JP2018115364A - 積層造形方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】造形物の内部に形成された経路に残留する残留粉末を良好に除去することが可能な積層造形方法を提供する。
【解決手段】造形物50を造形するための三次元データが取得される(S10)。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を実際に製造する前に、経路モデルにおける第2の流体の流量及び流速の少なくとも一方に基づいて、三次元データを用いて造形物50が製造された後の経路60の残留粉末の除去性について判定される(S20)。S20の工程で判定された除去性に基づいて、S10の工程で取得された三次元データを修正する(S30)。S30の工程で修正された三次元データを用いて、積層造形によって造形物50を製造する(S40)。
【選択図】図3

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。
造形物を例えば成形金型などとして用いる場合には、冷却や加熱などの機能を持たせるために、造形物内に流体が流通する経路を形成することが行なわれている。この技術に関連し、特許文献1は、光造型物の製造方法を開示する。特許文献1にかかる方法では、粉末の層に光ビームを照射して結合層を形成する際に部分的に光ビームを照射しないで未結合のまま粉末を残すことによって、未結合の粉末が連続する部分で粉末結合体内に流体経路を形成する。そして粉末結合体の表面に開口する流体経路の複数の開口部の一方から圧縮エアを吹き込む操作と、吸引をする操作の、いずれかの操作をすることによって流体経路内の未結合の粉末を取り除く。
特開2003−225948号公報
引用文献1にかかる方法では、開口部の一方から圧縮エアを吹き込む操作と、吸引をする操作の、いずれかの操作を行うことによって、流体経路内の残留粉末を除去している。一方、屈曲形状又は分岐形状等が含まれるような形状が複雑な流体経路では、残留粉末を除去するためのエアの流動性が悪化するおそれがある。したがって、引用文献1にかかる方法では、未結合の残留粉末を良好に除去できないおそれがある。
本発明は、造形物の内部に形成された経路に残留する残留粉末を良好に除去することが可能な積層造形方法を提供する。
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際に、部分的に前記粉末を溶融結合させないようにしてその部分に未結合のまま前記粉末を残留させることで、第1の流体を流通させる中空の経路が内部に形成された前記造形物を製造する積層造形方法であって、前記造形物に関する三次元データを取得する工程と、前記経路に残留する残留粉末を除去するために用いられる第2の流体の、前記三次元データを用いて前記経路を模擬した経路モデルにおける流量及び流速の少なくとも一方に基づいて、前記造形物を製造する前に、前記三次元データを用いて前記造形物が製造された後の前記経路の前記残留粉末の除去性を判定する工程と、前記判定された除去性が向上するように、前記三次元データを修正する工程と、前記修正された三次元データを用いて、前記造形物を製造する工程とを有する。
本発明は、上記のように構成されていることによって、残留粉末の除去性が向上されているような経路の配置となるように、造形物にかかる三次元データが修正されるように構成されている。したがって、本発明にかかる積層造形方法は、造形物の内部に形成された経路に残留する残留粉末を良好に除去することが可能となる。
また、好ましくは、前記除去性を判定する工程において、前記流量が予め定められた第1の閾値以上である場合には、前記流速に関わらず前記除去性は良好であると判定し、前記流量が前記第1の閾値以下の予め定められた第2の閾値未満である場合には、前記流速に関わらず前記除去性は良好でないと判定する。
本発明は、上記のように構成されていることによって、圧力損失を考慮して除去性の判定を行うことができる。したがって、本発明にかかる積層造形方法は、より適切に除去性の判定を行うことができる。
また、好ましくは、前記除去性を判定する工程において、前記流量が前記第2の閾値以上かつ前記第1の閾値未満である場合には、前記流速が予め定められた第3の閾値以上であるときに、前記除去性は良好であると判定する。
本発明は、上記のように構成されていることによって、流量及び流速を用いることで、より適切に除去性の判定を行うことができる。
また、好ましくは、前記除去性の判定の対象となる前記経路の箇所は、前記経路の形状に応じて定められる。
本発明は、上記のように構成されていることによって、除去性が良好でないと推測される箇所のみについて判定がなされるので、除去性の判定を効率的に行うことが可能となる。
本発明によれば、造形物の内部に形成された経路に残留する残留粉末を良好に除去することが可能な積層造形方法を提供できる。
