JP2021188060A - Analyser and analysis method of laminated molding, as well as, molding system of laminated molding - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、積層造形物の解析装置および解析方法、並びに積層造形物の造形システムに関する。 The present invention relates to an analysis device and an analysis method for a laminated model, and a modeling system for a laminated model.
近年、金属材料の粉末やワイヤ等を用いた積層造形技術が研究開発されている。積層造形では、微小領域で材料の溶融と凝固が繰り返されるため、残留応力による造形物全体の変形が問題となる。また、積層造形物(以下、単に造形物と呼ぶことがある)の内部にボイドや不健全なミクロ組織が形成することで、機械的特性が低下するという問題も確認されている。そのため、最終形状と機械的特性の要求仕様を共に満足することができる製造方法を把握することが求められる。 In recent years, laminated modeling technology using powder of metal material, wire, or the like has been researched and developed. In laminated modeling, since the material is repeatedly melted and solidified in a minute region, deformation of the entire modeled object due to residual stress becomes a problem. In addition, it has been confirmed that the mechanical properties are deteriorated due to the formation of voids and unhealthy microstructures inside the laminated model (hereinafter, may be simply referred to as a model). Therefore, it is required to understand the manufacturing method that can satisfy both the final shape and the required specifications of the mechanical characteristics.
積層造形は、装置方式によって熱エネルギー源の出力や熱源の移動速度が大きく異なる。例えば、金属粉末床に電子ビームを照射するタイプの積層造形では、最大出力は3500[W]程度、最大移動速度は8000[m/s]程度である。一方、熱エネルギー源がレーザである場合には、最大出力は400[W]程度、最大移動速度は7[m/s]程度である。そのため、造形物に取り込まれる熱エネルギーの分布や形状は積層造形方式によって様々である。また、造形物の変形や内部組織は入熱形態に大きく影響される。 In laminated modeling, the output of the heat energy source and the moving speed of the heat source differ greatly depending on the device method. For example, in a laminated molding of a type in which an electron beam is irradiated to a metal powder bed, the maximum output is about 3500 [W] and the maximum moving speed is about 8000 [m / s]. On the other hand, when the heat energy source is a laser, the maximum output is about 400 [W] and the maximum moving speed is about 7 [m / s]. Therefore, the distribution and shape of the heat energy taken into the modeled object varies depending on the laminated modeling method. In addition, the deformation of the modeled object and the internal structure are greatly affected by the heat input form.
造形物の変形や残留応力は、一般にFEM(Finite Element Method;有限要素法)を用いたコンピュータシミュレーションによって解析される。シミュレーション技術は、積層造形条件の選定にも利用されており、造形後の変形や内部組織の状態を数値解析によって予測するための様々なモデルが提案されている。
例えば、下記特許文献1の段落0031には、「次に、解析装置10の実施例について説明する。実施例では、部分モデル12の形状を縦5mm×横5mm×高さ2mmの直方体にした。また、積層造形条件として、電子ビームによる走査を入力した。熱源は2次元のガウシアン分布を有しており、入熱量は約1000J/m、走査速度は約300m/秒、積層厚さは80μmである。」と記載されている。
Deformation and residual stress of a modeled object are generally analyzed by computer simulation using FEM (Finite Element Method). The simulation technique is also used for selecting the laminated modeling conditions, and various models for predicting the deformation after modeling and the state of the internal structure by numerical analysis have been proposed.
For example, in paragraph 0031 of
従って、例えば、上述した特許文献1の技術を応用することにより、ガウシアン分布の熱源モデルを用いて、熱弾塑性解析により造形時の温度分布を評価し、算出した固有歪みと弾性解析を組み合わせることで、造形物全体の残留応力や変形を予測できると考えられる。
Therefore, for example, by applying the technique of
金属材料等の材料を用いた積層造形法により造形物を製造するプロセスにおいて、入熱条件は、材料を溶融させるのみならず、造形物の変形や内部組織変化に対しても影響を与える、重要な因子として位置付けられている。入熱量が少な過ぎると、材料が十分に溶融せず、造形物表面の凹凸や、造形物内部に空隙が形成される場合が生じる。一方、入熱量が多すぎると、溶融金属が凝固せずに周囲に流れ落ちることがあり、凝固した場合であっても周囲に熱影響層を形成して内部組織を変化させる要因となり得る。また、このような熱の出入りによって造形物全体が残留応力等により変形することが問題となっている。 In the process of manufacturing a modeled object by a laminated modeling method using a material such as a metal material, the heat input condition is important because it not only melts the material but also affects the deformation and internal structure change of the modeled object. It is positioned as a factor. If the amount of heat input is too small, the material may not be sufficiently melted, and unevenness on the surface of the modeled object or voids may be formed inside the modeled object. On the other hand, if the amount of heat input is too large, the molten metal may flow down to the surroundings without solidifying, and even when solidified, it may form a heat-affected layer around and change the internal structure. Further, there is a problem that the entire modeled object is deformed due to residual stress or the like due to the inflow and outflow of heat.
積層造形プロセスにおける変形や内部組織の変化を抑制および制御する方法として、常に最適な入熱条件で積層造形を行う方法がある。仮に、表面状態や内部組織に異常部が形成されない程度の適切な入熱条件を維持することができれば、造形物に過剰な熱エネルギーが投下されず、造形後の反りも低減される。しかし、材料の種類や造形装置および造形物の形状毎に、積層造形物を試作して最適な造形条件を検討すると、時間やコストを要する点で不利である。 As a method of suppressing and controlling deformation and changes in the internal structure in the laminated modeling process, there is a method of always performing laminated modeling under optimum heat input conditions. If appropriate heat input conditions can be maintained to the extent that an abnormal portion is not formed in the surface state or internal structure, excessive heat energy is not applied to the modeled object and warpage after modeling is reduced. However, it is disadvantageous in that it takes time and cost to make a prototype of a laminated model for each type of material, modeling device, and shape of the model and examine the optimum modeling conditions.
そのため、適切な造形条件を、効率的に探索・検討することができる数値解析を利用したシミュレーション技術が求められている。上述した特許文献1の技術を応用すると、二次元ガウス性分布の熱源モデルに基づいて、造形物の残留応力や変形を数値解析することができる。しかし、積層造形方式の多様化により、従来用いられてきたガウス性分布以外の入熱プロファイルを有する造形装置が現れている。また、熱源の出力と移動速度の組み合わせによっては、溶融池の形状が変化して、造形物への入熱形態が変化する。従って、これらの影響を加味した、様々な積層造形方式に対応可能な熱源モデルに基づく解析技術が望まれる。
Therefore, there is a demand for a simulation technique using numerical analysis that can efficiently search and examine appropriate modeling conditions. By applying the technique of
例えば、熱源がガウシアン分布を有することを前提にすると、積層造形物の状態を適切に解析できない場合がある。
この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、積層造形物の状態を適切に解析できる積層造形物の解析装置および解析方法、並びに積層造形物の造形システムを提供することを目的とする。
For example, assuming that the heat source has a Gaussian distribution, it may not be possible to properly analyze the state of the laminated model.
