素繊維部材を弾性変形させて前記構造物を作製するために、前記板状の炭素繊維部材を弾性変形させる加工領域に対して、千鳥状パターンに配列された複数のスリットを割り付ける割付工程と、
前記割付工程の割付結果に基づいて前記板状の炭素繊維部材をレーザビームで切断することで前記板状の炭素繊維部材に前記千鳥状パターンのスリットを形成して、前記立体加工用基材を形成する形成工程と、を備え、
前記割付工程は、前記取得工程で取得した前記条件データに基づいて、前記千鳥状パターンのスリットの諸元を計算する工程を含む
立体加工用基材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、自動計算装置、自動計算方法、および立体加工用基材の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
板状の部材に千鳥状パターンに配列された複数のスリットを形成し、千鳥状パターンのスリット部分を押し広げることで、柔軟性のある部材を形成することができる。例えば、段ボール等の延性のない紙素材であっても、立体加工することができ、曲面等といった立体形状を有する構造物を作製することができる。なお、千鳥状パターンに配列された複数のスリットの千鳥状パターンとは、次のような模様を指す。つまり、千鳥格子は、複数のジグザグの位置にまっすぐなスリットを部材に入れ、その部材を開いて大きなひし形の市松模様を作ることでできる模様である。千鳥格子には犬歯を連想させる切り欠きのある角の形を見ることができる。上記の千鳥状パターンは、千鳥格子を作ることができる複数のスリットをジグザグに配置するためのスリットパターンである。
【0003】
また、金属の板に千鳥状パターンに配列された複数のスリットを形成し、千鳥状パターンのスリット部分を押し広げることで、立体加工が容易になり、立体形状を有する構造物への適用が可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２００７－２３７２９１号公報
【発明の概要】
【0005】
ここで、所望の立体形状を有する構造物を作製するためには、板状の部材の機械特性および立体形状に合わせた千鳥状パターンのスリットの設計が必要となる。しかしながら、板状の部材の機械特性および立体形状によって千鳥状パターンのスリットの諸元が相違するので、トライアンドエラーを繰り返しながらスリットの設計をしなければならず、非常に多くの工数および部材コストが生じてしまうという不都合がある。
【0006】
本発明が解決しようとする課題は、立体加工に必要な千鳥状パターンのスリットの設計を自動化し、設計工数および部材コストの抑制を図ることである。
【0007】
本発明の第１の態様に係る自動計算装置は、板状の部材から立体形状を有する構造物を作製するための自動計算装置であって、板状の部材の材質と、板状の部材の板厚と、立体形状とを示す条件データを取得するデータ取得部と、板状の部材を弾性変形させて構造物を作製するために、板状の部材を弾性変形させる加工領域に対して千鳥状パターンに配列された複数のスリットを割り付ける割付処理を実行する演算部と、演算部の割付結果を出力する出力部と、を備え、割付処理は、データ取得部が取得した条件データに基づいて、複数のスリットの諸元を計算する処理を含んでいる。
【0008】
本発明の第１の態様に係る自動計算装置においては、板状の部材の機械特性および立体形状を考慮することができるので、立体加工に必要な千鳥状パターンのスリットの諸元を自動的に計算することができる。
【0009】
本発明の第１の態様に係る自動計算装置によれば、立体加工に必要な千鳥状パターンのスリットの設計を自動化することができるので、設計工数および部材コストの抑制を図ることができる。
【0010】
また、本発明の第２の態様に係る立体加工用炭素繊維部材は、炭素繊維によって形成された板状の部材に、千鳥状に配列された複数の千鳥状パターンのスリットが設けられている。
【0011】
本発明の第２の態様に係る立体加工用炭素繊維部材において、千鳥状パターンのスリットはレーザビームによって形成されていることが好ましい。すなわち、立体加工用炭素繊維部材は、レーザビームを用いて切断可能な部材で構成されていることが好ましい。
【0012】
本発明の第２の態様に係る立体加工用炭素繊維部材は、千鳥状パターンのスリットの長さ方向と直交する方向に千鳥状パターンのスリットが押し広げられていることが好ましい。
【0013】
本発明の第２の態様に係る立体加工用炭素繊維部材において、千鳥状パターンのスリットの各スリットの長さ、間隔、および位置は、構造物の立体形状に基づいて設定されていることが好ましい。
【0014】
本発明の第３の態様に係る熱加工機のワーク支持体は、レーザビームを照射することによって千鳥状パターンのスリットが形成可能な炭素繊維から構成される板状の部材を備え、板状の部材に形成された同一方向の千鳥状パターンのスリットが、千鳥状パターンのスリットの長さ方向と直交する方向に広げたときに板状の部材に千鳥状に配列された複数の開口が形成されるように配置され、千鳥状パターンのスリットが千鳥状パターンのスリットの長さ方向と直交する方向に広げられている。
【0015】
本発明の第３の態様に係る熱加工機のワーク支持体において、千鳥状パターンのスリットの各スリットの長さおよび各スリット間の間隔は、加工対象のワークの形状または材質に基づいて設定される。
【0016】
本発明の第３の態様に係る熱加工機のワーク支持体において、千鳥状パターンのスリットの長さ方向に直交する方向に隣り合う２つのスリットの間隔は、板状の部材の厚さよりも大きい。
【0017】
本発明の第４の態様に係るワーク支持体の製造方法は、炭素繊維によって形成された板状の部材に、同一方向の千鳥状パターンのスリットを、千鳥状パターンのスリットの長さ方向と直交する方向に広げたときに千鳥格子に配列された複数の開口が形成されるように形成し、板状の部材を、千鳥状パターンのスリットの長さ方向と直交する方向に引っ張ることによって千鳥状パターンのスリットを広げ、千鳥状パターンのスリットの位置に開口を有する千鳥格子の熱加工機のワーク支持体を製造する。
【0018】
本発明の第４の態様に係るワーク支持体の製造方法は、板状の部材に、レーザビームを照射することによって、千鳥状パターンのスリットを形成することが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【発明を実施するための形態】
【0020】
以下、添付図を参照して本発明の好適な実施の形態を説明する。
【0021】
（第１の実施形態）
