JP7312601B2 - 積層造形条件生成方法、積層造形支援ソフトウエアおよび積層造形支援システム - Google Patents

Description

本発明は、構造物の目標特性から積層造形条件を生成する積層造形条件生成方法、積層造形支援ソフトウエアおよび積層造形支援システムに関する。

金属材料を用いた積層造形は、粉末床溶融結合方式、指向性エネルギー堆積方式などの各種方式が採用されており、材料を熱によって溶融・結合することで造形する方式が一般的である。この積層造形は数十～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、粉末床溶融結合方式では、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、造形形状がある箇所をレーザなどで溶融・結合する。また、指向性エネルギー堆積方式では、造形形状がある箇所に粉末を供給してレーザなどで溶融・結合する。

しかし、いずれの方式でも、材料を溶融させ、凝固することにより形状を積み上げていく中、造形条件および構造物形状により、溶融・凝固状態および積層時繰り返しの熱影響が変化し、材料特性に影響を及ぼす。そのため、複雑な構造物を要求された材料物性を満たすためには、造形前の事前検討として構造物の材料特性を予測し、所要の特性を満たすように造形条件および造形形状を工夫することが重要である。

積層造形により造形した構造物の材料特性予測方法として、特許文献１には、積層方法に基づき、密度／ヤング率／ポアソン比など材料物性を推定し、構造物の強度を予測する方法が記載されている。また、特許文献２には構築材料の材料特性から構造物を作成するための制御データを生成する技術が記載されている。

一方、指定材料において、所要特性から、サポートと表面以外の領域では一定な造形条件を利用しているため、特定領域において局所形状により温度履歴が変化し、所要特性を満たさない可能性がある。また、局所的に造形条件を変化した場合、周囲への熱影響が変化し、周囲領域の材料特性に影響を及ぼすことを考慮していない。

特開２０１７－１７７４６２号公報 特開２０１８－１３４８６６号公報

前記で述べたように、構造物の所要特性を達成するため、積層造形方法（走査方向、走査ピッチ、積層ピッチなど）を制御する必要がある。一方、構造物の材料特性は温度に依存し、構造物の温度履歴は局所的な形状により異なる。構造物の局所領域において積層造形条件を変更した場合、変更領域の周囲でも熱影響により温度履歴が異なり、予想した所要特性を得ることができない可能性がある。

また、造形物全体を対象に材料特性の差異を再現できるような微細なメッシュおよび計算時間刻みで、繰り返し伝熱解析により最適造形条件を求めると、ステップ数が膨大になりやすく、計算時間が長くなることが課題である。

そこで、本発明の目的は、前記の従来問題を考慮し、局所領域における造形条件の変更が周囲領域の熱影響を考慮した上で、構造物の複数領域に所要特性を実現可能な積層造形条件を生成する積層造形条件生成方法、積層造形支援ソフトウエアおよび積層造形支援システムを提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明の積層造形条件生成方法は、金属の構造物を積層造形する際の造形条件を生成する積層造形条件生成方法であって、同じ目標特性を有する部分を一つの領域とし、前記構造物の各領域における目標特性から目標温度指標を算出する目標温度指標算出ステップと、前記構造物の形状、材料、造形条件から各領域の予測温度指標を算出する予測温度指標算出ステップと、前記目標温度指標と前記予測温度指標との差が許容範囲以内であるか否かを評価する評価ステップと、前記評価ステップで差が許容範囲外である場合、前記造形条件を修正する造形条件修正ステップとを有し、前記造形条件修正ステップにおいて、前記目標温度指標と前記予測温度指標の差が許容範囲内の領域では造形条件を保持し、許容範囲外の領域では前記造形条件を修正し、修正した領域およびそれに隣接する領域に対して伝熱解析を実施し、前記修正した領域および前記隣接する領域の予測温度指標を計算し、これらの領域の境界における予測温度指標が、前記造形条件の修正前の予測温度指標と一致するかを判定し、一致しない場合は、前記修正した領域を拡大し、前記許容範囲外の領域での前記目標温度指標と前記予測温度指標の差が許容範囲以内になるまで、前記予測温度指標算出ステップおよび前記評価ステップを繰り返すことを特徴とする。本発明のその他の態様については、後記する実施形態において説明する。

本発明によれば、局所領域における造形条件の変更が周囲領域の熱影響を考慮した上で、構造物の複数領域に所要特性を実現可能な積層造形条件を提供することが可能となる。

本実施形態に係る積層造形条件生成方法の目標特性設定例を示す図である。 本実施形態に係る積層造形条件生成方法の処理を示す流れ図である。 本実施形態に係る造形条件修正方法の処理を示す流れ図である。 本実施形態に係る修正区の造形条件修正の処理を示す流れ図である。 構造物上の上面を示す図である。 造形条件修正での確定区と修正区を示す図である。 造形条件修正でのバッファ区を示す図である。 本実施形態に係る積層造形支援システムの構成図である。 本実施形態に係る積層造形支援システムの入力画面を示す図である。 本実施形態に係る目標特性設定機能の入力画面を示す図である。 本実施形態に係る子領域設定画面を示す図である。 本実施形態に係る目標温度指標範囲の出力形式の一例を示す図である。

