(57)【要約】【課題】構造体を製造する際のリードタイムを短縮すると共に、鋳物部の注湯中及び注湯後に発生する外殻の熱変形を抑制して、製品品質を向上できる構造体の製造方法、及び構造体を提供する。【解決手段】溶加材を溶融及び凝固させたビード４３をベース４１上に積層し、構造体５１の外殻Ｗを積層造形する造形工程と、外殻Ｗに補強部材としてのリブ６１を接合させる接合工程と、外殻Ｗの内側空間に鋳湯を流し込み、外殻Ｗの内側に鋳物部４９を形成する鋳造工程と、を有する。補強部材としては、外殻Ｗの内側空間で外殻Ｗに接合する支持材としてもよい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造体の製造方法であって、
溶加材を溶融及び凝固させたビードをベース上に積層し、前記構造体の外殻を積層造形する造形工程と、
前記外殻に補強部材を接合させる接合工程と、
前記外殻の内側空間に鋳湯を流し込み、前記外殻の内側に鋳物部を形成する鋳造工程と、
を有する構造体の製造方法。
【請求項２】
前記補強部材は、前記外殻とは別体の少なくとも一方向に延びる板状体又は棒状体であり、
前記接合工程は、前記補強部材の長手方向を前記外殻に沿わせて、前記補強部材を前記外殻の外側に溶接する工程を含む請求項１に記載の構造体の製造方法。
【請求項３】
前記接合工程は、前記外殻とは別体の前記補強部材を前記外殻の内側空間に溶接する工程を含む請求項１又は２に記載の構造体の製造方法。
【請求項４】
前記外殻は、互いに対面する一対の第１壁部と第２壁部とを有し、
前記造形工程と前記接合工程は、
前記第１壁部を積層造形する工程と、
前記補強部材を、前記第１壁部の前記第２壁部側となる内側面に溶接する工程と、
前記補強部材を前記第１壁部との間に挟んで前記第２壁部を積層造形する工程と、
を含む請求項３に記載の構造体の製造方法。
【請求項５】
前記鋳造工程では、前記鋳湯を前記外殻の内側空間の下方から流し込んで前記鋳物部を形成し、
前記補強部材は、少なくとも一方向に延びる板状体又は棒状体であり、
前記接合工程では、前記補強部材の長手方向を前記内側空間に溜まる前記鋳湯の液位上昇方向に沿う方向にして、前記補強部材を前記外殻に溶接する請求項３又は４に記載の構造体の製造方法。
【請求項６】
前記補強部材は、金属ブロック材である請求項１〜５のいずれか一項に記載の構造体の製造方法。
【請求項７】
前記外殻を、溶接可能な壁面に接続して、前記外殻と、前記外殻に接続された壁面とによって前記内側空間を画成する請求項１〜６のいずれか一項に記載の構造体の製造方法。
【請求項８】
前記補強部材を前記外殻の複数箇所に設ける請求項１〜７のいずれか一項に記載の構造体の製造方法。
【請求項９】
前記ビードを、アークにより前記溶加材を溶融させて形成する請求項１〜８のいずれか一項に記載の構造体の製造方法。
【請求項１０】
溶加材が溶融及び凝固したビードの積層造形体であって、その内側に閉空間となる内側空間を画成する外殻と、
前記外殻に接合され、少なくとも１つの金属ブロック材からなる補強部材と、
前記外殻の前記内側空間に形成された鋳物部と、
を有する構造体。
【請求項１１】
前記外殻の外側に前記補強部材が溶接された請求項１０に記載の構造体。
【請求項１２】
前記外殻の内側に前記補強部材が溶接された請求項１０又は１１に記載の構造体。
【請求項１３】
前記補強部材が複数箇所に設けられている請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の構造体。
【請求項１４】
前記外殻の少なくとも一部が、前記外殻とは異なる剛性部材に接合され、前記外殻と前記剛性部材との間に前記鋳物部が形成されている請求項１０〜１３のいずれか一項に記載の構造体。
【請求項１５】
前記外殻の内側に、前記溶加材が溶融及び凝固したビードが積層造形された内殻が設けられ、
前記外殻と前記内殻は、前記ビードによる閉じられた線状の層が積層されており、
前記外殻と前記内殻との間に前記鋳物部が形成されている請求項１０〜１４のいずれか一項に記載の構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造体の製造方法、及び構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
機械部品の一製造方法である鋳造では、まず、製品の模型となる木型（金属、樹脂の場合もある）を製作し、その木型を基に砂型を造り、この砂型に溶融鋳鉄を流し込むことで、砂型のキャビティ内に鋳物品を形成する。しかし、このような鋳造においては、木型や砂型の製作に多くの工数を要し、完成品を得るまでのリードタイムが長くなる。さらに、少量生産の場合には、木型や砂型のコストが製品に付加されて製造コストが嵩む要因となっていた。
【０００３】
一方、新規な生産手段として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、さら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造形物を作製する。
【０００４】
