JP7120774B2 - 積層造形物の造形手順設計方法、積層造形物の造形方法及び製造装置、並びにプログラム - Google Patents

Description

本発明は、積層造形物の造形手順設計方法、積層造形物の造形方法及び製造装置、並びにプログラムに関する。

近年、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、レーザや電子ビーム、更には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ることで積層造形物を作製する。

アークを用いる場合には、アークにより溶加材を溶融及び凝固させてビードを形成し、このビードを複数層に積層することで積層造形物を作製する。この場合のビードの積層手順は、積層造形物の形状を表す３次元モデルデータを用いて、その形状に応じた適宜な積層計画によって決定される。

上記のような３次元モデルデータを用いて積層造形物を作製する技術が、例えば特許文献１に記載されている。特許文献１においては、３次元モデルデータを、多数のポリゴンに分割し、ポリゴンの面の向きからグループ分けすることで、積層造形物の形状を複数のパーツに分解している。

特開２００７－７６０３７号公報

特許文献１の発明は、切削加工と積層造形を行う装置において、切削加工と積層造形を行う部位及び加工順を自動で決定している。しかしながら、被加工物が連続的に積層可能な形状であるかまでは判断していない。
被加工物の形状に応じて最適な手順で造形することに関しては、作業者の経験と勘に頼ることが多く、その作業に熟練を要するのが実情となっている。そのため、被加工物の形状に応じて、高効率で積層造形を行える技術の開発が望まれている。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、積層造形物をビードの積層によって造形するに際して、積層造形物の３次元モデルデータからビード形成を行う造形手順の決定に資するビードマップを生成し、これにより、積層造形の手順を効率よく自動的に決定できる積層造形物の積層造形手順設計方法、積層造形物の製造方法及び製造装置、並びに、その造形手順をコンピュータに実行させるプログラムを提供することにある。

本発明は、下記構成からなる。
（１） 積層造形物の３次元形状データを用いて、溶加材を溶融及び凝固させて形成するビードで前記積層造形物を積層造形する積層造形物の積層造形手順設計方法であって、
前記３次元形状データを用いて前記積層造形物の形状を複数のポリゴン面に分割する工程と、
予め定めた特定方向に沿って配列される前記ポリゴン面の列において、それぞれの前記列の一端の始端面から他端側に向けて、前記ポリゴン面にインデックス番号を順に付与する工程と、
前記ポリゴン面の列の隣り合う一対の面の向きに応じて、前記列の他端の終端面を検出する工程と、
前記始端面から前記終端面までの複数の前記ポリゴン面のうち前記終端面を除く面に、ビード形成オンのフラグを付与し、前記終端面に、ビード形成オフのフラグを付与する工程と、
前記ポリゴン面に付与された前記インデックス番号と前記フラグとを対応付けしたビードマップを生成する工程と、
前記ポリゴン面の列に沿って前記ビードを連続形成する造形手順を、前記ビードマップの前記ビード形成オンのフラグを有するポリゴン面から、前記ビード形成オフのフラグを有するポリゴン面の位置に到達したとき、当該ポリゴン面の列のビード形成を停止させ、次のポリゴン面の列のビード形成を行う手順に決定する工程と、
を備える積層造形物の積層造形手順設計方法。
（２） （１）の積層造形物の積層造形手順設計方法により決定された前記造形手順により、前記積層造形物を造形する積層造形物の製造方法。
（３） （２）の積層造形物の製造方法の前記造形手順を決定する制御部と、
前記制御部により決定された前記造形手順に応じて駆動され、前記ビードを形成する造形部と、
を備える積層造形物の製造装置。
（４） 積層造形物の３次元形状データを用いて、溶加材を溶融及び凝固させて形成するビードで前記積層造形物を積層造形する積層造形手順を決定する手順を、コンピュータに実行させるプログラムであって、
前記コンピュータに、
前記３次元形状データを用いて前記積層造形物の形状を複数のポリゴン面に分割する手順と、
予め定めた特定方向に沿って配列される前記ポリゴン面の列において、それぞれの前記列の一端の始端面から他端側に向けて、前記ポリゴン面にインデックス番号を順に付与する手順と、
前記ポリゴン面の列の隣り合う一対の面の向きに応じて、前記列の他端の終端面を検出する手順と、
前記始端面から前記終端面までの複数の前記ポリゴン面のうち前記終端面を除く面に、ビード形成オンのフラグを付与し、前記終端面に、ビード形成オフのフラグを付与する手順と、
前記ポリゴン面に付与された前記インデックス番号と前記フラグとを対応付けしたビードマップを生成する手順と、
前記ポリゴン面の列に沿って前記ビードを連続形成する造形手順を、前記ビードマップの前記ビード形成オンのフラグを有するポリゴン面から、前記ビード形成オフのフラグを有するポリゴン面の位置に到達したとき、当該ポリゴン面の列のビード形成を停止させ、次のポリゴン面の列のビード形成を行なわせる造形手順に決定する手順と、
を実行させるプログラム。

