JP2022188819A - 造形条件決定方法、プログラム、造形条件決定装置、金属構造物の製造方法、及び積層造形装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】過熱現象を抑制可能な造形条件決定方法を提供する。【解決手段】積層造形の対象となる、予め設計された金属構造物の、積層造形時の造形方向に垂直な方向への断面積又は前記造形方向への前記断面積の変化率の少なくとも一方の設計情報を決定する設計情報決定ステップＳ１と、金属構造物の形状、構成材料、又は積層造形装置の運転条件の少なくとも１つの造形条件に基づき、積層造形時の前記金属構造物に過熱を生じさせる温度である予測指標温度を予測する指標温度予測ステップＳ２と、前記断面積又は前記変化率の少なくとも一方であって前記積層造形時の前記金属構造物への過熱を抑制する目標条件を決定する目標条件決定ステップＳ３と、目標条件決定ステップＳ３で決定した前記目標条件になるように、前記設計情報を修正する設計情報修正ステップＳ４とを含む。【選択図】図１
Description
本開示は、造形条件決定方法、プログラム、造形条件決定装置、金属構造物の製造方法、及び積層造形装置に関する。
金属材料を用いた積層造形では、粉末床融結合方式、指向性エネルギ堆積方式等の各種方式が採用されており、金属材料を熱によって溶融及び結合することで造形する方式が一般的である。積層造形は数十～数百μｍ程度の厚さの層を重ねていくことにより、形状を造形する技術である。このとき、例えば粉末床融結合方式では、造形形状の断面を包含する領域に１層ごとに粉末の層を敷き詰め、造形形状に対応する箇所の粉末がレーザ等で溶融及び結合される。また、例えば指向性エネルギ堆積方式では、造形形状に対応する箇所に供給された粉末がレーザ等により溶融及び結合される。
積層造形に関する技術として、特許文献１の請求項１には「積層造形法により造形した構造物の強度予測方法であって、材料の走査方向、走査ピッチ、積層方向および積層ピッチのうち少なくとも１つを含む材料の積層方法を取得し、材料の積層方法による強度の異方性を考慮して前記構造物の強度を推定する、構造物の強度予測方法。」が記載されている。
積層造形時、金属粉末がレーザにより溶融及び凝固されるため、造形の進展に伴って金属構造物中に熱が蓄積する。熱の蓄積及び過剰なレーザにより過熱現象が発生した過大な溶融池の凝固時には、意図しない局所的な突起が発生し得る。局所的な突起は、造形中にも関わらず積層造形装置の停止を生じさせ得る。しかし、特許文献１に記載の技術では、このような過熱現象の検討は為されていない。
本開示が解決しようとする課題は、過熱現象を抑制可能な造形条件決定方法、プログラム、造形条件決定装置、金属構造物の製造方法、及び積層造形装置の提供である。
本開示が解決しようとする課題は、過熱現象を抑制可能な造形条件決定方法、プログラム、造形条件決定装置、金属構造物の製造方法、及び積層造形装置の提供である。
本開示の造形条件決定方法は、積層造形の対象となる金属構造物の形状、構成材料、又は積層造形装置の運転条件の少なくとも１つの造形条件に基づき、積層造形時の前記金属構造物に過熱を生じさせる温度である予測指標温度を予測する指標温度予測ステップと、前記積層造形時の造形方向に対する断面積又は変化率の少なくとも一方であって前記積層造形時の前記金属構造物への過熱を抑制する目標条件を決定する目標条件決定ステップと、を含む。その他の解決手段は発明を実施するための形態において後記する。
本開示によれば、過熱現象を抑制可能な造形条件決定方法、プログラム、造形条件決定装置、金属構造物の製造方法、及び積層造形装置を提供できる。
以下、図面を参照しながら本開示を実施するための形態（実施形態と称する）を説明する。以下の一の実施形態の説明の中で、適宜、一の実施形態に適用可能な別の実施形態の説明も行う。本開示は以下の一の実施形態に限られず、異なる実施形態同士を組み合わせたり、本開示の効果を著しく損なわない範囲で任意に変形したりできる。また、同じ部材については同じ符号を付すものとし、重複する説明は省略する。更に、同じ機能を有するものは同じ名称を付すものとする。図示の内容は、あくまで模式的なものであり、図示の都合上、本開示の効果を著しく損なわない範囲で実際の構成から変更したり、図面間で一部の部材の図示を省略したり変形したりすることがある。
図１は、本開示の造形条件決定方法及び金属構造体の製造方法を示すフローチャートである。造形条件決定方法は、設計情報決定ステップＳ１と、指標温度予測ステップＳ２と、目標条件決定ステップＳ３と、設計情報修正ステップＳ４とを含む。金属構造物１（図２）の製造方法は、設計情報決定ステップＳ１と、指標温度予測ステップＳ２と、目標条件決定ステップＳ３と、設計情報修正ステップＳ４と、更に積層造形ステップＳ５及びサポート部材除去工程Ｓ６を含む。
