JP7688010B2 - 造形物の製造方法及び製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、造形物の製造方法及び製造装置に関する。

近年、生産手段としての３Ｄプリンタのニーズが高まっており、特に金属材料への適用については航空機業界等で実用化に向けて研究開発が行われている。金属材料を用いた３Ｄプリンタは、レーザーや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て造形物を造形する。

特許文献１には、ＮＣ制御によって、溶着面が常に所定角度とされ、且つ溶加材トーチと溶着面とが所定の距離を保持するように、被形成体または被造形物及び溶加材トーチを移動させながら溶着ビードを形成する造形方法が開示されている。

特開２００７－２７５９４５号公報

ところで、溶接ビードを積層させて造形物を製造する積層造形では、溶接ビードの積層状況を管理するため、積層された溶接ビードの高さを監視しつつ、そのビード高さに応じて積層条件を調整することが一般に行われる。

しかし、オーバーハング状に溶接ビードを積層する場合、高さのみに注目して積層条件を調整すると、溶接ビードに垂れが生じ、造形物の形状が目標形状から乖離してしまうことがある。

特に、溶接ビードをアーチ状に積層する場合では、パスごとに溶接ビードのオーバーハング角が異なるため、一度位置ずれが生じると、それ以降はずれが拡大しやすい。同様に、滑らかな曲面上に溶接ビードを積層する場合においても、曲面の傾きに異存して溶接ビードの垂れやすさが異なることで、造形物の形状が目標形状から乖離しやすい。

そこで本発明は、溶接ビードの積層高さの管理が難しい形状等においても、造形物を目標形状に造形することが可能な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。

本発明は下記構成からなる。
（１） 溶接材料を溶融して溶接ビードを形成し、前記溶接ビードが積層された造形物を造形する造形物の製造方法あって、
積層する前記溶接ビードの溶接条件、ビード形状および積層軌道を含む積層計画情報と造形する造形物の目標形状情報を取得する情報取得工程と、
前記溶接条件、前記ビード形状および前記積層軌道から、複数の前記溶接ビードが積層された積層形状の積算指標を算出する積算指標算出工程と、
前記積算指標と前記目標形状情報に基づいて、前記溶接条件を調整する溶接条件調整工程と、
取得した前記溶接条件にて前記溶接ビードを繰り返し積層する積層造形工程と、
を含み、
前記溶接条件調整工程は、前記積層軌道に垂直方向のビード幅が各層において同じ値に近づき、且つ前記積算指標と目標形状の乖離を低減するように、前記溶接条件に含まれる溶着量と積層位置を少なくとも修正する、
造形物の製造方法。
（２） 溶接材料を溶融して溶接ビードを形成し、前記溶接ビードが積層された造形物を造形する造形物の製造装置あって、
積層する前記溶接ビードの溶接条件、ビード形状および積層軌道を含む積層計画情報と造形する造形物の目標形状情報を取得する情報取得部と、
前記溶接条件、前記ビード形状および前記積層軌道から、複数の前記溶接ビードが積層された積層形状の積算指標を算出する積算指標算出部と、
前記積算指標と前記目標形状情報に基づいて、前記溶接条件を調整する溶接条件調整部と、
取得した前記溶接条件にて前記溶接ビードを繰り返し積層する積層造形部と、
を有し、
前記溶接条件調整部は、前記積層軌道に垂直方向のビード幅が各層において同じ値に近づき、且つ前記積算指標と目標形状の乖離を低減するように、前記溶接条件に含まれる溶着量と積層位置を少なくとも修正する、
造形物の製造装置。

本発明によれば、溶接ビードの積層高さの管理が難しい形状等においても、造形物を目標形状に造形することができる。

図１は、積層造形システムの全体構成を示す概略図である。 図２は、造形制御装置の機能ブロック図である。 図３は、造形制御装置による造形手順を示すフローチャートである。 図４は、アーチ状の造形物のモデルを示す模式図である。 図５Ａは、積層計画情報の例を示す説明図である。 図５Ｂは、積層計画情報の例を示す説明図である。 図５Ｃは、積層計画情報の例を示す説明図である。 図５Ｄは、積層計画情報の例を示す説明図である。 図５Ｅは、積層計画情報の例を示す説明図である。 図６は、溶接ビードの積層位置修正の影響を説明する図である。 図７は、造形物における積算指標を示す模式図である。 図８は、溶接条件の調整前後における積層状態の対比を説明する図である。 図９は、造形制御装置による造形手順を示すフローチャートである。 図１０は、アーチ状の造形物のモデルを示す模式図である。 図１１は、ビード幅の異なる溶接ビードのビードモデルを示す模式図である。 図１２は、ビード幅の異なる溶接ビードのビードモデルに基づいて造形した造形物の模式図である。 図１３は、溶接条件の調整後におけるアーチ状の造形物のモデルを示す模式図である。 図１４は、傾斜面での造形物の造形について説明する模式図である。 図１５は、傾斜面の傾斜方向に沿って溶接ビードを形成した場合の溶接ビードの断面形状を示す模式図である。 図１６は、異なる断面形状の溶接ビードを積層させた場合の造形物を示す模式図である。 図１７は、溶接条件の調整を実施した場合の造形物を示す模式図である。 図１８は、造形制御装置による造形手順の変形例を示すフローチャートである。

