JP7484362B2 - 付加製造支援装置および付加製造システム - Google Patents

Description

本発明は、付加製造支援装置および付加製造システムに関するものである。

パウダーベッド方式により造形される流路を有する構造物を造形対象物とする場合において、流路の内周面の周方向位置に応じて異なる形状誤差を生じる。流路の内周面における重力方向の下半分は、高精度な造形が可能となるが、流路の内周面における重力方向の上半分は、既に造形された部位（凝固された部位）が直下に存在しないため、形状誤差を生じるおそれがある。

ところで、特許文献１，２に記載されているように、冷却用流路における冷却効率を高めるために、種々工夫されている。また、特許文献３には、三次元造形物の付加製造において、造形物の造形体積を低減しつつ、機能機器を取り付けることができる方法が記載されている。特に、三次元データについてのトポロジー最適化を適用することにより、造形物の形状を設計している。

特開２０１６－１７２４０１号公報 特表２０１４－５１４１６２号公報 特開２０１９－１６７５６２号公報

ところで、流路の内周面の断面形状（中心線に直交する断面形状）は、高精度であることが求められる。付加製造において、流路の断面形状精度が低い場合、流路を構成する周囲の部材の剛性に影響を及ぼすおそれがある。さらに、流路の断面形状精度が低い場合には、流路の圧損が大きくなるおそれがある。このように、流路は、剛性の観点から所望の内周面の形状精度を有することが求められ、さらには圧損を抑制できる形状とすることも求められる。

本発明は、流路の形状精度を向上させ、且つ、流路の圧損の増加を抑制できる流路を設計可能な付加製造支援装置およびそれを用いた付加製造システムを提供することを目的とする。

（１．付加製造支援装置）
付加製造支援装置は、パウダーベッド方式により造形され流体が流通する流路を有する構造物を造形対象物とし、前記造形対象物において前記流路の内周面の周方向位置における形状誤差に基づいて、前記周方向位置における前記形状誤差を重力方向の変形量とみなした場合に前記変形量を変形させるための前記周方向位置における重力方向の仮想荷重を算出する仮想荷重算出部と、前記周方向位置における前記仮想荷重を前記流路の内周面に与え、前記変形量を小さくすると共に前記流路を流れる流体の圧損を小さくするように、前記流路の内部に設ける支持構造の形状についてのトポロジー最適化を適用することにより、前記流路の内部に前記支持構造を設計する支持構造設計部とを備える。

造形対象物は、流路の内部に、支持構造を有する。支持構造は、トポロジー最適化を適用することにより設計している。ここで、仮想荷重算出部は、造形対象物において流路の内周面の周方向位置における形状誤差に基づいて、周方向位置における形状誤差を重力方向の変形量とみなした場合に当該変形量を変形させるための周方向位置における重力方向の仮想荷重を算出している。そして、トポロジー最適化において、算出した重力方向の仮想荷重を用いて、当該変形量を小さくすると共に流路を流れる流体の圧損を小さくするように処理している。従って、トポロジー最適化により得られた支持構造は、変形量が小さく、且つ、圧損が小さくなる構造となる。その結果、流路の形状精度を向上させ、且つ、流路の圧損の増加を抑制できる流路を設計可能となる。

（２．付加製造システム）
付加製造システムは、上述した付加製造支援装置と、前記支持構造設計部により設計された前記支持構造を有するように、前記造形対象物を造形する付加製造装置とを備える。造形対象物における流路は、トポロジー最適化を適用して設計された支持構造を有する。従って、造形対象物において、流路の形状精度を向上させ、且つ、流路の圧損の増加を抑制できる。

付加製造装置を示す図である。 造形対象物の例を示す斜視図である。 造形対象物の流路の拡大断面図である。 第一例の付加製造支援装置を示す機能ブロック図である。 流路のパラメータを説明するための図である。 流路の内周面の周方向位置における角度θと形状誤差Δｈとの関係を示すデータである。 流路の内周面の周方向位置における角度θと形状誤差Δｈとの関係を示すグラフである。 流路の内周面の周方向位置における角度θと仮想荷重Ｆとの関係を示すグラフである。 仮想荷重Ｆを流路の断面形状に表した図である。 第二例の付加製造支援装置を示す機能ブロック図である。 第一データベースを示す図である。 第三例の付加製造支援装置を示す機能ブロック図である。 第二データベースを示す図である。 第四例の付加製造支援装置を示す機能ブロック図である。 第三データベースを示す図である。 第一例の付加製造システムを示す機能ブロック図である。 第二例の付加製造システムを示す機能ブロック図である。