このような溶融金属を積層して造形物を造形する技術として、溶接トーチから供給される溶加材によって形成されたビードを用いて金型を製造するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１には、金型の形状を表現する形状データを生成する工程と、生成された形状データに基づいて、金型を等高線に沿った積層体に分割する工程と、得られた積層体の形状データに基づいて、溶加材を供給する溶接トーチの移動経路を作成する工程と、を備える金型の製造方法が記載されている。
【０００５】
特許文献２には、金属積層造形法を用いて中空部を有する金属成形体を製造し、この金属成形体を鋳包んで中空部が外部と連通した鋳造品を製造する製造方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３７８４５３９号公報
【特許文献２】特開２０１４−１１３６１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１の技術は、機械部品を大量に生産するための金型の製造方法に関するものであり、機械部品の製造、特に、少量生産される機械部品の製造方法については記載されていない。特許文献２の技術によると、金属積層造形法によって形成された金属成形体を鋳包んで、中空部を有する鋳物品を製造するため、金属成形体を鋳包むための砂型や砂型を製作するための木型が不可欠であり、リードタイムが長くなる。また、少量生産時には、木型や砂型のコストについての課題が残る。
【０００８】
また、上記のような鋳包まれた鋳物品を製造する場合、型内に鋳湯を流し込む注湯工程で、金属成形体は熱膨張によって変形する。そのため、下記の問題を生じることになる。
（１）金属成形体は、注湯により加熱されて熱膨張し、冷却後には残留変形が生じる。そのため、設計どおりの製品形状とならない。
（２）注湯中に金属形成体に一時的な熱変形が発生し、冷却後にその変形が元の形状に戻る場合であっても、金属形成体の弾性変形中に鋳湯が凝固した場合には、冷却後の鋳物部と金属成形体との界面に隙間が発生し、双方が完全に一体化されない。
【０００９】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、構造体を製造する際のリードタイムを短縮すると共に、鋳物部の注湯中及び注湯後に発生する外殻の熱変形を抑制して、製品品質を向上できる構造体の製造方法、及び構造体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は下記構成からなる。
（１）  構造体の製造方法であって、
溶加材を溶融及び凝固させたビードをベース上に積層し、前記構造体の外殻を積層造形する造形工程と、
前記外殻に補強部材を接合させる接合工程と、
前記外殻の内側空間に鋳湯を流し込み、前記外殻の内側に鋳物部を形成する鋳造工程と、
を有する構造体の製造方法。
（２）  溶加材が溶融及び凝固したビードの積層造形体であって、その内側に閉空間となる内側空間を画成する外殻と、
前記外殻に接合され、少なくとも１つの金属ブロック材からなる補強部材と、
前記外殻の前記内側空間に形成された鋳物部と、
を有する構造体。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、構造体を製造する際のリードタイムを短縮すると共に、鋳物部の注湯中及び注湯後に発生する外殻の熱変形を抑制して、製品品質を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の構造体の製造システムを模式的に示す概略構成図である。
【図２】第１構成例の構造体の斜視図である。
【図３】（Ａ），（Ｂ）は、図２に示す構造体の外殻とリブの形成手順を示す工程説明図である。
【図４】外殻の内側空間の鋳湯の凝固後における図２に示す構造体のＡ−Ａ断面図である。
【図５】外殻にリブを設けない場合を示す図４に対応する参考図である。
【図６】環状に形成された構造体の模式的な構成図である。
【図７】第２構成例の構造体の斜視図である。
【図８】（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、図７に示す構造体の外殻と支持材の形成手順を示す工程説明図である。
【図９】鋳造工程における外殻の概略的な一部断面図である。
【図１０】外殻の内側空間の鋳湯の凝固後における図７に示す構造体のＢ−Ｂ断面図である。
【図１１】第３構成例の構造体の図４，図１０に対応する断面図である。
【図１２】構造体の他の構成例を示す模式的な一部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。本発明の構造体は、構造体の外側壁となる外殻を、後述する積層造形により形成し、形成した外殻の内側に画成される内側空間に鋳湯を流し込み、外殻の内側に鋳物部を形成することで製造される。
【００１４】
図１は本発明の構造体の製造システムを模式的に示す概略構成図である。
構造体の製造システム１００は、積層造形装置１１と、鋳造装置１３と、積層造形装置１１を統括制御するコントローラ１５と、を備える。コントローラ１５は、鋳造装置１３を含めて制御するものであってもよい。
【００１５】
積層造形装置１１は、先端軸にトーチ１７を有する溶接ロボット１９と、トーチ１７に溶加材（溶接ワイヤ）Ｍを供給する溶加材供給部２３とを有する。
【００１６】
鋳造装置１３は、不図示の加熱炉によって加熱された鋳湯２５を貯留するるつぼ２７を有し、不図示の注湯機構によって鋳湯２５が所望の位置に供給可能となっている。これら積層造形装置１１と鋳造装置１３は、本構成においては、それぞれ既存の装置が用いられる。
