CN114245764B - 层叠造型物的层叠计划方法、层叠造型物的制造方法以及制造装置 - Google Patents

层叠造型物的层叠计划方法、层叠造型物的制造方法以及制造装置 Download PDF

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Abstract

针对多个焊接道次，计算所设定的道次间时间中的道次间温度，判定道次间温度是否落在预先设定的道次间温度范围，并调整道次间时间直到落在道次间温度范围。基于该道次间时间和焊接道次时间，计算造型层叠造型物的造型时间，并与预先设定的上限值进行比较，而反复修正层叠计划中的焊接条件，直到造型时间成为上限值以下。或者，反复修正，直到基于道次间时间和道次间温度制成的层叠造型物的造型物形状数据与三维形状数据的造型形状的形状差变得比近净值小。

Description

层叠造型物的层叠计划方法、层叠造型物的制造方法以及制 造装置
技术领域
本发明涉及层叠造型物的层叠计划方法、层叠造型物的制造方法以及制造装置。
背景技术
近年来，使用3D打印机作为生产机构的造型的需求提高，面向使用金属材料的造型的实用化进行了研究开发。将金属材料造型的3D打印机通过使用激光、电子束、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。
另外，作为预测焊接部的温度的技术，例如，在专利文献1记载有：将作为下一次道的焊接开始时的焊接部的允许温度的道次(pass)间温度以及输入热量变更为各种值，来调整冷却速度等焊接条件。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本国特开2004－4034号公报
发明内容
发明要解决的课题
然而，在使焊道层叠的多层堆焊中，进行如下处理：相对于规定的施工条件(板厚、道次数、电流、电压、速度、电弧时间等)，监视焊接温度并通过实验而取得到规定的道次间温度的等待时间的数据，并基于该取得的数据来管理道次间温度。
但是，在通过层叠造型而制造具有复杂形状的造型物的情况下，在层叠数的增加的同时形状发生变化，因此整体的热容量、热传导发生变化。另外，根据造型物的形状，也存在在造型中途变更焊接条件的情况。因此，在前述的管理道次间温度的方法中，为了求出适当的等待时间，需要大量进行实验来收集数据。例如，在焊接道次达到几百道次那样的情况下，非常耗费工夫、时间，因此并不现实。另外，当道次间温度过高时，焊道产生滴落等而破坏焊道形状。当道次间温度过低时，用于冷却到道次间温度的等待时间变长，结果是造型物的制造时间变长。并且，道次间温度根据焊接材料、母材、焊接方法而发生变化，因此难以适当地管理道次间温度。并且，在对母材的坡口进行焊接的专利文献1所记载的技术中，难以适当地管理层叠造型中的道次间温度。
另外，在层叠造型的技术中，使材料熔融、凝固而逐渐造型，因此有时造型物发生热收缩而变形，并相对于目标形状产生误差。并且，有时若对造型物进行切削、退火等加工、或者基座板的除去，则由于残留于造型物内部的热应力的释放而产生应变，且造型物发生变形。
于是，本发明的第一目的在于，提供能够适当地管理道次间温度而用最佳的造型时间将造型物造型的层叠造型物的层叠计划方法、层叠造型物的制造方法以及制造装置。
另外，本发明的第二目的在于，提供能够适当地管理道次间温度并且考虑热的影响而将造型物造型的层叠造型物的层叠计划方法、层叠造型物的制造方法以及制造装置。
用于解决课题的方案
本发明由下述的结构构成。
(1)一种层叠造型物的层叠计划方法，其利用将熔敷焊道层叠于基座板上的层叠造型装置，使用该层叠造型物的三维形状数据来造型层叠造型物，其中，
计算机执行如下工序：
取得所述三维形状数据；
制成层叠计划，所述层叠计划确定用于由所述熔敷焊道形成将所述三维形状数据的形状层分解而得到的各层的焊接道次、以及形成所述熔敷焊道时的焊接条件；
针对多个所述焊接道次，设定从焊接道次的结束到下一个焊接道次的开始的道次间时间，并进行所述道次间时间中的传热计算而计算道次间温度；
判定所述道次间温度是否落在预先设定的道次间温度范围，并调整所述道次间时间而反复进行传热计算，直到所述道次间温度落在所述道次间温度范围；
根据计算出落在所述道次间温度范围的所述道次间温度时的所述道次间时间和所述焊接道次中的所述熔敷焊道的形成所需的焊接道次时间，计算所述层叠造型物的造型所需的造型时间；以及
对所述造型时间与预先设定的上限值进行比较，而反复修正层叠计划中的所述焊接条件，直到所述造型时间成为所述上限值以下。
(2)一种层叠造型物的层叠计划方法，其利用将熔敷焊道层叠于基座板上的层叠造型装置，使用该层叠造型物的三维形状数据来造型层叠造型物，其中，
计算机执行如下工序：
取得所述三维形状数据；
制成层叠计划，所述层叠计划确定用于由所述熔敷焊道形成将所述三维形状数据的形状层分解而得到的各层的焊接道次、以及形成所述熔敷焊道时的焊接条件；
针对多个所述焊接道次，设定从焊接道次的结束到下一个焊接道次的开始的道次间时间，并进行所述道次间时间中的传热计算而计算道次间温度；
判定所述道次间温度是否落在预先设定的道次间温度范围，并反复进行传热计算而调整所述道次间时间，直到所述道次间温度落在所述道次间温度范围；
根据通过所述传热计算而计算出的所述道次间时间和所述道次间温度，制成发生了热收缩时的所述层叠造型物的造型物形状数据，并计算所述造型物形状数据与所述三维形状数据的造型形状的形状差；以及
将所述形状差与预先设定的适当值进行比较，根据所述形状差制成修正后的修正三维形状数据，并反复进行从所述层叠计划的制成到计算所述造型物形状数据的工序，直到所述形状差变得比所述适当值小。