（１．付加製造装置１）
付加製造装置１（造形処理装置）について、図１を参照して説明する。付加製造装置１は、パウダーベッド方式により、三次元形状の構造物を造形対象物Ｗとする。具体的には、付加製造装置１は、層状に配置された金属粉末Ｐにビームを照射することを繰り返すことによって、造形対象物Ｗを造形する。

ビームは、例えばレーザビームおよび電子ビームを含み、その他に金属粉末Ｐを溶融することができる種々のビームを含む。また、レーザビームには、近赤外波長のレーザ、ＣＯ２レーザ（遠赤外レーザ）、半導体レーザ等、種々のレーザを適用でき、対象の金属粉末Ｐに応じて適宜決定される。また、金属粉末Ｐは、アルミニウム、銅、マルエージング鋼やインコネル等の鋼材、ステンレス等、種々の金属材料を適用できる。

付加製造装置１は、図１に示すように、チャンバ１０、造形物支持装置２０、粉末供給装置３０、および、ビーム照射装置４０を備える。チャンバ１０は、内部の空気を、例えばＨｅ（ヘリウム）、Ｎ２（窒素）やＡｒ（アルゴン）等の不活性ガスに置換可能となるように構成されている。なお、チャンバ１０は、内部を不活性ガスに置換するのではなく、減圧可能な構成としてもよい。

造形物支持装置２０は、チャンバ１０の内部に設けられ、造形対象物Ｗを造形するための部位である。造形物支持装置２０は、造形用容器２１、昇降テーブル２２、ベース２３を備える。造形用容器２１は、上側に開口部を有し、上下方向の軸線に平行な内壁面を有する。昇降テーブル２２は、造形用容器２１の内部にて内壁面に沿うように上下方向に移動可能に設けられる。ベース２３は、昇降テーブル２２の上面に着脱可能に取り付けられ、ベース２３の上面が造形対象物Ｗを造形するための部位となる。つまり、ベース２３は、上面に層状に金属粉末Ｐを配置すると共に、造形時に造形対象物Ｗを支持するための部材である。昇降テーブル２２の位置決め高さを変更することにより、金属粉末Ｐの積層厚みを変更することができる。

粉末供給装置３０は、チャンバ１０の内部であって、造形物支持装置２０に隣接して設けられる。粉末供給装置３０は、粉末収納容器３１、供給テーブル３２、リコータ３３を備える。粉末収納容器３１は、上側に開口部を有しており、粉末収納容器３１の開口部の高さは、造形用容器２１の開口部の高さと同一に設けられている。粉末収納容器３１は、上下方向の軸線に平行な内壁面を有する。供給テーブル３２は、粉末収納容器３１の内部にて内壁面に沿うように上下方向に移動可能に設けられる。そして、粉末収納容器３１内において、供給テーブル３２の上側領域に、金属粉末Ｐが収納されている。

リコータ３３は、造形用容器２１の開口部および粉末収納容器３１の開口部の全領域に亘って、両開口部の上面に沿って往復移動可能に設けられている。リコータ３３は、図１の右から左に移動するときに、粉末収納容器３１の開口部から盛り出ている金属粉末Ｐを、造形用容器２１側に運搬する。さらに、リコータ３３は、運搬した金属粉末Ｐをベース２３の上面にて層状に配置する。

なお、上記構成の他に、リコータ３３を移動する移動体が、金属粉末Ｐを供給する機能を備えるようにすることも可能である。この場合、金属粉末Ｐは、ベース２３上に供給されながら、リコータ３３によって平坦化される。

ビーム照射装置４０は、ベース２３の上面に層状に配置された金属粉末Ｐの表面に、ビームを照射する。ビームは、上述したように、レーザビームおよび電子ビーム等である。ビーム照射装置４０は、層状に配置された金属粉末Ｐにビームを照射することにより、金属粉末Ｐを金属粉末Ｐの融点以上の温度に加熱する。そうすると、金属粉末Ｐは、溶融し、その後凝固することで、一体化された層状の造形物（造形対象物Ｗの一部）が造形される。つまり、隣接する金属粉末Ｐ同士は、溶融接合によって一体化される。

また、ビーム照射装置４０は、予め設定されたプログラムに従って、照射位置、レーザ出力、走査速度、走査ピッチ、照射スポット径等を変更する。照射位置を変化することにより、所望の層状の造形物を造形することができる。また、レーザ出力を変化することにより、金属粉末Ｐに被照射位置に流入する入熱量が変化し、金属粉末Ｐ同士の接合強度を変化させることができる。

（２．造形対象物Ｗの例）
造形対象物Ｗの例について図２を参照して説明する。造形対象物Ｗは、上述した付加製造装置１により造形される。従って、造形対象物Ｗは、任意の三次元形状とすることができる。造形対象物Ｗは、射出成形、プレス加工等に用いられる金型を例にあげる。もちろん、造形対象物Ｗは、金型に限られず、各種製品、部品等とすることもできる。

