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JP7655050B2 - METHOD FOR DESIGNING ADDITIVE PRODUCTS, APPARATUS FOR DESIGNING ADDITIVE PRODUCTS, AND METHOD FOR MANUFACTURING ADDITIVE PRODUCTS - Google Patents
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METHOD FOR DESIGNING ADDITIVE PRODUCTS, APPARATUS FOR DESIGNING ADDITIVE PRODUCTS, AND METHOD FOR MANUFACTURING ADDITIVE PRODUCTS Download PDF

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Description

本発明は、付加製造物の設計方法、付加製造物の設計装置及び付加製造物の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for designing an additive product, an apparatus for designing an additive product, and a method for manufacturing an additive product.

付加製造には、例えば、粉末床溶融結合(Powder Bed Fusion)方式、指向性エネルギー堆積(Directed Energy Deposition)方式等があることが知られている。粉末床溶融結合方式は、平らに敷き詰められた材料粉末に対して、光ビーム(レーザビーム及び電子ビーム等)を照射することで付加製造を行う。粉末床溶融結合方式には、SLM(Selective Laser Melting)、EBM(Electron Beam Melting)等が含まれる。指向性エネルギー堆積方式は、光ビームの照射と材料粉末の吐出を行うヘッドの位置を制御することで付加製造を行う。指向性エネルギー堆積方式には、LMD(Laser Metal Deposition)、DMP(Direct Metal Printing)等が含まれる。 Additive manufacturing is known to include, for example, powder bed fusion and directed energy deposition. Powder bed fusion performs additive manufacturing by irradiating a light beam (laser beam, electron beam, etc.) onto a flatly spread material powder. Powder bed fusion methods include selective laser melting (SLM) and electron beam melting (EBM). Directed energy deposition performs additive manufacturing by controlling the position of a head that irradiates a light beam and ejects material powder. Directed energy deposition methods include laser metal deposition (LMD) and direct metal printing (DMP).

粉末床溶融結合方式の付加製造においては、平らに敷き詰められた材料粉末を溶融及び凝固させながら一層ずつ積層させて付加製造物を造形する。このため、粉末床溶融結合方式及び指向性エネルギー堆積方式のうち、粉末床溶融結合方式の付加製造は、内部空間を有する付加製造物を精密に造形する場合に好適である。 In powder bed fusion additive manufacturing, an additive product is created by melting and solidifying a flatly laid out powder of material, layer by layer. For this reason, of the powder bed fusion and directed energy deposition methods, powder bed fusion additive manufacturing is suitable for precisely creating additive products with internal spaces.

特許文献1には、粉末床溶融結合方式の付加製造において、三次元の付加製造物を製造する場合、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って付加製造物の形状を設計し、内部空間を有する付加製造物を造形する技術が開示されている。 Patent Document 1 discloses a technology for manufacturing three-dimensional additive products using powder bed fusion additive manufacturing, in which the shape of the additive product is designed by applying topology optimization to three-dimensional data, and an additive product having an internal space is manufactured.

特開2019-167562号公報JP 2019-167562 A

一般に、トポロジー最適化を適用して付加製造物の形状を設計する場合、設計領域を付加製造物の全体にしてトポロジー最適化を行うと、最適化目的を設定する領域以外の領域を含んで最適化が行われる。これにより、相対的に重要度の低い箇所の影響を受ける場合があり、その結果、最適化目的を設定する領域における最適形状、換言すれば、最適化目的を達成する形状が設計されない可能性がある。又、三次元の付加製造物についてトポロジー最適化を行う場合、計算量が膨大になり、その結果、計算コストが増大すると共に解析時間(計算時間)が長くなる場合がある。 In general, when topology optimization is applied to design the shape of an additive product, if topology optimization is performed with the entire additive product as the design domain, optimization is performed including areas other than the area where the optimization objective is set. This may result in the influence of relatively less important parts, and as a result, the optimal shape in the area where the optimization objective is set, in other words, a shape that achieves the optimization objective, may not be designed. In addition, when topology optimization is performed for a three-dimensional additive product, the amount of calculation becomes enormous, which may result in increased calculation costs and longer analysis time (calculation time).

本発明は、計算コストを低減すると共に解析時間を短縮して最適形状を設計することができる付加製造物の設計方法、付加製造物の設計装置及び付加製造物の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention aims to provide a method for designing an additive product, an apparatus for designing an additive product, and a method for manufacturing an additive product, which can reduce calculation costs and shorten analysis time to design an optimal shape.

(付加製造物の設計方法)
本発明の一態様は、
材料粉末に光ビームを照射し、前記材料粉末を溶融及び凝固させて付加製造を行う付加製造装置により、内部空間を有するように付加製造される付加製造物を設計する付加製造物の設計方法であって、
付加製造する前記付加製造物のうち、前記内部空間を含む曲面であって、二次元に展開した場合に四角形となる前記曲面を設定する領域設定工程と、
前記領域設定工程にて設定された前記曲面を四角形に展開した展開図データに変換する変換工程と、
前記変換工程にて変換された前記展開図データにおいて所定の最適化目的に基づくトポロジー最適化を行う最適化工程と、
前記最適化工程にて前記トポロジー最適化を行った二次元データを三次元データに再変換する再変換工程と、
を順に実行する、付加製造物の設計方法にある。
(Method of designing additive manufacturing products)
One aspect of the present invention is
A method for designing an additive product that is additively manufactured to have an internal space by an additive manufacturing device that irradiates a material powder with a light beam and melts and solidifies the material powder to perform additive manufacturing, comprising:
A region setting process for setting a curved surface including the internal space of the additive product to be additively manufactured, the curved surface being a quadrangle when expanded two-dimensionally;
a conversion step of converting the curved surface set in the area setting step into development data in a quadrangle;
an optimization step of performing topology optimization based on a predetermined optimization objective on the development data converted in the conversion step;
a reconversion step of reconverting the two-dimensional data subjected to the topology optimization in the optimization step into three-dimensional data;
The present invention relates to a method for designing additive manufacturing products, which involves carrying out the steps above in sequence.

(付加製造物の設計装置)
本発明の他態様は、
材料粉末に光ビームを照射し、前記材料粉末を溶融及び凝固させて付加製造を行う付加製造装置により、内部空間を有するように付加製造される付加製造物を設計する付加製造物の設計装置であって、
付加製造する前記付加製造物のうち、前記内部空間を含む曲面であって、二次元に展開した場合に四角形となる前記曲面を設定する領域設定部と、
前記領域設定部にて設定された前記曲面を四角形に展開した展開図データに変換する領域展開部と、
前記領域展開部にて変換された前記展開図データにおいて所定の最適化目的に基づいてトポロジー最適化を行う最適化部と、
前記最適化部にて前記トポロジー最適化を行った二次元データを三次元データに再変換する再変換部と、
を備えた、付加製造物の設計装置にある。
(Additive manufacturing design device)
Another aspect of the present invention is
An additive manufacturing device that performs additive manufacturing by irradiating a material powder with a light beam and melting and solidifying the material powder, and designs an additive manufacturing product that is additively manufactured to have an internal space,
A region setting unit that sets a curved surface including the internal space of the additive product to be additively manufactured, the curved surface being a quadrangle when expanded two-dimensionally;
an area development unit for converting the curved surface set by the area setting unit into development data in which the curved surface is developed into a quadrangle;
an optimization unit that performs topology optimization on the development data converted by the region expansion unit based on a predetermined optimization objective;
a reconversion unit that reconverts the two-dimensional data that has been subjected to the topology optimization by the optimization unit into three-dimensional data;
The present invention relates to an additive manufacturing design device equipped with the above.

(付加製造物の製造方法
本発明の他の態様は、
前記付加製造物の設計方法による設計工程と、
前記付加製造物を製造する製造工程と、を備えた、付加製造物の製造方法であって、
前記付加製造物は、流体を流通する流路を有すると共に、溶融材料が供給されるキャビティを有する金型であり、
前記製造工程は、
前記材料粉末を供給する工程と、
前記材料粉末に対して前記光ビームを照射する工程と、
前記光ビームにより前記材料粉末を溶融する工程と、
溶融した前記材料粉末を凝固させる工程と、
を備える、付加製造物の製造方法にある。
また、本発明の他の態様は、
前記付加製造物の設計方法による設計工程と、
前記付加製造物を製造する製造工程と、を備えた、付加製造物の製造方法であって、
前記付加製造物は、流体を流通する流路を有すると共に、回転部材と前記回転部材を挿通する円筒形状部を有するハウジングとを備えた工作機械の主軸であり、
前記製造工程は、
前記材料粉末を供給する工程と、
前記材料粉末に対して前記光ビームを照射する工程と、
前記光ビームにより前記材料粉末を溶融する工程と、
溶融した前記材料粉末を凝固させる工程と、
を備える、付加製造物の製造方法にある。
( Method of manufacturing additive products)
Another aspect of the present invention is
A design process according to the additive manufacturing design method;
A manufacturing method for an additive product, comprising:
The additive product is a mold having a flow path for a fluid to flow through and a cavity into which a molten material is supplied;
The manufacturing process includes:
supplying the material powder;
irradiating the powdered material with the light beam;
melting the powder of material with the light beam;
solidifying the molten powder of material;
The present invention relates to a method for producing an additive product, comprising:
Another aspect of the present invention is
A design process according to the additive manufacturing design method;
A manufacturing method for an additive product, comprising:
The additive product is a main shaft of a machine tool having a flow path for flowing a fluid, and including a rotating member and a housing having a cylindrical portion through which the rotating member is inserted,
The manufacturing process includes:
supplying the material powder;
irradiating the powdered material with the light beam;
melting the powder of material with the light beam;
solidifying the molten powder of material;
The present invention relates to a method for producing an additive product, comprising:

これらによれば、最適化目的について相対的に重要度の高い第一領域を設定し、設定した第一領域を二次元に展開した後にトポロジー最適化を適用することができる。これにより、トポロジー最適化において、最適化目的について相対的に重要度の低い第二領域の影響を受けることなく、第一領域における最適形状、換言すれば、最適化目的を達成する形状を設計することができる。又、二次元に展開してトポロジー最適化を行うため、三次元の付加製造物についてトポロジー最適化を行う場合に比べて、計算量を低減することができ、その結果、計算コストを低減することができると共に解析時間(計算時間)を短縮することができる。 According to these methods, a first region that is relatively important for the optimization objective is set, and the set first region is expanded into two dimensions, after which topology optimization is applied. This makes it possible to design an optimal shape in the first region, in other words, a shape that achieves the optimization objective, without being affected by the second region that is relatively less important for the optimization objective. In addition, because topology optimization is performed by expanding into two dimensions, the amount of calculations can be reduced compared to when topology optimization is performed on a three-dimensional additive product, and as a result, calculation costs can be reduced and analysis time (calculation time) can be shortened.