以下、第１の実施形態における立体加工用基材の一例である立体加工用炭素繊維部材について説明する。本実施形態による立体加工用炭素繊維部材は、紐状の炭素繊維、例えば炭素繊維強化炭素複合材（Ｃ／Ｃコンポジット材：Carbon Fiber Reinforced Carbon Composite:炭素繊維強化炭素複合材料）を平織りした剛性を有するシート状の薄板に、レーザ加工機によりレーザビームで千鳥状パターンのスリットを入れて形成される。平織りとは、繊維を縦と横とで１本ごとに交差させる織り方である。なお、炭素繊維の織り方は、その繊維が何等かの構造で織り込まれていればよく、繻子（朱子）織りであっても、綾織りであっても、梨地織りや不規則な織りであっても構わない。炭素繊維強化複合材としては、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ：Carbon Fiber Reinforced Plastics）も含まれ、これはＣＯ２レーザなどでスリット形成が可能である。
以下、第１の実施形態における立体加工用基材の一例である立体加工用炭素繊維部材について説明する。本実施形態による立体加工用炭素繊維部材は、紐状の炭素繊維、例えば炭素繊維強化炭素複合材（Ｃ／Ｃコンポジット材：Carbon Fiber Reinforced Carbon Composite:炭素繊維強化炭素複合材料）を平織りした剛性を有するシート状の薄板に、レーザ加工機によりレーザビームで千鳥状パターンのスリットを入れて形成される。平織りとは、繊維を縦と横とで１本ごとに交差させる織り方である。なお、炭素繊維の織り方は、その繊維が何等かの構造で織り込まれていればよく、繻子（朱子）織りであっても、綾織りであっても、梨地織りや不規則な織りであっても構わない。炭素繊維強化複合材としては、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ：Carbon Fiber Reinforced Plastics）も含まれ、これはＣＯ２レーザなどでスリット形成が可能である。
【0022】
なお、千鳥状パターン(staggered pattern)とは、千鳥状に配列された複数のスリット(multiple slits arranged in a staggered pattern)のパターン、即ち次のような模様を作製するためのスリットのパターンを指す。千鳥格子(hounds tooth)は、複数のジグザグの位置にまっすぐなスリットを部材に入れ、その部材を開いて大きなひし形の市松模様(checkered pattern)を作ることでできる模様である。千鳥格子には、犬歯を連想させる切り欠きのある角の形を見ることができる。つまり千鳥状パターンは、千鳥格子を作ることができるように複数のスリットをジグザグに配置するためのスリットパターンである。本実施形態における千鳥状パターンのスリットは直線に限らず、波形などの周期的な曲線であっても良い。
【0023】
Ｃ／Ｃコンポジット材は織り込まれた炭素繊維に各種物質を含浸することで繊維強化されているため、薄板状に形成することで弾性が生じるが、剛性が高く、高い曲率での変形は困難である。
【0024】
本実施形態における立体加工用炭素繊維部材について図面を参照して説明する。図１は、第１の実施形態における立体加工用炭素繊維部材１００を示す外観斜視図である。立体加工用炭素繊維部材１００は、厚さｔの薄板状の横長長形で弾性率ｅを有する炭素繊維部材Ｍ全体に、千鳥状パターンに配列された複数のスリットＳＬ１を入れて形成されている。
【0025】
具体的には、立体加工用炭素繊維部材１００には、千鳥状パターンのスリットとして、複数のスリットＳＬ１が間隔ｓを隔ててスリットＳＬ１の長さ方向（横方向）に直線状に配列されたスリット列が、幅ａ、すなわちスリットＳＬ１の長さ方向と直交する方向（縦方向）に一定の間隔だけ隔離して複数個並べられている。隣り合うスリット列のうち、一方のスリット列は、他方のスリット列に対してスリットＳＬ１の位置がオフセットするように構成されている。図１に示す例では、一方のスリット列に存在するスリットＳＬ１の中央位置が、他方のスリット列におけるスリットＳＬ１同士を繋ぐジョイント部（スリットＳＬ１の横方向の間隔ｓに相当する部分）の位置と対応している。
【0026】
立体加工用炭素繊維部材１００は、レーザビームを用いて切断可能な板状の部材（炭素繊維部材Ｍ）で構成されている。炭素繊維部材Ｍに対する千鳥状パターンのスリットＳＬ１の形成は、レーザビームによって切断加工を行うレーザ加工機によって行うことができる。レーザ加工機には、スリットＳＬ１の長さＬ２、同一スリット列におけるスリットＳＬ１同士の間隔（横方向の間隔）ｓ、および隣り合うスリット列におけるスリットＳＬ１同士の間隔である幅ａが予め設定されている。レーザ加工機により炭素繊維部材Ｍに千鳥状パターンに配列された複数のスリットＳＬ１を形成することで、立体加工用炭素繊維部材１００が製造される。そして、以下に述べるように、立体加工用炭素繊維部材１００から、立体形状を有する構造物（以下「立体構造物」という）を作製することができる。
【0027】
図２は、図１に示す立体加工用炭素繊維部材１００から作製した立体構造物Ｙ１の外観斜視図である。千鳥状パターンに配列された複数のスリットＳＬ１が加工されることで立体加工用炭素繊維部材１００に柔軟性が生じる。この状態で、図１に示す立体加工用炭素繊維部材１００の上下の２辺を近づけるように曲げる力を加えると、横方向に隣り合うスリットＳＬ１に挟まれた部分（間隔ｓに相当する部分）、および縦方向に隣り合うスリットＳＬ１に挟まれた部分（幅ａに相当する部分）に弾性変形によるねじれおよび曲げが生じて３次元方向に変形する。そして、図２に示すように、立体加工用炭素繊維部材１００の剛性が維持された状態で、立体加工用炭素繊維部材１００が高い曲率で半円状に曲がった状態に曲げ加工される。これにより、半円状に曲がった立体構造物Ｙ１を作製することができる。
【0028】
図３Ａは、図１に示す立体加工用炭素繊維部材１００の引っ張り方向を示す図であり、図３Ｂは、図３Ａに示す立体加工用炭素繊維部材１００を矢印で示した方向に引っ張った状態を示す外観斜視図である。立体加工用炭素繊維部材１００を、図３Ａに矢印で示すように千鳥状パターンのスリットＳＬ１の長さ方向と直交する外側方向に向けて力を加えて引っ張り、千鳥状パターンのスリットＳＬ１を押し広げると千鳥状パターンの各スリットＳＬ１に挟まれた部分にねじれおよび曲げが生じる。そして、図３Ｂに示すように千鳥状パターンのスリットＳＬ１が菱形または亀甲形に開き、立体加工用炭素繊維部材１００が起伏のある網目を有した状態（千鳥格子の形状）にエキスパンド加工される。
【0029】
図４は、図１に示す立体加工用炭素繊維部材１００から作製した立体構造物Ｙ２の外観斜視図である。エキスパンド加工された立体加工用炭素繊維部材１００を、例えば半球状物体の型に合わせるようにさらに力を加えると、千鳥状パターンのスリットＳＬ１に挟まれた部分にさらにねじれおよび曲げが生じる。そして、立体加工用炭素繊維部材１００の剛性が維持された状態で、図４に示すような半球面状の立体構造物Ｙ２を作製することができる。
【0030】
