JP7063034B2 - 積層造形方法 - Google Patents

Description

本発明は積層造形方法に関し、特に、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造形物を製造する積層造形方法に関する。

近年、無機材料もしくは有機材料からなる粉末に光ビームを照射し、焼結または溶融固化させることにより、三次元形状の積層造形物を製造する積層造形装置が、脚光を浴びている。具体的には、定盤上に粉末を敷き詰め、粉末層を形成する工程と、この粉末層の所定領域に光ビ－ムを照射し、焼結または溶融固化させることにより硬化層を形成する工程とを繰り返す。これにより、多数の硬化層を積層一体化して三次元形状の造形物を製造することができる。

また、積層造形方法において、造形物の軽量化、造形時間の短縮、使用材料の低減（コスト削減）、などを目的として、造形物の必要機能や性能を維持しつつ、造形体積を低減するために、位相最適化（トポロジー最適化）を採用することも行われている。
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。

特開２００８－２３１４９０号公報

発明者らは、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造形物を製造する積層造形方法に関し、トポロジー最適化を行った場合について、以下の問題点を見出した。

一般に、造形物に対してトポロジー最適化を行うと、最も効率のよい材料の分布、すなわち、中実構造であった部分または部位が取り除かれる（肉抜きされる）ことになるので、結果として、凹凸、空洞および空間（スペース）などの新たな形状や内部構造が出現する。
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。

ところが、凹凸やスペースがあるが故に、新たに形成された形状や内部構造の表面形状は複雑なものになり、例えば「安定して固定するために必要な平面（または寸法）」などの、機能機器の取り付け仕様などにより、取り付けが困難になる場合があった。

本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、造形物の造形体積を低減しつつ、所望の位置に機能機器を取り付けることが可能な積層造形方法を提供するものである。

本発明にかかる積層造形方法は、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、造形物の三次元データを取得する工程と、取得した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る前又はトポロジー最適化された後の三次元データに対し、造形物に機能機器を配設するためのベース部を形成する。

本発明にかかる積層造形方法では、トポロジー最適化される前又はトポロジー最適化された後の三次元データに対し、造形物に機能機器を配設するためのベース部を形成する。よって、造形物の造形体積を低減しつつ、所望の位置に機能機器を取り付けることが可能な積層造形方法を提供することができる。

本発明により、造形物の造形体積を低減しつつ、所望の位置に機能機器を取り付けることができる。

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の概要を示す模式的断面図である。 実施の形態にかかる積層造形方法に用いる制御装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態にかかる積層造形方法で製造される造形物を例示する図である。 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。 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。 実施の形態にかかる積層造形方法で製造される造形物の模式的断面図である。 実施の形態にかかる積層造形方法で製造される他の造形物の模式的断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。但し、本発明が以下の実施の形態に限定されるわけではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。
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。

（実施の形態）
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。

ベース３０は、定盤２及び支柱６を固定するための台である。ベース３０は、定盤２が載置される上面が水平になるように、床面に設置される。定盤２は、ベース３０の水平な上面に載置、固定されている。定盤２の上面も水平であって、この定盤２の上面に粉末が敷き詰められ、三次元形状の造形物５０が形成されていく。図１の例では、定盤２は、四角柱状の部材である。図１に示すように、定盤２の上面の周縁全体に、水平方向に張り出したフランジ状の凸部２ａが形成されている。この凸部２ａの外周面が全体に亘り造形槽３の内側面と接触しているため、定盤２の上面及び造形槽３の内側面に囲われた空間に積層粉末５１を保持することができる。ここで、造形槽３の内側面と接触している凸部２ａの外周面に、例えばフェルトからなるシール部材（不図示）を設けることにより、積層粉末５１の保持力を高めることができる。

造形槽３は、この定盤２の上面に敷き詰められた粉末を側面から保持する筒状の部材である。図１の例では、定盤２が四角柱状であるため、造形槽３は、上端にフランジ部３ａを備えた角パイプである。造形槽３は、例えば厚さ１～６ｍｍ程度（好適には３～５ｍｍ程度）のステンレス鋼鈑から構成され、軽量である。造形槽３の上部開口端３ｂに粉末層を形成し、この粉末層にレーザビームＬＢを照射することにより硬化層を形成する。上部開口端３ｂの形状は、例えば６００ｍｍ×６００ｍｍである。

