(57)【要約】【課題】積層造形される製品の各部における製造プロセスの妥当性を詳細に評価できる試験片を、製品と共に造形する積層造形物の製造方法、及びこの試験片を用いて機械的特性を検査する積層造形物の検査方法を提供する。【解決手段】造形材を溶融、凝固させた層状体を積層して、所望の形状の積層造形物２６を造形する。積層造形物２６は、製品となる製品部分２７と、試験片を内包する大きさの試験片部分３７とを有する。層状体を、製品部分２７から試験片部分３７まで連続して形成するようにした。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
造形材を溶融、凝固させた層状体を積層して、所望の形状の積層造形物を造形する積層造形物の製造方法であって、
前記積層造形物は、製品となる製品部分と、試験片を内包する大きさの試験片部分とを有し、
前記層状体を、前記製品部分から前記試験片部分まで連続して形成する積層造形物の製造方法。
【請求項２】
前記造形材を予め定めた軌道に沿って肉盛りして前記層状体を形成する層状体形成工程を有し、
前記層状体形成工程は、前記層状体の層毎に、前記製品部分を形成する前記軌道を延長して、前記試験片部分を形成する請求項１に記載の積層造形物の製造方法。
【請求項３】
前記層状体形成工程は、前記軌道を、前記製品部分の外縁から前記試験片のサイズに１〜１５ｍｍを加えた長さに延長して、前記試験片部分を形成する請求項２に記載の積層造形物の製造方法。
【請求項４】
前記試験片部分を、前記製品部分よりも前記層状体の積層方向に関して厚く積層する請求項１〜３のいずれか一項に記載の積層造形物の製造方法。
【請求項５】
前記造形材は溶加材であり、
前記層状体は、前記溶加材を溶融及び凝固させたビードにより形成する請求項１〜４のいずれか一項に記載の積層造形物の製造方法。
【請求項６】
前記層状体の初層をベース材に形成し、前記初層以降の層状体を前記ベース材から離れる方向に順次に積層する請求項１〜５のいずれか一項に記載の積層造形物の製造方法。
【請求項７】
前記ベース材は、前記製品部分に必要な前記層状体の層面よりも広い余剰領域を有し、
前記余剰領域に前記試験片部分を形成する請求項６に記載の積層造形物の製造方法。
【請求項８】
前記試験片部分を前記製品部分から分離させる切り出し工程を有する請求項１〜５のいずれか一項に記載の積層造形物の製造方法。
【請求項９】
前記試験片部分を前記製品部分から分離させる切り出し工程を有する請求項６又は７に記載の積層造形物の製造方法。
【請求項１０】
前記切り出し工程は、前記試験片部分を、前記ベース材と前記層状体の前記初層との融合部を除いて分離させる請求項９に記載の積層造形物の製造方法。
【請求項１１】
前記切り出し工程は、前記試験片部分を、前記ベース材と前記層状体の前記初層との融合部を含めて分離させる請求項９に記載の積層造形物の製造方法。
【請求項１２】
請求項８〜１１のいずれか一項に記載の積層造形物の製造方法により切り出された前記試験片部分から前記試験片を作製し、
作製された前記試験片を用いて、前記積層造形物の機械特性試験を行う積層造形物の検査方法。
【請求項１３】
前記試験片は、シャルピー衝撃試験、引張試験、曲げ試験のいずれかに用いるものである請求項１２に記載の積層造形物の検査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層造形物の製造方法、及び積層造形物の検査方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、溶接加工では、その加工品質を製品から直接確認することができず、非破壊検査や製造プロセスの妥当性から確認することになる。しかし、非破壊検査においては破壊靱性等の強度特性の測定ができないため、製造プロセスの妥当性を判断して、加工品質を保証することとなる。
溶接により大型の積層造形物を製造する場合には、数百パス以上の溶接が行われる。溶接された各パスでは、前層の形状（位置関係）等の施工状況によってそれぞれ異なるビード形態の溶接パターンになる。つまり、初層と２層目以降とはでは溶接パターンが異なり、例えば、歯車の歯を造形する場合、歯の中央部と端部とでは溶接パターンが異なる場合がある。
そのため、製造プロセスの妥当性を正確に評価するためには、全パスの評価、又は全パスに含まれる施工状況等の詳細な評価が必要になる。溶接パターンを、その施工状況が異なるパス毎に評価する場合、評価に必要とされるパスの抽出と、各々の施工状況を再現する溶接軌道の設計が必要になる。したがって、これら評価を行う場合、多大な労力と時間を要することになる。このことは、溶接加工による積層造形に限らず、他の方式による積層造形法であっても同様に生じ得る。
【０００３】