以下、本発明の積層造形条件生成方法について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本実施形態に係る積層造形生成方法の目標特性設定例を示す図である。図１では単純化した棒状構造物（例えば、制御棒）で説明する。内部領域を説明しやすくするため、一部をケーキカットしたものを示す。また、積層造形する際、造形装置は、一層０．０２～０．０４ｍｍの厚みに堆積された粉末材料をレーザ照射し、溶融凝固により固体に造形する。ここでは、棒状構造物の底面、中心面、上面の断面を右側で示す。ここでは、同じ目標特性を有する部分を一つの「領域」と定義する。

分散強化型オーステナイト鋼を構築材料とし、プラント用部品の一部を積層造形する場合、表面領域Ｒ１では耐食性が要求され、フェライト相による脆化を防ぐため、フェライト相率を低減する必要がある。一方、３Ｄ造形（３次元造形）エリア制限により一部造形する場合、接合領域Ｒ２において溶接性を満たすため、数％のフェライト相が必要となる。

また、その他領域Ｒ３に対しては機械的強度が要求されるため、低い欠陥率、微細なかつ等軸晶の結晶粒および均一に分散した析出物が望まれる。

図２は、本実施形態に係る積層造形条件生成の処理を示す流れ図である。
ステップＳ１：処理装置は、設定された目標特性から目標温度指標Ｉ_目標を算出する。前記の温度指標は最高到達温度、温度勾配、冷却速度、凝固速度、相変態温度領域の滞在時間の少なくとも一つを含むものである。目標温度指標Ｉ_目標の算出は、積層造形した構造物の特性と造形時に得た温度指標との関係を表す目標特性と目標温度指標のデータベースＤ１（図６参照）を参照する。

ステップＳ２：処理装置は、構造物形状、材料、初期造形条件から予測温度指標Ｉ_予測を算出する。前記の初期造形条件は、ユーザにより入力する、もしくは利用材料から材料と初期造形条件のデータベースＤ２（図６参照）に基づき抽出する造形条件である。造形条件には、熱源の出力、スキャン速度（走査速度）、材料の予熱温度などを含む。予測温度指標Ｉ_予測を算出する方法として、処理装置は、構造物の形状に対してメッシュを作成し、構造物形状、材料、造形条件から、伝熱解析により各メッシュ要素の予測温度指標Ｉ_予測を計算する。

ステップＳ３：処理装置は、構造物の要素ごとに、目標温度指標Ｉ_目標と予測温度指標Ｉ_予測の差ΔＩを式（１）で計算する。
ΔＩ＝｜Ｉ_目標－Ｉ_予測｜ （１）
差ΔＩが許容範囲δ以内の場合はステップＳ５へ進み、生成した最適な積層造形条件を出力する。差が許容範囲δ以外の場合はステップＳ４に進む。

ステップＳ４：処理装置は、許容範囲以外の要素に対して造形条件を修正する。処理装置は、修正した要素およびその近傍の要素において、局所的に再度、予測温度指標Ｉ_予測を算出し、ステップＳ２に戻る。処理装置は、全ての領域において予測温度指標Ｉ_予測が目標温度指標Ｉ_目標の許容範囲以内になるまで、以上の操作を繰り返し、積層造形条件を生成する。造形条件修正方法の流れについて、図３で詳しく説明する。

図３は本実施形態に係る造形条件修正方法の処理を示す流れ図である。
ステップＳ３１：処理装置は、構造物に対してメッシュ分割し、要素の目標温度指標Ｉ_目標と予測温度指標Ｉ_予測を取得する（読取る）。

ステップＳ３２：Ｉ_目標が同じである要素を一つの領域と定義し、領域の領域数をｎとする。
ステップＳ３３：処理装置は、ｉを１に設定する。

ステップＳ３４：処理装置は、領域（ｉ）の要素に対して目標温度指標Ｉ_目標と予測温度指標Ｉ_予測の差ΔＩ（前記式（１）参照）が許容範囲δ以内かを判断する。処理装置は、許容範囲δ以内の場合（ステップＳ３４，Ｙｅｓ）、ステップＳ４３に進み。処理装置は、許容範囲δ以外の場合（ステップＳ３４，Ｎｏ）、次のステップＳ３５に進む。

ステップＳ３５：処理装置は、目標温度指標Ｉ_目標と予測温度指標Ｉ_予測の差ΔＩを数段階に分割して、同段階のΔＩを有し、隣接する要素を同じ「区」と定義する。処理装置は、区の合計数ｊ（区数）をｍとする。差ΔＩが許容範囲δ以内の要素を確定区３３１（図５Ｂ参照、Confirmed区）、許容範囲δ以外の領域を修正区３３２（図５Ｂ参照、Modification区）として定義する。

ステップＳ３６：処理装置は、修正区である、区（ｊ）の近傍である確定区３３１からバッファ区３３３（図５Ｃ参照、Buffer区）を定義し、同じ区（ｊ）に所属する。なお、各区についての定義方法は、図５を用いて後記する。
ステップＳ３７：処理装置は、ｊに１を設定する。