また、造形槽３は、上下方向（ｚ軸方向）に移動可能に設置されている。詳細には後述するように、硬化層を形成する度に造形槽３を定盤２に対して一定量ずつ上昇させ、造形物５０を形成していく。ここで、実施の形態に係る積層造形装置１では、一定重量かつ軽量な造形槽３のみを上昇させればよい。そのため、毎回精度良く粉末層を形成することができる。その結果、精度良く造形物５０を形成することができる。

造形槽支持部４は、造形槽３のフランジ部３ａの上面が水平となるように、フランジ部３ａの下面を３点で支持している支持部材である。造形槽支持部４は、造形槽３を上下方向（ｚ軸方向）に移動させる造形槽駆動部５の連結部５ｃに連結されている。

造形槽駆動部５は、造形槽３を上下方向（ｚ軸方向）に移動させるための駆動機構である。造形槽駆動部５は、モータ５ａ、ボールねじ５ｂ、連結部５ｃを備えている。モータ５ａが駆動すると、ｚ軸方向に延設されたボールねじ５ｂが回転する。そして、ボールねじ５ｂが回転すると、ボールねじ５ｂに沿って、連結部５ｃが上下方向（ｚ軸方向）に移動する。上述の通り、造形槽３を支持する造形槽支持部４が連結部５ｃに連結されているため、造形槽駆動部５により造形槽３が上下方向（ｚ軸方向）に移動可能となる。なお、造形槽駆動部５の駆動源は、モータに限らず、油圧シリンダなどを用いてもよい。

ここで、造形槽駆動部５は、ベース３０から略垂直に（すなわち鉛直方向に）立設された支柱６の上部に固定されている。このように、本実施の形態に係る積層造形装置１では、造形槽駆動部５が、造形槽３の外部に設置されているため、メンテナンス性に優れている。

レーザスキャナ８は、造形槽３の上部開口端３ｂに形成された粉末層に対して、レーザビームＬＢを照射する。レーザスキャナ８は、図示されないレンズ及びミラーを有している。そのため、図１に示すように、レーザスキャナ８は、粉末層における水平面（ｘｙ平面）上の位置に関わらず、粉末層にレーザビームＬＢの焦点を合わせることができる。
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。

また、レーザスキャナ８は、支持部７を介して、造形槽３のフランジ部３ａに固定されている。そのため、レーザスキャナ８とレーザビームＬＢの照射対象である粉末層との距離を一定に保つことができる。したがって、実施の形態にかかる積層造形装置１は、精度良く造形物５０を製造することができる。

スキージ１１は、第１のスキージ１１ａ及び第２のスキージ１１ｂから構成されている。第１のスキージ１１ａ及び第２のスキージ１１ｂは、いずれもｙ軸方向に延設されている。また、スキージ１１は、造形槽３の上部開口端３ｂを介して、一方のフランジ部３ａから対向するフランジ部３ａまでｘ軸方向にスライドすることができる。

図１に示すように、第１のスキージ１１ａ及び第２のスキージ１１ｂが、ｘ軸マイナス側のフランジ部３ａ上に設置された状態で、両者の間に粉末が供給される。ここで、２回分の粉末層を形成するための粉末が供給される。すなわち、スキージ１１がｘ軸マイナス側のフランジ部３ａからｘ軸プラス側のフランジ部３ａまでスライドすることにより、１回分の粉末層が造形槽３の上部開口端３ｂに形成される。図１に破線で示したように、この粉末層に対してレーザビームＬＢを照射し、硬化層を形成している間、スキージ１１はｘ軸プラス側のフランジ部３ａ上で待機している。そして、スキージ１１がｘ軸プラス側のフランジ部３ａからｘ軸マイナス側のフランジ部３ａまでスライドすることにより、もう１回分の粉末層が造形槽３の上部開口端３ｂに形成される。