このような事情から、積層造形物の製造時に、製品と共に試験片を造形して、この試験片を、完成した製品の品質評価用に使用する技術が特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−１２１３６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の技術では、試験片を製品に直接接続せず、製品とは別体となる基部に試験片を形成する。これにより、製品を試験片から容易に分離可能としている。しかしながら、特許文献１の技術では、完成した製品全体の機械的特性を試験片で代用して評価できても、製品の局所的な部位の機械的特性までを詳細に評価することはできない。そのため、依然として製品の製造時における製造プロセスの妥当性を評価できなかった。
【０００６】
本発明は、積層造形される製品の各部における製造プロセスの妥当性を詳細に評価できる試験片を、製品と共に造形する積層造形物の製造方法、及びこの試験片を用いて機械的特性を検査する積層造形物の検査方法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】
【０００７】
本発明は下記の構成からなる。
（１）  造形材を溶融、凝固させた層状体を積層して、所望の形状の積層造形物を造形する積層造形物の製造方法であって、
前記積層造形物は、製品となる製品部分と、試験片を内包する大きさの試験片部分とを有し、
前記層状体を、前記製品部分から前記試験片部分まで連続して形成する積層造形物の製造方法。
（２）  前記積層造形物の製造方法により切り出された前記試験片部分から前記試験片を作製し、
作製された前記試験片を用いて、前記積層造形物の機械特性試験を行う積層造形物の検査方法。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、積層造形される製品の各部における製造プロセスの妥当性を詳細に評価できる試験片を、製品と共に造形できる。また、この試験片を用いて積層造形物の製品の機械的特性を検査することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】積層造形物の製造装置の概略構成図である。
【図２】本発明に係る積層造形物の製造方法によって、ベース板上に積層造形物を造形する様子を模式的に示す断面図である。
【図３】（Ａ）はシャルピー衝撃試験用の試験片の正面図、（Ｂ）は（Ａ）のIII−III線断面図である。
【図４】図２に示す積層造形物と共に造形される試験片部分から試験片を切り出す様子を模式的に示す断面図である。
【図５】（Ａ）、（Ｂ）は積層方向に複数の試験片を切り出す様子を示す説明図である。
【図６】積層造形物の積層方向の厚さよりも長い試験片を作製する様子を模式的に示す断面図である。
【図７】図６に示す試験片を切り出す様子を示す説明図である。
【図８】試験片部分とベース板との融合部が試験片中央に配置される試験片を作製する様子を模式的に示す断面図である。
【図９】積層造形物であるスクリューの斜視図である。
【図１０】図１に示す積層造形装置の造形コントローラの詳細を示すブロック図である。
【図１１】積層造形物を積層造形する積層計画を作成し、この積層計画に従って造形部に積層造形物を造形させるプログラムを生成する工程を示すフローチャートである。
【図１２】積層造形物の軸方向に直交する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。
【図１３】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。
【図１４】積層造形物の一部正面図である。
【図１５】図１４に示すXV−XV線のＡ１部における断面図である。
【図１６】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。
【図１７】試験片を内包する試験片部分が形成されたスクリュー形状の積層造形物の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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。
＜積層造形物の製造装置＞
図１は積層造形物の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。
【００１１】
造形部１１は、先端軸にアーク溶接用のトーチ１７が設けられたトーチ移動機構である溶接ロボット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。
【００１２】
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。
【００１３】
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させる。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トーチ先端に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。
【００１４】
溶加材Ｆｍ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。
