(57)【要約】      （修正有）【課題】簡易な構造で製造コスト、運転コストとも安価な立体物製作装置を提供する。【解決手段】デジタル情報として表現されている立体形状を、平行な複数の仮想的な平面で切断した断層形状の集合として表現する。その最も外側に位置する断層形状になるよう、板材を除去加工手段によって断面形状に含まれない不要部を除去し、断層形状を有する板材を作成する。この板材に接して新たに板材を接合した後に、次の断層形状に従って少なくとも外周部をその下部板材と実質的に連続接合し、不要な部分を除去加工してこの一層の断面形状の作成を行う。さらにそれに接して板材を重ね、同様に接合および外周部除去を行う。このような積層工程を必要回数繰り返して、断層形状が一体化した立体物を形成する際に、板材間の接合に摩擦攪拌接合を用いる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
板材の摩擦攪拌接合手段と切削による除去手段と、これらの加工経路を制御する手段を備え、立体形状を平行な複数の仮想的な平面で切断した断面形状の集合として表現し、まず板材を基台に接合した後その最も外側に位置する断面形状になるよう、板材を加工手段によって不要部を除去して断面形状を形成し、この板材に接して新たに板材を接合した後に、次の断面形状に従って不要な部分を除去してこの一層の断面形状の形成を行う積層・加工工程を必要回数繰り返して断層形状が一体化した立体物を形成する際に、板材間の接合に摩擦攪拌接合を用いることを特徴とする加工装置。
【請求項２】
板材の不要部分を除去する加工を行う際に立体物の表面となる部分の勾配を立体物の設計に基づいて加工することを特徴とする請求項１記載の加工装置。
【請求項３】
下層部板材と新たに付加すべき板材とを摩擦攪拌接合によって接合する際に、まず狭い範囲に限定した摩擦攪拌接合を複数箇所実施して前記下層部板材と前記新たに付加すべき板材とを仮止めした後に、形成すべき断面形状の少なくとも外周部について前記下層部板材と前記新たに付加すべき板材とを実質的に連続的に摩擦攪拌接合し、断面形状に含まれない不要な部分を除去して一層の断面形状の形成を行い、さらにそれに接して新たな板材を重ね、同様に仮止め接合、接合および不要部除去を行う積層工程を必要回数繰り返して立体物を製作することを特徴とする請求項１記載の加工装置。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は板材の接合と断面形状に基づく除去加工を板材を積層しつつ繰り返して複数層を積層・一体化して立体形状の物品を製作する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  立体物加工の代表的手法はフライス加工であるが、ＣＡＤデータからフライス加工プログラムの作成が極めて困難である。そこで平面加工の繰り返しで立体物が作成できる技術として積層造形法（ラピッドプロトタイピング）が開発された。積層造形法ではオペレータはＮＣプログラムを作成しなくてもＣＡＤデータから直接立体物を作成できる。すなわち積層造形法と呼ばれる立体加工技術は原料素材を相互に付着しつつ立体形状を創成する加工法であり（中川威雄、丸谷洋二（編著）：「積層造形システム」、工業調査会、１９９６年）、複雑な立体模型を、内部形状も含めて一回のプロセスで自動的に作製でき、機械加工に関する知識・経験が不要であることが特徴である．
積層造形法には出発素材の状態について液体、気体、粉、板など、またその成形原理について光化学反応、熱燒結、バインダー接着などがあり、それらの組合せによって極めて様々な方式が知られている。以下では本発明に直接関係のある方式、すなわち切削加工と素材の積層とを組み合わせた方式について従来の技術を説明する。
ひとつは非塊状の材料供給と切削加工を繰り返すもの（特許公開２０００−１２７２５０）であるが、金属素材の場合は融点が高いため、低温溶融の特殊な金属を対象としないかぎり、実用機製作が困難である。もうひとつは予め加工した板材を集積してボルト締めなどで一体化する手法であるが、積層枚数が多いと極めて煩雑になる。