なお、例えば硬化層の形成領域が狭い場合には、スキージ１１をｘ軸マイナス側のフランジ部３ａからｘ軸プラス側のフランジ部３ａまで最大限スライドさせずに、硬化層の形成領域はカバーした上で、途中でスライドを止めてもよい。粉末層を形成するための粉末量を節約できるとともに時間を短縮することができる。

樋１２及び粉末分配器１３は、粉末供給部１４から投下された粉末をスキージ１１の長手方向に均一に分配するためのものである。樋１２の下面には、第１のスキージ１１ａ及び第２のスキージ１１ｂの間隔（ｘ軸方向）より狭く、スキージ１１の粉末投入領域と同程度の長さ（ｙ軸方向）を有する開口部が形成されている。

粉末分配器１３は、樋１２の溝の断面形状と同形状の板状部材である。粉末分配器１３は、図示しない駆動機構によりｙ軸方向にスライドすることができる。ここで、図１では、分かり易くするため、粉末分配器１３を樋１２から離して描いている。しかし、実際には、粉末分配器１３は樋１２の溝の両側面と隙間なく接触しながらスライドする。粉末分配器１３が、樋１２において粉末が投下された一端から他端までスライドすることにより、粉末が樋１２の開口部を介して、スキージ１１の長手方向（ｙ軸方向）に均一に分配される。

なお、例えば硬化層の形成領域が狭い場合には、粉末分配器１３を樋１２の一端から他端まで最大限スライドさせずに、硬化層の形成領域はカバーした上で、途中でスライドを止めてもよい。粉末層を形成するための粉末量を節約できるとともに時間を短縮することができる。

粉末供給部１４は、粉末が蓄えられた小型タンクである。粉末供給部１４の詳細については後述する。なお、粉末は、無機材料（金属やセラミック）もしくは有機材料（プラスチック）からなる。好適には、平均粒径２０μｍ程度の鉄粉が用いられる。

制御装置１００は、積層造形装置１の動作を制御する。具体的には、制御装置１００は、造形槽駆動部５、レーザスキャナ８、レーザ発振器１０、スキージ１１等と、有線又は無線で接続されている。制御装置１００は、造形物５０を製造するための三次元データを記憶している。制御装置１００は、この三次元データを用いてこれらの構成要素を制御する。これにより、積層造形装置１は、造形物５０を成形する。

図２は、実施の形態にかかる積層造形方法に用いる制御装置１００の構成を示すブロック図である。制御装置１００は、例えばコンピュータである。制御装置１００は、主要なハードウェア構成として、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１０２と、ＲＯＭ（Read Only Memory）１０４と、ＲＡＭ（Random Access Memory）１０６と、インタフェース部１０８（ＩＦ；Interface）とを有する。ＣＰＵ１０２、ＲＯＭ１０４、ＲＡＭ１０６及びインタフェース部１０８は、データバスなどを介して相互に接続されている。

ＣＰＵ１０２は、制御処理及び演算処理等を行う演算装置としての機能を有する。ＲＯＭ１０４は、ＣＰＵ１０２によって実行される制御プログラム及び演算プログラム等を記憶するための機能を有する。ＲＡＭ１０６は、処理データ等を一時的に記憶するための機能を有する。インタフェース部１０８は、有線又は無線を介して外部と信号の入出力を行う。インタフェース部１０８は、通信ポートを含み得る。

また、制御装置１００は、三次元データ取得部１１２、内部構造検討部１１４、三次元データ修正部１１６及び積層造形制御部１１８を有する。三次元データ取得部１１２、内部構造検討部１１４、三次元データ修正部１１６及び積層造形制御部１１８は、例えば、ＣＰＵ１０２がＲＯＭ１０４に記憶されたプログラムを実行することによって実現可能である。また、必要なプログラムを任意の不揮発性記録媒体に記録しておき、必要に応じてインストールすることで、三次元データ取得部１１２、内部構造検討部１１４、三次元データ修正部１１６及び積層造形制御部１１８を実現するようにしてもよい。