本発明によれば、積層造形物をビードの積層によって造形するに際して、積層造形物の３次元モデルデータからビード形成を行う造形手順の決定に資するビードマップを生成し、これにより、積層造形の手順を効率よく自動的に決定できる。

本発明の積層造形物を製造する製造装置の概略構成図である。 積層造形物の斜視図である。 積層造形物を積層設計し、この設計された条件で積層造形物を造形するプログラムを生成するまでの手順を示すフローチャートである。 積層造形物の一断面において粗形材領域を決定する様子を示す説明図である。 積層造形物の外形を、粗形材領域と積層造形領域とに区分けした結果を示す説明図である。 積層造形物の一部正面図である。 図６に示すVII－VII線のＡ１部における断面図である。 ビードを形成する様子を模式的に示す工程説明図である。 積層造形領域における一層の仮想ビード層を形成する際の、基準方向である溶接方向に沿ったトーチ移動ラインと、ビード形成範囲とを示す模式的な工程説明図である。 積層造形物の３次元モデルデータから積層造形物の形状を複数のポリゴン面に分割した様子を示す説明図である。 ３次元モデルデータから複数のポリゴン面に分割し、これらポリゴン面の中から、ビード形成開始後にビード形成を終了させる終端面を検出する手順を示すフローチャートである。 （Ａ）、（Ｂ）はポリゴンの面の法線方向を示す説明図である。 ビードマップを生成する手順を示すフローチャートである。 ポリゴンの面のうち、オフのフラグが登録された面を示す説明図である。

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。
図１は本発明の積層造形物を製造する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を統括制御する造形コントローラ１３と、電源装置１５と、を備える。

造形部１１は、先端軸にトーチ１７が設けられたトーチ移動機構としての溶接ロボット１９と、トーチ１７に溶加材（溶接ワイヤ）Ｆｍを供給する溶加材供給部２１とを有する。
溶接ロボット１９は、例えば６軸の自由度を有する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Ｆｍ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。

トーチ１７は、溶加材Ｆｍを保持しつつ、シールドガス雰囲気で溶加材Ｆｍの先端からアークを発生する。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ようになっている。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。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Ｆｍがコンタクトチップに保持される。

溶加材Ｆｍは、あらゆる市販の溶接ワイヤを用いることができる。例えば、軟鋼，高張力鋼及び低温用鋼用のマグ溶接及びミグ溶接ソリッドワイヤ（ＪＩＳ Ｚ ３３１２）、軟鋼，高張力鋼及び低温用鋼用アーク溶接フラックス入りワイヤ（ＪＩＳ Ｚ ３３１３）等で規定されるワイヤを用いることができる。

溶加材Ｆｍ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、造形コントローラ１３からの指令により、溶接ロボット１９はトーチ１７を移動しつつ、連続送給される溶加材Ｆｍを溶融及び凝固させる。これにより、溶加材Ｆｍの溶融凝固体であるビードが形成される。ここでは詳細を後述するように、ベース材２３に支持された軸体２５に、ビードで形成されるブレード２７を形成する場合を例に説明する。

溶加材Ｆｍ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ビードを形成できる。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、溶着ビードの状態をより適正に維持して、積層造形物の更なる品質向上に寄与できる。

造形コントローラ１３は、ビードマップ生成部３１と、プログラム生成部３３と、記憶部３５と、これらが接続される制御部３７と、を有する。制御部３７には、作製しようとする積層造形物の形状を表す３次元モデルデータ（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。

ビードマップ生成部３１は、詳細を後述するが、入力された積層造形物の３次元モデルデータを用いて、ビードを形成する位置情報を含むビードマップ（詳細は後述）を生成する。生成されたビードマップは、記憶部３５に記憶される。

プログラム生成部３３は、造形部１１を駆動して積層造形物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プログラムを、上記のビードマップを用いて生成する。生成されたプログラムは、記憶部３５に記憶される。

記憶部３５には、造形部１１が有する各種の駆動部や可動範囲等の仕様情報も記憶され、プログラム生成部３３でプログラム生成する際や、プログラムを実行する際に適宜情報が参照される。この記憶部３５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。

制御部３７を含む造形コントローラ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って、記憶部３５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３７は、入力部３９からの操作や通信等による指示によって、記憶部３５からプログラムを読み込み、実行する。

制御部３７が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、造形コントローラ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Ｆｍを所定のタイミングでアークにより溶融させて、所望の位置にビードを形成する。

ビードマップ生成部３１やプログラム生成部３３は、造形コントローラ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、ビードマップ生成部３１やプログラム生成部３３が設けられてもよい。外部コンピュータにビードマップ生成部３１やプログラム生成部３３が接続されることで、積層造形物の製造装置１００を要せずにビードマップやプログラムを生成でき、プログラム生成作業が繁雑にならない。また、生成したビードマップやプログラムを、造形コントローラ１３の記憶部３５に転送することで、造形コントローラ１３で生成した場合と同様に動作させることができる。

