CN111417486B - 层叠造型物的设计方法、制造方法、制造装置、以及记录介质 - Google Patents

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Abstract

层叠造型物的设计方法是如下的层分解：使用层叠造型物的形状数据，将层叠造型物的形状按熔敷焊道层的每一层的焊道高度进行层分解，而生成多个假想焊道层。接下来，在配置于多个假想焊道层的层叠方向中央的中间层中，将层分解后的层叠造型物连续延伸设置的方向设定为基准方向。并且，通过与基准方向正交的截面的焊道形状来调整形成于多个假想焊道层的熔敷焊道的焊道尺寸。

Description

层叠造型物的设计方法、制造方法、制造装置、以及记录介质
技术领域
本发明涉及层叠造型物的设计方法、制造方法、制造装置、以及记录介质。
背景技术
近年来，使用3D打印机作为生产单元的造型的需求提高，面向使用金属材料的造型的实用化而进行了研究开发。将金属材料造型的3D打印机通过使用激光、电子束、进而电弧等热源使金属粉体、金属丝熔融、并使熔融金属层叠，从而制作层叠造型物。
例如，在使用电弧的情况下，通过由电弧使焊料熔融以及凝固而形成熔敷焊道、并将该熔敷焊道层叠为多层，从而制作层叠造型物。关于这样的形成熔敷焊道的技术，例如在专利文献1中记载有通过激光熔敷形成旋转自如地安装于壳体内、并具有多张叶片的叶轮的技术。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2016/149774号
发明内容
发明要解决的课题
在专利文献1的叶轮的制造方法中，沿着叶片形状层叠多个金属层而形成各叶片。但是，仅记载了特定形状的叶轮的制造过程，而关于将任意形状的工件层叠造型的步骤完全没有公开。
在利用熔敷焊道将层叠造型物进行层叠造型时，根据焊道形成的方向，有时能够连续形成熔敷焊道的长度发生变化。在连续形成长度较短的情况下，频繁地开启或关闭焊料的加热，使成为热源的焊炬移动到下一个焊道形成位置等不有助于熔敷焊道形成的动作增加。其结果是，层叠造型的生产间隔时间增大，造型效率降低。
为了高效率地将层叠造型物造型，需要以能够尽可能地连续进行焊道形成的方式选定最合适的焊道形成方向。但是，如何设定该焊道形成方向为好依赖于作业者的经验和直觉，需要作业熟练。
另一方面，已知有使粉体熔融而制作造型物的粉头方式的金属造型技术。根据该造型方法，不需要选定上述那样的焊道形成方向，但需要热敏头对水平截面同样地二维扫描。因此，根据造型物的形状，扫描时间变长等，不能说一定是效率良好的造型方法。
本发明是鉴于上述的情况而完成的，其目的在于提供在层叠多个熔敷焊道而将具有沿着特定的方向的形状的层叠造型体造型的情况下、能够缩短生产间隔时间而高效率地进行造型的通用的层叠造型物的设计方法、制造方法、以及制造装置、以及使计算机执行该设计步骤的程序。
用于解决课题的方案
本发明由下述的结构构成。
(1)一种层叠造型物的设计方法，其是层叠多个由使焊料熔融以及凝固而形成的熔敷焊道构成的熔敷焊道层而进行造型的层叠造型物的设计方法，其中，
所述层叠造型物的设计方法具有：
层分解工序，其使用所述层叠造型物的形状数据，将所述层叠造型物的形状按所述熔敷焊道层的每一层的焊道高度进行层分解，而生成多个假想焊道层；
基准方向设定工序，其在配置于多个所述假想焊道层的层叠方向中央的中间层中，将层分解后的所述层叠造型物连续延伸设置的方向设定为基准方向；以及
焊道调整工序，其通过与所述基准方向正交的截面的焊道形状来调整形成于多个所述假想焊道层的所述熔敷焊道的焊道尺寸。
(2)一种层叠造型物的制造方法，其是层叠多个由使焊料熔融以及凝固而形成的熔敷焊道构成的熔敷焊道层而进行造型的层叠造型物的制造方法，其中，
所述层叠造型物的制造方法具有：
层分解工序，其使用所述层叠造型物的形状数据，将所述层叠造型物的形状按所述熔敷焊道层的每一层的焊道高度进行层分解，而生成多个假想焊道层；
基准方向设定工序，其在配置于多个所述假想焊道层的层叠方向中央的中间层中，将层分解后的所述层叠造型物连续延伸设置的方向设定为基准方向；
焊道调整工序，其通过与所述基准方向正交的截面的焊道形状来调整形成于多个所述假想焊道层的所述熔敷焊道的焊道尺寸；以及
造型工序，其以通过所述焊道调整工序调整了的焊道尺寸依次形成并层叠多个所述假想焊道层，从而将所述层叠造型物进行造型。
(3)一种程序，其使计算机执行层叠多个由使焊料熔融以及凝固而形成的熔敷焊道构成的熔敷焊道层而进行造型的层叠造型物的设计步骤，其中，
所述程序使所述计算机实现如下功能：
层分解功能，其使用所述层叠造型物的形状数据，将所述层叠造型物的形状按所述熔敷焊道层的每一层的焊道高度进行层分解，而生成多个假想焊道层；
基准方向设定功能，其在配置于多个所述假想焊道层的层叠方向中央的中间层中，将层分解后的所述层叠造型物连续延伸设置的方向设定为基准方向；以及
焊道调整功能，其通过与所述基准方向正交的截面的焊道形状来调整形成于多个所述假想焊道层的所述熔敷焊道的焊道尺寸。
