JP2017077671A - ３次元物品の積層造形支援方法、コンピュータ・ソフトウェア、記録媒体および積層造形システム - Google Patents

Abstract

【課題】積層造形時に発生するそり変形や残留応力を高精度に高速に求めることができる３次元物品の積層造形支援方法を提供。
【解決手段】３次元物品のＣＡＤデータを入力する３次元ＣＡＤデータ入力工程１００１と、スライスデータを作成するスライスデータ作成工程１００２と、造形用条件を元に造形シミュレーションを実行する造形シミュレーション工程１００４と造形用条件を変更して繰り返し造形シミュレーションを実行し、少なくともそり変形または残留応力のいずれか一方が許容範囲内となる条件を求める最適化工程１００８とを備えたことを特徴とする３次元物品の積層造形支援方法。
【選択図】図４

Description

本発明は、３次元造形品の製造装置、造形品の製造方法、造形品の設計方法、コンピュータ・ソフトウェア、記憶媒体に関する。

２０１４年版ものづくり白書（非特許文献１）において、新しいものづくり方法として、デジタルものづくり（３Ｄプリンタ）が紹介されている。３Ｄプリンタによるものづくりは、付加価値製造（Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）とも呼ばれ、造形品の３次元ＣＡＤデータを使って、積層造型法により短時間で試作品を製造するものである(図９)。用途としては、設計段階での形状確認のための試作品のみならず、航空分野、医療関係分野における精密品まで幅広く活用されている。

射出成形分野においては、フィラメント押出法による試作品作成や、金属粉末焼結法により金型の入れ子部や金型自体を製作している。金型を金属粉末焼結法で製作するには、３次元形状のスライスデータに対して、面上に敷かれた金属粉末を所望の断面形状を得るために、高エネルギーのレーザ光で溶融させ、固めて積み上げていく方法である。この方法の利点としては、射出成形金型内の冷却管作成の自由度が増し、より効率的に金型内を冷却することが可能になることである。

射出成形工程においては、射出された溶融樹脂が金型側に熱を奪われていくことで固化させ、取り出す方法であるが、金型内に溜まる熱を効率的に放熱しなければならない。射出成形品は金型内の温度分布にムラがあると、それが原因で反り現象が発生するので、できるだけ成形品が均一に冷却されるためには、金型内の温度自体も一定が望ましい。そのために、形状的に、他の場所に比べて熱が溜まり易い場所、例えば箱形状であれば、外側よりも内側を積極的に冷却させる必要がある。そのため、図１０のように、箱形状であれば、金型２０１の成形部２０２内側にできるだけ沿う形で冷却管２０３を設けるのがよい。

しかし、成形品形状が複雑になってくると、多くの工夫が必要になっていた。例えば、非特許文献２に自動車用バンパーの冷却水管の配置例が示されており、また様々なコア冷却構造の例が示されている。このように、従来の射出成形金型において、金型を冷却するために、様々な工夫が必要であるが、積層造型法による金型加工であれば、製造の自由度が高く、従来困難であった複雑な冷却管形状を製作可能である。

この積層造形法では強いレーザー光で金属粉末を溶融させ、固化させた層を積み上げていくが、熱の影響を受けて内部に残留応力や変形が発生することが知られている（図１１）。この現象は金属粉末に限らず、セラミック、樹脂であっても、初期状態から固化（または硬化）させて、積層する際に、残留応力やそり変形は発生する。

これまでの取組みとして、特許文献１では、光強度と硬化深度の関係を使って、三次元的変形を求める方法が提案されている。この発明のベースとなっているのは、厚さ０．１ｍｍ程度の薄層におけるランバート・ベールの法則から理論的に求めた光強度と硬化深度の関係であり、実験的にも検証されたものであるが、造形サイズが大きくなっても、その薄層のデータを造形サイズ分に適用することになる。

しかし、造形品の対象が試作品や金型ともなると、大きさが数十ｍｍから数百ｍｍに達する。仮に０．１ｍｍの積層ピッチで、１００ｍｍの造形品を作るとなれば、単純計算で１０００層必要であり、硬化時の収縮分を考慮して、造形後の形状を３次元ＣＡＤデータと同じサイズに造形するには、プラスアルファの追加分が必要である。レーザー光のパワーは非常に強いため、ある層を造形中だとしても、すでに造形し終わった層にまで、熱が伝わり、その温度バラツキによって、残留応力や変形が逐次変化していることになるが、その現象を考慮することができない。

特開２００２−１６６４８１号公報

２０１４年度ものづくり白書（経済産業省発行）ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｅｔｉ．ｇｏ．ｊｐ／ｒｅｐｏｒｔ／ｗｈｉｔｅｐａｐｅｒ／ｍｏｎｏ／２０１４／ 射出成形辞典、産業調査会、２００２年