図２は積層造形物４１の斜視図である。
一例として示す積層造形物４１は、円柱状の軸体２５と、軸体２５の外周に径方向外側へ突出する複数条（図示例では６条）の螺旋状のブレード２７とを備える。複数のブレード２７は、軸体２５の軸方向中間部で、周方向に沿って等間隔に設けられたスクリュー形状となっている。

図１に示す積層造形物の製造装置１００は、積層造形物４１を造形する際、全形状を積層造形法により形成するのではなく、軸体２５については棒材等の粗形材を用いて形成し、ブレード２７を積層造形法により形成してもよい。その場合、積層造形物４１の軸体２５を粗形材で形成し、軸体２５の外周に形成されるブレード２７をビードによって積層造形する。これにより、積層造形物４１Ａの造形工数を大きく削減できる。

次に、上記一例としての積層造形物の基本的な積層手順を説明する。
図３は積層造形物４１を積層設計し、この設計された条件で積層造形物４１を造形するプログラムを生成するまでの手順を示すフローチャートである。

まず、図１に示す入力部３９から制御部３７に積層造形物４１の形状を表す３次元モデルデータ（以降、形状データと称する。）を入力する（Ｓ１１）。形状データには、積層造形物４１の外表面の座標、軸体２５の径や軸長等の寸法情報の他、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。以下のプログラムを生成する工程は、プログラム生成部３３により行われる。

図４は積層造形物４１の一断面において粗形材領域を決定する様子を示す説明図である。
積層造形物４１は、円柱状又は円筒状の軸体２５を有し、複数のブレード２７が軸体２５の外周面から立設される。そこで、入力された形状データを用いて、積層造形物４１の外形を、積層造形物４１の基体となる粗形材領域と、基体上に形成される積層造形物４１の外形となる積層造形領域とに区分けする。

粗形材領域と積層造形領域は、積層造形物４１の形状データと、用意可能な粗形材の種類に応じて決定される。図示例の積層造形物４１の場合、一例として示される粗形材（丸棒）４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃのうち、積層造形物４１の形状に合わせるための切削量が最小となる径の粗形材４３Ｃが選択される。

図５は積層造形物４１の外形を、粗形材領域４５と積層造形領域４７とに区分けした結果を示す説明図である。
本例の場合、粗形材４３Ｃが粗形材領域４５となり、粗形材４３Ｃの外周に配置される複数のブレード２７がそれぞれ積層造形領域４７となる（Ｓ１２）。

次に、上記Ｓ１２で決定された積層造形領域４７に、ビードを形成する手順を決定する。
積層造形領域４７では、複数のビードを順次に積層することでブレード２７の粗形状を造形する。積層造形領域４７を構成する個々のビードのビード幅、ビード高さ等のビードサイズは、トーチ１７（図１参照）の移動速度、つまり、ビードの連続形成速度や、電源装置１５からの溶接電流、溶接電圧、印加パルス等の溶加材や溶接部への入熱量、等の溶接条件の変更によって制御される。このビードサイズは、溶着ビードを形成するトーチの移動方向に直交する断面で管理することが好ましい。

図６は積層造形物４１の一部正面図である。
本構成の積層造形物４１においては、螺旋状のブレード２７の延設方向をビード形成方向Ｖｂに一致させれば、溶着ビードの連続形成長さを長くできる。そのため、ビード形成方向Ｖｂをブレード２７の延設方向と同じにして、これを基準方向とする（Ｓ１３）。これにより、ビードサイズは、基準方向（ビード形成方向Ｖｂ）に直交するVII－VII線断面で示すビード断面の形状を基準に制御する。

例えば、特定方向に連続した少なくとも一つの突起部を有する積層造形物においては、この連続する特定方向に沿って溶着ビードを形成すれば、効率よく造形が行え、積層造形工程の煩雑化が軽減される。そこで、作製しようとする積層造形物の形状データから、まず、積層造形物の連続する特定方向を求める。この特定方向は、コンピュータによる演算によって、形状データを適宜なアルゴリズムで解析して決定してもよく、作業者が判断する等、人為的に決定してもよい。

図７は図６に示すVII－VII線のＡ１部における断面図である。図中の横軸は、ブレード２７の延設方向（基準方向）に直交する方向で、縦軸は軸体２５の径方向となるビード積層方向である。

ここで、ブレード２７の積層造形領域４７を、複数の仮想ビード層に層分解する（Ｓ１４）。複数層の仮想ビード層のビード（仮想ビード５１として示す）は、仮想ビード層の１層分のビード高さｈに応じて、ブレード２７の最終形状が内包されるように配置される。図示例では、点線で示す仮想ビード５１を、軸体２５（粗形材４３Ｃ）の表面から順次積層（層Ｈ１，Ｈ２，・・・）して、７層目（層Ｈ７）においてブレード２７の径方向最外縁部２７ａが覆われる場合を示す。つまり、ここでは合計７層の仮想ビード層を有する積層モデルとなる。