(4)一种层叠造型物的制造装置，其是层叠多个由使焊料熔融以及凝固而形成的熔敷焊道构成的熔敷焊道层而进行造型的层叠造型物的制造装置，其中，
所述层叠造型物的制造装置具备：
控制部，其使用所述层叠造型物的形状数据，将所述层叠造型物的形状按所述熔敷焊道层的每一层的焊道高度进行层分解，而生成多个假想焊道层，
在配置于多个所述假想焊道层的层叠方向中央的中间层中，将层分解后的所述层叠造型物连续延伸设置的方向设定为基准方向，
通过与所述基准方向正交的截面的焊道形状来调整形成于多个所述假想焊道层的所述熔敷焊道的焊道尺寸；以及
造型部，其被所述控制部驱动，以调整了的所述焊道尺寸依次形成多个所述假想焊道层。
发明效果
根据本发明，在层叠多个熔敷焊道而将具有沿着特定的方向的形状的层叠造型体造型的情况下，能够缩短生产间隔时间而高效率地进行造型。
附图说明
图1是本发明的制造层叠造型物的制造装置的概要结构图。
图2是形成于基材的熔敷焊道的示意性的概要立体图。
图3是示意性地示出要制作的层叠造型物、以及熔敷焊道的形成方向的说明图。
图4是示出层叠造型物的一例的立体图。
图5是示出将层叠造型物层叠设计而造型的程序的步骤的流程图。
图6是示出在层叠造型物的一截面形状中决定粗形材料区域的情形的说明图。
图7是示出将层叠造型物的外形划分为粗形材料区域和层叠造型区域的结果的说明图。
图8是层叠造型物的主视图。
图9是示出形成于图8所示的区域A1的熔敷焊道的俯视图、以及熔敷焊道的IXA-IXA线以及IXB-IXB线的剖视图的说明图。
图10是用于说明与层叠造型物的形状相应的熔敷焊道的连续形成方法的示意性的说明图。
图11是层叠造型物的周面的展开图。
图12是将图11的(A)、(B)、(C)所示的各周面以使叶片的一端一致的方式合成于同一平面上的说明图。
图13是将作为层叠造型物的层叠造型区域的一部分的一个叶片层分解后的情形的说明图。
图14是示意性地示出形成熔敷焊道的情形的工序说明图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式详细地进行说明。
图1是本发明的制造层叠造型物的制造装置的概要结构图。
本结构的层叠造型物的制造装置100具备造型部11、综合控制造型部11的造型控制器13、以及电源装置15。
造型部11具有作为在前端轴设置有焊炬17的焊炬移动机构的焊接机器人19、以及向焊炬17供给焊料(焊丝)M的焊料供给部21。
焊接机器人19例如是具有6轴的自由度的多关节机器人，在安装于机械臂的前端轴的焊炬17以能够连续供给的方式支承有焊料M。焊炬17的位置、姿态在机械臂的自由度的范围内能够三维地任意设定。
焊炬17具有未图示的保护喷嘴，并从保护喷嘴供给保护气体。作为电弧焊接法，可以是覆盖电弧焊接、二氧化碳气体电弧焊接等消耗电极式、TIG焊接、等离子体电弧焊接等非消耗电极式中的任一个，根据制作的层叠造型物而适当选定。例如，在消耗电极式的情况下，在保护喷嘴的内部配置有导电嘴，供给熔融电流的焊料M保持于导电嘴。
焊炬17一边保持焊料M，一边在保护气体环境下从焊料M的前端产生电弧。焊料M通过安装于机械臂等的未图示的抽出机构，而从焊料供给部21向焊炬17进给。并且，一边通过焊接机器人19移动焊炬17，一边使连续进给的焊料M熔融以及凝固。这样一来，详细情况如后述那样，焊料M的熔融凝固体即线状的熔敷焊道23形成于基材24上。
作为使焊料M熔融的热源，并不局限于上述的电弧。例如，也可以采用由同时采用了电弧和激光的加热方式、使用等离子体的加热方式、使用电子束、激光的加热方式等其他方式产生的热源。在通过电子束、激光加热的情况下，能够进一步精细地控制加热量，并能够更加适当地维持熔敷焊道的状态而有助于层叠造型物的进一步的品质提升。
造型控制器13具有程序生成部25、存储部27、以及它们所连接的控制部29。
程序生成部25根据从输入部31输入的要制作的层叠造型物的形状数据(CAD数据等)，设定驱动造型部11而将层叠造型物造型的步骤，并生成使计算机执行该步骤的程序。生成了的程序存储于存储部27。另外，在存储部27存储有造型部11的各驱动体、可动范围等各种规格信息，在程序生成部25中进行程序生成时、执行程序时，适当地参照信息。存储部27由存储器、硬盘等存储介质构成，能够进行各种信息的输入输出。
控制部29是具备CPU、存储器、I/O接口等的计算机装置，并具有读取、执行存储于存储部27的程序的功能、以及驱动控制造型部11的各部分的功能。控制部29根据来自输入部31的操作、由通信等进行的指示，而执行驱动控制、程序。关于该程序，详细情况在后叙述。
程序生成部25除了设置于造型控制器13侧以外，例如也可以与层叠造型物的制造装置100独立地设置于经由网络等通信机构、存储介质而分离地配置的服务器、终端等的计算机PC侧。通过在计算机PC连接程序生成部33，能够不需要层叠造型物的制造装置100而生成程序，程序生成作业不会变得繁杂。另外，通过将生成了的程序向造型控制器13的存储部27传送，能够与在造型控制器13中生成的情况同样地执行。
