(57)【要約】【課題】  積層造形プロセスシミュレーションに要する計算時間を短縮しつつ、解析精度を維持できる設計支援装置を提供する。【解決手段】  本発明の設計支援装置は、金属部材の造形モデルを対象に積層造形プロセスシミュレーションを施すものであって、入力された部材形状、材料、または、造形条件に基づいて、金属部材の各部位の幾何指標を計算する幾何指標計算部と、幾何指標とメッシュサイズの予め定めた関係に基づき、幾何指標より金属部材の各部位のメッシュサイズを決定するメッシュ作成部と、メッシュ作成部が決定したメッシュサイズを用いて、金属部材の積層造形プロセスシミュレーションを実行する造形プロセスシミュレーション部と、を備え、幾何指標は、金属部材のオーバーハング部の角度、オーバーハング部の面積、または、金属部材の粉末接触面積の少なくともいずれかを含むものとした。【選択図】  図１
2020102095.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属部材の造形モデルを対象に積層造形プロセスシミュレーションを施す設計支援装置であって、
入力された部材形状、材料、または、造形条件に基づいて、前記金属部材の各部位の幾何指標を計算する幾何指標計算部と、
前記幾何指標とメッシュサイズの予め定めた関係に基づき、前記幾何指標より前記金属部材の各部位のメッシュサイズを決定するメッシュ作成部と、
該メッシュ作成部が決定したメッシュサイズを用いて、前記金属部材の積層造形プロセスシミュレーションを実行する造形プロセスシミュレーション部と、を備え、
前記幾何指標は、前記金属部材のオーバーハング部の角度、該オーバーハング部の面積、または、前記金属部材の粉末接触面積の少なくともいずれかを含むことを特徴とする設計支援装置。
【請求項２】
請求項１に記載の設計支援装置において、
前記幾何指標がオーバーハング部の角度である場合、
前記メッシュ作成部は、前記角度が小さいほど、前記メッシュサイズを小さくすることを特徴とする設計支援装置。
【請求項３】
請求項１に記載の設計支援装置において、
前記幾何指標が、前記オーバーハング部の面積、または、前記金属部材の粉末接触面積である場合、
前記メッシュ作成部は、前記オーバーハング部の面積、または、前記粉末接触面積が大きいほど、前記メッシュサイズを小さくすることを特徴とする設計支援装置。
【請求項４】
請求項３に記載の設計支援装置において、
前記メッシュ作成部は、前記金属部材の表面のうち、粉末と接触しない部分については、予め定めた基本メッシュサイズを割り当てることを特徴とする設計支援装置。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか一項に記載の設計支援装置において、
積層造形プロセスシミュレーション結果に基づいて、前記造形モデルを修正することを特徴とする設計支援装置。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか一項に記載の設計支援装置において、
積層造形プロセスシミュレーション結果に基づいて、前記金属部材の造形可否を判断することを特徴とする設計支援装置。
【請求項７】
請求項６に記載の設計支援装置において、
前記金属部材の造形が不可と判断した場合には、別の製造方法の検討、または製品形状の修正を促すメッセージを表示することを特徴とする設計支援装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層造形用の設計支援装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
積層造形は、一般的に３Ｄプリンターと呼ばれる造形装置により実施されるものであり、ＣＡＤデータなどから作成した三次元形状データ（以下、「製品形状」と称す）にサポートを付与した造形モデルを入力データとし、この造形モデルと同形状の立体物（以下、「金属部材」と称す）を造形するものである。
【０００３】
