JP2021109401A - 強度予測方法及びプログラム - Google Patents
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Abstract
【課題】３Ｄプリンタで積層造形された構造物の強度を精度良く予測することができる強度予測方法を提供する。【解決手段】強度予測方法は、３Ｄプリンタで積層造形する構造物の強度を予測する強度予測方法であって、構造物の積層造形において、第１の層の強度を、第１の層を形成する際の第１の入熱量と、第１の層の上に積層される第２の層を形成する際に第１の層に及ぼされる第２の入熱量と、を考慮して予測するものである。【選択図】図７
Description
本発明は、強度予測方法及びプログラムに関する。
３Ｄプリンタで積層造形する構造物の強度などを解析する技術の開発が行われている。特許文献１には、３Ｄプリンタで積層構造物を製造するにあたり、マスターモデルの熱履歴と、実際に製造中に撮像した画像等から求められる熱履歴とを比較し、その差異に応じて部品の品質を評価する技術が開示されている。
しかしながら、特許文献１に開示された技術では、３Ｄプリンタで積層造形された構造物の強度を精度良く予測できないという問題がある。
本発明は、以上の背景に鑑みなされたものであり、３Ｄプリンタで積層造形された構造物の強度を精度良く予測することができる強度予測方法を提供することを目的とする。
本発明の一態様に係る強度予測方法は、３Ｄプリンタで積層造形する構造物の強度を予測する強度予測方法であって、前記構造物の積層造形において、第１の層の強度を、前記第１の層を形成する際の第１の入熱量と、前記第１の層の上に積層される第２の層を形成する際に前記第１の層に及ぼされる第２の入熱量と、を考慮して予測するものである。
本実施の形態に係る強度予測方法では、第１の層の強度を、第１の層を形成する際の第１の入熱量と、第１の層の上に積層される第２の層を形成する際に第１の層に及ぼされる第２の入熱量と、を考慮して予測する。このように、第１の入熱量に加えて、第２の入熱量を考慮することで、第２の層を形成中に第１の層に及ぼされる影響についても反映されるので、構造物の強度を精度良く予測することができるようになる。
上記強度予測方法において、さらに、前記第２の入熱量は、前記第１の層が所定の温度以上かつ前記構造物の溶融温度未満になる期間の長さに基づいて算出されるようにしてもよい。第２の入熱量を、第２の層を形成している期間のうちで、第１の層の強度に影響を及ぼす期間（すなわち、第１の層が所定の温度以上かつ構造物の溶融温度未満になる期間）の熱量を考慮して算出すると、第１の層の強度を精度良く算出することができる。
上記強度予測方法において、さらに、前記第２の入熱量は、さらに、前記期間の温度変化を考慮して算出されるようにしてもよい。これにより、第２の入熱量をより高精度に算出することができる。
本発明の一態様に係るプログラムは、３Ｄプリンタで積層造形する構造物の強度を予測するためのプログラムであって、前記構造物の積層造形において、第１の層の強度を、前記第１の層を形成する際の第１の入熱量と、前記第１の層の上に積層される第２の層を形成する際に前記第１の層に及ぼされる第２の入熱量と、を考慮して予測する処理をコンピュータに実行させる。
上記プログラムにおいて、前記第２の入熱量は、前記第１の層が所定の温度以上かつ前記構造物の溶融温度未満になる期間の長さに基づいて算出されるようにしてもよい。
上記プログラムにおいて、前記第２の入熱量は、さらに、前記期間の温度変化を考慮して算出されるようにしてもよい。
上記プログラムにおいて、所定の温度は、ユーザーが設定することが可能であるようにしてもよい。所定の温度は、構造物に含まれる元素の析出温度や結晶粒径と温度の関係などを考慮して実験的に決定する必要がある。このため、所定の温度をユーザーが設定できるようにすることで、利便性が向上する。
本発明によれば、３Ｄプリンタで積層造形された構造物の強度を精度良く予測することができる。
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、特許請求の範囲に係る発明を以下の実施形態に限定するものではない。また、実施形態で説明する構成の全てが課題を解決するための手段として必須であるとは限らない。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。