ステップＳ３８：処理装置は、区（ｊ）の修正区３３２（Modification区）において目標温度指標Ｉ_目標と予測温度指標Ｉ_予測の差ΔＩが許容範囲δ以内になるまで造形条件を修正する。処理装置は、修正後区（ｊ）の修正区３３２とバッファ区３３３に対して再度予測温度指標Ｉ_修正予測を算出する。造形条件の修正値計算方法は、図４において後記する。

ステップＳ３９：処理装置は、全ての修正区３３２に対して判定したかを確認し、すなわち、ｊ＝ｍの場合（ステップＳ３９，Ｙｅｓ）ステップＳ４１に進む。ｊ＜ｍの場合（ステップＳ３９，Ｎｏ）、処理装置は、ｊに１を加算して（ステップＳ４０）、ステップＳ３８へ戻る。

ステップＳ４１：バッファ区と確定区境界の要素に対して、造形条件修正後に、予測温度指標が変化したか否かを確認する。処理装置は、Ｉ_修正予測とＩ_予測とが一致する場合（所定値以内の場合）（ステップＳ４１，Ｙｅｓ）、ステップ４２へ進み、Ｉ_修正予測とＩ_予測とが一致しない場合（ステップＳ４１，Ｎｏ）、バッファ区３３３の範囲を拡大し（ステップＳ４４）、ステップＳ３６に戻る。

ステップＳ４２：処理装置は、バッファ区３３３に対して、目標温度指標Ｉ_目標と予測温度指標Ｉ_予測の差ΔＩが許容範囲δ以内か否かを判断する。処理装置は、許容範囲δ以内の場合（ステップＳ４２，Ｙｅｓ）、ステップＳ４３に進む。処理装置は、許容範囲δ以外の場合（ステップＳ４２，Ｎｏ）、ステップＳ３５に戻り、領域を再定義する。

ステップＳ４３：処理装置は、全領域に対して判定したかを確認し、すなわち、ｉ＝ｎの場合（ステップＳ４３，Ｙｅｓ）、造形条件を出力し（ステップＳ４６）、一連の処理を終了する。処理装置は、ｉ＜ｎの場合（ステップＳ４３，Ｎｏ）、ｉに１加算して（ステップＳ４５）、ステップＳ３４へ戻る。

以上のステップＳ３５～Ｓ４１，Ｓ４４の造形条件修正ステップにおいて、造形条件の修正に際し、処理装置は、造形条件を修正した領域およびその近傍領域に対して再解析実施し（ステップＳ３８）、これらの領域の境界における予測温度指標が、前記造形条件の修正前の予測温度指標と一致するかを判定し（ステップＳ４１）、一致しない場合は（ステップＳ４１，Ｎｏ）、局所再解析領域を拡大している（ステップＳ４４）。

図４は、本実施形態に係る区（ｊ）中の修正区の造形条件修正の処理を示す流れ図である。ステップＳ３８１：処理装置は、造形条件をＣとすると、材料と造形条件修正係数のデータベースＤ３（図６参照）から造形条件修正係数∂C/∂Iの初期値を読み取る。∂C/∂Iは材料ごとに保存されている。

ステップＳ３８２：修正区３３２において、修正後の造形条件Ｃ_修正は、式（２）、式（３）に基づいて計算される。
ΔＣ＝（∂C/∂I）×ΔＩ （２）
Ｃ_修正＝Ｃ＋ΔＣ （３）

一例として、処理装置は、最高到達温度（Ｔ）が温度指標である場合、造形条件のレーザ出力Ｐを修正する。処理装置は、目標最高到達温度が予測最高到達温度より５００℃低く、ΔＴ＝－５００の場合、材料と造形条件修正係数のデータベースＤ３からδT/δPの１０を読取り、式（４）の計算式に基づいて出力修正値ΔＰを算出する。
ΔＰ＝（δP/δT）×ΔＴ （４）

処理装置は、出力修正値ΔＰは－５０であるため、修正区において、レーザ出力を従来条件から５０Ｗ低くすることにより補正する。

ステップＳ３８３：処理装置は、修正後造形条件Ｃ_修正を用いて修正区とバッファ区に対して再解析する。確定区３３１とバッファ区３３３の境界では、初期予測温度履歴を境界条件とし、予測温度指標Ｉ_修正予測を再度算出する。

ステップＳ３８４：処理装置は、修正区３３２に対して、ΔＩ＝｜Ｉ_目標－Ｉ_修正予測｜が許容範囲δ以内か否かを判断する。処理装置は、許容範囲δ以内の場合（ステップＳ３８４，Ｙｅｓ）、次のステップＳ３８５へ進む。処理装置は、許容範囲∂以外の場合（ステップＳ３８４，Ｎｏ）、ステップＳ３８６へ進む。