【００１５】
溶加材Ｆｍは、溶接ロボット１９の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、トーチ１７は、造形コントローラ１３からの指令によりロボットアームが駆動されることで、所望の溶接ラインに沿って移動する。また、連続送給される溶加材Ｆｍは、トーチ１７の先端で発生するアークによってシールドガス雰囲気で溶融され、凝固する。これにより、溶加材Ｆｍの溶融凝固体であるビード２５が形成される。このように、造形部１１は、溶加材Ｆｍの溶融金属を積層する積層造形装置であって、ベース板２３上に多層状にビード２５を積層することで、積層造形物２６を造形する。
【００１６】
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、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。
【００１７】
本構成の積層造形物の製造装置１００における造形コントローラ１３は、入力された３次元形状データを用いて、積層造形物２６のビード形成用のモデルを生成し、トーチの移動軌跡や溶接条件等の積層計画を作成する。そして、積層計画に応じて造形部１１や電源装置１５等の各部を駆動させるプログラムを作成する。
【００１８】
造形コントローラ１３がプログラムを実行すると、造形部１１や電源装置１５等の各部が、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２５を形成する。これにより、所望の形状の積層造形物２６が積層造形される。
【００１９】
＜積層造形方法＞
図２は本発明に係る積層造形物の製造方法によって、ベース板２３上に積層造形物２６を造形する様子を模式的に示す断面図である。
本構成の積層造形物２６は、製品となる製品部分２７と、詳細を後述する試験片を内包する大きさの試験片部分３７と、製品部分２７と試験片部分３７との間に配置される余盛り部分３５とを有する。
【００２０】
試験片部分３７は、製品部分２７及び余盛り部分３５と共に連続して造形される。そして、積層造形物２６の造形後に、試験片部分３７を切り出して試験片を作製する。作製した試験片は、機械特性試験の試験片として、積層造形物２６の製品部分２７（製品）の機械特性を評価するために供される。
【００２１】
図１に示すトーチ１７は、溶接ロボット１９の駆動によって、ベース板２３上で移動する。このトーチ１７が移動する軌道に沿って、ベース板２３にビード２５が形成される。ビード２５は、溶加材Ｆｍをアークにより溶融させた溶加材Ｆｍがベース板２３上で凝固した肉盛りとして形成される。
【００２２】
図示例では、所望の形状の製品部分２７における形成開始端３１から矢印Ｄ１に沿って、初層のビード２５による層状体Ｈ１を形成する。層状体Ｈ１は、製品部分２７の形成終端３３を超えて、余盛り部分３５、及び試験片を作製するための試験片部分３７の終端３９まで連続して形成される。
【００２３】
初層の層状体Ｈ１の上に形成する２層目以降の層状体Ｈ２〜層状体Ｈｎについても同様に、矢印Ｄ２〜Ｄｎに沿って、製品部分２７の形成開始端３１から形成終端３３を超えて、余盛り部分３５、及び試験片部分３７の終端３９まで連続して形成する。つまり、層状体Ｈ１〜Ｈｎの層毎に、製品部分２７を形成するビード２５の軌道を延長して、試験片部分３７を形成する。
【００２４】
これにより、製品部分２７の形成終端３３に、余盛り部分３５を介して試験片部分３７が一体となって形成される。
【００２５】
余盛り部分３５は、試験片や製品部分２７のニアネットシェイプ加工のため、また、ＮＣ加工の削り代のため、ビード形成方向（Ｄ１，Ｄ２，・・・，Ｄｎ方向）に沿った長さＬ１を、１〜５ｍｍ、好ましくは１．５〜３ｍｍ、更に好ましくは２ｍｍ±０．５ｍｍとする。上記範囲にすることで、試験片を製品部分２７の近接部から切り出すことができ、製品部分２７のプロセスの妥当性を高い精度で確認できる。
【００２６】
また、ビードの形成方向に関して、製品部分２７の外縁となる形成終端３３から試験片部分３７の終端３９までの長さＬ２を１５ｍｍ以上にする。つまり、ビードを製品部分２７から１５ｍｍ以上延長して、余盛り部分３５と試験片部分３７を形成するのが好ましい。その場合、試験片部分３７が必要とする試験片サイズよりも十分に大きくなり、シャルピー衝撃試験等の機械的特性試験に用いる規格形状の試験片を不足なく作製できる。具体的には、作製する試験片サイズに１〜１５ｍｍを加えたサイズまでビードを延長することが好ましい。上記した試験片サイズとは、試験片のビード形成方向に沿った長さであり、複数の試験片を作製する場合は、複数の試験片の合計の長さを意味する。
【００２７】
ここで用いる試験片及びその試験方法は、製品部分２７の機械的性質を検査するためのもので、例えば、ＪＩＳ  Ｚ２２０１（金属材料引張試験方法），Ｚ２２０２（金属材料のシャルピー衝撃試験方法），Ｚ２２０４（金属材料曲げ試験片）に準拠する試験片及びその試験方法を採用できる。
【００２８】