設計情報決定ステップＳ１は、積層造形の対象となる予め設計された金属構造物１の、積層造形時の造形方向に垂直な方向への断面積Ｓ又は造形方向への断面積Ｓの変化率δＳ／δｚの少なくとも一方の設計情報を決定するステップである。金属構造物１及び造形方向について、図２を参照して説明する。
図２は、積層造形時の金属構造物１を示す図である。造形可能な金属構造物１の構造は図示の例に限定されない。金属構造物１は、例えば粉末床融結合方式、指向性エネルギ堆積方式等の任意の積層造形技術によって製造できるが、本開示では粉末床融結合方式が例示される。粉末床融結合方式では、上記のように、ベースプレート１３の上に金属粉末が堆積される。そして、ベースプレート１３に近い方から遠い方に向かって、金属粉末の溶融及び凝固が繰り返されることで、所望の構造の金属構造物１が製造される。従って、図２において白抜き矢印で示す紙面上方向が、積層造形時の造形方向に相当する。
図１に戻って、予め設計された金属構造物１の設計情報は、例えば造形条件決定装置１００（図８）において造形対象となる金属構造物１の造形姿勢（形状）を定義することで、決定できる。
指標温度予測ステップＳ２は、金属構造物１の形状、構成材料、又は積層造形を実行する造形装置本体３０（図８）の運転条件の少なくとも１つの造形条件に基づき、積層造形時の金属構造物１に過熱を生じさせる温度である予測指標温度を予測するステップである。指標温度予測ステップＳ２によって予測指標温度を予測でき、予測指標温度よりも高温で生じる亀裂発生を抑制可能な目標過熱温度（後記）を決定できる。ここでいう過熱は、例えば過剰なレーザ光により、予測指標温度を超えた温度にまで加熱された状態をいう。
造形条件のうち、例えば金属構造物１の構成材料は、例えば金属の種類、組成等である。また、造形装置本体３０の運転条件は、例えば、造形装置本体３０に備えられる熱源（レーザ等照射装置）の出力、レーザ移動速度、予熱温度等である。
指標温度予測ステップＳ２では、例えば、上記造形条件に基づく伝熱解析により上記予測指標温度が予測される。伝熱解析により、金属構造物１の表面及び内部において微細領域（メッシュ）のそれぞれについて予測指標温度を予測できる。これにより、金属構造物１の全体について予測指標温度を決定でき、過熱が発生する箇所を予測できる。
造形条件は、ユーザによる入力値、又は、金属構造物１の構成材料に対応して予め記録されたデータベース（造形条件ＤＢ２７（図８）に相当）の記録値の何れかの値である。これらの値を使用することで、造形条件に基づく伝熱解析を実行できる。
目標条件決定ステップＳ３は、積層造形時の造形方向に垂直な方向への断面積Ｓ又は造形方向への断面積Ｓの変化率δＳ／δｚの少なくとも一方であって、積層造形時の金属構造物１への過熱を抑制する目標条件を決定するステップである。目標条件決定ステップＳ３により、積層造形時の金属構造物への過熱を抑制可能な断面積Ｓ又は変化率δＳ／δｚの少なくとも一方である目標条件を決定できる。ここでいう「過熱を抑制」は、過熱を全く生じさせないという限定的な意味に限られず、凝固時に局所的な突起を発生させない大きさの溶融池を発生させる程度にまで、過熱現象を緩和させるという意味である。具体的には例えば、後記の目標過熱温度以下での過熱は許容する意味である。
詳細は後記するが、断面積Ｓ又は変化率δＳ／δｚを制御することで、積層造形時に与えられる熱を、金属構造物１の造形済みの部分を伝熱経路として、ベースプレート１３（図２）に逃がすことができる。これにより、金属構造物１の過熱を抑制し、過熱に起因する過大な溶融池の発生を抑制できる。このため、凝固時に意図しない局所的な突起の発生を抑制できる。
目標条件決定ステップＳ３では、積層造形時の金属構造物１に過熱を生じさせ、かつ、金属構造物１に亀裂を生じさせる温度である目標過熱温度に基づき、目標条件が決定される。上記設計情報決定ステップＳ１で決定された設計情報を有する構造では、金属構造物１の少なくとも一部に過熱が生じ、凝固時に意図しない局所的な突起が発生する場合がある。そして、突起の発生により、金属構造物１に亀裂（ワレ、ひび等）が生じ得る。そこで、金属構造物１の全体において目標過熱温度以下で加熱できるように、上記設計情報が修正される。これにより、凝固時に局所的な突起発生を抑制できるとともに、亀裂発生を抑制できる。