ステップＳ３８５：処理装置は、材料と造形条件修正係数のデータベースＤ３の∂C/∂Iを更新し保存する。

ステップＳ３８６：処理装置は、式（５）に基づき∂I/∂Cを計算する。
∂C/∂I＝(Ｃ_修正－Ｃ)/(Ｉ_修正予測－Ｉ_予測) （５）
その後、処理装置は、ステップＳ３８２に戻る。

ステップＳ３８７：処理装置は、造形条件と区（ｊ）のＩ_修正予測を出力する。

図５Ａ～図５Ｃを参照して、造形条件修正での区を定義する一例を説明する。
図５Ａは、構造物上の上面を示す図であり、図５Ｂは、造形条件修正での確定区と修正区を示す図であり、図５Ｃは、造形条件修正でのバッファ区を示す図である。構造物形状のすべての場所に対して、同じ目標特性が要求されたとする。構造物の外枠は周囲粉末との接触面積が多く、粉末の熱伝導が悪いため、熱がたまり、目標温度指標が達成できないことになる。

そのため、初期予測温度指標と目標温度指標の差が許容範囲δ以外の領域（外枠）を修正区３３２（Modification区）、許容範囲δ以内の部分を確定区３３１（Confirmed区）として定義した。処理装置は、確定区３３１から、修正区３３２の近傍をバッファ区３３３として定義した。例として、処理装置は、修正区３３２の体積の０．２～１．０倍の体積を有する近傍領域をバッファ区３３３とする。

図６は、本実施形態に係る積層造形支援システム１００の構成図である。積層造形支援システム１００は、処理装置１０、データ記憶装置２０、入力装置３１、表示装置３２、通信装置３３などを含んで構成される。また、積層造形支援システム１００は、ネットワークＮＷを介して造形装置２００と通信可能に接続されている。

処理装置１０は、入力装置３１とデータ記憶装置２０からの情報を用いて、修正した後の造形条件を出力する装置であり、表示装置３２または通信装置３３を介して造形装置２００に出力する。データ記憶装置２０は、データベースを保存する装置である。その中では目標特性と目標温度指標の関係を表す目標特性と目標温度指標のデータベースＤ１（目標特性－目標温度指標ＤＢ、第１のデータベース）、材料と初期造形条件の関係を表す材料と初期造形条件のデータベースＤ２（材料－初期造形条件ＤＢ）、材料と造形条件修正係数の関係を表す材料と造形条件修正係数のデータベースＤ３（材料－造形条件修正係数ＤＢ）、構造物の形状、材料、造形条件と予測温度指標との関係を表すデータベース（図示せず、第２のデータベース）などを有する。

第２のデータベースは特に、材料と初期造形条件との関係を表すデータを含む。初期造形条件とは例えば、１）装置メーカの推奨条件、２）事前実験検討により造形可能であり、造形材の欠陥率などが実用範囲以内の造形条件、もしくは３）過去にユーザ利用時にデータ記憶装置に保存した造形条件、等である。

目標特性と目標温度指標のデータベースＤ１は、少なくとも一つの造形条件下で積層造形した構造物の測定結果から求められ、または造形する際の状況を模擬する解析で求められる。

入力装置３１は、データを入力する装置である。表示装置３２は、処理装置１０の入力処理部１１または出力処理部１５から受信した情報を表示する装置である。通信装置３３は、処理装置１０の出力処理部１５から受信した情報を造形装置２００に送信し、造形装置２００からの要求指令などを受信する装置である。

造形装置２００は、積層造形支援システム１００から受信した形状と造形条件に基づいて、積層造形する装置である。装置の熱源はレーザまたは電子ビームであり、一つまたは複数の熱源を同時に操作して造形する。造形条件は、一つまたは複数の熱源の熱源種類、熱源出力、スキャン速度と、材料の予熱温度とを含む。なお、予熱は、造形装置２００のベースプレートを加熱することにより、粉末と造形済部全体を温める手段で行う。あるいは、予熱は上部からランプなどを点灯することにより、最上面の粉末を予熱する手段もある。

処理装置１０の各部分について説明する。
入力処理部１１は、積層造形条件を生成するために必要な情報を入力処理する部位である。前記必要な条件は構造物形状（姿勢、サポート含む）、材料、構造物目標特性を含む。

目標温度指標算出部１２は、入力した材料の目標特性と目標温度指標のデータベースＤ１（目標特性－目標温度指標ＤＢ）を用いて、設定した目標特性から目標温度指標およびその許容範囲を決定する部位である。

予測温度指標算出部１３は、構造物形状、材料、初期造形条件に基づき、伝熱解析を実施し、構造物全領域における温度履歴を予測し、予測温度指標を算出する部位である。また、予測温度指標算出部１３は、構造物の形状、材料、造形条件と予測温度指標との関係を表すデータベースに基づいて、構造物の各領域の形状、材料、造形条件から予測温度指標を算出する部位である。

造形条件修正部１４は、目標温度指標と予測温度指標を比較し、許容範囲以外の領域において造形条件を修正し、修正領域近傍含めて、局所再度伝熱解析を実施する。造形条件修正部１４は、全領域において目標温度指標の許容範囲内を達するまで、領域再定義と造形条件修正を繰り返す部位である。