(3)一种层叠造型物的制造方法，其中，
所述层叠造型物的制造方法基于利用(1)或(2)所记载的层叠造型物的层叠计划方法制成的所述层叠计划，来制造所述层叠造型物。
(4)一种层叠造型物的制造装置，其使用层叠造型物的三维形状数据，将熔敷焊道层叠于基座板上来造型所述层叠造型物，其中，
所述层叠造型物的制造装置具备：
输入部，其取得所述三维形状数据；
层叠计划制成部，其制成层叠计划，所述层叠计划确定用于由所述熔敷焊道形成将所述三维形状数据的形状层分解而得到的各层的焊接道次、以及形成所述熔敷焊道时的焊接条件；
温度预测部，其针对多个所述焊接道次，设定从焊接道次的结束到下一个焊接道次的开始的道次间时间，并进行所述道次间时间中的传热计算而计算道次间温度；
道次间温度调整部，其判定所述道次间温度是否落在预先设定的道次间温度范围，并变更所述道次间时间而反复进行传热计算，直到所述道次间温度落在所述道次间温度范围；
造型时间预估部，其根据计算出落在所述道次间温度范围的所述道次间温度时的所述道次间时间和所述焊接道次中的所述熔敷焊道的形成所需的焊接道次时间，计算所述层叠造型物的造型所需的造型时间；以及
焊接条件调整部，其对所述造型时间与预先设定的上限值进行比较，而反复变更层叠计划中的所述焊接条件，直到所述造型时间成为所述上限值以下。
(5)一种层叠造型物的制造装置，其使用层叠造型物的三维形状数据，将熔敷焊道层叠于基座板上来造型所述层叠造型物，其中，
所述层叠造型物的制造装置具备：
输入部，其取得所述三维形状数据；
层叠计划制成部，其制成层叠计划，所述层叠计划确定用于由所述熔敷焊道形成将所述三维形状数据的形状层分解而得到的各层的焊接道次、以及形成所述熔敷焊道时的焊接条件；
温度预测部，其针对多个所述焊接道次，设定道次间时间，并进行所述道次间时间中的传热计算而计算道次间温度；
道次间温度调整部，其判定所述道次间温度是否落在预先设定的道次间温度范围，并反复进行传热计算而调整所述道次间时间，直到所述道次间温度落在所述道次间温度范围；
变形量计算部，其根据所述传热计算结束而计算出的所述道次间时间和所述道次间温度，制成发生了热收缩时的所述层叠造型物的造型物形状数据，并计算所述造型物形状数据与所述三维形状数据的造型形状的形状差；以及
形状差调整部，其将所述形状差与预先设定的适当值进行比较，根据所述形状差制成修正后的修正三维形状数据，并反复进行从所述层叠计划的制成到所述造型物形状数据的计算的工序，直到所述形状差变得比所述适当值小。
发明效果
根据本发明，能够适当地管理道次间温度而用最佳的造型时间将造型物造型。另外，能够适当地管理道次间温度并且考虑热的影响而将造型物造型。
附图说明
图1是本发明的层叠造型物的制造装置的概要结构图。
图2是将层叠造型物沿上下方向切断而得到的概要剖视图。
图3A是对层叠造型物的基本的层叠造型的步骤进行说明的工序说明图，且是将层叠造型物沿上下方向切断而得到的概要剖视图。
图3B是对层叠造型物的基本的层叠造型的步骤进行说明的工序说明图，且是将层叠造型物沿上下方向切断而得到的概要剖视图。
图3C是对层叠造型物的基本的层叠造型的步骤进行说明的工序说明图，且是将层叠造型物沿上下方向切断而得到的概要剖视图。
图4是示出层叠造型物的第一层叠计划的步骤的流程图。
图5是示出考虑了热收缩的层叠造型物的第二层叠计划的步骤的流程图。
图6是示出层叠造型物的第三层叠计划的步骤的流程图。
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。
＜层叠造型物的制造装置＞
图1是本发明的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、统一控制造型部11的控制器13、以及电源装置15。
造型部11具有在前端轴设置有焊炬17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是多关节机器人，并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来适当选定。
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未图示的送出机构，而从焊料供给部21向焊炬17进给。并且，若一边移动焊炬17，一边使连续进给的焊料M熔融以及凝固，则在基座板23上形成作为焊料M的熔融凝固体的线状的熔敷焊道B。
焊料M通过安装于焊接机器人19的机械臂等未图示的送出机构，而从焊料供给部21向焊炬17进给。并且，焊炬17通过利用来自控制器13的指令驱动机械臂，而沿着所希望的焊接线移动。另外，连续进给的焊料M通过在焊炬17的前端产生的电弧而在保护气体环境下熔融、凝固。由此，形成作为焊料M的熔融凝固体的熔敷焊道B。这样，造型部11是将焊料M的熔融金属层叠的层叠造型装置，且通过在基座板23上呈多层状层叠熔敷焊道B而将层叠造型物W造型。
作为使焊料M熔融的热源，并不限于上述的电弧。例如，也可以采用利用同时使用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而产生的热源。在使用电弧的情况下，能够确保保护性并且与材料、构造无关地简单地形成熔敷焊道B。在通过电子束、激光来加热的情况下，能够进一步精细地控制加热量，并能够更适当地维持熔敷焊道B的状态而有助于层叠造型物W的进一步的品质提升。