図３の（Ａ）はシャルピー衝撃試験用の試験片４１の正面図、（Ｂ）は（Ａ）のIII−III線断面図である。
図示例のシャルピー衝撃試験用の試験片４１は、長手方向の長さＬａが５５ｍｍ、長手方向に直交する断面の一辺の長さＬｂが１０ｍｍの角棒であり、長手方向中央部にＶ字溝４１ａが形成される。
【００２９】
この他にも、例えば引張試験を行う場合は、上記ＪＩＳ規格で規定される４号試験片（平行部の径：φ１４ｍｍ、平行部の長さ：６０ｍｍ）、１０号試験片（平行部の径：φ１２．５ｍｍ、平行部の長さ：６０ｍｍ）、８号試験片（８Ａの場合で平行部の径：φ８ｍｍ、平行部の長さ：８ｍｍ）等を用いることができる。
【００３０】
＜試験片の第１構成例＞
図４は図２に示す製品部分２７と共に造形される試験片部分３７から試験片４１を切り出す様子を模式的に示す断面図である。
図３に示す試験片４１は、図４に示す試験片部分３７から切り出される。図示例では、試験片４１の長手方向長さＬａよりも、製品部分２７、余盛り部分３５、試験片部分３７が高く積層造形される。
【００３１】
この場合、ベース板２３に積層された製品部分２７と試験片部分３７との間の余盛り部分３５を、層状体Ｈ１，Ｈ２，・・・，Ｈｎ（図２参照）の層面に対して垂直（積層方向に平行）な平面Ｐａで切断する。また、ベース板２３と試験片部分３７との間における層状体の層面に沿った平面Ｐｂで切断する。
【００３２】
この切断は、例えばフライス加工、マシニングセンターを用いた加工、ワイヤーカット放電加工、レーザ切断、ダイシング等の加工法により行える。そして、切断後の試験片部分３７の部材は、上記のいずれかの加工方法、又はこれらを組み合わせた加工によって、規定の試験片形状に加工される。こうして、製品部分２７、余盛り部分３５及びベース板２３から試験片４１が分離して切り出される。
【００３３】
切り出された試験片４１は、製品部分２７の機械的特性試験に用いられる。例えば、試験片４１を、引張試験、衝撃試験、曲げ試験に供することで、製品部分２７を破壊、変形させることなく、機械的特性を評価できる。
【００３４】
この機械的特性試験によれば、試験片４１が製品部分２７と共に造形され、しかも、製品部分２７の近接部から試験片４１が切り出されるため、製品部分２７の機械的特性を試験片４１によって正確に評価できる。
【００３５】
また、試験片４１のＶ字溝４１ａの位置を、特に機械的特性を評価したい層状体の位置（ビード高さ位置）に一致させることで、製品部分２７の評価位置を選択的に決定できる。これにより、製品部分２７の特に強度評価を行いたい部位がある場合に、その部位から連続してビード形成された試験片部分３７の部位を検査位置とする試験片４１を作製する。この試験片４１を用いて機械的特性試験を行うことで、目的とする部位の評価が行える。
【００３６】
＜試験片の第２構成例＞
図４では試験片部分３７から一つの試験片４１を切り出していたが、これに限らない。例えば、図５の（Ａ）に示すように、ビード（層状体）の積層方向に複数（図示例では２つの例を示す）の試験片４１Ａ，４１Ｂを切り出すことができる。また、図５の（Ｂ）に示すように、長手方向をビード（層状体）の層面と平行にして複数（図示例では４つの例を示す）の試験片４１Ｃ，４１Ｄ，４１Ｅ、４１Ｆを切り出すことができる。
【００３７】
図５の（Ａ）や（Ｂ）に示す場合には、試験片の個数に応じて製品部分２７のビード（層状体）毎に強度評価が行え、製品部分２７の積層方向の強度分布を評価することが可能となる。
【００３８】
＜試験片の第３構成例＞
図６は製品部分２７の積層方向の厚さよりも長い試験片を作製する様子を模式的に示す断面図である。
製品部分２７の積層方向の厚さよりも長い試験片を作製する場合、試験片部分３７Ａにおける層状体の積層を更に追加する。
【００３９】
具体的には、製品部分２７のビード（層状体）の形成を終了した後、製品部分２７と余盛り部分３５はそのままにして、試験片部分３７Ａにのみ、ビード形成を更に行う。これにより、試験片部分３７Ａに追加積層分４３が加わり、試験片４１Ｇを作製するために必要な積層方向の長さが得られる。また、余盛り部分３５と試験片部分３７Ａにのみビード形成を行うことでもよい。
【００４０】
図７に示すように、試験片４１Ｇの切り出し時には、ビード（層状体）の層面に対して垂直（積層方向に平行）な平面Ｐａと、ベース板２３と試験片部分３７Aとの間における層状体の層面に沿った平面Ｐｂで切断する。これにより、製品部分２７、余盛り部分３５及びベース板２３から試験片部分３７が分離して切り出される。
【００４１】
＜試験片の第４構成例＞
図８は試験片部分３７とベース板２３との融合部４５が試験片中央に配置される試験片４１Ｈを作製する様子を模式的に示す断面図である。
試験片４１Ｈは、試験片中央部に形成されたＶ字溝４１ａの溝底部４７が、試験片部分３７とベース板２３との融合部４５と同じ高さ位置に配置される。
【００４２】
融合部４５は、製品部分２７とベース板２３との融合部４９と同じ積層方向の高さ位置であり、同一のビードで形成されるため、融合部４５と融合部４９の機械的特性は等価になる。よって、試験片４１Ｈは、製品部分２７のベース板２３との融合部４９の評価用として使用できる。