【００１７】
コントローラ１５は、ＣＡＤ／ＣＡＭ部３１と、軌道演算部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。
【００１８】
溶接ロボット１９は、多関節ロボットであり、先端軸に設けたトーチ１７には、溶加材Ｍ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。溶接ロボット１９は、多関節ロボットに限らず、例えば互いに直交する軸に沿ってヘッドが移動する直交ロボット等であってもよい。
【００１９】
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。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、作製する構造体に応じて適宜選定される。
【００２０】
例えば、消耗電極式の場合には、シールドノズルの内部に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Ｍがコンタクトチップに保持される。トーチ１７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させる。
【００２１】
溶加材Ｍ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２３からトーチ１７に送給される。溶加材Ｍは、あらゆる市販の溶接ワイヤが使用可能である。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。
【００２２】
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。
【００２３】
ＣＡＤ／ＣＡＭ部３１は、作製しようとする構造体の外殻となる積層造形体Ｗの形状データを作成した後、複数の層に分割して各層の形状を表す層形状データを生成する。軌道演算部３３は、生成された層形状データに基づいてトーチ１７の移動軌跡を求める。記憶部３５は、生成された層形状データやトーチ１７の移動軌跡等のデータを記憶する。
【００２４】
制御部３７は、記憶部３５に記憶された層形状データやトーチ１７の移動軌跡に基づく駆動プログラムを実行して、溶接ロボット１９を駆動する。
【００２５】
制御部３７の駆動指令により、トーチ１７を移動しつつ、連続送給される溶加材Ｍを溶融及び凝固させると、ベース４１上に溶加材Ｍの溶融凝固体である線状のビード４３が形成される。
【００２６】
上記構成の構造体の製造システム１００は、積層造形装置１１により、上記した積層造形体Ｗをベース４１上に造形する。即ち、溶加材Ｍを溶融及び凝固させたビード４３を、板状のベース４１上に形成し、平面視で閉じられた線状の形にする。このビード４３を順次に積層することで、ビード４３を隙間のない連続した状態で、閉じられた線状の層にして形成する。この線状の層を上下方向に隙間なく積層して、有底筒状の積層造形体Ｗを造形する。
【００２７】
ベース４１は、鋼板等の金属板からなり、基本的には積層造形体Ｗの底面（最下層の面）より大きいものが使用される。また、ベース４１は、板状に限らず、ブロック体や棒状等、他の形状であってもよい。
【００２８】
鋳造装置１３は、造形された積層造形体Ｗの内側空間４５に鋳湯２５を流し込む。流し込んだ鋳湯２５が凝固すると、積層造形体Ｗの内側空間４５に鋳物部４９が形成された構造体が得られる。
【００２９】
＜構造体の基本的な製造手順＞
次に、構造体の製造システム１００により積層造形体Ｗを造形し、更に鋳物部４９を形成して構造体を得るまでの基本的な手順を説明する。
【００３０】
まず、コントローラ１５は、溶接ロボット１９により積層造形体Ｗを造形させる駆動プログラムを作成する。
【００３１】
ＣＡＤ／ＣＡＭ部３１は、作製しようとする構造体の形状データが入力され、この構造体の形状データに応じて、構造体の外殻となる積層造形体Ｗの形状モデルを生成する。形状モデルは、１回のビード形成によって得られるビードの高さ毎の層形状データを生成する。
【００３２】
つまり、ベース４１から高さ毎の各層における、形状モデルの断面形状を表す層形状データを、形状データから解析的に求めて生成する。生成された各層の層形状データは、軌道演算部３３に送られる。
【００３３】
軌道演算部３３は、入力された層形状データに応じたトーチ１７の移動軌跡を演算する。移動軌跡は、例えば、始端点、終端点、及び始端点から終端点までの移動経路を含む座標データやベクトルデータとして求められる。軌道演算部３３は、各層形状データから求めた移動軌跡に沿ってトーチ１７を移動させるための溶接ロボット１９の駆動プログラムを生成し、記憶部３５に保存する。
【００３４】
（外殻の造形工程）
制御部３７は、生成された駆動プログラムに基づいて溶接ロボット１９を駆動する。
制御部３７は、溶接ロボット１９を駆動して、トーチ１７を１層目の移動軌跡に沿って移動させ、ベース４１上に第１層目のビード４３を形成する。続いて、トーチ１７を２層目の移動軌跡に沿って移動させ、第２層目のビード４３を形成する。この動作を繰り返し、最終的に第ｎ層目のビード４３を形成する。これにより、積層造形体Ｗ（以下、外殻と称する。）が造形される。