また、立体加工用炭素繊維部材１００を形成する際に、加工対象の立体構造物の立体形状に基づいてスリットＳＬ１の長さＬ２、間隔ｓ、および幅ａを適宜変更してレーザ加工機に設定してもよい。このように設定を変更することで、千鳥状パターンのスリットＳＬ１に挟まれた部分のねじり弾性および曲げ弾性を調整して、立体加工用炭素繊維部材１００の曲げ弾性（柔軟性）を調整することができる。
【0031】
例えば、千鳥状パターンの各スリットＳＬ１の長さＬ２を長くし、各スリットＳＬ１の間隔ｓおよび幅ａを狭くすることで立体加工用炭素繊維部材１００の柔軟性が高くなる。より曲率の高い曲げや複雑な形状を有する立体構造物を作製することが可能になる。また、千鳥状パターンのスリットＳＬ１の各スリット位置を一定の法則で以って変化させることで、エキスパンドさせるときに千鳥格子を斜めに設定することもできる。
【0032】
図５は、図１に示す立体加工用炭素繊維部材１００から作製した立体構造物Ｙ３の外観斜視図である。具体的には、図１に示す立体加工用炭素繊維部材１００の上下２辺を合わせて図５に示すような円筒状の立体構造物Ｙ３を作製することができる。このように作製された立体構造物Ｙ３は、立体加工用炭素繊維部材１００全面において、千鳥状パターンのスリットＳＬ１に挟まれた部分にねじれおよび曲げが発生している。この立体構造物Ｙ３の長手方向に対するモーメント剛性は、炭素繊維部材Ｍの素材剛性がそのまま生かされる。
【0033】
図６は、図１に示す立体加工用炭素繊維部材１００から作製した立体構造物Ｙ４の外観斜視図である。他の具体例として、図６に示すように、立体加工用炭素繊維部材１００から、縦方向の中央部が横方向にかけて盛り上がった形状の立体構造物Ｙ４を作製することができる。このように作製された立体構造物Ｙ４では、千鳥状パターンのスリットＳＬ１に挟まれた部分のねじれおよび曲げの方向は位置によって異なっている。この立体構造物Ｙ４においても、長手方向に対するモーメント剛性は、炭素繊維部材Ｍの素材剛性がそのまま生かされる。
【0034】
図７は、図１に示す立体加工用炭素繊維部材１００から作製した立体構造物Ｙ５の外観斜視図である。立体加工用炭素繊維部材１００は、柔軟性が高くなるように、長いスリットＳＬ１を狭い間隔で入れて形成されている。この立体加工用炭素繊維部材１００にエキスパンド加工を施すことにより、自由曲面を有する物体の型に合わせた立体構造物Ｙ５を作製することができる。例えば、図７に示すように、人間の足に合わせた形状のギブスやサポータとして用いる立体構造物Ｙ５を作製することも可能である。
【0035】
図８Ａは、第１の実施形態における立体加工用炭素繊維部材１２０を示す正面図であり、図８Ｂは、図８Ａに示す立体加工用炭素繊維部材１２０から作成した立体構造物Ｙ６の外観斜視図である。作製する立体構造物の形状によっては、対象となる加工領域、例えば炭素繊維部材Ｍを曲げ加工する領域のみに千鳥状パターンのスリットを入れるようにしてもよい。例えば、角パイプ状の立体構造部Ｙ６を作製する場合、図８Ａに示すように炭素繊維部材Ｍの曲げる箇所、つまり４つの角辺に該当する部位のみに、千鳥状に配列された複数のスリットＳＬ２を入れて立体加工用炭素繊維部材１２０を形成する。そして、各角辺を折り曲げて、図８Ｂのように内枠１２１を入れることで、剛性が高い状態で立体構造物Ｙ６を作製することができる。
【0036】
図９は、第１の実施形態における立体加工用炭素繊維部材１３０を示す正面図である。他の例として図９に示す立体加工用炭素繊維部材１３０は、炭素繊維部材Ｍ上に、炭素繊維部材Ｍと縦横の比率が同じで大きさが小さい長方形を同心状に配列し、この長方形部分Ｑの周囲に千鳥状に配列された複数のスリットＳＬ３を入れて形成されている。千鳥状パターンのスリットＳＬ３で囲まれた中心の長方形部分Ｑに力を加えると、長方形部分Ｑの周囲がエキスパンド加工される。そして、図１０Ａに示す立体構造物Ｙ７、または図１０Ｂに示す立体構造物Ｙ８を作製することができる。
【0037】
図１０Ａは、図９に示す立体加工用炭素繊維部材１３０から作製した立体構造物Ｙ７の外観斜視図であり、図１０Ｂは、図９に示す立体加工用炭素繊維部材１３０から作製した立体構造物Ｙ８の外観斜視図である。図１０Ａに示す立体構造物Ｙ７は、長方形部分Ｑの一方の長辺側をへこませ、他方の長辺側を突出させるように力を加えて作製したものである。また、図１０Ｂに示す立体構造物Ｙ８は、長方形部分Ｑの中心付近に、当該立体加工用炭素繊維部材１３０の面に対して垂直な方向に力を加えて長方形部分Ｑの全体を突出させて作製したものである。
【0038】
図１１は、第１の実施形態における立体加工用炭素繊維部材１４０を示す正面図である。他の例として図１１に示す立体加工用炭素繊維部材１４０は、炭素繊維部材Ｍの短辺の中央近くに２列の千鳥状パターンのスリットＳＬ４、ＳＬ５を入れるとともに、この千鳥状パターンのスリットＳＬ４、ＳＬ５に対して線対称の位置に千鳥状パターンのスリットＳＬ６～ＳＬ１３を入れて形成されている。千鳥状パターンのスリットＳＬ４、ＳＬ５は、炭素繊維部材Ｍの横方向に沿って千鳥状に配列されている。また、千鳥状パターンのスリットＳＬ６～ＳＬ１３は、適宜の位置に配置された正方形部分の周囲に千鳥状に配列されている。
【0039】
このように形成した立体加工用炭素繊維部材１４０の千鳥状パターンのスリットＳＬ６～ＳＬ１３それぞれの正方形部分に、当該立体加工用炭素繊維部材１４０の面に対して垂直な方向に力を加える。そうすると、正方形部分の周囲がエキスパンド加工され、中央部を突出させることができる。さらに千鳥状パターンのスリットＳＬ４、ＳＬ５の部分を曲げ加工して、折り曲げる。これにより、図１２に示すような、立体構造物Ｙ９を作製することができる。
【0040】
図１２は、図１１に示す立体加工用炭素繊維部材１４０から作製した立体構造物Ｙ９の外観斜視図である。立体構造物Ｙ９は、対面状態になった千鳥状パターンのスリットＳＬ６部分と千鳥状パターンのスリットＳＬ１０部分とが軸９１上に突出した形状を有する。同様に、千鳥状パターンのスリットＳＬ７部分と千鳥状パターンのスリットＳＬ１１部分とが軸９２上に突出した形状を有する。同様に、千鳥状パターンのスリットＳＬ８部分と千鳥状パターンのスリットＳＬ１２部分とが軸９３上に突出した形状を有する。同様に、千鳥状パターンのスリットＳＬ９部分と千鳥状パターンのスリットＳＬ１３部分とが軸９４上に突出した形状を有する。
【0041】
以上の実施形態によれば、軽量で剛性が高い様々な立体構造物への加工が可能な立体加工用炭素繊維部材を製造することができる。一般的に、炭素繊維部材は高弾性であるため、板形状のままでは延性がなく塑性加工が不可能である。しかし、上述したように炭素繊維部材に千鳥状パターンに配列された複数のスリットを入れることで、弾性変形を利用して曲げ加工またはエキスパンド加工を行うことができる。これにより、様々な形状の立体構造物、例えばユニバーサルデザインによる各種用品を作製可能な立体加工用炭素繊維部材を製造することができる。