【００４３】
この場合の試験片４１Hを切り出すには、まず、ベース板２３に積層された製品部分２７と試験片４１Ｈとの間の余盛り部分３５を、ビード（層状体）の層面に対して垂直（積層方向に平行）な平面Ｐａで切断する。この切断された試験片部分３７に適宜な機械加工を施して、試験片４１Ｈの形状に仕上げる。
【００４４】
得られた試験片４１Ｈは、切り欠き４１ａの溝底部４７の部分に融合部４５が配置されるため、ベース板２３を含めた製品部分２７の評価が可能となる。よって、製品部分２７が、ベース板２３を含んで製品になる場合に、試験片４１Ｈによってベース板２３との融合部４９に対応する機械的性質を評価できる。
【００４５】
＜試験片の第５構成例＞
次に、上記した積層造形物の製造方法を、スクリューの積層造形に適用した一例を説明する。
図９は積層造形物５１であるスクリューの斜視図である。
積層造形物５１は、円柱状の軸体５３と、軸体５３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５５とを備える。複数のブレード５５は、軸体５３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。
【００４６】
図１に示す積層造形物の製造装置１００は、積層造形物５１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５３を棒材等の粗形材を用いて形成し、ブレード５５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５１の軸体５３を粗形材で形成し、軸体５３の外周に形成されるブレード５５をビードの積層によって造形する。これにより、積層造形物５１の造形工数を大きく削減できる。
【００４７】
図１０は図１に示す積層造形装置の造形コントローラ１３の詳細を示すブロック図である。
造形コントローラ１３は、溶接方向決定部６１と、プログラム生成部６３と、記憶部６５と、これらが接続される制御部６７と、を有する。制御部６７には、製造しようとする積層造形物の形状を表す３次元形状データ（ＣＡＤデータ等）や、各種の指示情報が入力部６９から入力される。
【００４８】
溶接方向決定部６１は、入力された積層造形物の３次元形状データを用いて、ビードを形成する軌道情報（位置情報）を含むビードマップを生成する。生成されたビードマップは、記憶部６５に記憶される。
【００４９】
プログラム生成部６３は、前述した造形部１１の各部を駆動して積層造形物を造形する各手順をコンピュータに実行させるためのプログラムを、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６５に記憶される。
【００５０】
記憶部６５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６３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６５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。
【００５１】
制御部６７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６５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６７は、入力部６９からの操作や通信等による指示によって、記憶部６５からプログラムを読み込み、実行する。
【００５２】
制御部６７がプログラムを実行すると、図１に示す溶接ロボット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。
【００５３】
次に、上記の積層造形物の製造装置１００を用いて、積層造形物５１の積層造形手順を説明する。
図１１は積層造形物５１を積層造形する積層計画を作成し、この積層計画に従って造形部１１に積層造形物５１を造形させるプログラムを生成する工程を示すフローチャートである。
【００５４】
まず、図１０に示す入力部６９から制御部６７に積層造形物５１の形状を表す３次元形状データ（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５１の外表面の座標、軸体５３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。
【００５５】
図１２は積層造形物５１の軸方向に直交する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５１は、円柱状又は円筒状の軸体５３を有し、複数のブレード５５が軸体５３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５１の外形を、積層造形物５１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５１の外形となる積層造形領域とに区分けする。