本発明の目的は、このような従来の問題点を鑑みてなされたものであって、積層造形時に発生するそり変形や残留応力を高精度に高速に求めることができる３次元物品の積層造形支援方法を提供することにある。

上の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、
３次元物品の積層造形支援方法であって、３次元物品のＣＡＤデータを入力する３次元ＣＡＤデータ入力工程と、スライスデータを作成するスライスデータ作成工程と、造形用条件を元に造形シミュレーションを実行する造形シミュレーション工程と、造形用条件を変更して、繰り返し造形シミュレーションを実行し、少なくともそり変形または残留応力のいずれか一方が許容範囲内となる条件を求める最適化工程とを備えたことを特徴とする３次元物品の積層造形支援方法である。

請求項２に記載の発明は、
前記造形シミュレーションとして、解析モデル内において、造形中の領域ごとに、弾塑性解析、粘弾性解析、固有ひずみ解析、熱伝導解析、弾性解析、硬化収縮解析のいずれか１つ以上を組み合わせた解析手法で計算することを特徴とする請求項１記載の３次元物品の積層造形支援方法である。

請求項３に記載の発明は、
前記造形シミュレーションとして、あらかじめデータベースに登録された固有ひずみ値を元に、解析モデル全体における固有ひずみ値の分布を定義し、弾性解析することを特徴とする請求項１記載の３次元物品の積層造形支援方法である。

請求項４に記載の発明は、
前記データベースに登録された固有ひずみ値は、造形品の測定結果から求める方法またはシミュレーションで求めることを特徴とする請求項３記載の３次元物品の積層造形支援方法である。

請求項５に記載の発明は、
前記積層造形支援方法が対象とする積層造形法が、光造形法、インクジェット法、粉末積層造形法、熱溶融積層法、熱溶解積層法のいずれかであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の３次元物品の積層造形支援方法である。

請求項６に記載の発明は、
請求項１〜５のいずれかに記載された３次元物品の積層造形支援方法の各工程をコンピュータに実行させるコンピュータ・ソフトウェアである。

請求項７に記載の発明は、
請求項６に記載のコンピュータ・ソフトウェアであって、造形用条件を入力するための造形用条件入力モジュールと、計算用モデルを作成する計算用モデル作成モジュールと、造形シミュレーションを行う造形シミュレーションモジュールとを備えたことを特徴とするコンピュータ・ソフトウェアである。

請求項８に記載の発明は、
請求項６または請求項７に記載のコンピュータ・ソフトウェアを記憶した記録媒体である。

請求項９に記載の発明は、
請求項１〜請求項５のいずれかに記載の積層支援方法の各工程を実行するコンピュータと、前記最適化工程で得られた条件を実行する積層造形装置とを備えた、３次元物品の積層造形システムである。

本発明により、積層造形時に発生するそり変形や残留応力を高精度に高速に求めることができる３次元物品の積層造形支援方法を提供することが出来、積層造形品に発生するそり変形や残留応力が少ない高精度な造形品を得ることができる。

本発明の一実施形態に係る３次元物品の造形支援方法を行うコンピュータ・ソフトウェアの構成を示す図である。 設置方法によるスライスデータの違いを示す図である 本発明の一実施形態に係る３次元物品の積層造形システムの構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係る実施手順を示すフローチャートである。 箱形状のＣＡＤデータを示す図である。 箱形状のシミュレーションモデルを示す図である。 箱形状内側のそり変形評価位置を示す図である。 評価位置における変位量を示す図である。 積層造形法の一例で（Ａ）ＣＡＤデータ、（Ｂ）スライスデータ、（Ｃ）粉末材料を用いた造形を説明する図である。 箱形状の冷却管配置の例を示す図である。 （Ａ）造形品のＣＡＤデータ、（Ｂ）積層造形法で生じたそり変形、を示す図である。

以下に、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１に本発明の３次元物品の造形支援方法を実行するコンピュータ・ソフトウェア１の構成を示す。コンピュータ・ソフトウェア１は大きく分けて、造形用条件入力モジュール２、計算用モデル作成モジュール３、造形シミュレーションモジュール４、結果表示モジュール５の４つのモジュールを備えている。