【0042】
また、上述した実施形態によれば、立体加工用炭素繊維部材を製造する際にレーザビームを利用して炭素繊維部材に切り込み加工（切断加工）を行うことで千鳥状パターンのスリットを形成するため、低コストで容易に量産することが可能である。炭素繊維部材の切断加工には通常ウォータージェットが用いられるが、炭素繊維は硬度が高いためこの手法では突孔加工は不可能であり、曲げ加工またはエキスパンド加工のためのスリットに用いることができない。そこで、レーザビームを用いることで、炭素繊維部材に好適な切り込み加工を行うことができる。
【0043】
（第２の実施形態）
以下、第２の実施形態における立体構造物としてのワーク支持体、およびこのワーク支持体が設置されたワーク・サポート・テーブルを用いた、熱加工機であるレーザ加工機について添付図面を参照して説明する。
以下、第２の実施形態における立体構造物としてのワーク支持体、およびこのワーク支持体が設置されたワーク・サポート・テーブルを用いた、熱加工機であるレーザ加工機について添付図面を参照して説明する。
【0044】
図１３は、第２の実施形態におけるワーク支持体３０を用いるレーザ加工機１を示す外観斜視図である。本実施形態におけるレーザ加工機１は熱切断加工（熱加工の一例）を行うものである。レーザ加工機１は、図１３に示すように、装置ベース２上に熱加工対象のワークＷを設置するためのワーク・サポート・テーブル３を備えている。ワーク・サポート・テーブル３上には、加工対象のワークＷを支持するワーク支持体３０が設置されている。ワーク支持体３０の素材および形状については、後述する。
【0045】
レーザ加工機１は、ワーク・サポート・テーブル３を跨ぐように配置された門型のフレーム４を備える。フレーム４は、サイドフレーム４１、４２と上部フレーム４３とを有する。
【0046】
上部フレーム４３内には、Ｙ方向に移動自在のキャリッジ５が設けられている。キャリッジ５には、レーザを射出するレーザヘッド５１が取り付けられている。フレーム４が専用の駆動機構（図示せず）によりＸ方向に移動し、キャリッジ５が専用の駆動機構（図示せず）によりＹ方向に移動することによって、レーザヘッド５１は、ワークＷの上方で、ＸおよびＹ方向に任意に移動するように構成されている。
【0047】
フレーム４には、レーザ加工機１を制御するためのＮＣ装置（数値制御装置）６が取り付けられている。ＮＣ装置６は、ワークＷを加工するための加工データ（ＮＣデータ：数値制御データ）に従ってレーザ加工機１を制御する。ＮＣ装置６は、レーザ加工機１を制御する制御装置である。
【0048】
ＮＣ装置６の制御によりレーザヘッド５１がフレーム４およびキャリッジ５によりＸ方向またはＹ方向に移動しながら、ワークＷに対してレーザを照射することにより、ワークＷは切断加工される。
【0049】
ワーク・サポート・テーブル３に設置されるワーク支持体３０について説明する。ワーク支持体３０は、紐状の炭素繊維、例えば炭素繊維強化炭素複合材（Ｃ／Ｃコンポジット材）を平織りした薄板から長形に切り出された炭素繊維部材Ｍを用いて形成される。平織りとは、繊維を縦と横とで１本ごとに交差させる織り方である。
【0050】
なお、炭素繊維の織り方は、その繊維が何等かの構造で織り込まれていればよく、繻子（朱子）織りであっても、綾織りであっても、梨地織りや不規則な織りであっても構わない。
【0051】
炭素繊維は融点が３５５０℃であり、一般的な金属のワークＷの融点１５８０℃に比べて非常に高温である。また炭素繊維は、金属と即座に合金化したり、組成変化を伴った金属が固着したりする可能性は、従来の鉄系のワーク支持体と比較して極めて低い。そのため、ワーク支持体３０の素材として炭素繊維を用いることにより、ワークＷの切断加工の際に、レーザビームの照射によるワークＷとワーク支持体３０との溶着を防止することができる。また、切断加工で飛散したスパッタがワーク支持体３０にほとんど溶着しないため堆積し難くなり、仮に堆積しても剥がれ落ち易く除去作業が容易になる。また、Ｃ／Ｃコンポジット材は織り込まれた炭素繊維に各種物質を含浸することで繊維強化されているため、薄板状に形成することで弾性が生じ、耐久性に優れている。
【0052】
図１４は、第２の実施形態におけるワーク支持体３０が作製される立体加工用炭素繊維部材の外観斜視図である。図１５は、第２の実施形態におけるワーク支持体３０の外観斜視図である。ワーク支持体３０を作製する際は、図１４に示すような板状の炭素繊維部材Ｍに、レーザビームを照射することによって、同一方向（横方向）の千鳥状パターンのスリットＳＬ２０を形成する。この千鳥状パターンのスリットＳＬ２０は、炭素繊維部材ＭをスリットＳＬ２０の長さ方向と直交する方向に広げたときに千鳥格子に配列された複数の開口が形成されるように、千鳥状パターンに配列される。図１４では、便宜上、炭素繊維部材Ｍの中央のみに千鳥状パターンのスリットＳＬ２０が形成された状態が示されているが、千鳥状パターンのスリットＳＬ２０は、炭素繊維部材Ｍの全域に形成されている。
【0053】
千鳥状パターンのスリットＳＬ２０が形成された炭素繊維部材Ｍ（立体加工用炭素繊維部材）を、千鳥状パターンのスリットＳＬ２０の長さ方向と直交する外側に向かう矢印ｂ１およびｂ２方向に力を加えて引っ張る。このように力を加えると、千鳥状パターンのスリットＳＬ２０に挟まれた部分にねじれおよび曲げが生じて千鳥状パターンのスリットＳＬ２０が菱形または亀甲形に広げられて、千鳥状パターンのスリットＳＬ２０の位置に開口Ｅが形成される。そして、図１５に示すように、炭素繊維部材Ｍが起伏のある網目状の開口Ｅを有した状態（千鳥格子の形状）にエキスパンド加工されて、ワーク支持体３０が形成される。
【0054】
このように形成されたワーク支持体３０をワーク・サポート・テーブル３に設置し、上部にワークＷを載せると、エキスパンド加工によりワーク支持体３０に形成された起伏の上端でワークＷが支えられる。このワーク支持体３０は、網目状の開口Ｅを有していることにより、熱加工時に発生するアシストガスの逃げ場が確保されるとともに、スパッタの堆積が抑えられる。また、ワーク支持体３０の起伏の上端は突起状になっているため、上の載せたワークＷが線状または点状で支持され、ワークＷとの溶着が抑えられる。
【0055】
ワーク支持体３０に形成される開口Ｅの大きさ、起伏の形状、および剛性等の形状特性は、炭素繊維部材Ｍおよび千鳥状パターンのスリットＳＬ２０に関する各種パラメータ（諸元）を調整することで、適宜変更可能である。そのため、パラメータを適宜調整してワーク支持体３０の形状特性を変更させることで、レーザ加工機１で加工するワークＷの形状や材質に適したワーク支持体３０を形成することができる。
【0056】
以下に、炭素繊維部材Ｍおよび千鳥状パターンのスリットＳＬ２０に関する各種パラメータと、形成されるワーク支持体３０の形状特性との関係について説明する。