以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。ここで示す積層造形システムは、マニピュレータに保持された溶加材（溶接ワイヤ）を熱源装置によって溶融させて溶接ビードを形成し、形成された溶接ビードを所望の形状に繰り返し積層して、溶接ビードが積層されてなる造形物を造形するものである。

＜積層造形システムの構成＞
上記の軌道計画支援装置が決定する軌道計画に基づいて動作する、積層造形システムの一構成例を説明する。
図１は、積層造形システムの全体構成を示す概略図である。
積層造形システム１００は、造形制御装置１５と、マニピュレータ１７と、溶加材供給装置１９と、マニピュレータ制御装置２１と、熱源制御装置２３とを含んで構成される。

マニピュレータ制御装置２１は、マニピュレータ１７と、熱源制御装置２３とを制御する。マニピュレータ制御装置２１には不図示のコントローラが接続されて、マニピュレータ制御装置２１の任意の操作がコントローラを介して操作者から指示可能となっている。

マニピュレータ１７は、例えば多関節ロボットであり、先端軸に設けたトーチ１１には、溶加材Ｍが連続供給可能に支持される。トーチ１１は、溶加材Ｍを先端から突出した状態に保持する。トーチ１１の位置及び姿勢は、マニピュレータ１７を構成する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。マニピュレータ１７は、６軸以上の自由度を有するものが好ましく、先端の熱源の軸方向を任意に変化させられるものが好ましい。マニピュレータ１７は、図１に示す４軸以上の多関節ロボットの他、２軸以上の直交軸に角度調整機構を備えたロボット等、種々の形態であってもよい。

トーチ１１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。シールドガスは、大気を遮断し、溶接中の溶融金属の酸化、窒化などを防いで溶接不良を抑制する。本構成で用い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（Tungsten Inert Gas）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、造形対象に応じて適宜選定される。ここでは、ガスメタルアーク溶接を例に挙げて説明する。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、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１１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。

溶加材供給装置１９は、トーチ１１に向けて溶加材Ｍを供給する。溶加材供給装置１９は、溶加材Ｍが巻回されたリール１９ａと、リール１９ａから溶加材Ｍを繰り出す繰り出し機構１９ｂとを備える。溶加材Ｍは、繰り出し機構１９ｂによって必要に応じて正方向又は逆方向に送られながらトーチ１１へ送給される。繰り出し機構１９ｂは、溶加材供給装置１９側に配置されて溶加材Ｍを押し出すプッシュ式に限らず、ロボットアーム等に配置されるプル式、又はプッシュ－プル式であってもよい。

熱源制御装置２３は、マニピュレータ１７による溶接に要する電力を供給する溶接電源である。熱源制御装置２３は、溶加材Ｍを溶融、凝固させるビード形成時に供給する溶接電流及び溶接電圧を調整する。また、熱源制御装置２３が設定する溶接電流及び溶接電圧等の溶接条件に連動して、溶加材供給装置１９の溶加材供給速度が調整される。

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、アークとレーザー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ー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ーにより加熱する場合、加熱量を更に細かく制御でき、形成するビードの状態をより適正に維持して、積層構造物の更なる品質向上に寄与できる。また、溶加材Ｍの材質についても特に限定するものではなく、例えば、軟鋼、高張力鋼、アルミ、アルミ合金、ニッケル、ニッケル基合金など、造形物１４の特性に応じて、用いる溶加材Ｍの種類が異なっていてよい。

造形制御装置１５は、上記した各部を統括して制御する。

上記した構成の積層造形システム１００は、造形物１４の造形計画に基づいて作成された造形プログラムに従って動作する。造形プログラムは、多数の命令コードにより構成され、造形物の形状、材質、入熱量等の諸条件に応じて、適宜なアルゴリズムに基づいて作成される。この造形プログラムに従って、トーチ１１を移動させつつ、送給される溶加材Ｍを溶融及び凝固させると、溶加材Ｍの溶融凝固体である線状の溶接ビードＢがベースプレート１３上に形成される。つまり、マニピュレータ制御装置２１は、造形制御装置１５から提供される所定のプログラムに基づいてマニピュレータ１７、熱源制御装置２３を駆動させる。マニピュレータ１７は、マニピュレータ制御装置２１からの指令により、溶加材Ｍをアークで溶融させながらトーチ１１を移動させて溶接ビードＢを形成する。このようにして溶接ビードＢを順次に形成、積層することで、目的とする形状の造形物１４が得られる。

図２は、造形制御装置１５の機能ブロック図である。造形制御装置１５は、情報取得部３１と、溶接条件特定部３３と、積算指標算出部３５と、溶接条件調整部３７と、を含んで構成されている。

上記の造形制御装置１５は、例えば、ＰＣ（Personal Computer）などの情報処理装置を用いたハードウェアにより構成される。造形制御装置１５の各機能は、不図示の制御部が不図示の記憶装置に記憶された特定の機能を有するプログラムを読み出し、これを実行することで実現される。記憶装置としては、揮発性の記憶領域であるＲＡＭ（Random Access Memory）、不揮発性の記憶領域であるＲＯＭ（Read Only Memory）等のメモリ、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）等のストレージを例示できる。また、制御部としては、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＭＰＵ（Micro Processor Unit）などのプロセッサ、又は専用回路等を例示できる。造形制御装置１５は、上記した形態のほか、ネットワーク等を介して積層造形システム１００から遠隔から接続される他のコンピュータであってもよい。