付加製造装置及び最適形状設計装置を示す図である。FIG. 1 illustrates an additive manufacturing device and an optimal shape design device. 図1の付加製造装置の制御装置の構成を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of a control device of the additive manufacturing device of FIG. 1 . 図1の付加製造装置によって内部空間を有するように付加製造される付加製造物の構成を説明するための図である。FIG. 2 is a diagram for explaining the configuration of an additive product that is additively manufactured so as to have an internal space by the additive manufacturing apparatus of FIG. 図1の最適形状設計装置の構成を説明するためのブロック図である。FIG. 2 is a block diagram for explaining the configuration of the optimum shape design device of FIG. 1. 図4の領域設定部(領域設定工程)によって設定される第一領域及び第二領域を説明するための図である。5 is a diagram for explaining a first region and a second region set by the region setting unit (region setting step) in FIG. 4 . FIG. 図4の領域展開部(変換工程)によって出力される第一領域の展開図データを説明するための図である。5 is a diagram for explaining development view data of a first region outputted by the region development unit (conversion step) of FIG. 4 . FIG. 図4の流路構造設計部(最適化工程)により、トポロジー最適化を適用して設計される流路構造を説明するための図である。5 is a diagram for explaining a flow path structure designed by applying topology optimization by the flow path structure design unit (optimization step) in FIG. 4 . FIG. 図4の座標データ生成部(再変換工程)によって生成される流路構造の二次元の座標データを説明するための図である。5 is a diagram for explaining two-dimensional coordinate data of a flow channel structure generated by the coordinate data generating unit (reconversion step) in FIG. 4 . FIG. 図4の三次元モデル生成部(再変換工程)によって生成される三次元モデルを説明するための図である。5 is a diagram for explaining a three-dimensional model generated by the three-dimensional model generating unit (reconversion step) in FIG. 4 . FIG. 図4の最終形状設計部(形状最適化工程)によって最終的に設計された形状を説明するための図である。FIG. 5 is a diagram for explaining the shape finally designed by the final shape design unit (shape optimization process) of FIG. 4 . 第一別例に係り、図4の領域設定部(領域設定工程)によって設定される第一領域、第二領域、第三領域及び第四領域を説明するための図である。5 is a diagram for explaining a first region, a second region, a third region, and a fourth region set by the region setting unit (region setting step) in FIG. 4 according to a first modified example. FIG. 第一別例に係り、図4の領域展開部(変換工程)によって出力される第一領域、第三領域及び第四領域の展開図データを説明するための図である。5 is a diagram for explaining development view data of a first area, a third area, and a fourth area outputted by the area development unit (conversion step) of FIG. 4 according to a first modified example. FIG. 第一別例に係り、図4の流路構造設計部(最適化工程)により、トポロジー最適化を適用して設計される流路構造を説明するための図である。FIG. 5 is a diagram for explaining a flow path structure designed by applying topology optimization by the flow path structure design unit (optimization step) of FIG. 4 according to a first modified example. 第一別例に係り、図4の座標データ生成部(再変換工程)によって生成される流路構造の二次元の座標データを説明するための図である。5 is a diagram for explaining two-dimensional coordinate data of a flow path structure generated by the coordinate data generating unit (reconversion step) in FIG. 4 according to a first modified example. FIG. 図4の最終形状設計部(形状最適化工程)によって最終的に設計された形状を説明するための図である。FIG. 5 is a diagram for explaining the shape finally designed by the final shape design unit (shape optimization process) of FIG. 4 . 第二別例に係り、流路構造設計部(最適化工程)により設計される流路構造を説明するための図である。13A and 13B are diagrams for explaining a flow path structure designed by a flow path structure design unit (optimization step) according to a second modified example. 第二別例に係り、座標データ生成部(再変換工程)によって生成される流路構造の二次元の座標データを説明するための図である。13A and 13B are diagrams illustrating two-dimensional coordinate data of a flow path structure generated by a coordinate data generating unit (reconversion step) according to a second modified example. 第三別例に係る最適形状設計装置の構成を説明するためのブロック図である。FIG. 13 is a block diagram for explaining a configuration of an optimum shape design device according to a third modified example.

(1.付加製造装置1の構成)
付加製造装置1の構成について図面を参照しながら説明する。本例の付加製造装置1は、粉末床溶融結合方式であってSLM方式を採用する。付加製造装置1は、図1に示すように、層状に配置された(積層された)材料粉末としての金属粉末Sに光ビーム40aを照射することを繰り返すことによって、内部空間としての内部配管Tを有する付加製造物Wを製造する装置である。
(1. Configuration of additive manufacturing device 1)
The configuration of the additive manufacturing apparatus 1 will be described with reference to the drawings. The additive manufacturing apparatus 1 of this example employs a powder bed fusion method and an SLM method. As shown in FIG. 1, the additive manufacturing apparatus 1 is an apparatus for manufacturing an additive product W having an internal piping T as an internal space by repeatedly irradiating a light beam 40a onto a metal powder S as a material powder arranged in layers (layers).

ここで、光ビーム40aは、例えば、レーザビーム及び電子ビームを含み、その他に金属粉末Sを溶融することができる種々のビームを含む。又、レーザビームには、例えば、ファイバレーザ、CO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S(例えば、アルミ、ステンレス鋼、チタン、マルエージング鋼、合金工具鋼等)に応じて適宜決定される。 Here, the light beam 40a includes, for example, a laser beam and an electron beam, as well as various other beams capable of melting the metal powder S. In addition, various lasers such as a fiber laser, a CO2 laser (far-infrared laser), and a semiconductor laser can be applied to the laser beam, and the type is appropriately determined depending on the target metal powder S (for example, aluminum, stainless steel, titanium, maraging steel, alloy tool steel, etc.).

付加製造装置1は、図1に示すように、チャンバ10、付加製造物支持装置20、粉末供給装置30、光ビーム照射装置40、加熱装置50及び制御装置60を備える。 As shown in FIG. 1, the additive manufacturing device 1 includes a chamber 10, an additive product support device 20, a powder supply device 30, a light beam irradiation device 40, a heating device 50, and a control device 60.

チャンバ10は、内部の空気を、例えば、He(ヘリウム)やN(窒素)、Ar(アルゴン)等の不活性ガスに置換可能に構成されている。尚、チャンバ10は、内部を不活性ガスに置換することに代えて、内部を減圧可能な構成としても良い。 The chamber 10 is configured so that the air inside can be replaced with an inert gas such as He (helium), N2 (nitrogen), Ar (argon), etc. Note that the chamber 10 may be configured so that the pressure inside can be reduced instead of replacing the air inside with an inert gas.

付加製造物支持装置20は、チャンバ10の内部に設けられ、付加製造物Wを付加製造するための支持部材により構成されている。付加製造物支持装置20は、付加製造用容器21、昇降テーブル22及びベース23を備えている。付加製造用容器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している。昇降テーブル22は、付加製造用容器21の内部にて内壁面に沿うように上下方向に昇降動作可能に設けられる。ベース23は、昇降テーブル22の上面に着脱可能に載置され、ベース23の上面が付加製造物Wを付加製造するための部位となる。即ち、ベース23は、昇降テーブル22の降下に伴って上面に層状に金属粉末Sを配置すると共に、付加製造時に付加製造物Wを支持可能とされている。 The additive product support device 20 is provided inside the chamber 10 and is composed of a support member for additively manufacturing the additive product W. The additive product support device 20 includes an additive manufacturing container 21, a lift table 22, and a base 23. The additive manufacturing container 21 has an opening on the upper side and has an inner wall surface parallel to the vertical axis. The lift table 22 is provided so as to be movable up and down along the inner wall surface inside the additive manufacturing container 21. The base 23 is detachably placed on the upper surface of the lift table 22, and the upper surface of the base 23 is a portion for additively manufacturing the additive product W. In other words, the base 23 arranges the metal powder S in a layer on its upper surface as the lift table 22 descends, and is capable of supporting the additive product W during additive manufacturing.

粉末供給装置30は、チャンバ10の内部であって、付加製造物支持装置20に隣接して設けられている。粉末供給装置30は、粉末収納容器31、供給テーブル32及びリコータ33を備えている。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の開口部の高さは付加製造用容器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している。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ている。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Sが収納されている。 The powder supplying device 30 is provided inside the chamber 10 and adjacent to the additive manufacturing support device 20. The powder supplying device 30 includes a powder storage container 31, a supply table 32, and a recoater 33. The powder storage container 31 has an opening on the upper side, and the height of the opening of the powder storage container 31 is set to be the same as the height of the opening of the additive manufacturing container 21. The powder storage container 31 has an inner wall surface parallel to the vertical axis. The supply table 32 is provided inside the powder storage container 31 so as to be movable in the vertical direction along the inner wall surface. In the powder storage container 31, metal powder S is stored in the upper area of the supply table 32.