造形対象物Ｗは、例えば、直方体の外形を有する。なお、造形対象物Ｗの外形は、任意の形状とすることができる。造形対象物Ｗは、例えば、金型のキャビティを構成する凹所Ｗａを有する。凹所Ｗａは、図１の下面に、例えば円形の開口するように形成されている。本例では、凹所Ｗａは、円筒内周面および底面（図１の上方の円形面）を有する。

造形対象物Ｗは、さらに、流路Ｗｂを有する。流路Ｗｂは、凹所Ｗａの周囲に、凹所Ｗａから距離を隔てた位置に形成されている。例えば、流路Ｗｂの中心線は、凹所Ｗａの内周面に沿った形状、すなわち円弧状に形成されている。さらに、流路Ｗｂは、円弧状の両端開口から、造形対象物Ｗの図１の下面に延びるような導入部分が形成されている。流路Ｗｂには冷却用の流体が流通し、冷却用の流体によって造形対象物Ｗが冷却される。

ここで、流路Ｗｂの中心線の形状は、円弧状としたが、任意の形状とすることができる。金型のキャビティとしての凹所Ｗａは、成形対象の形状に応じて適宜変更される。そこで、流路Ｗｂも、キャビティとなる凹所Ｗａに応じた適宜の形状とすることができる。

また、造形対象物Ｗは、例えば、工作機械の主軸装置のハウジング等とすることもできる。主軸装置のハウジングには、主軸装置の冷却用の流路が形成されている。この場合、例えば、流路Ｗｂは、螺旋状とすることもできるし、任意の形状とすることができる。

（３．造形対象物Ｗの積層方向）
造形対象物Ｗは、付加製造装置１により造形される。つまり、層状に配置された金属粉末Ｐにビームを照射することにより、造形対象物Ｗが造形される。ここで、造形対象物Ｗの造形時における積層方向は、流路Ｗｂの中心線に対して角度を有する方向である。例えば、造形対象物Ｗの積層方向は、流路Ｗｂの中心線に直交する方向や、流路Ｗｂの中心線に０°以上９０°未満に傾斜した方向等である。なお、造形対象物Ｗの積層方向とは、付加製造装置１において金属粉末Ｐを層状に配置する方向に直交する方向、すなわち金属粉末Ｐの積層方向である。

（４．流路Ｗｂの詳細構成）
流路Ｗｂの詳細構成について図３を参照して説明する。流路Ｗｂの内周面Ｗｂ１における中心線に交差する方向の断面形状（以下、「流路Ｗｂの断面形状」と称する）は、例えば、円形を有する。ただし、流路Ｗｂの内周面Ｗｂ１の断面形状は、円形に限られず、楕円形、多角形、任意の直線および曲線により形成された形状とすることができる。

さらに、流路Ｗｂは、内部に支持構造Ｗｂ２を有する。支持構造Ｗｂ２は、流路Ｗｂの内周面Ｗｂ１の形状精度を向上させる目的で形成されている。ただし、支持構造Ｗｂ２の存在によって、流路Ｗｂの圧損を増加させるように作用する。つまり、支持構造Ｗｂ２は、内周面Ｗｂ１の形状精度を向上させるためには大きい構造体である方がよいが、圧損を増加させないためには小さい構造体である方がよい。

ここで、図３に示すように、支持構造Ｗｂ２は、例えば、重力方向Ｇにおいて内周面Ｗｂ１の上端付近と下端付近とを接続する逆Ｖ字状の主支持部Ｗｂ２１を有する。さらに、支持構造Ｗｂ２は、逆Ｖ字状の主支持部Ｗｂ２１のそれぞれから離れる方向（外側）に向かって内周面Ｗｂ１の側面付近を接続する補助支持部Ｗｂ２２を有する。逆Ｖ字状の主支持部Ｗｂ２１は、補助支持部Ｗｂ２２に対して太く形成されている。

ここで、造形対象物Ｗの造形において、金属粉末Ｐが凝固された部位の上面にさらに肉盛りする場合には、造形対象物Ｗの当該部位は、高精度に形成される。一方、造形対象物Ｗの造形において、金属粉末Ｐにビームを照射する際に、照射部位の直下に金属粉末Ｐが凝固された部位が存在せず、金属粉末Ｐが存在している場合には、造形対象物Ｗの当該部位の形状精度が低下するおそれがある。

そして、本例における造形対象物Ｗの積層方向（重力方向Ｇの逆方向）は、流路Ｗｂの中心線に対して角度を有する方向である。従って、流路Ｗｂの積層方向の上端付近の造形時において、当該上端付近の積層方向の直下には、金属粉末Ｐが凝固された造形対象物Ｗが存在せず、金属粉末Ｐが存在する。その結果、流路Ｗｂの上端付近が造形される際に、流路Ｗｂの上端付近の形状精度が低下するおそれがある。

