JP2021094698A - 造形データ作成装置および造形データ作成プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】サポート構造物の適切な配置を実現する。【解決手段】造形データ作成装置は、積層造形物として製作する造形物本体の形状を表す構造物形状データを入力する構造物形状データ入力手段と、構造物形状データを、一定の間隔で切断して、複数の層からなる構造物形状データを生成する形状データスライス手段と、形状データスライス手段により生成された構造物形状データから、各層間の寸法変化量を算出する変化量算出手段と、各層間の寸法変化量から、造形物本体の層毎の面外変形量を演算する変形演算手段と、層毎の面外変形量に基づき、造形物本体に設置するサポート構造物を選択するサポート選択手段と、選択されたサポート構造物の形状を表すデータと造形物本体の形状を表す構造物形状データとを用いて、当該サポート構造物を前記造形物本体に配置するデータ処理を行うサポート配置手段と、処理された結果を出力するサポートデータ出力手段とを具備する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、造形データ作成装置および造形データ作成プログラムに関する。

例えばパウダーベッドタイプの金属の三次元積層造形においては、造形物は造形ステージに敷かれた粉末の溶融凝固によって形成される。そのため、造形物は金属の溶融流動や熱ひずみの影響を受け、狙いの形状からのズレ、すなわち、変形が生じる。この変形は、造形後の品質に影響を及ぼすだけでなく、造形中のプロセス安定性にも影響を及ぼす。造形中に生じる面外変形は、造形物と装置の粉末レーキとの干渉の原因になりうるからである。そのため、変形を抑制するために、造形物にはサポート構造物が配置され、その配置方法が模索されている。

特開２０１７−２１０６５０号公報

サポート構造物の配置は、ユーザが定義するクライテリアを基に決められている。ここで主に設定されるクライテリアは、造形物のオーバーハング量（造形中に新たに生成される層が既造形部からはみ出す量）や角度（造形中のベースプレートに対する角度）に対するクライテリアである。これは、造形物の面外変形量とオーバーハング量および角度との間に相関があるためである。

しかしながら、造形物の面外変形量は、材料や造形プロセス（ビームやビームシーケンスなど）の条件、１層あたりの積層厚さなどの影響も受けるため、クライテリアを精度良く決めることができず、サポート構造物の量が膨大になる、という問題がある。クライテリアの設定が保守的な場合、サポート構造物の量は過大なものとなり、後工程であるサポート構造物の除去加工の工数が膨大になってしまう。

発明が解決しようとする課題は、サポート構造物の適切な配置を実現する造形データ作成装置および造形データ作成プログラムを提供することにある。

実施形態の造形データ作成装置は、積層造形物として製作する造形物本体の形状を表す構造物形状データを入力する構造物形状データ入力手段と、前記構造物形状データ入力手段により入力された構造物形状データを、一定の間隔で切断して、複数の層からなる構造物形状データを生成する形状データスライス手段と、前記形状データスライス手段により生成された複数の層からなる構造物形状データから、各層間の寸法変化量を算出する変化量算出手段と、前記変化量算出手段により算出された各層間の寸法変化量から、前記造形物本体の層毎の面外変形量を演算する変形演算手段と、前記変形演算手段により演算された層毎の面外変形量に基づき、前記造形物本体に設置するサポート構造物を選択するサポート選択手段と、前記サポート選択手段により選択されたサポート構造物の形状を表すデータと前記造形物本体の形状を表す構造物形状データとを用いて、当該サポート構造物を前記造形物本体に配置するデータ処理を行うサポート配置手段と、前記サポート配置手段により処理された結果を出力するサポートデータ出力手段とを具備する。