リコータ33は、付加製造用容器21の開口部及び粉末収納容器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、例えば、図1の左右方向にて右側から左側に移動するとき、即ち、粉末収納容器31の開口部から付加製造用容器21の開口部に向けて移動するときに、粉末収納容器31の開口部から盛り出ている金属粉末Sを付加製造用容器21に運搬する。これにより、金属粉末Sは、平らに敷き詰められる(配置される)。 The recoater 33 is provided so as to be able to move back and forth along the upper surfaces of both the openings of the additive manufacturing container 21 and the powder storage container 31 over the entire area of both openings. For example, when the recoater 33 moves from right to left in the left-right direction of FIG. 1, that is, when it moves from the opening of the powder storage container 31 toward the opening of the additive manufacturing container 21, it transports the metal powder S protruding from the opening of the powder storage container 31 to the additive manufacturing container 21. This causes the metal powder S to be spread (arranged) evenly.

更に、リコータ33は、降下した昇降テーブル22と共に降下したベース23の上面にて運搬した金属粉末Sを均し、ベース23の上面にて同種の金属粉末Sを層状に配置する、即ち、リコートする。ここで、「同種」とは、材料粉末である金属粉末Sの材質が同一であり、金属粉末Sの平均粒径等が所定の範囲内に含まれることを意味する。 The recoater 33 then smoothes the transported metal powder S on the upper surface of the base 23, which has been lowered together with the lowered lift table 22, and arranges the same type of metal powder S in a layer on the upper surface of the base 23, i.e., recoats it. Here, "the same type" means that the material of the metal powder S, which is the material powder, is the same, and the average particle size, etc. of the metal powder S falls within a specified range.

光ビーム照射装置40は、図1に示すように、例えば、チャンバ10の外部に配置されており、ベース23の上面に層状に配置された同種の金属粉末Sの表面にチャンバ10の外部から光ビーム40aを照射する。尚、本例においては、光ビーム照射装置40をチャンバ10の外部に配置する場合を例示するが、光ビーム照射装置40をチャンバ10の内部に配置することも可能である。 As shown in FIG. 1, the light beam irradiation device 40 is arranged, for example, outside the chamber 10, and irradiates a light beam 40a from outside the chamber 10 onto the surface of the same type of metal powder S arranged in a layer on the upper surface of the base 23. Note that, although this example illustrates a case where the light beam irradiation device 40 is arranged outside the chamber 10, it is also possible to arrange the light beam irradiation device 40 inside the chamber 10.

光ビーム照射装置40は、リコートされた金属粉末Sに光ビーム40a(例えば、上述したレーザビーム及び電子ビーム等)を照射することにより、金属粉末Sを融点以上の温度に加熱する。これにより、金属粉末Sは溶融してその後凝固し(又は焼結し)、一体化された層からなる付加製造物Wが付加製造される。即ち、隣接する金属粉末S同士は、溶融結合によって一体化される。 The light beam irradiation device 40 irradiates the recoated metal powder S with a light beam 40a (e.g., the laser beam and electron beam described above, etc.) to heat the metal powder S to a temperature above its melting point. This causes the metal powder S to melt and then solidify (or sinter), and an additive product W consisting of an integrated layer is additively manufactured. In other words, adjacent metal powders S are integrated by fusion bonding.

光ビーム照射装置40は、レーザ発振器41及びレーザヘッド42を備えている。又、光ビーム照射装置40は、レーザ発振器41から発振された光ビーム40a(例えば、近赤外レーザ光)をレーザヘッド42に伝送する光ファイバ43を備えている。 The light beam irradiation device 40 includes a laser oscillator 41 and a laser head 42. The light beam irradiation device 40 also includes an optical fiber 43 that transmits the light beam 40a (e.g., near-infrared laser light) oscillated from the laser oscillator 41 to the laser head 42.

光ビーム照射装置40は、予め設定されたプログラムに従って、光ビーム40aの照射位置を移動すると共に、ビーム強度を変更することができる。光ビーム40aの照射位置を移動することにより、図2に示すように、流路としての内部配管Tを有する三次元の付加製造物Wを付加製造することができる。ここで、光ビーム40aは、加熱装置50により加熱される範囲よりも狭い範囲に対して照射可能である。尚、光ビーム40aは、チャンバ10の上側に設けられる透明なガラス又は樹脂を通してチャンバ10内に照射されるようになっている。 The light beam irradiation device 40 can move the irradiation position of the light beam 40a and change the beam intensity according to a preset program. By moving the irradiation position of the light beam 40a, a three-dimensional additive product W having an internal piping T as a flow path can be additively manufactured as shown in FIG. 2. Here, the light beam 40a can be irradiated to an area narrower than the area heated by the heating device 50. The light beam 40a is irradiated into the chamber 10 through transparent glass or resin provided on the upper side of the chamber 10.

加熱装置50は、昇降テーブル22に内蔵される。加熱装置50は、ベース23を介して付加製造物Wを加熱するためのヒータであり、昇降テーブル22を介してベース23の全体を加熱する。加熱装置50は、例えば、コイルヒータ、カートリッジヒータ、ノズルヒータ、面状ヒータ等、種々のヒータを適用できる。加熱装置50による加熱範囲は、光ビーム40aの照射範囲を一部に含む範囲に設定されている。ここで、加熱装置50は、光ビーム40aのように金属粉末Sを溶融させることはない。 The heating device 50 is built into the lift table 22. The heating device 50 is a heater for heating the additive product W via the base 23, and heats the entire base 23 via the lift table 22. The heating device 50 can be various heaters, such as a coil heater, cartridge heater, nozzle heater, or planar heater. The heating range by the heating device 50 is set to a range that includes part of the irradiation range of the light beam 40a. Here, the heating device 50 does not melt the metal powder S, unlike the light beam 40a.

(2.制御装置60の構成)
制御装置60は、CPU、ROM、RAM、インターフェース等を主要構成部品とするマイクロコンピュータであり、付加製造装置1の作動を統括的に制御する。即ち、制御装置60は、付加製造物支持装置20、粉末供給装置30、光ビーム照射装置40及び加熱装置50を制御する。このため、制御装置60は、図2に示すように、データ記憶部61、昇降テーブル作動制御部62、粉末供給制御部63、光ビーム照射制御部64及び加熱制御部65を備える。又、制御装置60は、後述する最適形状設計装置70と通信可能に接続されている。
(2. Configuration of control device 60)
The control device 60 is a microcomputer whose main components include a CPU, a ROM, a RAM, an interface, etc., and controls the overall operation of the additive manufacturing device 1. That is, the control device 60 controls the additive product support device 20, the powder supply device 30, the light beam irradiation device 40, and the heating device 50. For this reason, as shown in Fig. 2, the control device 60 includes a data storage unit 61, a lift table operation control unit 62, a powder supply control unit 63, a light beam irradiation control unit 64, and a heating control unit 65. In addition, the control device 60 is connected to an optimal shape design device 70 described later so as to be able to communicate with the device.

データ記憶部61は、二次元又は三次元の形状に造形される内部配管Tを有する付加製造物Wを所定の厚さで分割した分割層毎のデータが含まれていて、分割層における形状を表す形状データSDを含む各種データを記憶している。ここで、形状データSDは、図2にて詳細な図示を省略する最適形状設計装置70から供給されるようになっている。尚、最適形状設計装置70は、所謂、CAD(Computer Aided Design)機能を有している。 The data storage unit 61 contains data for each divided layer obtained by dividing the additive product W having internal piping T formed into a two-dimensional or three-dimensional shape at a predetermined thickness, and stores various data including shape data SD that represents the shape of the divided layer. Here, the shape data SD is supplied from an optimal shape design device 70, the details of which are omitted in FIG. 2. The optimal shape design device 70 has a so-called CAD (Computer Aided Design) function.

昇降テーブル作動制御部62は、昇降テーブル22を昇降させる駆動装置(図示省略)の作動を制御する。昇降テーブル作動制御部62は、粉末供給装置30が金属粉末Sを供給する際において、予め設定された降下量となるように昇降テーブル22を降下させる。 The lift table operation control unit 62 controls the operation of a drive device (not shown) that raises and lowers the lift table 22. When the powder supplying device 30 supplies the metal powder S, the lift table operation control unit 62 lowers the lift table 22 to a preset lowering amount.

粉末供給制御部63は、粉末供給装置30の作動を制御するものである。具体的に、粉末供給制御部63は、供給テーブル32を上下方向に移動させて粉末収納容器31に収容された金属粉末Sを粉末収納容器31の開口部から盛り出させると共に、リコータ33を往復移動させるように制御する。 The powder supply control unit 63 controls the operation of the powder supply device 30. Specifically, the powder supply control unit 63 controls the supply table 32 to move vertically to cause the metal powder S contained in the powder storage container 31 to be pushed out from the opening of the powder storage container 31, and controls the recoater 33 to move back and forth.

光ビーム照射制御部64は、光ビーム照射装置40の作動を制御するものである。具体的に、光ビーム照射制御部64は、光ビーム照射装置40が照射する光ビーム40aの照射位置(照射軌跡)及びビーム強度を、データ記憶部61に記憶されている形状データSDに基づいて制御する。 The light beam irradiation control unit 64 controls the operation of the light beam irradiation device 40. Specifically, the light beam irradiation control unit 64 controls the irradiation position (irradiation trajectory) and beam intensity of the light beam 40a irradiated by the light beam irradiation device 40 based on the shape data SD stored in the data storage unit 61.

加熱制御部65は、加熱装置50の作動を制御するものである。尚、加熱制御部65による加熱装置50の作動制御の詳細については、本発明に直接関係しないため、その説明を省略する。 The heating control unit 65 controls the operation of the heating device 50. Note that the details of the operation control of the heating device 50 by the heating control unit 65 are not directly related to the present invention, so a description thereof will be omitted.