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an analysis device and an analysis method for a laminated model capable of appropriately analyzing the state of a laminated model, and a modeling system for the laminated model. ..
本発明者らは、鋭意研究した結果、材料の積層造形における造形物の温度分布を、造形方式によって変化する溶融池形状および入熱分布を考慮して高精度に予測する手法を新たに見出した。すなわち、投入される熱エネルギーの空間分布を優ガウス性分布関数と二重楕円の組み合わせで表現することにより、造形物の温度分布の予測精度・予測再現性が高い予測モデルを導出し、この予測モデルを積層造形物の温度分布の計算に用いる手法を案出した。 As a result of diligent research, the present inventors have newly found a method for predicting the temperature distribution of a modeled object in laminated modeling of materials with high accuracy in consideration of the molten pool shape and heat input distribution that change depending on the modeling method. .. That is, by expressing the spatial distribution of the input thermal energy with a combination of the dominant Gaussian distribution function and the double ellipse, a prediction model with high prediction accuracy and reproducibility of the temperature distribution of the modeled object is derived, and this prediction is made. We devised a method to use the model to calculate the temperature distribution of the laminated model.
すなわち、好適な実施形態による積層造形物の解析装置は、積層造形物の造形中の温度分布を数値解析によって予測する積層造形物の解析装置であって、優ガウス性分布パラメータおよび二重楕円パラメータを用いて表現される熱源モデルと、積層造形で用いる材料の物性値と、造形条件と、を用いて、積層造形物の造形中の温度分布を予測する解析部、を備えることを特徴とする。 That is, the analysis device for the laminated model according to the preferred embodiment is an analysis device for the laminated model that predicts the temperature distribution during the modeling of the laminated model by numerical analysis, and has a dominant Gaussian distribution parameter and a double elliptical parameter. It is characterized by including an analysis unit that predicts the temperature distribution during modeling of a laminated model using a heat source model expressed using the above, physical property values of materials used in laminated modeling, and modeling conditions. ..
これにより、材料の積層造形における造形物の温度分布を数値解析によって予測する際に、熱エネルギーの空間分布を表す優ガウス性分布関数と、造形物の入熱領域を表す二重楕円と、からなる熱源モデルを数値解析に用いて、積層造形における積層造形物の温度分布を求めることができる。 As a result, when predicting the temperature distribution of the modeled object in the laminated modeling of materials by numerical analysis, the dominant Gaussian distribution function representing the spatial distribution of thermal energy and the double ellipse representing the heat input region of the modeled object are used. The heat source model can be used for numerical analysis to obtain the temperature distribution of the laminated model in the laminated model.
また、好適な実施形態による積層造形物の解析方法は、積層造形物の造形中の温度分布を数値解析によって予測する積層造形物の解析方法であって、優ガウス性分布パラメータと、二重楕円パラメータと、を設定するパラメータ付与工程と、前記優ガウス性分布パラメータと、前記二重楕円パラメータと、を用いて表現される熱源モデルを用いて、積層造形物の造形中の温度分布を予測する解析工程と、を備える。 Further, the analysis method of the laminated model according to the preferred embodiment is an analysis method of the laminated model that predicts the temperature distribution during the modeling of the laminated model by numerical analysis, and has a dominant Gaussian distribution parameter and a double ellipse. Predicting the temperature distribution during modeling of a laminated model using a heat source model expressed using the parameter assignment process for setting parameters, the dominant Gaussian distribution parameter, and the double elliptical parameter. It is equipped with an analysis process.
また、好適な実施形態による積層造形物の造形システムは、積層造形物を積層造形する造形装置と、前記積層造形物の状態を計測する計測装置と、上述した積層造形物の解析装置と、を備え、前記解析装置は、解析結果と、前記計測装置における計測結果との比較結果に基づいて、前記造形装置に対して積層造形条件を設定する造形制御部を有することを特徴とする。 Further, the modeling system for the laminated model according to the preferred embodiment includes a modeling device for laminating the laminated model, a measuring device for measuring the state of the laminated model, and an analysis device for the above-mentioned laminated model. The analysis device is characterized by having a modeling control unit that sets laminated modeling conditions for the modeling device based on a comparison result between the analysis result and the measurement result in the measuring device.
本発明によれば、積層造形物の状態を適切に解析できる。 According to the present invention, the state of the laminated model can be appropriately analyzed.
[実施形態の概要]
以下に述べる好適な実施形態は、積層造形方式によって様々に変化する溶融池形状および入熱分布の影響を加味して積層造形中の造形物の温度分布を高精度に予測しようとしている。これらの方法および装置は、優ガウス性分布関数による熱エネルギーの空間分布表現と、二重楕円による溶融池流動を考慮した入熱領域の設定と、を熱源モデルに加味することを特徴の一つとしている。好適な実施形態による積層造形物の温度分布の解析方法、解析装置および造形システムにおいて、造形物の温度分布の予測は、積層造形に用いる材料の種類や、造形条件毎に行うことができる。予測対象とする材料としては、積層造形に供する材料であれば、その種類は、特に制限されるものではない。予測対象とする材料の具体例としては、金属材料、例えばNi基合金(718合金)が挙げられるが、Ni基合金以外の他の合金、例えば、Fe基合金、Cu基合金、Al基合金等であってもよい。
[Outline of Embodiment]
A preferred embodiment described below is intended to predict the temperature distribution of a modeled object during layered modeling with high accuracy in consideration of the influence of the molten pool shape and the heat input distribution that change variously depending on the layered modeling method. One of the features of these methods and devices is that the spatial distribution of thermal energy by the dominant distribution function and the setting of the heat input region considering the flow of the molten pool by the double ellipse are added to the heat source model. It is supposed to be. In the method for analyzing the temperature distribution of the laminated model, the analysis device, and the modeling system according to the preferred embodiment, the temperature distribution of the model can be predicted for each type of material used for the laminated model and the modeling conditions. The type of material to be predicted is not particularly limited as long as it is a material to be used for laminated modeling. Specific examples of the materials to be predicted include metal materials such as Ni-based alloys (718 alloys), but other alloys other than Ni-based alloys such as Fe-based alloys, Cu-based alloys, Al-based alloys and the like. May be.