【００３５】
（補強部材の接合工程）
次に、詳細は後述するが、外殻Ｗに、外殻Ｗとは別途に用意された補強部材を溶接する。
【００３６】
（鋳造工程）
次に、るつぼ２７を、不図示の注湯機構により外殻Ｗの位置まで移動させて、鋳湯２５を、湯口４６及び湯道４７を介して外殻Ｗの内側空間４５に流し込む。図１においては、湯口４６及び湯道４７の概略形状を単純化して示しているが、実際の湯口４６及び湯道４７は、鋳造型によって形成される。そして、外殻Ｗの内側空間４５に流し込んだ鋳湯２５を凝固させて、鋳物部４９を形成する。
【００３７】
この鋳造工程は、コントローラ１５によらずに、人手を介して行うものであってもよい。その後、必要に応じてベース４１をワイヤーソーやダイヤモンドカッター等による切断機で切り離す。
【００３８】
以上の工程により、線状のビード層が積層された外殻Ｗと、この外殻Ｗに接合された補強部材と、外殻Ｗの内側空間に設けられた鋳物部４９と、を備える構造体５１が得られる。
【００３９】
なお、ベース４１として、第１層目の移動軌跡の形状と同じ外縁形状を有する板材を用い、第１層目のビード４３をベース４１の外縁に沿って形成してもよい。その場合、外殻Ｗからベース４１が殆ど突出しないため、ベース４１を切り離す工程を省略できる。
【００４０】
また、外殻Ｗからのベース４１の切り離しは、ベース４１との界面ではなく、ベース４１の近傍となる２，３層目のビード４３を含めて切り離す工程としてもよい。ベース４１の近傍では、ベース４１からの抜熱効果が高いため、残留応力が大きくなる傾向がある。一方、３層目以降のビード４３では、次層の積層により焼鈍されて残留応力が緩和される。そのため、ベース４１近傍の数層のビード４３を含めて切り離すことで、残留応力の影響を意識しなくて済む。
【００４１】
上記したビード４３の積層造形は、各層で環状に積層する例であるが、螺旋状に連続積層してもよい。即ち、前層のビード４３の終端点と次層のビード４３の始端点とを連続させて造形することで、トーチ１７を停止させることなくビード４３を連続形成できる。これによれば、タクト時間を短縮でき、均質なビード４３で外殻Ｗを造形できる。
【００４２】
以上の外殻Ｗの造形工程と、鋳物部の鋳造工程とによれば、構造体５１の外殻Ｗがビード４３で積層造形され、外殻Ｗの内側空間４５が鋳物部で充填される。そのため、構造体５１の全体を積層造形する場合と比較して、積層造形に必要となる工程を大幅に軽減できる。また、外殻Ｗを積層造形することにより、鋳造の型製作工程やそのための費用を不要にできる。このため、鋳造工程を簡略化でき、構造体を製造するリードタイムを短縮できる。
【００４３】
そして、ビード４３の積層によって外殻Ｗを任意形状に造形できるため、構造体の形状の設計自由度が向上する。よって、鋳造のみによって構造体を作製する場合に型の製作が煩雑となる、複雑な形状の構造体であっても、簡単に作製できる。例えば、構造体が、その高さ方向に形状が異なる中空形状やオーバーハング等を有する複雑な形状であっても、簡単に造形できる。また、外殻Ｗの内側空間４５に、狭細な部位が存在しても、鋳湯２５が流動可能であれば内側空間４５に鋳湯２５を隙間なく充填でき、意図した通りの鋳物部を確実に形成できる。
【００４４】
更に、ビード４３により造形される外殻Ｗの表面には、層単位の凹凸形状が形成されるため、鋳物部と外殻Ｗとの接合強度が向上し、構造体自体の機械的強度が高められる。
【００４５】
そして、外殻Ｗの内側空間４５に積層材料（溶加材Ｍ）より安価な材料を鋳込むことで、比較的高価な積層材料の使用が外殻Ｗのみで済む。そのため、構造体５１の全てを積層材料で製作する場合と比較して、材料費を抑え、製造コストを低減できる。
【００４６】
次に、上記した構造体の製造方法により作製される構造体の補強部材について、具体例に説明する。
＜第１構成例＞
図２は第１構成例の構造体５１の斜視図である。
本構成の構造体５１は、断面長方形で中空の外殻Ｗと、外殻Ｗの内側空間４５に鋳湯を流し込んで凝固させた鋳物部４９とを有する。以降の説明の図面においては、図１に示すベース４１を省略、又は一部を省略した状態を図示している。
【００４７】
図２に示す外殻Ｗは、互いに対面する第１壁部５３Ａと第２壁部５３Ｂとを有する。第１壁部５３Ａ及び第２壁部３３Ｂの外側には、補強部材としての一対のリブ６１がそれぞれ溶接される。図２においては、第１壁部５３Ａに一対のリブ６２を設けているが、リブ６１の設置数は１つであってもよく、３つ以上であってもよい。
【００４８】
リブ６１は、一方向に延びる板状の金属ブロック材（バルク材）である。リブ６１は、第１壁部５３Ａの長手方向となるビード４３の形成方向Ｄ１に長手方向を沿わせ、短手方向を第１壁部５３Ａから外側に向けて突出させて設けてある。一対のリブ６１は、互いに平行に、且つ互いに離間して、第１壁部５３の長手方向の一端部から他端部までの間に設けられる。また、第２壁部５３Ｂにも、第１壁部５３Ａと同様の形態で少なくとも１つのリブが溶接される。なお、リブ６１は、少なくとも一方の壁部（第１壁部５３Ａ）に形成されていればよい。
【００４９】
リブ６１の材質は、ビード４３と線膨張係数が近く、溶接性及び耐荷重性に優れる鋼材等が好ましい。また、これに限らず、他の金属材料やセラミックス等であってもよい。リブ６１がセラミックスの場合は、ブレージング等により外殻Ｗと接合することができる。