【００５６】
粗形材領域と積層造形領域は、積層造形物５１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５１の場合、一例として示される粗形材（丸棒）７１Ａ，７１Ｂ，７１Ｃから、積層造形物５１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７１Ｃが選択される。
【００５７】
図１３は積層造形物５１の外形を、粗形材領域７３と積層造形領域７５とに区分けした結果を示す説明図である。
本構成例の場合、概略的には、粗形材７１Ｃが粗形材領域７３となり、粗形材７１Ｃの外周に配置される複数のブレード５５がそれぞれ積層造形領域７５となる（Ｓ１２）。
【００５８】
次に、上記Ｓ１２で決定された積層造形領域７５に、ビードを形成する手順を決定する。
積層造形領域７５では、複数のビードを順次に積層することでブレード５５の粗形状を造形する。積層造形領域７５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、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。
【００５９】
図１４は積層造形物５１の一部正面図である。
本構成の積層造形物５１においては、螺旋状のブレード５５の延設方向をビード形成方向Ｖｂに一致させれば、一つの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５５の延設方向と同じにして、これを基準方向とする（Ｓ１３）。その際、ビードサイズは、基準方向（ビード形成方向Ｖｂ）に直交するXV−XV線断面で示すビード断面の形状を基準に制御する。
【００６０】
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、製造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。
【００６１】
図１５は図１４に示すXV−XV線のＡ１部における断面図である。図中の横軸は、ブレード５５の延設方向（基準方向）に直交する方向で、縦軸は軸体５３の径方向となるビード積層方向である。
【００６２】
ここで、ブレード５５の積層造形領域７５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７７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５５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７７を、軸体５３（粗形材７１Ｃ）の表面から順次積層（層状体Ｈ１，Ｈ２，・・・）して、７層目（層状体Ｈ７）においてブレード５５の径方向最外縁部５５ａ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。
【００６３】
この積層モデルは、図１３に示す複数の積層造形領域７５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は、共通の断面でビードサイズが設計される。つまり、積層造形領域７５の各仮想ビード層における仮想ビード７７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１５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。
【００６４】
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７１Ｃ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１０に示すプログラム生成部６３が行う。
【００６５】
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。
【００６６】
図１６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、図１０参照）は、造形部１１を、生成されたプログラムに従って駆動して、積層造形物の粗形材７１Ｃにビード７９Ａ，７９Ｂ，７９Ｃ，・・・を順次に並設し、第１層目のビード層（層状体Ｈ１）を形成する。そして、第１層目のビード層（層状体Ｈ１）の上に第２層目のビード（層状体Ｈ２）７９Ｄ，７９Ｅ，・・・を順次に並設する。
【００６７】
造形コントローラ１３は、各ビード７９Ａ〜７９Ｅ，・・・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７５は、その後の適宜な加工によって所望のブレード５５の形状に仕上げられる。
【００６８】
ここで、本構成においては、積層造形領域７５をビードで形成する際に、積層造形領域７５を超えた領域までビードを連続して形成し、この連続して形成されたビードから試験片を作製する。
【００６９】