[第1実施形態]
〈第1実施形態の全体構成〉
図1は、好適な第1実施形態による解析システム100のブロック図である。
該解析システム100は、積層造形物180の温度分布を解析するシステムである。初期状態(造形前)においては例えば平板状の基板186のみである。そして、基板186の表面に金属材料を敷き詰めて溶融、凝固することによって凝固層を形成し、これを繰り返すことによって積層体188となし、積層造形物180が形成される。なお、金属材料は造形箇所に噴射して溶融凝固させてもよい。 ここで、基板186の表面に沿った平面上で直交する二軸をx軸、y軸と呼ぶ。また、x軸、y軸に直交する軸をz軸と呼ぶ。
[First Embodiment]
<Overall configuration of the first embodiment>
FIG. 1 is a block diagram of an
The
但し、積層造形物180は、製造の過程で、積層造形が施される加工製品であればよい。すなわち、積層造形物180は、積層造形以外の任意の材料と任意の加工法を組み合わせて製造される製品であってもよい。また、図1に示す例において積層造形物180は略直方体状であるが、積層造形物180は、加工成形される形状によって特に制限されるものではない。
However, the
造形装置172は、積層造形物180の表面に金属材料を敷き詰め、敷き詰めた金属材料にレーザ等を照射する機能を備えている。レーザ等が照射されると、金属材料の当該部分に熱源182が形成される。そして、熱源182およびその周囲には、金属材料が溶融した溶融池184が形成される。なお、図示の例においては溶融池184は熱源182よりも大きいが、溶融池184は熱源182よりも小さくてもよい。造形装置172が熱源182を移動させると、溶融池184が冷却されることによって凝固し、積層造形物180の当該部分が形成される。
The
そして、解析システム100は、解析装置110と、入力装置132と、表示装置134と、を備えている。解析装置110は、CPU(Central Processing Unit)、RAM(Random Access Memory)、記憶装置等、一般的なコンピュータとしてのハードウエアを備えており、記憶装置には、OS(Operating System)、アプリケーションプログラム、各種データ等が格納されている。ここで、記憶装置は、ROM(Read Only Memory)、SSD(Solid State Drive)、フラッシュメモリ、ハードディスク、光ディスク等である。記憶装置に記憶されたOSおよびアプリケーションプログラムは、RAMに展開され、CPUによって実行される。
The
図1において、解析装置110の内部は、アプリケーションプログラム等によって実現される機能を、ブロックとして示している。すなわち、解析装置110は、材料モデル記憶部101と、積層造形条件記憶部102と、熱源モデル記憶部103(パラメータ付与工程、パラメータ付与部)と、熱伝導解析部104(解析工程、解析部)と、温度分布抽出部105(解析工程、解析部)と、評価部106と、を備えている。
In FIG. 1, the inside of the
材料モデル記憶部101は、材料モデルパラメータPMを記憶する。また、積層造形条件記憶部102は、積層造形条件パラメータPLを記憶する。また、熱源モデル記憶部103は、優ガウス性分布パラメータPSと、二重楕円パラメータPEと、を記憶する。なお、これらパラメータPM,PL,PS,PEの詳細については後述する。
The material
熱伝導解析部104は、上述のパラメータPM,PL,PS,PEに基づいて、FEM(Finite Element Method;有限要素法)によって積層造形物180の各部における熱伝導状態を解析する。また、温度分布抽出部105は、この熱伝導状態に基づいて、積層造形物180における温度分布を算出する。評価部106は、温度分布に基づいて、積層造形物180に生じる歪み、変形、残留応力等を計算し、積層造形物180の品質を予測する。これにより、解析装置110は、任意の積層材料の種類や、任意の積層造形条件毎に、積層造形物180の積層造形における温度分布の予測値を算出し、その品質を予測することができる。
The heat
入力装置132は、解析装置110に対して、上述したパラメータPM,PL,PS,PEを入力する。入力装置132は、例えば、キーボード、マウス、タッチパッド、トラックボール等の各種装置によって構成することができる。表示装置134は、熱伝導解析部104における解析結果、温度分布抽出部105が算出した温度分布、評価部106における評価結果等を表示する。表示装置134には、例えば液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイ、有機ELディスプレイ、ブラウン管の各種の表示機器を適用することができる。
The
〈パラメータの詳細〉
次に、上述したパラメータPM,PL,PS,PEの詳細を説明する。
まず、材料モデルパラメータPMは、積層造形物180に適用される材料の物性値であり、例えば材料の熱伝導率、比熱、密度、熱伝達係数を含む。熱伝導率や比熱、密度は、熱伝導方程式に代入することで造形物内部の温度分布や、その時間変化を求めることができる。また、熱伝達係数を用いることで、造形体の表面と造形体の周囲の流体との熱伝導を解析することができる。また、積層造形条件パラメータPLは、積層造形物180のモデルの形状や造形パス、造形装置172から熱源182への投入エネルギー、熱源182の移動速度等を含む。積層造形物180のモデルの形状としては、基板186の形状や、造形後の積層造形物180の形状等が含まれる。また、「造形パス」とは、造形開始時の基板186のみの状態から、造形後の積層造形物180の最終形状に至るまで、如何なる順序で積層造形を行うかを示すデータである。モデルの形状で熱伝導解析を実行する領域が決まる。また、造形パスに従ってレーザ等の熱エネルギー源から熱エネルギーが投入され、その都度、熱伝導方程式を解析することで造形物の温度分布およびその時間変化を算出する。
<Details of parameters>
Next, the details of the above-mentioned parameters PM, PL, PS, and PE will be described.
First, the material model parameter PM is a physical property value of the material applied to the
また、優ガウス性分布パラメータPSおよび二重楕円パラメータPEは、熱源182のモデルすなわち熱源モデルを記述するパラメータである。熱源モデルは、優ガウス性分布パラメータPSと、二重楕円パラメータPEと、を用いて、次の数式(1)の優ガウス性分布関数によって表現される。
Further, the dominant distribution parameter PS and the bi-elliptic transfer parameter PE are parameters that describe the model of the
但し、数式(1)中、Qは熱エネルギー密度、kは分布パラメータ、βは係数値Γはガンマ関数、a,b,cは半径長、ηは熱効率、Wは造形装置172からの投入エネルギーである。熱効率は造形装置や造形物の材料、熱エネルギー源の種類などの組み合わせによって決まる。また、expは、ネイピア数のべき乗である。
これら数式(1)中のパラメータのうち、半径長a,b,cは二重楕円パラメータPEに含まれる。なお、半径長a,b,cとは、入熱領域301(図3参照)の形状を決定するパラメータであり、その詳細については後述する。また、分布パラメータkおよび係数値βは、優ガウス性分布パラメータPSに含まれる。また、熱効率ηおよび投入エネルギーWは、積層造形条件パラメータPLに含まれる。数式(1)において、kの値を変化させることで、熱エネルギーの空間分布を最適化することができる。
However, in the formula (1), Q is the thermal energy density, k is the distribution parameter, β is the coefficient value Γ is the gamma function, a, b, and c are the radius lengths, η is the thermal efficiency, and W is the input energy from the
Of the parameters in these equations (1), the radius lengths a, b, and c are included in the bi-elliptic transfer parameter PE. The radius lengths a, b, and c are parameters that determine the shape of the heat input region 301 (see FIG. 3), and the details thereof will be described later. Further, the distribution parameter k and the coefficient value β are included in the dominant distribution parameter PS. Further, the thermal efficiency η and the input energy W are included in the laminated molding condition parameter PL. In the formula (1), the spatial distribution of thermal energy can be optimized by changing the value of k.
数式(1)に示した分布パラメータkは、図1に示したx軸、y軸、z軸にそれぞれ対応する分布パラメータk1,k2,k3(第1,第2および第3の分布パラメータ)として、独立に設定してもよい。その場合、数式(1)は、下記数式(2)のようになる。 The distribution parameter k shown in the formula (1) is used as the distribution parameters k1, k2, k3 (first, second, and third distribution parameters) corresponding to the x-axis, y-axis, and z-axis shown in FIG. 1, respectively. , May be set independently. In that case, the mathematical formula (1) becomes the following mathematical formula (2).