上記の造形制御装置１５では、溶接ビードＢを積層して造形物１４を造形するにあたり、情報取得工程、積算指標算出工程、溶接条件調整工程、積層造形工程を行う。

＜造形物の造形手順例＞
次に、造形制御装置１５による造形物１４の造形手順の一例について説明する。
図３は、造形制御装置１５による造形物の造形手順を示すフローチャートである。図４は、アーチ状の造形物１４のモデルを示す模式図である。なお、図４に示すように、ここでは、溶接ビードＢを積層させてアーチ状の造形物１４を造形する場合を例にとって説明する。

（情報取得工程）
情報取得部３１が、積層する溶接ビードＢの溶接条件、ビード形状および積層軌道を含む積層計画情報と造形する造形物１４の目標形状情報を取得する（ステップＳ１）。

図５Ａ～図５Ｅは、積層計画情報の例を示す説明図である。
図５Ａに示すように、積層する溶接ビードＢの溶接条件としては、トーチ１１を移動して溶接ビードＢを形成する際の移動速度Ｖｔ及び溶加材Ｍの送給速度Ｖｗなどがある。図５Ｂに示すように、ビード形状としては、溶接ビードＢのビード高さｈ^ｖ、ビード幅ｗ^Ｈ、溶着量Ｓｗなどがある。図５Ｃに示すように、積層軌道としては、特定のパス（ｋ層）にてビードが積層される積層始点Ｐｓ(i)から積層終点Ｐｅ(i)までのビード積層位置ｒ（ｒ=（x,y,z））や、図５Ｄに示すように、パス間（ｋ層とｋ＋１層との間）における積層始点Ｐｓ(i)及び積層終点Ｐｅ(i)と積層始点Ｐｓ(j)及び積層終点Ｐｅ(j)との間の移動量Δｒ（Δｒ＝（Δｘ，Δｙ，Δｚ））からなる複数の溶接ビードＢが積み重ねられる積層軌道Ｃなどがある。図５Ｅに示すように、造形物１４の目標形状としては、造形する造形物１４の幅寸法である造形物幅Ｗおよび高さ寸法である造形物高さＨなどがある。

（積算指標算出工程）
積算指標算出部３５が、溶接条件、ビード形状および積層軌道から、複数の溶接ビードＢが積層された積層形状の積算指標を算出する（ステップＳ２）。

この積算指標算出工程では、高さや幅など積層形状の進捗を反映した指標を算出する。図７は、造形物１４における積算指標を示す模式図である。図７に示すように、積算指標は、積算高さＨａ、積算幅Ｗａ、造形物１４の上端における積層方向に垂直な溶接ビードＢの上面のビード幅ｗi^⊥c、積層位置の積算値Ａａなどであり、積算指標算出工程では、これらの指標の一部のみを算出するだけでもよい。これらの積算高さＨａ、積算幅Ｗａ、上面のビード幅ｗi^⊥c、積層位置の積算値Ａａは、それぞれ式（１）～式（４）で算出される。

なお、上面のビード幅ｗi^⊥cについては、溶接ビードＢに垂れが生じると、その分ビード幅が細ってしまうので、その垂れの蓄積影響を式（３）における右辺で表現する。また、積層位置の積算値Ａａは、積層軌道Ｃ上のどのあたりに位置するかを示し、座標でもよいし、積層軌道Ｃ上の経路長として算出してもよい。ここで、式（１）～式（３）では、高さや幅についてどの方向で定義されるか規定するために添え字を設けて区別している。添え字におけるVはvertical、Hはhorizontal、⊥cは積層軌道Ｃに垂直という意味である。なお、ビード上面のビード幅ｗi^⊥cに限らずビード下面のビード幅ｗiu^⊥c（図７参照）でも式（３）と同じことが言えるのでビード下面のビード幅ｗiu^⊥cで積算指標を算出してもよい。ただし、ビード下面のビード幅ｗiu^⊥cは上下の溶接ビードＢ同士が融合した後の積層体から評価されることに対し、ビード上面のビード幅ｗi^⊥cは上層の溶接ビードＢと融合される前に直接計測できるので、造形中に溶接条件を逐次修正する場合はビード上面のビード幅ｗi^⊥cで式（７）を評価することがより好ましい。例えば、ビード下面のビード幅ｗiu^⊥cは、積層方向の傾斜がきつくなるとレーザセンサによる計測が困難となるが、ビード上面のビード幅ｗi^⊥cであればカメラ以外にもレーザセンサによって計測できる。

（溶接条件調整工程）
溶接条件調整部３７が、積算指標と目標形状情報に基づいて、溶接条件を調整する。 そして、上記の溶接条件調整工程において、溶接条件調整部３７は、積層軌道Ｃに垂直方向のビード幅が各層において同じ値に近づき、且つ積算指標と目標形状の乖離を低減するように、溶接条件に含まれる溶着量と積層位置を少なくとも修正する（ステップＳ３）。