この積層モデルは、図５に示す複数の積層造形領域４７の全てに対して生成される。そして、各積層モデルにおいて、共通の断面でビードサイズを設計する。つまり、積層造形領域４７の各仮想ビード層における仮想ビード５１の配置位置（ビード積層高さｈ等）、ビードサイズ（ビード幅Ｗ等）、溶接条件、等の諸条件を設定する（Ｓ１５）。なお、図７においては仮想ビード層を７つに分割しているが、ビードサイズ、積層造形物の大きさや形状、等に応じて分割層数は任意に設定できる。

次に、上記のように設計された積層モデルに従ってビードを粗形材４３Ｃ上に形成する手順を示すプログラムを生成する（Ｓ１６）。このプログラムの生成は、図１に示すプログラム生成部３３が行う。

ここでいうプログラムとは、入力された積層造形物の形状データから、所定の演算により設計されたビードの形成手順を、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３７は、予め用意されたプログラムの中から所望のプログラムを特定し、この特定された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４１を製造させる。つまり、制御部３７は、記憶部３５から所望のプログラムを読み込み、このプログラムにしたがってビードを形成して、積層造形物４１を造形する。

図８はビードを形成する様子を模式的に示す工程説明図である。
造形コントローラ１３（図１参照）は、造形部１１を生成したプログラムにしたがって駆動して、積層造形物４１の粗形材４３Ｃにビード５５Ａ，５５Ｂ，５５Ｃ，・・・を順次に並設し、第１層目（層Ｈ１）のビード層を形成する。そして、第１層目（層Ｈ１）のビード層の上に第２層目（層Ｈ２）のビード５５Ｄ，５５Ｅ，・・・を順次に並設する。

ここで、ビード５５Ｄの外表面とビード５５Ｂの外表面との境界をＰｃ（ビード５５Ｄの図中右側の境界）とし、境界Ｐｃにおけるビード５５Ｄの外表面の接線をＬ１、境界Ｐｃにおけるビード５５Ｂの外表面の接線をＬ２とする。また、接線Ｌ１とＬ２とのなす角をαとし、角αの二等分線をＮとする。

ビード５５Ｄに隣接する次のビード５５Ｅは、境界Ｐｃを目標位置として形成される。ビード５５Ｅを形成する際、トーチ１７のトーチ軸線の向きは、直線Ｌと概ね同じ方向に設定される。なお、ビード５５Ｅを形成する目標位置は、境界Ｐｃに限らず、ビード５５Ｂとビード５５Ｃとの間の境界Ｐｃａにしてもよい。

造形コントローラ１３は、各ビード５５Ａ～５５Ｅ，・・・の形成時に、上記したプログラムに従ってトーチ１７を図中奥側（紙面垂直方向）に向けて移動させ、シールドガスＧ雰囲気中で発生させたアークによりビード形成の目標位置付近を加熱する。そして、加熱により溶融した溶加材Ｆｍが目標位置で凝固することで、新たなビードが形成される。これにより、図７に示す粗形状のビード層が形成される。ビード層が形成された積層造形領域４７は、その後の適宜な加工によって所望のブレード２７の形状に仕上げられる。

ここで、積層造形物４１の形状データから積層造形物の製造装置１００の造形部１１を駆動させるプログラムを生成する際に、このプログラムの生成に資するビードマップを作成する手順と、作成したビードマップを用いて積層造形する工程とを詳細に説明する。

図９は積層造形領域４７における一層の仮想ビード層Ｈを形成する際の、基準方向であるビード形成方向Ｖｂに沿ったトーチ移動ライン５７と、ビード形成範囲とを示す模式的な工程説明図である。
図示例のように、仮想ビード層Ｈの一部が基準方向からずれている場合、図１に示すトーチ１７を移動させながらビードを形成する際に、ビード形成のオンオフ制御を行う必要がある。つまり、図９に示す各トーチ移動ライン５７においては、トーチ１７が仮想ビード層Ｈの領域に到達する位置Ｐｓから、トーチ１７が仮想ビード層Ｈの領域から外れる位置Ｐｅまでの間でそれぞれビード形成を行い、それ以外ではビード形成を行わない。

ビード形成を行う場合は、トーチ１７を移動させながらトーチ１７に溶接電力を印加してアークを発生させる。ビード形成を行わない場合は、トーチ１７を移動させながらトーチ１７への溶接電力の印加を停止させる。図１に示すプログラム生成部３３は、この動作の手順をプログラムに組み込む。その際、ビードの形成位置が記録されたビードマップを用いることで、プログラム生成部３３のプログラム生成の演算負担を軽減できる。