控制部29执行存储于存储部27的程序，而按照规定的步骤来驱动焊接机器人19、电源装置15等。换句话说，焊接机器人19根据来自造型控制器13的指令，沿着编程后的轨道轨迹使焊炬17移动，并且使焊料M在规定的时机被电弧熔融，从而形成熔敷焊道23。在图1中例示了在板状的基材24上形成熔敷焊道23而将层叠造型物造型的情形，但层叠造型物的形状也可以是任意的。
需要说明的是，基材24由钢板等金属板构成，基本上使用，比层叠造型物的底面(最下层的面)大的金属板。另外，基材24并不局限于板状，也可以是块体、棒状等其他形状的基座。
焊料M能够使用所有的出售的焊丝。例如，能够使用由软钢、高张力钢以及低温用钢用的MAG焊接以及MIG焊接实心焊丝(JISZ3312)、软钢、高张力钢以及低温用钢用电弧焊接药芯焊丝(JISZ3313)等规定的焊丝。
上述结构的层叠造型物的制造装置100首先在基材24上使多个线状的熔敷焊道23彼此相邻而形成熔敷焊道层。
图2是形成于基材24的熔敷焊道23的示意性的概要立体图。
形成于基材24的上表面的熔敷焊道层H1由多列线状的熔敷焊道23构成，各个熔敷焊道23具有规定的焊道宽度W且没有间隙地相邻形成。通过反复进行在该熔敷焊道层H1之上进一步层叠下一层的熔敷焊道层，从而造型所希望形状的层叠造型物。
接下来，对程序生成部25所生成的程序进行详述。
图3是示意性地示出要制作的层叠造型物41的形状、以及熔敷焊道的形成方向的说明图。
在此，层叠造型物41是图3的(A)～(C)所示的长方形，考虑将该长方形上由焊道宽度W的熔敷焊道23覆盖，形成一层的熔敷焊道层。
如图3的(A)所示，若将熔敷焊道23的连续形成方向Vb设定为沿着长方形的短边的方向，则需要形成多个沿着短边的较短的熔敷焊道23。于是，如图3的(B)所示，在连续形成方向Vb设为向长方形的短边和长边倾斜的方向的情况下，与图3的(A)的情况相比较能够增加熔敷焊道23的连续形成长度，能够减少熔敷焊道23的根数。并且，如图3的(C)所示，若将熔敷焊道23的连续形成方向Vb设定为沿着长方形的长边的方向，则熔敷焊道23的连续形成长度进一步增加，熔敷焊道23的根数也比其他情况少。
熔敷焊道23的连续形成的从起点到终点的长度(连续形成长度)越长，则越能够缩短焊道形成的生产间隔时间，提高造型效率。换句话说，在熔敷焊道23的形成中，当焊炬到达终点时，停止电弧的产生，通过机械臂使焊炬向形成下一个熔敷焊道的起点移动。在焊炬移动到起点后，再次使电弧产生而使焊炬朝向下一个终点移动。上述工序的反复次数越少，则越能够连续形成熔敷焊道，因此优选。
于是，在本结构中，根据层叠造型物41的形状，选出能够将熔敷焊道23尽可能地延长而连续形成的方向，并将该方向设定为熔敷焊道的连续形成方向(基准方向)。这样，通过延长熔敷焊道23的连续形成长度，从而电弧的开启或关闭次数降低，且不形成熔敷焊道23的焊炬移动的频度减少。由此，能够提升层叠造型物的造型效率。
例如，在层叠造型物41具有在特定方向上连续的至少一个突起部的情况下，对于该层叠造型物，若沿着该连续的特定方向形成熔敷焊道，则能够效率良好地造型，层叠造型工序的复杂化减轻。于是，首先根据要制作的层叠造型物的形状数据求出层叠造型物的连续的特定方向。该特定方向可以利用由计算机进行的运算以适当的算法解析形状数据而决定，也可以由作业者判断等人为地进行决定。
然后，将求出的特定方向作为基准方向，在与该基准方向正交的截面上决定熔敷焊道的配置。在前述的程序生成部25(参照图1)中生成将上述的根据形状数据设定基准方向、并决定熔敷焊道的配置的工序由计算机来实现的程序。需要说明的是，在此所说的程序是指用于由造型部11实施根据输入的层叠造型物的形状数据通过规定的运算而设计出的熔敷焊道的形成步骤的命令代码。因此，控制部29确定预先准备的程序，控制部29通过执行该确定了的程序，而使造型部11制造层叠造型物41。
接下来，举出层叠造型物41的具体的一例，详细地说明该层叠造型物的层叠步骤。
图4作为一例而示出的层叠造型物41A的立体图。
该层叠造型物41A具备圆柱状的轴体43、以及在轴体43的外周向径向外侧突出的多条(在图示例子中为6条)螺旋状的叶片45。多个叶片45成为在轴体43的轴向中间部沿着周向等间隔地设置的螺杆形状。
图5是示出将层叠造型物41A层叠设计而造型的程序的步骤的流程图。基于该图而依次说明到将层叠造型物41A造型为止的工序。
首先，向图1所示的程序生成部25输入CAD数据等层叠造型物41A的形状数据(S11)。形状数据除了层叠造型物41A的外表面的坐标、轴体43的直径、轴长等尺寸信息以外，还包括根据必要而参照的材料的种类、最终完成等信息。以下的到生成程序为止的工序由程序生成部25进行。
图6是示出在层叠造型物41A的一截面形状中决定粗形材料区域的情形的说明图。