ここで、式（５）～式（７）は、溶接条件を調整するための式であり、これらの式（５）～式（７）から、式（８）の調整後の指標(求めたい解）を導く。なお、調整後の指標である式（８）はハット記号を付して区別している。

式（５）は高さの調整を考慮した式であり、式（６）は幅の調整を考慮した式である。これらの式（５）及び式（６）では、オーバーハングのように溶接ビードＢを斜めに積層すると、垂直に積層した場合と比べて高さや幅がそのまま積み増すわけではないので、Ｒ1やＲ2によって傾斜分の影響を表している。なお、最も単純には、水平からの傾きαに対してcosαやsinαなどによって表現できる。一方、式（５）及び式（６）における右辺の｛｝の項は、積算指標と目標形状の乖離を表す項であり、この乖離に応じて分母のｎを変えるか、溶着位置ｒを変えることができる。

式（７）は、どの層のビード幅も実質的に一定と見なせる条件を課す式である。もちろんオーバーハングのように溶接ビードＢを斜めに積層する場合は、傾斜した分だけ側方に垂れて幅が細りやすく、その影響を中辺の第二項が表している。また、式（７）における中辺の第一項は、溶着量でビード幅が増減することを表している。例えば、関数θについては、傾斜方向や溶着量と垂れの相関を調べた実験から回帰式を作成してよい。また、関数Λも関数θと同様に実験的に求めてよい。また、式（７）における右辺と左辺には、所定の定数となるビード幅に対して予め定められた変動許容値が設定される。

図７は、溶接ビードＢの積層位置修正の影響を説明する図である。図７において、Ｐａが修正前のビード積層位置を表し、Ｐｂが修正後のビード積層位置を表している。図７では、ｉ層目のビード積層位置を修正することで、高さおよび幅の増加量が変わることを示している。

（積層造形工程）
その後、調整した溶接条件にて溶接ビードＢを繰り返し積層し、造形物１４を造形する（ステップＳ４）。

図８は、溶接条件の調整前後における積層状態の対比を説明する図である。
図８左側は、溶接ビードＢの垂れの影響を考慮しない狙い位置Ｐａで溶接ビードＢを形成してユニットとして積層方向に沿って積み上げた状態を示している。この状態では、下層のビード上面幅と上層のビード下面幅とが一致せず、現実には垂れが生じる。図８中央は、溶接ビードＢの垂れの影響を考慮した狙い位置Ｐｂで溶接ビードＢを形成して各層のビード上面幅が同じ値に近づくよう溶着量と積層位置を修正した状態を示している。この例では上層ほど垂れやすいので溶着量が上層につれて少なく、下層ほど多い。図８右側は、溶接ビードＢの垂れの影響を考慮しない場合（図８左側）の積層位置と、溶接ビードＢの垂れの影響を考慮した場合（図８中央）の積層位置とを重ねて図示したものであり、最終の積層形状が目標形状と合うように積層位置が修正されている。このように、本構成例に係る製造方法によれば、例えば、オーバーハングを有するために積層形状の管理が難しい形状等の造形物を目標形状に造形することができる。

＜造形物の造形手順の応用例＞
次に、造形制御装置１５による造形物１４の造形手順の応用例について説明する。
図９は、造形制御装置１５による造形物の造形手順を示すフローチャートである。
図１０は、アーチ状の造形物１４のモデルを示す模式図である。図１１は、ビード幅ＢＷの異なる溶接ビードＢのビードモデルＢＭを示す模式図である。図１２は、ビード幅ＢＷの異なる溶接ビードＢのビードモデルＢＭに基づいて造形した造形物１４の模式図である。図１３は、溶接条件の調整後におけるアーチ状の造形物１４のモデルを示す模式図である。

情報取得部３１が、積層する溶接ビードＢのビード形状として基準幅Ｂｗを含む積層計画情報と造形する造形物１４の目標形状情報を取得する（ステップＳ１１）。

例えば、図１０に示すように、アーチ状の造形物１４を造形する場合、造形物１４に対して等分割した同一形状の台形状のビードモデルＢＭを割り当てて配置する。そして、このビードモデルＢＭのサイズを調整することで、造形すべき目標形状（図１０中の黒実線）を満足するビードモデルＢＭを作成し、このビードモデルＢＭの基準のビード幅ＢＷとなる基準幅ＢＷｂを取得する。この基準幅ＢＷｂは、溶接ビードＢの積層方向ＤＬに対して直交する向きのビードモデルＢＭの寸法である。

なお、造形物１４に対する溶接ビードＢの割り当て方としては、例えば、読み込んだ造形物１４の３次元形状データ（ＣＡＤデータ等）の形状を、溶接ビードＢの積層方向ＤＬと直交する方向にスライスし、さらに、溶接ビードＢのビード形状に対応するように、矩形状のビードモデルＢＭに分割する。そして、分割した複数の矩形状のビードモデルＢＭを、単純な幾何図形である台形に当てはめ、台形状のビードモデルＢＭに変更する。

溶接条件特定部３３が、基準幅ＢＷｂを満たす溶着量の溶接ビードＢを形成する際の溶接条件を特定する（ステップＳ１２）。各溶接ビードＢの溶着量は、溶接ビードＢの積層方向ＤＬや積層数に合せて調整する。調整する際には、各溶接ビードＢのビード幅ＢＷが基準幅ＢＷｂを満たすように制限する。なお、この溶接条件の特定は、積層計画から直接取得してもよい。