造形用条件入力モジュール２は、製造方式設定２１、スライスデータ定義２２、ツールパス定義２３、積層ピッチ定義２４の機能を有している。

製造方式設定２１の条件入力では、積層造形方法と利用する付加製造材料を選択する。材料押出方式によるナイロン樹脂製の造形であったり、樹脂、鉄、チタン等の粉末材料を使った粉末積層方式などである。また、材料押出方式の場合は、押出時の材料温度、速度、押出口などを設定する。粉末積層方式の場合は、レーザ光の出力、径、速度になる。径や速度の情報は、造形シミュレーション用の計算モデルの微小要素の大きさを決定するときに参照される。なお、本実施形態で対象となる積層造形方法としては、光造形方法、インクジェット法、粉末積層造形法、熱溶融積層法、熱溶解積層法等がある。

スライスデータ定義２２の入力では、まず３次元ＣＡＤデータの、基板に対する設置位置を設定し、それに対してスライスデータを作成する。たとえば図２に示すように、直方体を造形するにしても設置方法によって、スライスデータは異なり、結果として造形品の面精度や、そり変形も変化する。また、造形方式によっては、重力影響を受けて、造形品が変形することを防ぐために、サポート部と呼ばれる支持部も合わせて造形される。サポート部は造形後、除去されるが、造形品に含まれている場合には、全体変形には影響を及ぼしていると考えられるため、解析モデルに含めておく。

ツールパス定義２３におけるツールパスとは、層を造形するときの、吐出部やレーザー光の軌跡のことである。ツールパスによっても、すでに造形された部位に影響を及ぼす程度が異なるため、最終的な造形品のそり変形・残留応力にも影響する因子であるため、層ごとのツールパスを定義する。

積層ピッチ定義２４における積層ピッチとは、一つのスライスデータの厚みのことである。この厚み情報も、造形シミュレーションモデルの要素サイズ決定に用いられる。

計算用モデル作成モジュール３は、初期メッシュ作成３１とメッシュ更新３２の２つの機能を有する。

初期メッシュ作成３１は、スライスデータから３次元微小要素モデルを構築するか、あるいはスライスデータと同じ位置あわせした３次元ＣＡＤデータから３次元微小要素モデルを作成する。一般的に、造形前材料が固化することで収縮分が発生するため、ある一定の割合をかけて大きめに造形し、最終的に３次元ＣＡＤデータと同じサイズの造形品を見込む場合がある。その場合は、補正係数を考慮した要素サイズを作成してもよい。

また、作成された微小要素は何番目の層に属する要素なのかという識別情報を保有し、かつ造形前はすべての要素部は存在しないため、シミュレーション前は、要素存在を判別する識別フラグをＯＦＦにしておく。

メッシュ更新３２は、各層のツールパス定義に従い、造形された部位の要素存在の識別フラグをＯＮにし、有限要素を生成する。すべての層の造形が終わると、初期メッシュの全領域の要素識別フラグがＯＮとなっている状態になる。

造形シミュレーションモジュール４は、熱伝導解析４１、線形／非線形解析４２、固有ひずみ解析４３、最適化４４の機能を有する。

熱伝導解析４１は、例えば、レーザー光によって金属粉末を溶融する金属粉末焼結積層法や、高温の樹脂フィラメントを積層する場合の造形法には必要になる。造形後の各部が周囲の雰囲気温度に到達するまでの温度履歴を熱伝導解析によって求めるものである。この温度変化が変形を発生させる駆動力となり、各材料に適した構成方程式を用いて、変形・応力を求める。

線形／非線形解析４２は、各造形法に用いる材料に適した材料モデル（構成方程式）を選択し、解析をするものである。線形解析では、造形に用いている材料が、弾性体と仮定できる場合の弾性解析、非線形解析では、材料モデルが粘弾性体、弾塑性体と仮定できる場合に用いる粘弾性解析、弾塑性解析がある。たとえば、光造形法であれば、紫外線を照射させて光硬化性樹脂を硬化させて造形したときの、造形品全体の収縮や残留応力が問題となる。この場合、光硬化性樹脂（熱硬化樹脂）を粘弾性体または計算時間簡略のためには弾性体として、硬化収縮解析を行う。

粉末積層造形法であれば、材料が樹脂の場合だと、粘弾性体、金属の場合は弾塑性体とする。それに加えて、熱伝導解析４１の結果を加味した温度連成解析を行う。

一般的に、積層造形法で単位時間で造形する範囲は狭く、それを現在の造形中の面全体へ広げ、高さ方向には数千層も積み上げる方法であり、実際に非常に造形時間がかかるものである。それをシミュレーションで再現するに場合も、実際に即した条件を元に計算をすると、微小な有限要素サイズでのモデル化が必要で、造形部全域を同じ要素サイズでモデル化すると増大な要素数となる。また材料モデルが非線形であり、温度連成が必要な造形方法のシミュレーションになると、計算負荷が大きくて、計算が数時間、数日でも終了しないほどの大規模計算になる。そのため、実用的なシステムを目指すためには、解析精度を確保しつつ、計算時間の短縮化を両立させる必要がある。その対策として、造形中において、すでに造形が完了した層において、温度や応力の時間的な変化が小さくなっている領域については、計算負荷が高い非線形モデルから線形モデルに変えたり、リメッシュと呼ばれる有限要素モデルの再構築によって要素サイズを大きくすることで、計算時間の短縮化を図る。そのため、造形品の領域によっては、非線形モデル、線形モデルが混在することになる。