積層造形には樹脂材料を用いるものと金属材料を用いるものがあり、金属材料を用いるものとしては、粉末床融結合方式や指向性エネルギー堆積方式が知られている。これらは何れも、粉末状の金属材料を熱によって溶融・結合することで立体的な金属部材を造形する技術であり、数十〜数百μｍ程度の厚さの金属層を重ねていくことにより、所望の形状の金属部材を造形する。例えば、粉末床融結合方式では、金属部材の断面を包む領域に粉末状の金属層を敷き詰め、金属部材がある箇所をレーザーなどで溶融・結合する。また、指向性エネルギー堆積方式では、粉末を敷き詰めずに、金属部材がある箇所にだけ粉末を供給してレーザーなどで溶融・結合する。
【０００４】
このような積層造形は、金属材料の溶融・結合の過程で、熱収縮による変形が生じやすいため、造形前の事前検討として、積層造形プロセスシミュレーションによる金属部材の熱変形予測が必須である。このシミュレーションには、例えば、有限要素法などが用いられており、シミュレーションに用いるメッシュサイズの適否によって、解析結果の精度が大きく影響されるため、金属部材の各部位には、タイムステップ毎に適切なメッシュサイズを割り当てて熱変形等をシミュレーションする必要がある。
【０００５】
このため、通常は、シミュレーションの各タイムステップにおける金属部材の各部位の物理量（例えば、温度、応力）の勾配に応じて、この勾配の大小と略反比例する適切なメッシュに更新し、解析結果の精度を保っているが、タイムステップ毎に各部位のメッシュサイズを更新する必要があるため、シミュレーション完了までに長時間を要するという問題がある。
【０００６】
そこで、特許文献１では、解析結果の物理量を用いずに、解析対象物の大きさ（エッジ、サーフェス、ボリューム等の、三次元ＣＡＤデータから容易に演算可能な値）のみを用いて、タイムステップ毎のメッシュサイズを決定するという簡易な方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−４２００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記した特許文献１では、解析対象物の大きさだけに着目してメッシュサイズを決定しているが、積層造形プロセスシミュレーションにおいては、解析対象物の大きさだけでなく、金属部材のオーバーハング部の有無および形状や、粉末状の金属材料と金属部材の接触面積の大小などの他の要因によっても、物理量（例えば、温度、応力）の勾配が変わるため、解析対象物の大きさだけでは、適切なメッシュサイズを決めることが難しい。
【０００９】
そこで、本発明では、金属部材のオーバーハング部の有無および形状や、粉末状の金属材料と金属部材の接触面積の大きさなどの他の要因も考慮してタイムステップ毎のメッシュサイズを決定することで、積層造形プロセスシミュレーションに要する時間の短縮と、解析精度の向上の双方を実現する設計支援装置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】
上記課題を解決するため、本発明の設計支援装置は、金属部材の造形モデルを対象に積層造形プロセスシミュレーションを施すものであって、入力された部材形状、材料、または、造形条件に基づいて、前記金属部材の各部位の幾何指標を計算する幾何指標計算部と、前記幾何指標とメッシュサイズの予め定めた関係に基づき、前記幾何指標より前記金属部材の各部位のメッシュサイズを決定するメッシュ作成部と、該メッシュ作成部が決定したメッシュサイズを用いて、前記金属部材の積層造形プロセスシミュレーションを実行する造形プロセスシミュレーション部と、を備え、前記幾何指標は、前記金属部材のオーバーハング部の角度、該オーバーハング部の面積、または、前記金属部材の粉末接触面積の少なくともいずれかを含むものとした。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の設計支援装置によれば、積層造形プロセスシミュレーションの解析精度を保ちつつ、計算時間の短縮を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】粉末床融結合方式による金属の積層造形方法の概念図
【図２】積層造形の断面図
【図３】一実施例の積層造形用設計支援装置の機能ブロック図