図１７は試験片を内包する試験片部分８１が形成されたスクリュー形状の積層造形物５１の斜視図である。
積層造形物５１には、ブレード５５の軸方向端部に試験片部分８１が、ビード形成方向Ｖｂに沿って配置される。つまり、前述した図２に示すように、ブレード５５となる製品部分２７に、余盛り部分３５と、余盛り部分３５を介して接続される試験片部分８１とを、製品部分２７（ブレード５５）となるビードを延ばして連続して形成する。
【００７０】
この場合、図２に示すベース板２３は、図１７に示す軸体５３に相当するベース材に相当する。
【００７１】
ここで例示する積層造形物５１は、ブレード５５の半径方向の高さが６０ｍｍ以上のスクリューロータである。試験片部分８１は、ビードの形成方向に沿った積層造形物５１の必要領域の外側で、余分に、試験片サイズに１〜１５ｍｍを加えた長さを連続して形成する。そして、造形後に積層造形物５１から試験片部分８１を切削加工等の適宜な機械加工によって切り出す。切り出された試験片部分８１は、例えば、シャルピー衝撃試験の試験片サイズ（５５ｍｍ×１０ｍｍ×１０ｍｍ）に仕上げられる。一方、製品部分となるブレード５５は、切削加工等により最終形状に仕上げられる。
【００７２】
試験片部分８１の切り出しは、積層造形物５１の形状データを用いて、ＮＣ加工機により切断することでも行える。その場合、試験片部分８１の３次元座標や切断面を求めて切断位置を指定すればよい。具体的には、試験片部分８１を切り出す加工手順のプログラムを、積層造形物の積層モデルの設計と共に作成しておけばよい。そして、積層造形物の造型後に切り出しのプログラムを実行すれば、所望の試験片部分８１が切り出される。更に、最終的な試験片形状まで仕上げるプログラムを作成し、これを実行して試験片を作製すれば、効率よく試験片が得られる。
【００７３】
上記手順で試験片部分８１の切り出しを実施し、切り出した試験片部分８１の断面を観察することで、巣の有無等の溶接欠陥を確認できる。また、試験片部分８１から作製した試験片を用いた機械特性試験により、積層造形物５１を破壊、変形させることなく強度を評価できる。
【００７４】
そして、試験片の切り出し位置をビード単位で調整することで、積層造形物５１における所望の部位の強度を選択的に調べることができる。すなわち、試験片部分８１は、ブレード５５の軸方向端部に設けることに限らず、他の部位に設けてもよい。例えば、ブレード５５の軸方向の中間部分に試験片部分を設けて、ブレード面評価用の試験片を作製することもできる。
【００７５】
このように、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。
【００７６】
以上の実施態様においては、積層造形物を溶接のビードにより形成する場合で説明しているが、溶接ビードに限らず、他の方式によって積層造形物を造形する場合にも本発明を好適に適用できる。例えば、粉体からなる造形材を、レーザビームで照射して所望の目的形状の層状体を形成し、層状体を順次積層することで積層造形物を製造する方式であってもよい。
【００７７】
また、上記例ではベース板２３等のベース材にビードを形成して積層造形物を造形する例を示しているが、ベース材を設けずにビードを積層して、積層造形物を造形してもよい。
【００７８】
以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
（１）  造形材を溶融、凝固させた層状体を積層して、所望の形状の積層造形物を造形する積層造形物の製造方法であって、
前記積層造形物は、製品となる製品部分と、試験片を内包する大きさの試験片部分とを有し、
前記層状体を、前記製品部分から前記試験片部分まで連続して形成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、積層造形物を造形する際に、試験片部分を連続して形成することで、試験片部分を積層造形物と同じ条件で形成できる。このため、試験片部分から作製する試験片により、積層造形物を層状体の層毎に機械的特性の評価ができ、製品の信頼性を向上できる。
【００７９】
（２）  前記造形材を予め定めた軌道に沿って肉盛りして前記層状体を形成する層状体形成工程を有し、
前記層状体形成工程は、前記層状体の層毎に、前記製品部分を形成する前記軌道を延長して、前記試験片部分を形成する（１）に記載の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、製品部分を形成する軌道を延長して試験片部分を形成するため、製品部分の各層に対応する試験片部分の位置を明確にできる。
【００８０】
（３）  前記層状体形成工程は、前記軌道を、前記製品部分の外縁から前記試験片のサイズに１〜１５ｍｍを加えた長さに延長して、前記試験片部分を形成する（２）に記載の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、試験片部分として、試験片のサイズ（複数の場合はその合計）に１〜１５ｍｍを加えた長さに形成されることで、シャルピー衝撃試験等、特定の機械的特性試験に用いる規格形状の試験片を不足なく作製できる。