目標過熱温度は、ユーザによる入力値、又は、金属構造物１の構成材料に対応して予め記録されたデータベース（目標過熱温度ＤＢ２８（図８）に相当）での記録値の何れかの値である。これらの値を使用することで、目標過熱温度を決定できる。目標過熱温度は例えば実験により決定でき、例えばユーザは実験により把握した値を入力してもよいし、実験により得られた実験値をデータベースに記録してもよい。
目標過熱温度に基づく目標条件の決定方法を説明する。金属構造物１の最上面（最も温度が高い部分）での温度をＴ、時間をｔ、造形方向に対する高さ（造形高さ。ベースプレート１３（図２）からの高さ）をＺ、熱拡散率をα、造形方向に垂直な方向への断面積をＳとすると、これらは、次の式（１）に示す移流拡散方程式に従う。
従って、過熱現象は、材料特性の観点からは熱拡散率αに、造形形状の観点からは、造形方向に垂直な方向への断面積Ｓ、及び、断面積Ｓの高さ方向への変化率δＳ／δｚに依存する。これらのうち、熱拡散率αは金属構造物１の構成材料により決定される。このため、金属構造物１の形状を以下のようにすることで過熱現象を抑制（緩和）できる。例えば、変化率δＳ／δｚ≦０の場合には、変化率δＳ／δｚを小さくする（緩やかに変化させる）、又は、断面積Ｓを小さくする、の少なくとも一方の条件を満たせばよい。一方で、変化率δＳ／δｚ＞０の場合には、変化率δＳ／δｚを小さくする、又は、断面積Ｓを大きくする、の少なくとも一方の条件を満たせばよい。
また、金属構造物１の体積が最小となり、かつ、過熱温度が最小となる条件は、ラグランジュの未定乗数法に基づき最小値を求めると、以下の式（２）で表される。ここで、ｋは定数である。
αは上記のように構成材料により決定され、ｋは定数である。従って、式（２）に示すように、上記目標条件として、金属構造物１０の形状を、断面積Ｓが高さＺに反比例する形状にすれば、特に効率的に過熱現象を緩和できる。
目標条件決定ステップＳ３では、目標過熱温度と、目標過熱温度と目標条件（断面積Ｓ又は変化率δＳ／δｚの少なくとも一方）とを関連付けた所定関係とに基づき、目標条件を決定する。これにより、目標過熱温度に基づき、目標条件を決定できる。例えば、上記データベース（目標過熱温度ＤＢ２８（図８）に相当）に基づき、金属構造物１の構成材料から目標過熱温度が決定される。そして、決定された目標過熱温度と、当該所定関係とに基づき、目標条件を決定できる。
所定関係は、数式、表、グラフ等であり、具体的な形式に制限はない。例えば所定関係が数式であれば、例えば式（１）又は式（２）を利用できる。また、所定関係が表であれば、目標過熱温度と目標条件とを関連付けた表を利用できる。
所定関係は、例えば、造形方向の高さＺが高いほど断面積Ｓが小さくなる関係である。この関係は、具体的には例えば、例えば断面積Ｓが高さＺに反比例する構造に対応する関係である。また、所定関係は、造形方向で所定高さまでは造形方向の高さＺが高いほど断面積Ｓが小さくなるが、所定高さ以上では造形方向に寄らず同じ断面積Ｓを有する関係である。この関係は、具体的には例えば、所定高さまでは造形方向に幅広となるがそれ以上は同じ幅となる台形に対応する関係である。
図３Ａは、本開示の金属構造物１，１０の分解斜視図である。本開示の金属構造物１，１０は積層造形により形成される。詳細は後記するが、金属構造物１は予め設計された造形対象物であるが、設計情報の修正により、積層造形時には、金属構造物１０が積層造形される。積層造形後、金属構造物１０を構成するサポート２が除去されることで、金属構造物１を製造できる。
図３Ａに示す金属構造物１の例では、造形方向（＋ｚ方向）に垂直な方向（レーザの照射方向。ｘｙ平面内の方向）への断面積Ｓは、造形方向に対して所定位置までは徐々に大きくなり、所定位置よりも上方では一定である。また、変化率δＳ／δｚは、造形方向に対して所定位置までは正であるが、所定位置よりも上方では０である。
金属構造物１は、造形方向（＋ｚ方向）とは反対方向（下方）に窄まる部分１ａを有する。例えば伝熱解析の結果、部分１ａの例えば縁の部分に熱が溜まり易く、過熱が生じ易いと判断されたと仮定する。この場合、部分１ａでは、造形方向への断面積Ｓの高さ方向の変化率δＳ／δｚは正である。従って、少なくとも部分１ａで例えば断面積Ｓを大きくすることで熱を逃がし、過熱を抑制できる。
そこで、最終産物である金属構造物１の造形時、造形方向（ｚ方向）に垂直な方向（ｘｙ方向）の断面積Ｓを大きくするサポート部材２を金属構造物１に付与した金属構造物１０が積層造形される。サポート部材２は、図示の例では正面視（図３Ｃ）で矩形の板状である。そして、金属構造物１０の積層造形を行った後、造形した金属構造物１０からサポート部材２を除去することで、金属構造物１を造形できる。除去は、例えば任意の工具を使用して実行できる。