层叠造型物41A如图4所示具有圆筒状的轴体43，多个叶片45从轴体43立起设置。于是，在将层叠造型物41A造型时，不是将整个形状由层叠造型法形成，关于轴体43使用棒材等粗形材料而形成，由层叠造型法形成叶片45。由此，能够较大地削减层叠造型物41A的造型工时。
首先，使用输入的形状数据，将层叠造型物41A的外形划分为成为层叠造型物41A的基体的粗形材料区域、以及成为形成于基体上的层叠造型物41的外形的层叠造型区域。
粗形材料区域和层叠造型区域根据形状数据、以及能够准备的粗形材料的种类而决定。
在图6所示的层叠造型物41A的情况下，选择作为一例而示出的粗形材料(圆棒)47A、47B、47C中的、用于与层叠造型物41A的形状相符合的切削量为最小的直径的粗形材料47C。
图7是示出将层叠造型物41A的外形划分为粗形材料区域47和层叠造型区域49的结果的说明图。
在本例的情况下，粗形材料47C成为粗形材料区域47，粗形材料47C的径向外侧区域的叶片45分别成为层叠造型区域49(S12)。
接下来，考虑在配置于上述S12中决定了的粗形材料47C外周的层叠造型区域49形成熔敷焊道的步骤。
层叠造型区域49通过依次层叠多个熔敷焊道而造型。构成层叠造型区域49的各个熔敷焊道的焊道宽度、焊道高度等焊道尺寸通过焊炬17(参照图1)的移动速度、换句话说熔敷焊道的连续形成速度、来自电源装置15的焊接电流、焊接电压、施加脉冲等向焊料、焊接部的输入热量等焊接条件的变更来控制。该焊道尺寸优选为通过与形成熔敷焊道的焊炬的移动方向正交的截面来管理。
图8是层叠造型物41A的主视图，图9是示出形成于图8所示的区域A1的熔敷焊道23的俯视图、以及熔敷焊道23的IXA-IXA线以及IXB-IXB线的剖视图的说明图。图8、图9中的CL是层叠造型物41A的中心轴。
在本结构的层叠造型物41A中，若使螺旋状的叶片45的延伸设置方向与熔敷焊道的连续形成方向Vb一致，则能够延长熔敷焊道的连续形成长度。在该情况下，熔敷焊道的焊道尺寸以图9的与熔敷焊道的连续形成方向正交的IXB-IXB线截面所示的焊道截面51的形状为基准进行控制。该焊道截面51表示在熔敷焊道23的相同时机形成的一截面，是相对于熔敷焊道23形成时的焊炬17移动方向(焊接的运动方向)速度偏差最小的方向的截面。因此，通过焊接条件的变更，而直接地反映焊道截面51的形状，因此能够明确地掌握焊接条件与焊道截面51的形状的对比关系。另一方面，在图9所示的与中心轴CL方向正交的IXA-IXA线剖视图中，焊道截面53的形状成为在时间顺序不同的时机形成的熔敷焊道的形状。因此，焊道截面53的形状难以由焊接条件的变更进行控制，并且，在熔敷焊道的连续形成方向Vb变化了的情况下等，实际上焊道形成的速度在焊道截面53上根据位置而不同。
因此，熔敷焊道23的焊道尺寸的控制通过将各种焊接条件的变更与熔敷焊道的连续形成方向Vb的正交截面的形状建立对应关系而实施。
接下来，对将层叠造型物41A层分解为多个熔敷焊道层时的、各熔敷焊道层的熔敷焊道的连续形成方向Vb进行说明。
图10是用于说明与层叠造型物41A的形状相应的熔敷焊道的连续形成方法的示意性的说明图。
在该说明图中示出了前述的层叠造型物41A中的距中心轴CL不同的半径位置(在图示例子子中为三个部位)的周面PL1、PL2、PL3、以及一根叶片45的延伸设置方向Va。
周面PL1是图4所示的层叠造型物41A的轴体43的外周面，周面PL3是包括叶片45的径向最外缘的周面。另外，周面PL2是在周面PL1与周面PL3之间的径向上配置于中央位置的周面。在此，在层叠造型区域49(参照图7)中，周面PL1成为最初形成熔敷焊道23的层，周面PL3成为最后形成熔敷焊道23的层。
若将各周面PL1、PL2、PL3展开为平面状，则周面PL1如图11的(A)所示，周面PL2如图11的(B)所示，周面PL3如图11的(C)所示。图11的(A)～(C)所示的叶片45的延伸设置方向Va1、Va2、Va3根据由半径位置的不同引起的圆周长度的变化，从中心轴起的倾斜角变化为θa、θb、θc(θa＜θb＜θc)。
图12是将图11的(A)、(B)、(C)所示的各周面PL1、PL2、PL3以使叶片的一端(图中左下部)一致的方式合成于同一平面上的说明图。
如前述那样，优选为，熔敷焊道23沿着叶片45的延伸设置方向而形成，焊道尺寸由延伸设置方向(熔敷焊道的连续形成方向Vb)的正交截面的形状控制。但是，如图12所示，叶片的延伸设置方向Va1、Va2、Va3根据层叠造型物的径向位置而成为不同的倾斜角θa、θb、θc，不会恒定。因此，在层叠造型物的整体范围内，在通过与熔敷焊道的连续形成方向(基准方向)正交的截面来控制焊道尺寸的情况下，针对每个熔敷焊道的位置分别进行控制。在该情况下，不能共通地控制层叠造型物整体，用于控制的运算量变得庞大。
于是，将平行于与中间的径向位置的周面PL2上的叶片45的延伸设置方向(基准方向)Va2正交的方向T的截面作为用于控制熔敷焊道的焊道尺寸的共通的控制用截面。由此，在层叠造型物的任意的位置上，能够通过共通的控制用截面来控制焊道尺寸(S13)。