そこで、上述したように、流路Ｗｂの内部には、支持構造Ｗｂ２が設けられている。支持構造Ｗｂ２は、主として、積層方向において流路Ｗｂの上端付近の形状精度を良好にする目的を有する。なお、支持構造Ｗｂ２の形状は、流路Ｗｂの内周面Ｗｂ１の形状、流路Ｗｂの内周面Ｗｂ１の大きさ、金属粉末Ｐの種類、粒径、付加製造装置１による付加製造条件等に応じて適宜変更される。

また、流路Ｗｂは、流体を流通する機能を有することから、圧損が小さいことが望まれる。つまり、流路Ｗｂには、流路Ｗｂの内周面Ｗｂ１の形状誤差が小さいことに加えて、圧損が小さいことが要求される。

（５．付加製造支援装置）
付加製造支援装置について説明する。付加製造支援装置は、流路Ｗｂに形成する支持構造Ｗｂ２を設計するための支援装置である。付加製造支援装置は、流路Ｗｂの内周面Ｗｂ１の形状誤差を小さくすると共に、流路の圧損を小さくすることができるような支持構造Ｗｂ２を設計する。特に、付加製造支援装置は、トポロジー最適化を適用することで、最適な支持構造Ｗｂ２を設計する。以下に、付加製造支援装置の具体例について説明する。

（５－１．第一例の付加製造支援装置５０）
第一例の付加製造支援装置５０について図４－図９を参照して説明する。付加製造支援装置５０は、形状誤差取得部５１と、仮想荷重算出部５２と、支持構造設計部５３とを備える。付加製造支援装置５０を構成する各部５１，５２，５３は、プロセッサや記憶装置等により構成されており、プロセッサにてプログラムを実行することにより実現される。

形状誤差取得部５１は、図５に示すような支持構造Ｗｂ２を有しない造形物Ｗ１（予備造形物と称する）を付加製造装置１により造形した場合において、流路Ｗｂの内周面Ｗｂ１の形状誤差Δｈを取得する。形状誤差Δｈは、例えば、実際に造形された予備造形物Ｗ１を切断して、切断面における流路Ｗｂの内周面Ｗｂ１の形状を測定器（図示せず）により測定したデータである。形状誤差Δｈは、予備造形物Ｗ１を実際に切断した面に限られず、例えば超音波検査や渦電流検査等の非破壊検査方法を適用して取得することもできる。

図５における予備造形物Ｗ１は、例えば、流路Ｗｂの内周面Ｗｂ１が直径Ｄの円形である場合を図示する。点Ｐ（θ）は、図５に示すように、流路Ｗｂの中心線Ｌａに対して角度を有すると共に重力方向に平行な面で切断した二次元形状において、流路Ｗｂの内周面Ｗｂ１における周方向位置である。詳細には、点Ｐ（θ）は、当該切断した二次元形状において、流路Ｗｂの中心線Ｌａを中心として、中心線Ｌａを通る基準線Ｌｂからの図５の反時計回りの角度θにおける位置である。形状誤差Δｈは、各角度θにおける点Ｐ（θ）の理想位置からの径方向のずれ量である。基準線Ｌｂは、水平方向に一致する。

形状誤差取得部５１は、例えば、図６に示すように、角度θを１０°間隔とした場合の複数の形状誤差Δｈ（θ）を取得する。形状誤差取得部５１は、例えば、角度θが０°～３５０°についての形状誤差Δｈ（０）～Δｈ（３５）を取得する。

形状誤差取得部５１が取得したデータにおいて、角度θと形状誤差Δｈとの関係は、図７に示すようになる。つまり、形状誤差Δｈは、角度θが５０°付近から９０°付近まで徐々に大きくなり、角度θが９０°付近が最も大きくなり、９０°から１３０°付近まで徐々に小さくなる。そして、形状誤差Δｈは、０°から５０°付近まで、かつ、１３０°付近から３６０°までは、小さな値となる。

つまり、流路Ｗｂの上端付近の形状精度が低いことが分かる。このような関係を有する理由は、上述したように、流路Ｗｂの上端付近の造形時において、当該上端付近の積層方向の直下に、金属粉末Ｐが凝固された造形対象物Ｗが存在せず、金属粉末Ｐが存在するためである。