固有ひずみ解析４３は、計算時間の短縮化のための別の方法であり、固有ひずみ解析法による変形・残留応力を求める場合に利用するものである。固有ひずみとは、全ひずみから弾性ひずみを引いた非弾性ひずみの総称を示し、あらかじめ解析モデルの固有ひずみ値がわかっていれば、弾性解析することで、変形と残留応力を求めることができるため、シミュレーションの高速化に繋がる。あらかじめ、基本形状に対して積層造型を実施しておき、その造形品の全体変位を計測する。その変位データを元に、例えば逆解析を利用して、造形品の全体変位を満たす固有ひずみ値を算出する。種々の基本形状と造形条件と固有ひずみ値との相関を事前にデータベースで登録しておく。

実際の造形時には、スライスデータの形状と造形条件をデータベースに参照し、固有ひずみ値を算出して、造形品全体の弾性解析を行う。任意のスライスデータと造形条件に対する全ての固有ひずみ値を事前にデータベースに登録しておく困難であるから、スライスデータを基本形状の集合体とみなし、基本形状の固有ひずみ値を合算することで定義してもよい。各スライスデータに対する固有ひずみ値を定義し、計算用モデル全領域に対して固有ひずみ値を求めた後、弾性解析にて、全体の変形、応力を求める。最適化４４は、造形用条件入力モジュール２の各項目の条件を変更して、繰り返し造形シミュレーションを行う。そして、変形および残留応力が許容範囲に収まる条件を求めて、最終的に造形を行う。

結果表示モジュール５は、造形シミュレーションで得られた物理量に対して、アニメーション、コンター、変形図、グラフなどをグラフィック画面上に表示するものである。グラフィック画面の結果を、外部ファイルへ出力する機能を有していてもよい。

図３は、本発明の３次元物品の積層造形支援方法を実行するコンピュータ・ソフトウェアを組み込んだ３次元造形システム１００のハードウェア構成例を示す図である。コンピュータ１０１に、補助記憶装置１０２、入力装置１０３、表示装置１０４、ＣＡＤ装置１０５、積層造形装置１０６が接続されている。

ＣＡＤ装置１０５で作成した造形品の３次元ＣＡＤデータ（ＳＴＬ形式、ＡＭＤ形式等）を補助記憶装置１０２に格納する。入力装置１０３で、造形品の設置位置、積層ピッチ厚さを決めて、スライスデータを作成する。各スライスデータのツールパスの軌跡を決定し、初期メッシュを作成する。次に、オペレータの指示により、コンピュータ１０１がこれらのデータを用いて、造形シミュレーションを行う。得られた結果は表示装置１０４により、表示される。必要に応じてオペレータが造形品の設置方法、積層ピッチ厚さ、レーザー出力、レーザー走査速度等を変更し、再びシミュレーションを行うことができる。また、解析結果の出力は別途用意したプリンタ装置に対して行ってもよく、補助記憶装置１０２に格納してもよい。

条件を変更して繰り返し造形シミュレーションを行い、そり変形が許容範囲に収まる条件を用いて、実際に造形機で造形する。

図４は、本発明の３次元物品の造形支援方法による造形品のそり変形支援方法と、それに基づいて決定した最適形状・造形条件による造形品の製造方法における手順の例を示したフローチャートである。

造形シミュレーションでは、はじめにＣＡＤ装置１０５により造形品の３次元形状を作成し、補助記憶装置１０２に保存する（ステップ１００１）。次に、入力装置１０３が補助記憶装置１０２から造形品の３次元ＣＡＤデータを読み込み、設置方法を決定後、スライスデータを作成する。このとき、造形方法によっては、サポート部が必要のため、サポート部の形状も決定させる（ステップ１００２）。入力装置１０３が３次元形状を微小な要素に分割し、造形条件を決定する（ステップ１００３）。次に、造形条件に従い、層ごとに造形シミュレーションを実施する（ステップ１００４）。造形された計算領域で、熱弾塑性解析を実行する（ステップ１００５）。次に、すべての層の造形シミュレーションが終わったかどうか確認する（ステップ１００６）。未完了の場合は、次の層を更新する（ステップ１００７）。計算結果を確認し、精度的に満足できない場合は、造形条件を最適化する（ステップ１００８）。造形条件を変更し（ステップ１００９）、少なくともそり変形または残留応力の一方が許容範囲内となり、必要な精度が確保できることを確認後、造形を開始する（ステップ１０１０）。