控制器13具有层叠计划制成部31、变形量计算部33、余料量设定部34、程序生成部35、温度预测部36、造型时间预估部38、存储部37、输入部39、显示部40、以及连接上述各部的控制部41。从输入部39向控制部41输入表示要制作的层叠造型物W的形状的三维形状数据(CAD数据等)、各种指示信息。显示部40显示与从控制部41发送的信号相应的各种信息。
本结构的层叠造型物的制造装置100使用所输入的三维形状数据而生成焊道形成用的形状模型，并制成焊炬17的移动轨迹、焊接条件等层叠计划。控制部41制成与层叠计划相应的动作程序，并按照该动作程序驱动各部，而将所希望的形状的层叠造型物W层叠造型。
层叠计划制成部31将所输入的三维形状数据的形状模型分解为与熔敷焊道B的高度相应的多个层。并且，针对所分解的形状模型的各层，制成确定用于形成熔敷焊道B的焊炬17的轨道、以及形成熔敷焊道B的加热条件(包括用于得到焊道宽度、焊道层叠高度等的焊接条件等)的层叠计划。
变形量计算部33解析地求出在对按照层叠计划造型出的层叠造型物W进行了机械开口等时，由于层叠造型物W的残留应力的释放而产生的变形量。
余料量设定部34对成为从机械加工后的结构体W1到层叠造型物W的外缘的切削余量的余料量进行设定。
程序生成部35将驱动造型部11的各部而造型层叠造型物W的步骤制成使计算机执行的动作程序。所制成的动作程序存储于存储部37。
温度预测部36具有在后叙述详细情况的传热计算等事先预测手段，并通过在造型前进行温度预测而进行熔敷光束的温度管理。另外，造型时间预估部38事先预估为了造型在后叙述详细情况的层叠造型物W所需的造型时间。
在存储部37，除了存储动作程序以外，还存储造型部11所具有的各种驱动部的规格、焊料M的材料的信息等。所存储的信息在由程序生成部35制成动作程序时、执行动作程序时等被适当参照。
上述的包括控制部41的控制器13由具备CPU等处理器、ROM、RAM等存储器、HDD(Hard Disk Drive)、SSD(Solid State Drive)等储存器、I/O接口等的计算机构成。控制器13具有读入存储于存储部37的数据、程序、执行包括解析处理的数据的处理、动作程序的功能、以及驱动控制造型部11的各部的功能。控制部41基于由来自输入部39的操作、通信等产生的指示，而进行各种动作程序的制成、执行。
当控制部41执行动作程序时，焊接机器人19、电源装置15等各部被按照编程了的规定的步骤驱动。焊接机器人19根据来自控制器13的指令使焊炬17沿着编程了的轨道轨迹移动，并且利用电弧使焊料M在规定的时机熔融，而在所希望的位置形成熔敷焊道B。
在此所说的动作程序是用于通过造型部11来实施根据所输入的层叠造型物W的三维形状数据通过规定的运算而设计出的熔敷焊道B的形成步骤的命令代码。控制部41通过执行存储于存储部37的动作程序，而利用造型部11来制造层叠造型物W。也就是说，控制部41从存储部37读入所希望的动作程序，并按照该动作程序，通过焊接机器人19的驱动使焊炬17移动，并且从焊炬17前端产生电弧。由此，在基座板23反复形成熔敷焊道B而造型层叠造型物W。
层叠计划制成部31、变形量计算部33、余料量设定部34、程序生成部35、温度预测部36、造型时间预估部38等各运算部设置于控制器13，但并不限于此。虽未图示，但例如也可以与层叠造型物的制造装置100分体地，在经由网络等通信机构而分离地配置的服务器、终端等外部计算机设置上述的运算部。通过在外部计算机设置上述的运算部，能够无需层叠造型物的制造装置100地制成所希望的动作程序，程序制成作业不会变得繁杂。另外，通过经由网络、存储介质向控制器13的存储部37转送所制成的动作程序，能够与由控制器13制成动作程序的情况同样地使造型部11动作。
＜基本的层叠造型的步骤＞
接下来，使用单纯的层叠造型物W的模型，简单地说明层叠造型的步骤。
图2是将层叠造型物W沿上下方向切断而得到的概要剖视图。图3A～图3C是对层叠造型物W的基本的层叠造型的步骤进行说明的工序说明图，且是将层叠造型物W沿上下方向切断而得到的概要剖视图。
在图2中作为一例而示出的层叠造型物W在基座板23上形成为圆筒状。基座板23由钢板等金属板构成，且基本上使用比层叠造型物W的底面(最下层的面)大的板。需要说明的是，该基座板23并不局限于板状，也可以是块体、棒状等其他形状的基座。
如图3A所示，在造型层叠造型物W时，在预先设置的基座板23上，焊接机器人19按照动作程序使焊炬17沿着所指示的轨道移动。通过在该焊炬17的移动的同时在焊炬17的前端产生电弧，而沿着焊炬17的轨道形成熔敷焊道B。熔敷焊道B通过将焊料M熔融以及凝固而形成。然后，通过上述同样的动作而在所形成的焊道层BL反复层叠下一层的焊道层BL。
如图3B所示，在基座板23上造型了层叠造型物W后，通过利用了线锯、金刚石刀具等的切断机将基座板23切断，将基座板23与层叠造型物W分离，而除去基座板23。之后，如图3C所示，例如，对层叠造型物W切削由余料量设定部34设定的余料部分而加工为产品。需要说明的是，基座板23也可以在从层叠造型物W切削了余料部分后除去。
＜层叠造型物的第一层叠计划＞
接下来，对造型层叠造型物的第一层叠计划方法进行说明。
在此，在通过熔敷焊道B的层叠而造型上述那样的层叠造型物W时，适当地管理熔敷焊道B的道次间温度，而制成用最佳的造型时间造型层叠造型物W的层叠计划。
图4是示出层叠造型物的第一层叠计划的步骤的流程图。
首先，控制器13从输入部39取得要造型的层叠造型物的作为CAD数据的三维形状数据D0(S1)。