【図４】一実施例の幾何指標計算部、メッシュ作成部での処理のフローチャート
【図５】幾何指標とメッシュサイズの関係を規定したテーブルの一例
【図６】一実施例の積層造形用設計支援装置の画面表示例
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図１〜図６を用いて、本発明の一実施例に係る積層造形用設計支援装置について詳細に説明する。なお、以下では、粉末床融結合方式の積層造形を例に説明するが、指向性エネルギー堆積方式の積層造形に対しても、本発明の積層造形用設計支援装置を利用することができる。
【００１４】
まず、図１を用いて、金属材料を用いる場合の代表的な積層造形方法である粉末床融結合方式を説明する。この方式は、上下動可能なピストン１０の上部のベースプレート１０ａに、数十〜数百μｍ程度の厚さで金属の粉末１１ａを敷き（図１（ａ））、粉末１１ａにレーザー光１２などを照射して溶融・結合させることで金属部材１１ｂの一部を造形し（図１（ｂ））、ピストン１０を順次下げながら、図１（ａ）（ｂ）の処理を繰り返すことで（図１（ｃ））、所望の金属部材１１ｂを完成させるものである（図１（ｄ））。この粉末床融結合方式では、金属部材１１ｂの完成後、周囲に粉末１１ａがそのまま残るため、粉末１１ａを気体で吹き飛ばすなどの処置により、金属部材１１ｂを取り出すことができる。
【００１５】
粉末床融結合方式においては、各層での溶融・結合部は、既に溶融・結合した部分の上部（水平方向長さが許容内の斜め上部を含む）に配置するのが基本である。しかしながら、未溶融部の上部に溶融・結合部を配置しなければならない場合もあり、その場合は、設計上の金属部材１１ｂの下方に、完成後に除去するサポートを造形することにより、前述の基本を守る。このため、レーザー光１２が照射されている溶融領域は、造形材料、ベースプレート１０ａ、雰囲気の何れかと接していることになる。また、造形材料は、粉末状態の粉末１１ａ、溶融状態、溶融凝固後状態の金属部材１１ｂなど、複数の状態にあるが各々、熱伝導率や応力伝達率が相違する。従って、積層造形プロセスシミュレーション実施に先立つ金属部材１１ｂへのメッシュの割り当て時には、金属部材１１ｂの各部位の周囲環境に依存する伝熱状態や伝力状態を考慮したメッシュサイズを割り当てる必要がある。
【００１６】
ここで、金属部材１１ｂの各部位の熱収縮による変形を予測する際に利用できる幾何指標としては、図２に例示するものがある。図２は、積層造形中のある時点での金属部材１１ｂの断面図（例えば、図１（ｄ）に示す略凹状の金属部材１１ｂの左上端部の拡大図）であり、金属部材１１ｂの上端にオーバーハング部１１ｃが造形された状態を示している。ここに示すように、金属部材１１ｂの表面は、粉末１１ａと接触する粉末接触面積Ｓ１（Ｓ１ａ、Ｓ１ｂ、Ｓ１ｃ）、ベースプレート１０ａと接触するベースプレート接触面積Ｓ２（図示せず）、雰囲気と接触する雰囲気接触面積Ｓ３に分類することができ、特に、粉末接触面積Ｓ１の大きさに応じて温度勾配等が変化することから、この粉末接触面積Ｓ１を幾何指標とすることができる。また、オーバーハング部１１ｃの面積Ｓ１ｃや、オーバーハング部１１ｃがベースプレート１０ａ（と平行な水平方向）となす角度であるオーバーハング角度θの大きさに応じても応力勾配等が変化することから、オーバーハング部１１ｃの面積Ｓ１ｃやオーバーハング角度θも幾何指標とすることができる。
＜本実施例の設計支援システム１００＞
以上を踏まえ、図３〜図６を用いて、本実施例の積層造形用の設計支援システム１００について説明する。
【００１７】
図３に示すように、本実施例の設計支援システム１００は、キーボード等の入力装置１、液晶ディスプレイ等の表示装置３、および、それらと接続した設計支援装置２からなる。なお、設計支援装置２は、実際には、ＣＰＵ等の演算装置、半導体メモリ等の主記憶装置、ハードディスク等の補助記憶装置、および、通信装置などのハードウェアを備えた計算機である。そして、補助記憶装置に記録されたデータベースを参照しながら、主記憶装置にロードされたプログラムを演算装置が実行することで、後述する各機能を実現するが、以下では、このような周知技術を適宜省略しながら説明する。