また、プログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium）を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体（tangible storage medium）を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ）、光磁気記録媒体（例えば光磁気ディスク）、ＣＤ－ＲＯＭ、ＣＤ－Ｒ、ＣＤ－Ｒ／Ｗ、半導体メモリ（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（Programmable ROM）、ＥＰＲＯＭ（Erasable PROM）、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ）を含む。また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体（transitory computer readable medium）によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。

なお、三次元データ取得部１１２、内部構造検討部１１４、三次元データ修正部１１６及び積層造形制御部１１８は、上記のようにソフトウェアによって実現されることに限定されず、何らかの回路素子等のハードウェアによって実現されてもよい。さらに、三次元データ取得部１１２、内部構造検討部１１４、三次元データ修正部１１６及び積層造形制御部１１８は、物理的に１つの装置内に設けられている必要はなく、別個のハードウェアとして構成されていてもよい。その場合、三次元データ取得部１１２、内部構造検討部１１４、三次元データ修正部１１６及び積層造形制御部１１８のそれぞれが、コンピュータとして機能してもよい。

三次元データ取得部１１２、内部構造検討部１１４、三次元データ修正部１１６及び積層造形制御部１１８の具体的な機能については後述する。なお、内部構造検討部１１４によって行われる処理は、コンピュータ等の装置によって行われる必要はなく、作業者によって行われてもよい。また、制御装置１００は、積層造形装置１と一体でなくてもよく、積層造形装置１の専用の装置でなくてもよい。制御装置１００は、汎用の情報端末であってもよい。

ここで、図３を参照して本実施の形態の積層造形方法を用いて製造される造形物５０について説明する。
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。

次に、図４を参照して、積層造形方法の一連の流れについて説明する。
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）。

以下、上記各ステップについて、図２～図７を参照しつつ説明する。
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。

＜ステップＳ２０：内部構造の検討＞
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。

ここで、この「経路モデル」については、ステップＳ１０の工程で取得された三次元データを用いて製造（試作）された試作品であってもよい。また、「経路モデル」は、ステップＳ１０の工程で取得された三次元データを用いたＣＡＥ解析においてシミュレーションによって再現された経路であってもよい。
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。

次に、「トポロジー最適化」及び「機能機器取付用肉付け処理」を行う。
「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。

ここで、本実施の形態においては、「機能成立性」「構造成立性」「トポロジー最適化」及び「機能機器取付用肉付け処理」を行っているが、少なくとも「トポロジー最適化」及び「機能機器取付用肉付け処理」を行えばよく、換言すると、「機能成立性」及び「構造成立性」の検討については、必ずしも行われる必要はない。

なお、ステップＳ２０の各工程に関する、より具体的な詳細については、後述する。

＜ステップＳ３０：三次元データの修正＞
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。

＜ステップＳ４０：積層造形＞
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。

以下、図５を参照して、ステップＳ２０の詳細を説明する。
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。

＜ステップＳ２１０：経路モデルの配置＞
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。

＜ステップＳ２２０：機能成立性の検討＞
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。

経路６０によって発揮される機能が冷却機能である場合、内部構造検討部１１４は、経路モデルに冷却水を流通させて金型で成形を行ったときの高温領域の温度を取得して、その温度が所定温度以下となるか否かを判定する（ステップＳ２２２）。そして、温度が所定温度以下である場合に、機能の条件を充足すると判定される（ステップＳ２２２のＹＥＳ）。

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Ｓ２２０において、試作品に形成された経路モデルに冷却水を流通させて、その試作品にかかる金型で成形が行われる。そして、内部構造検討部１１４は、そのときの、試作品における高温領域に対応する箇所の温度を取得する。温度は、例えばサーモグラフィによって計測可能である。なお、試作品を用いる場合、成形品又は金型の不具合の有無を検知することで、機能の条件を充足するか否かを判定してもよい。