如上述那样决定了控制熔敷焊道的焊道尺寸的控制用截面(换句话说与基准方向正交的截面)之后，将层叠造型物41A的层叠造型区域49按熔敷焊道层的每一层的焊道高度进行层分解，而生成多个假想焊道层(S14)。
图13是示出将作为层叠造型物的层叠造型区域49的一部分的一个叶片45层分解后的情形的说明图。图13的横轴是与叶片45的延伸设置方向(基准方向)正交的方向T。
用于形成叶片45的熔敷焊道(作为假想焊道55而示出)根据熔敷焊道层的每一层的焊道高度H，以内包叶片45的最终形状的方式使熔敷焊道层层叠n次。在图示例子中，示出将点划线所示的假想焊道55从轴体43(粗形材料47C)的表面依次层叠(层H1、H2、···)而在第7层(层H7)中覆盖叶片45的径向最外缘部45a的情况。换句话说，在此成为具有7层的假想焊道层的层叠模型。
另外，图示例子的叶片45的基准方向的宽度存在比一个熔敷焊道的焊道宽度W宽的部分和窄的部分。叶片45的宽度窄的部分能够由一个熔敷焊道造型，但由于层叠方向(图中上下方向)的焊道间的收缩等，根据位置有可能不会完全形成叶片外形。因此，在各层H1～H6中，将多个熔敷焊道(假想焊道55)并排设置于假想焊道层内。最上层的H7是能够由一个熔敷焊道充分形成叶片外形的尺寸，因此仅配置一个熔敷焊道(假想焊道55)。
在此，对于假想焊道55的焊道尺寸，在各层H1～H7中，越是径向外侧的层则周长越长，因此在每一周的焊炬的移动时间恒定的情况下，越是径向外侧的层则焊炬的移动速度越快，焊道尺寸变小。于是，在各层H1～H7的熔敷焊道的形成时，优选为，例如越是径向外侧的层则使焊炬的移动速度越慢，由此在全部的层上成为恒定的焊道尺寸。
另外，如上所述，通过共通的控制用截面来变更焊道配置位置、或者将焊道形状(焊道尺寸等各种参数)进行增减调整，因此能够共通地控制层叠结构物整体，并能够简单地进行设计变更、调整等。另外，各层的熔敷焊道的形状将层叠方向中央的层作为基准而设定基准方向，因此与距层叠方向中央的距离相应地具有对称性。利用该对称性，而使距层叠方向中央为等距离的熔敷焊道的形状共通化等，也能够使设计简略化。需要说明的是，在层分解的层数为偶数层的情况下，从配置于层叠方向中央的两层的平均、或者两层中的任一层决定基准方向即可。
作为上述的熔敷焊道的焊道形状的增减调整，例如，可举出使全部的熔敷焊道为相同的形状的控制、成为与层叠方向(径向)位置相应的形状的控制、根据层叠造型区域49的形状而不同的控制等。
上述的层叠模型生成于图7所示的层叠造型物41A的全部多个层叠造型区域49。并且，在各层叠模型中，通过共通的控制用截面来设计焊道尺寸。换句话说，设定层叠造型区域49的各假想焊道层的焊道配置、焊道尺寸、焊接条件等各条件(S15)。需要说明的是，在图13中为将假想焊道层分割为7个的例子，但分割层数能够根据熔敷焊道的焊道尺寸、层叠造型物的大小、形状等而任意设定。
接下来，生成使计算机执行按照如上所述设计的层叠模型在粗形材料上形成熔敷焊道的步骤的程序(S16)。
程序的生成由图1所示的程序生成部25或者33进行，生成了的程序存储于存储部27。
造型控制器13的控制部29基于生成的程序将层叠造型物进行层叠造型。换句话说，控制部29通过从存储部27读取所希望的程序并执行该程序，从而驱动造型部11(参照图1)而将层叠造型物造型。
图14是示意性地示出形成熔敷焊道23的情形工序说明图。
按照程序在层叠造型物41的轴体43依次并排设置熔敷焊道23(23B、23C)而形成第一层(层H1)的熔敷焊道层。然后，在第一层(层H1)的熔敷焊道层之上依次并排设置第二层(层H2)的熔敷焊道23A、23D。
在此，将熔敷焊道23A的外表面与熔敷焊道23B的外表面的边界设为Pc(熔敷焊道23A的图中右侧的边界)，将边界Pc上的熔敷焊道23A的外表面的切线设为L1，并将边界Pc上的熔敷焊道23B的外表面的切线设为L2。另外，将切线L1与L2所成的角设为θ，将角θ的二等分线设为N。
与熔敷焊道23A相邻的下一个熔敷焊道23D以边界Pc为目标位置而形成。在形成熔敷焊道23D时，焊炬17的焊炬轴线的朝向设定为与直线N大体相同的方向。需要说明的是，形成熔敷焊道23D的目标位置并不局限于边界Pc，也可以设为熔敷焊道23B与熔敷焊道23C之间的边界Pca。换句话说，将已经形成了的3个熔敷焊道23A、23B、23C彼此的任一个边界设为形成新的熔敷焊道23D的目标位置即可。
如图14所示，按照程序使焊炬17朝向图中进深侧(纸面垂直方向)移动，利用在保护气体G环境中产生的电弧加热目标位置附近。然后，由于加热而熔融了的焊料M在目标位置凝固，由此形成新的熔敷焊道23D。
此时，熔敷焊道23D将熔敷焊道23B的外表面覆盖，从熔敷焊道23A形成至熔敷焊道23C的外表面。熔敷焊道23D的焊道尺寸设定为如上所述填充边界Pc、Pca等狭窄部的大小。由此，能够防止在熔敷焊道间产生气孔等焊接缺陷。