ここで、図１１及び図１２に示すように、異なるビード幅ＢＷ１，ＢＷ２のビードモデルＢＭ１，ＢＭ２に基づいて溶接ビードＢ１，Ｂ２を交互に積層した場合、溶接ビードＢ１よりも広いビード幅ＢＷ２の溶接ビードＢ２は、両端のはみ出し部分に垂れが生じやすくなる。このように、異なるビード幅ＢＷ１，ＢＷ２のビードモデルＢＭ１，ＢＭ２で溶接ビードＢ１，Ｂ２を積層すると、積層高さを満たせないばかりか全体的な形状が目標形状から著しく乖離する場合がある。このような現象は、例えば、傾斜面を有するベースプレート１３に溶接ビードＢを積層する場合に生じやすい。ベースプレート１３が傾斜面の場合、傾斜方向上方側へ形成する上進の溶接ビードＢではビード幅ＢＷが狭くなり、傾斜方向下方側へ形成する下進の溶接ビードＢではビード幅ＢＷが広くなる。つまり、造形物１４の形状の目標形状からの乖離は、上進の溶接ビードＢと下進の溶接ビードＢとを交互に積層する場合に生じやすい。

このため、溶接条件特定部３３は、各溶接ビードＢのビード幅ＢＷを基準幅ＢＷｂに合わせつつ溶接ビードＢの溶着量を調整したビードモデルＢＭを作成する。各溶接ビードＢのビードモデルＢＭのビード幅ＢＷは、理想的には、一定値であることが望ましいが、微小な許容値αを定めてビード幅ＢＷが基準幅ＢＷｂに対して±α以内に収まるように溶着量を調整してもよい。

なお、ビードモデルＢＭの溶接ビードＢのビード幅ＢＷを優先して基準幅ＢＷｂに合わせる場合、各溶接ビードＢにおいて、溶着量やビード高さが異なる場合が生じる。溶接条件特定部３３は、このような各溶接ビードＢにおける溶着量やビード高さの相異については許容しつつ各溶接ビードＢの溶接条件を算出する。

溶接条件の具体的な算出方法は特に限定されないが、例えば、溶接条件の代表的パラメータを基にモデル化した式を用意して、その式より条件調整を行ってもよい。

例えば、ビード高さＢＨは式（９）から求め、ビード幅ＢＷは式（１０）から求めてもよい。
ＢＨ ＝Ｃ１＋Ｃ２Ｗｆ＋Ｃ３Ｔｓ＋Ｃ４Ｗｆ２＋Ｃ５Ｔｓ２＋Ｃ６ＷｆＴｓ ・・・式（９）
ＢＷ＝Ｄ１＋Ｄ２Ｗｆ＋Ｄ３Ｔｓ＋Ｄ４Ｗｆ２＋Ｄ５Ｔｓ２＋Ｄ６ＷｆＴｓ ・・・式（１０）
Ｔｓ：トーチ移動速度
Ｗｆ：溶加材送給速度
Ｃ１～Ｃ６：係数
Ｄ１～Ｄ６：係数

積算指標算出部３５が、溶着条件、ビード形状である基準幅ＢＷｂおよび積層軌道から、積算指標として、積層させる溶接ビードＢの高さの積算高さＨａを算出する（ステップＳ１３）。つまり、溶接ビードＢを積層させる造形物１４の鉛直方向の寸法からなる高さ寸法を積算高さＨａとする。なお、積算高さＨａとしては、溶接ビードＢの積層方向ＤＬに沿った曲線の線分長さとして算出してもよい。

溶接条件調整部３７が、積算指標である積算高さＨａと目標形状情報に基づいて、溶接条件を調整する（ステップＳ１４）。具体的には、積算指標算出部３５が算出した積算高さＨａについて、目標形状情報に基づく目標高さＨｔと比較する。そして、これらの積算高さＨａと目標高さＨｔとのずれ（｜Ｈａ－Ｈｔ｜が、予め定めた変動許容値ε以下に収まっているか否かを判定する。

溶接条件調整部３７は、積算高さＨａと目標高さＨｔとのずれが変動許容値εを越えていると判定すると（ステップＳ１４：Ｎｏ）、溶接条件特定部３３で特定した溶接条件を、溶接ビードＢのパス数もしくは溶着量を変更した溶接条件に調整する（ステップＳ１５）。この溶接条件の調整では、例えば、造形物１４を造形する溶接ビードＢのパス数の変更及び各溶接ビードＢのビード高さＢＨの配分の少なくとも一方を調整する。

例えば、アーチ状の造形物１４を造形する場合では（図１０参照）、図１３に示すように、積層方向ＤＬが垂直に近いほど溶接ビードＢの溶着量を多くしつつ、傾きが大きいほど溶接ビードＢの溶着量を小さくする。なお、１つの溶接ビードＢで実現できる部分のビード幅ＢＷとアスペクト比とに基づいて、各溶接ビードＢの溶接条件やパス数を調整してもよい。例えば、溶接ビードＢが垂れやすい箇所ではパス数を増やして１つの溶接ビードＢあたりの溶着量を減らしてアスペクト比が小さくなるように溶接条件を調整してもよい。