本発明によれば、サポート構造物の適切な配置を実現することができる。

実施形態に係る造形データ作成装置の構成の一例を示すブロック図。 構造物形状データの一例を示す図。 複数の層からなる構造物形状データの一例を示す図。 各層間の寸法変化量を算出する方法の一例を説明するための図。 面外変形量の演算に使用するモデルの一例を示す図。 モデルを平面状に展開した例を示す図。 面外変形量と法線ベクトル群の長さとの関係を示す図。 サポート構造物を選択する方法の一例を説明するための図。 ラティス状のサポート構造物が適用されるモデルの一例を示す図。 ピン状のサポート構造物が適用されるモデルの一例を示す図。 変形が許容変形量を超える部分のマッピングの一例を示す図。 造形物本体の一部を支持するサポート構造物Ｓのデータの例を示す図。 サポート構造物を配置する処理の一例を説明するための図。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、実施形態に係る造形データ作成装置の構成の一例を示すブロック図である。

図１に示される造形データ作成装置１は、例えばコンピュータを用いて実現される。当該コンピュータには、各種の機能を実現させるためのプログラム（造形データ作成プログラム）が所定の記録媒体に記録され、そのプログラムが所定のプロセッサにより実行されるようになっている。

図１に示される造形データ作成装置１は、金属等の三次元積層造形により構造物を造形するために使用されるものであり、各種の情報を入力する入力装置１１や各種の情報を出力するディスプレイなどの出力装置１２を備えるほか、構造物形状データ入力部２、形状データスライス部３、変化量算出部４、変形演算部５、サポート選択部６、サポート配置部７、サポートデータ出力部８等の各種の機能を備える。変化量算出部４は、法線ベクトル演算部４１およびスカラー量演算部４２を含む。変形演算部５は、面外変形量演算部５１および変形データベース５２を含む。サポート選択部６は、サポート形状導出部６１および許容変形入力部６２を含む。上述した各種の機能は、コンピュータに実現させるためのプログラムとして構成される。

構造物形状データ入力部２は、積層造形物として製作する造形物本体の形状を表す構造物形状データを入力装置１１から入力する機能である。

図２に、構造物形状データ入力部２が入力する構造物形状データの例を示す。構造物形状データは、３Ｄ−ＣＡＤデータなどの３次元情報を含む。図２に示されるように、構造物形状データは、ｘ軸，ｙ軸，ｚ軸の３軸からなる３次元の座標系上にて表現される造形物本体Ｂの３次元情報を含む。ｘ軸およびｙ軸は水平面を示し、ｚ軸は高さ方向を示す。造形物本体Ｂは、表面が水平なベースプレート上にて造形される。

形状データスライス部３は、構造物形状データ入力部２により入力された構造物形状データを、一定の間隔で切断（スライス）して、複数の層からなる構造物形状データを生成する機能である。

図３に、形状データスライス部３が生成する複数の層からなる構造物形状データの例を示す。図３に示されるように、造形物本体Ｂは、高さ方向へ複数の層L(1), L(2), …を成す形となるように切断される。造形物本体Ｂの切断面は、ベースプレートと平行な面であり、造形方向（ビーム入射方向）と直交する。スライス（切断）のピッチは、１層あたりの造形高さを基本とするが、これに限られるものではない。

変化量算出部４は、形状データスライス部３により生成された複数の層からなる構造物形状データから、各層間の寸法変化量（もしくは面積変化量）を算出する機能である。法線ベクトル演算部４１は、形状データスライス部３により生成された複数の層からなる構造物形状データに含まれる連続する２層を同一面上にて重ね合わせ、当該２層のうちの下層の側面から垂直に上層の側面まで延びる法線ベクトル群を求める機能である。スカラー量演算部４２は、法線ベクトル演算部４１により求められた法線ベクトル群のそれぞれのスカラー量を求める機能である。

各層間の寸法変化量を算出する処理は、例えば、前述した図３に示される複数の層L(1), L(2), …のうち、一番下に位置する層L(1)とその上に位置する層L(2)との寸法変化量の算出を最初に行い、その次に、層L(2)と層L(3)との寸法変化量の算出を行い、その次に、層L(3)と層L(4)との寸法変化量の算出を行い、・・・といった処理を順次行う。