また、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Ｓ２２０において、内部構造検討部１１４は、ＣＡＥによるコンピュータシミュレーションで、経路モデルに冷却水を流通させた状態で金型成形を行うことを再現する。そして、内部構造検討部１１４は、ＣＡＥによる温度解析（冷却解析）により、高温領域の温度を算出する。

また、冷却機能の条件を充足しない場合（ステップＳ２２２のＮＯ）、ステップＳ２１０の工程で、内部構造検討部１１４は、冷却機能の条件を充足するように、経路モデルの配置を変更する。例えば、内部構造検討部１１４は、高温領域に近い経路６０の径を大きくしてもよい。また、内部構造検討部１１４は、高温領域に経路６０をさらに近づけてもよいし、高温領域により近い部分経路を新たに配置するように分岐を設けてもよい。

なお、本実施の形態においては、造形物５０を金型とし、経路６０によって発揮される機能が冷却機能としたが、他の実施の形態として、経路６０によって発揮される機能が防音又は防振である場合、内部構造検討部１１４は、経路モデルに流体を流通させたときの音量又は振動の大きさが、所定の値以下であるかを判定してもよい（ステップＳ２２２）。また、経路６０によって発揮される機能が搬送などを行うエアシュータである場合、内部構造検討部１１４は、経路モデルに流体を流通させて物を搬送したときの速度が所定の速度以上であるか否かを判定してもよい（ステップＳ２２２）。

＜ステップＳ２３０：構造成立性の検討＞
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。

具体的には、内部構造検討部１１４は、経路モデルを内部に有する造形物５０のモデル（金型モデル）に負荷を加えたときの、金型モデルにおける歪又は変形量を取得して、その歪又は変形量が所定の許容値以下であるか否かを判定する（ステップＳ２２２）。そして、歪又は変形量が所定の許容値以下である場合に、剛性の条件を充足すると判定される（ステップＳ２２２のＹＥＳ）。なお、ステップＳ２３０では、剛性の評価ではなく強度の評価を行ってもよく、この場合、強度の条件の判定は、金型モデルにおける歪又は変形量ではなく、応力値を用いて行われ得る。

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Ｓ２３０において、経路モデルが内部に形成された試作品に対して剛性試験が行われる。そして、内部構造検討部１１４は、そのときの所定の箇所における歪又は変形量を取得する。なお、歪は、所定の箇所に歪ゲージを取り付けることで計測可能である。なお、試作品を用いる場合、試作品の剛性不足による成形品又は金型の不具合を検知することで、構造の成立性を判定してもよい。

また、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Ｓ２３０において、内部構造検討部１１４は、ＦＥＭ（Finite Element Method；有限要素法）を用いた構造解析を行う。そして、内部構造検討部１１４は、所定の箇所における歪又は変形量を算出する。なお、内部構造検討部１１４は、構造解析によって得られた応力分布で示された応力値が許容値以下であるか否かを判定してもよい。また、構造解析において、熱応力を考慮してもよい。

なお、条件を充足しない場合（ステップＳ２３２のＮＯ）、ステップＳ２１０の工程で、内部構造検討部１１４は、剛性の条件を充足するように、経路モデルの配置を変更する。例えば、内部構造検討部１１４は、経路６０を造形物５０の外表面から離すように、経路６０の配置を変更してもよい。

＜ステップＳ２４０：トポロジー最適化＞
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。

＜ステップＳ２５０：機能機器取付用肉付け処理＞
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。

上述の通り、トポロジー最適化を行うことによって実施の形態にかかる造形物５０は最小造形体積となるため、造形物５０の内部の既に形成されていた中空の経路６０の他に、三次元データ上には新たな内部構造が形成される。当該内部構造の表面に対し、機能機器の取り付け又は配設を行うことができる。ここで、最小体積となった造形物５０の内部構造の表面形状は、凹凸を有している場合が多い。凹凸を有する内部構造の表面に対して機能機器を配設するために、取り付けを所望する機能機器の種類に応じて、ベース部の肉付け処理を行う。

次に、図６を参照して、凹凸を有する内部構造の表面に対して機能機器を配設するために、ベース部Ｂ１の肉付け処理を行う場合について説明する。
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。