出力処理部１５は、各領域における積層造形条件を決定後、造形装置２００が利用できる制御データを出力、もしくは造形装置２００に送信する部位である。

図７は、本実施形態に係る積層造形支援システムの入力画面を示す図である。入力画面７０には、構造物形状を指定する欄７１、姿勢を指定する欄７２、サポート形状を指定する欄７３がある。サポート形状は既存形状を参照するか、もしくは構造物形状と指定した姿勢から生成することが可能である。

また、入力画面７０には、造形装置と材料を選択する欄７４，７５があり、オリジナル装置（造形装置）で選択できる材料と異なる材料の場合は「＋追加」から必要情報を入力して利用することが可能である。

また、目標特性の欄７６は、「目標特性指定」ボタン７６１をクリックし、目標特性設定画面８０（図８参照）により設定する。目標特性設定画面８０（図８参照）の詳細については、後記する。

「目標温度指標算出」ボタン７７のクリックにより、目標温度指標算出部１２が起動する。「予測温度指標算出」ボタン７８のクリックにより、予測温度指標算出部１３が起動する。「造形条件修正」ボタン７９のクリックにより、目標温度指標と予測温度指標を比較し、造形条件を修正する造形条件修正部１４が起動する。解析結果７Ａと最適化結果７Ｂは、表示画面ウィンドウで確認する以外、外部に出力したい場合、ファイル保存場所を指定する欄がある。

図８は、本実施形態に係る目標特性設定画面８０を示す図である。図８は、「目標特性指定」ボタン７６１のクリックにより、目標特性設定画面８０が開く。設定画面では構造物形状を分割（パーテション）し、各領域をクリックすることにより、図９に示す子領域の子領域設定画面９０が開く。

図９は、本実施形態に係る子領域設定画面９０を示す図である。子領域設定画面９０では子領域の名称を入れる欄９１と、目標特性項目を選択する欄９２と、目標範囲と許容範囲を設定する欄９３，９４がある。子領域が複数の目標特性がある場合、「特性項目追加」ボタン９５のクリックにより、目標特性を設定する欄が増加する。設定後、「確定」ボタン９６がクリックされると、前の画面に戻る。

図１の実施例において、前記図８の機能を説明する。
ユーザは、表面領域Ｒ１、接合領域Ｒ２、その他領域Ｒ３にパーツ分割（パーツパーティション）を実施し、表面領域Ｒ１では特性項目を「耐食性」と選択し、接合領域Ｒ２では特性項目を「溶接性」と選択し、その他領域Ｒ３では特性項目を「機械的特性」を選択し、全ての特性項目に対して、目標範囲と許容範囲を設定する。

目標温度指標は一つまた複数ある。複数目標温度指標がある場合、優先順位をつけ、優先度の高い温度指標を満足することを前提とする。

耐食性および溶接性に影響するフェライト相率について、化学組成からＡＦ凝固モードと判断される場合、フェライト相率は主にフェライト相の生成が支配するため、冷却速度が大きいほどフェライト相結晶粒の粒成長が遅くなり、フェライト相率が小さい。結果、冷却速度が温度指標となる。一方、化学組成からＦＡ凝固モードと判断される場合、フェライト相がオーステナイト相への変態が支配する。そのため、オーステナイト相変態の温度領域（１３００Ｋ～１６００Ｋ）の滞在時間が温度指標となる。

機械的強度に影響する欠陥率、結晶粒径および析出物分散について、欠陥率は、メルトプール形状と積層厚みの関係に影響される。そのため、メルトプール形状を支配する最高到達温度が温度指標となる。また、結晶粒径および析出物分散は、冷却速度を温度指標とする。なお、メルトプールは、レーザがあたった部分の金属粉が溶融、液状化して形成される領域であり、メルトプールを介して上層と下層が接合され、面が形成される。

機械的強度に影響する等軸晶割合について、アスペクト比が小さい結晶粒は、主に溶融池境界近傍に存在し、以下の仮説を立てた。溶融池境界において、エピタキシャルな凝固晶が形成され、成長速度は温度勾配に依存し、熱源中心方向に向ける結晶の成長速度が一番高い。一方、境界では隣接する結晶粒が存在するため、結晶粒の成長を阻害する。阻害されたものは等軸晶として境界に残る。この場合、温度勾配および凝固速度が温度指標となる。

図１０は、本実施形態に係る目標温度指標範囲の出力形式の一例を示す図である。図１０は、積層造形支援システム１００から出力した目標温度指標の一例である。要素Ｎｏ、要素の子領域Ｎｏ、温度指標、温度指標の優先度、目標範囲（目標下限、目標上限）および許容範囲（許容下限、許容上限）の項目などがある。温度指標には、最高温度、最大冷却温度、溶融池温度勾配などが含まれる。例えば、要素Ｎｏ．１で子領域Ｎｏ．１の場合は、温度指標優先度が「１」の温度指標は「最高温度」であり、「目標下限温度」は１５００℃、「目標上限温度」は２５００℃、「許容下限温度」は１４００℃、「許容上限温度」は３０００℃が造形条件となる。