控制器13的层叠计划制成部31根据所取得的三维形状数据D0来决定造型形状，并制成用熔敷焊道B形成该造型形状的层叠计划，并且进行形成熔敷焊道B的条件决定(S2)。在条件决定中包括：制成决定使焊炬17移动的焊接道次(焊炬的轨道)的轨道计划；以及设定将电弧作为加热源而形成熔敷焊道B时的焊接电流、电弧电压、焊接速度、焊炬角等各种焊接条件。
具体而言，根据三维形状数据D0来决定层叠造型物W的造型形状，将该造型形状沿垂直方向分割为多个焊道层(在本例中为10层)BL，与各焊道层BL对应地分别求出使焊炬17移动的焊接道次。焊接道次通过基于规定的算法的运算来决定。作为焊接道次的信息，例如包括使焊炬17移动的路径的空间坐标、路径的半径、路径长等路径的信息、形成的熔敷焊道B的焊道宽度、焊道高度等焊道信息等。焊道层BL的高度根据通过焊接条件而设定的熔敷焊道B的高度来决定。
在制成层叠计划后，实施由温度预测部36进行的温度预测处理(S3～S7)。
首先，针对层叠计划中的焊接道次，设定作为从一个焊接道次的结束到下一个焊接道次的开始的等待时间的道次间时间tn。另外，预先设定在该道次间时间tn中被允许的道次间温度的最小值Tmin和最大值Tmax(S3)。
接下来，进行在后叙述详细情况的传热计算而计算道次间时间tn内的各焊接道次中的道次间温度Tn(S4)。
判定计算出的各焊接道次的道次间温度Tn是否落在被允许的道次间温度范围Tmin～Tmax(S5)。在道次间温度Tn偏离道次间温度范围Tmin～Tmax的情况(S5：否)下，再度变更道次间时间tn而进行传热计算，并计算道次间温度Tn，以使道次间温度Tn落在道次间温度范围Tmin～Tmax(S4)。
这样，变更道次间时间tn而反复进行传热计算，直到针对分割出的全部的焊道层BL而言道次间温度Tn落在道次间温度范围Tmin～Tmax(S6)。该处理通过具有反复进行传热计算的道次间温度调整部的功能的温度预测部36而执行。
在对于分割出的全部的焊道层BL而言道次间温度Tn落在道次间温度范围Tmin～Tmax的情况(S6：是)下，将各焊接道次的道次间时间tn以及道次间温度Tn向控制部41输出(S7)。
在此，由温度预测部36进行的传热计算优选使用计算速度较快的方法。该传热计算也可以使用三维热传导方程式来计算。温度预测部36例如使用下述的基本式(1)来进行温度预测。
[式1]
t+Δt{H}＝t{H]-Δt〔C〕〔K〕t{T}-Δt〔C〕t{F}+Δtt{Q]…(1)
其中，在基本式(1)中，
H：焓
C：节点体积的倒数
K：热传导矩阵
F：热通量
Q：体积发热。
需要说明的是，在三维热传导方程式中，焊接输入热量也可以与焊接速度相应地赋予焊接区域。另外，在熔敷焊道较短的情况下，也可以赋予一个焊道整体的输入热量。
在温度预测部36将道次间时间tn以及道次间温度Tn向控制部41输出后，造型时间预估部38实施以下的造型时间的预估处理(S8、S9)。
造型时间预估部38从控制部41输入关于分割出的全部的焊道层BL的各焊接道次的道次间时间tn以及道次间温度Tn。并且，根据计算出的道次间时间tn和焊接道次中的熔敷焊道的形成所需的焊接道次时间tpn，按照下述的计算式(2)计算层叠造型物W的造型所需的造型时间ta(S8)。也就是说，在焊接道次时间tpn加上道次间时间tn的累计值而预估层叠造型物W的整体的造型时间ta。需要说明的是，该造型时间ta也可以包括焊接机器人19的动作时间。
[式2]
其中，在计算式(2)中，
ta：总共的造型时间
tp(i)：第i层的焊接道次的焊接时间
tn(i+1)：第i层的焊接道次与第(i+1)层的道次间时间。
在通过计算式(2)计算出造型时间ta后，将该造型时间ta与预先设定的上限值tmax进行比较(S9)。上限值tmax是考虑层叠造型物W的生产性而设定的时间，例如是层叠造型物W的造型所需的时间的限制时间。
也就是说，在造型时间ta超过上限值tmax的情况(S9：否)下，层叠造型物W的生产性较低，因此判断为需要改善。在该情况下，重新制成层叠计划(S2)，并基于该制成的层叠计划，来进行温度预测处理(S3～S7)以及造型时间ta的预估处理(S8、S9)。该处理通过具有反复变更焊接条件的焊接条件调整部的功能的造型时间预估部38来执行。
这样，反复进行层叠计划的修正(S2)、温度预测处理(S3～S7)以及造型时间ta的预估处理(S8、S9)，直到造型时间ta成为上限值tmax以下。
在此，层叠计划的修正是加快造型速度的修正，例如，进行焊接条件的修正、熔敷焊道B的层叠顺序的变更等。在修正焊接条件的情况下，对焊接速度、道次数、熔敷焊道B的形状(焊道宽度、焊道高度)中的任一个进行修正。例如，也可以将各条件的焊道形状(焊道宽度、焊道高度)事先数据库化而存储于存储部37，并选择与目标形状尺寸和造型时间ta对应的焊接条件。
如以上说明的那样，根据层叠造型物的第一层叠计划方法，针对多个焊接道次，设定道次间时间tn，并进行道次间时间tn的传热计算而计算道次间温度Tn，判定道次间温度Tn是否落在预先设定的道次间温度范围Tmin～Tmax，反复进行传热计算而调整道次间时间，直到道次间温度Tn落在道次间温度范围Tmin～Tmax。并且，根据通过传热计算而计算出的道次间时间tn和焊接道次时间tpn，来计算造型层叠造型物W的造型时间ta。并且，将造型时间ta与预先设定的上限值tmax进行比较，而反复修正层叠计划中的焊接条件，直到造型时间ta成为上限值tmax以下。因此，能够适当地管理形成熔敷焊道B时的焊接道次的道次间温度Tn并且变更层叠计划中的焊接条件，而缩短造型时间ta。
特别是，通过变更焊接条件的焊接速度、道次数、焊道形状，能够效率良好地缩短造型时间ta。
由此，能够适当地管理形成熔敷焊道B时的焊接道次的道次间温度Tn并且缩短造型时间ta而制造层叠造型物W。