【0057】
まず、炭素繊維部材Ｍがエキスパンド加工される際に、千鳥状パターンのスリットＳＬ２０に挟まれた部分に生じる断面二次モーメントについて説明する。図１４は、横幅寸法がＬＭ、厚さｔの薄板状の横長長形で弾性率ｅを有する炭素繊維部材Ｍに、千鳥状パターンに配列された複数のスリットＳＬ２０が形成された状態を示している。千鳥状パターンのスリットＳＬ２０は、それぞれ同一の長さＬ２に形成されている。千鳥状パターンのスリットＳＬ２０は、千鳥状パターンのスリットＳＬ２０の長さ方向と直交する方向に広げたときに、炭素繊維部材Ｍに千鳥格子に配列された複数の開口が形成されるように配置されている。具体的には、千鳥状パターンのスリットＳＬ２０がその長さ方向である横方向に間隔ｓをあけて一列にｎ個配置される。また、この千鳥状パターンのスリット列が、一定の幅ａでＮ＋１個形成されている（Ｎは後述するフレームＦの個数）。隣り合う一対のスリット列のうち、一方のスリット列のスリットＳＬ２０は、他方のスリット列のスリットＳＬ２０に対して、長さＬ２と間隔ｓの和の半分の距離だけ横方向にオフセットしている。
【0058】
図１６Ａは、図１４に示す炭素繊維部材Ｍにおいて、縦方向に隣り合う千鳥状パターンのスリットＳＬ２０により挟まれたフレームＦを示す外観斜視図である。千鳥状パターンに配列された複数のスリットＳＬ２０が形成された炭素繊維部材Ｍ内において、縦方向に隣り合う２つのスリットＳＬ２０により挟まれる部分をフレームＦと称する。フレームＦは、図１６Ａに示すように、千鳥状パターンのスリットＳＬ２０により挟まれる部分の横方向の長さＬｘと、千鳥状パターンのスリットＳＬ２０の縦方向の間隔である幅ａと、炭素繊維部材Ｍの厚さｔによって定められる直方体である。
【0059】
図１６Ｂは、フレームＦの縦方向の断面図である。厚さｔに直交する軸回りの断面二次モーメントをＩｔとし、幅（千鳥状パターンのスリットＳＬ２０の縦方向の間隔）ａに直交する軸回りの断面二次モーメントをＩａとし、断面の重心回りの断面二次モーメントをＩｐとする。Ｉｔは下記式（１）で示され、Ｉａは下記式（２）で示され、Ｉｐは下記式（３）で示される。
Ｉｔ＝ａｔ３／１２ ・・・（１）
Ｉａ＝ａ３ｔ／１２ ・・・（２）
Ｉｐ＝（ａｔ３＋ａ３ｔ ）／１２ ・・・（３）
Ｉｔ＝ａｔ３／１２ ・・・（１）
Ｉａ＝ａ３ｔ／１２ ・・・（２）
Ｉｐ＝（ａｔ３＋ａ３ｔ ）／１２ ・・・（３）
【0060】
ここで、ｔ≧ａの場合には、Ｉｔ≧Ｉａとなる。また、ｔ＜ａの場合には、Ｉｔ＜Ｉａ＜Ｉｐ（Ｉｐ－Ｉｔ＝ａ３ｔ／１２＞０， Ｉｐ－Ｉａ＝ａｔ３／１２＞０）となる。
【0061】
【0062】
図１８Ａは、幅ａが厚さｔと同じ場合のフレームＦの断面図であり、図１８Ｂは、幅ａが厚さｔよりも小さい場合のフレームＦの断面図である。図１８Ｃは、フレームＦの形状が図１８Ａまたは図１８Ｂのときにエキスパンド加工された炭素繊維部材Ｍを示す断面図である。幅ａが厚さｔに対して、図１８Ａに示すようにａ＝ｔとなるか、または図１８Ｂに示すようにａ＜ｔとなるように千鳥状パターンのスリットＳＬ２０が形成された炭素繊維部材Ｍが、エキスパンド加工された場合について説明する。この場合、フレームＦ部分は、図１８Ｃに示すように、断面の向きが変わらずに断面二次モーメントの小さい幅ａの方向に展開して、縦方向に隣り合うフレームＦ間に間隔が生じる。
【0063】
このように加工された炭素繊維部材Ｍは、エキスパンド加工される前の厚さｔを超える厚さとはならないことによりワーク重量支持に必要な剛性の確保が難しくなる。またこの炭素繊維部材Ｍは、フレームＦが捩れないことによりワーク支持面がワーク裏面と密接してアシストガスの逃げ場が確保し難く、スパッタが堆積し易くなる。また、この炭素繊維部材Ｍは上部にワークＷを載せたときにワークＷと接触する部分の面積が広くワークＷとの溶着が発生しやすくなる。そのため、当該炭素繊維部材Ｍは、ワーク支持体３０として用いるには好ましくない。
【0064】
図１９Ａは、幅ａが厚さｔよりも大きい場合のフレームＦの断面図であり、図１９Ｂは、フレームの形状が図１９Ａのときにエキスパンド加工された炭素繊維部材Ｍの断面図である。幅ａが厚さｔに対して、図１９Ａに示すようにａ＞ｔとなるようにスリットＳＬ２０が形成された炭素繊維部材Ｍがエキスパンド加工された場合について説明する。この場合、フレームＦ部分は、図１９Ｂに示すように、断面の向きが断面二次モーメントの小さい厚さｔの方向に捩れながら展開して、縦方向に隣り合うフレームＦ間に間隔が生じる。
【0065】
このように加工された炭素繊維部材Ｍは、エキスパンド加工される前の厚さｔを超える厚さとなるため、ワーク重量支持に必要な剛性が確保容易となる。この炭素繊維部材Ｍは、フレームＦの捩れでワークＷの裏面と対抗する面が傾き、ワークＷとの間に隙間が生じてアシストガスの逃げ場を十分に確保することが可能になる。この炭素繊維部材Ｍは、上部にワークＷを載せたときにワークＷと線接触または点接触となり、ワークＷとの溶着が発生し難くなる。さらにこの炭素繊維部材Ｍは、ワークＷの裏面と対抗する面が斜面となることでスパッタが横方向へ跳ね返されるため、スパッタが堆積し難くなる。そのため、当該炭素繊維部材Ｍは、ワーク支持体３０として好適に用いることができる。
【0066】
フレームＦに関し、断面最大半径Ｒは下記式（４）で示される。
【数1】
【0067】
ここで、フレームＦの剪断強度をＴ、弾性率をＧとすると、フレームＦの許容捩れ角φは下記式（５）で示される。
【数2】
【0068】
また、フレームＦの長さＬｘは、炭素繊維部材Ｍの横幅ＬＭと、千鳥状パターンのスリットＳＬ２０の横方向の間隔ｓと、千鳥状パターンのスリットＳＬ２０の一列内での個数、すなわち、隣り合う２列のスリットＳＬ２０のジョイント部の数ｎとを用いて、下記式（６）のように示される。
Ｌｘ＝（ＬＭ－ｎｓ）／（ｎ－１） ・・・（６）
Ｌｘ＝（ＬＭ－ｎｓ）／（ｎ－１） ・・・（６）
【0069】
上記式（６）を式（５）に代入すると、フレームＦの許容捩れ角φは下記式（７）で示される。
【数3】
【0070】
このフレームＦの捩れ角φを適宜変更することで、エキスパンド加工された炭素繊維部材Ｍ（ワーク支持体３０）の高さを調整することができる。
【0071】
図２０Ａおよび図２０Ｂは、炭素繊維部材Ｍをエキスパンド加工したときの千鳥状パターンのスリットＳＬ２０の許容開き量の説明図である。次に、炭素繊維部材Ｍのエキスパンド加工による千鳥状パターンのスリットＳＬ２０の開口Ｅの許容開き量ｗ１について説明する。スリットＳＬ２０の長さＬ２は、下記式（８）で示される。
Ｌ２＝２Ｌｘ＋ｓ ・・・（８）
Ｌ２＝２Ｌｘ＋ｓ ・・・（８）
【0072】
図２０Ａに示すスリットＳＬ２０の開口Ｅの許容開き量ｗ１は、上述した千鳥状パターンのスリットＳＬ２０の長さＬ２と、厚さｔと、幅ａと、弾性率Ｇと、厚さｔに直交する軸回りの断面二次モーメントＩｔと、曲げ荷重Ｐと、千鳥状パターンのスリットＳＬ２０のたわみ量ηとを用いて、下記式（９）のように示される。