本実施の形態に係る、３Ｄプリンタで積層造形する構造物の強度を予測する強度予測方法について説明する前に、構造物の積層造形に使用する３Ｄプリンタの構成とそれによる積層造形方法について説明する。なお、ここでは、構造物の積層造形方法がＳＬＭ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｌａｓｅｒ Ｍｅｌｔｉｎｇ）である場合を例に説明する。
まず、構造物の積層造形に使用する３Ｄプリンタの構成について説明する。図１は、構造物の積層造形に使用する３Ｄプリンタの構成の一例を示す模式図である。図１に示すように、３Ｄプリンタ１は、チャンバ２と、造形槽３と、ベースプレート４と、レーザ光源５と、粉末供給部６と、リコータ７と、ビーム走査機構８と、を備えている。
ベースプレート４は、構造物Ｗの土台となる板材で、造形槽３の内部において上下動可能に配置されている。造形槽３の上部には、金属粉末を供給する粉末供給部６が配置されている。ここで、金属粉末は、例えば、アルミニウム合金、チタン合金などである。リコータ７は、粉末供給部６より供給された金属粉末をベースプレート４に層状に敷くためのものである。造形槽３、ベースプレート４、粉末供給部６及びリコータ７は、チャンバ２の内部に納められている。チャンバ２の内部には窒素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガスを導入してもよい。また、チャンバ２の内部を真空にしてもよい。
レーザ光源５は、レーザビームＬを発光するための光源である。ビーム走査機構８は、レーザビームＬが金属粉末の所定位置に照射されるように走査するための機構で、例えばガルバノミラーである。レーザ光源５及びビーム走査機構８は、チャンバ２の外部に設けられている。レーザビームＬは、チャンバ２に設けられた透光部９よりチャンバ２の内部に入射させる。
次に、図１を参照して、３Ｄプリンタによる構造物の積層造形方法について説明する。積層造形では、ビーム走査機構８によりレーザビームＬを走査し、金属粉末の所定の部分にレーザビームＬを照射して、溶融及び硬化させる。そして、一層が形成されたら、粉末供給部６及びリコータ７によりさらに金属粉末を積層し、レーザビームＬの照射により金属粉末の所定の部分を溶融及び硬化させて、次の一層を形成する。一層の厚さは、例えば５０μｍである。このように、金属粉末の積層と溶融及び硬化を繰り返すことで目的とする構造物を形成する。なお、金属の積層造形では、一般的に、オーバーハングしている部分を支えるためにサポート部材Ｓｕを追加して、ダレを防止する。
次に、構造物を製造し出荷するまでの一連の工程の流れについて説明する。
図２は、構造物を製造し出荷するまでの一連の工程の流れを示すフローチャートである。図２に示すように、まず、作りたい造形モデルのＣＡＤデータや解析条件を入力としてＣＡＥ解析を実施する（ステップＳ１０１）。ＣＡＥ解析は、構造解析、強度（応力や変形）、固有振動数、トポロジー最適化などの計算ができる一般的なＣＡＥソフトに、以下で説明する、本実施の形態に係る、３Ｄプリンタで積層造形する構造物の強度を予測する強度予測方法を取り入れたものを用いて行う。
図２は、構造物を製造し出荷するまでの一連の工程の流れを示すフローチャートである。図２に示すように、まず、作りたい造形モデルのＣＡＤデータや解析条件を入力としてＣＡＥ解析を実施する（ステップＳ１０１）。ＣＡＥ解析は、構造解析、強度（応力や変形）、固有振動数、トポロジー最適化などの計算ができる一般的なＣＡＥソフトに、以下で説明する、本実施の形態に係る、３Ｄプリンタで積層造形する構造物の強度を予測する強度予測方法を取り入れたものを用いて行う。
続いて、構造物の積層造形を行う（ステップＳ１０２）。なお、積層造形工程には、上述したＳＬＭ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｌａｓｅｒ Ｍｅｌｔｉｎｇ）の他に、例えばＥＢＭ(Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ Ｍｅｌｔｉｎｇ)などの各種ＡＭ（Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）技術を適用することが可能である。