図３Ｂは、本開示の金属構造物１，１０の側面図である。角度θ１は後記する。金属構造物１のｘ方向長さは例えば２２ｍｍである。金属構造物１及びサポート部材２の造形方向の高さは例えば１００ｍｍ、部分１ａの、金属構造物１の下端からの高さは例えば３０ｍｍである。金属構造物１の下端からの高さが３０ｍｍの部分が、上記「所定関係」で説明した「所定高さ」に相当する。また、サポート部材２の厚さは例えば１ｍｍである。
図３Ｃは、本開示の金属構造物１，１０の正面図である。サポート部材２のｙ方向の長さ（幅）は例えば１０ｍｍである。
図４は、別の実施形態に係る金属構造物１，１１の正面図である。図４に示す例では、少なくとも部分１ａでの断面積Ｓを大きくするとともに、変化率δＳ／δｚを小さくするように、サポート部材３が付与される。サポート部材３の下端におけるｙ方向の幅は１０ｍｍである。サポート部材３は、図示は省略するがサポート部材２（図３Ｂ）と同じ板状を有する。しかし、サポート部材３は、造形方向（＋ｚ方向）に窄まる直角三角形状を有する。このように窄まる形状を有することで、図３Ａ～図３Ｃと比べて、サポート部材３を構成する金属材料の使用量及び造形時間を削減できる。
サポート部材３の窄まり方を示す角度θ２は、部分１ａの角度θ１（図３Ｂ）よりも大きくなっており、これにより、変化率δＳ／δｚを小さく（即ち変化を緩やかに）できる。なお、サポート部材３は、造形方向に高いほど、断面積Ｓが小さくなる形状を有する。
図５は、別の実施形態に係る金属構造物１，１２の正面図である。図４に示す例では、部分１ａでの断面積Ｓを大きくするとともに、変化率δＳ／δｚを小さくするように、サポート部材４が付与される。サポート部材４は、図示は省略するがサポート部材２（図３Ｂ）と同じ板状を有する。また、サポート部材４は、サポート部材３（図４）と同様に、造形方向に窄まる形状を有する。しかし、サポート部材４は、サポート部材３とは異なり、斜辺に放物線形状を有する略直角三角形状を有する。これにより、金属構造物１０は、造形方向への断面積Ｓが高さＺに反比例する形状を有する。
図６は、実施例１～３及び比較例１の積層造形時の高さ方向各位置での温度変化を示すグラフである。実施例１は図３Ａ～図３Ｃに示す構造、実施例２は図４に示す構造、実施例３は図５に示す構造、比較例１は、サポート部材２～４の何れも付与しない金属構造物１のみである。横軸は、金属構造物１の下端（ベースプレート１３（図２））からの高さ位置である。
実施例１では、比較例１と比較して全体的に降温でき、特に、過熱が生じ易い部分１ａ（図３Ａ）に対応する初期の過熱（３０ｍｍ以下）を抑制できた。一方で、断面積Ｓが高さ方向に減少する実施例２及び３では、造形中盤以降（高さ３０ｍｍ移行）でも過熱抑制効果を有した。特に、実施例３では、１００ｍｍ造形時でも８０℃の温度上昇に抑えられた。従って、実施例３の温度上昇幅（８０℃から初期温度２５℃を減じた値）は、比較例１の温度上昇幅（１４０℃から初期温度２５℃を減じた値）の半分以下に低減でき、大きな放熱促進、即ち過熱抑制効果を示すことが確認できた。
例えば、伝熱解析の結果、金属構造物１の予測指標温度（最も高い部分）が１３０℃であったと仮定する。この場合、図６に示すように、高さ９０ｍｍ以上で温度Ｔが１３０℃を超えるため過熱が生じ、局所的な突起、亀裂等の発生の可能性がある。そこで、目標過熱温度を例えば１３０℃に決定し、積層造形時の温度を目標過熱温度以下（１３０℃以下）にできる目標条件を決定するサポート部材２～４が金属構造物１に付与される。これにより、実施例１～３では予測指標温度（温度Ｔ）を低下でき、０ｍｍ～１００ｍｍの全域において１３０℃以下にでき、過熱現象に起因する局所的な突起、亀裂等の発生を抑制できる。
図１に戻って、設計情報修正ステップＳ４は、目標条件決定ステップＳ３で決定した目標条件になるように、予め設計された金属構造物１の設計情報を修正するステップである。設計情報修正ステップＳ４により、単に積層造形すれば過熱によって突起、亀裂等の発生が予測される場合でも、過熱緩和によりこれらの発生を抑制できる。
設計情報修正ステップＳ４では、予め設計された金属構造物１の設計情報（断面積Ｓ又は変化率δＳ／δｚの少なくとも一方）に対し、目標条件決定ステップＳ３で決定した目標条件になるような断面積Ｓ又は変化率δＳ／δｚの少なくとも一方が付与される。これにより、予め設計された金属構造物１の設計情報が修正され、過熱を抑制しながら積層造形できる。
修正は、具体的には例えば、上記図３Ａ～図５を参照して説明したように、金属構造物１を造形したい場合に、例えばサポート部材２～４の付与により金属構造物１０を中間体として造形するように行われる。