以上説明した、本実施形態の積層造形支援システム１００について再度説明する。
本実施形態の積層造形支援システム１００（図６参照）は、構造物の形状、材料、目標特性等のデータを入力する入力装置３１と、データベースを保存するデータ記憶装置２０と、入力装置３１及びデータ記憶装置２０からの情報を用いて、造形条件を修正し、表示装置３２や通信装置３３を介して造形装置２００に出力する処理装置１０とを有する。

処理装置１０では、構造物の形状、材料、目標特性を設定するための入力処理部１１と、構造物の各領域の目標特性から目標温度指標を算出する目標温度指標算出部１２（目標温度指標算出手段）と、構造物の形状、材料、造形条件から予測温度指標を算出する予測温度指標算出部１３（予測温度指標算出手段）と、目標指標と予測指標の差が許容範囲内になるまで造形条件を修正する造形条件修正部１４（造形条件修正手段）と、各領域に抽出した造形条件を出力する出力処理部１５（送信手段）を備えるものである。

以上説明した、本実施形態の積層造形条件生成方法において、処理装置は、構造物の目標特性要求仕様を満たすための目標温度指標（最高温度、温度勾配、冷却速度、凝固速度など）を算出する。処理装置は、構造物の形状、材料、初期造形条件から、初期温度履歴を求め、予測温度指標を算出する。処理装置は、目標温度指標と予測温度指標を比較し、許容範囲以外の領域において、造形条件を修正する。また、処理装置は、造形条件修正後周囲への熱影響を考慮するため、造形条件修正領域周囲の領域において、局所的に再度予測温度指標を算出する。処理装置は、全ての領域において、予測温度指標が目標温度指標の許容範囲以内であることを満たすまで領域再定義と造形条件修正および局所伝熱解析を繰り返し、適切な積層造形条件を生成する。

処理装置は、積層造形物の特性と造形時の温度指標の関係を表すデータベースを参照し、各領域の目標特性から目標温度指標を算出し、構造物の形状／材料／初期造形条件から予測温度指標を算出し、全領域において目標指標と予測指標の差が許容範囲以内になるまで局所的に造形条件を修正し、構造物の目標特性を満たすための積層造形条件を求める。

本実施形態の積層造形条件生成方法によれば、目標特性と目標温度の関係性を利用して、造形条件の修正と局所再解析により全領域の目標特性を満たす積層造形条件を求めることができる。

本実施形態の積層造形支援ソフトウエアは、金属の構造物を積層造形する際の造形条件の生成を支援する積層造形支援ソフトウエアであって、構造物の形状、材料、目標特性を設定するための入力処理と、構造物の各領域の目標特性から目標温度指標を算出する目標温度指標算出処理と、構造物の形状、材料、造形条件から各領域の予測温度指標を算出する予測温度指標算出処理と、目標温度指標と予測温度指標の差が許容範囲内になるまで造形条件を修正する造形条件修正処理と、各領域に抽出した造形条件を出力する出力処理とをコンピュータに実行させるためのソフトウエアである。

積層造形支援ソフトウエアは、積層造形した構造物の特性とその構造物を造形する際に得られた温度指標を保存した第１のデータベース（例えば、目標特性と目標温度指標のデータベースＤ１）を有する。これにより、過去の実績値を有効に利用することができる。

目標温度指標算出処理は、第１のデータベースを参照し、各領域の目標特性から各領域の目標温度指標を算出する処理を含む。これにより、速やかに目標温度指標を求めることができる。また、データが離散値の場合に、補完演算することにより、目標温度指標を算出することができる。

予測温度指標算出処理は、構造物の形状、材料、造形条件と予測温度指標との関係を表す第２のデータベースに基づいて、構造物の各領域における形状、材料、造形条件から予測温度指標を算出する処理を含む。これにより、速やかに予測温度指標を求めることができる。また、データが離散値の場合に、補完演算することにより、予測温度指標を算出することができる。

予測温度指標算出処理は、構造物の形状、材料、造形条件から、伝熱解析を用いて予測温度指標を算出する処理を含み、造形条件は、一つまたは複数の熱源の熱源種類、熱源出力、スキャン速度と、材料の予熱温度とを含む。これにより、データベースに参照するデータが無い場合にも、予測温度指標を算出することができる。

造形条件修正処理は、目標温度指標と予測温度指標との差が許容範囲内の領域では造形条件を保持し、許容範囲外の領域では造形条件を修正し、予測温度指標算出処理は、修正した領域およびその近傍領域に対して伝熱解析を実施して再度予測温度指標を計算し、造形条件修正処理は、目標温度指標と予測温度指標との差が許容値以内になるまで、造形条件の修正処理を繰り返す。これにより、各領域の造形条件を適切に求めることができる。

造形条件修正処理に際し、造形条件を修正した領域およびその近傍領域に対して再解析実施し、これらの領域の境界における予測温度指標が、造形条件修正前の予測温度指標と一致するかを判断する処理（例えば、図３のステップＳ４１）を含み、一致しない場合は、局所再解析領域を拡大する処理を含む。これにより、確定区への影響を極力小さくすることができる。