然而，在基座板23层叠熔敷焊道B而造型层叠造型物W的层叠造型法中，使材料熔融、凝固而逐渐造型，因此有时在热收缩等的作用下在层叠造型物W的内部产生残留应力。这样一来，若对层叠造型物W进行切削、退火、或者基座板23的除去，则由于残留应力的释放而产生变形，且相对于目标形状产生误差。为了抑制相对于目标形状的误差，而在将余料量设定得较多的基础上实施切削加工等。但是，若考虑释放应变而设定余料量，则造型时间增大。
因此，在本结构的层叠造型物的制造装置100中，变形量计算部33预测因层叠造型物W的热收缩引起的变形量，余料量设定部34根据该预测出的变形量来调整余料量Δ，造型时间预估部38基于该余料量Δ的调整来修正造型时间ta。
以下，对调整余料量Δ而修正造型时间ta的情况进行说明。
图5是示出考虑了热收缩的层叠造型物的第二层叠计划的步骤的流程图。
当关于分割出的全部的焊道层BL的各焊接道次的道次间时间tn以及道次间温度Tn被输出时，根据计算出的道次间时间tn和道次间温度Tn，变形量计算部33预测层叠造型物W的变形量，且制成发生了热收缩时的层叠造型物W的造型物形状数据D1(S11)。
对该造型物形状数据D1与三维形状数据D0的造型形状进行比较，余料量设定部34根据其差量计算余料量Δ(S12)。
进而，造型时间预估部38根据计算出的余料量Δ，推定在对层叠造型物W进行机械加工而成为结构体W1的形状时所需的切削时间tc(S13)。
之后，将通过造型时间预估处理(S8、S9)而求出的造型时间ta修正为加上推定出的切削时间tc而得到的造型时间ta(S14)。
这样一来，能够适当地计算作为在将熔敷焊道B层叠后切削的部分的余料量Δ，并抑制包括该余料部分的切削所耗费的切削时间tc在内的整体的造型时间ta。
在此，层叠造型物的焊接变形以及残留应力通常通过使用了有限要素法(FiniteElement Method：FEM)的利用了热弹塑性解析法或者弹性解析等的计算机仿真来解析。
在热弹塑性解析法中，针对多个微小时间步骤中的每一个微小时间步骤考虑到各种非线形要素而计算现象，因此能够进行高精度的解析。另一方面，在弹性解析中，仅考虑线形要素而进行解析，因此能够在短时间内进行解析。当通过层叠熔敷焊道B的层叠造型而造型层叠造型物W时，层叠造型物W的所有部位经过金属的熔融、凝固过程。当金属熔融、凝固时，在层叠造型物W产生固有应变(塑性应变、热应变)。因该固有应变引起的残留应力产生于层叠造型物W的内部。变形量计算部33解析地求出由这样的层叠造型引起的形状变化。
变形量计算部33例如也可以是具备局部模型热弹塑性解析部和整体模型弹性解析部的结构。局部模型热弹塑性解析部基于所输入的解析条件(层叠造型条件、材料物性条件)，使用造型物的局部的模型进行热弹塑性解析而计算固有应变(塑性应变、热应变)。整体模型弹性解析部基于计算出的固有应变对造型物的整体模型进行弹性解析而导出残留应力等。作为用于解析的条件，存在将热源的输出、热源的种类、光束轮廓、扫描速度、扫描顺序、线偏移(line offset)或者预热温度等作为参数的层叠造型条件、材料的杨氏模量、耐力、线膨胀系数、加工硬化指数等机械物性值、以及热传导率或者比热等热物性值等材料物性条件。
＜层叠造型物的第三层叠计划＞
接下来，对造型层叠造型物的第三层叠计划方法进行说明。
在此，在通过熔敷焊道B的层叠而造型上述那样的层叠造型物W时，通过适当地管理熔敷焊道B的道次间温度，而制成考虑热的影响地造型层叠造型物W的层叠计划。
图6是示出层叠造型物的第三层叠计划的步骤的流程图。
在此，图6的流程图的S21～S27为与前述的图4所示的流程图的S1～S7相同的处理，因此在以下的说明中说明S28以后的步骤。
在S27温度预测部36将道次间时间tn以及道次间温度Tn向控制部41输出后，变形量计算部33实施以下的变形预测处理(S28～S31)。
变形量计算部33从控制部41输入关于分割出的全部的焊道层BL的各焊接道次的道次间时间tn以及道次间温度Tn。并且，根据计算出的道次间时间tn和道次间温度Tn，预测层叠造型物W的变形量，并制成发生了热收缩时的层叠造型物W的造型物形状数据D1(S28)。
接下来，变形量计算部33预测与对层叠造型物W进行切削、退火等加工所引起的释放应变相伴的层叠造型物W的变形量。并且，基于该预测出的变形量，来进一步修正层叠造型物W的造型物形状数据D1(S29)。
接下来，变形量计算部33预测与从造型出的层叠造型物W除去基座板23所引起的释放应变相伴的层叠造型物W的变形量。并且，根据预测出的变形量，来修正层叠造型物W的造型物形状数据D1(S30)。
在此，对修正后的造型物形状数据D1与三维形状数据D0的造型形状的形状差(D1－D0)和预先设定的作为必要最小限度的余料量的近净(near net)值(适当值)δ进行比较(S31)。在形状差(D1－D0)为近净值δ以上的情况(S31：否)下，制成基于该形状差而修正后的修正三维形状数据D2(D2＝D0－δ)，并反复实施层叠计划的制成(S22)、温度预测处理(S23～S27)以及变形预测处理(S28～S31)的工序，直到形状差(D1－D0)变得比近净值δ小。制成根据上述的形状差而修正后的修正三维形状数据的处理通过具有形状差调整部的功能的变形量计算部33来执行。
在上述的层叠造型物的制造装置100中，当从温度预测部36输出道次间时间tn以及道次间温度Tn时，造型时间预估部38基于计算出的道次间时间tn和作为焊接道次所耗费的时间的焊接道次时间tpn，而进行层叠造型物W的造型所需的造型时间ta的预估。也就是说，在焊接道次时间tpn加上道次间时间tn的累计值而预估层叠造型物W的整体的造型时间ta。需要说明的是，该造型时间ta也可以包括焊接机器人19的动作时间。