仮想荷重算出部５２は、点Ｐ（θ）における形状誤差Δｈ（θ）を重力方向Ｇの変形量とみなした場合に、当該変形量を変形させるための重力方向Ｇの仮想荷重Ｆ（θ）を算出する。角度θと算出された仮想荷重Ｆ（θ）との関係は、図９に示すようになる。ここで、当該変形量と仮想荷重Ｆ（θ）との関係は、流路Ｗｂを形成する予備造形物Ｗ１の剛性を表すパラメータに依存する。剛性を表すパラメータは、例えば、流路Ｗｂの形状、金属粉末Ｐの材質、粒径、ビームの条件等によって決定される。

支持構造設計部５３は、流路Ｗｂの内周面Ｗｂ１の周方向位置における仮想荷重Ｆ（θ）を用い、上述した変形量を小さくすると共に流路Ｗｂの圧損を小さくするようにトポロジー最適化を適用することにより、流路Ｗｂの内部における支持構造Ｗｂ２を設計する。設計された支持構造Ｗｂ２は、例えば、図３に示す構造である。ここで、支持構造設計部５３は、流路Ｗｂの内周面Ｗｂ１の断面における二次元データに関するトポロジー最適化を適用する。従って、トポロジー最適化に要する処理時間を短くできる。

より詳細には、支持構造設計部５３は、上述した変形量を最小化することを目的関数とし且つ流路Ｗｂの圧損しきい値を制約関数としてトポロジー最適化を適用する。この場合において、制約関数は、支持構造Ｗｂ２を有しない流路Ｗｂにおける圧損を基準とした場合に、当該基準に対する所定比率（例えば１１０％）を流路Ｗｂの圧損しきい値とするとよい。

このように、トポロジー最適化において、算出した重力方向Ｇの仮想荷重Ｆ（θ）を用いて、上述した変形量を小さくすると共に流路Ｗｂの圧損を小さくするように処理している。従って、トポロジー最適化により得られた支持構造Ｗｂ２は、流路Ｗｂの内周面Ｗｂ１の変形量が小さく、且つ、圧損が小さくなる構造となる。その結果、流路Ｗｂの内周面Ｗｂ１の形状精度を向上させ、且つ、圧損の増加を抑制できる流路Ｗｂを設計可能となる。例えば、流路Ｗｂにおける圧損が、基準の１１０％以下とできる。

また、上記の他に、支持構造設計部５３は、上述した変形量を最小化することおよび流路Ｗｂの圧損を最小化することを目的関数としてトポロジー最適化を適用するようにしてもよい。この場合も、上記同様に、流路Ｗｂの内周面Ｗｂ１の形状精度を向上させ、且つ、圧損の増加を抑制できる流路Ｗｂを設計可能となる。

（５－２．第二例の付加製造支援装置６０）
第二例の付加製造支援装置６０について図１０および図１１を参照して説明する。付加製造支援装置６０は、図１０に示すように、形状誤差取得部６１と、第一データベース６２と、仮想荷重算出部６３と、支持構造設計部６４とを備える。形状誤差取得部６１は、第一例の付加製造支援装置５０の形状誤差取得部５１と実質的には同一である。ただし、形状誤差取得部６１は、複数種の予備造形物Ｗ１の流路Ｗｂについての形状誤差Δｈ（θ）を取得する。複数種の予備造形物Ｗ１の流路Ｗｂは、例えば、流路Ｗｂの直径Ｄ（図５に示す）が異なる流路Ｗｂを対象とする。

第一データベース６２は、図１１に示すように、形状誤差取得部６１により取得した複数種の流路Ｗｂについての形状誤差Δｈ（θ）を記憶する。つまり、第一データベース６２には、複数種の形状の流路Ｗｂに関する形状誤差Δｈ（θ）が記憶される。例えば、第一データベース６２は、流路Ｗｂの直径ＤがＤ１，Ｄ２，Ｄ３，・・・となる複数種の流路Ｗｂについて、角度θにおける形状誤差Δｈ（θ）を記憶する。

仮想荷重算出部６３は、第一例の付加製造支援装置５０の仮想荷重算出部５２と同様に、設計対象となる造形対象物Ｗの流路Ｗｂにおいて、仮想荷重Ｆ（θ）を算出する。仮想荷重算出部６３は、設計対象の造形対象物Ｗの流路Ｗｂが直径Ｄの場合に、第一データベース６２を用いて、仮想荷重Ｆ（θ）を算出する。

例えば、設計対象の造形対象物Ｗの流路Ｗｂの直径Ｄに関するデータが、第一データベース６２に記憶されている場合には、当該直径Ｄにおける形状誤差Δｈ（θ）を用いて、仮想荷重Ｆ（θ）を算出する。設計対象の造形対象物Ｗの流路Ｗｂの直径Ｄに関するデータが、第一データベース６２に記憶されていない場合には、近似する直径における形状誤差Δｈ（θ）を用いて、仮想荷重Ｆ（θ）を算出する。この場合、近似する１つのデータを用いてもよいし、近似する２以上のデータを用いてもよい。