一方、粉末素材を材料とする方法（特許公開２０００−７３１０８）では、レーザーによる層状の部分溶融・固化と切削を繰り返して立体部品を形成する。この方法は切削加工の制限、すなわち深い穴や狭くて段差の大きい溝形状の加工ではでは工具が届かず、形成不可能であるという難点を解決していることが長所である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】  しかしながら、前記特許公開２０００−７３１０８に開示された方式は、粉末素材をレーザーで固化する方法を採用していることから、以下の難点を持っている。
▲１▼粉末をレーザー光で焼結ないし溶融して固化する際に空隙を生じるため、稠密なものを作製できない。
▲２▼レーザー光源は高価で光走査機構を必要とするうえ、レーザー発振器には寿命限界があるので、装置製造費も運転経費も経済的ではない。また、電力消費も大である。
【課題を解決するための手段】
【０００４】  この課題を解決するために本発明では従来の工作機とくにフライス盤の基本機能を利用して接合と除去加工を行い、素材として板材を用いてこれを接合しつつ立体物の形成をおこなう。比較的小型かつ安価な装置となり、運転経費も経済的である。さらに、稠密な立体物の作製が加工である。本発明によれば、作成した物品についての後加工の必要がなく、簡易な構造で製造コスト、運転コストとも安価な立体物製作装置が実現できる。
まず、デジタル情報として表現されている立体形状を、平行な複数の仮想的な平面で切断した断層形状の集合として表現する。その最も外側に位置する断層形状になるよう、板材を除去加工手段によって断面形状に含まれない不要部を除去し、断層形状を有する板材を作製する。この板材に接して新たに板材を接合した後に、次の断層形状に従って少なくとも外周部をその下部板材と実質的に連続接合し、不要な部分を除去加工してこの一層の断面形状の作製を行う。さらにそれに接して板材を重ね、同様に接合および外周部除去を行う。このような積層工程を必要回数繰り返して、断層形状が一体化した立体物を形成する際に、板材間の接合に摩擦攪拌接合を用いる。
上記において、層間の接合に摩擦攪拌接合を使用するのが本発明の特徴である。回転する攪拌ピンを被接合母材に押し当て、塑性流動状態で攪拌される母材同士が効率良く接合される。魔擦撹拌接合法は英国で開発されたアルミニウム等軽合金の新しい接合法であり（特許第２７１２８３８号）、高い施工能率や接合部の優れた品質が脚光を浴び、わが国および海外において急速に普及が進んでいる（江間光弘ほか３名、“自動車用アルミニウム合金の新しい接合技術”、神戸製鋼技報Ｖｏｌ．５２，Ｎｏ．３，ｐｐ９０−９３（Ｄｅｃ．２００２））。
【発明の効果】
【０００５】  本発明で板材の接合に用いている摩擦撹拌接合法は固相接合の一種で従来の溶接とは異なり素材の融点より低い温度で接合プロセスが完了するため、従来の溶解して接合する方法よりも多くの利点がある。すなわち、アーク溶接やレーザー溶接、電子ビーム溶接とは異なり、材料を高温で溶かす必要は無く、接合後の変形もアーク溶接の１０分の１以下と極めて小さくかつ接合欠陥が少ないため、製品の低コスト化と高品質を実現できる。また、アーク、ヒューム（金属等の蒸気）、粉塵、有害光線の発生もなく、地球環境に優しい接合法である。本発明では摩擦攪拌接合法の利点をそのまま利用できる。
また、積層の度ごとに切削を行うので、従来の切削加工では不可能であった深い溝も小径エンドミルで加工することができ、たとえば放電加工を必要としていた金型もワンプロセルで作成することができる。
さらに、レーザー発振部の交換が不要で、運転経費が安い。従来の工作機械の流用が可能なので、装置の納期が短い。設計費も安価かつ試作研究費も安い。粉末を固化するのでなく、板材を密着接合するので、製品に気孔がなく、他の素材の含浸を行う必要が無く、後加工が不要で、含浸による寸法変化がないという有利な効果が得られる。
本発明による立体物加工装置の応用分野としては、（ア）プレス金型の製作、（イ）金属模型の製作、（ウ）樹脂模型の製作、などがある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】    本発明の請求項１に記載の発明は、板材の摩擦攪拌接合手段と切削による除去手段と、これらの加工経路を制御する手段を備え、デジタルデータとして表現されている立体形状を平行な複数の仮想的な平面で切断した断面形状の集合として表現し、まず板材を基台に接合した後その最も外側に位置する断面形状になるよう、板材を加工手段によって不要部を除去して断面形状を形成し、この板材に接して新たに板材を接合した後に、次の断面形状に従って不要な部分を除去してこの一層の断面形状の形成を行う積層・加工工程を必要回数繰り返して断層形状が一体化した立体物を形成する際に、板材間の接合に摩擦攪拌接合を用いることを特徴とする加工装置であり、高精度で深い穴や溝のある形状でも稠密かつ堅牢な立体物を製作できる装置を安価に実現できる。