如以上说明的那样，根据层叠造型物的第三层叠计划方法，针对多个焊接道次，设定道次间时间tn并进行道次间时间tn的传热计算而计算道次间温度Tn，判定道次间温度Tn是否落在预先设定的道次间温度范围Tmin～Tmax，反复传热计算而调整所述道次间时间，直到道次间温度Tn落在道次间温度范围Tmin～Tmax。并且，根据通过传热计算而计算出的道次间时间tn和道次间温度Tn，制成发生了热收缩时的层叠造型物W的造型物形状数据D1，并计算造型物形状数据D1与三维形状数据D0的造型形状的形状差(D1－D0)。并且，对形状差(D1－D0)与预先设定的作为适当值的近净值δ进行比较，制成基于形状差(D1－D0)而修正后的修正三维形状数据D2，并反复实施从层叠计划的制成到造型物形状数据D1的计算的工序，直到形状差(D1－D0)变得比近净值δ小。因此，能够适当地管理形成熔敷焊道B时的焊接道次的道次间温度Tn，并且制成考虑了由热收缩引起的变形的层叠计划。
由此，能够适当地管理形成熔敷焊道B时的焊接道次的道次间温度Tn并且考虑由热收缩引起的变形而制造层叠造型物W。
另外，能够在对层叠造型物W实施切削加工、退火处理的情况下，考虑由此产生的释放应变所引起的层叠造型物W的变形而造型层叠造型物W，并且能够在对层叠造型物W进行基座板23的除去的情况下，考虑由基座板23的除去产生的释放应变所引起的层叠造型物W的变形而造型层叠造型物W。
以上说明的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。
例如，在上述例子中，将层叠造型物W设为单纯的圆筒形状，但层叠造型物W的形状并不限于此。层叠造型物W越是更复杂的形状，则由上述的层叠计划、以及制造方法带来的效果越显著，因此能够适当地应用本发明。
另外，在上述的第三层叠计划的例子中，例示了针对造型的层叠造型物W伴随着切削、退火等加工以及基座板23的除去的情况，但也存在不伴随这些加工、基座板23的除去的情况。在不伴随这些加工、基座板23的除去的情况下，在变形预测处理中，仅进行基于与热收缩相伴的变形量的预测的造型物形状数据D1的制成(S28)。
如以上那样，在本说明书中公开了如下事项。
(1)一种层叠造型物的层叠计划方法，其利用将熔敷焊道层叠于基座板上的层叠造型装置，使用该层叠造型物的三维形状数据来造型层叠造型物，其中，
计算机执行如下工序：
取得所述三维形状数据；
制成层叠计划，所述层叠计划确定用于由所述熔敷焊道形成将所述三维形状数据的形状层分解而得到的各层的焊接道次、以及形成所述熔敷焊道时的焊接条件；
针对多个所述焊接道次，设定从焊接道次的结束到下一个焊接道次的开始的道次间时间，并进行所述道次间时间中的传热计算而计算道次间温度；
判定所述道次间温度是否落在预先设定的道次间温度范围，并调整所述道次间时间而反复进行传热计算，直到所述道次间温度落在所述道次间温度范围；
根据计算出落在所述道次间温度范围的所述道次间温度时的所述道次间时间和所述焊接道次中的所述熔敷焊道的形成所需的焊接道次时间，计算所述层叠造型物的造型所需的造型时间；以及
对所述造型时间与预先设定的上限值进行比较，而反复修正层叠计划中的所述焊接条件，直到所述造型时间成为所述上限值以下。
根据该结构的层叠造型物的层叠计划方法，能够适当地管理形成熔敷焊道时的焊接道次的道次间温度，并且修正层叠计划中的焊接条件而抑制造型时间。
(2)根据(1)所记载的层叠造型物的层叠计划方法，其中，
所述焊接条件的修正对焊接速度、道次数、焊道形状中的任一个进行修正。
根据该结构的层叠造型物的层叠计划方法，通过对作为焊接条件的焊接速度、道次数、或者焊道形状进行修正，能够良好地抑制造型时间。
(3)根据(1)或(2)所记载的层叠造型物的层叠计划方法，其中，
使所述计算机实施如下工序：
基于所述传热计算结束而计算出的所述道次间时间和所述道次间温度，制成发生了热收缩时的所述层叠造型物的造型物形状数据；
根据所述造型物形状数据与所述三维形状数据的造型形状的差量计算余料量；以及
根据所述余料量推定作为对所述层叠造型物的加工时间的切削时间，
进行在所述造型时间上加上所述切削时间的所述修正。
根据该结构的层叠造型物的层叠计划方法，能够适当地计算作为在层叠熔敷焊道后切削的部分的余料量，并抑制包括该余料部分的切削所耗费的切削时间在内的整体的造型时间。
(4)一种层叠造型物的层叠计划方法，其利用将熔敷焊道层叠于基座板上的层叠造型装置，使用该层叠造型物的三维形状数据来造型层叠造型物，其中，
计算机执行如下工序：
取得所述三维形状数据；
制成层叠计划，所述层叠计划确定用于由所述熔敷焊道形成将所述三维形状数据的形状层分解而得到的各层的焊接道次、以及形成所述熔敷焊道时的焊接条件；
针对多个所述焊接道次，设定从焊接道次的结束到下一个焊接道次的开始的道次间时间，并进行所述道次间时间中的传热计算而计算道次间温度；
判定所述道次间温度是否落在预先设定的道次间温度范围，并反复进行传热计算而调整所述道次间时间，直到所述道次间温度落在所述道次间温度范围；
根据通过所述传热计算而计算出的所述道次间时间和所述道次间温度，制成发生了热收缩时的所述层叠造型物的造型物形状数据，并计算所述造型物形状数据与所述三维形状数据的造型形状的形状差；以及
将所述形状差与预先设定的适当值进行比较，根据所述形状差制成修正后的修正三维形状数据，并反复进行从所述层叠计划的制成到计算所述造型物形状数据的工序，直到所述形状差变得比所述适当值小。