支持構造設計部６４は、算出された仮想荷重Ｆ（θ）と設計対象の流路Ｗｂの断面形状とを用いて、トポロジー最適化を適用することにより、設計対象の支持構造Ｗｂ２を設計する。支持構造設計部６４は、第一例の付加製造支援装置５０の支持構造設計部５３と実質的に同一の処理を行う。

本例によれば、複数種の流路Ｗｂに関するデータを予め取得しておくことで、設計対象の流路Ｗｂにおける最適な支持構造Ｗｂ２を設計することができる。

（５－３．第三例の付加製造支援装置７０）
第三例の付加製造支援装置７０について図１２および図１３を参照して説明する。付加製造支援装置７０は、図１２に示すように、形状誤差取得部７１と、仮想荷重算出部７２と、第二データベース７３と、支持構造設計部７４とを備える。

形状誤差取得部７１は、第二例の付加製造支援装置６０の形状誤差取得部６１と同様に、複数種の予備造形物Ｗ１の流路Ｗｂに関する形状誤差Δｈ（θ）を取得する。仮想荷重算出部７２は、複数種の予備造形物Ｗ１の流路Ｗｂのそれぞれについて仮想荷重Ｆ（θ）を算出する。

第二データベース７３は、図１３に示すように、仮想荷重算出部７２により算出された仮想荷重Ｆ（θ）を用いて、複数種の予備造形物Ｗ１の流路Ｗｂに関する周方向位置における仮想荷重Ｆ（θ）を記憶する。第二データベース７３には、複数種の断面形状の流路Ｗｂに関する仮想荷重Ｆ（θ）が記憶される。

支持構造設計部７４は、第一例の付加製造支援装置５０の支持構造設計部５３と同様に、トポロジー最適化を適用して、設計対象の流路Ｗｂにおける支持構造Ｗｂ２を設計する。具体的には、支持構造設計部７４は、第二データベース７３に記憶されている予備造形物Ｗ１に関する仮想荷重Ｆ（θ）と、設計対象の造形対象物Ｗの流路Ｗｂの断面形状とを用いて、設計対象の支持構造Ｗｂ２を設計する。

例えば、設計対象の造形対象物Ｗの流路Ｗｂの直径Ｄに関するデータが、第二データベース７３に記憶されている場合には、当該直径Ｄにおける仮想荷重Ｆ（θ）を用いて、トポロジー最適化を適用することにより、支持構造Ｗｂ２を設計する。設計対象の造形対象物Ｗの流路Ｗｂの直径Ｄに関するデータが、第二データベース７３に記憶されていない場合には、近似する直径における仮想荷重Ｆ（θ）を用いて、支持構造Ｗｂ２を設計する。この場合、最も近似する１つのデータを用いてもよいし、近似する２以上のデータを用いてもよい。

本例によれば、複数種の流路Ｗｂに関するデータを予め取得しておくことで、設計対象の流路Ｗｂにおける最適な支持構造Ｗｂ２を設計することができる。

（５－４．第四例の付加製造支援装置８０）
第四例の付加製造支援装置８０について図１４および図１５を参照して説明する。付加製造支援装置８０は、図１４に示すように、形状誤差取得部８１と、仮想荷重算出部８２と、トポロジー最適化処理部８３と、第三データベース８４と、支持構造設計部８５とを備える。

形状誤差取得部８１は、第三例の付加製造支援装置７０の形状誤差取得部７１と同様に、複数種の予備造形物Ｗ１の流路Ｗｂに関する形状誤差Δｈ（θ）を取得する。仮想荷重算出部８２は、第三例の付加製造支援装置７０の仮想荷重算出部７２と同様に、複数種の予備造形物Ｗ１の流路Ｗｂに関する仮想荷重Ｆ（θ）を算出する。

トポロジー最適化処理部８３は、複数種の予備造形物Ｗ１の流路Ｗｂのそれぞれにおける仮想荷重Ｆ（θ）を用いて、トポロジー最適化を適用することにより、それぞれの支持構造Ｗｂ２を設計する。当該処理は、第三例の付加製造支援装置７０の支持構造設計部７４の処理と同様である。つまり、トポロジー最適化処理部８３は、複数種の予備造形物Ｗ１の流路Ｗｂに関する支持構造Ｗｂ２を設計する。第三データベース８４は、図１５に示すように、トポロジー最適化処理部８３により算出されたそれぞれの断面形状の流路Ｗｂに関する支持構造Ｗｂ２を記憶する。