図４に、変化量算出部４が各層間の寸法変化量を算出する処理の例を模式的に示す。

ここでは、一番下から「n番目」の層L(n)と「n+1番目」の層L(n+1)との間の寸法変化量を算出対象である場合を考える。変化量算出部４は、最初に、３次元座標系上に表現される複数の層からなる構造物形状データのうち、対象の２層、すなわち、層L(n)と層L(n+1)とを、同一の水平面上にて重ね合わせる。そして、２層のうちの層L(n)の側面から垂直にL(n+1)の側面まで延びる法線ベクトル群（層L(n)の側面に対して法線を成し且つ水平に延びるベクトル群）を演算する。最後に、当該ベクトル群のスカラー量、すなわち、同一水平面上での層L(n)の側面からL(n+1)の側面までの距離（法線ベクトル群ｄの長さ）を求め、これを層L(n)−層L(n+1)間の寸法変化量とする。この変化量算出は、全層について行われる。

なお、本例のように法線ベクトルを用いる方法は一例であり、これに限られるものではない。各層間の寸法変化量が計算できるのであれば、法線ベクトルを用いない別の方法を採用してもよい。

変形演算部５は、変化量算出部４により算出された各層間の寸法変化量から、造形物本体Ｂの層毎の面外変形量を演算する機能である。面外変形量演算部５１は、変形データベース５２に記憶される造形物本体Ｂの単位長さあたりの面外変形量を用いて、変化量算出部４により算出された各層間の寸法変化量から、造形物本体Ｂの層毎の面外変形量を演算する機能である。変形データベース５２は、造形物本体Ｂの単位長さあたりの面外変形量を予め記憶したデータベースである。

このデータベースの情報には、実験的または解析的に構築したモデルが含まれていてもよい。モデルの一例を図５及び図６に示す。図５に示されるＬ字型のモデルＭは、ｘ軸，ｙ軸，ｚ軸の３軸からなる３次元座標系上に表現され、ベース部とオーバーハング部とから構成される。図６は、図５に示されるＬ字型の構築モデルＭを平面状に展開した平面図を表している。オーバーハング部の幅（Ｗ）は例えば１０ｍｍ、長さ（Ｌ）は例えば１０ｍｍ、厚さ（ｔ）は例えば５０〜１５０μｍ（造形１層分の厚さ）を基準とするが、この例に限られるものではない。

面外変形量の演算では、図５に示されるＬ字型の構築モデルＭのオーバーハング部の下にサポート構造物は設置されていない状態（サポート構造物がない状態）でのオーバーハング部のｚ方向の面外変形量（あるいは曲率）が評価される。

実験で評価する場合は、実際の造形条件を用いて、構築モデルをベースプレート上に造形した上で、オーバーハング部の面外変形量が評価される。解析で評価する場合は、熱弾塑性解析により、実際の材料特性および入熱特性を模擬した評価が行われる。その際、オーバーハング部におけるビーム走査方向は長手方向（ｘ方向）とすることが望ましい。これらの検討により、例えば曲率から造形１層分に発生する面外変形量が求められ、面外変形量と長さ（Ｌ）との関係が得られる。具体的には、図７に示されるように、例えば「ｚ方向の面外変形量δ」と「法線ベクトル群ｄの長さ」との関係が得られる。このような関係を示す情報に基づき、造形物本体Ｂの層毎の面外変形量が求められる。

サポート選択部６は、変形演算部５により演算された層毎の面外変形量に基づき、造形物本体Ｂに設置するサポート構造物を選択する機能である。サポート形状導出部６１は、許容変形入力部６２により入力される造形物本体Ｂの許容変形量と、変形演算部５により演算された層毎の面外変形量とに基づき、造形物本体Ｂの変形を許容内に収めるサポート構造物の形状（サポート構造物の種類）を導出する機能である。許容変形入力部６２は、造形物本体Ｂの許容変形量を入力する機能である。許容変形量は、例えば粉末レーキと造形物との干渉を防ぐために粉末レーキと造形物表面との空隙に応じた値とするが、この例に限られるものではない。