根据该结构的层叠造型物的层叠计划方法，能够适当地管理形成熔敷焊道时的焊接道次的道次间温度，并且制成考虑了由热收缩引起的变形的层叠计划。
(5)根据(4)所记载的层叠造型物的层叠计划方法，其中，
所述计算机执行如下工序：预测由于对所述层叠造型物的加工而产生的释放应变所引起的所述层叠造型物的变形量，并基于该变形量修正所述造型物形状数据。
根据该结构的层叠造型物的层叠计划方法，能够在对层叠造型物进行切削、退火等加工的情况下，考虑由于该加工而产生的释放应变所引起的层叠造型物的变形而造型层叠造型物。
(6)根据(4)或(5)所记载的层叠造型物的层叠计划方法，其中，
所述计算机执行如下工序：预测由于从所述层叠造型物除去所述基座板而产生的释放应变所引起的所述层叠造型物的变形量，并基于该变形量修正所述造型物形状数据。
根据该结构的层叠造型物的层叠计划方法，能够在对层叠造型物进行基座板的除去的情况下，考虑由于该基座板的除去而产生的释放应变所引起的层叠造型物的变形而造型层叠造型物。
(7)一种层叠造型物的制造方法，其中，
所述层叠造型物的制造方法基于利用(1)～(6)中任一个所记载的层叠造型物的层叠计划方法制成的所述层叠计划，来制造所述层叠造型物。
根据该结构的层叠造型物的制造方法，能够适当地管理形成熔敷焊道时的焊接道次的道次间温度，并且修正层叠计划中的焊接条件而抑制造型时间地制造层叠造型物。
(8)一种层叠造型物的制造装置，其使用层叠造型物的三维形状数据，将熔敷焊道层叠于基座板上来造型所述层叠造型物，其中，
所述层叠造型物的制造装置具备：
输入部，其取得所述三维形状数据；
层叠计划制成部，其制成层叠计划，所述层叠计划确定用于由所述熔敷焊道形成将所述三维形状数据的形状层分解而得到的各层的焊接道次、以及形成所述熔敷焊道时的焊接条件；
温度预测部，其针对多个所述焊接道次，设定从焊接道次的结束到下一个焊接道次的开始的道次间时间，并进行所述道次间时间中的传热计算而计算道次间温度；
道次间温度调整部，其判定所述道次间温度是否落在预先设定的道次间温度范围，并变更所述道次间时间而反复进行传热计算，直到所述道次间温度落在所述道次间温度范围；
造型时间预估部，其根据计算出落在所述道次间温度范围的所述道次间温度时的所述道次间时间和所述焊接道次中的所述熔敷焊道的形成所需的焊接道次时间，计算所述层叠造型物的造型所需的造型时间；以及
焊接条件调整部，其对所述造型时间与预先设定的上限值进行比较，而反复变更层叠计划中的所述焊接条件，直到所述造型时间成为所述上限值以下。
根据该结构的层叠造型物的制造装置，能够适当地管理形成熔敷焊道时的焊接道次的道次间温度，并且修正层叠计划中的焊接条件而抑制造型时间地制造层叠造型物。
(9)一种层叠造型物的制造装置，其使用层叠造型物的三维形状数据，将熔敷焊道层叠于基座板上来造型所述层叠造型物，其中，
所述层叠造型物的制造装置具备：
输入部，其取得所述三维形状数据；
层叠计划制成部，其制成层叠计划，所述层叠计划确定用于由所述熔敷焊道形成将所述三维形状数据的形状层分解而得到的各层的焊接道次、以及形成所述熔敷焊道时的焊接条件；
温度预测部，其针对多个所述焊接道次，设定道次间时间，并进行所述道次间时间中的传热计算而计算道次间温度；
道次间温度调整部，其判定所述道次间温度是否落在预先设定的道次间温度范围，并反复进行传热计算而调整所述道次间时间，直到所述道次间温度落在所述道次间温度范围；
变形量计算部，其根据所述传热计算结束而计算出的所述道次间时间和所述道次间温度，制成发生了热收缩时的所述层叠造型物的造型物形状数据，并计算所述造型物形状数据与所述三维形状数据的造型形状的形状差；以及
形状差调整部，其将所述形状差与预先设定的适当值进行比较，根据所述形状差制成修正后的修正三维形状数据，并反复进行从所述层叠计划的制成到所述造型物形状数据的计算的工序，直到所述形状差变得比所述适当值小。
根据该结构的层叠造型物的制造装置，能够适当地管理形成熔敷焊道时的焊接道次的道次间温度，并且考虑由热收缩引起的变形而造型层叠造型物。
本申请基于2019年8月9日申请的日本专利申请(特愿2019－147432)以及2019年8月9日申请的日本国专利申请(特愿2019－147433)，并将其内容作为参照援引于本申请中。
附图标记说明：
23 基座板
31 层叠计划制成部
33 变形量计算部
34 余料量设定部
35 程序生成部
36 温度预测部
37 存储部
38 造型时间预估部
39 输入部
40 显示部
100 层叠造型物的制造装置
B 熔敷焊道
D0 三维形状数据
D1 造型物形状数据
D2 修正三维形状数据
Tn 道次间温度
ta 造型时间
tc 切削时间
tpn 焊接道次时间
tn 道次间时间
W 层叠造型物
Δ 余料量
δ 近净值(适当值)。

Claims (9)

1.一种层叠造型物的层叠计划方法，其利用将熔敷焊道层叠于基座板上的层叠造型装置，使用该层叠造型物的三维形状数据来造型层叠造型物，其中，
计算机执行如下工序：
取得所述三维形状数据；
制成层叠计划，所述层叠计划确定用于由所述熔敷焊道形成将所述三维形状数据的形状层分解而得到的各层的焊接道次、以及形成所述熔敷焊道时的焊接条件；
针对多个所述焊接道次，设定从焊接道次的结束到下一个焊接道次的开始的道次间时间，并进行所述道次间时间中的传热计算而计算道次间温度；
判定所述道次间温度是否落在预先设定的道次间温度范围，并调整所述道次间时间而反复进行传热计算，直到所述道次间温度落在所述道次间温度范围；
根据计算出落在所述道次间温度范围的所述道次间温度时的所述道次间时间和所述焊接道次中的所述熔敷焊道的形成所需的焊接道次时间，计算所述层叠造型物的造型所需的造型时间；以及