(3.付加製造物Wの例)
付加製造物Wの例について、図3を参照して説明する。付加製造物Wは、上述した付加製造装置1により付加製造(造形)される。従って、付加製造物Wは、任意の三次元形状とすることができる。本例の付加製造物Wは、射出成形、プレス加工等に用いられる金型を例に挙げる。尚、付加製造物Wは、金型に限られず、各種製品、部品等とすることが可能であることは言うまでもない。
(3. Examples of additive products W)
An example of the additive product W will be described with reference to FIG. 3. The additive product W is additively manufactured (modeled) by the additive manufacturing device 1 described above. Therefore, the additive product W can be any three-dimensional shape. In this example, the additive product W is exemplified by a mold used for injection molding, press processing, etc. It goes without saying that the additive product W is not limited to a mold, and can be various products, parts, etc.

付加製造物Wは、例えば、直方体の外形を有する。尚、付加製造物Wの外形は、任意の形状とすることができる。付加製造物Wは、金型に形成されて溶融材料が供給されるキャビティとしての凹部Hを有する。凹部Hは、図3の上面に、例えば、円形に開口するように形成されている。本例においては、凹部Hは、円筒内周面(円筒部分)及び底面(図3の下方の円形面)を有する有底円筒形状である。 The additive product W has, for example, a rectangular parallelepiped outer shape. The outer shape of the additive product W can be any shape. The additive product W has a recess H as a cavity formed in a mold into which molten material is supplied. The recess H is formed on the upper surface of FIG. 3 so as to open, for example, in a circular shape. In this example, the recess H is a cylindrical shape with a bottom, having a cylindrical inner circumferential surface (cylindrical portion) and a bottom surface (the circular surface at the bottom of FIG. 3).

付加製造物Wは、更に、内部空間として、流路である内部配管Tを有する。内部配管Tは、冷却対象部である凹部Hに隣接して配置され、凹部Hの円筒部分の周面に沿った曲線形状に形成されるものであり、流体として、例えば、凹部Hの周面を冷却するための冷却媒体である冷却水が流通する。尚、冷却媒体は、液体に限られず、気体であっても良い。内部配管Tの流路構造は、後述する最適形状設計装置70により、例えば、凹部Hの周面における冷却効果が良好となるように設計される。本例において、内部配管Tは、冷却水を流入する流入口Iと冷却水を排出する流出口Oとに接続されて凹部Hの周面に沿った曲線形状、即ち、円弧状に形成される。 The additive product W further has an internal piping T, which is a flow path, as an internal space. The internal piping T is disposed adjacent to the recess H, which is the cooling target, and is formed in a curved shape along the circumferential surface of the cylindrical portion of the recess H, and a fluid, for example, cooling water, which is a cooling medium for cooling the circumferential surface of the recess H, flows through the internal piping T. The cooling medium is not limited to a liquid, and may be a gas. The flow path structure of the internal piping T is designed by an optimal shape design device 70, which will be described later, so that, for example, the cooling effect on the circumferential surface of the recess H is good. In this example, the internal piping T is connected to an inlet I through which the cooling water flows and an outlet O through which the cooling water is discharged, and is formed in a curved shape, i.e., an arc shape, along the circumferential surface of the recess H.

又、本例において、最適形状として設計された内部配管Tの流路構造は、流入口Iから流入した冷却水を凹部Hの周囲にて分岐して流出口Oまで流通させる第一配管T1及び第二配管T2を有する。更に、内部配管Tの流路構造は、第一配管T1が流通部分T11,T12に分岐されると共に、第二配管T2が流通部分T21,T22に分岐されるように設計されて形成される。 In this example, the flow path structure of the internal pipe T designed as the optimal shape has a first pipe T1 and a second pipe T2 that branch the cooling water flowing in from the inlet I around the recess H and circulates it to the outlet O. Furthermore, the flow path structure of the internal pipe T is designed and formed so that the first pipe T1 branches into flow portions T11 and T12, and the second pipe T2 branches into flow portions T21 and T22.

ここで、内部配管Tの中心線周りの形状は、円弧状としたが、任意の形状とすることができる。又、金型のキャビティとしての凹部Hの形状は、成形対象の形状に応じて適宜変更される。そこで、内部配管Tも、キャビティとなる凹部Hの形状に応じた適宜の形状とすることができる。 Here, the shape of the internal pipe T around the center line is an arc shape, but it can be any shape. Also, the shape of the recess H as the cavity of the mold is changed appropriately according to the shape of the object to be molded. Therefore, the internal pipe T can also be made into an appropriate shape according to the shape of the recess H that will become the cavity.

又、付加製造物Wは、例えば、工作機械の主軸等とすることもできる。工作機械の主軸には、主軸の回転部材を挿通する円筒形状部の冷却用の流路が形成されている。この場合、例えば、冷却効果(冷却性能)に応じて、流路を螺旋状等の任意の形状として形成することができる。 The additive product W can also be, for example, the spindle of a machine tool. The spindle of the machine tool has a cooling flow passage formed in a cylindrical portion through which the rotating member of the spindle passes. In this case, for example, the flow passage can be formed in any shape, such as a spiral, depending on the cooling effect (cooling performance).

(4.最適形状設計装置70の構成)
本例の設計装置としての最適形状設計装置70は、付加製造装置1によって付加製造される付加製造物Wについて、内部空間であって流路としての内部配管Tを流通する流体の特性に関連する最適化目的を実現するように、内部配管Tの最適形状を設計する。ここで、本例の流体の特性としては、流体である冷却媒体としての冷却水が冷却対象部である凹部Hを冷却する冷却特性を例に挙げることができる。そして、本例の最適化目的としては、凹部Hにおける冷却温度のバラつきを最小化して効率良く冷却する、即ち、流体である冷却水の冷却特性のバラつきを最小化することができる内部配管Tの最適形状を設計する。特に、最適形状設計装置70は、トポロジー最適化を適用することで、最適な内部配管Tの流路構造を設計する。
(4. Configuration of optimal shape design device 70)
The optimal shape design device 70 as a design device of this example designs an optimal shape of the internal pipe T for the additive product W additively manufactured by the additive manufacturing device 1 so as to realize an optimization objective related to the characteristics of the fluid flowing through the internal pipe T as a flow path, which is an internal space. Here, an example of the fluid characteristics in this example is the cooling characteristics of the cooling water as a cooling medium, which is a fluid, cooling the recess H, which is the cooling target. The optimization objective in this example is to design an optimal shape of the internal pipe T that can minimize the variation in the cooling temperature in the recess H and efficiently cool it, that is, minimize the variation in the cooling characteristics of the cooling water, which is a fluid. In particular, the optimal shape design device 70 designs an optimal flow path structure of the internal pipe T by applying topology optimization.

最適形状設計装置70は、図4に示すように、領域設定部71、領域展開部72、流路構造設計部73、座標データ生成部74、三次元モデル生成部75、最終形状設計部76を備える。最適形状設計装置70を構成する各部71,72,73,74,75,76は、プロセッサや記憶装置等により構成されており、プロセッサによって図示省略のプログラムが実行されることにより実現される。 As shown in FIG. 4, the optimal shape design device 70 includes a region setting unit 71, a region expansion unit 72, a flow path structure design unit 73, a coordinate data generation unit 74, a three-dimensional model generation unit 75, and a final shape design unit 76. Each of the units 71, 72, 73, 74, 75, and 76 constituting the optimal shape design device 70 is configured with a processor, a storage device, etc., and is realized by the processor executing a program (not shown).

領域設定部71は、領域設定工程を実行する。領域設定部71は、図5に示すように、内部配管Tを省略した三次元形状の仮の付加製造物W1について、内部配管Tを設ける、即ち、流路構造を設計する領域であって最適化目的についての重要度が相対的に高い第一領域R1と、流路構造を設計しない領域であって最適化目的についての重要度が相対的に低い第二領域R2とを設定する。本例において、形成される内部配管Tは、上述したように、トポロジー最適化における最適化目的として、最終的な付加製造物Wにおいて凹部Hの周囲を、バラつきを小さくして効率良く冷却することである。このため、領域設定部71は、冷却対象部として図5にて太線で示す凹部Hの周囲、より詳しくは、冷却する重要度の高い凹部Hの周面即ち二次元の面を第一領域R1として設定し、凹部Hの周囲から離間した部分、即ち、冷却する重要度の低い部分を第二領域R2として設定する。 The region setting unit 71 executes the region setting process. As shown in FIG. 5, the region setting unit 71 sets a first region R1 in which the internal piping T is provided for a temporary additive product W1 of a three-dimensional shape in which the internal piping T is omitted, that is, a region in which the flow path structure is designed and has a relatively high importance for the optimization purpose, and a second region R2 in which the flow path structure is not designed and has a relatively low importance for the optimization purpose. In this example, as described above, the internal piping T formed is to efficiently cool the periphery of the recess H in the final additive product W with reduced variation as an optimization purpose in topology optimization. For this reason, the region setting unit 71 sets the periphery of the recess H shown by the thick line in FIG. 5 as the cooling target part, more specifically, the peripheral surface of the recess H with high importance for cooling, i.e., the two-dimensional surface, as the first region R1, and sets the part away from the periphery of the recess H, i.e., the part with low importance for cooling, as the second region R2.

領域展開部72は、変換工程を実行する。領域展開部72は、領域設定部71によって設定された面である第一領域R1即ち凹部Hの周面について、図6に示すように、例えば、最終的に設定される流入口Iと流出口Oとが両端部に位置するように、第一領域R1(即ち、二次元である凹部Hの周面)を展開した展開図データOZを出力する。この場合、後述するように、流路構造設計部73は、展開された第一領域R1を表す展開図データOZについて、流入口Iと流出口Oとを連通する流路構造を設計する。 The area expansion unit 72 executes a conversion process. The area expansion unit 72 outputs development data OZ in which the first area R1 (i.e., the two-dimensional peripheral surface of the recess H) is expanded so that the inlet I and outlet O to be finally set are located at both ends, as shown in FIG. 6, for the first area R1, which is the surface set by the area setting unit 71, i.e., the peripheral surface of the recess H. In this case, as described below, the flow path structure design unit 73 designs a flow path structure that connects the inlet I and outlet O for the development data OZ representing the expanded first area R1.