数式(1),(2)における分布パラメータk,k1,k2,k3は、「1」を超える値であれば、特に限定されるものではない。例えば、分布パラメータk,k1,k2,k3は、「1.2以上、100以下」の範囲にすることができる。
数式(1)に示した分布パラメータkを、x軸、y軸、z軸にそれぞれ対応する分布パラメータk1,k2,k3(第1,第2および第3の分布パラメータ)として、独立に設定することにより、関数の自由度が増え、その結果、熱源形状の再現精度が向上する。例えば、x軸方向、y軸方向、z軸方向において、それぞれ熱伝導率が異なる場合には、各々の方向の熱伝導率に応じた分布パラメータk1,k2,k3を設定することができる。また、例えば、レーザを用いた熱エネルギー源では、ビーム成形技術の向上によりトップハット形状の形成位置を任意に操作できつつある。
The distribution parameters k, k1, k2, and k3 in the formulas (1) and (2) are not particularly limited as long as they exceed "1". For example, the distribution parameters k, k1, k2, and k3 can be in the range of "1.2 or more and 100 or less".
The distribution parameter k shown in the formula (1) is independently set as the distribution parameters k1, k2, k3 (first, second, and third distribution parameters) corresponding to the x-axis, y-axis, and z-axis, respectively. As a result, the degree of freedom of the function is increased, and as a result, the reproduction accuracy of the heat source shape is improved. For example, when the thermal conductivity is different in the x-axis direction, the y-axis direction, and the z-axis direction, the distribution parameters k1, k2, and k3 can be set according to the thermal conductivity in each direction. Further, for example, in a thermal energy source using a laser, the formation position of the top hat shape can be arbitrarily manipulated by improving the beam forming technique.
ここで、トップハット形状とは、例えば図2に示す特性LA2,LA5,LA10,LA100のような優ガウス性分布の形状をいう。特性LA1に示すガウス性分布と比較して、熱源をトップハット型にすると、入熱すべき部分と入熱すべきでない部分との区別をより明確化でき、造形の自由度が増すと考えられるため、今後は適用例が増えるものと予想される。従って、レーザ等の熱エネルギー源は、今後増えてくるであろう異方性を有するトップハット型熱源を生成可能な造形装置に対応することができる。 Here, the top hat shape refers to a shape having a dominant distribution such as the characteristics LA2, LA5, LA10, and LA100 shown in FIG. Compared with the Gaussian distribution shown in the characteristic LA1, if the heat source is a top hat type, it is possible to clarify the distinction between the part that should be heated and the part that should not be heated, and it is considered that the degree of freedom of modeling is increased. Therefore, it is expected that the number of application examples will increase in the future. Therefore, the heat energy source such as a laser can correspond to a modeling device capable of generating a top hat type heat source having anisotropy, which is expected to increase in the future.
図2は、数式(1)による優ガウス性分布関数の例を示す図である。
図2の縦軸は熱エネルギー密度Qであり、横軸は、x軸方向の座標値xである。また、数式(1)中の係数値βは「3」である。図中の特性LA1は、「k=1」としたガウス性分布関数による特性の例であり、参考用に図示している。図示のように、特性LA1においては、熱エネルギー密度Qの分布は、座標値x=0の位置に局在するような分布になる。そして、特性LA2,LA5,LA10,LA100は、それぞれ「k=2」,「k=5」,「k=10」,「k=100」とした、優ガウス性分布関数による特性の例である。図示のように、分布パラメータkが大きくなるほど、熱エネルギー密度Qの最大値が小さくなる代わりに、熱エネルギー密度Qが広範囲に広がる特性になる。
熱エネルギー密度Qがx軸方向の座標値xのみの関数とすると、次の数式(3)を用いて熱エネルギー密度Qの空間分布を求めることができる。
The vertical axis of FIG. 2 is the thermal energy density Q, and the horizontal axis is the coordinate value x in the x-axis direction. Further, the coefficient value β in the mathematical formula (1) is “3”. The characteristic LA1 in the figure is an example of the characteristic by the Gaussian distribution function with “k = 1”, and is shown for reference. As shown in the figure, in the characteristic LA1, the distribution of the thermal energy density Q is such that it is localized at the position of the coordinate value x = 0. The characteristics LA2, LA5, LA10, and LA100 are examples of the characteristics based on the dominant Gaussian distribution function, in which "k = 2", "k = 5", "k = 10", and "k = 100", respectively. .. As shown in the figure, as the distribution parameter k becomes larger, the maximum value of the thermal energy density Q becomes smaller, but the thermal energy density Q becomes a characteristic that spreads over a wide range.
Assuming that the thermal energy density Q is a function of only the coordinate values x in the x-axis direction, the spatial distribution of the thermal energy density Q can be obtained by using the following mathematical formula (3).
一般的に、溶接現象を解析するFEM熱源モデルではガウス性分布が多く用いられてきた。しかし、積層造形では短時間で多くの体積を造形するため、比較的広範囲に熱が届くように熱エネルギー分布が調整されていることが多い。従って、上述のようにエネルギー密度が広範囲に広がる形状が合致するので、熱源モデルに優ガウス性分布パラメータPSを導入することで、積層造形特有の入熱現象を適切に表現することができる。 In general, the Gaussian distribution has often been used in the FEM heat source model for analyzing welding phenomena. However, in laminated modeling, many volumes are formed in a short time, so the heat energy distribution is often adjusted so that heat reaches a relatively wide range. Therefore, since the shape in which the energy density spreads over a wide range matches as described above, the heat input phenomenon peculiar to the laminated molding can be appropriately expressed by introducing the dominant Gaussian distribution parameter PS into the heat source model.
また、図2では一例として、半径長aが1.5[mm]の場合を示した。図2において、座標値xが半径長a=1.5[mm]を超えると、熱エネルギー密度が急激に小さくなる。従って、半径長aがx方向の入熱半径の目安となる。また、x=aの時の熱エネルギー密度Q(a)と、x=0の時の熱エネルギー密度Q(0)との比Q(a)/Q(0)は常に「1/eβ」(図示の例では「1/e3」)になる。なお、係数値βは「3」に限られるものではなく、任意の値を適用することができる。数式(3)において、指数関数の前の係数部「(2k31/2k/Γ(1/2k)a)」は、熱エネルギー密度を全区間(xが0から無限大まで)で積分した際の積分値が1となるように設定している。但し、熱源モデルとして、有限の領域で熱エネルギーの積分区間を設定する際には、積層造形物に投入される熱エネルギーの総和に一致するように係数部を決定するとよい。 Further, FIG. 2 shows a case where the radius length a is 1.5 [mm] as an example. In FIG. 2, when the coordinate value x exceeds the radius length a = 1.5 [mm], the thermal energy density sharply decreases. Therefore, the radius length a serves as a guideline for the heat input radius in the x direction. Further, the ratio Q (a) / Q (0) of the thermal energy density Q (a) when x = a and the thermal energy density Q (0) when x = 0 is always "1 / e β ". ("1 / e 3 " in the illustrated example). The coefficient value β is not limited to “3”, and any value can be applied. In the formula (3), the coefficient part "(2k3 1 / 2k / Γ (1 / 2k) a)" before the exponential function is when the thermal energy density is integrated over the entire interval (x is from 0 to infinity). The integral value of is set to 1. However, as a heat source model, when setting an integral section of thermal energy in a finite region, it is advisable to determine the coefficient portion so as to match the total heat energy input to the laminated model.