上記付与は、金属構造物１０を上記目標条件にするための断面積Ｓ又は変化率δＳ／δｚの少なくとも一方を有するサポート部材２～４を、予め設計された金属構造物１と一体造形するように設計情報を修正することにより行われる。これにより、過熱現象を抑制した状態で、金属構造物１を備える金属構造物１０を造形でき、最終的に金属構造物１を製造できる。具体的には例えば、上記図５に示すように、例えば金属構造物１０での断面積Ｓが高さＺに反比例するように、金属構造物１の断面積Ｓの不足分を補うサポート部材４を付与すればよい。
図７は、別の実施形態における設計情報の修正方法を説明する図である。上記図２Ａ～図５に示す例では、金属構造物１とサポート部材２～４とは一体造形される。しかし、図７に示す例では、金属構造物１とサポート部材２～４とは別体に造形される。即ち、上記の付与は、予め設計された金属構造物１に伝熱可能かつ非接触に造形されるサポート部材５の付与により行われる。サポート部材５は、金属構造物１０を上記目標条件にするための断面積Ｓ又は変化率δＳ／δｚの少なくとも一方を有する。このような付与により、直接金属構造物１を造形でき、サポート部材２～４とは異なりサポート部材除去工程Ｓ６（図１）を省略できる。
図７に示す例では、設計情報修正ステップＳ４（図１）は次のようにして実行できる。まず、サポート部材２～４（図３Ａ～図５）と同様にして、サポート部材５の形状（目標条件にするための断面積Ｓ又は変化率δＳ／δｚ）が決定される。次いで、造形対象である金属構造物１に近接して、サポート部材５を同時に造形するように金属構造物１の設計情報が修正される。ここでいう同時には、金属構造物１の１層目造形の次にサポート部材５の１層目を造形し、以降はこれらの造形を繰り返すことをいう。また、ここでいう近接は、金属構造物１に非接触で、かつ伝熱可能な距離であれば制限されない。例えば、サポート部材５は、金属構造物１の構成材料である例えば金属の粒子１４が例えば１個以上１０個以下、好ましくは５個以下配置可能な距離で金属構造物１から離して造形できる。伝熱促進の観点から、金属構造物１とサポート部材５との間には金属の粒子１４が存在する状態で金属構造物１及びサポート部材５を造形することが好ましい。これにより、粒子１４を介して放熱できる。
図７に示す例の積層造形は、粉末床融結合方式、指向性エネルギ堆積方式等の任意の方式を採用できるが、積層のし易さの観点から、粉末床融結合方式であることが好ましい。
図１に戻って、積層造形ステップＳ５は、目標条件決定ステップＳ３で決定した目標情報になるように、金属構造物１を積層造形するステップである。図示の例では、設計情報修正ステップＳ４で修正された設計情報に基づいて、積層造形が行われる。積層造形ステップＳ５により、金属構造物１を積層造形できる。
積層造形を実行する積層造形装置の具体的に構成は特に制限されず、積層造形の運転条件（熱源（レーザ等照射装置）の出力、レーザ移動速度、予熱温度等）を制御可能な任意の装置を使用できる。積層造形は、例えば、積層造形を実行する造形装置本体３０により実行できる。
サポート部材除去工程Ｓ６は、積層造形ステップＳ５の後に行われ、サポート部材２～４を金属構造物１と一体造形された金属構造物１０から除去する工程である。サポート部材除去工程Ｓ６は、サポート部材５（図７）を使用した場合には省略できる。サポート部材除去工程Ｓ６により、金属構造物１を製造できる。
図８は、本開示の造形条件決定装置１００及び積層造形装置２００を示すブロック図である。造形条件決定装置１００は、入力部２１と、設計情報決定部２２と、指標温度予測部２３と、目標条件決定部２４と、設計情報修正部２５と、出力部２６と、造形条件ＤＢ２７と、目標過熱温度ＤＢ２８とを備える。ＤＢは、データベースの略である。
造形条件決定装置１００は、何れも図示はしないが、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等を備えて構成される。造形条件決定装置１００は、ＲＯＭに格納されている所定のプログラム（制御プログラム）がＲＡＭに展開され、ＣＰＵによって実行されることにより具現化される。ここでいうプログラムは、コンピュータに上記の造形条件決定方法を実行させるためのものである。
積層造形装置２００は、入力装置３１と、表示装置３２と、造形条件決定装置１００と、積層造形を実行する造形装置本体３０とを備える。造形条件決定装置１００は、入力装置３１による入力条件に基づき、造形装置本体３０での金属構造物１（図２Ａ）の造形条件を決定するものである。