对所述造型时间与预先设定的上限值进行比较，而反复修正层叠计划中的所述焊接条件，直到所述造型时间成为所述上限值以下，
使所述计算机实施如下工序：
基于所述传热计算结束而计算出的所述道次间时间和所述道次间温度，制成发生了热收缩时的所述层叠造型物的造型物形状数据；
根据所述造型物形状数据与所述三维形状数据的造型形状的差量计算余料量；以及
根据所述余料量推定作为对所述层叠造型物的加工时间的切削时间，进行在所述造型时间上加上所述切削时间的所述修正。
2.根据权利要求1所述的层叠造型物的层叠计划方法，其中，
所述焊接条件的修正对焊接速度、道次数、焊道形状中的任一个进行修正。
3.一种层叠造型物的层叠计划方法，其利用将熔敷焊道层叠于基座板上的层叠造型装置，使用该层叠造型物的三维形状数据来造型层叠造型物，其中，
计算机执行如下工序：
取得所述三维形状数据；
制成层叠计划，所述层叠计划确定用于由所述熔敷焊道形成将所述三维形状数据的形状层分解而得到的各层的焊接道次、以及形成所述熔敷焊道时的焊接条件；
针对多个所述焊接道次，设定从焊接道次的结束到下一个焊接道次的开始的道次间时间，并进行所述道次间时间中的传热计算而计算道次间温度；
判定所述道次间温度是否落在预先设定的道次间温度范围，并反复进行传热计算而调整所述道次间时间，直到所述道次间温度落在所述道次间温度范围；
根据通过所述传热计算而计算出的所述道次间时间和所述道次间温度，制成发生了热收缩时的所述层叠造型物的造型物形状数据，并计算所述造型物形状数据与所述三维形状数据的造型形状的形状差；以及
将所述形状差与预先设定的适当值进行比较，根据所述形状差制成修正后的修正三维形状数据，并反复进行从所述层叠计划的制成到计算所述造型物形状数据的工序，直到所述形状差变得比所述适当值小。
4.根据权利要求3所述的层叠造型物的层叠计划方法，其中，
所述计算机执行如下工序：预测由于对所述层叠造型物的加工而产生的释放应变所引起的所述层叠造型物的变形量，并基于该变形量修正所述造型物形状数据。
5.根据权利要求3所述的层叠造型物的层叠计划方法，其中，
所述计算机执行如下工序：预测由于从所述层叠造型物除去所述基座板而产生的释放应变所引起的所述层叠造型物的变形量，并基于该变形量修正所述造型物形状数据。
6.根据权利要求4所述的层叠造型物的层叠计划方法，其中，
所述计算机执行如下工序：预测由于从所述层叠造型物除去所述基座板而产生的释放应变所引起的所述层叠造型物的变形量，并基于该变形量修正所述造型物形状数据。
7.一种层叠造型物的制造方法，其中，
所述层叠造型物的制造方法基于利用权利要求1～6中任一项所述的层叠造型物的层叠计划方法制成的所述层叠计划，来制造所述层叠造型物。
8.一种层叠造型物的制造装置，其使用层叠造型物的三维形状数据，将熔敷焊道层叠于基座板上来造型所述层叠造型物，其中，
所述层叠造型物的制造装置具备：
输入部，其取得所述三维形状数据；
层叠计划制成部，其制成层叠计划，所述层叠计划确定用于由所述熔敷焊道形成将所述三维形状数据的形状层分解而得到的各层的焊接道次、以及形成所述熔敷焊道时的焊接条件；
温度预测部，其针对多个所述焊接道次，设定从焊接道次的结束到下一个焊接道次的开始的道次间时间，并进行所述道次间时间中的传热计算而计算道次间温度；
道次间温度调整部，其判定所述道次间温度是否落在预先设定的道次间温度范围，并变更所述道次间时间而反复进行传热计算，直到所述道次间温度落在所述道次间温度范围；
造型时间预估部，其根据计算出落在所述道次间温度范围的所述道次间温度时的所述道次间时间和所述焊接道次中的所述熔敷焊道的形成所需的焊接道次时间，计算所述层叠造型物的造型所需的造型时间；以及
焊接条件调整部，其对所述造型时间与预先设定的上限值进行比较，而反复变更层叠计划中的所述焊接条件，直到所述造型时间成为所述上限值以下，
所述层叠造型物的制造装置还具备：
变形量计算部，其基于所述传热计算结束而计算出的所述道次间时间和所述道次间温度，制成发生了热收缩时的所述层叠造型物的造型物形状数据；以及
余料量设定部，其根据所述造型物形状数据与所述三维形状数据的造型形状的差量计算余料量，
所述造型时间预估部根据所述余料量推定作为对所述层叠造型物的加工时间的切削时间，进行在所述造型时间上加上所述切削时间的所述变更。
9.一种层叠造型物的制造装置，其使用层叠造型物的三维形状数据，将熔敷焊道层叠于基座板上来造型所述层叠造型物，其中，
所述层叠造型物的制造装置具备：
输入部，其取得所述三维形状数据；
层叠计划制成部，其制成层叠计划，所述层叠计划确定用于由所述熔敷焊道形成将所述三维形状数据的形状层分解而得到的各层的焊接道次、以及形成所述熔敷焊道时的焊接条件；
温度预测部，其针对多个所述焊接道次，设定道次间时间，并进行所述道次间时间中的传热计算而计算道次间温度；
道次间温度调整部，其判定所述道次间温度是否落在预先设定的道次间温度范围，并反复进行传热计算而调整所述道次间时间，直到所述道次间温度落在所述道次间温度范围；
变形量计算部，其根据所述传热计算结束而计算出的所述道次间时间和所述道次间温度，制成发生了热收缩时的所述层叠造型物的造型物形状数据，并计算所述造型物形状数据与所述三维形状数据的造型形状的形状差；以及
形状差调整部，其将所述形状差与预先设定的适当值进行比较，根据所述形状差制成修正后的修正三维形状数据，并反复进行从所述层叠计划的制成到所述造型物形状数据的计算的工序，直到所述形状差变得比所述适当值小。
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