如以上说明的那样，在层叠造型物的设计方法中，使用层叠造型物的形状数据，将层叠造型物的形状按熔敷焊道层的每一层的焊道高度每进行层分解，而生成多个假想焊道层。并且，在配置于多个假想焊道层中的最初形成的前层与最后形成的后层之间的中央的中间层中，将层分解后的层叠造型物所连续的特定方向设定为基准方向。并且，通过与基准方向正交的截面的焊道形状来调整形成于多个假想焊道层的熔敷焊道的焊道尺寸。
根据这样设计的层叠造型物的层叠模型，从多个假想焊道层的前层到后层，以调整了的焊道尺寸依次形成并层叠熔敷焊道。由此，造型层叠造型物。
造型了的层叠造型物通过利用切削、研磨等而除去不需要的部分，从而完成为最终的产品形状。
需要说明的是，决定用于控制焊道尺寸的控制用截面的基准方向并不局限于如前述那样设定为图10所示的层叠造型区域的最大直径的周面PL3与最小直径的周面PL1之间的、径向中央的周面PL2上的叶片延伸设置方向。例如，在将层叠造型区域进行层分割时，也可以设定在配置于分割了的假想焊道层的层叠方向中央(径向中央)的假想焊道层中的叶片延伸设置方向。在该情况下，结果也是相同的叶片延伸设置方向被设定为基准方向。换句话说，基准方向的设定只要在图5所示的设定各层的形成条件的步骤S15的阶段确定了即可，可以在步骤S13设定基准方向，也可以在步骤S14的层分解后设定。
另外，层叠造型区域中的各熔敷焊道的配置、焊道尺寸的设计并不局限于对图4所示的旋转对称体的层叠造型物适用。只要是具有沿着特定方向连续的至少一个突起部的形状的层叠造型物，就能够优选适用本设计方法、制造方法。特别是，在具有沿着层叠方向而上述特定方向发生变化的扭转结构的形状中，能够进行更加高效率的层叠造型物的造型。
另外，用于层叠造型物的一部分的粗形材料在上述例子中使用了圆棒，但并不局限于此。例如，也可以是方棒、截面多边形的棒体，根据层叠造型物的形状，也可以是实施了台阶部、适当的加工的构件、多个构件的接合体等。粗形材料区域与层叠造型区域的划分根据制造工时、制造成本、材料成本等关系适当设定。因此，考虑到成为产品形状为止的加工整体，例如，也可以以故意在粗形材料的一部分设置由切削等除去的除去部为前提来选定粗形材料。
本发明并不限定于上述的实施方式，将实施方式的各结构相互组合、本领域技术人员基于说明书的记载、以及公知的技术而进行变更、应用也是本发明所预定的，并包括在请求保护的范围。
如以上那样，本说明书公开了如下事项。
(1)一种层叠造型物的设计方法，其是层叠多个由使焊料熔融以及凝固而形成的熔敷焊道构成的熔敷焊道层而进行造型的层叠造型物的设计方法，其中，
所述层叠造型物的设计方法具有：
层分解工序，其使用所述层叠造型物的形状数据，将所述层叠造型物的形状按所述熔敷焊道层的每一层的焊道高度进行层分解，而生成多个假想焊道层；
基准方向设定工序，其在配置于多个所述假想焊道层的层叠方向中央的中间层中，将层分解后的所述层叠造型物连续延伸设置的方向设定为基准方向；以及
焊道调整工序，其通过与所述基准方向正交的截面的焊道形状来调整形成于多个所述假想焊道层的所述熔敷焊道的焊道尺寸。
根据该层叠造型物的设计方法，使用配置于层叠方向的中央的中间层中的基准方向，而通过与该基准方向正交的截面的焊道形状来调整将层叠造型物分解为多个假想焊道层后的各假想焊道层的焊道形状。因此，能够通过统一的截面来调整层叠造型物整体的熔敷焊道的焊道形状，焊道形状的调整不会变得繁琐，并且，能够均等地调整全部的假想焊道层，因此焊接条件的设定变得简单。
(2)根据(1)所述的层叠造型物的设计方法，其中，
所述焊道调整工序使所述熔敷焊道的连续形成速度、以及向所述焊料的输入热量中的至少任一个发生变化而调整所述焊道形状。
根据该层叠造型物的设计方法，通过熔敷焊道的连续形成速度、输入热量等焊接条件的变更，能够应答性良好地、正确地控制熔敷焊道的焊道尺寸。
(3)根据(1)或者(2)所述的层叠造型物的设计方法，其中，
所述层叠造型物具有在所述基准方向上连续的至少一个突起部。
根据该层叠造型物的设计方法，沿着突起部的连续的方向形成熔敷焊道，能够缩短突起部的造型的生产间隔时间。
(4)根据(3)所述的层叠造型物的设计方法，其中，
所述层叠造型物的设计方法具有使用所述形状数据而将所述层叠造型物的形状划分为成为所述层叠造型物的基体的粗形材料区域、以及包括形成于所述基体上的所述突起部的层叠造型区域的工序，
所述层分解工序是将所述层叠造型区域分解为多个所述假想焊道层的工序。
根据该层叠造型物的设计方法，通过仅将突起部作为层叠造型区域而进行层叠造型，与将整体层叠造型的情况比较，能够大副地削减层叠造型的工时。
(5)根据(3)或(4)所述的层叠造型物的设计方法，其中，
所述突起部是沿着一轴向的多条螺旋状的突起。
根据该层叠造型物的设计方法，例如能够通过层叠造型来形成螺杆、螺旋桨等形状，与通过铸造、锻造、切削来加工的情况相比较，形状自由度较高，能够低成本且高效率地加工。
(6)一种层叠造型物的制造方法，其是层叠多个由使焊料熔融以及凝固而形成的熔敷焊道构成的熔敷焊道层而进行造型的层叠造型物的制造方法，其中，
所述层叠造型物的制造方法具有：
层分解工序，其使用所述层叠造型物的形状数据，将所述层叠造型物的形状按所述熔敷焊道层的每一层的焊道高度进行层分解，而生成多个假想焊道层；