入力部２１は、入力装置３１（例えばキーボード、マウス等）を通じて入力された、積層造形条件を生成するために必要な情報を受け付けるものである。必要な条件は、例えば、金属構造物の形状、構成材料、又は積層造形装置の運転条件、サポート部材２～５の形状等を含む。
図９は、入力部２１への情報を入力する入力画面２１１の一例である。入力画面２１１は、金属構造物１の形状及び姿勢を指定する欄２２０を備える。欄２２０では、サポート部材２～５の初期形状として既存形状を参照するか、又は、金属構造物１の姿勢として指定した姿勢から生成できる。また、入力画面２１１は、造形装置本体３０及び構成材料を選択する欄２２１を有する。造形装置本体３０及び構成材料は、既存の造形装置本体３０及び構成材料を選択してもよいし、新規の造形装置本体３０及び構成材料の場合には追加ボタン２２２の押下により、必要な情報を入力して使用できる。
入力画面２１１は、目標過熱温度を設定する設定画面ウィンドウを開く目標過熱温度ボタン２２３を備える。入力画面２１１は、温度指標予測部２３（図８）を起動させる予測温度指標算出ボタン２２４を備える。入力画面２１１は、設計情報修正部２５（図８）を起動させる造形条件修正ボタン２２５を備える。入力画面２１１は、解析結果及び最適結果を表示画面ウィンドウで確認する以外に、外部に出力したい場合に、ファイル保存場所を指定する欄２２６を備える。
図８に戻って、設計情報決定部２２は、積層造形の対象となる予め設計された金属構造物１（図３Ａ）の、断面積Ｓ又は変化率δＳ／δｚの少なくとも一方の設計情報を決定するものである。設計情報決定部２２は、設計情報決定ステップＳ１（図１）を実行する。
指標温度予測部２３は、金属構造物１の形状、構成材料、又は造形装置本体３０の運転条件の少なくとも１つの造形条件に基づき、積層造形時の金属構造物１に過熱を生じさせる温度である予測指標温度を予測するものである。予測は、例えば、入力装置３１による入力条件、又は、造形条件ＤＢ２７の少なくとも一方に基づき、行われる。指標温度予測部２３は、指標温度予測ステップＳ２（図１）を実行する。
目標条件決定部２４は、断面積Ｓ又は変化率δＳ／δｚの少なくとも一方であって積層造形時の金属構造物１への過熱を抑制する目標条件を決定するものである。決定は、例えば、入力装置３１による入力条件、又は、目標過熱温度ＤＢ２８の少なくとも一方に基づき、行われる。目標条件決定部２４は、目標条件決定ステップＳ３（図１）を実行する。
設計情報修正部２５は、目標条件決定部２４で決定した目標条件になるように、金属構造物１の設計情報を修正するものである。修正は、金属構造物１に対し、例えばサポート部材２～５の付与により行われる。設計情報修正部２５は、設計情報修正ステップＳ４（図１）を実行する。
出力部２６は、修正された設計情報を、造形装置本体３０及び表示装置３２（ディスプレイ等）（何れか一方のみでもよい）に出力するものである。造形装置本体３０は、上記のように、入力された設計情報に基づいて、金属構造物１，１０の造形を行う。
以上の造形条件決定方法、プログラム、造形条件決定装置１００、金属構造物１の製造方法、及び積層造形装置２００によれば、金属構造物１の積層造形時に過熱現象を抑制できる。これにより、過熱現象に起因する凝固時の局所的な突起の発生を抑制でき、積層造形装置の意図しない停止を抑制できる。このため、積層造形装置を連続的に使用でき、造形効率を向上できる。また、過熱現象の抑制により、過熱に起因する亀裂の発生を抑制できる。これにより、耐久性等の信頼性に優れた金属構造物１を製造できる。
特に、金属構造物１の構成材料としてオーステナイト系ステンレス鋼、ニッケル基合金等の熱伝導率が小さな金属材料を使用した場合、過熱現象が発生し易い。そこで、本開示の例えば造形条件決定方法を使用することで、過熱現象を抑制できる。
１ 金属構造物
１０ 金属構造物
１００ 造形条件決定装置
１１ 金属構造物
１２ 金属構造物
１３ ベースプレート
１ａ 部分
２ サポート部材
２００ 積層造形装置
２１ 入力部
２１１ 入力画面
２２ 設計情報決定部
２３ 指標温度予測部
２４ 目標条件決定部
２５ 設計情報修正部
２６ 出力部
２７ 造形条件ＤＢ
２８ 目標過熱温度ＤＢ
３ サポート部材
３０ 造形装置本体
３１ 入力装置
３２ 表示装置
４ サポート部材
５ サポート部材
Ｓ１ 設計情報決定ステップ
Ｓ２ 指標温度予測ステップ
Ｓ３ 目標条件決定ステップ
Ｓ４ 設計情報修正ステップ
Ｓ５ 積層造形ステップ
Ｓ６ サポート部材除去工程
１０ 金属構造物
１００ 造形条件決定装置
１１ 金属構造物
１２ 金属構造物
１３ ベースプレート
１ａ 部分
２ サポート部材
２００ 積層造形装置