図3は、二重楕円パラメータPEによる熱源モデルの入熱領域301の模式図である。
図3において、入熱領域301は、積層造形物180(図1参照)において、造形装置172から投入される熱エネルギーが与えられる範囲である。入熱領域301は、その表面が「x2/a2+y2/b2+z2/c2=1」を満たす三次元領域を、xy平面に沿って半分に分割した形状を有している。また、図示の例では、熱源進行方向DPは、x軸方向と等しい。
FIG. 3 is a schematic diagram of the
In FIG. 3, the
図3に示す投影形状302は、入熱領域301をxy平面上に投影した形状である。同様に、投影形状303および304は、それぞれ、入熱領域301をxz平面上およびyz平面上に投影した形状である。投影形状302は、半径長aが長半径、半径長bが短半径となる楕円形になる。投影形状303は、半径長aが長半径、半径長cが短半径となる楕円形の下半分のみの形状になる。また、投影形状304は、半径長bが長半径、半径長cが短半径となる楕円形の下半分のみの形状になる。以上のように形成された入熱領域301の形状を「二重楕円」と呼ぶ。
The projected
半径長a,b,cは、熱エネルギーが積層造形物180に取り込まれる領域に応じて設定される。溶接現象では、溶融した材料の対流運動および熱源の移動によって、入熱領域301が熱源進行方向DPに伸長するため、半径長bよりも半径長aが大きくなることが一般的である。但し、積層造形においては造形パスに応じて熱源が複雑に移動する場合があり、半径長aが半径長bよりも大きい場合に限られるものではない。また、他の半径長a,b,c同士の関係についても、同様に、特定の大小関係が存在するわけではない。従って、半径長a,b,cの各々について、造形条件に応じて任意の値を設定するとよい。
The radius lengths a, b, and c are set according to the region where the thermal energy is taken into the
〈実施例〉
次に、本実施形態における実施例について説明する。
実施例では、Ni基合金(718合金)の基板186(図1参照)に対して、レーザビームを入力して、溶融・凝固が伴う50mmの直線ビードを形成した。Ni基合金の基板186の寸法は、縦100mm×横100mm×厚さ10mmとした。熱エネルギー源によるレーザビームの出力を1.2kW、1.6kW、2.0kW、2.4kWの四水準、移動速度を500mm/min、1000mm/min、2000mm/minの三水準として、表1に示す6つの組み合わせ条件を適用した。
Next, examples in this embodiment will be described.
In the embodiment, a laser beam was input to a substrate 186 (see FIG. 1) of a Ni-based alloy (718 alloy) to form a 50 mm linear bead accompanied by melting and solidification. The dimensions of the Ni-based
材料モデルパラメータPM(図1参照)は、718合金の組成から熱力学モデルによって算出した物性値すなわち熱伝導率、比熱、密度および熱伝達係数を採用した。但し、物性値は、実験的に得られたデータベースを採用してもよい。
熱伝導解析結果に基づいて、基板の温度分布データを抽出し、レーザビームによって溶融して形成されたビード形状を測定した。溶融部と未溶融部の境界は、当該718合金組成の固相線温度とした。つまり、積層造形プロセスにおいて最高到達温度が固相線温度以上になった領域をビードと判定し、その形状を測定した。
For the material model parameter PM (see FIG. 1), the physical property values calculated by the thermodynamic model from the composition of the 718 alloy, that is, the thermal conductivity, the specific heat, the density and the heat transfer coefficient were adopted. However, as the physical property value, an experimentally obtained database may be adopted.
Based on the heat conduction analysis results, the temperature distribution data of the substrate was extracted, and the bead shape formed by melting with a laser beam was measured. The boundary between the melted portion and the unmelted portion was the solid phase temperature of the 718 alloy composition. That is, in the laminated molding process, the region where the maximum temperature reached was equal to or higher than the solidus temperature was determined as a bead, and its shape was measured.
図4は、解析で得られた温度分布データの一例を示す図である。
図4においては、熱源進行方向DPに沿って積層造形物モデル420が造形中である。この積層造形物モデル420において、あるタイミングでの温度分布は、例えば温度分布401のように示される。一方、熱源進行方向DPに対する垂直断面において、積層造形物モデル420の最高到達温度分布データ402を用いると、最終的に形成された直線ビードのビード幅403およびビード深さ404を算出することができる。
FIG. 4 is a diagram showing an example of temperature distribution data obtained by analysis.
In FIG. 4, the
図5は、実験値と解析値によるビード幅の比較結果を示す図である。また、図6は、実験値と解析値によるビード深さの比較結果を示す図である。
図5、図6において、それぞれの縦軸はビード幅およびビード深さであり、両図の横軸は出力を速度で除算した単位入熱[J/mm]である。図5、図6における特性LB1,LC1は、何れも実験値による特性例である。一方、特性LB2〜LB5,LC2〜LC5は、それぞれモデルM2〜M5(図示せず)に基づく解析結果である。
FIG. 5 is a diagram showing a comparison result of bead widths based on experimental values and analytical values. Further, FIG. 6 is a diagram showing a comparison result of the bead depth based on the experimental value and the analytical value.
In FIGS. 5 and 6, the vertical axis of each is the bead width and the bead depth, and the horizontal axis of both figures is the unit heat input [J / mm] obtained by dividing the output by the velocity. The characteristics LB1 and LC1 in FIGS. 5 and 6 are examples of characteristics based on experimental values. On the other hand, the characteristics LB2 to LB5 and LC2 to LC5 are analysis results based on models M2 to M5 (not shown), respectively.
ここで、モデルM2〜M5とは、次のようなモデルである。
・M2(特性LB2,LC2):優ガウス性分布(k>1)であって半径長a,bが「a>b」の関係を有する。
・M3(特性LB3,LC3):優ガウス性分布(k>1)であって半径長a,bが「a=b」の関係を有する。
・M4(特性LB4,LC4):ガウス性分布(k=1)であって半径長a,bが「a>b」の関係を有する。
・M5(特性LB5,LC5):ガウス性分布(k=1)であって半径長a,bが「a=b」の関係を有する。
なお、半径長a,bが「a=b」の関係を有するモデルM3,M5においては、xy平面に対する投影形状302(図3参照)は円形になる。また、上述した以外のパラメータに関しては、実験値による特性LB1,LC1に最も近くなるように、各モデルM2〜M5に対して、一定のパラメータセットを適用している。
Here, the models M2 to M5 are the following models.
M2 (characteristics LB2, LC2): It has a dominant distribution (k> 1) and has a relationship of “a> b” in radius lengths a and b.
M3 (characteristics LB3, LC3): It has a dominant distribution (k> 1) and has a relationship of “a = b” in radius lengths a and b.