出力処理は、各領域の造形条件を含む制御データを通信網を介して別装置に送信する処理及び制御データをファイルとして出力する処理のうち少なくとも一つの機能を有し、制御データは、領域の造形条件を表すデータと、構造物の内での該領域の位置を表すデータを含み、の造形条件は一つまたは複数の熱源の熱源種類、熱源出力、スキャン速度および走査ルートと、材料の予熱温度とを含む。これにより、図６に示したように造形装置２００に対して適切な造形条件を支援することができる。

入力処理は、構造物を複数領域に分割して、分割した領域毎に目標特性を指定する処理および入力画面表示処理を有する。これにより、図８、図９に示したように各領域に対し適切な目標特性を指定することができる。

目標温度指標算出処理は、構造物上目標温度指標分布を表示する画面表示処理を有する。予測温度指標算出処理は、構造物上予測温度指標分布を表示する画面表示処理を有する。造形条件修正処理は、構造物上変更後の造形条件分布を表示する画面表示処理を有する。これにより、ユーザは各分布を参照して、積層造形の造形条件を確認することができる。

１０ 処理装置
１１ 入力処理部
１２ 目標温度指標算出部（目標温度指標算出手段）
１３ 予測温度指標算出部（予測温度指標算出手段）
１４ 造形条件修正部（造形条件修正手段）
１５ 出力処理部（送信手段）
２０ データ記憶装置
３１ 入力装置
３２ 表示装置
３３ 通信装置（送信手段）
１００ 積層造形支援システム
２００ 造形装置
３３１ 確定区（Confirmed区）
３３２ 修正区（Modification区）
３３３ バッファ区（Buffer区）
Ｄ１ 目標特性と目標温度指標のデータベース（第１のデータベース）
Ｄ２ 材料と初期造形条件のデータベース
Ｄ３ 材料と造形条件修正係数のデータベース
Ｒ１ 表面領域
Ｒ２ 接合領域
Ｒ３ その他領域

Claims (15)