２１ 入力部
２１１ 入力画面
２２ 設計情報決定部
２３ 指標温度予測部
２４ 目標条件決定部
２５ 設計情報修正部
２６ 出力部
２７ 造形条件ＤＢ
２８ 目標過熱温度ＤＢ
３ サポート部材
３０ 造形装置本体
３１ 入力装置
３２ 表示装置
４ サポート部材
５ サポート部材
Ｓ１ 設計情報決定ステップ
Ｓ２ 指標温度予測ステップ
Ｓ３ 目標条件決定ステップ
Ｓ４ 設計情報修正ステップ
Ｓ５ 積層造形ステップ
Ｓ６ サポート部材除去工程
Claims (17)
- 積層造形の対象となる金属構造物の形状、構成材料、又は積層造形を実行する装置の運転条件の少なくとも１つの造形条件に基づき、積層造形時の前記金属構造物に過熱を生じさせる温度である予測指標温度を予測する指標温度予測ステップと、
前記積層造形時の造形方向に垂直な方向への断面積又は前記造形方向への前記断面積の変化率の少なくとも一方であって前記積層造形時の前記金属構造物への過熱を抑制する目標条件を決定する目標条件決定ステップと、を含む
ことを特徴とする造形条件決定方法。 - 予め設計された前記金属構造物の、前記断面積又は前記変化率の少なくとも一方の設計情報を決定する設計情報決定ステップと、
前記目標条件決定ステップで決定した前記目標条件になるように、前記設計情報を修正する設計情報修正ステップと、を含む
ことを特徴とする請求項１に記載の造形条件決定方法。 - 前記指標温度予測ステップでは、前記造形条件に基づく伝熱解析により前記予測指標温度を予測する
ことを特徴とする請求項１に記載の造形条件決定方法。 - 前記造形条件は、ユーザによる入力値、又は、前記金属構造物の構成材料に対応して予め記録されたデータベースの記録値の何れかの値である
ことを特徴とする請求項３に記載の造形条件決定方法。 - 前記目標条件決定ステップでは、積層造形時の前記金属構造物に過熱を生じさせ、かつ、前記金属構造物に亀裂を生じさせる温度である目標過熱温度に基づき、前記目標条件を決定する
ことを特徴とする請求項１に記載の造形条件決定方法。 - 前記目標過熱温度は、ユーザによる入力値、又は、前記金属構造物の構成材料に対応して予め記録されたデータベースでの記録値の何れかの値である
ことを特徴とする請求項５に記載の造形条件決定方法。 - 前記目標条件決定ステップでは、前記目標過熱温度と、前記目標過熱温度と前記目標条件とを関連付けた所定関係とに基づき、前記目標条件を決定する
ことを特徴とする請求項５に記載の造形条件決定方法。 - 前記所定関係は、前記造形方向の高さが高いほど前記断面積が小さくなる関係である
ことを特徴とする請求項７に記載の造形条件決定方法。 - 前記所定関係は、前記造形方向で所定高さまでは前記造形方向の高さが高いほど前記断面積が小さくなるが、前記所定高さ以上では前記造形方向に寄らず同じ断面積を有する関係である
ことを特徴とする請求項７に記載の造形条件決定方法。 - 前記設計情報修正ステップでは、前記予め設計された前記金属構造物の前記設計情報に対し、前記目標条件決定ステップで決定した前記目標条件になるような前記断面積又は前記変化率の少なくとも一方の付与により、前記予め設計された金属構造物の設計情報を修正する
ことを特徴とする請求項２記載の造形条件決定方法。 - 前記付与は、前記目標条件にするための前記断面積又は前記変化率の少なくとも一方を有するサポート部材を、前記予め設計された前記金属構造物と一体造形するように前記設計情報を修正することにより行われる
ことを特徴とする請求項１０に記載の造形条件決定方法。 - 前記付与は、前記目標条件にするための前記断面積又は前記変化率の少なくとも一方を有し、前記予め設計された前記金属構造物に伝熱可能かつ非接触に造形されるサポート部材の付与により行われる
ことを特徴とする請求項１０に記載の造形条件決定方法。 - コンピュータに、
積層造形の対象となる金属構造物の形状、構成材料、又は積層造形を実行する装置の運転条件の少なくとも１つの造形条件に基づき、積層造形時の前記金属構造物に過熱を生じさせる温度である予測指標温度を予測する指標温度予測ステップと、
前記積層造形時の造形方向に垂直な方向への断面積又は前記造形方向への前記断面積の変化率の少なくとも一方であって前記積層造形時の前記金属構造物への過熱を抑制する目標条件を決定する目標条件決定ステップと、を含む
造形条件決定方法を実行させるためのプログラム。 - 積層造形の対象となる金属構造物の形状、構成材料、又は積層造形を実行する装置の運転条件の少なくとも１つの造形条件に基づき、積層造形時の前記金属構造物に過熱を生じさせる温度である予測指標温度を予測する温度指標予測部と、