以下、ビードマップの生成手順について説明する。
ビードマップは、積層造形物の形状を表す３次元モデルデータ（形状データ）を用いて、ビードを積層して積層造形物を造形するに際して使用され、ビードを形成する位置情報を含む。積層造形の際は、積層造形物の層分解された各層毎にビードマップを求めるが、ここでは説明を簡単にするため、積層造形物が単一層の仮想ビード層で構成される単純なモデルで説明する。

図１０は積層造形物の３次元モデルデータから積層造形物の形状を複数のポリゴン面に分割した様子を示す説明図である。ここでいうポリゴンとは、３次元コンピュータグラフィックスで立体の表面を形作る小さな多角形要素である。図示例では４角形のポリゴンを示しているが、３角形のポリゴンであってもよい。

ここで示す積層造形物のモデルは、基準方向である溶接方向に沿って８つのポリゴン面（インデックスｉで示し、端面を含むものとする。）を有し、基準方向に直交する方向に沿って４つのポリゴン面（インデックスｊで示す）を有する。モデルの各ポリゴン面は、ｉを基準方向に並ぶ面の順番、ｊを列とし、（ｊ，ｉ）＝（１，１）～（４，８）で示している。つまり、ｊ＝１の列は、ポリゴン面（１，１），（１，２），（１，３），・・・，（１，７），（１，８）となり、合計８個のポリゴン面が存在する。一列分のポリゴン面の総数をＮ（＝８）とする。また、このモデルは、合計４つのポリゴン面の列が存在し、列の総数をＭ（＝４）とする。

図１１は、３次元モデルデータから複数のポリゴン面に分割し、これらポリゴン面の中から、ビード形成開始後にビード形成を終了させる終端面を検出する手順を示すフローチャートである。ここでの工程は、図９に示す位置Ｐｅを求めるための工程であり、図１に示すビードマップ生成部３１によってなされる。

まず、積層造形物の形状を表す３次元モデルデータと、予め定めたビード形成方向（基準方向）とを入力する（Ｓ２１）。
次に、入力された３次元モデルデータを多数のポリゴン面に分割する（Ｓ２２）。つまり、図１０に示すように積層造形物の外形面を、インデックスｊ，ｉを用いて表現される多数のポリゴン面に分割する。

そして、基準方向に隣接するポリゴン面の列を抽出する（Ｓ２３）。ここでは、分割された各ポリゴン面が四角形とされているため、基準方向に繋がる複数のポリゴン面が、合計４つの列として、列毎にそれぞれ抽出される。

次に、図１０に示すモデルの基準方向に沿った終端面（１～４，８）、即ち、図９の位置Ｐｅに相当するポリゴン面を検出する。
まず、ステップＳ２４でインデックスｊを１（１列目）にセットし、インデックスｉを２（２番目）にセットする。ステップＳ２５でｊ列目（１列目）において、ｉ番目（２番目）のポリゴン面の面法線と、ｉ＋１番目（３番目）のポリゴン面の面法線とのなす角（交差角）θi（θ２）を求める。ここで、インデックスｉ＝１は、図１０に示すモデルの基準方向に沿った始端面のインデックスであることは既知なので、終端面の検出対象から外している。

ｉ＝２の場合、図１２の（Ａ）に示すように、１番目のポリゴン面ＰＬiの面法線Ｎiと、２番目のポリゴン面ＰＬi+1の面法線Ｎi+1との交差角θｉが、予め定めた閾値θｔｈより小さいか（θｉ＜θｔｈ）を判断し（Ｓ２６）、小さい場合には、インデックスｉがＮになるまでインクリメントする（Ｓ２７）。

一方、図１２の（Ｂ）に示すように、１番目のポリゴン面ＰＬiの面法線Ｎiと、２番目のポリゴン面ＰＬi+1の面法線Ｎi+1との交差角θｉが閾値θｔｈ以上（θｉ≧θｔｈ）となる場合、境界面リストＢｄ（ｊ）にインデックスｉを登録する（Ｓ２８）。このときのインデックスｉに対応するポリゴン面（始端面からｉ番目の面）が終端面となる。

このようなｊ＝１の列における終端面の検出を、全ての列（Ｍ列）に対して行い（Ｓ２９）、終端面となるインデックスｉを境界面リストＢｄ（ｊ）に登録する。

以上の工程により、境界面リストＢｄ（ｊ）には、各列（ｊ＝１～Ｍ）の終端面（図１においてはポリゴン面（１～４，８））が登録される。なお、ここで用いたモデルは単純形状であるため、各列で同じインデックスｉが登録される結果となるが、実際の積層造形物のモデルでは、列毎に異なるインデックスｉが登録されることも生じ得る。

次に、複数列のポリゴン面に、前述した検出された終端面の情報に基づいて、ビード形成を行う面か否かのフラグを付与したビードマップを生成する。
具体的には、基準方向（溶接方向）に連続するポリゴンの各面において、各面の列の始端面から終端面までのポリゴン面のうち終端面を除く各面に、ビード形成を行うことを表すビード形成オンのフラグを付与し、終端面にビード形成を行わないことを表すビード形成オフのフラグを付与する。ビード形成オンのフラグが付与されたポリゴン面は、積層造形の際にその位置でビードを形成する面であり、ビード形成オフのフラグが付与されたポリゴン面は、その位置でビード形成を停止させる面であることを意味する。