実施の形態1にかか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1にかかる制御装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態1にかかる積層造形方法を示すフローチャートである。 実施の形態1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1にかかる造形物の部分拡大図である。 図3に示したフローチャートにおけるS20の工程の詳細を示すフローチャートである。 経路における圧力損失を説明するための図である。 実施の形態1にかかる、残留粉末の除去性の評価表を示す図である。 実施の形態1にかかる積層造形方法によって修正された三次元データにかかる造形物を例示する図である。
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。
(実施の形態1)
まず、図1を参照して、実施の形態1にかかる積層造形装置について説明する。図1は、実施の形態1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1にかかる積層造形装置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1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1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。
以上のように、積層造形装置1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50を製造する。また、実施の形態1にかかる造形物50の内部には、後述するように、所定の機能を発揮するための流体を流通させる中空の経路が形成されている。積層造形装置1は、部分的に粉末を溶融結合させないようにしてその部分に未結合のまま粉末を残留させることで、中空の経路が形成される。詳しくは後述する。
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1にかかる制御装置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。
図3は、実施の形態1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1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。
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。
図4は、実施の形態1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4は、造形物50の断面図である。図4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1にかかる造形物50は、例えば金型である。そして、実施の形態1にかかる造形物50は、流体を流通させる中空の経路60を、内部に有する。つまり、三次元データは、造形物50の内部の経路60の情報を含み、経路60に対応する部分には構造体(溶融結合した粉末層)が除外されているように、生成され得る。
経路60は、所定の機能を達成させるための流体を流通させる。例えば、経路60は、造形物50に形成された型部分を冷却する流体を流通させてもよい。また、例えば、経路60は、造形物50を加熱又は断熱するための流体を流通させてもよい。また、例えば、経路60は、防音又は防振のために流体を流通させてもよい。具体的には、造形物50を伝播する波動の振幅及び位相を、経路60を流通する流体によって変化させるようにしてもよい。また、例えば、経路60は、物を搬送する気体を流通させるエアシュータであってもよい。
以下の説明では、造形物50は金型であり、経路60は金型を冷却する流体(第1の流体)を流通させるとする。つまり、実施の形態1にかかる造形物50は、冷却回路を有する金型である。なお、造形物50は、単に冷却回路のみであってもよく、造形物50に金型が接続されてもよい。また、図4に例示された経路60は、実施の形態の説明のため比較的単純な形状としているが、実際の経路は、多数の屈曲部及び分岐等を有するような複雑な形状であり得る。
経路60を流通する流体は、例えば冷却水である。経路60の入口60aから経路60に流体が流入し、出口60bから流体が流出する。図4においては、左側が上流側で、右側が下流側である。また、図4において造形物50の上側に位置している破線で囲まれた領域は、冷却が必要な高温領域92及び高温領域94である。高温領域92は、高温領域94よりも上流側にある。経路60は、これらの高温領域92及び高温領域94に近づくように配置されている。
具体的には、入口60aから上方(鉛直方向)に延設された部分経路61の下流側に、高温領域92に近づけるように、水平方向に延設された部分経路62が配置されている。また、高温領域92によって昇温された冷却水を冷却するために、高温領域から遠ざけるように、部分経路62の下流側に下方に延設された部分経路63と、部分経路63の下流側に水平方向に延設された部分経路64とが配置されている。また、高温領域94に近づけるように、部分経路64の下流側に上方に延設された部分経路65と、部分経路65の下流側に水平方向に延設された部分経路66とが配置されている。そして、部分経路66の下流側に、出口60bに向かって下方に延設された部分経路67が配置されている。したがって、部分経路62の両側に屈曲部71及び屈曲部72が形成され、部分経路64の両側に屈曲部73及び屈曲部74が形成され、部分経路66の両側に屈曲部75及び屈曲部76が形成されている。