以下、本発明の実施の形態について、図１から図４を用いて説明する。図１から図３は請求項１に記載の発明における積層造形の工程を説明したものである。図１において成形済みの立体物の最上層２に接して、成形すべき断面を覆うサイズの板材３を重ねる。次に図２のようにこの板材３と最上層２とを摩擦攪拌接合用回転工具５によって接合する。回転する攪拌ピンを板材３に押し当てると、塑性流動状態で攪拌され、最上層２と板材３とは効率良く接合される。このとき板材３は接合時の加工力で回転や移動することのないようガイド具や保持具で保持される。接合場所として、最上層２と板材３とが接し、かつ次工程である切削・除去加工の際に板材３が切削工程の最後まで最上層２に対して剥落することのない部分を選択する。選択は断面形状データに基づいて決定することができる。また、板材３と最上層２とが接する部分を実質上すべて接合しても良い。
図２の工程の後、図３のように工具７によって板材の不要部分の切削・除去加工を行う。切削・除去加工は板材３に対して行い、この層の断面形状データを参照して、断面をなす部分を残して他の部分を除去する。請求項２に記載の発明は、このとき、板材３の切削で形成された断面形状の周縁を、立体形状物のもつこの部分の勾配角に応じて斜めに切削する。これにより、滑らかな側面をもった立体形状物が実現できる。
図１から図３に示すような、新規板材供給−接合−除去、のサイクルを繰り返して立体形状物全体を作成する。なお、最下層の断面形状形成時にはその基台となるべき部材をまず設定して、その上に最初の板材を供給した後、上記のサイクルを開始する。
摩擦攪拌接合の実行時に大きな加工力が働くので、請求項３の発明では、まずスポット的に摩擦攪拌接合を行って下層の板材と新たに供給した板材とを仮接合してから、除去しない領域について必要範囲の摩擦攪拌接合を行うようにしたものである。スポット的な接合では接合に要する加工力が比較的少ないので、新たに供給した板材の保持力を軽減できるという効果がある。
図４は、立体形状物を表すＣＡＤデータを用いて本発明の加工装置を制御するためのデータを生成する手順を説明したものである。まず立体形状物を仮想的な平行平面群で切断したときの断面形状をＣＡＤデータをもとに作成する。つぎに断面形状にしたがって接合工具で接合すべき位置・経路データと切削工具の経路データを断面ごとに作成する。これらのデータを各層の成形時に順次読み出して装置を制御する。
なお、切削工具（フライス）と接合工具はチャッキングで交換するようにすれば、これらは共通のサーボ機構で駆動でき、装置の小型化と製作費低減が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明における立体形状物作製手順のうち、新たな板材を、それまでの工程で加工済みである部分に供給した図。
【図２】新たに供給した板材を摩擦攪拌接合で加工済みである部分に接合する工程を示す図。
【図３】摩擦攪拌接合で接合した板材の不要部分を切削・除去して断面形状を成形する工程を示す図。
【図４】本発明によって立体形状物を作製するときのデータ処理手順を説明する図で、作製すべき立体形状物の形状を表すＣＡＤデータを仮想的な平面で切断して断面データの集合とし、それを用いて接合経路データおよび除去加工経路データの生成をおこなうことを示す図。
【符号の説明】
【０００８】１  ・・・最下層の板材
２  ・・・最上層の接合および成形済み板材
３  ・・・新たに供給した板材
４  ・・・摩擦攪拌接合用の回転工具駆動装置
５  ・・・摩擦攪拌接合用回転工具
６  ・・・除去加工用工具の駆動装置
７  ・・・除去加工用工具
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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