【００５０】
リブ６１は、長手方向に連続して形成されていてもよく、直線上で複数に分断されていてもよい。また、リブ６１の配置位置は、矩形状の第１壁部５３Ａ（第２壁部５３Ｂ）における一対の対向辺と平行にされ、この一対の対向辺の一端部から他端部までの間で、各対向辺から等間隔に配置されていてもよい。また、矩形状の対角線方向に配置されていてもよい。そして、複数のリブ６１を“＋”形や“×”形のように交差して配置してもよく、矩形、多角形、円形、楕円形等の環状にして配置してもよい。その場合には、外殻Ｗをその変形方向によらずに高強度な構成にでき、外殻Ｗの加熱や熱収縮による変形を効率よく抑制できる。
【００５１】
図３の（Ａ），（Ｂ）は、図２に示す構造体５１の外殻Ｗとリブ６１の形成手順を示す工程説明図である。
構造体５１の外殻Ｗは、図３の（Ａ）に示すように、図１に示す溶接ロボット１９が、ベース１４上にビード４３を順次に積層造形することで積層造形される
【００５２】
そして、図３の（Ｂ）に示すように、溶接ロボット１９が、積層造形された外殻Ｗにリブ６１を溶接する。この場合、リブ６１の溶接を外殻Ｗの積層造形に使用する溶接ロボット１９で行うことで、設備や工数の増加を低減できる。
【００５３】
次に、鋳造装置１３により、外殻Ｗの内側空間４５に鋳湯２５を流し込んで凝固させ、鋳物部４９を形成する。鋳湯２５は、図２に示す外殻Ｗの下側から矢印ＨＭで示すように内側空間４５へ流し込まれる。これにより、外殻Ｗの内側に鋳物部４９が一体に構成された構造体５１が得られる。
【００５４】
図４は外殻Ｗの内側空間の鋳湯の凝固後における図２に示す構造体５１のＡ−Ａ断面図であり、図５は補強部材を設けない場合の図４に対応する参考図である。
図４に示すように、リブ６１が接合された外殻Ｗは、鋳湯の凝固による熱収縮（矢印Ｐａ）のために、第１壁部５３Ａと第２壁部５３Ｂとが互いに接近する方向に応力が発生する。しかし、第１壁部５３Ａと第２壁部５３Ｂは、リブ６１によって補強されるため、各壁部の変形が抑制される。
【００５５】
一方、図５に示すように、補強部材であるリブ６１を外殻Ｗに設けない場合には、外殻Ｗは、鋳湯の熱収縮（矢印Ｐａ）のために内側へ向けて大きく変形する。また、注湯中に外殻Ｗに一時的な熱変形が発生し、冷却後にその変形が元の形状に戻る途中で鋳湯が凝固した場合には、冷却後の鋳物部４９と外殻Ｗの内側面との間に隙間６０が発生しやすくなる。
【００５６】
このように、本構成の構造体５１によれば、リブ６１による補強効果によって冷却後の残留変形が抑えられ、設計寸法からのずれを低減できる。また、外殻Ｗの変形が抑制されるため、外殻Ｗより先に鋳湯が凝固した場合でも外殻Ｗの弾性変形量が少なく、外殻Ｗと鋳物部４９との間に隙間が生じにくくなる。これにより、構造体５１の製品品質を向上できる。
【００５７】
さらに、リブ６１が構造体５１の外側に突出して設けられるため、リブ６１に更に他の部材を溶接や締結等により設けることができ、構造体５１の設計自由度を向上できる。
【００５８】
ここで、図２〜図４に示す外殻Ｗは、第１壁部５３Ａと第２壁部５３Ｂと側壁５５とを連続したビード４３で形成している。これに対して、図６に示すように、構造体５１Ａが環状に形成される場合には、構造体５１Ａの内側の第１壁部５３Ａが内壁となり、外側の第２壁部５３Ｂが外壁となり、側壁５５が省略される。その場合でも、リブ６１は、第１壁部５３Ａと第２壁部５３Ｂの少なくとも一方に一つ又は複数設けることで、各壁部を補強して、外殻Ｗの変形を抑制できる。
【００５９】
この環状の構造体５１Ａによれば、中央部に空間が形成される中空形状のため、構造体５１Ａの外形の大きさに対する重量を軽減できる。また、使用箇所や使用目的等に応じて構造体５１Ａの形状を多様に設計でき、構造体５１Ａの適用対象をより広げることができる。
【００６０】
また、外殻Ｗに接合されたリブ６１は、構造体５１の冷却後に、除去してもよい。
【００６１】
＜第２構成例＞
図７は第２構成例の構造体５１Ｂの斜視図である。
本構成の構造体５１Ｂは、前述したリブ６１の代わりの補強部材として、外殻Ｗの内側空間４５に、第１壁部５３Ａ及び第２壁部５３Ｂとを接合する支持材６５を設けてある。その他の構成は第１構成例と同様であるので、同一の部位や部材については、同一の符号を付与することで、その説明を省略、又は簡単化する。
【００６２】
図７においては、外殻Ｗの内側空間４５に一対の支持材６５を設け、各支持材６５を外殻Ｗと接合している。支持材６５の設置数は１つであってもよく、３つ以上であってもよい。支持材６５の設置数が増えるほど、発生する応力が分散され、応力集中が生じにくくなる。
【００６３】
支持材６５は、第１壁部５３Ａと第２壁部５３Ｂとを連結して、各壁部からの互いに接近する方向の力を支持できる部材であればよい。支持材６５の形状は、特に限定されないが、一方向に延びる板状体や棒状体等にすることができる。支持材６５は、詳細を後述するように、第１壁部５３Ａと第２壁部５３Ｂに溶接された後、鋳湯によって鋳包まれる。
【００６４】
支持材６５としては、ビード４３と線膨張係数が近く、溶接性及び耐荷重性に優れる鋼材等の金属ブロック材（バルク材）を使用できる。また、これに限らず、他の金属材料やセラミックス等であってもよい。
【００６５】