図5は、実施の形態1にかかる造形物50の部分拡大図である。図5は、経路60のうち水平方向に延びる部分(例えば部分経路62)を流通する流体の流れ方向に略垂直に切断した面における造形物50の断面図である。上述したように、積層造形装置1は、経路60に対応する位置で、粉末を溶融結合させないようにする。具体的には、経路60の下方の粉末層52Aでは粉末に全体的にレーザビームLBが照射されて粉末が溶融結合している。一方、その上の層である粉末層52B〜52Kでは、部分的に粉末にレーザビームLBが照射されないことで粉末が溶融結合しておらず、経路60に粉末が残留している。そして、経路60の上方の粉末層52Lでは、粉末は全体的に溶融結合している。このように、粉末が溶融結合していない部分が各粉末層52B〜52Kで連続して形成されることで、経路60が形成される。なお、経路60の上側の層(例えば粉末層52H〜52L)では、溶融結合した粉末が重力によって落下しないように、積層のピッチを変えてもよい。この場合、水平な経路60の上面(天井)は、粗くなり得る。
また、上述したように、造形物50を製造した後、経路60の内部には、溶融結合しないで残留している残留粉末が存在する。したがって、この残留粉末を除去する必要がある。実施の形態1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、又は、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。つまり、実施の形態1では、流体(第2の流体)を用いて、経路60に残留する残留粉末を除去する。
次に、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。S20の工程の詳細については後述する。なお、「経路モデル」とは、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、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、検討対象となる「所定の性能」には様々なものがある。実施の形態1では、内部構造検討部114は、後述するように、「機能成立性」、「構造成立性」及び「残留粉末の除去性」について検討する。「機能成立性」は、第1の流体によって発揮されるべき機能(本実施の形態では冷却機能)を十分に発揮できるか否かを示す。「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。「残留粉末の除去性」は、造形物50の経路60内に存在する残留粉末を十分に除去できるか否かを示す。ここで、実施の形態1にかかる積層造形方法では、少なくとも、「残留粉末の除去性」について検討される。したがって、本実施の形態においては、「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。
つまり、実施の形態1にかかる積層造形方法では、少なくとも、三次元データを用いて造形物50が製造された後で溶融結合しないで経路60内の各箇所(部分経路61〜67及び屈曲部71〜76等)に残留する残留粉末の除去性について判定される。さらに言い換えると、S20の工程では、内部構造検討部114は、造形物50を実際に製造する前に、三次元データを用いて造形物50が製造された後の経路60の各箇所における残留粉末の除去性を判定する。このとき、後述するように、内部構造検討部114は、経路モデルにおける第2の流体の流量及び流速の少なくとも一方に基づいて、残留粉末の除去性を判定する。また、後述するように、内部構造検討部114は、残留粉末の除去性の判定後、除去性が向上するように、経路60を修正してもよい。
次に、三次元データ修正部116は、S20の工程で判定された除去性に基づいて、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)。具体的には、三次元データ修正部116は、S20の工程で判定された除去性が向上するように、S10の工程で取得された三次元データを修正する。さらに具体的には、三次元データ修正部116は、S20の工程において除去性が良好でないと判定された箇所の除去性が向上するように、三次元データを修正する。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、除去性が改善されるように、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、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、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、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)。そして、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、第2の流体を用いて、残留粉末が除去される(ステップS50)。