【００１８】
本実施例の設計支援装置２は、設計者等が入力装置１を操作して入力した入力を受信する入力部として、製品形状入力部２ａと、材料入力部２ｂと、造形条件入力部２ｃを備えている。そして、製品形状入力部２ａには積層造形する金属部材１１ｂの形状が入力され、材料入力部２ｂには粉末１１ａの原料名とベースプレート１０ａの材質名が入力され、造形条件入力部２ｃにはレーザー光１２のパワー、移動速度、移動経路などが入力される。
【００１９】
本実施例の設計支援装置２は、これらのデータを用いることで、積層造形のタイムステップ毎に、金属部材１１ｂの各所に、積層造形中の周囲環境に応じたメッシュサイズを割り当てた後、積層造形プロセスシミュレーションを実施し、その実施結果を表示装置３に表示する。
【００２０】
この実現のため、設計支援装置２は、さらに、積層造形プロセスにおける物理量（例えば、温度、応力）と相関のある幾何指標を計算する幾何指標計算部２ｄと、この幾何指標に基づきメッシュを作成するメッシュ作成部２ｅと、このメッシュを用いて積層造形のプロセスをシミュレーションし、造形時の変形や温度を予測する造形プロセスシミュレーション部２ｆと、作成したメッシュやシミュレーション結果を出力する出力部２ｇを備える。さらに、シミュレーション結果に基づき、造形モデルを修正することができる。例えば、サポートにかかる力または応力などを、このシミュレーション結果から求めて、この力または応力に耐えられるサポートの中から、より除去しやすいサポートを選定し、造形モデルを修正する。これにより、造形を成功させつつ、後加工の工数をなるべく減らすことができる。また、シミュレーション結果に基づき、造形可否の判断も行い、耐えられるサポートがない場合には、造形不可と判断することができる。このように、シミュレーション結果に基づき、造形可否を判断することで、試行錯誤をする前に、別の製造方法の検討、または製品形状の修正を設計者等に促すメッセージを表示装置３に表示する。
【００２１】
次に、図４のフローチャートを用いて、設計支援装置２の幾何指標計算部２ｄ、メッシュ作成部２ｅ、造形プロセスシミュレーション部２ｆで実行される処理について説明する。
【００２２】
ＳＴＥＰ１では、幾何指標計算部２ｄは、設計者等が製品形状入力部２ａ〜造形条件入力部２ｃに入力した製品形状、材料、造形条件等のデータを読み取る。
【００２３】
ＳＴＥＰ２では、幾何指標計算部２ｄは、シミュレーションにより求める物理量(温度、応力など)と相関のある幾何指標を、読み取ったデータを基に、金属部材１１ｂの各部位（例えば、底面、側面、上面の夫々）につき計算する。なお、図２でも説明したように、ここで算出する幾何指標は、例えば、粉末接触面積Ｓ１、オーバーハング部１１ｃの面積Ｓ１ｃ、オーバーハング角度θ等である。
【００２４】
ＳＴＥＰ３では、メッシュ作成部２ｅは、幾何指標とメッシュサイズの関係を規定したテーブル５を用いて、求めた幾何指標に対応するメッシュサイズを決定する。
【００２５】
ここで用いるテーブル５は、幾何指標別に用意されており、例えば、幾何指標としてオーバーハング角度θを用いる場合は、オーバーハング角度θが大きくなるほどメッシュサイズも大きくなる、図５のようなテーブルである。なお、図５では、オーバーハング角度θとメッシュサイズの関係を三段階（３０°間隔）で規定したが、より細かく、例えば、１０°間隔で規定してもよい。
【００２６】
このように、オーバーハング角度θとメッシュサイズを略比例関係としたのは、図２からも明らかなように、金属部材１１ｂのオーバーハング角度θが小さければ、すなわち、金属部材１１ｂの垂直部からオーバーハング部１１ｃが急激に張り出す形状の場合、両者の境界での応力勾配等の変化が大きいと考えられるため、オーバーハング部１１ｃの近傍ではメッシュサイズを小さくして、より細やかに積層造形プロセスシミュレーションする必要があるからである。
【００２７】
同様の理由により、幾何指標としてオーバーハング部１１ｃの面積Ｓ１ｃを用いる場合は、面積Ｓ１ｃが大きくなるほどメッシュサイズが小さくなるように規定したテーブル５を用いて、金属部材１１ｂの各部位のメッシュサイズを決定する。