1. 金属の構造物を積層造形する際の造形条件を生成する積層造形条件生成方法であって、
   同じ目標特性を有する部分を一つの領域とし、前記構造物の各領域における目標特性から目標温度指標を算出する目標温度指標算出ステップと、
   前記構造物の形状、材料、造形条件から前記各領域の予測温度指標を算出する予測温度指標算出ステップと、
   前記目標温度指標と前記予測温度指標との差が許容範囲以内であるか否かを評価する評価ステップと、
   前記評価ステップで前記差が許容範囲外である場合、前記造形条件を修正する造形条件修正ステップとを有し、
   前記造形条件修正ステップにおいて、
   前記目標温度指標と前記予測温度指標の差が許容範囲内の領域では造形条件を保持し、
   許容範囲外の領域では前記造形条件を修正し、修正した領域およびそれに隣接する領域に対して伝熱解析を実施し、前記修正した領域および前記隣接する領域の予測温度指標を計算し、これらの領域の境界における予測温度指標が、前記造形条件の修正前の予測温度指標と一致するかを判定し、一致しない場合は、前記修正した領域を拡大し、
   前記許容範囲外の領域での前記目標温度指標と前記予測温度指標の差が許容範囲以内になるまで、前記造形条件の修正を繰り返す
   ことを特徴とする積層造形条件生成方法。
2. 前記目標温度指標算出ステップにおいて、積層造形する構造物の目標特性と造形時に得た目標温度指標との関係を表す第１のデータベースに基づいて、前記構造物の各領域における目標特性から目標温度指標を算出し、
   前記目標温度指標は、最高到達温度、室温に冷却するまでの最大冷却速度、室温に冷却するまでの平均冷却速度、領域内最大温度勾配、領域内平均温度勾配、溶融部の最大凝固速度、溶接部の平均凝固速度のうち少なくとも一つを含み、
   前記第１のデータベースに保存した前記目標特性と前記目標温度指標との関係は、少なくとも一つの造形条件下で積層造形した構造物の測定結果から求められ、または造形する際の状況を模擬する解析で求められる
   ことを特徴とする請求項１に記載の積層造形条件生成方法。
3. 前記造形条件は、一つまたは複数の熱源の熱源種類、熱源出力、スキャン速度と、材料の予熱温度とを含む
   ことを特徴とする請求項１に記載の積層造形条件生成方法。
4. 前記予測温度指標算出ステップにおいて、前記構造物の形状、材料、造形条件と予測温度指標との関係を表す第２のデータベースに基づいて、前記構造物の各領域の形状、材料、造形条件から前記予測温度指標を算出し、
   前記第２のデータベースに保存した前記造形条件と前記予測温度指標との関係は、少なくとも一つの造形条件下で積層造形する際の状況を模擬する解析で求める
   ことを特徴とする請求項１に記載の積層造形条件生成方法。
5. 金属の構造物を積層造形する際の造形条件の生成を支援する積層造形支援ソフトウエアであって、
   前記構造物の形状、材料、目標特性を設定するための入力処理と、
   同じ目標特性を有する部分を一つの領域とし、前記構造物の各領域の目標特性から目標温度指標を算出する目標温度指標算出処理と、
   前記構造物の形状、材料、造形条件から前記各領域の予測温度指標を算出する予測温度指標算出処理と、
   前記目標温度指標と前記予測温度指標の差が許容範囲内になるまで造形条件を修正する造形条件修正処理と、
   各領域に抽出した造形条件を出力する出力処理とを有し、
   前記造形条件修正処理は、前記目標温度指標と前記予測温度指標との差が許容範囲内の領域では造形条件を保持し、許容範囲外の領域では前記造形条件を修正し、修正した領域およびそれに隣接する領域に対して伝熱解析を実施し、前記修正した領域および前記隣接する領域の予測温度指標を計算し、これらの領域の境界における予測温度指標が、前記造形条件の修正前の予測温度指標と一致するかを判定し、一致しない場合は、局所再解析領域を拡大し、
   前記許容範囲外の領域での前記目標温度指標と前記予測温度指標との差が許容範囲以内になるまで、前記造形条件の修正処理を繰り返すことを
   コンピュータに実行させるための積層造形支援ソフトウエア。
6. 前記積層造形支援ソフトウエアは、積層造形した前記構造物の特性とその構造物を造形する際に得られた温度指標を保存した第１のデータベースを有する
   ことを特徴とする請求項５に記載の積層造形支援ソフトウエア。
7. 前記目標温度指標算出処理は、前記第１のデータベースを参照し、各領域の目標特性から各領域の目標温度指標を算出する処理を含む
   ことを特徴とする請求項６に記載の積層造形支援ソフトウエア。
8. 前記予測温度指標算出処理は、前記構造物の形状、材料、造形条件と予測温度指標との関係を表す第２のデータベースに基づいて、前記構造物の各領域における形状、材料、造形条件から前記予測温度指標を算出する処理を含む
   ことを特徴とする請求項６に記載の積層造形支援ソフトウエア。
9. 前記予測温度指標算出処理は、前記構造物の形状、材料、造形条件から、伝熱解析を用いて予測温度指標を算出する処理を含み、
   前記造形条件は、一つまたは複数の熱源の熱源種類、熱源出力、スキャン速度と、材料の予熱温度とを含む
   ことを特徴とする請求項６に記載の積層造形支援ソフトウエア。
10. 前記出力処理は、各領域の造形条件を含む制御データを通信網を介して別装置に送信する処理及び前記制御データをファイルとして出力する処理のうち少なくとも一つの機能を有し、
    前記制御データは、領域の造形条件を表すデータと、前記構造物の内での該領域の位置を表すデータを含み、前記の造形条件は一つまたは複数の熱源の熱源種類、熱源出力、スキャン速度および走査ルートと、材料の予熱温度とを含む
    ことを特徴とする請求項６に記載の積層造形支援ソフトウエア。
11. 前記入力処理は、前記構造物を複数領域に分割して、分割した領域毎に目標特性を指定する処理および入力画面表示処理を有する
    ことを特徴とする請求項５に記載の積層造形支援ソフトウエア。
12. 前記目標温度指標算出処理は、構造物上目標温度指標分布を表示する画面表示処理を有することを特徴とする請求項６に記載の積層造形支援ソフトウエア。
13. 前記予測温度指標算出処理は、構造物上予測温度指標分布を表示する画面表示処理を有することを特徴とする請求項６に記載の積層造形支援ソフトウエア。
14. 前記造形条件修正処理は、構造物上変更後の造形条件分布を表示する画面表示処理を有することを特徴とする請求項６に記載の積層造形支援ソフトウエア。
15. 造形装置で構造物を積層造形する際の造形条件を支援する積層造形支援システムであって、
    前記積層造形支援システムは、
    同じ目標特性を有する部分を一つの領域とし、前記構造物の各領域における目標特性から目標温度指標を算出する目標温度指標算出手段と、
    構造物の形状、材料、造形条件から前記各領域の予測温度指標を算出する予測温度指標算出手段と、
    前記目標温度指標と前記予測温度指標との差が許容範囲以内であるか否かを評価し、前記差が許容範囲外である場合、前記造形条件を修正する造形条件修正手段と、
    前記差が許容範囲内である場合、前記造形条件を前記造形装置に送信する送信手段とを有し、
    前記造形条件修正手段において、前記目標温度指標と前記予測温度指標の差が許容範囲内の領域では造形条件を保持し、許容範囲外の領域では前記造形条件を修正し、修正した領域およびそれに隣接する領域に対して伝熱解析を実施し、前記修正した領域および前記隣接する領域の再度予測温度指標を計算し、これらの領域の境界における予測温度指標が、前記造形条件の修正前の予測温度指標と一致するかを判定し、一致しない場合は、局所再解析領域を拡大し、
    前記許容範囲外の領域での前記目標温度指標と前記予測温度指標の差が許容範囲以内になるまで、前記造形条件の修正を繰り返す
    ことを特徴とする積層造形支援システム。

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