図６は具体例であり、特に、ステップＳ２４０のトポロジー最適化によって造形物５０の内部構造の表面に形成された凹凸のうち、凸部Ｃ１の頂点部の温度を測定するため、凸部Ｃ１の頂点部に温度センサＳを配設する場合を想定したものである。図６に示すように、内部構造検討部１１４は、例えば三次元データ上で凸部Ｃ１に対して肉付け処理を行い、ベース部Ｂ１を形成する。図６の例では、凸部Ｃ１に対して肉付け処理を行い、上面が平坦なベース部Ｂ１を形成している。ベース部Ｂ１の上面には、温度センサＳが配設されている。

ベース部Ｂ１の形状は、機能機器の種類や機能機器の発揮部位に応じて、平坦な取付座を有する形状としてもよいし、取付穴や取付溝等を有する形状としてもよく、所望の形状に応じて適宜変更可能である。すなわち、肉付け処理の情報には、設置寸法の設定も含まれる。

上述の、図６を参照して説明した肉付け処理では、測定したい場合が凸部の頂点である場合を説明したが、これに限定されない。例えば、機能機器の目的機能に応じ、ＣＡＥ等のシミュレーションを用いることによって、造形物５０の内部構造の表面に形成された凹凸における機能機器の取付部位を決定することもできる。

具体的には、測定機能機器として温度センサを取り付ける場合、シミュレーションを用いて内部構造の温度分布を予測し、最高温部位または最低温部位、変異幅の大きい部位等に基づいて、取付部位を決定することもできる。また、例えば、前述したステップＳ５０において残留粉末を除去するための加振機能機器を取り付ける場合、流体を流通させる中空の経路６０における未溶融粉末が残留または凝集しやすい位置を、シミュレーションを用いて予測し、取付部位を決定することもできる。

なお、実施の形態では、トポロジー最適化（ステップＳ２４０）を行った後に機能機器取付用肉付け処理（ステップＳ２５０）を行っているが、順番はこれに限定されない。具体的には、先にＣＡＥ等のシミュレーションを用いて、機能機器の取付部位の決定および設置寸法の決定を行った肉付け処理の情報を加味した上で、トポロジー最適化を行ってもよい。

また、本実施の形態では、トポロジー最適化によって形成された内部構造の表面に、機能機器を取り付けているが、造形物の外周面や側面などの表面において、トポロジー最適化によって形成される凹凸部（特に凹部）に、ベース部を肉付けすることも可能である。

更に、ＣＡＥ等のシミュレーションを用いて、温度センサＳなどの機能機器を取り付けるベース部Ｂ２の位置を決定した上で、トポロジー最適化を行うこともできる。図７は、実施の形態にかかる積層造形方法で製造される他の造形物５０の模式的断面図である。図７には、図６を参照して説明した凸部Ｃ１について、参考のために仮想線を用いて示した。図７に示すように、造形物５０の内部構造の凸部Ｃ２の内側に、機能機器を取り付けるためのベース部Ｂ２として空間が形成されている。当該ベース部Ｂ２に機能機器として温度センサＳが配設されている。図７に示すように、造形物５０の内部構造では、ベース部Ｂ２として空間を設けた状態で、トポロジー最適化を行うことにより、凸部Ｃ２が形成される。また、図７に示すように、ベース部Ｂ２に温度センサＳなどの機能機器を配設するための開口部Ａを形成することが望ましい。
以上が、ステップＳ２０の詳細である。

発明者は、従来のようにトポロジー最適化を行うと、造形物の表面形状が凹凸となるため、凹凸部に取り付けることが困難な機能機器など、一部の機能機器を取り付けることが困難となるという問題を見出した。

本実施の形態では、取得した三次元データをトポロジー最適化し、トポロジー最適化された三次元データに対し、トポロジー最適化された造形物に機能機器を配設するためのベース部を形成することによって、造形物の造形体積を低減しつつ、所望の位置に機能機器を取り付けることができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１ 積層造形装置
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)

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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