【数4】
【0073】
なお、曲げ荷重Ｐは、図２０Ｂに示すように、千鳥状パターンのスリットＳＬ２０の中央位置にかかる荷重である。曲げ荷重Ｐがかかることにより破線のように千鳥状パターンのスリットＳＬ２０部分が撓み、図２０Ａのような開口が形成される。曲げ荷重Ｐは、幅ａに直交する軸回りの断面二次モーメントＩａと、断面最大半径Ｒと、フレームＦの長さＬｘと同列のスリットＳＬ２０の横方向の間隔ｓとから成る千鳥状パターンのスリットＳＬ２０の長さ（便宜上の両端固定梁長さ）Ｌｈ（＝Ｌ２（＝２Ｌｘ＋ｓ））と、炭素繊維部材Ｍの破断応力を制限として設定する曲げ応力σとを用いて、下記式（１０）のように示される。
ただし、σ＜フレームＦの破断応力（剪断強度）である。
【数5】
【0074】
上述した式（５）および式（９）を用いることにより、所定の剪断強度および弾性率を有する炭素繊維部材Ｍを用いて、フレームＦの捩れ角度および千鳥状パターンのスリットＳＬ２０の許容開き量ｗ１を所望の値にするための各種パラメータが設定される。設定されるパラメータとしては、炭素繊維部材Ｍの厚さｔ、横幅ＬＭ、千鳥状パターンのスリットＳＬ２０の縦方向の間隔である幅ａ、千鳥状パターンのスリットＳＬ２０の一列あたりの配置数ｎ、および千鳥状パターンのスリットＳＬ２０の横方向の間隔ｓがある。
【0075】
図２１は、ワーク支持体を、所望のフレームＦの捩れ角度φおよび千鳥状パターンのスリットＳＬ２０の許容開き量ｗ１で形成するときの千鳥状パターンのスリットＳＬ２０の諸元に関する各種パラメータの例を示す表である。上述したように式（５）および式（９）を用いて、例えば図２１のＮｏ．１～３に示すように、各種パラメータを算出することができる。
【0076】
このように算出したパラメータに基づいて炭素繊維部材Ｍに千鳥状パターンのスリットＳＬ２０を入れてエキスパンド加工することで、所望の形状特性を有するワーク支持体３０を形成することができる。例えば、図２１のＮｏ．１に示すパラメータでワーク支持体３０を形成することで、エキスパンド加工による網目の開口Ｅが大きくなり、切断加工時に発生するアシストガスが逃げ易くなるとともにスパッタが堆積し難くなる。幅ａを広くすれば、剛性が高いワーク支持体３０が形成され、ワークＷの重量が大きい場合にも安定して支持することができる。また、千鳥状パターンのスリットＳＬ２０の長さを短くし、幅ａを狭くすれば、形成される網目状の突起の数が多くなり、ワークＷが小さい場合や極薄の場合にもより多くの点または線で安定して支持することができる。また、千鳥状パターンのスリットＳＬ２０の各スリット位置を一定の法則で以って変化させることで、エキスパンドさせるときに千鳥格子を斜めに設定することもできる。
【0077】
（第３の実施形態）
以下、第３の実施形態における自動計算装置について添付図面を参照して説明する。
以下、第３の実施形態における自動計算装置について添付図面を参照して説明する。
【0078】
図２２は、第３の実施形態における自動計算装置２００の構成を示すブロック図である。本実施形態に係る自動計算装置２００は、板状の部材から立体構造物を作製するための自動計算装置である。板状の部材としては、第１の実施形態および第２の実施形態に示すように、薄板状の炭素繊維部材が好適である。ただし、本実施形態では、炭素繊維部材に限らず、非可塑性を有する板状の部材に対しても適用可能であり、さらには、可塑性を有する板状の部材に対しても広く適用可能である。
【0079】
自動計算装置２００は、例えばパーソナルコンピュータにより構成されている。自動計算装置２００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などのハードウェアプロセッサと、メモリと、各種のインターフェースとを有している。メモリ、各種のインターフェースは、バスを介してハードウェアプロセッサに接続されている。
【0080】
自動計算装置２００は、コントローラ２１０と、入出力インターフェース２２０と、記憶装置２３０とを有している。
【0081】
コントローラ２１０は、ハードウェアプロセッサと、メモリとから構成されている。コントローラ２１０は、自動計算装置２００が備える種々の機能を達成する１つ以上の情報処理回路として動作する。１つ以上の情報処理回路は、ハードウェアプロセッサによってメモリに格納されたプログラムを実行させることにより実現される。
【0082】
コントローラ２１０は、１つ以上の情報処理回路として、データ取得部２１１と、演算部２１２と、出力部２１３と、を有している。
【0083】
データ取得部２１１は、板状の部材の材質と、板状の部材の板厚と、立体構造物の立体形状とを示す条件データを取得する。演算部２１２は、板状の部材を弾性変形させて立体構造物を作製するために、板状の部材を弾性変形させる加工領域に対して、千鳥状パターンに配列された複数のスリットを割り付ける割付処理を行う。この割付処理は、データ取得部２１１が取得した条件データに基づいて、千鳥状パターンのスリットの諸元を計算する処理を含む。出力部２１３は、演算部２１２による割付処理の結果を出力する。
【0084】
入出力インターフェース２２０には、入力装置２５０が接続される。入出力インターフェース２２０は、入力装置２５０から出力されたデータをコントローラ２１０に出力する。入力装置２５０は、ユーザの操作によって入力されたデータをコントローラ２１０に対して出力する装置である。コントローラ２１０のデータ取得部２１１は、入力装置２５０から出力されたデータに基づいて、条件データを取得することができる。
【0085】
入出力インターフェース２２０には、出力装置としての表示装置２６０が接続される。入出力インターフェース２２０は、コントローラ２１０から出力されたデータを表示装置２６０に出力する。表示装置２６０は、コントローラ２１０から出力されたデータを、ユーザに対して表示することができる。コントローラ２１０の出力部２１３は、割付処理の結果を含むデータを、表示装置２６０に対して出力することができる。
【0086】
コントローラ２１０には、記憶装置２３０が接続されている。記憶装置２３０には、板状の部材の材質毎に、板状の部材の機械的特性を示すパラメータが記憶されている。機械的特性としては、安全係数ｆ、弾性率Ｇ、曲げ応力σ、密度ρなどが該当する。
【0087】
図２３は、自動計算装置２００によって実行される自動計算方法を示すフローチャートである。以下、本実施形態に係る自動計算装置２００によって実行される自動計算方法について説明する。この自動計算方法は、板状の部材を弾性変形させて立体構造物を作製するための計算を自動的に行うものである。自動計算方法を実行することにより、板状の部材を弾性変形させる加工領域に対して、千鳥状パターンに配列された複数のスリットを割り付けることができる。つまり、加工領域に対して複数のスリットが千鳥状パターンに配列されることにより、板状の部材に対して曲げ加工またはエキスパンド加工を行うことができる。