この溶接条件は、例えば、溶接ビードＢを形成するトーチ１１の角度、溶接ビードＢの溶接速度、トーチ１１へ送給する溶加材Ｍの送給速度、溶接ビードＢの溶接電流、溶接ビードＢの溶接電圧、トーチ１１の運棒方向、トーチ１１のウィービング条件のいずれかまたは組合せによって比較的簡便に調整できる。

そして、溶接条件調整部３７は、積算高さＨａと目標高さＨｔとのずれが変動許容値ε以下に収まっていると判定すると（ステップＳ１４：ＹＥＳ）、溶接条件特定部３３で特定または調整した溶接条件を維持し、その後、この溶接条件で溶接ビードＢを繰り返し積層して造形物１４を造形する（ステップＳ１６）。

このように、本構成例の造形物１４の製造方法によれば、ビード幅ＢＷの統一性を優先して溶接ビードＢを積層することで、溶接ビードＢを積層させる際の溶接ビードＢの垂れを抑制でき、造形物１４の積層高さを容易に調整できる。

また、ビード幅ＢＷを合わせる際に、各溶接ビードＢの溶着量やビード高さＢＨは固定しないので、積層場所や積層姿勢に合せて溶接条件を柔軟に調整でき、特に、オーバーハング部の造形や傾斜面上における良好な積層が可能である。

次に、上記の造形制御装置１５による造形物の造形方法の適用例について説明する。
図１４は、傾斜面Ｓｉでの造形物１４の造形について説明する模式図である。図１５は、傾斜面Ｓｉの傾斜方向に沿って溶接ビードＢを形成した場合の溶接ビードＢの断面形状を示す模式図である。図１６は、異なる断面形状の溶接ビードＢを積層させた場合の造形物を示す模式図である。図１７は、溶接条件の調整を実施した場合の造形物１４を示す模式図である。

図１４に示すように、本適用例では、ベースプレート１３が、水平面に対して傾斜角θａで傾斜する傾斜面Ｓｉとされており、この傾斜面Ｓｉに溶接ビードＢを積層させて造形物１４を造形する。溶接ビードＢは、傾斜面Ｓｉに対して傾斜方向上方Ｄｕ及び傾斜方向下方Ｄｄに形成する。つまり、傾斜面Ｓｉに対して、傾斜方向上方Ｄｕに向かって形成する上進の溶接ビードＢｕと、傾斜方向下方Ｄｄに向かって形成する下進の溶接ビードＢｄとを交互に積層させる。このように、傾斜面Ｓｉに対して上進の溶接ビードＢｕと、下進の溶接ビードＢｄとを交互に積層させれば、各パス間でトーチ１１を折り返せるので、トーチ１１の移動量を抑えて生産性を向上させることができる。

ところが、図１５に示すように、傾斜面Ｓｉに溶接ビードＢを傾斜方向に沿って形成すると、上進の溶接ビードＢｕ及び下進の溶接ビードＢｄは、水平面に形成した場合の通常の溶接ビードＢｆに対して、断面において、異なるアスペクト比に形成される。

このため、図１６に示すように、水平面に溶接ビードＢｆを積層させた場合（図１６における左側）と比べ、傾斜面Ｓｉに上進の溶接ビードＢｕと下進の溶接ビードＢｄとを交互に積層させた場合（図１６における右側）では、形状及び造形高さに乖離が生じてしまう。

このような場合に、上進の溶接ビードＢｕ及び下進の溶接ビードＢｄのビード幅ＢＷが、基準のビードモデルから取得した基準幅ＢＷｂを満たすような溶着量となるように、各溶接ビードＢｕ，Ｂｄの溶接条件を調整する（ステップＳ１２～Ｓ１５）。例えば、溶接速度を調整することにより、上進の溶接ビードＢｕを形成する際の溶着量を増加させ、下進の溶接ビードＢｄを形成する際の溶着量を減少させる。すると、図１７に示すように、水平面に溶接ビードＢｆを積層させた場合（図１７における左側）に対して、傾斜面Ｓｉに上進の溶接ビードＢｕと下進の溶接ビードＢｄとを交互に積層させた場合（図１７における右側）においても、溶接ビードＢｕ，Ｂｄをバランスよく積層でき、形状及び造形高さを近似させることができる。

次に、変形例について説明する。
なお、上記構成例と同一構成部分は同一符号を付して説明を省略する。
図１８は、造形制御装置１５による造形手順の変形例を示すフローチャートである。

図１８に示すように、変形例では、溶接ビードＢを形成して積層させた際に（ステップＳ１６）、造形途中の造形物１４を形状計測センサによって形状計測し、形状プロファイルを取得する（ステップＳ１７）。なお、形状計測センサは、マニピュレータ１７の先端軸にトーチ１１と並設させてもよく、また、マニピュレータ１７とは別に設置したものでもよい。