流路構造設計部73は、最適化工程を実行する。本例の流路構造設計部73は、二次元に展開された第一領域R1の展開図データOZについて、予め実験的に測定することができる凹部Hの実冷却温度が設定された目標冷却温度に対するバラつきを少なくして維持されるように、トポロジー最適化を適用して流路構造即ち内部配管Tを構成する第一配管T1(流通部分T11,T12)及び第二配管T2(流通部分T21,T22)を設計する。設計された第一配管T1(流通部分T11,T12)及び第二配管T2(流通部分T21,T22)は、例えば、図7に示す流路構造Zである。 The flow path structure design unit 73 executes an optimization process. In this example, the flow path structure design unit 73 applies topology optimization to the development diagram data OZ of the first region R1 developed in two dimensions, so that the actual cooling temperature of the recess H, which can be experimentally measured in advance, is maintained with reduced variation from the set target cooling temperature. The designed first pipe T1 (flow portions T11, T12) and second pipe T2 (flow portions T21, T22) are, for example, the flow path structure Z shown in FIG. 7.

ここで、流路構造設計部73は、二次元に展開された第一領域R1の展開図データOZ、即ち、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、例えば、第一領域R1を展開する前の三次元データに関するトポロジー最適化を行う場合に比べて、トポロジー最適化に要する処理時間を短くすることができる。又、流路構造設計部73は、冷却対象部である第一領域R1、即ち、付加製造物Wの凹部Hの周面についてのみトポロジー最適化を適用する。これにより、トポロジー最適化において、冷却対象部とならない第二領域R2の影響を排除することができ、凹部Hの周面の冷却に特化した内部配管Tの流路構造Zを設計することができる。 Here, the flow path structure design unit 73 applies topology optimization to the development view data OZ of the first region R1 expanded in two dimensions, i.e., the two-dimensional data. Therefore, for example, the processing time required for topology optimization can be shortened compared to performing topology optimization on the three-dimensional data before expanding the first region R1. Furthermore, the flow path structure design unit 73 applies topology optimization only to the first region R1, which is the cooling target, i.e., the peripheral surface of the recess H of the additive product W. This makes it possible to eliminate the influence of the second region R2, which is not the cooling target, in the topology optimization, and to design a flow path structure Z of the internal piping T specialized for cooling the peripheral surface of the recess H.

より詳細には、流路構造設計部73は、第一領域R1において目標冷却温度に対する実冷却温度のバラつき(所謂、冷却ムラ)を最小化することを目的関数とし、且つ、内部配管Tの凹部Hの径方向への広がりがゼロとなることを制約関数としてトポロジー最適化を適用する。このようなトポロジー最適化により得られた内部配管Tの流路構造Zは、凹部Hの周面における冷却温度のバラつきを小さくできる構造である。但し、トポロジー最適化においては、内部配管Tの凹部Hの径方向への広がりが制限されている。換言すれば、内部配管Tの流路構造Zは、二次元の第一領域R1において展開された二次元構造を有するに過ぎない。このため、トポロジー最適化により設計された内部配管Tの流路構造Zを、凹部Hの径方向に広げて三次元形状とする必要がある。 More specifically, the flow path structure design unit 73 applies topology optimization with the objective function of minimizing the variation in the actual cooling temperature relative to the target cooling temperature in the first region R1 (so-called cooling unevenness), and with the constraint function of zero radial expansion of the recess H of the internal pipe T. The flow path structure Z of the internal pipe T obtained by such topology optimization is a structure that can reduce the variation in the cooling temperature on the circumferential surface of the recess H. However, in topology optimization, the radial expansion of the recess H of the internal pipe T is limited. In other words, the flow path structure Z of the internal pipe T only has a two-dimensional structure expanded in the two-dimensional first region R1. For this reason, it is necessary to expand the flow path structure Z of the internal pipe T designed by topology optimization in the radial direction of the recess H to form a three-dimensional shape.

座標データ生成部74は、再変換工程を実行する。座標データ生成部74は、流路構造設計部73がトポロジー最適化により設計した二次元の流路構造Zについて、図8に示すように、二次元座標上における流路構造Zの形状の座標データZDを生成する。尚、図8に示す座標データZDおいて、横軸は付加製造物Wの凹部Hの周面の長さに対応し、縦軸は付加製造物Wの凹部Hの軸方向の長さに対応する。座標データ生成部74は、流路構造設計部73がトポロジー最適化により設計した内部配管Tの流路構造Zについて、凹部Hの周面の長さに対する凹部Hの軸方向の長さの二次元座標上における座標データZDを生成する。 The coordinate data generating unit 74 executes a reconversion process. The coordinate data generating unit 74 generates coordinate data ZD of the shape of the flow path structure Z on two-dimensional coordinates as shown in FIG. 8 for the two-dimensional flow path structure Z designed by the flow path structure design unit 73 through topology optimization. In the coordinate data ZD shown in FIG. 8, the horizontal axis corresponds to the length of the circumferential surface of the recess H of the additive product W, and the vertical axis corresponds to the axial length of the recess H of the additive product W. The coordinate data generating unit 74 generates coordinate data ZD on two-dimensional coordinates of the axial length of the recess H relative to the length of the circumferential surface of the recess H for the flow path structure Z of the internal piping T designed by the flow path structure design unit 73 through topology optimization.

三次元モデル生成部75は、再変換工程を実行する。三次元モデル生成部75は、座標データ生成部74によって生成された二次元座標上における座標データZDについて、本例においては、流入口Iと流出口Oとが互いに隣接して配置される三次元モデル、換言すれば、三次元データを生成するように、計算処理を行う。即ち、この計算処理により、図8に示した横軸が付加製造物Wの凹部Hの周面に対応して円形に変換されると共に縦軸が凹部Hの軸方向に一致し、その結果、トポロジー最適化により設計された二次元の流路構造Zは凹部Hの周面に沿って配置される三次元データに再変換される。そして、三次元モデル生成部75は、内部配管T、より詳しくは、第一配管T1の流通部分T11,T12及び第二配管T2の流通部分T21,T22に予め設定された管径の大きさに基づいて、図9に示すように、二次元の流路構造を凹部Hの径方向に広げる。これにより、図9に示すように、内部配管Tを三次元化した即ち三次元データを有する三次元モデルMを生成する。 The three-dimensional model generating unit 75 executes a reconversion process. The three-dimensional model generating unit 75 performs a calculation process on the coordinate data ZD on the two-dimensional coordinates generated by the coordinate data generating unit 74 to generate a three-dimensional model, in other words, three-dimensional data, in which the inlet I and the outlet O are arranged adjacent to each other in this example. That is, by this calculation process, the horizontal axis shown in FIG. 8 is converted into a circle corresponding to the circumferential surface of the recess H of the additive product W, and the vertical axis coincides with the axial direction of the recess H, and as a result, the two-dimensional flow path structure Z designed by topology optimization is reconverted into three-dimensional data arranged along the circumferential surface of the recess H. Then, the three-dimensional model generating unit 75 expands the two-dimensional flow path structure in the radial direction of the recess H as shown in FIG. 9 based on the size of the pipe diameter preset for the internal pipe T, more specifically, the flow parts T11 and T12 of the first pipe T1 and the flow parts T21 and T22 of the second pipe T2. As a result, a three-dimensional model M in which the internal pipe T is three-dimensionalized, that is, having three-dimensional data, is generated as shown in FIG. 9.

最終形状設計部76は、形状最適化工程を実行する。最終形状設計部76は、再変換工程において座標データ生成部74及び三次元モデル生成部75によって生成された三次元モデルMについて、例えば、付加製造装置1における付加製造制約等を加味し、図10に示すように、付加製造装置1によって付加製造可能な内部配管Tを最終的に設計する。この場合、最終形状設計部76は、内部配管Tと流入口I及び流出口Oとを各々連通する通路も最終的に設計する。そして、最終形状設計部76は、形状最適化した内部配管Tを含む付加製造物Wの形状を表す形状データSDを制御装置60に出力する。 The final shape design unit 76 executes a shape optimization process. The final shape design unit 76 takes into account, for example, additive manufacturing constraints in the additive manufacturing device 1 for the three-dimensional model M generated by the coordinate data generation unit 74 and the three-dimensional model generation unit 75 in the reconversion process, and finally designs an internal piping T that can be additively manufactured by the additive manufacturing device 1, as shown in FIG. 10. In this case, the final shape design unit 76 also finally designs the passages that respectively connect the internal piping T to the inlet I and the outlet O. Then, the final shape design unit 76 outputs shape data SD that represents the shape of the additive product W including the shape-optimized internal piping T to the control device 60.

制御装置60においては、最適形状設計装置70の最終形状設計部76から出力された形状データSDに基づき、付加製造装置1を作動させる。これにより、図3に示すように、最適形状の内部配管T(内部空間であって流路)を有する付加製造物W(金型)を付加製造することができる。 In the control device 60, the additive manufacturing device 1 is operated based on the shape data SD output from the final shape design unit 76 of the optimal shape design device 70. This makes it possible to additively manufacture an additive product W (mold) having an optimally shaped internal piping T (internal space and flow path) as shown in FIG. 3.

以上の説明からも理解できるように、本例の最適形状設計装置70によれば、領域設定工程において領域設定部71が最適化目的について相対的に重要度の高い第一領域R1を設定し、変換工程において領域展開部72が設定された第一領域R1を二次元に展開した後に、最適化工程において流路構造設計部73が第一領域R1の展開図データOZに対してトポロジー最適化を適用して流路構造Zを設計することができる。そして、再変換工程において座標データ生成部74及び三次元モデル生成部75によって流路構造Zに基づく内部配管Tの三次元データを有する三次元モデルMが生成され、形状最適化工程において最終形状設計部76が最終的な内部配管Tの形状を設計して、形状データSDを付加製造装置1の制御装置60に出力することができる。 As can be understood from the above explanation, according to the optimal shape design device 70 of this example, in the region setting process, the region setting unit 71 sets a first region R1 that is relatively important for the optimization purpose, and in the conversion process, the region expansion unit 72 expands the set first region R1 into two dimensions, and then in the optimization process, the flow path structure design unit 73 applies topology optimization to the expansion view data OZ of the first region R1 to design the flow path structure Z. Then, in the reconversion process, the coordinate data generation unit 74 and the three-dimensional model generation unit 75 generate a three-dimensional model M having three-dimensional data of the internal piping T based on the flow path structure Z, and in the shape optimization process, the final shape design unit 76 designs the final shape of the internal piping T and outputs the shape data SD to the control device 60 of the additive manufacturing device 1.