【0088】
図２４Ａは、板状の部材Ｍｎから作製する立体構造物４００の外観を示す斜視図であり、図２４Ｂは、板状の部材Ｍｎに対して設けられる、千鳥状パターンに配列された複数のスリットＳＬ３０を示す説明図である。以下の説明では、板状の部材Ｍｎの加工領域である曲げ辺Ｅｂで角度θ０だけ曲げ加工することで、断面Ｌ形の立体構造物４００を作製することとし、この曲げ加工を行う加工領域に対して千鳥状パターンに配列された複数のスリットＳＬ３０を割り当てる。以下、千鳥状に配列された複数のスリットＳＬ３０を利用した曲げ加工を「スリット曲げ」という。
【0089】
第１および第２の実施形態と同様、千鳥状パターンに配列された複数のスリットＳＬ３０は、隣り合うスリットＳＬ３０同士がジョイント部（間隔ｓ）を隔ててスリットＳＬ３０の長さ方向に直線状に配列されたスリット列を、幅ａだけ隔離して複数個並べて構成されている。そして、隣り合うスリット列同士のうち、一方のスリット列は、他方のスリット列に対してスリットＳＬ３０の位置がスリットＳＬ３０の長さ方向にかけてオフセットするように構成されている。
【0090】
まず、ステップＳ１０において、取得部２１１は、板状の部材Ｍｎの材質、板状の部材Ｍｎの厚さｔ、および立体構造物４００の立体形状を含む条件データを取得する。取得部２１１は、表示装置２６０に所定の入力画面を表示し、この入力画面に対応して入力装置２５０から出力されたデータから条件データを取得する。
【0091】
図２４に示すように、立体構造物４００の立体形状は、曲げ辺Ｅｂの長さ、曲げ辺Ｅｂでの曲げの角度θ０、曲げ半径ｒ、および曲げ辺Ｅｂまでの辺の長さＡ１、Ａ２などの種々のパラメータによって定義される。立体構造物４００の立体形状が予め定型化されている場合、取得部２１１は、入力装置２５０を通じて、立体形状を定義するパラメータを取得することができる。また、取得部２１１は、入力装置２５０を通じて立体構造物４００の立体形状を描画させ、描画した情報から立体構造物４００の立体形状に定義するデータを取得してもよい。また、取得部２１１は、ＣＡＤなどの外部装置から、立体構造物４００の立体形状を示す図形データを直接取得してもよい。
【0092】
ステップＳ１１において、演算部２１２は、材質、曲げ角度θ０、および曲げ半径ｒに基づいて、板状の部材Ｍｎに対して塑性加工を行うことができるか否かを判断する。演算部２１２は、予め定義された判定条件に従って材質を評価し、板状の部材Ｍｎに延性があるか否かを判断する。演算部２１２は、板状の部材Ｍｎに延性がないと判断すると、塑性加工できないと判断する。一方、演算部２１２は、材質から板状の部材Ｍｎに延性があると判断すると、曲げ角度θ０および曲げ半径ｒをさらに考慮して、曲げ辺Ｅｂに必要な曲げ加工を塑性加工で行うことができるか否かを判断する。
【0093】
塑性加工を行うことができない場合、演算部２１２は、ユーザが選択可能な曲げ種別の選択肢として、「スリット曲げ」のみを表示装置２６０に表示する（ステップＳ１２）。一方、塑性加工を行うことができる場合、演算部２１２は、ユーザが選択可能な曲げ種別の選択肢として、「スリット曲げ」の他、塑性加工による曲げの種別を表示装置２６０に表示する（ステップＳ１３）。
【0094】
図２５は、曲げ種別の選択肢を示す説明図である。曲げ種別の選択肢は、例えばプルダウンメニュー２６１として表示される。プルダウンメニュー２６１には、ユーザが選択可能な曲げ加工の種別が１つ以上含まれている。このようなプルダウンメニュー２６１を用いることで、板状の部材Ｍｎに対して行うことができる曲げ加工の種別を選択させることができる（選択処理）。
【0095】
曲げ種別の選択肢のなかからスリット曲げが選択された場合、ステップＳ１４で肯定判定され、ステップＳ１５の処理に進む。一方、曲げ種別のなかからスリット曲げが選択されなかった場合、ステップＳ１４で否定判定され、本ルーチンを終了する。この場合、ユーザが選択した曲げ種別に応じた処理が行われる。
【0096】
ステップＳ１５において、演算部２１２は、記憶装置２３０を参照し、板状の部材Ｍｎの材質に応じて定まる固有のパラメータを特定する。固有のパラメータとしては、安全係数ｆ、弾性率Ｇ、曲げ応力σ、密度ρなどが挙げられる。
【0097】
ステップＳ１６において、演算部２１２は、千鳥状パターンのスリットＳＬ３０の縦方向の間隔である幅ａを決定する。幅ａの初期値は、例えば厚さｔである。しかしながら、演算部２１２は、ユーザの操作に応じて、幅ａを初期値ｔから変更することもできる。
【0098】
ステップＳ１７において、演算部２１２は、千鳥状パターンのスリットＳＬ３０に関するパラメータを計算する。以下、パラメータ計算の一例を示すが、この計算方法に限定されない。
【0099】
まず、演算部２１２は、下記式（１１）に従って、千鳥状パターンのスリットＳＬ３０の横方向の間隔（ジョイント部の長さ）ｓを計算する。
【数6】
【0100】
式（１１）において、Ｆ０は荷重である（図２４Ａ参照）。ｎは隣り合う２列のスリットＳＬ３０のジョイント部の数、すなわち、千鳥状パターンのスリットＳＬ３０の一列あたりの数であり、初期値は３である。
【0101】
演算部２１２は、下記式（１２）および式（１３）に従って、端部のスリットＳＬ３０の長さＬ１、および中央のスリットＳＬ３０の長さＬ２を計算する。
【数7】
【数8】
【0102】
縦方向に隣り合うスリットＳＬ３０により挟まれたフレームＦの長さＬｘは、千鳥状パターンのスリットＳＬ３０の長さＬ１、Ｌ２と、千鳥状パターンのスリットＳＬ３０の横方向の間隔ｓとの組み合わせから、下記式（１４）のように示される。
【数9】
【0103】
また、演算部２１２は、フレームＦにおける厚さｔに直交する軸回りの断面二次モーメントＩｔ、フレームＦにおける幅ａに直交する軸回りの断面二次モーメントＩａ、フレームＦにおける断面の重心回りの断面二次モーメントＩｐをそれぞれ計算する。これらの断面二次モーメントＩｔ、Ｉａ、Ｉｐは、上述した式（１）～（３）で示される。
【0104】
ステップＳ１７において、演算部２１２は、フレームＦの曲げ計算を行う。フレームＦが捩り変形することで、加工領域である曲げ辺Ｅｂにおける曲げ加工が可能となる。フレームＦの捩れ角φは、下記式（１５）に示すように、厚さｔ、幅ａ、フレームＦの長さＬｘ、曲げ応力σおよび弾性率Ｇから関係式を作ることができる。演算部２１２は、式（１５）に基づいて、フレームＦの捩れ角φを計算する。
【数10】
【0105】
図２６は、曲げ辺Ｅｂを拡大して示す説明図である。曲げ辺Ｅｂにおいて要求される曲げの角度θ０は、曲げ辺Ｅｂに設定される各フレームＦの捩れ角φの累積となる。よって、フレームＦの個数Ｎは、下記式（１６）のように示される。
Ｎ＝θ０／φ－１ ・・・（１６）
Ｎ＝θ０／φ－１ ・・・（１６）
【0106】