支持材６５は、図７に示す構成では、矩形状の第１壁部５３Ａと第２壁部５３Ｂの水平方向幅の中央で、上下方向に沿って互いに離間して一対が配置されている。一対の支持材６５は、互いに平行に、且つ互いに離間して、直線状に設けられる。支持材６５の配置形態は、これに限らず、例えば、対角線方向に沿って配置した形態や、規則的又はランダムに分散配置した形態であってもよい。
【００６６】
図８の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、図７に示す構造体５１Ｂの外殻Ｗと支持材６５の形成手順を示す工程説明図である。なお、図８は図７の背面側から見た斜視図である。
まず、図１に示す溶接ロボット１９がトーチ１７を移動させて、図８の（Ａ）に示すように、第１壁部５３Ａをビード４３の積層によって積層造形する。
【００６７】
そして、図８の（Ｂ）に示すように、溶接ロボット１９により、積層造形した第１壁部５３Ａの、第２壁部側となる内側面に支持材６５を溶接する。支持材６５の溶接は、アークによる隅肉溶接や開先溶接等であってもよく、レーザ溶接等を用いてもよい。さらに、支持材６３がセラミックスの場合は、ブレージングにより外殻Ｗと接合できる。
【００６８】
次に、図８の（Ｃ）に示すように、溶接ロボット１９により支持材６５を第１壁部５３Ａとの間に挟んだ状態で、第２壁部５３Ｂを積層造形する。これとともに、第１壁部５３Ａと第２壁部５３Ｂとを接続する側壁５５も積層造形する。このとき、溶接ロボット１９は、支持材６５が第２壁部５３Ｂと溶接されるように第２壁部５３Ｂを積層造形する。これにより、第１壁部５３Ａと第２壁部５３Ｂとが、支持材６５によって一体に接合された外殻Ｗが形成される。なお、外殻Ｗの底部は、図１に示すベース４１により構成される。
【００６９】
次に、外殻Ｗの内側空間４５に鋳湯２５を流し込んで凝固させ、鋳物部４９を形成する。鋳湯２５は、図７に示す外殻Ｗの下側から矢印ＨＭで示すように内側空間４５へ流し込まれる。これにより、外殻Ｗの内側に鋳物部４９が一体に構成された構造体５１Ｂが得られる。
【００７０】
図９は鋳造工程における外殻Ｗの概略的な一部断面図である。
支持材６５は、その長手方向Ｄ２を図７の上下方向に沿わせて外殻Ｗに接合されている。
【００７１】
鋳造工程では、外殻Ｗの内側空間４５の下方から鋳湯２５が流し込まれる。したがって、内側空間４５に溜まる鋳湯２５の液位は、内側空間４５の下方から徐々に上昇して、ついには、内側空間４５の全てが鋳湯２５で充填される。そのため、鋳湯２５を内側空間４５に流し込むと、鋳湯２５の液位（液面）が上昇して支持材６５の下端に到達する。その後、液位が支持材６５の下端から上端に向けて上昇し、支持材６５が徐々に鋳湯２５内に埋められる。このとき、支持材６５に鋳湯２５を挟み込む凹部が備わった形状の場合、鋳湯２５の液位の上昇に伴って凹部内に内側空間４５内のガスが溜まり、このガスが抜けなくなる。鋳湯２５の充填後にガス溜まりが残存すると、鋳湯２５が凝固して形成される鋳物部４９内に隙間（巣）を生じさせる。
【００７２】
そこで、本構成の構造体５１Ｂにおいては、支持材６５が、その長手方向を内側空間４５に溜まる鋳湯２５の液位上昇方向Ｄ３に沿う方向（図７，図８の上下方向）に向けて、外殻Ｗに溶接されている。これにより、鋳湯２５の液位が上昇して、支持材６５が鋳湯２５内に埋まるときに、鋳湯２５を、支持材６５と鋳湯２５との間に隙間を生じさせずに充填できる。
【００７３】
そのため、支持材６５の長手方向Ｄ２は、液位上昇方向Ｄ３との成す角θが±６０°以内、好ましくは±３０°以内、更に好ましくは±１０°以内、より好ましくは±５°以内がよい。また、支持材６５の下面６５ａは、水平方向から傾斜する傾斜面であることが好ましい。
【００７４】
図１０は外殻Ｗの内側空間の鋳湯の凝固後における図７に示す構造体５１のＢ−Ｂ断面図である。
第１構成例の場合と同様に、本構成においても鋳湯の凝固による熱収縮（矢印Ｐａ）のため、外殻Ｗの第１壁部５３Ａ，第２壁部５３Ｂは互いに接近する方向に応力が発生する。しかし、第１壁部５３Ａと第２壁部５３Ｂとの間は、支持材６５によって補強されているため、各壁部の変形が抑制される。その結果、冷却後の残留変形が抑えられ、設計寸法からのずれを低減できる。また、外殻Ｗの変形が抑制されるため、外殻Ｗより先に鋳湯が凝固した場合でも外殻Ｗの弾性変形が小さく、外殻Ｗと鋳物部４９との間に隙間が生じにくくなる。これにより、構造体５１Ｂの製品品質を向上できる。
【００７５】
ここで、図７、図８においては、構造体５１Ｂの外殻Ｗが、第１壁部５３Ａ、第２壁部５３Ｂ、及び側壁５５を連続したビード４３で形成されているが、前述した図６に示す環状の構造体５１のように、内側の第１壁部５３Ａを内壁、外側の第２壁部５３Ｂを外壁として形成することもできる。
【００７６】
＜第３構成例＞
図１１は第３構成例の構造体５１Ｃの図４，図１０に対応する断面図である。
本構成の構造体５１Ｃは、前述した第１構成例のリブ６１と、第２構成例の支持材６５とを共に備える。
【００７７】
本構成の構造体５１Ｃによれば、リブ６１と支持材６５による相乗的な補強効果によって、鋳湯の凝固による外殻Ｗの変形が更に抑制され、製品品質を更に向上できる。
【００７８】
＜他の構成例＞
上記の構造体５１，５１Ａ，５１Ｂにおいては、外殻Ｗの全体を、積層造形により形成されたた環状のビード４３により構成していたが、これに限らない。