金属粉末焼結造形品への実施例について示す。まず、図４のステップ１００１において、箱形状をＣＡＤデータで作成した（図５）。箱形状のサイズは、縦：１０ｍｍ、横：１０ｍｍ、高さ：１０ｍｍで、厚さは１ｍｍである。ステップ１００２において、Ｚ方向に０．１ｍｍの厚さでスライスデータを作成した（図６）。ステップ１００３において、シミュレーションモデルを作成し、造形条件を作成した。造形用の材料は、粒子径５０μｍの鉄鋼とし、レーザーの走査速度は50mm/secとした。ツールパスは、X方向、Y方向を交互に積層することにした。ステップ１００４〜１００６の造形シミュレーションを行い、図７の評価位置において、Y方向の変位量を確認したところ、現行条件（CASE1）では約0.02ｍｍのそり変形が発生していた（図８）。そのため、ステップ１００９で積層厚さや、ステップツールパスの条件変更を行い、造形シミュレーションを行った（CASE2〜CASE5）。CASE3の条件が最もそり変形が小さく、必要とされる精度が確保できていることがわかり、その条件に従い、造形を行った（ステップ１０１０）。

１ コンピュータ・ソフトウェア
２ 造形用条件入力モジュール
３ 計算用モデル作成モジュール
４ 造形シミュレーションモジュール
５ 結果表示モジュール
６ データ解析装置
２１ 製造方式設定
２２ スライスデータ定義
２３ ツールパス定義
２４ 積層ピッチ定義
３１ 初期メッシュ作成
３２ メッシュ更新
４１ 熱伝導解析
４２ 線形／非線形解析
４３ 固有ひずみ解析
４４ 最適化
１００ ３次元造形システム
１０１ コンピュータ
１０２ 補助記憶装置
１０３ 入力装置
１０４ 表示装置
１０５ ＣＡＤ装置
１０６ 積層造形装置

Claims (9)

1. ３次元物品の積層造形支援方法であって、
   ３次元物品のＣＡＤデータを入力する３次元ＣＡＤデータ入力工程と、
   スライスデータを作成するスライスデータ作成工程と、
   造形用条件を元に造形シミュレーションを実行する造形シミュレーション工程と、
   造形用条件を変更して、繰り返し造形シミュレーションを実行し、少なくともそり変形または残留応力のいずれか一方が許容範囲内となる条件を求める最適化工程とを備えたことを特徴とする３次元物品の積層造形支援方法。
2. 前記造形シミュレーションとして、解析モデル内において、造形中の領域ごとに、弾塑性解析、粘弾性解析、固有ひずみ解析、熱伝導解析、弾性解析、硬化収縮解析のいずれか１つ以上を組み合わせた解析手法で計算することを特徴とする請求項１記載の３次元物品の積層造形支援方法。
3. 前記造形シミュレーションとして、あらかじめデータベースに登録された固有ひずみ値を元に、解析モデル全体における固有ひずみ値の分布を定義し、弾性解析することを特徴とする請求項１記載の３次元物品の積層造形支援方法。
4. 前記データベースに登録された固有ひずみ値は、造形品の測定結果から求める方法またはシミュレーションで求めることを特徴とする請求項３記載の３次元物品の積層造形支援方法。
5. 前記積層造形支援方法が対象とする積層造形法が、光造形法、インクジェット法、粉末積層造形法、熱溶融積層法、熱溶解積層法のいずれかであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の３次元物品の積層造形支援方法。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載された３次元物品の積層造形支援方法の各工程をコンピュータに実行させるコンピュータ・ソフトウェア。
7. 請求項６に記載のコンピュータ・ソフトウェアであって、
   造形用条件を入力するための造形用条件入力モジュールと、
   計算用モデルを作成する計算用モデル作成モジュールと、
   造形シミュレーションを行う造形シミュレーションモジュールとを備えたことを特徴とするコンピュータ・ソフトウェア。
8. 請求項６または請求項７に記載のコンピュータ・ソフトウェアを記憶した記録媒体。
9. 請求項１〜請求項５のいずれかに記載の積層支援方法の各工程を実行するコンピュータと、
   前記最適化工程で得られた条件を実行する積層造形装置とを備えた、３次元物品の積層造形システム。