JP7063034B2 - 積層造形方法 - Google Patents
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Description
ここで、トポロジー最適化とは、構造物の位相を設計変数として最適化する「位相最適化」のことであり、想定される構造的な制約、荷重条件及び拘束条件の下、設定した設計空間(材料が分布可能な領域)において、最も効率のよい材料の分布を見つけるものである。特許文献1には、三次元形状の造形物の製造に際し、トポロジー最適化を行う積層造形方法が開示されている。
この新たに形成された凹凸やスペースを活用して、そこに測定、冷却または加熱、加振、流体の流動制御、などの各種機能を発揮させるための機器(機能機器)を取り付けることで、従来は機能を発揮することが困難であった部位に機能を発揮させることや、より高精度・高効率に機能を発揮させることなどができるようになる場合がある。
なお、当然のことながら、図1、図6及び図7に示した右手系xyz座標は、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものである。通常、z軸プラス向きが鉛直上向き、xy平面が水平面である。
まず、図1を参照して、実施の形態にかかる積層造形方法に用いる積層造形装置について説明する。図1は、実施の形態にかかる積層造形装置1の概要を示す模式的断面図である。図1に示すように、実施の形態にかかる積層造形方法に用いる積層造形装置1は、ベース30、定盤2、造形槽3、造形槽支持部4、造形槽駆動部5、支柱6、支持部7、レーザスキャナ8、光ファイバ9、レーザ発振器10、スキージ11、樋12、粉末分配器13、粉末供給部14、及び制御装置100を備えている。
ここで、レーザビームLBは、レーザ発振器10において生成され、光ファイバ9を介して、レーザスキャナ8に導入される。
図3は、実施の形態にかかる積層造形方法で製造される造形物50を例示する図である。図3は、造形物50の断面図である。図3に例示された造形物50は、三次元データ取得部112によって取得された三次元データを用いて製造され得る。実施の形態にかかる造形物50は、例えば冷却回路を有する金型である。図3に示すように、実施の形態にかかる造形物50は、一例として、冷却回路を構成する中空の経路60を内部に有する金型である。この場合、造形物50の三次元データに経路60の情報を含む。
図4は、実施の形態にかかる積層造形方法を示すフローチャートである。なお、実施の形態にかかる積層造形方法は、例えば、三次元データを元に製作された試作品を用いて行われてもよいし、CAE(Computer Aided Engineering)によるコンピュータシミュレーションによって行われてもよい。
まず、造形物の三次元データを取得する(ステップS10)。次に、内部構造の検討を行う(ステップS20)。内部構造の検討は複数の工程を有しており、詳細は後述する。次に、三次元データの修正を行う(ステップS30)。次に、積層造形を行う(ステップS40)。最後に、残留粉末を除去する(ステップS50)。
まず、図2~4を参照しつつ説明する。
<ステップS10:造形物の三次元データを取得>
三次元データ取得部112は、造形物50を造形するための三次元データを取得する(ステップS10)。具体的には、三次元データ取得部112は、CAD/CAM(Computer Aided Design/Computer Aided Manufacturing)データを用いて、三次元データ(3Dデータ)を生成する。三次元データ取得部112は、これにより、三次元データを取得する。なお、三次元データ取得部112は、他の装置によって生成された三次元データを受信することで、三次元データを取得してもよい。
内部構造検討部114は、造形物50の内部構造を検討する(ステップS20)。具体的には、内部構造検討部114は、実際に造形物50を製造する前に、三次元データを用いて経路60を模擬した「経路モデル」を用いて、造形物50の内部構造(経路60)が「所定の性能」を満たすか否かを判定する。
また、本実施の形態における「所定の性能」については、「機能成立性」及び「構造成立性」であり、「機能成立性」は、冷却水による冷却機能を十分に発揮できるか否かを示し、「構造成立性」は、造形物50が中空形状である経路60を内部に有することになった場合でも造形物50が必要な剛性を確保できるか否かを示す。
「トポロジー最適化」では、造形物50の最小体積化を行い、「機能機器取付用肉付け処理」では、造形物50の内部に形成された凸部に対し、機能機器を取り付けるための肉付け処理を行う。
三次元データ修正部116は、ステップS20の工程で行われたトポロジー最適化及び肉付け処理に基づいて、ステップS10の工程で取得された三次元データを修正する(ステップS30)。つまり、三次元データ修正部116によって修正された三次元データでは、トポロジー最適化され、造形物50の内部表面に肉付け処理が行われた状態であり、経路60の配置が修正されている。ここで、「配置」とは、経路60の長さ、径、曲がり具合(曲率)、位置(造形物50の外表面からの距離、分岐等を含む)等を含む。なお、ステップS20の工程で「機能成立性」及び「構造成立性」について検討された場合は、三次元データ修正部116は、さらに「機能成立性」及び「構造成立性」が向上するように、ステップS10の工程で取得された三次元データを修正してもよい。なお、経路60の配置の修正自体については、三次元データ修正部116が行ってもよいし、後述するように、内部構造検討部114が行ってもよい。