図１２は構造体の他の構成例を示す模式的な一部断面図である。
構造体５１Ｄは、外殻Ｗの一部（図１２においては第２壁部５３Ｂ）を、ビードの積層造形体に代えて剛性部材７１の壁面７１ａで構成している。つまり、剛性部材７１の壁面７１ａに、外殻Ｗを構成するビードが接続され、この外殻Ｗと、剛性部材７１の壁面７１ａとによって囲まれた領域が、外殻Ｗの内側空間４５となっている。剛性部材７１は、鋼材等の金属ブロック、他の構造物の壁部等、外殻Ｗとは別部材で、外殻Ｗと溶接可能な材料であればよい。
【００７９】
内側空間４５には、鋳湯が充填された鋳物部４９が形成される。また、図示はしていないが、本構成の構造体５１Ｄには、第１構成例のリブ６１（図２参照）、第２構成例の支持材６３（図７参照）の少なくとも一方が設けられる。
【００８０】
本構成の構造体５１Ｄによれば、外殻Ｗの一部が剛性部材７１により構成されるため、これに接続される外殻Ｗの剛性が向上し、加熱による熱変形や、鋳湯が凝固する際の熱収縮による歪みが生じにくくなる。これにより、構造体５１Ｄの設計寸法からのずれが低減し、外殻Ｗと鋳物部４９との間の隙間の発生が抑制される。
【００８１】
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。
【００８２】
また、上記の製造方法では、アーク放電により溶接ワイヤを溶解してビードを形成しており、エネルギー効率が高く、しかも低コストで構造体を積層造形できる。なお、ビードは、アーク放電とレーザとを併用した加熱方式を採用してもよい。その場合、加熱量を更に細かく制御でき、ビードの状態をより適正に維持して、積層造形体の更なる品質向上に寄与できる。
【００８３】
さらに、上記の説明では、ビードを一つの閉じられた線状にした層を形成した構成を示しているが、ビードによる閉じられた線は、複数箇所に存在してもよい。また、閉じられた線状の層において、ビードによる線の外側や内側に更に延出するビード部分が存在してもよい。いずれの場合でも、閉じられた領域内にそれぞれ鋳湯を流し込むことで、より複雑な形状の構造体を作製できる。この場合の閉じられた領域とは、長方形に限らず、正方形や三角形、その他の多角形、円形、楕円形等の任意の形状にできる。
【００８４】
また、上記の説明では、一本の線状のビードにより外殻となる積層造形体を造形しているが、ウィービング動作のようにトーチを揺動させながらビードを形成したり、円や三角等の軌跡を描かせながらトーチを移動させたりしてもよい。その場合、ビード幅を増加させて、外殻や内殻等の厚さを任意に調整できる。
【００８５】
いずれの構造体も、外殻の底部をベースによって形成しているが、これに限らない。例えば、ベースに形成したビードを起点として、ベースから離れる方向に繰り返しビードを形成することで、ベースとは別途に外殻の底部を造形してもよい。
【００８６】
以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
（１）  構造体の製造方法であって、
溶加材を溶融及び凝固させたビードをベース上に積層し、前記構造体の外殻を積層造形する造形工程と、
前記外殻に補強部材を接合させる接合工程と、
前記外殻の内側空間に鋳湯を流し込み、前記外殻の内側に鋳物部を形成する鋳造工程と、
を有する構造体の製造方法。
この構造体の製造方法によれば、構造体の外殻を形成するための木型等の製作が不要となり、型製作の工程及び費用を削減でき、リードタイムの短縮と製造コストの低減が図れる。さらに、外殻を補強する補強部材によって、鋳物部の注湯中及び注湯後に発生する外殻の熱変形が抑制され、冷却後の設計寸法からのずれを低減できる。また、外殻の変形が抑制されるため、外殻の熱変形が冷却によって戻る前に鋳湯が凝固した場合でも、外殻の弾性変形量は少ない。したがって、冷却後に外殻と鋳物部との間に隙間が生じにくくなり、構造体の製品品質が向上する。
【００８７】
（２）  前記補強部材は、前記外殻とは別体の少なくとも一方向に延びる板状体又は棒状体であり、
前記接合工程は、前記補強部材の長手方向を前記外殻に沿わせて、前記補強部材を前記外殻の外側に溶接する工程を含む（１）に記載の構造体の製造方法。
この構造体の製造方法によれば、鋳湯の収縮による外殻の変形を、外殻の外側の補強部材によって抑制できる。
【００８８】
（３）前記接合工程は、前記外殻とは別体の前記補強部材を前記外殻の内側空間に溶接する工程を含む（１）又は（２）に記載の構造体の製造方法。
この構造体の製造方法によれば、鋳湯の収縮による外殻の変形を、外殻の内側の補強部材によって抑制できる。
【００８９】
（４）  前記外殻は、互いに対面する一対の第１壁部と第２壁部とを有し、
前記造形工程と前記接合工程は、
前記第１壁部を積層造形する工程と、
前記補強部材を、前記第１壁部の前記第２壁部側となる内側面に溶接する工程と、
前記補強部材を前記第１壁部との間に挟んで前記第２壁部を積層造形する工程と、
を含む（３）に記載の構造体の製造方法。
この構造体の製造方法によれば、積層造形した第１壁部に補強部材を溶接した後に第２壁部を積層造形することにより、第１壁部と第２壁部との間に補強部材を接合した外殻を容易に作製できる。
【００９０】
（５）  前記鋳造工程では、前記鋳湯を前記外殻の内側空間の下方から流し込んで前記鋳物部を形成し、
前記補強部材は、少なくとも一方向に延びる板状体又は棒状体であり、