続いて、ステップＳ１０２で造形した構造物に対して熱処理を行う（ステップＳ１０３）。一般的に、熱処理は、造形時のひずみ取りためと、強度特性の確保するために実施される。熱処理に使用する炉は、特別なものは必要なく、一般的なバッチ炉や連続炉で問題ない。なお、熱処理をせずに、そのまま製品として出荷する場合もある。
続いて、構造物のサポートを除去する（ステップＳ１０４）。上述したように、金属の積層造形では、一般的に、オーバーハング部分にサポート部材を追加するが、これらは最終的な構造物としては不要なため、ラジオペンチなどを用いて除去する。続いて、製品に応じて、必要な個所に機械加工を施す（ステップＳ１０５）。これにより、構造物が完成する。続いて、完成した構造物の検査を行う（ステップＳ１０６）。構造物の検査としては、Ｘ線ＣＴによる外観検査、３次元測定機による寸法測定などが実施される。続いて、検査の終わった製品を出荷する（ステップＳ１０７）。
次に、図２のステップ１０２における、構造物の積層造形で、ある層の上の層を形成している際に当該ある層に及ぼされる影響について説明する。
図３及び図４は、図２のステップ１０２における、構造物の積層造形で、ある層の上の層を形成している際に当該ある層に及ぼされる影響について説明する模式図である。ここで、図３及び図４に示されている矢印ｑは熱の流れを表す。また、図３における矢印Ｐ１、図４における矢印Ｐ２は、積層方向を示している。図３に示すように、造形する構造物のある層（第１の層Ｗ１）の上の層（第２の層Ｗ２）を形成するときに、第２の層Ｗ２に該当する部分にある金属粉末をレーザビームＬの照射などにより溶融する。第２の層Ｗ２に該当する部分にある金属粉末を溶融するときに熱が生じ、この熱が第１の層Ｗ１に伝わる。第１の層Ｗ１の断面積に対し、第１の層Ｗ１の下の層（第３の層Ｗ３）の断面積が同程度である場合には、第２の層Ｗ２を形成しているときに生じる熱は、第１の層Ｗ１から第３の層Ｗ３へ伝わり、第３の層Ｗ３からさらに下の層へと拡散していく。
図３及び図４は、図２のステップ１０２における、構造物の積層造形で、ある層の上の層を形成している際に当該ある層に及ぼされる影響について説明する模式図である。ここで、図３及び図４に示されている矢印ｑは熱の流れを表す。また、図３における矢印Ｐ１、図４における矢印Ｐ２は、積層方向を示している。図３に示すように、造形する構造物のある層（第１の層Ｗ１）の上の層（第２の層Ｗ２）を形成するときに、第２の層Ｗ２に該当する部分にある金属粉末をレーザビームＬの照射などにより溶融する。第２の層Ｗ２に該当する部分にある金属粉末を溶融するときに熱が生じ、この熱が第１の層Ｗ１に伝わる。第１の層Ｗ１の断面積に対し、第１の層Ｗ１の下の層（第３の層Ｗ３）の断面積が同程度である場合には、第２の層Ｗ２を形成しているときに生じる熱は、第１の層Ｗ１から第３の層Ｗ３へ伝わり、第３の層Ｗ３からさらに下の層へと拡散していく。
しかしながら、図４に示すように、第１の層Ｗ１の断面積に対し、第１の層Ｗ１の下の層（第３の層Ｗ３）の断面積が急激に小さくなる場合には、第２の層Ｗ２を形成しているときに生じた熱が、第１の層Ｗ１から下の層に拡散し難い。このため、第２の層Ｗ２を形成しているときに、第１の層Ｗ１は第２の層Ｗ２から伝わる熱により過時効されて、硬さなどの強度が低下する。
図５は、実際に３Ｄプリンタによって積層造形した構造物ＷＭの外形を示す模式図である。ここで、矢印Ｐ３は積層方向を示している。図５に示すように、構造物ＷＭは、位置ＷＭ１から位置ＷＭ２の間において断面積が急激に変化している。すなわち、位置ＷＭ１から位置ＷＭ２の間では、上層から下層に向かうにつれて断面積が小さくなっている。なお、構造物ＷＭ１の造形はＳＬＭにて行い、金属粉末として、粒径が約１００μｍ以下のＡｌＳｉ１０Ｍｇ合金粉末を用いた。