図１３はビードマップを生成する手順を示すフローチャートである。
ここでは、３Ｄモデルデータから生成した全ポリゴン面（ｊ，ｉ）のインデックスｉ，ｊの最大値Ｎ，Ｍと、境界面リストＢｄ（ｊ）（ｊ＝１～Ｍ）の情報とを用いる。

まず、インデックスｉ，ｊを１にセットし（Ｓ３１）する。そして、１列目（ｊ＝１）のポリゴン面の列において１番目（ｉ＝１）から順に、境界面リストＢｄ（ｊ）に登録された終端面のインデックス番号と一致したか否かを判定する（Ｓ３２）。この判定をインデックスｉがＮ番目のポリゴン面まで繰り返す（Ｓ３５）とともに、インデックスｊがＭ列目になるまで繰り返す（Ｓ３６）。

判定の結果、境界面リストＢｄ（ｊ）と一致しないポリゴン面の場合は、ビードマップＢＭ（ｊ，ｉ）にビード形成オンのフラグ（ＦＬＧ＿ＯＮ）を登録し（Ｓ３３）、一致する場合はビードマップＢＭ（ｊ，ｉ）にビード形成オフのフラグ（ＦＬＧ＿ＯＦＦ）を登録する（Ｓ３４）。

これにより、ビードマップＢＭ（ｊ，ｉ）として、図１４に示すように、複数のポリゴン面（ｊ，ｉ）のうち、各列のポリゴン面の終端面（１～４，８）にのみ、ビード形成オフのフラグ（ＦＬＧ＿ＯＦＦ）が登録され、他の面は、ビード形成オンのフラグ（ＦＬＧ＿ＯＮ）が登録されたマップデータが得られる。

このビードマップＢＭ（ｊ，ｉ）を求めておくことで、図１に示す溶接ロボット１９の駆動によりアーク溶接を行うトーチ１７を基準方向（ビード形成方向）Ｖｂに移動させて、積層造形物の特定のビード層を形成する際に、アークのオンオフをどの位置で行うのかを簡単に求めることができる。つまり、ビードマップの各ポリゴン面のフラグを参照させることで、アークのオンオフ位置を自動抽出することができる。

具体的な参照手順としては、例えば次のような手順が挙げられる。
ビードマップＢＭ（ｊ，ｉ）は、積層造形物の形状を表すポリゴン面をインデックスｊ，ｉに対応させて生成したデータである。そこで、ビードマップＢＭ（ｊ，ｉ）を積層造形物の実空間での座標系（実座標系）の実空間ビードデータＲＤに変換する。この変換された実空間ビードデータＲＤには、積層造形物の形状を表す多数のポリゴン面内に、それぞれのポリゴン面に登録された前述したフラグが設定される。つまり、実座標系における積層造形物の表面に、その表面に対応するポリゴン面のフラグ（ＦＬＧ＿ＯＮ又はＦＬＧ＿ＯＦＦ）が割り振られる。また、ビードマップＢＭ（ｊ，ｉ）の範囲外の位置（積層造形物のビード層が配置されない領域）に対応する実空間ビードデータＲＤには、ビードを形成しないため、ビード形成オフのフラグ（ＦＬＧ＿ＯＦＦ）が登録される。

ここで、トーチ１７を基準方向Ｖｂに移動させながら、トーチ１７から発生させるアークによって、積層造形物のビード層を形成することを考える。その場合、トーチ１７の移動によって、トーチ先端位置に対する実空間ビードデータＲＤが、ビード形成オフのフラグ（ＦＬＧ＿ＯＦＦ）から、ビード形成オンのフラグ（ＦＬＧ＿ＯＮ）に変化したとき、トーチ１７からアークを発生させる。このときのトーチ先端位置が、ビード形成の開始端（図９の位置ＰＳ）に相当する。

そして、アークを発生させながらトーチ１７を基準方向Ｖｂに移動させる、その移動途中で、トーチ先端位置に対応する実空間ビードデータＲＤがオフのフラグ（ＦＬＧ＿ＯＦＦ）の位置を通過するとき、アークの発生を停止させる。このときのトーチ先端位置が、ビード形成の終端（図９の位置Ｐｅ）に相当する。

この制御によれば、積層造形物の３Ｄモデルデータの寸法情報から、基準方向に沿った前述したビードの形成始端及び終端の位置を逐一演算して、アーク発生開始位置、アーク停止位置を求める方法と比較して、実空間ビードデータＲＤを参照するだけで、ビード形成の開始及び停止タイミングを簡単に決定できるため、工程が簡素化できる。