積層造形制御部118は、ステップS30の工程で修正された三次元データを用いて、上述したように、積層造形によって造形物50を製造する(ステップS40)。
<ステップS50:残留粉末を除去>
造形物50を製造した後、経路60の内部には残留粉末が存在する。ステップS40の工程で実際に製造された造形物50の内部に形成された経路60から、残留粉末を除去する(ステップS50)。実施の形態では、例えば入口60aから経路60に圧縮エア、水又は油等の流体を注入し、経路60に残存する残留粉末を除去する。または、例えば出口60bから経路60内の空気を吸引することによって、経路60に残存する残留粉末を除去する。
図5は、図3に示したフローチャートにおけるステップS20の工程の詳細を示すフローチャートである。
[ステップS20の詳細]
ステップS20では、まず、ステップS10の工程で取得された三次元データを用いて、経路モデルを配置する(ステップS210)。次に、機能成立性の検討を行う(ステップS220)。機能の条件を充足している場合(ステップS222YES)、構造成立性の検討を行う(ステップS230)。剛性の条件を充足している場合(ステップS232YES)、トポロジー最適化を行う(ステップS240)。最後に、機能機器取付用肉付け処理を行い(ステップS250)、ステップS30へ進む。なお、ステップS220NO、ステップ230NOの場合は、ステップS210へ戻る。
内部構造検討部114は、ステップS10の工程で取得された三次元データを用いて、経路モデルを配置する(ステップS210)。例えば、積層造形方法(ステップS20の工程)が試作品を用いて行われる場合、ステップS10の工程で取得した三次元データを用いて、積層造形装置1により試作品が製作される。これにより、造形物50の試作品の内部に、経路モデルが形成される。また、例えば、積層造形方法(ステップS20の工程)がCAE解析を用いて行われる場合、ステップS10の工程で取得した三次元データを用いたコンピュータシミュレーションにより、経路モデルが再現される。
内部構造検討部114は、機能成立性の検討を行う(ステップS220)。そして、内部構造検討部114は、機能の条件を充足するか否かを判定する(ステップS222)。機能の条件を充足しない場合(ステップS222のNO)、工程はステップS210に戻る。一方、機能の条件を充足する場合(ステップS222のYES)、工程はステップS230に進む。
内部構造検討部114は、構造成立性の検討を行う(ステップS230)。そして、内部構造検討部114は、剛性の条件を充足するか否かを判定する(ステップS232)。剛性の条件を充足しない場合(ステップS232のNO)、工程はステップS210に戻る。一方、剛性の条件を充足する場合(ステップS232のYES)、工程はステップS240に進む。
内部構造検討部114は、三次元データをトポロジー最適化する(ステップS240)。
実施の形態にかかる造形物50は、一例として、流体を流通させる冷却回路として中空の経路60を内部に有する金型である。したがって、実施の形態にかかる造形物50において想定される構造的な制約、荷重条件及び拘束条件とは、例えば、金型温度履歴から予測される熱応力、鋳造圧、組合される入子又は隣り合う入子などの金型部品による拘束、及び締結ボルトの軸力などである。当該制約及び条件の下で造形物50のトポロジー最適化を行うことにより、造形物50の最小造形体積、すなわち最小粉末材料を求めることができる。
内部構造検討部114は、機能機器取付用肉付け処理を行う(ステップS250)。実施の形態における「機能機器」とは、例えば、測定機能機器、冷却または加熱機能機器、加振機能機器、流動制御機能機器等である。具体的には、測定機能機器は、流体を流通させる中空の経路60や立体物の変化または状況を測定する各種センサーなどであり、より具体的には、熱電対等の温度センサ、歪ゲージ及び流量計などである。冷却または加熱機能機器は、立体物の冷却や加熱を行う機器であり、より具体的には、ペルチェ素子やヒーターなどである。加振機能機器は、振動または音波発生装置などである。流動制御機能機器とは、内部空間にも冷却媒体などの流体を流す場合に用いる機器であり、より具体的には、整流板や乱流板などである。また、表示機能機器としての表示板や、固定・保持機能機器としてのボルト・螺子、クリップ及びホルダーなども、これに含まれる。
図6は、実施の形態にかかる積層造形方法で製造される造形物50の模式的断面図である。図6に示すように、内部構造の表面の凸部C1に肉付け処理によってベース部B1が形成されている。当該ベース部B1上に機能機器として温度センサSが配設されている。図6において一例として示した造形物50は中実構造であるが、上述の通り、中空構造を有していてもよい。
以上が、ステップS20の詳細である。
50 造形物
51 積層粉末
60 経路
100 制御装置
112 三次元データ取得部
114 内部構造検討部
116 三次元データ修正部
118 積層造形制御部
B1、B2 ベース部
C1、C2 凸部
S 温度センサ
Claims (1)
- 粉末を積層し溶融結合させることを繰り返すことによって三次元形状の造形物を製造する積層造形方法であって、
前記造形物の三次元データを取得する工程と、
取得した前記三次元データをトポロジー最適化する工程と、を備え、
トポロジー最適化された後の前記三次元データに対し、トポロジー最適化によって形成された凹凸を有する前記造形物の表面に機能機器を配設するためのベース部を形成する肉付け処理を行う、
積層造形方法。
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