支持構造設計部８５は、第三データベース８４と設計対象の造形対象物Ｗの流路Ｗｂの断面形状とを用いて、設計対象の支持構造Ｗｂ２を設計する。例えば、設計対象の造形対象物Ｗの流路Ｗｂの直径Ｄに関するデータが、第三データベース８４に記憶されている場合には、当該直径Ｄにおける支持構造Ｗｂ２を、設計対象の支持構造Ｗｂ２とする。

設計対象の造形対象物Ｗの流路Ｗｂの直径Ｄに関するデータが、第三データベース８４に記憶されていない場合には、近似する直径における支持構造Ｗｂ２を用いて、設計対象の支持構造Ｗｂ２とするとよい。この場合、最も近似する１つの支持構造Ｗｂ２としてもよいし、近似する２以上の支持構造Ｗｂ２を用いて適宜演算を行うことにより新たな支持構造Ｗｂ２を設計してもよい。

本例によれば、複数種の流路Ｗｂに関するデータを予め取得しておくことで、設計対象の流路Ｗｂにおける最適な支持構造Ｗｂ２を設計することができる。

（６．付加製造システム）
付加製造システムは、上述した付加製造装置１と付加製造支援装置５０，６０，７０，８０とを備える。付加製造システムとしては、以下の２つのタイプが存在する。

（６－１．第一例の付加製造システム１００）
第一例の付加製造システム１００について図１６を参照して説明する。付加製造システム１００は、付加製造支援装置５０－８０と、付加製造装置１とを備える。付加製造装置１は、付加製造支援装置５０－８０の支持構造設計部５３，６４，７４，８５により設計された支持構造Ｗｂ２を有するように、造形対象物Ｗを造形する。

特に、本例では、付加製造支援装置５０－８０は、付加製造装置１とは独立した装置であり、付加製造装置１による設計対象の造形対象物Ｗの造形の事前処理を実行可能な装置である。つまり、付加製造支援装置５０－８０は、実際の造形処理の準備として、支持構造Ｗｂ２を事前に設計することができる。

詳細には、付加製造装置１は、支持構造を有しない予備造形物Ｗ１を１種または複数種造形する。付加製造支援装置５０－８０の仮想荷重算出部５２，６３，７２，８２は、付加製造装置１により造形された予備造形物Ｗ１に関する仮想荷重Ｆ（θ）を算出する。付加製造支援装置５０－８０の支持構造設計部５３，６４，７４，８５は、仮想荷重Ｆ（θ）に基づいて設計対象の造形対象物Ｗにおける支持構造Ｗｂ２を設計する。そして、付加製造装置１は、設計された支持構造Ｗｂ２を有する造形対象物Ｗを造形する。

（６－２．第二例の付加製造システム２００）
第二例の付加製造システム２００について図１７を参照して説明する。付加製造システム２００は、第一例の付加製造システム１００と同様に、付加製造支援装置５０－８０と、付加製造装置１とを備える。付加製造装置１は、付加製造支援装置５０－８０の支持構造設計部５３，６４，７４，８５により設計された支持構造Ｗｂ２を有するように、造形対象物Ｗを造形する。

ただし、本例においては、付加製造支援装置５０－８０は、付加製造装置１の組み込まれたアプリケーションである。つまり、支持構造Ｗｂ２の設計から設計対象の造形対象物Ｗの造形に至るまで、一連の流れで行うことができる。従って、一気通貫の生産処理が可能となる。

１：付加製造装置、 １０：チャンバ、 ２０：造形物支持装置、 ３０：粉末供給装置、 ４０：ビーム照射装置、 ５０：付加製造支援装置、 ５１：形状誤差取得部、 ５２：仮想荷重算出部、 ５３：支持構造設計部、 ６０：付加製造支援装置、 ６１：形状誤差取得部、 ６２：第一データベース、 ６３：仮想荷重算出部、 ６４：支持構造設計部、 ７０：付加製造支援装置、 ７１：形状誤差取得部、 ７２：仮想荷重算出部、 ７３：第二データベース、 ７４：支持構造設計部、 ８０：付加製造支援装置、 ８１：形状誤差取得部、 ８２：仮想荷重算出部、 ８３：トポロジー最適化処理部、 ８４：第三データベース、 ８５：支持構造設計部、 １００，２００：付加製造システム、 Ｄ：直径、 Ｆ（θ）：仮想荷重、 Ｇ：重力方向、 Ｌａ：流路の中心線、 Ｌｂ：基準線、 Ｐ：金属粉末、 Ｐ（θ）：周方向位置、 Ｗ：造形対象物、 Ｗ１：予備造形物、 Ｗａ：凹所、 Ｗｂ：流路、 Ｗｂ１：内周面、 Ｗｂ２：支持構造、 Ｗｂ２１：主支持部、 Ｗｂ２２：補助支持部、 Δｈ（θ）：形状誤差、 θ：角度