上記したアークの駆動動作は、制御部３７による造形コントローラ１３の駆動指令となるプログラムの実行によって実現される。具体的には、図１に示す制御部３７が電源装置１５からトーチ１７に印加させる電力を、実空間ビードデータＲＤのフラグを参照して増減制御する。つまり、本構成によれば、積層造形物を造形するビード形成手順を示すプログラムを、３Ｄモデルデータから直接演算するのではなく、予め作成したビードマップから求めた実空間ビードデータＲＤのフラグを用いて決定するため、プログラムの生成工程を大幅に簡略化できる。

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。

上記例では、ビードマップのフラグに応じて、アーク溶接用のトーチに印加する電力を設定しているが、アーク以外の熱源の場合も同様に行える。例えば、レーザを熱源とする場合は、フラグに応じてレーザの出力を設定し、電子ビームを熱源とする場合には、フラグに応じて電子銃のビームエネルギー密度を設定すればよい。
また、積層造形物を積層造形する際のビード形成方向は、水平方向に限らず、上下方向や水平方向から傾斜した方向にすることができる。また、ビード形成方向は、直線に限らず、曲線であってもよい。

以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
（１） 積層造形物の３次元形状データを用いて、溶加材を溶融及び凝固させて形成するビードで前記積層造形物を積層造形する積層造形物の積層造形手順設計方法であって、
前記３次元形状データを用いて前記積層造形物の形状を複数のポリゴン面に分割する工程と、
予め定めた特定方向に沿って配列される前記ポリゴン面の列において、それぞれの前記列の一端の始端面から他端側に向けて、前記ポリゴン面にインデックス番号を順に付与する工程と、
前記ポリゴン面の列の隣り合う一対の面の向きに応じて、前記列の他端の終端面を検出する工程と、
前記始端面から前記終端面までの複数の前記ポリゴン面のうち前記終端面を除く面に、ビード形成オンのフラグを付与し、前記終端面に、ビード形成オフのフラグを付与する工程と、
前記ポリゴン面に付与された前記インデックス番号と前記フラグとを対応付けしたビードマップを生成する工程と、
前記ポリゴン面の列に沿って前記ビードを連続形成する造形手順を、前記ビードマップの前記ビード形成オンのフラグを有するポリゴン面から、前記ビード形成オフのフラグを有するポリゴン面の位置に到達したとき、当該ポリゴン面の列のビード形成を停止させ、次のポリゴン面の列のビード形成を行う手順に決定する工程と、
を備える積層造形物の積層造形手順設計方法。
この造形手順の設計方法によれば、ビード形成の際に、ビード形成位置が、ビード形成オンのフラグを有するポリゴン面からビード形成オフのフラグを有するポリゴン面に到達したときに、次のポリゴン面の列に移ることで、最適な造形手順で積層造形が行える。

（２） 前記特定方向は、前記ビードの形成方向である（１）に記載の積層造形物の積層造形手順設計方法。
この造形手順の設計方法によれば、特定方向をビード形成方向として造形することで、高効率な積層造形が実現できる。

（３） （１）又は（２）に記載の積層造形物の積層造形手順設計方法により決定された前記造形手順により、前記積層造形物を造形する積層造形物の製造方法。
この積層造形物の製造方法によれば、ビード形成のオンオフの位置が最適となり、高効率に積層造形が行える。

（４） 前記ビードは、アーク溶接のトーチを用いて形成され、
前記ビード形成オンのフラグを有するポリゴン面と、前記ビード形成オフのフラグを有するポリゴン面とで、アーク溶接のトーチに印加する電力を異ならせる（３）に記載の積層造形物の製造方法。
この積層造形物の造形方法によれば、ビード形成をアーク溶接によるアークの電源制御によって、高精度に行える。

（５） （３）又は（４）に記載の積層造形物の製造方法の前記造形手順を決定する制御部と、
前記制御部により決定された前記造形手順に応じて駆動され、前記ビードを形成する造形部と、
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、積層造形物を高効率で造形できる。

（６） 積層造形物の３次元形状データを用いて、溶加材を溶融及び凝固させて形成するビードで前記積層造形物を積層造形する積層造形手順を決定する手順を、コンピュータに実行させるプログラムであって、
前記コンピュータに、
前記３次元形状データを用いて前記積層造形物の形状を複数のポリゴン面に分割する手順と、
予め定めた特定方向に沿って配列される前記ポリゴン面の列において、それぞれの前記列の一端の始端面から他端側に向けて、前記ポリゴン面にインデックス番号を順に付与する手順と、
前記ポリゴン面の列の隣り合う一対の面の向きに応じて、前記列の他端の終端面を検出する手順と、
前記始端面から前記終端面までの複数の前記ポリゴン面のうち前記終端面を除く面に、ビード形成オンのフラグを付与し、前記終端面に、ビード形成オフのフラグを付与する手順と、
前記ポリゴン面に付与された前記インデックス番号と前記フラグとを対応付けしたビードマップを生成する手順と、
前記ポリゴン面の列に沿って前記ビードを連続形成する造形手順を、前記ビードマップの前記ビード形成オンのフラグを有するポリゴン面から、前記ビード形成オフのフラグを有するポリゴン面の位置に到達したとき、当該ポリゴン面の列のビード形成を停止させ、次のポリゴン面の列のビード形成を行なわせる造形手順に決定する手順と、
を実行させるプログラム。
このプログラムによれば、ビード形成の際に、ビード形成位置が、ビード形成オンのフラグを有するポリゴン面からビード形成オフのフラグを有するポリゴン面に到達したときに、次のポリゴン面の列に移ることで、最適な造形手順で積層造形できる。