これらのステップＳ１７およびＳ１８の処理により、曲げ辺Ｅｂに対して割り付ける、千鳥状パターンに配列された複数のスリットＳＬ３０の諸元が決定される。決定されるスリットＳＬ３０の諸元は、千鳥状パターンのスリットＳＬ３０の長さＬ２、フレームＦの長さＬｘ、スリットＳＬ３０同士の横方向の間隔（ジョイント部の長さ）ｓ、スリットＳＬ３０同士の縦方向の間隔である幅ａ、およびスリット列の個数（フレームＦの個数Ｎ＋１）である。このような諸元の決定により、曲げ辺Ｅｂに対して千鳥状に配列された複数のスリットＳＬ３０を割り付ける割付処理が完了する。
【0107】
ステップＳ１９において、出力部２１３は、演算部２１２による演算結果に基づいて、千鳥状パターンのスリットＳＬ３０の諸元を表示装置２６０に表示する。出力部２１３による千鳥状パターンのスリットＳＬ３０の出力先は、表示装置２６０に限らず、記憶装置２３０、または外部装置であってもよい。
【0108】
そして、この割付結果に基づいて板状の部材Ｍｎに千鳥状パターンのスリットＳＬ３０を形成することにより、立体加工用基材を製造することができる。例えば、板状の部材Ｍｎの素材が、第１および第２の実施形態で示す炭素繊維部材である場合には、立体加工用炭素繊維部材が製造される。この立体加工用基材を用いて、千鳥状パターンのスリットＳＬ３０が形成された曲げ辺Ｅｂを弾性変形させることで、立体構造物４００を作製することができる。
【0109】
このように本実施形態によれば、板状の部材Ｍｎの材質、板状の部材Ｍｎの板厚、および立体構造物４００の立体形状を与えるだけで、演算部２１２が千鳥状パターンのスリットＳＬ３０の諸元を自動的に計算することができる。これにより、立体加工に必要な千鳥状パターンのスリットＳＬ３０の設計を自動化することができるので、設計工数および部材コストの抑制を図ることができる。
【0110】
また、本実施形態において、隣り合うスリット列同士のうち、一方のスリット列は、他方のスリット列に対してスリットＳＬ３０の位置が横方向にかけてオフセットするように構成されている。これにより、必要なフレームＦが構成されるので、弾性変形によるねじれおよび曲げが生じて、板状の部材Ｍｎを３次元方向に変形させることができる。その結果、所望の状態に曲げ加工を行うことができる。
【0111】
本実施形態において、千鳥状パターンのスリットＳＬ３０の諸元は、千鳥状パターンのスリットＳＬ３０の長さＬ２、スリットＳＬ３０の横方向の間隔（ジョイント部の長さ）ｓ、スリットＳＬ３０の縦方向の間隔である幅ａを含んでいる。これにより、千鳥状パターンの配列に必要なスリットＳＬ３０のパラメータを特定することができる。
【0112】
本実施形態において、千鳥状パターンのスリットＳＬ３０の諸元は、スリット列の個数（フレームＦの個数Ｎ＋１）を含んでいる。これにより、千鳥状の配列に必要なスリットＳＬ３０のパラメータを特定することができる。
【0113】
本実施形態において、演算部２１２は、条件データに基づいて、板状の部材Ｍｎから立体構造物４００を立体加工するための一つ以上の加工種別を特定し、一つ以上の加工種別の中から、ユーザに加工方法を選択させる選択処理を行っている。この方法によれば、ユーザに対して加工種別の提案をすることができるので、利便性の向上を図ることができる。
【0114】
本実施形態において、演算部２１２は、選択処理において千鳥状パターンのスリット加工（スリット曲げ）が選択された場合に、割付処理を実行する。これにより、スリット曲げが必要な状況において割付処理を行うことができる。
【0115】
また、本実施形態において、演算部２１２は、関係式（式（１５））から求められるフレームＦの捩れ角φに基づいて、千鳥状パターンのスリットＳＬ３０の諸元を計算している。フレームＦに生じるねじれおよび曲げを考慮することができるので、板状の部材Ｍｎに対する３次元方向の弾性変形を計算することができる。すなわち、板状の部材Ｍｎの材質と、板状の部材Ｍｎの厚さｔと、立体形状とを含む条件データが入力としてあれば、演算部２１２は、次のような計算を自動的に行うことができる。具体的には、演算部２１２は、板状の部材Ｍｎの材質から、記憶装置２３０を検索することで、板状の部材Ｍｎの機械的特性を示すパラメータ（安全係数ｆ、曲げ応力σおよび弾性率Ｇ）を特定することができる。つぎに、演算部２１２は、隣り合う２列のスリットＳＬ３０のジョイント部の数ｎを適宜に決定すれば（例えば初期値＝３）、板状の部材Ｍｎの厚さｔ、幅ａ、安全係数ｆ、曲げ応力σおよび弾性率Ｇを用いて式（１５）から、フレームＦの捩れ角φを計算することができる。そして、演算部２１２は、立体形状から定まる曲げ角θ０と、フレームＦの捩れ角φとに基づいて、フレームの個数Ｎを決定することができる。これにより、スリット曲げに必要な千鳥状パターンのスリットＳＬ３０の諸元を適切に計算することができる。
【0116】
なお、本実施形態では、曲げ加工（スリット曲げ）により作製する立体構造物を前提として、自動計算方法を説明した。しかしながら、本実施形態に係る自動計算方法を、第１の実施形態に示すようなエキスパンド加工を伴う立体構造物Ｙ８、第２の実施形態に示すようなエキスパンド加工を伴うワーク支持体３０の作製において適用してもよい。第１の実施形態に示すようなエキスパンド加工を伴う立体構造物Ｙ８であれば、演算部２１２は、フレームＦの捩れ角φの他に開口Ｅの縦方向および横方向の開き量も考慮して長方形部分Ｑに必要な高さを見積もることで、必要な千鳥状パターンのスリットＳＬ３の諸元を計算することができる。また、第２の実施形態に示すようなエキスパンド加工を伴うワーク支持体３０であれば、演算部２１２は、フレームＦの捩れ角φの他に、開口Ｅの縦方向および横方向の開き量、および切断後の製品の最小サイズも考慮して基づいて切断後の製品の保持に必要な開口Ｅを見積もることで、必要なスリットＳＬ２０の諸元を計算することができる。
【0117】
以上のように、本発明の実施形態を記載したが、この開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
【0118】
本願の開示は、２０２０年６月１０日に出願された特願２０２０－１０１１４０号、および２０２０年８月３１日に出願された特願２０２０－１４５４４６号に記載の主題と関連しており、それらの全ての開示内容は引用によりここに援用される。
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8A】
【図8B】
【図9】
【図10A】
【図10B】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16A】
【図16B】
【図17】
【図18A】
【図18B】
【図18C】
【図19A】
【図19B】
【図20A】
【図20B】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24A】
【図24B】
【図25】
【図26】