M4 (characteristics LB4, LC4): It has a Gaussian distribution (k = 1) and has a relationship of “a> b” in radius lengths a and b.
M5 (characteristics LB5, LC5): It has a Gaussian distribution (k = 1) and has a relationship of “a = b” in radius lengths a and b.
In the models M3 and M5 in which the radius lengths a and b have a relationship of "a = b", the projected shape 302 (see FIG. 3) with respect to the xy plane is circular. Further, for parameters other than those described above, a certain parameter set is applied to each model M2 to M5 so as to be closest to the characteristics LB1 and LC1 according to the experimental values.
モデルM5(特性LB5,LC5)においては、単位入熱の変化に対してビード幅およびビード深さの双方とも変化が非常に急峻となり、実験値の傾向(特性LB1,LC1)を殆ど再現していない。これは、対応するモデルにおける熱エネルギー密度分布が、中心に局在するためであると考えられる。また、モデルM3の特性LB3によれば、ビード幅に関してはグラフの傾きがさらに緩やかになり、特性LB5よりも実験値による特性LB1に近づいている。しかし、特性LC3によれば、ビード深さに関して、モデルM3は殆ど改善が見られない。 In the model M5 (characteristics LB5 and LC5), the change in both the bead width and the bead depth becomes very steep with respect to the change in the unit heat input, and the tendency of the experimental values (characteristics LB1, LC1) is almost reproduced. No. It is considered that this is because the thermal energy density distribution in the corresponding model is localized in the center. Further, according to the characteristic LB3 of the model M3, the slope of the graph becomes more gentle with respect to the bead width, and the characteristic LB1 is closer to the experimental value than the characteristic LB5. However, according to the characteristic LC3, the model M3 shows almost no improvement in bead depth.
一方、優ガウス性分布かつ二重楕円(a>b)の入熱領域を設定したモデルM2(特性LB2,LC2)によれば、ビード幅およびビード深さともに、実験値の特性LB1,LC1における変化の傾向を最も適切に再現している。このように、第1実施形態による解析方法によれば、積層造形において特徴的な優ガウス性分布関数による熱エネルギー密度分布と、二重楕円による入熱領域とを適用したため、様々な積層造形条件に対して、実験値を適切に再現する解析結果を得ることができる。 On the other hand, according to the model M2 (characteristics LB2, LC2) in which the dominant distribution and the heat input region of the double ellipse (a> b) are set, both the bead width and the bead depth are the experimental values in the characteristics LB1 and LC1. It best reproduces the trend of change. As described above, according to the analysis method according to the first embodiment, since the thermal energy density distribution by the dominant Gaussian distribution function characteristic in the laminated molding and the heat input region by the double ellipse are applied, various laminated molding conditions are applied. On the other hand, it is possible to obtain an analysis result that appropriately reproduces the experimental value.
また、本実施形態によれば、造形装置172の仕様に応じて、ガウス性分布を有するモデルや、上面円形(a=b)の入熱領域を有するモデルも表現できるため、様々な造形装置172で造形中の積層造形物180における温度分布を解析することができる。また、本実施形態によれば、実験に先立って、様々な積層造形条件に対する積層造形物180の温度分布を確認することができるため、所望の積層造形物180を造形するための適切な積層造形条件(例えば熱エネルギー源の出力、走査速度等)を選定することができる。
Further, according to the present embodiment, a model having a Gaussian distribution and a model having a heat input region having a circular upper surface (a = b) can be expressed according to the specifications of the
[第2実施形態]
図7は、好適な第2実施形態による造形システム150のブロック図である。なお、以下の説明において、上述した第1実施形態の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
図7において造形システム150は、第1実施形態と同様の原理に基づいて積層造形物180の状態を解析し、解析結果に基づいて積層造形条件を決定し、積層造形物180を造形するシステムである。
[Second Embodiment]
FIG. 7 is a block diagram of the
In FIG. 7, the
そして、造形システム150は、造形制御装置120と、入力装置132と、表示装置134と、造形装置172と、計測装置174と、を備えている。造形制御装置120は、第1実施形態の解析装置110(図1参照)と同様に、CPU、RAM、記憶装置等、一般的なコンピュータとしてのハードウエアを備えており、記憶装置には、OS、アプリケーションプログラム、各種データ等が格納されている。
The
図7において、造形制御装置120の内部は、アプリケーションプログラム等によって実現される機能を、ブロックとして示している。すなわち、造形制御装置120は、材料モデル記憶部101と、積層造形条件記憶部102と、熱源モデル記憶部103と、熱伝導解析部104と、温度分布抽出部105と、評価部106と、データベース107と、造形制御部162と、を備えている。
In FIG. 7, the inside of the
計測装置174は、積層造形物180をモニタリングするものであり、積層造形物180の動画像を撮影するカメラ、積層造形物180の表面の温度分布を計測する赤外線サーモグラフィ等を備えている。造形システム150は、動画像により、溶融池184等の形状を把握することができる。熱伝導解析部104および温度分布抽出部105の機能は、第1実施形態の解析システム100(図1参照)のものと同様である。すなわち、熱伝導解析部104は、パラメータPM,PL,PS,PEに基づいて、積層造形物180の各部における熱伝導状態を予測する。
The measuring
また、温度分布抽出部105は、予測された熱伝導状態に基づいて、積層造形物180における温度分布の予測値を算出する。データベース107は、過去に熱伝導解析部104によって解析された熱伝導状態や、過去に温度分布抽出部105によって算出された温度分布等を蓄積する。
Further, the temperature
評価部106は、温度分布抽出部105が算出した温度分布の予測値と、計測装置174が計測した温度分布の計測値と、を比較する。そして、造形制御部162は、温度分布の予測値と計測値との比較結果に基づいて、積層造形条件を修正しつつ、造形装置172を制御する。
The
換言すれば、造形システム150は、造形制御部162によって積層造形物180の積層造形条件を設定する工程と、積層造形物180の造形中の温度分布を温度分布抽出部105が数値解析によって予測する工程と、造形装置172によって積層造形物180を造形する工程と、計測装置174によって積層造形物180をモニタリングする工程とを実行することができる。
In other words, in the
積層造形物の積層造形条件を設定する工程では、積層造形条件として、少なくとも、熱源182の出力と熱源182の移動速度と、を設定する。熱源182の出力と移動速度の設定値としては、積層造形しようとする積層造形条件毎に、積層造形開始時の初期熱源出力値や、初期移動速度等、任意の造形状態に対応した代表値を設定することができる。
In the step of setting the laminated modeling condition of the laminated model, at least the output of the