前記接合工程では、前記補強部材の長手方向を前記内側空間に溜まる前記鋳湯の液位上昇方向に沿う方向にして、前記補強部材を前記外殻に溶接する（３）又は（４）に記載の構造体の製造方法。
この構造体の製造方法によれば、鋳湯を内側空間に流し込む際に、補強部材の外面との間に隙間が生じることなく、補強部材の全体を確実に鋳包むことができる。
【００９１】
（６）  前記補強部材は、金属ブロック材である（１）〜（５）のいずれか一つに記載の構造体の製造方法。
この構造体の製造方法によれば、ビードの積層構造体とは異なる金属ブロック材により補強部材を形成することで、製造工程を簡略化でき、しかも、補強部材の材料選択の自由度を高められる。
【００９２】
（７）  前記外殻を、溶接可能な壁面に接続して、前記外殻と、前記外殻に接続された壁面とによって前記内側空間を画成する（１）〜（６）のいずれか一つに記載の構造体の製造方法。
この構造体の製造方法によれば、外殻の剛性が向上して、加熱による熱変形や鋳湯の凝固による熱収縮が生じにくくなる。これにより、構造体の設計寸法からのずれが低減され、外殻と鋳物部との間の隙間の発生が抑制される。
【００９３】
（８）  前記補強部材を前記外殻の複数箇所に設ける（１）〜（７）のいずれか一つに記載の構造体の製造方法。
この構造体の製造方法によれば、外殻の複数箇所でそれぞれ補強されるため、外殻の変形がより均一に低減される。
【００９４】
（９）  前記ビードを、アークにより前記溶加材を溶融させて形成する（１）〜（８）のいずれか一つに記載の構造体の製造方法。
この構造体の製造方法によれば、エネルギー効率を高めて、しかも低コストで構造体を積層造形できる。
【００９５】
（１０）  溶加材が溶融及び凝固したビードの積層造形体であって、その内側に閉空間となる内側空間を画成する外殻と、
前記外殻に接合され、少なくとも１つの金属ブロック材からなる補強部材と、
前記外殻の前記内側空間に形成された鋳物部と、
を有する構造体。
この構造体によれば、構造体が外殻と鋳物部により構成されるため、外殻の内側空間に積層材料より安価な材料を鋳込むことで、比較的高価な積層材料の使用が外殻のみで済む。そのため、構造体の全てを積層材料で製作する場合と比較して、材料費を抑え、製造コストを低減できる。また、ビードの積層造形体とは異なる金属ブロック材で補強部材が形成されるため、目的に応じた補強部材の材質変更が容易な構成にできる。
【００９６】
（１１）  前記外殻の外側に前記補強部材が溶接された（１０）に記載の構造体。
この構造体によれば、補強部材によって外殻が補強された高強度な構成にできる。また、補強部材に、更に他の部材を設ける等、構造体の設計自由度を向上できる。
【００９７】
（１２）  前記外殻の内側に前記補強部材が溶接された（１０）又は（１１）に記載の構造体。
この構造体によれば、補強部材によって外殻が補強された高強度な構成にできる。
【００９８】
（１３）  前記補強部材が複数箇所に設けられている（１０）〜（１２）のいずれか一つに記載の構造体。
この構造体によれば、補強部材を複数設けることで、負荷荷重が分散され、応力集中が生じにくくなる。
【００９９】
（１４）  前記外殻の少なくとも一部が、前記外殻とは異なる剛性部材に接合され、前記外殻と前記剛性部材との間に前記鋳物部が形成されている（１０）〜（１３）のいずれか一つに記載の構造体。
この構造体によれば、鋳物部を形成するための壁の一部が外殻とは異なる剛性部材が用いられるため、外殻を積層造形する工程が軽減され、外殻の剛性が向上する。よって、加熱による熱変形や鋳湯の凝固による熱収縮が生じにくくなり、構造体の設計寸法からのずれが低減され、外殻と鋳物部との間の隙間の発生が抑制される。
【０１００】
（１５）  前記外殻の内側に、前記溶加材が溶融及び凝固したビードが積層造形された内殻が設けられ、
前記外殻と前記内殻は、前記ビードによる閉じられた線状の層が積層されており、
前記外殻と前記内殻との間に前記鋳物部が形成されている（１０）〜（１４）のいずれか一つに記載の構造体。
この構造体によれば、使用箇所や使用目的等に応じて構造体の形状を多様に設定でき、構造体の適用対象をより広げることができる。
【符号の説明】
【０１０１】
１１  積層造形装置
１３  鋳造装置
１５  コントローラ
１７  トーチ
１９  溶接ロボット
２３  溶加材供給部
２５  鋳湯
３７  制御部
４１  ベース
４３  ビード
４５  内側空間
４９  鋳物部
５１，５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃ，５１Ｄ  構造体
５３Ａ  第１壁部
５３Ｂ  第２壁部
６１  リブ（補強部材）
６５  支持材（補強部材）
７１  剛性部材
７１ａ  壁面
Ｗ    外殻
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2020062654.tif 000009
【図８】
2020062654.tif 000010
【図９】
2020062654.tif 000011
【図１０】
2020062654.tif 000012
【図１１】
2020062654.tif 000013
【図１２】
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