図６は、実際に３Ｄプリンタによって積層造形した構造物ＷＭの硬さを測定した結果を示す図である。ここで、硬さはビッカース硬さであり、測定はＪＩＳ規格で規定されている方法により行った。図６に示すように、構造物ＷＭにおける、位置ＷＭ１から位置ＷＭ２の間において、硬さが低下している。これは、構造物のモデルＷＭにおける、位置ＷＭ１から位置ＷＭ２の間では、上層から下層に向かうにつれて断面積が小さくなるので、上層を形成しているときに生じた熱が拡散せず、当該上層の直下の層が当該熱により過時効されて硬さが低下したためと考えられる。
次に、本実施の形態に係る、３Ｄプリンタで積層造形する構造物の強度を予測する強度予測方法について説明する。
図７は、本実施の形態に係る、３Ｄプリンタで積層造形する構造物の強度を予測する強度予測方法の流れについて示すフローチャートである。図７に示すように、まず、作りたい造形モデルのＣＡＤデータを読み込む（ステップＳ２０１）。続いて、使用する原材料の物性やレーザの出力などの各種造形パラメータを読み込む（ステップＳ２０２）。
ステップＳ２０２に続いて、第１の層を形成する際の入熱量（第１の入熱量）を算出する（ステップＳ２０３）。ここで、第１の入熱量は、第１の層を形成する際にレーザなどによって及ぼされる熱量である。続いて、第１の層の上に積層される第２の層を形成する際に第１の層に及ぼされる熱量（第２の入熱量）を算出する（ステップＳ２０４）。なお、ステップＳ２０４では、第１の層の上に積層される全ての層を第２の層として第２の入熱量を算出してもよく、第１の層の直上にある層から所定数上の層までを第２の層として第２の入熱量を算出してもよい。第２の入熱量の計算の際に、第１の層の上の何層までを考慮するか、は実験的に決定することができる。第１の層の直上にある層から所定数上の層までを第２の層として第２の入熱量を算出する場合、第１の層の上に積層される全ての層を第２の層として第２の入熱量を算出する場合に対し、演算処理の負荷を軽減することができる。続いて、構造物の積層造形において、第１の層の強度を、第１の入熱量と第２の入熱量とを考慮して予測する（ステップＳ２０５）。
図８は、図７のステップＳ２０３における第１の入熱量の算出、及び、ステップＳ２０４における第２の入熱量の算出について説明する模式図である。図８に示すグラフにおいて、構造物における第１の層の熱履歴であり、横軸が時間、縦軸が温度である。構造物における第１の層の熱履歴の導出には一般的な熱解析シミュレーションを用いることができる。また、図中において、Ｔ１は所定の温度であり、Ｔ２は構造物の原材料の溶融温度である。所定の温度Ｔ１は、構造物に含まれる元素の析出温度や結晶粒径と温度の関係などを考慮して実験的に決定する。
図８に示すように、期間Ｍ１は、第１の層を形成する際にレーザなどによって第１の層を形成する期間である。期間Ｎ１及びＮ２は、第１の層よりも上の第２の層を形成する際に第１の層の温度が所定の温度Ｔ１以上かつ構造物の原材料の溶融温度Ｔ２未満になる期間である。つまり、期間Ｍ１において、第１の層に加えられる熱量Ｑ１が図７のステップＳ２０３で算出する第１の熱量、期間Ｎ１及びＮ２において、第１の層の温度をＴ１以上に上昇させる熱量Ｑ２が図７のステップＳ２０４で算出する第２の熱量である。第１の熱量及び第２の熱量は、第１の層の熱履歴において、時間と温度の積分によって算出することができる。具体的には、当該積分の値に第１の層の重さと第１の層の比熱を掛ければ熱量になる。
なお、第１の層よりも上の層を形成しているときに第１の層の温度が構造物の原材料の溶融温度Ｔ２以上に上昇する場合（図８の期間Ｍ２の場合）、第１の層は時効されるのではなく再溶融される。第１の層の温度が構造物の原材料の溶融温度以上に上昇して第１の層が再溶融される場合には、第１の層の強度は第１の層を形成した当初の強度とほぼ同じになる。よって、第２の熱量の算出では、期間Ｍ２における熱量は含めず、所定の温度Ｔ１以上かつ構造物の原材料の溶融温度Ｔ２未満になる期間の熱量の総和とする。
第２の熱量は、第１の層が所定の温度以上かつ構造物の溶融温度未満になる期間における、温度変化を考慮せず、当該期間の長さのみに基づいて算出するようにしてもよい。つまり、第１の層が所定の温度以上かつ構造物の溶融温度未満になる期間で常に温度が一定として、近似的に第２の熱量を算出する。このようにすると、第２の熱量を、第１の層が所定の温度以上かつ前記構造物の溶融温度未満になる期間における時間と温度の積分によって算出する場合と比べて、精度は若干落ちるものの演算負荷が軽減される。