前記積層造形時の造形方向に垂直な方向への断面積又は前記造形方向への前記断面積の変化率の少なくとも一方であって前記積層造形時の前記金属構造物への過熱を抑制する目標条件を決定する目標条件決定部と、を備える
ことを特徴とする造形条件決定装置。 - 積層造形の対象となる金属構造物の形状、構成材料、又は積層造形を実行する装置の運転条件の少なくとも１つの造形条件に基づき、積層造形時の前記金属構造物に過熱を生じさせる温度である予測指標温度を予測する指標温度予測ステップと、
前記積層造形時の造形方向に垂直な方向への断面積又は前記造形方向への前記断面積の変化率の少なくとも一方であって前記積層造形時の前記金属構造物への過熱を抑制する目標条件を決定する目標条件決定ステップと、
前記目標条件決定ステップで決定した目標情報になるように、前記金属構造物を積層造形する積層造形ステップと、を含む
ことを特徴とする金属構造物の製造方法。 - 予め設計された前記金属構造物の、前記断面積又は前記変化率の少なくとも一方の設計情報を決定する設計情報決定ステップと、
前記目標条件決定ステップで決定した前記目標条件になるように、前記金属構造物を前記目標条件にするための前記断面積又は前記変化率の少なくとも一方を有するサポート部材を、前記予め設計された前記金属構造物と一体造形するように前記設計情報を修正する設計情報修正ステップと、
前記積層造形ステップの後に行われ、前記サポート部材を、積層造形された金属構造物から除去するサポート部材除去ステップを含む
ことを特徴とする請求項１５に記載の金属構造物の製造方法。 - 積層造形を実行する造形装置本体と、
前記造形装置本体での金属構造物の造形条件を決定する造形条件決定装置と、を備え、
前記造形条件決定装置は、
積層造形の対象となる金属構造物の形状、構成材料、又は積層造形を実行する装置の運転条件の少なくとも１つの造形条件に基づき、積層造形時の前記金属構造物に過熱を生じさせる温度である予測指標温度を予測する温度指標予測部と、
前記積層造形時の造形方向に垂直な方向への断面積又は前記造形方向への前記断面積の変化率の少なくとも一方であって前記積層造形時の前記金属構造物への過熱を抑制する目標条件を決定する目標条件決定部と、を備える
ことを特徴とする積層造形装置。
Priority Applications (2)
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|---|---|---|---|
| JP2021097043A JP2022188819A (ja) | 2021-06-10 | 2021-06-10 | 造形条件決定方法、プログラム、造形条件決定装置、金属構造物の製造方法、及び積層造形装置 |
| PCT/JP2022/015883 WO2022259728A1 (ja) | 2021-06-10 | 2022-03-30 | 造形条件決定方法、プログラム、造形条件決定装置、金属構造物の製造方法、及び積層造形装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2021097043A JP2022188819A (ja) | 2021-06-10 | 2021-06-10 | 造形条件決定方法、プログラム、造形条件決定装置、金属構造物の製造方法、及び積層造形装置 |
Publications (1)
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|---|---|
| JP2022188819A true JP2022188819A (ja) | 2022-12-22 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2021097043A Pending JP2022188819A (ja) | 2021-06-10 | 2021-06-10 | 造形条件決定方法、プログラム、造形条件決定装置、金属構造物の製造方法、及び積層造形装置 |
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| US10821551B2 (en) * | 2018-01-26 | 2020-11-03 | General Electronic Company | Systems and methods for dynamic shaping of laser beam profiles in additive manufacturing |
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