１１ 造形部
１３ 造形コントローラ
１５ 電源装置
１７ トーチ
３１ ビードマップ生成部
３３ プログラム生成部
３５ 記憶部
３７ 制御部
４１ 積層造形物
５５Ａ～５５Ｅ ビード
１００ 積層造形物の製造装置
Ｆｍ 溶加材

Claims (6)

1. 積層造形物の３次元形状データを用いて、溶加材を溶融及び凝固させて形成するビードで前記積層造形物を積層造形する積層造形物の積層造形手順設計方法であって、
   前記３次元形状データと、予め定めた特定方向を入力する工程と、
   前記３次元形状データを用いて前記積層造形物の形状を前記特定方向に沿って複数のポリゴン面に分割する工程と、
   前記特定方向に沿って配列される前記ポリゴン面の列において、それぞれの前記列の一端の始端面から他端側に向けて、前記ポリゴン面にインデックス番号を順に付与する工程と、
   前記ポリゴン面の列における隣り合う一対の面の面法線の交差角に基づいて、前記列の他端の終端面を検出する工程と、
   前記始端面から前記終端面までの複数の前記ポリゴン面のうち前記終端面を除く面に、ビード形成オンのフラグを付与し、前記終端面に、ビード形成オフのフラグを付与する工程と、
   前記ポリゴン面に付与された前記インデックス番号と前記フラグとを対応付けしたビードマップを生成する工程と、
   前記ポリゴン面の列に沿って前記ビードを連続形成する造形手順を、前記ビードマップの前記ビード形成オンのフラグを有するポリゴン面から、前記ビード形成オフのフラグを有するポリゴン面の位置に到達したとき、当該ポリゴン面の列のビード形成を停止させ、次のポリゴン面の列のビード形成を行う手順に決定する工程と、
   を備える積層造形物の積層造形手順設計方法。
2. 前記特定方向は、前記ビードの形成方向である請求項１に記載の積層造形物の積層造形手順設計方法。
3. 請求項１又は請求項２に記載の積層造形物の積層造形手順設計方法により決定された前記造形手順により、前記積層造形物を造形する積層造形物の製造方法。
4. 前記ビードは、アーク溶接のトーチを用いて形成され、
   前記ビード形成オンのフラグを有するポリゴン面と、前記ビード形成オフのフラグを有するポリゴン面とで、アーク溶接のトーチに印加する電力を異ならせる請求項３に記載の積層造形物の製造方法。
5. 請求項３又は請求項４に記載の積層造形物の製造方法の前記造形手順を決定する制御部と、
   前記制御部により決定された前記造形手順に応じて駆動され、前記ビードを形成する造形部と、
   を備える積層造形物の製造装置。
6. 積層造形物の３次元形状データを用いて、溶加材を溶融及び凝固させて形成するビードで前記積層造形物を積層造形する積層造形手順を決定する手順を、コンピュータに実行させるプログラムであって、
   前記コンピュータに、
   前記３次元形状データと、予め定めた特定方向を入力する手順と、
   前記３次元形状データを用いて前記積層造形物の形状を前記特定方向に沿って複数のポリゴン面に分割する手順と、
   前記特定方向に沿って配列される前記ポリゴン面の列において、それぞれの前記列の一端の始端面から他端側に向けて、前記ポリゴン面にインデックス番号を順に付与する手順と、
   前記ポリゴン面の列における隣り合う一対の面の面法線の交差角に基づいて、前記列の他端の終端面を検出する手順と、
   前記始端面から前記終端面までの複数の前記ポリゴン面のうち前記終端面を除く面に、ビード形成オンのフラグを付与し、前記終端面に、ビード形成オフのフラグを付与する手順と、
   前記ポリゴン面に付与された前記インデックス番号と前記フラグとを対応付けしたビードマップを生成する手順と、
   前記ポリゴン面の列に沿って前記ビードを連続形成する造形手順を、前記ビードマップの前記ビード形成オンのフラグを有するポリゴン面から、前記ビード形成オフのフラグを有するポリゴン面の位置に到達したとき、当該ポリゴン面の列のビード形成を停止させ、次のポリゴン面の列のビード形成を行なわせる造形手順に決定する手順と、
   を実行させるプログラム。

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