サポート構造物の選択に際しては、最初に、造形物本体Ｂのうちの許容変形量を超える部分が特定される。そして、その部分を支持するサポート構造物の形状が決定される。サポート構造物の形状の導出は、許容変形入力部６２により入力される造形物本体Ｂの許容変形量を下回るように行われる。サポート構造物の形状は、ピン状、ラティス状、シェル状など任意の形状タイプから選択することができる。

サポート構造物の選択の検討は、実験的または解析的に行うことができる。例えば、上述した図５及び図６のモデルを基礎とし、オーバーハング部の下部に任意のサポート構造物が配置される。そして、変形演算部５と同様に、その際の変形量が、実際の造形試験または熱弾塑性解析によって評価され、変形が許容内に収まるサポート構造物の形状が導出される。

図８に、造形物本体Ｂの変形を許容内に収めるサポート構造物の形状を導出する方法の一例を模式的に示す。変形が許容内に収まるサポート構造物の形状の導出は、例えば、前述の図７に示した「ｚ方向の面外変形量δ」と「法線ベクトル群ｄの長さ」との関係および予め定めた許容変形量δｘを用いて行われる。

サポート構造物の形状の候補として、最初に例えばラティス状のサポート構造物Ｓａが挙げられた場合を考える。このサポート構造物Ｓａは、前述したモデルＭにおいては、図９に示されるようにオーバーハング部をラティス状のサポート構造物が支持するものとなる。

図８に示されるように、ラティス状のサポート構造物Ｓａを用いた場合に、該当する破線に示されるように面外変形量δが小さくなる部分があるものの、変形が許容変形量δｘ未満にならない旨の評価結果が得られたものとする。その場合、ラティス状のサポート構造物Ｓａは候補から除かれる。

次に、サポート構造物の形状の候補として、例えばピン状のサポート構造物Ｓｂが挙げられた場合を考える。このサポート構造物Ｓｂは、前述したモデルＭにおいては、図１０に示されるようにオーバーハング部をピン状のサポート構造物が支持するものとなる。

図８に示されるように、ピン状のサポート構造物Ｓｂを用いた場合に、該当する破線に示されるように面外変形量δが小さくなる部分があり、変形が許容変形量δｘ未満になる旨の評価結果が得られたものとする。その場合、このピン状のサポート構造物Ｓｂが、造形物本体Ｂの変形を許容内に収めるサポート構造物として選択される。

前述した通り、サポート構造物の選択に際しては、最初に、造形物本体Ｂのうちの許容変形量を超える部分が特定される。具体的には、図１１に示されるように、例えば３次元座標系上に表現された造形物本体Ｂに対し、当該造形物本体Ｂの側面のうちの許容変形量を超える部分Ｒのマッピングが行われる。そして、その部分Ｒを支持するサポート構造物として、例えば上述したように変形を許容変形量δｘ未満にするものが適用される。

サポート配置部７は、サポート選択部６により選択されたサポート構造物の形状を表すデータと造形物本体Ｂの形状を表す構造物形状データとを用いて、当該サポート構造物を造形物本体Ｂに配置するデータ処理を行う機能である。配置されるサポート構造物としては、造形物本体Ｂとベースプレートとを接続するものだけでなく、造形物本体Ｂのある部分と別の部分とを結ぶものがあってもよい。

図１２に、サポート構造物を造形物本体Ｂに配置する方法の一例を示す。図１２に示されるように、例えば３次元座標系上に表現された造形物本体Ｂに対し、サポート選択部６により選択されたサポート構造物Ｓが配置される。その場合、サポート選択部６において特定された部分Ｒがサポート構造物Ｓに支持されるように配置する。

サポートデータ出力部８は、サポート配置部７によりデータ処理された結果を出力装置１２に出力する機能である。例えば、３次元座標系上に表現された造形物本体Ｂおよびサポート構造物Ｓを含む構造物形状データなどがＣＡＤデータとして表示装置に表示出力される。