これにより、トポロジー最適化において、最適化目的について相対的に重要度の低い第二領域R2の影響を受けることなく、第一領域R1における最適形状、換言すれば、最適化目的を達成する内部配管T(内部空間(流路))の形状を設計することができる。又、二次元に展開した展開図データOZについてトポロジー最適化を行うため、三次元の付加製造物Wについてトポロジー最適化を行う場合に比べて、計算量を低減することができ、その結果、計算コストを低減することができると共に解析時間(計算時間)を短縮することができる。 As a result, in topology optimization, it is possible to design the optimal shape in the first region R1, in other words, the shape of the internal piping T (internal space (flow path)) that achieves the optimization objective, without being affected by the second region R2, which is relatively less important for the optimization objective. In addition, because topology optimization is performed on the two-dimensionally expanded development data OZ, the amount of calculations can be reduced compared to when topology optimization is performed on a three-dimensional additive product W, and as a result, calculation costs can be reduced and analysis time (calculation time) can be shortened.

(5.第一別例)
上述した本例では、最適形状設計装置70の領域設定部71が流路構造Zを設計する領域、換言すれば、温度制御を行う領域である第一領域R1を設定するようにした。そして、上述した本例では、流路構造設計部73がトポロジー最適化を適用することにより、第一領域R1において内部配管Tを有する流路構造Zを設計するようにした。そして、上述した本例では、最終形状設計部76が内部配管Tと流入口I及び流出口Oとを各々連通する通路を設計するようにした。
(5. First Alternative Example)
In the above-described example, the region setting unit 71 of the optimal shape design device 70 sets a first region R1 which is a region for designing the flow path structure Z, in other words, a region for performing temperature control. In the above-described example, the flow path structure design unit 73 applies topology optimization to design the flow path structure Z having the internal piping T in the first region R1. In the above-described example, the final shape design unit 76 designs passages that respectively connect the internal piping T to the inlet I and the outlet O.

これに代えて、流路構造設計部73が圧力(圧力損失)に関するトポロジー最適化を適用して、設計した内部配管Tと流入口I及び流出口Oの各々とを連通する配管を設計することも可能である。以下、第一別例を具体的に説明する。 Alternatively, the flow path structure design unit 73 can apply topology optimization related to pressure (pressure loss) to design piping that connects the designed internal piping T with each of the inlet I and outlet O. The first alternative example is described in detail below.

第一別例においては、最適形状設計装置70の領域設定部71は、上述した本例と同様にして第一領域R1及び第二領域R2を設定することに加え、図11に示すように、例えば、第一領域R1の始端R1aと流入口Iとを結ぶ凹部Hの径方向における最短経路を含む断面である第三領域R3、及び、第一領域R1の終端R1bと流出口Oとを結ぶ凹部Hの径方向における最短経路を含む断面である第四領域R4を設定する。尚、第一別例においては、第三領域R3及び第四領域R4は、それぞれ、始端R1aと流入口Iとを結ぶ最短経路を含む断面及び終端R1bと流出口Oとを結ぶ最短経路を含む断面であるとする。しかし、第三領域R3及び第四領域R4は、それぞれ、始端R1aと流入口Iとを含む断面及び終端R1bと流出口Oとを含む断面であっても良い。 In the first variant, the region setting unit 71 of the optimal shape design device 70 sets the first region R1 and the second region R2 in the same manner as in the present example described above, and also sets, as shown in FIG. 11, a third region R3, which is a cross section including the shortest path in the radial direction of the recess H connecting the start end R1a of the first region R1 and the inlet I, and a fourth region R4, which is a cross section including the shortest path in the radial direction of the recess H connecting the end R1b of the first region R1 and the outlet O. In the first variant, the third region R3 and the fourth region R4 are respectively a cross section including the shortest path connecting the start end R1a and the inlet I and a cross section including the shortest path connecting the end R1b and the outlet O. However, the third region R3 and the fourth region R4 may be respectively a cross section including the start end R1a and the inlet I and a cross section including the end R1b and the outlet O.

そして、第一別例においては、最適形状設計装置70の領域展開部72は、領域設定部71によって設定された面である第一領域R1、第三領域R3及び第四領域R4について、図12に示すように、展開図データOZ1を出力する。ここで、展開図データOZ1においては、第三領域R3に流入口Iが位置すると共に第四領域R4に流出口Oが位置する。そして、第一別例においては、流路構造設計部73は、第一領域R1、第三領域R3及び第四領域R4が展開された展開図データOZ1について、流路構造Z1を設計する。 In the first variant, the region expansion unit 72 of the optimal shape design device 70 outputs development data OZ1 as shown in FIG. 12 for the first region R1, third region R3, and fourth region R4, which are surfaces set by the region setting unit 71. Here, in the development data OZ1, the inlet I is located in the third region R3, and the outlet O is located in the fourth region R4. In the first variant, the flow path structure design unit 73 designs the flow path structure Z1 for the development data OZ1 in which the first region R1, third region R3, and fourth region R4 are expanded.

具体的に、流路構造設計部73は、上述した本例と同様にして温度制御に関するトポロジー最適化を適用することによって第一領域R1に内部配管Tを設計する。又、流路構造設計部73は、二次元に展開された第三領域R3及び第四領域R4の展開図データOZについて、圧力損失を小さくして維持されるように、トポロジー最適化を適用して第三領域R3に内部配管Tと流入口Iとを連通する流入配管T3を設計すると共に第四領域R4に内部配管Tと流出口Oとを連通する流出配管T4を設計する。 Specifically, the flow path structure design unit 73 designs the internal piping T in the first region R1 by applying topology optimization related to temperature control in the same manner as in the present example described above. In addition, the flow path structure design unit 73 applies topology optimization to the two-dimensionally expanded development data OZ of the third region R3 and the fourth region R4 to design an inflow piping T3 that connects the internal piping T to the inlet I in the third region R3, and designs an outflow piping T4 that connects the internal piping T to the outlet O in the fourth region R4, so as to reduce and maintain pressure loss.

ここで、流路構造設計部73は、内部配管Tと、流入配管T3及び流出配管T4との接続位置についても、圧力(圧力損失)に関するトポロジー最適化を適用して決定する。これにより、内部配管T、流入配管T3及び流出配管T4の全体における圧力損失を小さくすることができる。設計された内部配管T、流入配管T3及び流出配管T4は、例えば、図13に示す流路構造Z1である。 Here, the flow path structure design unit 73 also determines the connection positions of the internal pipe T with the inlet pipe T3 and the outlet pipe T4 by applying topology optimization related to pressure (pressure loss). This makes it possible to reduce the overall pressure loss in the internal pipe T, the inlet pipe T3 and the outlet pipe T4. The designed internal pipe T, the inlet pipe T3 and the outlet pipe T4 are, for example, the flow path structure Z1 shown in FIG. 13.

ここで、第一別例においても、流路構造設計部73は、二次元に展開された第一領域R1、第三領域R3及び第四領域R4の展開図データOZ1、即ち、二次元データに関するトポロジー最適化を適用する。即ち、第一別例の流路構造設計部73は、第一領域R1において、上述した本例と同様に温度制御に関するトポロジー最適化を適用する。又、第一別例の流路構造設計部73は、第三領域R3及び第四領域R4において、圧力(圧力損失)に関するトポロジー最適化を適用する。従って、第一別例においても、例えば、第一領域R1、第三領域R3及び第四領域R4を展開する前の三次元データに関するトポロジー最適化を行う場合に比べて、トポロジー最適化に要する処理時間を短くすることができる。 Here, in the first variant, the flow path structure design unit 73 also applies topology optimization to the development diagram data OZ1 of the first region R1, the third region R3, and the fourth region R4 expanded in two dimensions, i.e., the two-dimensional data. That is, the flow path structure design unit 73 of the first variant applies topology optimization related to temperature control in the first region R1, as in the present example described above. Also, the flow path structure design unit 73 of the first variant applies topology optimization related to pressure (pressure loss) in the third region R3 and the fourth region R4. Therefore, in the first variant, the processing time required for topology optimization can be shortened, for example, compared to the case of performing topology optimization on three-dimensional data before expanding the first region R1, the third region R3, and the fourth region R4.

又、流路構造設計部73は、第一領域R1における温度制御に関するトポロジー最適化と、第三領域R3及び第四領域R4における圧力(圧力損失)に関するトポロジー最適化と、を同時に実行したり各々を独立して実行したりすることができる。流路構造設計部73が温度制御に関するトポロジー最適化と圧力(圧力損失)に関するトポロジー最適化とを同時に実行して流路構造Z1を設計した場合には、特に、流路構造Z1全体の圧力損失を低減することができる。一方、流路構造設計部73が温度制御に関するトポロジー最適化と圧力(圧力損失)に関するトポロジー最適化とを別々に(独立して)実行して流路構造Z1を設計した場合には、第一領域R1にて内部配管Tによる精密な温度制御ができると共に流入配管T3及び流出配管T4における圧力損失を低減することができる。 The flow path structure design unit 73 can simultaneously or independently perform topology optimization related to temperature control in the first region R1 and topology optimization related to pressure (pressure loss) in the third region R3 and the fourth region R4. When the flow path structure design unit 73 simultaneously performs topology optimization related to temperature control and topology optimization related to pressure (pressure loss) to design the flow path structure Z1, the pressure loss of the entire flow path structure Z1 can be reduced. On the other hand, when the flow path structure design unit 73 performs topology optimization related to temperature control and topology optimization related to pressure (pressure loss) separately (independently) to design the flow path structure Z1, precise temperature control by the internal piping T in the first region R1 can be achieved, and pressure loss in the inlet piping T3 and the outlet piping T4 can be reduced.