上述のように、積層造形物180の温度分布は、温度分布抽出部105が予測することができる。但し、過去に解析された熱伝導状態や温度分布等がデータベース107に蓄積されているため、温度分布抽出部105は、データベース107に蓄積されたデータに基づいて温度分布を予測してもよい。このように、造形制御部162は、所望の温度分布を実現すると予測される積層造形条件を、事前に解析によって得ることができ、または、データベース107に蓄積されたデータに基づいて得ることができる。従って、造形制御部162は、所望の温度分布を実現すると予測される積層造形条件を、初期の積層造形条件として設定してもよい。
As described above, the temperature distribution of the
造形装置172は、造形制御部162によって設定された積層造形条件に基づいて積層造形物180を造形する。すなわち、造形装置172は、設定された熱源182の出力と移動速度とを用いて、予測対象とした材料と同種の材料に積層造形を施す。これにより、積層造形物180の温度分布は予測値に近似したものになる。そして、計測装置174は、積層造形物180の形状、溶融池184の形状、積層造形物180の表面の温度分布等を計測する。
The
そして、評価部106は、計測装置174による計測結果と、温度分布抽出部105が予測した解析結果とを比較し、これによって想定している温度分布や溶融池形状等と、実際の温度分布や溶融池形状との乖離度を評価することができる。例えば、評価部106は、「積層造形物180の温度分布が解析結果よりも高い温度域である」、あるいは「溶融池面積が解析結果よりも大きくなっている」等の評価を行う。
Then, the
このような評価に対して、造形制御部162は、データベース107から過去の解析データを検索し、当初想定した温度分布よりも低い温度分布や、小さな入熱領域を実現し得る熱源182の出力や移動速度条件に対応する解析データを探索する。そして、造形制御部162は、探索した解析データに基づいて、新たな積層造形条件を決定し、決定した積層造形条件を造形装置172に指示する。熱源条件、すなわち熱源182に関する条件は、出力や移動速度に限らず、優ガウス性分布パラメータに対応する熱エネルギーの空間分布であってもよい。
In response to such evaluation, the
このように、本実施形態の造形システム150は、計測装置174によるモニタリング結果と、所望の温度分布や溶融池形状とを常に比較し、必要に応じて積層造形条件の再設定を繰り返す。これにより、積層造形物180の造形中の温度分布を所望の状態に近づけるようにコントロールすることができる。
As described above, the
[実施形態の効果]
以上のように好適な実施形態によれば、積層造形物の解析装置(110)および造形制御装置(120)は、積層造形物(180)の造形中の温度分布を数値解析によって予測する積層造形物の解析装置(110)および造形制御装置(120)であって、優ガウス性分布パラメータ(PS)および二重楕円パラメータ(PE)を用いて表現される熱源モデルと、積層造形で用いる材料の物性値と、造形条件と、を用いて、積層造形物(180)の造形中の温度分布を予測する解析部(104,105)、を備える。ここで、二重楕円パラメータPEは、熱源モデルにおける最大の熱エネルギー密度Q(0)に対して、熱エネルギー密度Qが所定の割合(1/eβ)以上になる入熱領域301を定めるパラメータである。
[Effect of embodiment]
According to the preferred embodiment as described above, the layered model analysis device (110) and the model control device (120) predict the temperature distribution of the layered model (180) during modeling by numerical analysis. A heat source model expressed using a dominant distribution parameter (PS) and a double elliptical parameter (PE) in an object analysis device (110) and a modeling control device (120), and materials used in laminated modeling. It is provided with an analysis unit (104, 105) for predicting a temperature distribution during modeling of a laminated model (180) using physical property values and modeling conditions. Here, the double elliptical parameter PE is a parameter that defines a
また、好適な実施形態は、他の観点においては、積層造形物(180)の造形中の温度分布を数値解析によって予測する積層造形物の解析方法(110)であって、優ガウス性分布パラメータ(PS)と、二重楕円パラメータ(PE)と、を設定するパラメータ付与工程(103)と、優ガウス性分布パラメータ(PS)と、二重楕円パラメータ(PE)と、を用いて表現される熱源モデルを用いて、積層造形物(180)の造形中の温度分布を予測する解析工程(104,105)と、を備える。 Further, a preferred embodiment is, from another viewpoint, an analysis method (110) of the laminated model, which predicts the temperature distribution during modeling of the laminated model (180) by numerical analysis, and is a dominant Gaussian distribution parameter. It is expressed using a parameter assignment step (103) for setting (PS) and a double elliptical parameter (PE), a dominant Gaussian distribution parameter (PS), and a double elliptical parameter (PE). It comprises an analysis step (104, 105) for predicting the temperature distribution during modeling of the laminated model (180) using a heat source model.
これにより、積層造形物180の状態を適切に解析できる。例えば、熱エネルギー密度分布を表現する優ガウス性分布パラメータPSと、溶融地流動を考慮した入熱領域を表現する二重楕円パラメータPEと、を考慮した熱源モデルを数値解析に用いるため、積層造形物180の温度分布を高精度に予測することができる。これにより、実際に積層造形物180を試作することなく、材料の種類や造形条件毎に、積層造形条件を検討することが可能であり、工程設計の期間の短縮や試作コストの削減を図ることができる。
Thereby, the state of the
また、優ガウス性分布パラメータPSは、3次元の軸方向(x軸方向、y軸方向、z軸方向)のそれぞれに対応して独立した第1,第2および第3の分布パラメータ(k1,k2,k3)を含むことが好ましい。これにより、3次元の軸方向に応じて熱エネルギー密度分布特性が変わる場合に、積層造形物180の状態を一層適切に解析できる。
Further, the dominant Gaussian distribution parameter PS is an independent first, second and third distribution parameter (k1,) corresponding to each of the three-dimensional axial directions (x-axis direction, y-axis direction, z-axis direction). It is preferable to include k2 and k3). Thereby, when the thermal energy density distribution characteristic changes according to the three-dimensional axial direction, the state of the
また、熱源モデルは、上述した数式(1)または数式(2)で表されることが一層好ましい。これにより、二重楕円(a>b)の入熱領域を設定したモデルにおいて、実験値の特性における変化の傾向を適切に再現できる。 Further, it is more preferable that the heat source model is expressed by the above-mentioned mathematical formula (1) or mathematical formula (2). Thereby, in the model in which the heat input region of the double ellipse (a> b) is set, the tendency of the change in the characteristics of the experimental values can be appropriately reproduced.
また、積層造形で用いる材料の物性値は、熱伝導率、比熱、密度および熱伝達係数のうち少なくとも一つを含み、造形条件は、造形時の熱源のエネルギーと、熱源の移動速度と、を含むことが好ましい。これにより、実験値の特性における変化の傾向を一層適切に再現できる。 Further, the physical property values of the materials used in the laminated molding include at least one of thermal conductivity, specific heat, density and heat transfer coefficient, and the molding conditions are the energy of the heat source at the time of molding and the moving speed of the heat source. It is preferable to include it. This makes it possible to more appropriately reproduce the tendency of changes in the characteristics of the experimental values.