次に、図１３のフローチャートを参照して、造形データ作成装置１の動作の一例を説明する。

最初に、構造物形状データ入力部２は、積層造形物として製作する造形物本体Ｂの形状を表す構造物形状データを入力装置１１から入力する（ステップＳ１）。

次に、形状データスライス部３は、構造物形状データ入力部２により入力された構造物形状データを、一定の間隔で切断（スライス）して、複数の層からなる構造物形状データを生成する（ステップＳ２）。

次に、変化量算出部４は、形状データスライス部３により生成された複数の層からなる構造物形状データから、各層間の寸法変化量（もしくは面積変化量）を算出する。具体的には、最初に、法線ベクトル演算部４１が、形状データスライス部３により生成された複数の層からなる構造物形状データに含まれる連続する２層を同一面上にて重ね合わせ、当該２層のうちの下層の側面から垂直に上層の側面まで延びる法線ベクトル群を求める（ステップＳ３）。そして、スカラー量演算部４２が、法線ベクトル演算部４１により求められた法線ベクトル群のそれぞれのスカラー量を求める（ステップＳ４）。

次に、変形演算部５は、変化量算出部４により算出された各層間の寸法変化量から、造形物本体Ｂの層毎の面外変形量を演算する。具体的には、面外変形量演算部５１が、変形データベース５２に記憶される造形物本体Ｂの単位長さあたりの面外変形量を用いて、変化量算出部４により算出された各層間の寸法変化量から、造形物本体Ｂの層毎の面外変形量を演算する（ステップＳ５）。

次に、サポート選択部６は、変形演算部５により演算された層毎の面外変形量に基づき、造形物本体Ｂに設置するサポート構造物Ｓを選択する。具体的には、サポート形状導出部６１が、許容変形入力部６２により入力される造形物本体Ｂの許容変形量と、変形演算部５により演算された層毎の面外変形量とに基づき、造形物本体Ｂの変形を許容内に収めるサポート構造物Ｓの形状（サポート構造物Ｓの種類）を導出する（ステップＳ６）。

次に、サポート配置部７は、サポート選択部６により選択されたサポート構造物Ｓの形状を表すデータと造形物本体Ｂの形状を表す構造物形状データとを用いて、当該サポート構造物Ｓを造形物本体Ｂに配置するデータ処理を行う（ステップＳ７）。

最後に、サポートデータ出力部８は、サポート配置部７によりデータ処理された結果を出力装置１２に出力する（ステップＳ８）。

この実施形態によれば、造形物本体の層毎の面外変形量を演算した上で、造形物本体の変形を許容内に収めるサポート構造物の形状（サポート構造物の種類）を適切に導出することができるため、従来のようにサポート構造物の量が膨大になったり、サポート構造物の除去加工の工数が膨大になったりすることがなく、サポート配置を効率的に行うことができる。

以上詳述したように、実施形態によれば、サポート構造物の適切な配置を実現することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…造形データ作成装置、２…構造物形状データ入力部、３…形状データスライス部、４…変化量算出部、５…変形演算部、６…サポート選択部、７…サポート配置部、８…サポートデータ出力部、１１…入力装置、１２…出力装置、４１…法線ベクトル演算部、４２…スカラー量演算部、５１…面外変形量演算部、５２…変形データベース、６１…サポート形状導出部、６２…許容変形入力部。

Claims (8)