【００８１】
（４）  前記試験片部分を、前記製品部分よりも前記層状体の積層方向に関して厚く積層する（１）〜（３）のいずれか一つに記載の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、製品部分の積層方向の厚さが、作製しようとする試験片の長さよりも短い場合でも、試験片部分を、試験片が作製可能な厚さにできる。
【００８２】
（５）  前記造形材は溶加材であり、
前記層状体は、前記溶加材を溶融及び凝固させたビードにより形成する（１）〜（４）のいずれか一つに記載の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、溶加材により形成されるビードを積層して積層造形物を造形するため、延性やクリープ特性等の機械的性質、及びシールド性に優れた構成にできる。
【００８３】
（６）  前記層状体の初層をベース材に形成し、前記初層以降の層状体を前記ベース材から離れる方向に順次に積層する（１）〜（５）のいずれか一つに記載の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、ベース材に層状体を積層して積層造形物を製造するため、積層造形物の形状の設計自由度が向上する。
【００８４】
（７）  前記ベース材は、前記製品部分に必要な前記層状体の層面よりも広い余剰領域を有し、
前記余剰領域に前記試験片部分を形成する（６）に記載の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、層状体の余剰領域に試験片部分を形成することで、試験片部分を製品部分と同じ条件で形成できる。そのため、試験片部分を、製品部分と等価な機械的特性にできる。
【００８５】
（８）  前記試験片部分を前記製品部分から分離させる切り出し工程を有する（１）〜（５）のいずれか一つに記載の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、試験片部分が分離された製品部分からなる積層造形物が得られる。
【００８６】
（９）  前記試験片部分を前記製品部分から分離させる切り出し工程を有する（６）又は（７）に記載の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、試験片部分が分離された製品部分を含む積層造形物が得られる。
【００８７】
（１０）  前記切り出し工程は、前記試験片部分を、前記ベース材と前記層状体の前記初層との融合部を除いて分離させる（９）に記載の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、試験片部分を、ベース材及びベース材との融合部から分離させて切り出せる。これにより、ベース材に積層された製品部分と等価な試験片を作製できる。
【００８８】
（１１）  前記切り出し工程は、前記試験片部分を、前記ベース材と前記層状体の前記初層との融合部を含めて分離させる（９）に記載の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、試験片部分を、ベース材及びベース材との融合部を含めて切り出せる。これにより、ベース材を含む試験片を作製できる。その場合、例えば、ベース材との融合部を試験片中心部に配置させた試験片を作製して、融合部の機械的特性を評価できる。
【００８９】
（１２）  （８）〜（１１）のいずれか一つに記載の積層造形物の製造方法により切り出された前記試験片部分から前記試験片を作製し、
作製された前記試験片を用いて、前記積層造形物の機械特性試験を行う積層造形物の検査方法。
この積層造形物の検査方法によれば、積層造形物と共に造形され、等価な機械的特性を有する試験片を用いることで、積層造形物を破壊、変形させることなく検査できる。
【００９０】
（１３）  前記試験片は、シャルピー衝撃試験、引張試験、曲げ試験のいずれかに用いるものである（１２）に記載の積層造形物の検査方法。
この積層造形物の検査方法によれば、シャルピー衝撃試験、引張試験、曲げ試験による強度評価を行える。
【符号の説明】
【００９１】
１１  造形部
１３  造形コントローラ
１５  電源装置
１７  トーチ
１９  溶接ロボット
２１  溶加材供給部
２３  ベース板（ベース材）
２５，７９Ａ，７９Ｂ，７９Ｃ，７９Ｄ，７９Ｅ，７９Ｆ  ビード
２６，５１  積層造形物
３５  余盛り部分
３７，８１  試験片部分
４１  試験片
５３  軸体（ベース材）
１００  積層造形物の製造装置
【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2019217517.tif 000017
【図１６】
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【図１７】
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