基准方向设定工序，其在配置于多个所述假想焊道层的层叠方向中央的中间层中，将层分解后的所述层叠造型物连续延伸设置的方向设定为基准方向；
焊道调整工序，其通过与所述基准方向正交的截面的焊道形状来调整形成于多个所述假想焊道层的所述熔敷焊道的焊道尺寸；以及
造型工序，其以通过所述焊道调整工序调整了的焊道尺寸依次形成并层叠多个所述假想焊道层，从而将所述层叠造型物进行造型。
根据该层叠造型物的制造方法，使用配置于层叠方向的中央的中间层中的基准方向，而通过与该基准方向正交的截面的焊道形状来调整将层叠造型物分解为多个假想焊道层后的各假想焊道层的焊道形状。以像这样调整了的焊道形状依次形成并层叠熔敷焊道，因此能够将层叠造型物效率良好地高精度地造型。
(7)根据(6)所述的层叠造型物的制造方法，其中，
所述层叠造型物的制造方法具有：
使用所述形状数据而将所述层叠造型物的形状划分为成为所述层叠造型物的基体的粗形材料区域、以及包括形成于所述基体上的突起部的层叠造型区域的工序；以及
根据所述粗形材料区域而选定粗形材料的工序，
所述层分解工序是将所述层叠造型区域分解为多个所述假想焊道层的工序，
所述造型工序是在所述粗形材料形成所述熔敷焊道的工序。
根据该层叠造型物的制造方法，通过仅将突起部作为层叠造型区域而进行层叠造型，与将整体层叠造型的情况比较，能够大副地削减层叠造型的工时。
(8)一种程序，其使计算机执行层叠多个由使焊料熔融以及凝固而形成的熔敷焊道构成的熔敷焊道层而进行造型的层叠造型物的设计步骤，其中，
所述程序使所述计算机实现如下功能：
层分解功能，其使用所述层叠造型物的形状数据，将所述层叠造型物的形状按所述熔敷焊道层的每一层的焊道高度进行层分解，而生成多个假想焊道层；
基准方向设定功能，其在配置于多个所述假想焊道层的层叠方向中央的中间层中，将层分解后的所述层叠造型物连续延伸设置的方向设定为基准方向；以及
焊道调整功能，其通过与所述基准方向正交的截面的焊道形状来调整形成于多个所述假想焊道层的所述熔敷焊道的焊道尺寸。
根据该程序，使用配置于层叠方向的中央的中间层中的基准方向，而通过与该基准方向正交的截面的焊道形状来调整将层叠造型物分解为多个假想焊道层后的各假想焊道层的焊道形状。因此，能够以统一的基准来调整层叠造型物整体的熔敷焊道的焊道形状，焊道形状的调整不会变得繁琐，并且，均等地调整全部的假想焊道层，因此焊接条件的设定变得简单。
(9)一种层叠造型物的制造装置，其是层叠多个由使焊料熔融以及凝固而形成的熔敷焊道构成的熔敷焊道层而进行造型的层叠造型物的制造装置，其中，
所述层叠造型物的制造装置具备：
控制部，其使用所述层叠造型物的形状数据，将所述层叠造型物的形状按所述熔敷焊道层的每一层的焊道高度进行层分解，而生成多个假想焊道层，
在配置于多个所述假想焊道层的层叠方向中央的中间层中，将层分解后的所述层叠造型物连续延伸设置的方向设定为基准方向，
通过与所述基准方向正交的截面的焊道形状来调整形成于多个所述假想焊道层的所述熔敷焊道的焊道尺寸；以及
造型部，其被所述控制部驱动，以调整了的所述焊道尺寸依次形成多个所述假想焊道层。
根据该层叠造型物的制造装置，使用配置于层叠方向的中央的中间层中的基准方向，而通过与该基准方向正交的截面的焊道形状来调整将层叠造型物分解为多个假想焊道层后的各假想焊道层的焊道尺寸。以像这样调整了的焊道形状依次形成并层叠熔敷焊道，因此能够将层叠造型物效率良好地高精度地造型。
(10)根据(9)所述的层叠造型物的制造装置，其中，
所述造型部具备：
焊炬，其支承所述焊料，并且使所述焊料的前端熔融；以及
焊炬移动机构，其使所述焊炬移动。
根据该层叠造型物的制造装置，能够一边通过焊炬移动机构使支承有焊料的焊炬移动，一边高效率地形成任意形状的熔敷焊道。
(11)根据(10)所述的层叠造型物的制造装置，其中，
所述焊炬移动机构是多轴机器人。
根据该层叠造型物的制造装置，能够自如地变更焊炬的姿态，因此能够以较高的自由度将任意形状的层叠造型物容易地造型。
需要说明的是，本申请基于2017年11月29日申请的日本专利申请(特愿2017-229606)，并其内容作为参照而援引于此。
附图标记说明：
11 造型部
13 造型控制器
15 电源装置
17 焊炬(造型部)
19 焊接机器人(造型部)
23 熔敷焊道
25、33 程序生成部
27 存储部
29 控制部
41、41A 层叠造型物
43 轴体
45 叶片
47 粗形材料区域
47C 粗形材料
49 层叠造型区域
51 焊道截面
55 假想焊道
Vb 熔敷焊道的连续形成方向
100 层叠造型物的制造装置。

Claims (9)

1.一种层叠造型物的设计方法，其是层叠多个由使焊料熔融以及凝固而形成的熔敷焊道构成的熔敷焊道层而进行造型的层叠造型物的设计方法，其中，
所述层叠造型物的设计方法具有：
层分解工序，其使用所述层叠造型物的形状数据，将所述层叠造型物的形状按所述熔敷焊道层的每一层的焊道高度进行层分解，而生成多个假想焊道层；