1. 積層造形物として製作する造形物本体の形状を表す構造物形状データを入力する構造物形状データ入力手段と、
   前記構造物形状データ入力手段により入力された構造物形状データを、一定の間隔で切断して、複数の層からなる構造物形状データを生成する形状データスライス手段と、
   前記形状データスライス手段により生成された複数の層からなる構造物形状データから、各層間の寸法変化量を算出する変化量算出手段と、
   前記変化量算出手段により算出された各層間の寸法変化量から、前記造形物本体の層毎の面外変形量を演算する変形演算手段と、
   前記変形演算手段により演算された層毎の面外変形量に基づき、前記造形物本体に設置するサポート構造物を選択するサポート選択手段と、
   前記サポート選択手段により選択されたサポート構造物の形状を表すデータと前記造形物本体の形状を表す構造物形状データとを用いて、当該サポート構造物を前記造形物本体に配置するデータ処理を行うサポート配置手段と、
   前記サポート配置手段により処理された結果を出力するサポートデータ出力手段と
   を具備する、造形データ作成装置。
2. 前記変化量算出手段は、
   前記形状データスライス手段により生成された複数の層からなる構造物形状データに含まれる連続する２層を同一面上にて重ね合わせ、当該２層のうちの下層の側面から垂直に上層の側面まで延びる法線ベクトル群を求める法線ベクトル演算手段と、
   前記法線ベクトル演算手段により求められた法線ベクトル群のそれぞれのスカラー量を求めるスカラー量演算手段と
   を含む、請求項１に記載の造形データ作成装置。
3. 前記変形演算手段は、
   前記造形物本体の単位長さあたりの面外変形量を記憶する記憶手段と、
   前記記憶手段に記憶される前記造形物本体の単位長さあたりの面外変形量を用いて、前記変化量算出手段により算出された各層間の寸法変化量から、前記造形物本体の層毎の面外変形量を演算する面外変形量演算手段と
   を含む、請求項１又は２に記載の造形データ作成装置。
4. 前記サポート選択手段は、
   前記造形物本体の許容変形量を入力する許容変形入力手段と、
   前記許容変形入力手段により入力される前記造形物本体の許容変形量と、前記変形演算手段により演算された層毎の面外変形量とに基づき、前記造形物本体の変形を許容内に収めるサポート構造物の形状を導出するサポート形状導出手段と、
   を含む、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の造形データ作成装置。
5. コンピュータに、
   積層造形物として製作する造形物本体の形状を表す構造物形状データを入力する構造物形状データ入力機能と、
   前記構造物形状データ入力機能により入力された構造物形状データを、一定の間隔で切断して、複数の層からなる構造物形状データを生成する形状データスライス機能と、
   前記形状データスライス機能により生成された複数の層からなる構造物形状データから、各層間の寸法変化量を算出する変化量算出機能と、
   前記変化量算出機能により算出された各層間の寸法変化量から、前記造形物本体の層毎の面外変形量を演算する変形演算機能と、
   前記変形演算機能により演算された層毎の面外変形量に基づき、前記造形物本体に設置するサポート構造物を選択するサポート選択機能と、
   前記サポート選択機能により選択されたサポート構造物の形状を表すデータと前記造形物本体の形状を表す構造物形状データとを用いて、当該サポート構造物を前記造形物本体に配置するデータ処理を行うサポート配置機能と、
   前記サポート配置機能により処理された結果を出力するサポートデータ出力機能と
   を実現させるための造形データ作成プログラム。
6. 前記変化量算出機能は、
   前記形状データスライス機能により生成された複数の層からなる構造物形状データに含まれる連続する２層を同一面上にて重ね合わせ、当該２層のうちの下層の側面から垂直に上層の側面まで延びる法線ベクトル群を求める法線ベクトル演算機能と、
   前記法線ベクトル演算機能により求められた法線ベクトル群のそれぞれのスカラー量を求めるスカラー量演算機能と
   を含む、請求項５に記載の造形データ作成プログラム。
7. 前記変形演算機能は、
   前記造形物本体の単位長さあたりの面外変形量を記憶する記憶機能と、
   前記記憶機能に記憶される前記造形物本体の単位長さあたりの面外変形量を用いて、前記変化量算出機能により算出された各層間の寸法変化量から、前記造形物本体の層毎の面外変形量を演算する面外変形量演算機能と
   を含む、請求項５又は６に記載の造形データ作成プログラム。
8. 前記サポート選択機能は、
   前記造形物本体の許容変形量を入力する許容変形入力機能と、
   前記許容変形入力機能により入力される前記造形物本体の許容変形量と、前記変形演算機能により演算された層毎の面外変形量とに基づき、前記造形物本体の変形を許容内に収めるサポート構造物の形状を導出するサポート形状導出機能と、
   を含む、請求項５乃至７のいずれか１項に記載の造形データ作成プログラム。

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