そして、この取得した形状プロファイルに基づいて、積層された溶接ビードＢのビード幅ＢＷや積層高さを抽出する。さらに、これらのビード幅ＢＷや積層高さの情報を参照して造形途中に基準幅ＢＷｂや積算高さＨａを監視し、必要に応じて溶接条件を調整する。例えば、ビード幅ＢＷを監視して基準幅ＢＷｂを下回らないように、溶接条件をリアルタイムで補正してもよい。また、形状計測により得られたビード幅ＢＷで基準幅ＢＷｂを補正したのち、積算高さＨａと目標高さＨｔとを比較し、溶加材Ｍの送給速度、溶接ビードＢの溶接速度、ウィービングの有無などの溶接条件の調整を造形中に再度行ってもよい。

この変形例によれば、造形途中の造形物１４の形状に基づいて、形状計測によって得られた形状プロファイルから積算高さＨａを補正するので、積算高さＨａと目標形状とをより正確に比較でき、その結果、精度の高い溶接条件の調整が行える。

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。

以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
（１） 溶接材料を溶融して溶接ビードを形成し、前記溶接ビードが積層された造形物を造形する造形物の製造方法あって、
積層する前記溶接ビードの溶接条件、ビード形状および積層軌道を含む積層計画情報と造形する造形物の目標形状情報を取得する情報取得工程と、
前記溶接条件、前記ビード形状および前記積層軌道から、複数の前記溶接ビードが積層された積層形状の積算指標を算出する積算指標算出工程と、
前記積算指標と前記目標形状情報に基づいて、前記溶接条件を調整する溶接条件調整工程と、
取得した前記溶接条件にて前記溶接ビードを繰り返し積層する積層造形工程と、
を含み、
前記溶接条件調整工程は、前記積層軌道に垂直方向のビード幅が各層において同じ値に近づき、且つ前記積算指標と目標形状の乖離を低減するように、前記溶接条件に含まれる溶着量と積層位置を少なくとも修正する、造形物の製造方法。
この造形物の製造方法によれば、ビード幅の統一性を優先して溶接ビードを積層することで、溶接ビードを積層させる際の溶接ビードの垂れを抑制でき、造形物の積層高さを容易に調整できる。
また、ビード幅を合わせる際に、各溶接ビードの溶着量やビード高さは固定しないので、積層場所や積層姿勢に合せて溶接条件を柔軟に調整でき、特に、オーバーハング部の造形や傾斜面上における良好な積層が可能である。

（２） 前記溶接条件調整工程は、前記溶接ビードを形成するトーチの角度、前記溶接ビードの溶接速度、前記トーチへ送給する溶加材の送給速度、前記溶接ビードの溶接電流、前記溶接ビードの溶接電圧、前記トーチの運棒方向、前記トーチのウィービング条件のいずれかまたは組合せの調整を伴う、（１）に記載の造形物の製造方法。
この造形物の製造方法によれば、比較的簡便に溶接ビードの溶着量、ビード幅、アスペクト比を調整できる。

（３） 前記溶接条件調整工程は、層数の修正を行い、前記溶着量を下げて前記層数が増えるように修正する、（１）または（２）に記載の造形物の製造方法。
この造形物の製造方法によれば、層数を増やすことで、積層形状の高さや幅の微調整が可能となり、積層形状を目標形状に近づけやすい。

（４） 積層された前記溶接ビードの形状を計測して形状プロファイルを取得する形状プロファイル取得工程をさらに含み、
取得した前記形状プロファイルに基づいて、前記積算指標を補正する、（１）～（３）のいずれか一つに記載の造形物の製造方法。
この造形物の製造方法によれば、形状計測によって得られた形状プロファイルに基づいて積算指標を補正するので、積算指標と目標形状とをより正確に比較でき、その結果、より精度の高い溶接条件の調整が行える。また、溶接ビードの積層途中において、造形途中の造形物の形状に基づいて、溶接条件の調整及び修正が行える。

（５） 前記溶接条件調整工程において、鉛直方向に対する前記溶接ビードの積層方向の傾斜角が大きいほど前記溶着量を少なくするように調整する、（１）～（４）のいずれか一つに記載の造形物の製造方法。
この造形物の製造方法によれば、例えば、鉛直方向に対する溶接ビードの積層方向の傾きが大きいために積層高さを稼ぎにくく垂れやすいところでは、溶接ビードの溶着量を少なくして垂れ量を抑制できる。また、鉛直方向に対する傾きが小さいために垂れにくいところでは、溶接ビードの溶着量を多くして効率的に造形できる。

（６） 傾斜面に対して、傾斜方向上方に向かって形成する上進の溶接ビードと、傾斜方向下方に向かって形成する下進の溶接ビードとを交互に積層させる、（１）～（５）のいずれか一つに記載の造形物の製造方法。
この造形物の製造方法によれば、上進の溶接ビードと下進の溶接ビードとを交互に積層させることで、パス間のトーチの移動量を短縮でき、生産性を向上できる。

（７） 前記溶接条件調整工程において、前記上進の溶接ビードの溶着量を増加させ、前記下進の溶接ビードの溶着量を減少させる、（６）に記載の造形物の製造方法。
この造形物の製造方法によれば、上進の溶接ビードの溶着量を増加させ、下進の溶接ビードの溶着量を減少させることにより、溶接ビードをバランスよく積層でき、より目標形状に近い造形物を造形できる。