このように、実施の形態1にかかる積層造形方法では、経路60の残留粉末の除去性が向上されているような経路60の配置となるように、造形物50にかかる三次元データが修正されている。したがって、実施の形態1にかかる積層造形方法は、実際に製造された造形物50の内部に形成された経路60に残留する残留粉末を良好に除去することが可能となる。
図6は、図3に示したフローチャートにおけるS20の工程の詳細を示すフローチャートである。まず、内部構造検討部114は、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(S20の工程)が試作品を用いて行われる場合、S10の工程で三次元データを用いて、積層造形装置1を用いて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(S20の工程)がCAE解析を用いて行われる場合、S10の工程で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。
次に、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(S222のNO)、工程はS210に戻る。一方、機能の条件を充足する場合(S222のYES)、工程は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92,94(図4)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(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(S222のYES)。
S20の工程が試作品を用いて行われる場合、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92,94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、S20の工程がCAE解析を用いて行われる場合、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92,94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(S222のNO)、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92,94に近い経路60(部分経路62,66)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92,94に経路60(部分経路62,66)をさらに近づけてもよいし、高温領域92,94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、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、経路モデルに第1の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(S222)。また、経路60によって発揮される機能が搬送である場合、内部構造検討部114は、経路モデルに第1の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(S222)。
次に、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(S232のNO)、工程はS210に戻る。一方、剛性の条件を充足する場合(S232のYES)、工程は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(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(S222のYES)。なお、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。
S20の工程が試作品を用いて行われる場合、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、S20の工程がCAE解析を用いて行われる場合、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(S232のNO)、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。
次に、内部構造検討部114は、経路60に残留する残留粉末の除去性の検討を行う(ステップS240)。そして、内部構造検討部114は、除去性の条件を充足するか否かを判定する(ステップS242)。除去性の条件を充足しない場合(S242のNO)、工程はS210に戻る。一方、除去性の条件を充足する場合(S242のYES)、S20の処理は終了する。