【００２８】
一方、幾何指標として粉末接触面積を用いる場合は、粉末接触面積が大きくなるほどメッシュサイズが小さくなるように規定したテーブル５を用いて、金属部材１１ｂの各部位のメッシュサイズを決定する。この理由は、溶融・結合した金属に比べ、粉末の金属は熱が逃げにくく、粉末接触面積Ｓ１が増えるほど熱勾配が大きくなるため、メッシュサイズを小さくして、より細やかに積層造形プロセスシミュレーションする必要があるからである。
【００２９】
なお、ステップＳ３でメッシュサイズを決定するのは、幾何指標に関連する部分のみであり、幾何指標に関連しない部分（例えば、粉末に接触しない、金属部材１１ｂの底面や上面）に関しては、所定の基本メッシュサイズが割り当てられる。
【００３０】
なお、幾何指標毎に異なるメッシュサイズが求められた部分は、最小のメッシュサイズを選択することで、解析精度を確保する。このメッシュサイズは、積層造形プロセスシミュレーションに要する時間の短縮を優先するため、各幾何指標により求められたメッシュサイズの平均値としてもよい。また、幾何指標毎に優先順位をつけておき、優先度の高い幾何指標によるメッシュサイズの影響を大きく反映させ、優先度の低い幾何指標によるメッシュサイズの影響を小さく反映させた、メッシュサイズを用いてもよい。
【００３１】
ＳＴＥＰ４では、メッシュ作成部２ｅは、ステップＳ３で求めた各部位のメッシュサイズを用いて、各タイムステップの金属部材１１ｂの全体に対し、粗密付きメッシュを作成する。
【００３２】
最後に、ＳＴＥＰ５では、造形プロセスシミュレーション部２ｆは、ステップＳ４で作成された粗密付きメッシュを用いて、積層造形プロセスシミュレーションを実行し、製造時の応力、変形や温度を予測する。
【００３３】
以上のように処理することで、タイムステップ毎の金属部材１１ｂへのメッシュ割り当て時に、各部位の温度や応力などを考慮する必要がなくなるため、比較的短い時間で金属部材１１ｂの全体にメッシュを割り当てることができる。
＜データ入力方法の一例＞
次に、図６を用いて、設計者等が必要なデータを入力する際の表示装置３の画面例を説明する。図６において、３ａ〜３ｉは入力欄であり、３ｊは実行ボタンである。従って、設計者等は、入力欄３ａ〜３ｉの各々に、造形形状ファイル名、サポート形状ファイル名、ベースプレートサイズ（Ｘ、Ｙ、Ｚ）、材料名、造形条件セットファイル名、基本メッシュサイズ、テーブル名を入力した後、実行ボタン３ｊを押すことで、図４に例示した、本実施例の設計支援装置２での処理を開始することができる。ここで、「ファイル名」という表現を用いているのは、所望のデータセットが予め登録された電子データを指名するだけでデータ入力を完了させることができることを想定したものである。「材料名」についても同様であり、解析で用いられる材料物性値がデータセットに登録されていることを想定したものである。
【００３４】
以上で説明したように、本実施例によれば、金属部材の変形や温度を積層造形プロセスシミュレーションする際のタイムステップ毎のメッシュサイズを、粉末接触面積やオーバーハング角度等の幾何指標を基準として一律に決定するので、適切なメッシュサイズを個々に計算する必要のあった従来方式と比べ、タイムステップ毎のメッシュサイズの決定に要する時間を短縮化できると同時に、解析精度も維持することができる。
【符号の説明】
【００３５】
１００  設計支援システム、
１  入力装置、
２  設計支援装置、
２ａ  製品形状入力部、
２ｂ  材料入力部、
２ｃ  造形条件入力部、
２ｄ  幾何指標計算部、
２ｅ  メッシュ作成部、
２ｆ  造形プロセスシミュレーション部、
３  表示装置、
１０  ピストン、
１０ａ  ベースプレート、
１１ａ  粉末、
１１ｂ  金属部材、
１１ｃ  オーバーハング部、
１２  レーザー光、
【図１】
2020102095.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2020102095.tif 000007
【図６】
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