基准方向设定工序，其在配置于多个所述假想焊道层的层叠方向中央的中间层中，将层分解后的所述层叠造型物连续延伸设置的方向设定为所述熔敷焊道的连续形成方向即基准方向；以及
焊道调整工序，其通过与所述基准方向正交的截面的焊道形状来调整形成于多个所述假想焊道层的所述熔敷焊道的焊道尺寸，
所述层叠造型物具有在所述基准方向上连续的至少一个突起部，
所述突起部是沿着一轴向的多条螺旋状的突起，
所述熔敷焊道的焊道尺寸的控制通过将各种焊接条件的变更与和所述基准方向正交的截面的焊道形状建立对应关系而实施。
2.根据权利要求1所述的层叠造型物的设计方法，其中，
所述焊道调整工序使所述熔敷焊道的连续形成速度、以及向所述焊料的输入热量中的至少任一个发生变化而调整所述焊道形状。
3.根据权利要求1或2所述的层叠造型物的设计方法，其中，
所述层叠造型物的设计方法具有使用所述形状数据而将所述层叠造型物的形状划分为成为所述层叠造型物的基体的粗形材料区域、以及包括形成于所述基体上的所述突起部的层叠造型区域的工序，
所述层分解工序是将所述层叠造型区域分解为多个所述假想焊道层的工序。
4.一种层叠造型物的制造方法，其是层叠多个由使焊料熔融以及凝固而形成的熔敷焊道构成的熔敷焊道层而进行造型的层叠造型物的制造方法，其中，
所述层叠造型物的制造方法具有：
层分解工序，其使用所述层叠造型物的形状数据，将所述层叠造型物的形状按所述熔敷焊道层的每一层的焊道高度进行层分解，而生成多个假想焊道层；
基准方向设定工序，其在配置于多个所述假想焊道层的层叠方向中央的中间层中，将层分解后的所述层叠造型物连续延伸设置的方向设定为所述熔敷焊道的连续形成方向即基准方向；
焊道调整工序，其通过与所述基准方向正交的截面的焊道形状来调整形成于多个所述假想焊道层的所述熔敷焊道的焊道尺寸；以及
造型工序，其以通过所述焊道调整工序调整了的焊道尺寸依次形成并层叠多个所述假想焊道层，从而将所述层叠造型物进行造型，
所述层叠造型物具有在所述基准方向上连续的至少一个突起部，
所述突起部是沿着一轴向的多条螺旋状的突起，
所述熔敷焊道的焊道尺寸的控制通过将各种焊接条件的变更与和所述基准方向正交的截面的焊道形状建立对应关系而实施。
5.根据权利要求4所述的层叠造型物的制造方法，其中，
所述层叠造型物的制造方法具有：
使用所述形状数据而将所述层叠造型物的形状划分为成为所述层叠造型物的基体的粗形材料区域、以及包括形成于所述基体上的突起部的层叠造型区域的工序；以及
根据所述粗形材料区域而选定粗形材料的工序，
所述层分解工序是将所述层叠造型区域分解为多个所述假想焊道层的工序，
所述造型工序是在所述粗形材料形成所述熔敷焊道的工序。
6.一种记录介质，其存储有使计算机执行层叠多个由使焊料熔融以及凝固而形成的熔敷焊道构成的熔敷焊道层而进行造型的层叠造型物的设计步骤的程序，其中，
所述程序使所述计算机实现如下功能：
层分解功能，其使用所述层叠造型物的形状数据，将所述层叠造型物的形状按所述熔敷焊道层的每一层的焊道高度进行层分解，而生成多个假想焊道层；
基准方向设定功能，其在配置于多个所述假想焊道层的层叠方向中央的中间层中，将层分解后的所述层叠造型物连续延伸设置的方向设定为所述熔敷焊道的连续形成方向即基准方向；以及
焊道调整功能，其通过与所述基准方向正交的截面的焊道形状来调整形成于多个所述假想焊道层的所述熔敷焊道的焊道尺寸，
所述层叠造型物具有在所述基准方向上连续的至少一个突起部，
所述突起部是沿着一轴向的多条螺旋状的突起，
所述熔敷焊道的焊道尺寸的控制通过将各种焊接条件的变更与和所述基准方向正交的截面的焊道形状建立对应关系而实施。
7.一种层叠造型物的制造装置，其是层叠多个由使焊料熔融以及凝固而形成的熔敷焊道构成的熔敷焊道层而进行造型的层叠造型物的制造装置，其中，
所述层叠造型物的制造装置具备：
控制部，其使用所述层叠造型物的形状数据，将所述层叠造型物的形状按所述熔敷焊道层的每一层的焊道高度进行层分解，而生成多个假想焊道层，在配置于多个所述假想焊道层的层叠方向中央的中间层中，将层分解后的所述层叠造型物连续延伸设置的方向设定为所述熔敷焊道的连续形成方向即基准方向，通过与所述基准方向正交的截面的焊道形状来调整形成于多个所述假想焊道层的所述熔敷焊道的焊道尺寸；以及
造型部，其被所述控制部驱动，以调整了的所述焊道尺寸依次形成多个所述假想焊道层，
所述层叠造型物具有在所述基准方向上连续的至少一个突起部，
所述突起部是沿着一轴向的多条螺旋状的突起，
所述熔敷焊道的焊道尺寸的控制通过将各种焊接条件的变更与和所述基准方向正交的截面的焊道形状建立对应关系而实施。
8.根据权利要求7所述的层叠造型物的制造装置，其中，
所述造型部具备：
焊炬，其支承所述焊料，并且使所述焊料的前端熔融；以及
焊炬移动机构，其使所述焊炬移动。
9.根据权利要求8所述的层叠造型物的制造装置，其中，
所述焊炬移动机构是多轴机器人。
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