ここで、第一別例のトポロジー最適化においても、内部配管T、流入配管T3及び流出配管T4の凹部Hの径方向への広がりが制限されている。換言すれば、内部配管T、流入配管T3及び流出配管T4の流路構造Z1も、上述した本例の流路構造Zと同様に、二次元の第一領域R1、第三領域R3及び第四領域R4において展開された二次元構造を有するに過ぎない。このため、トポロジー最適化により設計された内部配管T、流入配管T3及び流出配管T4の流路構造Z1も、凹部Hの径方向に広げて三次元形状とする必要がある。 Here, even in the topology optimization of the first variant, the radial expansion of the recesses H of the internal pipe T, inlet pipe T3, and outlet pipe T4 is limited. In other words, the flow path structure Z1 of the internal pipe T, inlet pipe T3, and outlet pipe T4, like the flow path structure Z of the present example described above, merely has a two-dimensional structure expanded in the two-dimensional first region R1, third region R3, and fourth region R4. For this reason, the flow path structure Z1 of the internal pipe T, inlet pipe T3, and outlet pipe T4 designed by topology optimization also needs to be expanded in the radial direction of the recesses H to form a three-dimensional shape.

従って、座標データ生成部74は、流路構造設計部73がトポロジー最適化により設計した二次元の流路構造Z1について、図14に示すように、二次元座標上における流路構造Z1の形状の座標データZD1を生成する。尚、図14に示す座標データZD1おいて、横軸は付加製造物Wの凹部Hの周面及び径方向の長さに対応し、縦軸は付加製造物Wの凹部Hの軸方向の長さに対応する。座標データ生成部74は、流路構造設計部73がトポロジー最適化により設計した内部配管T、流入配管T3及び流出配管T4の流路構造Z1について、凹部Hの周面及び径方向の長さに対する凹部Hの軸方向の長さの二次元座標上における座標データZD1を生成する。 Therefore, the coordinate data generating unit 74 generates coordinate data ZD1 of the shape of the flow path structure Z1 on two-dimensional coordinates as shown in FIG. 14 for the two-dimensional flow path structure Z1 designed by the flow path structure design unit 73 through topology optimization. In the coordinate data ZD1 shown in FIG. 14, the horizontal axis corresponds to the circumferential and radial length of the recess H of the additive product W, and the vertical axis corresponds to the axial length of the recess H of the additive product W. The coordinate data generating unit 74 generates coordinate data ZD1 on two-dimensional coordinates of the axial length of the recess H relative to the circumferential and radial length of the recess H for the flow path structure Z1 of the internal piping T, the inflow piping T3, and the outflow piping T4 designed by the flow path structure design unit 73 through topology optimization.

そして、第一別例においても、上述した本例と同様に、三次元モデル生成部75が座標データ生成部74によって生成された二次元座標上における座標データZD1について、流入口Iと流出口Oとが互いに隣接して配置される三次元モデル、換言すれば、三次元データを生成するように、計算処理を行う。そして、最終形状設計部76は、形状最適化工程を実行する。つまり、第一別例においては、最終形状設計部76は、生成された三次元モデルについて、例えば、付加製造装置1における付加製造制約等を加味し、図15に示すように、付加製造装置1によって付加製造可能な内部配管T、流入配管T3及び流出配管T4を最終的に設計する。その他については、上述した本例と同様である。 In the first variant, similarly to the present example described above, the three-dimensional model generation unit 75 performs calculation processing to generate a three-dimensional model, in other words, three-dimensional data, in which the inlet I and the outlet O are arranged adjacent to each other, for the coordinate data ZD1 on the two-dimensional coordinate system generated by the coordinate data generation unit 74. Then, the final shape design unit 76 executes a shape optimization process. That is, in the first variant, the final shape design unit 76 takes into account, for example, additive manufacturing constraints in the additive manufacturing device 1 for the generated three-dimensional model, and finally designs the internal piping T, inlet piping T3, and outlet piping T4 that can be additively manufactured by the additive manufacturing device 1, as shown in FIG. 15. The rest is the same as in the present example described above.

従って、第一別例においても、上述した本例と同様の効果が得られる。更に、トポロジー最適化を適用することによって、圧力(圧力損失)を考慮した流入配管T3及び流出配管T4を設計することができる。 Therefore, the first variant example also provides the same effect as the present example described above. Furthermore, by applying topology optimization, the inlet pipe T3 and the outlet pipe T4 can be designed taking into account the pressure (pressure loss).

(6.第二別例)
上述した本例及び第一別例では、第一領域R1を凹部Hの周面とし、内部配管Tを流路断面形状が単純な円形である場合を例示するようにした。この場合、トポロジー最適化を行うことによって決定された流路構造Zに従い、最終形状設計部76は流路断面形状が円形となるように内部配管Tの最終形状を設計する。
(6. Second Alternative Example)
In the above-described present example and first modified example, the first region R1 is the peripheral surface of the recess H, and the internal pipe T has a simple circular flow path cross-sectional shape. In this case, the final shape design unit 76 designs the final shape of the internal pipe T so that the flow path cross-sectional shape is circular, according to the flow path structure Z determined by performing topology optimization.

しかし、例えば、内部配管Tの流路断面形状が複雑な形状である場合には、上述した本例の場合を例示して図16及び図17に示すように、第一領域R1を複数の二次元の周面によって構成し、各々の周面について、トポロジー最適化を行って流路構造Zを決定することも可能である。この場合には、各々の流路構造(即ち、各々の周面)を合成することにより、内部配管Tの三次元モデルMを生成して最終形状を設計することができる。 However, for example, if the cross-sectional shape of the flow passage of the internal pipe T is complex, it is also possible to configure the first region R1 with multiple two-dimensional peripheral surfaces and perform topology optimization for each peripheral surface to determine the flow passage structure Z, as shown in Figures 16 and 17, which illustrate the case of the above-mentioned example. In this case, by synthesizing each flow passage structure (i.e., each peripheral surface), a three-dimensional model M of the internal pipe T can be generated and the final shape can be designed.

(7.第三別例)
上述した本例、第一別例及び第二別例においては、三次元モデル生成部75及び最終形状設計部76は、予め設定された管径となるように、内部配管T即ち第一配管T1の流通部分T11,T12及び第二配管T2の流通部分T21,T22を生成及び最終設計するようにした。これに代えて、三次元モデル生成部75及び最終形状設計部76は、図18に示すように、例えば、管径に関連する流量(又は流速)と温度との関係即ち流体の特性を記憶するデータベース77を用いて、目標温度(目標冷却温度)に対応する管径(流量又は流速)を決定するようにしても良い。これによれば、より最適な内部配管Tを設計することが可能になると共に、内部配管Tを流通する流体(冷却水)の圧力損失等を低減することが可能となる。
(7. Third Alternative Example)
In the above-mentioned present embodiment, the first modified embodiment, and the second modified embodiment, the three-dimensional model generating unit 75 and the final shape designing unit 76 generate and finally design the internal pipe T, i.e., the flow portions T11 and T12 of the first pipe T1 and the flow portions T21 and T22 of the second pipe T2, so as to have a preset pipe diameter. Alternatively, the three-dimensional model generating unit 75 and the final shape designing unit 76 may determine the pipe diameter (flow rate or flow rate) corresponding to the target temperature (target cooling temperature) using a database 77 that stores, for example, the relationship between the flow rate (or flow velocity) and temperature related to the pipe diameter, i.e., the characteristics of the fluid, as shown in FIG. 18. This makes it possible to design a more optimal internal pipe T and to reduce the pressure loss of the fluid (cooling water) flowing through the internal pipe T.

(8.その他)
上述した本例、第一別例、第二別例及び第三別例においては、付加製造物Wとしてキャビティである有底円筒形状の凹部Hを有する金型を例示した。しかし、付加製造物Wとしては、金型に限られるものではなく、内部空間、特に、流路としての冷却路を有するものであれば、例えば、上述した工作機械の主軸とすることも可能である。
(8. Other)
In the above-mentioned present example, the first modified example, the second modified example, and the third modified example, a die having a bottomed cylindrical recess H which is a cavity is exemplified as the additive product W. However, the additive product W is not limited to a die, and can be, for example, the spindle of the above-mentioned machine tool as long as it has an internal space, in particular, a cooling passage as a flow passage.

工作機械の主軸は、回転部材と、回転部材を挿通する円筒形状部を有するハウジングとを有する。この場合、円筒形状部は、回転部材が回転することにより高温になる場合があり、適切に冷却される必要がある。従って、工作機械の主軸を付加製造装置1によって製造する場合には、最適形状設計装置70を用いた設計方法に従い、領域設定工程、変換工程、最適化工程、再変換工程、及び、必要に応じて形状最適化工程を経ることにより、円筒形状部を冷却する冷却路を最適に設計することができる。従って、付加製造物Wとして工作機械の主軸を付加製造する場合であっても、最適形状設計装置70を用いた設計方法に従って主軸を形成する円筒形状部を冷却する最適形状の冷却路を設計することができ、上述した本例、第一別例、第二別例及び第三別例と同様の効果が得られる。 The spindle of the machine tool has a rotating member and a housing having a cylindrical portion through which the rotating member is inserted. In this case, the cylindrical portion may become hot due to the rotation of the rotating member, and must be appropriately cooled. Therefore, when the spindle of the machine tool is manufactured by the additive manufacturing device 1, the cooling path for cooling the cylindrical portion can be optimally designed by going through a region setting process, a conversion process, an optimization process, a reconversion process, and, if necessary, a shape optimization process according to the design method using the optimal shape design device 70. Therefore, even when the spindle of the machine tool is additively manufactured as the additive product W, a cooling path of an optimal shape for cooling the cylindrical portion that forms the spindle can be designed according to the design method using the optimal shape design device 70, and the same effects as those of the present example, the first variant, the second variant, and the third variant described above can be obtained.