上述したように、内部構造検討部114は、経路モデルにおける第2の流体の流量及び流速の少なくとも一方に基づいて、残留粉末の除去性を判定する(S242)。具体的には、内部構造検討部114は、経路モデルに第2の流体を流通させて経路モデルの各箇所における流量及び流速の少なくとも一方を取得して、その流量及び流速の少なくとも一方が所定の基準値以上であるか否かを判定する(S242)。そして、流量及び流速の少なくとも一方が所定の基準値以上である場合に、残留粉末の除去性が良好である、つまり除去性の条件を充足すると判定される(S242のYES)。つまり、第2の流体の流量及び流速が大きければ、第2の流体のエネルギーが大きくなるので、残留粉末の除去性は良好となり得る。なお、上記の「所定の基準値」は、経路60の各箇所(図4の部分経路61〜67、屈曲部71〜76)それぞれで異なっていてもよい。
S20の工程が試作品を用いて行われる場合、S240において、試作品に形成された経路モデルに流量計及び流速計を設置することで、流量及び流速を計測可能である。内部構造検討部114は、計測された流量及び流速の値を取得する。ここで、後述するように、第2の流体の流動性が悪いと予測される箇所、つまり圧力損失の大きな箇所では、残留粉末の除去性が良好でない可能性がある。したがって、経路モデルにおいて圧力損失の大きな形状である箇所に、流量計及び流速計を設置することが好ましい。ここで、圧力損失の大きな箇所とは、例えば、屈曲部71〜76のような屈曲形状の箇所及び分岐形状の箇所等のような、複雑な形状の部位である。また、試作品に流量計及び流速計を設置する場合、経路60の周囲の、経路60を形成するための粉末のみを、溶融結合させるようにしてもよい。これにより、試作品においては、経路60の形成する配管形状の部分以外が、削除されたものとなり得る。したがって、この削除された箇所に、流量計及び流速計が、物理的に設置され得る。
また、S20の工程がCAE解析を用いて行われる場合、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、経路モデルに第2の流体を流通させることを再現する。このとき、残留粉末が経路モデルに残留していることを再現して第2の流体を用いて残留粉末を除去することを再現してもよい。そして、内部構造検討部114は、CAEによる流動解析により、経路モデルの各箇所(例えば上記の圧力損失の大きな箇所等)の流量及び流速を算出する。
上記のように、好ましくは、内部構造検討部114は、上記のように圧力損失の大きな形状である箇所において流量及び流速を取得する。言い換えると、経路60において除去性の判定の対象となる箇所は、経路60の形状に応じて定められる。そして、内部構造検討部114は、圧力損失の大きな形状である箇所について、残留粉末の除去性を判定する。これにより、除去性が悪い可能性のある箇所について流量及び流速を取得して除去性の判定を行い、経路60の全体について除去性の判定を行う必要がなくなる。したがって、除去性の判定を効率的に行うことが可能となる。
ここで、残留粉末の除去性は、経路60を流通する第2の流体の流動性に関係している。つまり、第2の流体の流動性が良ければ、残留粉末の除去性も良好となり得る。そして、第2の流体の流動性は、経路60における流動抵抗による圧力損失に関係している。したがって、残留粉末の除去性を判定する際には、単に第2の流体の流量及び流速を考慮するだけでなく、圧力損失も考慮する必要がある。
図7は、経路60における圧力損失を説明するための図である。経路60を円筒と仮定し、経路60の内径をDとし、経路60の長さをLとする。また、経路60を流れる流体の流速をVとする。このとき、圧力損失ΔPは、以下の式1で表される。
(式1)ΔP=ρλLV/2D
ここで、ρは流体の密度を示し、λは経路60の摩擦係数を示す。
式1より、圧力損失ΔPは、流速Vの2乗に比例する。したがって、圧力損失ΔPに対する流速Vの寄与度は大きい。したがって、流速Vが大きいと圧力損失ΔPの影響により除去性が良好とならない可能性がある。一方、流量Qは、内径D及び長さLの関数である。したがって、式1より、流量Qは、流速Vほど圧力損失ΔPに寄与しない。したがって、流量Qが大きくても、除去性に対する圧力損失ΔPの影響は、流速Vの場合よりも大きくない。よって、残留粉末の除去性を検討する際には、流量Qを流速Vよりも優先して考慮することが好ましい。したがって、内部構造検討部114は、図8に示すような評価表を用いて、除去性の判定を行う。
図8は、実施の形態1にかかる、残留粉末の除去性の評価表を示す図である。なお、閾値Qth1、閾値Qth2、閾値Vth1及び閾値Vth2は、過去の実績値、理論上緩い条件下における計算値(流動抵抗を考慮しないもの等)、及び、理論上厳しい条件下における計算値(最大の流動抵抗を考慮したもの等)等に応じて、適宜、定められ得る。
流量Qが予め定められた閾値Qth1(第1の閾値)以上である場合に、その流量Qは「流量大」と分類される。流量Qが予め定められた閾値Qth2(第2の閾値)以上であり閾値Qth1未満である場合に、その流量Qは「流量中」と分類される。ここで、Qth2≦Qth1である。流量Qが閾値Qth2未満である場合に、その流量Qは「流量小」と分類される。