また、好適な実施形態による積層造形物の造形システム(150)は、積層造形物(180)を積層造形する造形装置(172)と、積層造形物(180)の状態を計測する計測装置(174)と、上述した積層造形物の解析装置(110)と、を備え、解析装置(110)は、解析結果と、計測装置(174)における計測結果との比較結果に基づいて、造形装置(172)に対して積層造形条件を設定する造形制御部(162)を有する。これにより、積層造形物180の実際の状況に応じて、積層造形条件を適切に調整することができる。
Further, the modeling system (150) for the laminated model according to the preferred embodiment includes a modeling device (172) for laminating the laminated model (180) and a measuring device (174) for measuring the state of the laminated model (180). ) And the above-mentioned analysis device (110) for the laminated model, the analysis device (110) is based on the comparison result between the analysis result and the measurement result in the measurement device (174), and the modeling device (172). ), It has a modeling control unit (162) that sets the laminated modeling conditions. Thereby, the laminated modeling conditions can be appropriately adjusted according to the actual situation of the
[変形例]
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。上述した実施形態は本発明を理解しやすく説明するために例示したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について削除し、もしくは他の構成の追加・置換をすることが可能である。また、図中に示した制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上で必要な全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。上記実施形態に対して可能な変形は、例えば以下のようなものである。
[Modification example]
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications are possible. The above-described embodiments are exemplified for the purpose of explaining the present invention in an easy-to-understand manner, and are not necessarily limited to those having all the configurations described. Further, it is possible to replace a part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment, and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment. Further, it is possible to delete a part of the configuration of each embodiment, or add / replace another configuration. In addition, the control lines and information lines shown in the figure show what is considered necessary for explanation, and do not necessarily show all the control lines and information lines necessary for the product. In practice, it can be considered that almost all configurations are interconnected. Possible modifications to the above embodiment are, for example, as follows.
(1)上記各実施形態における材料モデル記憶部101、積層造形条件記憶部102、熱源モデル記憶部103、データベース107等(図1、図7参照)は、例えばネットワーク上のクラウド等(図示せず)に置いてもよく、必ずしも解析装置110または造形制御装置120に含めなくてもよい。
(1) The material
(2)上記実施形態における解析装置110または造形制御装置120のハードウエアは一般的なコンピュータによって実現できるため、上述した各種処理を実行するプログラム等を記憶媒体に格納し、または伝送路を介して頒布してもよい。
(2) Since the hardware of the
(3)上述した各処理は、上記実施形態ではプログラムを用いたソフトウエア的な処理として説明したが、その一部または全部をASIC(Application Specific Integrated Circuit;特定用途向けIC)、あるいはFPGA(Field Programmable Gate Array)等を用いたハードウエア的な処理に置き換えてもよい。 (3) Each of the above-mentioned processes has been described as a software-like process using a program in the above embodiment, but a part or all of them may be an ASIC (Application Specific Integrated Circuit) or an FPGA (Field). It may be replaced with hardware-like processing using Programmable Gate Array) or the like.
103 熱源モデル記憶部(パラメータ付与工程、パラメータ付与部)
104 熱伝導解析部(解析工程、解析部)
105 温度分布抽出部(解析工程、解析部)
110 解析装置
150 造形システム
162 造形制御部
172 造形装置
174 計測装置
180 積層造形物
PE 二重楕円パラメータ
PS 優ガウス性分布パラメータ
k1,k2,k3 分布パラメータ(第1,第2および第3の分布パラメータ)
103 Heat source model storage unit (parameter application process, parameter application unit)
104 Heat conduction analysis unit (analysis process, analysis unit)
105 Temperature distribution extraction unit (analysis process, analysis unit)
110
Claims (11)
優ガウス性分布パラメータおよび二重楕円パラメータを用いて表現される熱源モデルと、積層造形で用いる材料の物性値と、造形条件と、を用いて、積層造形物の造形中の温度分布を予測する解析部、を備える
ことを特徴とする積層造形物の解析装置。 It is an analysis device for laminated objects that predicts the temperature distribution during modeling of laminated objects by numerical analysis.
Predicting the temperature distribution during modeling of a laminated model using a heat source model expressed using a dominant Gaussian distribution parameter and a double ellipse parameter, physical property values of materials used in laminated modeling, and modeling conditions. An analysis device for laminated objects, characterized by having an analysis unit.
ことを特徴とする請求項1に記載の積層造形物の解析装置。 The analysis of the laminated model according to claim 1, wherein the dominant distribution parameter includes independent first, second, and third distribution parameters corresponding to each of the three-dimensional axial directions. Device.
ことを特徴とする請求項1に記載の積層造形物の解析装置。 The heat source model is expressed by the following mathematical formula (1).
ことを特徴とする請求項2に記載の積層造形物の解析装置。 The heat source model is expressed by the following mathematical formula (2).
前記造形条件は、造形時の熱源のエネルギーと、前記熱源の移動速度と、を含む、
ことを特徴とする請求項1ないし4の何れか一項に記載の積層造形物の解析装置。 The physical property values of the materials used in the laminated molding include at least one of thermal conductivity, specific heat, density and heat transfer coefficient.
The modeling conditions include the energy of the heat source at the time of modeling and the moving speed of the heat source.
The analysis device for a laminated model according to any one of claims 1 to 4, characterized in that.
優ガウス性分布パラメータと、二重楕円パラメータと、を設定するパラメータ付与工程と、
前記優ガウス性分布パラメータと、前記二重楕円パラメータと、を用いて表現される熱源モデルを用いて、積層造形物の造形中の温度分布を予測する解析工程と、を備える
ことを特徴とする積層造形物の解析方法。 It is an analysis method of a laminated model that predicts the temperature distribution during modeling of a laminated model by numerical analysis.
A parameter assignment process for setting the dominant distribution parameter and the bi-elliptic transfer parameter,
It is characterized by comprising an analysis step of predicting a temperature distribution during modeling of a laminated model using a heat source model expressed using the dominant Gaussian distribution parameter and the double ellipse parameter. Analysis method of laminated model.
ことを特徴とする請求項6記載の積層造形物の解析方法。 The method for analyzing a laminated model according to claim 6, wherein the dominant distribution parameter includes independent first, second, and third distribution parameters corresponding to each of the three-dimensional axial directions. ..
ことを特徴とする請求項6に記載の積層造形物の解析方法。 The heat source model is expressed by the following mathematical formula (1).
ことを特徴とする請求項7に記載の積層造形物の解析方法。 The heat source model is expressed by the following mathematical formula (2).
積層造形で用いる材料の物性値として、熱伝導率、比熱、密度および熱伝達係数のうち少なくとも一つを含み、
造形条件として、造形時の熱源のエネルギーと、熱源の移動速度と、を用いる
ことを特徴とする請求項6ないし9の何れか一項に記載の積層造形物の解析方法。 The analysis step is
The physical property values of the materials used in the laminated molding include at least one of thermal conductivity, specific heat, density and heat transfer coefficient.
The method for analyzing a laminated model according to any one of claims 6 to 9, wherein the energy of the heat source at the time of modeling and the moving speed of the heat source are used as the modeling conditions.
前記積層造形物の状態を計測する計測装置と、
請求項1ないし5の何れか一項に記載の積層造形物の解析装置と、を備え、
前記解析装置は、解析結果と、前記計測装置における計測結果との比較結果に基づいて、前記造形装置に対して積層造形条件を設定する造形制御部を有する
ことを特徴とする積層造形物の造形システム。 A modeling device that laminates and models laminated objects,
A measuring device that measures the state of the laminated model, and
The device for analyzing a laminated model according to any one of claims 1 to 5 is provided.
The analysis device is characterized by having a modeling control unit for setting laminated modeling conditions for the modeling device based on a comparison result between the analysis result and the measurement result of the measuring device. system.
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