（８） 溶接材料を溶融して溶接ビードを形成し、前記溶接ビードが積層された造形物を造形する造形物の製造装置あって、
積層する前記溶接ビードの溶接条件、ビード形状および積層軌道を含む積層計画情報と造形する造形物の目標形状情報を取得する情報取得部と、
前記溶接条件、前記ビード形状および前記積層軌道から、複数の前記溶接ビードが積層された積層形状の積算指標を算出する積算指標算出部と、
前記積算指標と前記目標形状情報に基づいて、前記溶接条件を調整する溶接条件調整部と、
取得した前記溶接条件にて前記溶接ビードを繰り返し積層する積層造形部と、
を有し、
前記溶接条件調整部は、前記積層軌道に垂直方向のビード幅が各層において同じ値に近づき、且つ前記積算指標と目標形状の乖離を低減するように、前記溶接条件に含まれる溶着量と積層位置を少なくとも修正する、造形物の製造装置。
この造形物の製造装置によれば、ビード幅の統一性を優先して溶接ビードを積層することで、溶接ビードを積層させる際の溶接ビードの垂れを抑制でき、造形物の積層高さを容易に調整できる。
また、ビード幅を合わせる際に、各溶接ビードの溶着量やビード高さは固定しないので、積層場所や積層姿勢に合せて溶接条件を柔軟に調整でき、特に、オーバーハング部の造形や傾斜面上における良好な積層が可能である。

１１ トーチ
１４ 造形物
３１ 情報取得部
３５ 積算指標算出部
３７ 溶接条件調整部
１００ 積層造形システム（積層造形部，製造装置）
Ｂ 溶接ビード
Ｂｕ 上進の溶接ビード
Ｂｄ 下進の溶接ビード
Ｈａ 積算高さ（積算指標）
Ｈｔ 目標高さ
Ｓｉ 傾斜面

Claims (8)

1. 溶接材料を溶融して溶接ビードを形成し、前記溶接ビードが積層された造形物を造形する造形物の製造方法あって、
   積層する前記溶接ビードの溶接条件、ビード形状および積層軌道を含む積層計画情報と造形する造形物の目標形状情報を取得する情報取得工程と、
   前記溶接条件、前記ビード形状および前記積層軌道から、複数の前記溶接ビードが積層された積層形状の積算指標を算出する積算指標算出工程と、
   前記積算指標と前記目標形状情報に基づいて、前記溶接条件を調整する溶接条件調整工程と、
   取得した前記溶接条件にて前記溶接ビードを繰り返し積層する積層造形工程と、
   を含み、
   前記溶接条件調整工程は、前記積層軌道に垂直方向のビード幅が各層において同じ値に近づき、且つ前記積算指標と目標形状の乖離を低減するように、前記溶接条件に含まれる溶着量と積層位置を修正する、
   造形物の製造方法。
2. 前記溶接条件調整工程は、前記溶接ビードを形成するトーチの角度、前記溶接ビードの溶接速度、前記トーチへ送給する溶加材の送給速度、前記溶接ビードの溶接電流、前記溶接ビードの溶接電圧、前記トーチの運棒方向、前記トーチのウィービング条件のいずれかまたは組合せの調整を伴う、
   請求項１に記載の造形物の製造方法。
3. 前記溶接条件調整工程は、層数の修正を行い、前記溶着量を下げて前記層数が増えるように修正する、
   請求項１に記載の造形物の製造方法。
4. 積層された前記溶接ビードの形状を計測して形状プロファイルを取得する形状プロファイル取得工程をさらに含み、
   取得した前記形状プロファイルに基づいて、前記積算指標を補正する、
   請求項１に記載の造形物の製造方法。
5. 前記溶接条件調整工程において、鉛直方向に対する前記溶接ビードの積層方向の傾斜角が大きいほど前記溶着量を少なくするように調整する、
   請求項１に記載の造形物の製造方法。
6. 傾斜面に対して、傾斜方向上方に向かって形成する上進の溶接ビードと、傾斜方向下方に向かって形成する下進の溶接ビードとを交互に積層させる、
   請求項１～５のいずれか一項に記載の造形物の製造方法。
7. 前記溶接条件調整工程において、前記上進の溶接ビードの溶着量を増加させ、前記下進の溶接ビードの溶着量を減少させる、
   請求項６に記載の造形物の製造方法。
8. 溶接材料を溶融して溶接ビードを形成し、前記溶接ビードが積層された造形物を造形する造形物の製造装置あって、
   積層する前記溶接ビードの溶接条件、ビード形状および積層軌道を含む積層計画情報と造形する造形物の目標形状情報を取得する情報取得部と、
   前記溶接条件、前記ビード形状および前記積層軌道から、複数の前記溶接ビードが積層された積層形状の積算指標を算出する積算指標算出部と、
   前記積算指標と前記目標形状情報に基づいて、前記溶接条件を調整する溶接条件調整部と、
   取得した前記溶接条件にて前記溶接ビードを繰り返し積層する積層造形部と、
   を有し、
   前記溶接条件調整部は、前記積層軌道に垂直方向のビード幅が各層において同じ値に近づき、且つ前記積算指標と目標形状の乖離を低減するように、前記溶接条件に含まれる溶着量と積層位置を少なくとも修正する、
   造形物の製造装置。

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