また、流速Vが予め定められた閾値Vth1以上である場合に、その流速Vは「流速大」と分類される。流速Vが予め定められた閾値Vth2(第3の閾値)以上であり閾値Vth1未満である場合に、その流速Vは「流速中」と分類される。ここで、Vth2≦Vth1である。流速Vが閾値Vth2未満である場合に、その流速Vは「流速小」と分類される。
経路60のある箇所において、第2の流体の状態が、「流量大」かつ「流速大」のとき、「流量中」かつ「流速大」のとき、「流量大」かつ「流速中」のとき、及び「流量中」かつ「流速中」のときは、その箇所における第2の流体の流動性は、圧力損失を考慮しなくても、良好であると推測される。したがって、これらのときには、内部構造検討部114は、残留粉末の除去性は良好であると判定する。これに対し、経路60のある箇所において、第2の流体の状態が、「流量小」かつ「流速小」のとき、「流量中」かつ「流速小」のとき、及び「流量小」かつ「流速中」のときは、その箇所における第2の流体の流動性は、圧力損失を考慮しなくても、良好でないと推測される。したがって、これらのときには、内部構造検討部114は、残留粉末の除去性は良好でないと判定する。
一方、経路60のある箇所において、第2の流体の状態が、「流量大」かつ「流速小」のとき、又は、「流量小」かつ「流速大」のときは、圧力損失を考慮しないと、第2の流体の流動性が良好であるか否かを推測することは困難である。これらのときは、内部構造検討部114は、上述したように、圧力損失の影響を鑑みて、流量Qを流速Vよりも優先して考慮する。
第2の流体の状態が「流量大」かつ「流速小」のときは、流速Vが小さいのであるから、圧力損失ΔPも小さいと推測される。したがって、流量Qが大きいことを考慮して、第2の流体の流動性は良好であると推測される。これにより、「流量大」かつ「流速小」のとき、内部構造検討部114は、除去性は良好であると判定する。これに対し、第2の流体の状態が「流量小」かつ「流速大」のときは、流速Vが大きいのであるから、圧力損失ΔPも大きいと推測される。したがって、流量Qが小さいことを考慮して、第2の流体の流動性は良好でないと推測される。これにより、「流量小」かつ「流速大」のとき、内部構造検討部114は、除去性は良好でないと判定する。
したがって、図8に示すように、内部構造検討部114は、流量Qが「流量大」である(つまり流量Qが閾値Qth1以上である)場合は、流速Vに関わらず、除去性が良好である(「OK」)と判定する。一方、内部構造検討部114は、流量Qが「流量小」である(つまり流量Qが閾値Qth2未満である)場合は、流速Vに関わらず、除去性が良好でない(「NG」)と判定する。
また、内部構造検討部114は、流量Qが「流量中」である(つまり流量Qが閾値Qth2以上かつ閾値Qth1未満である)場合、流速Vが「流速小」である(つまり流速Vが閾値Vth2未満である)ときに、除去性が良好でない(「NG」)と判定する。一方、流量Qが「流量中」である場合において、内部構造検討部114は、流速Vが「流速中」及び「流速大」である(つまり流速Vが閾値Vth2以上である)ときに、除去性が良好である(「OK」)と判定する。
このように、実施の形態1にかかる積層造形方法では、残留粉末の除去性を検討する際に、流量Qを流速Vよりも優先して判定を行っている。これにより、圧力損失による影響を考慮して、残留粉末の除去性を判定することができる。したがって、実施の形態1にかかる積層造形方法は、より適切に除去性の判定を行うことが可能となる。
なお、理論的には、流量は、Q=π(D/2)*Vと表され、流速Vの関数であるので、流量の圧力損失ΔPに対する寄与度も流速Vと同等であるようにも思われる。しかしながら、流速Vが小さくても内径Dが大きければ流量Qは大きくなり、この場合、圧力損失ΔPは小さくなり得る。また、実際には、上記の理論式のような挙動を取らないことも多い。さらに、試作品を用いて検討する場合に圧力損失を直接計測することは困難であり、CAE解析を用いて検討する場合に、実際の状態を考慮して圧力損失を算出するために上記のような理論式のような挙動を取らない状態を再現することは、困難である。したがって、本実施の形態のように、残留粉末の除去性を検討する際に、流量Qを流速Vよりも優先して考慮することは、有効である。
除去性の条件を充足しない場合(S242のNO)、S210の工程で、内部構造検討部114は、除去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、除去性が良好でないと判定された箇所について、経路60の内径を大きくしてもよい。また、例えば、内部構造検討部114は、除去性が良好でないと判定された箇所が屈曲部である場合には、屈曲部の曲率を小さく(曲率半径を大きく)してもよい。また、例えば、内部構造検討部114は、除去性が良好でないと判定された箇所よりも上流側の箇所の流動性が良好である場合には、その上流側の箇所の内径を小さくして流速を大きくするようにしてもよい。また、例えば、内部構造検討部114は、除去性が良好でないと判定された箇所について、積層のピッチを変更してもよい。また、経路60の下流側の箇所の除去性が上流側の除去性よりも悪くなる傾向となるので、内部構造検討部114は、下流側の箇所について、優先的に、上記の対策を行ってもよい。また、例えば、内部構造検討部114は、不必要な分岐を削除してもよい。