Claims (12)

1. パウダーベッド方式により造形され流体が流通する流路を有する構造物を造形対象物とし、前記造形対象物において前記流路の内周面の周方向位置における形状誤差に基づいて、前記周方向位置における前記形状誤差を重力方向の変形量とみなした場合に前記変形量を変形させるための前記周方向位置における重力方向の仮想荷重を算出する仮想荷重算出部と、
   前記周方向位置における前記仮想荷重を前記流路の内周面に与え、前記変形量を小さくすると共に前記流路を流れる流体の圧損を小さくするように、前記流路の内部に設ける支持構造の形状についてのトポロジー最適化を適用することにより、前記流路の内部に前記支持構造を設計する支持構造設計部と、
   を備える、付加製造支援装置。
2. 前記支持構造設計部は、前記周方向位置における前記仮想荷重を前記流路の内周面に与え、前記変形量を最小化することを目的関数とし且つ前記流路を流れる流体の圧損しきい値を制約関数として、前記流路の内部に設ける前記支持構造の形状についての前記トポロジー最適化を適用することにより、前記流路の内部に前記支持構造を設計する、請求項１に記載の付加製造支援装置。
3. 前記制約関数は、前記支持構造を有しない前記流路を流れる流体の圧損を基準とした場合に、前記基準に対する所定比率を前記流路の前記圧損しきい値とする、請求項２に記載の付加製造支援装置。
4. 前記支持構造設計部は、前記周方向位置における前記仮想荷重を前記流路の内周面に与え、前記変形量を最小化することおよび前記流路を流れる流体の圧損を最小化することを目的関数として、前記流路の内部に設ける前記支持構造の形状についての前記トポロジー最適化を適用することにより、前記流路の内部に前記支持構造を設計する、請求項１に記載の付加製造支援装置。
5. 前記支持構造設計部は、前記流路の内周面の中心線に対して角度を有する方向の断面における二次元データにおいて、前記流路の内部に設ける前記支持構造の形状についての前記トポロジー最適化を適用することにより、前記流路の内部に前記支持構造を設計する、請求項１－４の何れか１項に記載の付加製造支援装置。
6. 前記付加製造支援装置は、さらに、
   複数種の前記流路の内周面の断面形状を有する前記造形対象物に関する前記周方向位置における前記形状誤差を記憶する第一データベースを備え、
   前記仮想荷重算出部は、前記第一データベースを用いて、設計対象の前記造形対象物についての前記周方向位置における前記仮想荷重を算出し、
   前記支持構造設計部は、算出した前記仮想荷重と前記設計対象の前記造形対象物の前記流路の前記断面形状とを用いて、前記設計対象の前記支持構造を設計する、請求項１－４の何れか１項に記載の付加製造支援装置。
7. 前記付加製造支援装置は、さらに、
   前記仮想荷重算出部により算出された前記仮想荷重を用いて、複数種の前記流路の断面形状を有する前記造形対象物に関する前記周方向位置における前記仮想荷重を記憶する第二データベースを備え、
   前記支持構造設計部は、前記第二データベースと設計対象の前記造形対象物の前記流路の前記断面形状とを用いて、前記設計対象の前記支持構造を設計する、請求項１－４の何れか１項に記載の付加製造支援装置。
8. 前記付加製造支援装置は、さらに、
   複数種の前記流路の断面形状を有する前記造形対象物に関する前記支持構造を記憶する第三データベースを備え、
   前記支持構造設計部は、前記第三データベースと設計対象の前記造形対象物の前記流路の前記断面形状とを用いて、前記設計対象の前記支持構造を設計する、請求項１－４の何れか１項に記載の付加製造支援装置。
9. 請求項１－８の何れか１項に記載の付加製造支援装置と、
   前記支持構造設計部により設計された前記支持構造を有するように、前記造形対象物を造形する付加製造装置と、
   を備える付加製造システム。
10. 前記付加製造支援装置は、前記付加製造装置とは独立した装置であり、前記付加製造装置による造形の事前処理を実行可能な装置である、請求項９に記載の付加製造システム。
11. 前記付加製造支援装置は、前記付加製造装置の組み込まれたアプリケーションである、請求項９に記載の付加製造システム。
12. 前記付加製造装置は、前記支持構造を有しない予備造形物を造形し、
    前記付加製造支援装置の前記仮想荷重算出部は、前記付加製造装置により造形された前記予備造形物に関する前記仮想荷重を算出し、
    前記付加製造支援装置の前記支持構造設計部は、前記仮想荷重に基づいて前記支持構造を設計し、
    前記付加製造装置は、設計された前記支持構造を有する前記造形対象物を造形する、請求項９－１１の何れか１項に記載の付加製造システム。

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