以上より、本実施の形態に係る強度予測方法では、第１の層の強度を、第１の層を形成する際の第１の入熱量と、第１の層の上に積層される第２の層を形成する際に第１の層に及ぼされる第２の入熱量と、を考慮して予測する。このように、第１の入熱量に加えて、第２の入熱量を考慮することで、第２の層を形成中に第１の層に及ぼされる影響についても反映されるので、構造物の強度を精度良く予測することができるようになる。また、構造物の強度を精度良く予測することができるようになると、構造物を積層する方向が適当であるか否か判定することができるようになる。例えば、図５に示す構造物の場合、積層方向を矢印Ｐ１で示す方向とすると位置ＷＭ１から位置ＷＭ２の間において強度が不十分になると予測されるので、積層方向を変更した方が良いという結論が得られる。
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。
上記実施の形態における強度予測方法における各処理は、例えば、コンピュータにプログラムを実行させることによっても実現することができる。より具体的には、コンピュータにおいて、記憶部（図示せず）に格納された制御プログラムを主記憶装置（図示せず）にロードし、主記憶装置で当該プログラムを実行することによって実現することができる。
上記実施の形態における強度予測方法における各処理をコンピュータにプログラムを実行させることによっても実現する場合、上記プログラムにおいて、所定の温度は、ユーザーが設定することが可能であるようにしてもよい。所定の温度は、構造物に含まれる元素の析出温度や結晶粒径と温度の関係などを考慮して実験的に決定する必要がある。このため、所定の温度をユーザーが設定できるようにすることで、利便性が向上する。
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（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒy）、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（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）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。
１ ３Ｄプリンタ
２ チャンバ
３ 造形槽
４ ベースプレート
５ レーザ光源
６ 粉末供給部
７ リコータ
８ ビーム走査機構
９ 透光部
Ｌ レーザビーム
２ チャンバ
３ 造形槽
４ ベースプレート
５ レーザ光源
６ 粉末供給部
７ リコータ
８ ビーム走査機構
９ 透光部
Ｌ レーザビーム
Claims (7)
- ３Ｄプリンタで積層造形する構造物の強度を予測する強度予測方法であって、
前記構造物の積層造形において、第１の層の強度を、前記第１の層を形成する際の第１の入熱量と、前記第１の層の上に積層される第２の層を形成する際に前記第１の層に及ぼされる第２の入熱量と、を考慮して予測する、強度予測方法。 - 前記第２の入熱量は、前記第１の層が所定の温度以上かつ前記構造物の溶融温度未満になる期間の長さに基づいて算出される、請求項１に記載の強度予測方法。
- 前記第２の入熱量は、さらに、前記期間の温度変化を考慮して算出される、請求項２に記載の強度予測方法。
- ３Ｄプリンタで積層造形する構造物の強度を予測するためのプログラムであって、
前記構造物の積層造形において、第１の層の強度を、前記第１の層を形成する際の第１の入熱量と、前記第１の層の上に積層される第２の層を形成する際に前記第１の層に及ぼされる第２の入熱量と、を考慮して予測する処理をコンピュータに実行させる、プログラム。 - 前記第２の入熱量は、前記第１の層が所定の温度以上かつ前記構造物の溶融温度未満になる期間の長さに基づいて算出される、請求項４に記載のプログラム。
- 前記第２の入熱量は、さらに、前記期間の温度変化を考慮して算出される、請求項５に記載のプログラム。
- 所定の温度は、ユーザーが設定することが可能である、請求項５または６に記載のプログラム。
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