図9は、実施の形態1にかかる積層造形方法によって修正された三次元データにかかる造形物50を例示する図である。図9の例では、屈曲部71〜76において、除去性が良好でないと判定されている。したがって、図9に例示された屈曲部71〜76では、図4に例示された造形物50のものと比較して、曲率半径が大きく(曲率が小さく)なっている。さらに、下流側の屈曲部74〜76の方が、上流側の屈曲部71〜73よりも、曲率半径が大きく(曲率が小さく)なっている。
以上のように、実施の形態1にかかる積層造形方法では、経路モデルにおける第2の流体の流量及び流速の少なくとも一方に基づいて、造形物50を製造する前に、三次元データを用いて造形物50が製造された後の経路60の残留粉末の除去性を判定する。そして、経路60の残留粉末の除去性が向上されているような経路60の配置となるように、造形物50にかかる三次元データが修正されている。したがって、実施の形態1にかかる積層造形方法は、実際に製造された造形物50の内部に形成された経路60に残留する残留粉末を良好に除去することが可能となる。さらに、実施の形態1にかかる積層造形方法は、残留粉末の除去性の判定とともに、機能成立性の判定及び構造成立性の判定を行うことで、造形物50に必要な性能を維持しつつ、残留粉末を良好に除去することが可能となる。
(変形例)
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。例えば、図6に示したフローチャートにおいて、S220、S230及びS240の工程の順序は、適宜、変更され得る。また、S220(S222)及びS230(S232)の工程の少なくとも一方は、行われなくてもよい。
また、上述した実施の形態においては、図3のS20の工程(図6の各工程)は、制御装置100によって行われるとしたが、このような構成に限られない。図6の各工程は、可能であれば、作業者が行ってもよい。
また、上述した実施の形態においては、図3のS10の工程で取得される三次元データには、経路60の情報が含まれているとしたが、このような構成に限られない。S10で取得される三次元データは、造形物50の外形の情報のみを含み、経路60の情報(内部構造の情報)を含まなくてもよい。この場合、S210の工程で、三次元データを用いて経路60に対応する経路モデルを生成してもよい。この場合、S30の工程では、S10で取得された、造形物50の外形を示す三次元データに、S20で生成された経路モデルに対応する経路60の情報を追加(反映)してもよい。
また、上述した実施の形態においては、残留粉末の除去性を判定する際に、第2の流体の流量及び流速を用いて判定するとしたが、このような構成に限られない。流量及び流速のいずれか一方を用いても、除去性の判定を行うことは可能である。つまり、流量が予め定められた基準値以上であるか否か、又は、流速が予め定められた基準値以上であるか否かに応じて、除去性の判定を行ってもよい。一方、上述した実施の形態のように、流量及び流速を用いることで、より適切に除去性の判定を行うことができる。
1・・・積層造形装置、50・・・造形物、51・・・積層粉末、52A〜52L・・・粉末層、60・・・経路、61〜67・・・部分経路、71〜76・・・屈曲部、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

Claims (4)

  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際に、部分的に前記粉末を溶融結合させないようにしてその部分に未結合のまま前記粉末を残留させることで、第1の流体を流通させる中空の経路が内部に形成された前記造形物を製造する積層造形方法であって、
    前記造形物に関する三次元データを取得する工程と、
    前記経路に残留する残留粉末を除去するために用いられる第2の流体の、前記三次元データを用いて前記経路を模擬した経路モデルにおける流量及び流速の少なくとも一方に基づいて、前記造形物を製造する前に、前記三次元データを用いて前記造形物が製造された後の前記経路の前記残留粉末の除去性を判定する工程と、
    前記判定された除去性が向上するように、前記三次元データを修正する工程と、
    前記修正された三次元データを用いて、前記造形物を製造する工程と
    を有する積層造形方法。
  2. 前記除去性を判定する工程において、前記流量が予め定められた第1の閾値以上である場合には、前記流速に関わらず前記除去性は良好であると判定し、前記流量が前記第1の閾値以下の予め定められた第2の閾値未満である場合には、前記流速に関わらず前記除去性は良好でないと判定する
    請求項1に記載の積層造形方法。
  3. 前記除去性を判定する工程において、前記流量が前記第2の閾値以上かつ前記第1の閾値未満である場合には、前記流速が予め定められた第3の閾値以上であるときに、前記除去性は良好であると判定する
    請求項2に記載の積層造形方法。
  4. 前記除去性の判定の対象となる前記経路の箇所は、前記経路の形状に応じて定められる
    請求項1から3のいずれか1項に記載の積層造形方法。
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