又、上述した本例、第一別例、第二別例及び第三別例においては、付加製造物Wに形成される内部空間として単純な形状を有する内部配管Tを例示した。しかし、付加製造装置1によれば、内部空間が複雑な形状であっても、付加製造することが可能である。 In addition, in the above-mentioned present example, the first variant, the second variant, and the third variant, an internal pipe T having a simple shape is exemplified as the internal space formed in the additive product W. However, with the additive manufacturing device 1, additive manufacturing is possible even if the internal space has a complex shape.

ところで、内部空間が、例えば、箱形状であって複雑な形状を有する場合、重力等の作用により、付加製造中に造形した内部空間の形状が変化する可能性がある。このため、内部空間の形状が複雑な場合には、最終形状設計部76は、例えば、内部空間を形成するオーバハング部分の重力による沈み込みを防止する支持部材を最終形状として設計することができる。この場合、内部空間に関連する最適化目的は、例えば、内部空間を形成する壁の強度や形状を最適化することを例示することができ、第一領域は、例えば、内部空間の壁を含む周面を設定することができる。これにより、周面を展開した展開図データにおいて、壁を支持する支持部材の強度や形状の最適化目的に基づくトポロジー最適化を行うことができる。 However, if the internal space has a complex shape, such as a box shape, the shape of the internal space formed during additive manufacturing may change due to the effects of gravity, etc. For this reason, if the shape of the internal space is complex, the final shape design unit 76 can design, for example, a support member that prevents the overhanging portion that forms the internal space from sinking due to gravity as the final shape. In this case, the optimization objective related to the internal space can be, for example, optimizing the strength and shape of the wall that forms the internal space, and the first region can be set to, for example, the periphery including the wall of the internal space. This makes it possible to perform topology optimization based on the optimization objective of the strength and shape of the support member that supports the wall in the development view data in which the periphery is developed.

又、上述した本例、第一別例、第二別例及び第三別例においては、領域展開部72が、最終的に設定される流入口Iと流出口Oとが両端部に位置するように、第一領域R1を二次元に展開するようにした。しかし、領域展開部72が展開する二次元の第一領域R1については、例えば、最終的に設定される流入口Iと流出口Oとを中央部に位置するように、展開することも可能である。この場合、流路構造設計部73は、最適化工程において、流入口I及び流出口Oが中央部に位置する流路構造を設計する。 In addition, in the present example, the first variant, the second variant, and the third variant described above, the region expansion unit 72 expands the first region R1 two-dimensionally so that the inlet I and the outlet O that are ultimately set are located at both ends. However, the two-dimensional first region R1 expanded by the region expansion unit 72 can also be expanded, for example, so that the inlet I and the outlet O that are ultimately set are located in the center. In this case, the flow path structure design unit 73 designs a flow path structure in which the inlet I and the outlet O are located in the center in the optimization process.

又、上述した本例、第一別例、第二別例及び第三別例においては、材料粉末として金属粉末Sを用いて付加製造する場合を例示した。材料粉末としては、金属の粉末に限られず、例えば、樹脂の粉末であっても、付加製造することが可能である。 In addition, in the above-mentioned present example, the first variant, the second variant, and the third variant, additive manufacturing is performed using metal powder S as the material powder. The material powder is not limited to metal powder, and additive manufacturing is also possible using, for example, resin powder.

更に、上述した本例、第一別例、第二別例及び第三別例においては、粉末床溶融結合方式の付加製造装置1を用いて付加製造物Wを付加製造する場合を例示した。しかし、粉末床溶融結合方式の付加製造装置1を用いて付加製造物Wを付加製造することに代えて、エネルギー堆積方式の付加製造装置を用いて内部空間を有する付加製造物を付加製造することも可能である。 Furthermore, in the above-mentioned present example, the first variant, the second variant, and the third variant, the additive manufacturing of the additive product W is illustrated using the additive manufacturing apparatus 1 of the powder bed fusion method. However, instead of additively manufacturing the additive product W using the additive manufacturing apparatus 1 of the powder bed fusion method, it is also possible to additively manufacture an additive product having an internal space using an additive manufacturing apparatus of the energy deposition method.

1…付加製造装置、10…チャンバ、20…付加製造物支持装置、21…付加製造用容器、22…昇降テーブル、23…ベース、30…粉末供給装置、31…粉末収納容器、32…供給テーブル、33…リコータ、40…光ビーム照射装置、40a…光ビーム、41…レーザ発振器、42…レーザヘッド、43…光ファイバ、50…加熱装置、60…制御装置、61…データ記憶部、62…昇降テーブル作動制御部、63…粉末供給制御部、64…光ビーム照射制御部、65…加熱制御部、S…金属粉末(材料粉末)、W…付加製造物、W1…仮の付加製造物、70…最適形状設計装置、71…領域設定部、72…領域展開部、73…流路構造設計部、74…座標データ生成部、75…三次元モデル生成部、76…最終形状設計部、77…データベース、H…凹部、R1…第一領域、R2…第二領域、R3…第三領域、R4…第四領域、T…内部配管(内部空間)、T1…第一配管、T11,T12…流通部分、T2…第二配管、T21,T22…流通部分、T3…流入配管、T4…流出配管、I…流入口、O…流出口、OZ…展開図データ、OZ1…展開図データ、Z…流路構造、Z1…流路構造、ZD…座標データ、ZD1…座標データ、M…三次元モデル、SD…形状データ 1...additive manufacturing device, 10...chamber, 20...additive product support device, 21...additive manufacturing container, 22...lifting table, 23...base, 30...powder supply device, 31...powder storage container, 32...supply table, 33...recoater, 40...light beam irradiation device, 40a...light beam, 41...laser oscillator, 42...laser head, 43...optical fiber, 50...heating device, 60...control device, 61...data storage unit, 62...lifting table operation control unit, 63...powder supply control unit, 64...light beam irradiation control unit, 65...heating control unit, S...metal powder (material powder), W...additive product, W1...temporary additive product, 70...optimal shape design device, 71 ...Area setting section, 72...Area expansion section, 73...Flow path structure design section, 74...Coordinate data generation section, 75...Three-dimensional model generation section, 76...Final shape design section, 77...Database, H...Recess, R1...First area, R2...Second area, R3...Third area, R4...Fourth area, T...Internal piping (internal space), T1...First piping, T11, T12...Circulation section, T2...Second piping, T21, T22...Circulation section, T3...Inlet piping, T4...Outlet piping, I...Inlet, O...Outlet, OZ...Expanded view data, OZ1...Expanded view data, Z...Flow path structure, Z1...Flow path structure, ZD...Coordinate data, ZD1...Coordinate data, M...Three-dimensional model, SD...Shape data

Claims (25)

材料粉末に光ビームを照射し、前記材料粉末を溶融及び凝固させて付加製造を行う付加製造装置により、内部空間を有するように付加製造される付加製造物を設計する付加製造物の設計方法であって、
付加製造する前記付加製造物のうち、前記内部空間を含む曲面であって、二次元に展開した場合に四角形となる前記曲面を設定する領域設定工程と、
前記領域設定工程にて設定された前記曲面を四角形に展開した展開図データに変換する変換工程と、
前記変換工程にて変換された前記展開図データにおいて所定の最適化目的に基づくトポロジー最適化を行う最適化工程と、
前記最適化工程にて前記トポロジー最適化を行った二次元データを三次元データに再変換する再変換工程と、
を順に実行する、付加製造物の設計方法。
A method for designing an additive product that is additively manufactured to have an internal space by an additive manufacturing device that irradiates a material powder with a light beam and melts and solidifies the material powder to perform additive manufacturing, comprising:
A region setting process for setting a curved surface including the internal space of the additive product to be additively manufactured, the curved surface being a quadrangle when expanded two-dimensionally ;
a conversion step of converting the curved surface set in the area setting step into development data in a quadrangle ;
an optimization step of performing topology optimization based on a predetermined optimization objective on the development data converted in the conversion step;
a reconversion step of reconverting the two-dimensional data subjected to the topology optimization in the optimization step into three-dimensional data;
A method for designing additive manufacturing products by performing the steps listed below in sequence.
前記領域設定工程にて設定される前記曲面は、筒の周面の少なくとも一部を含む、請求項1に記載の付加製造物の設計方法。The method for designing an additive manufacturing object according to claim 1 , wherein the curved surface set in the region setting step includes at least a portion of a peripheral surface of a tube. 前記再変換工程にて再変換された前記三次元データにおいて、前記内部空間の形状について形状最適化を行う形状最適化工程を実行する、請求項1又は2に記載の付加製造物の設計方法。 The method for designing an additive manufactured product according to claim 1 or 2 , further comprising the step of: executing a shape optimization step of optimizing a shape of the internal space in the three-dimensional data reconverted in the reconversion step. 前記内部空間は、流体を流入する流入口と前記流体を排出する流出口とを有し、前記流体を前記流入口から前記流出口に向けて流通する流路であり、
前記領域設定工程にて設定される前記曲面は、前記流入口及び前記流出口を含み、前記流入口から前記流出口までの前記流路に沿った面である、請求項1-3の何れか一項に記載の付加製造物の設計方法。
the internal space has an inlet through which a fluid flows and an outlet through which the fluid flows, and is a flow path through which the fluid flows from the inlet to the outlet,
The curved surface set in the region setting step includes the inlet and the outlet, and is a surface along the flow path from the inlet to the outlet . The design method for an additive manufacturing product according to any one of claims 1 to 3.
前記流路は、前記付加製造物における冷却対象部に隣接して配置され、且つ、前記流体として前記冷却対象部を冷却するための冷却媒体を流通する冷却路であり、
前記最適化目的は、
前記内部空間を流通する前記流体の特性に関連するものであり、
記流路を流通する前記冷却媒体による冷却特性、前記冷却媒体の流速及び前記冷却媒体の流量のうちの少なくとも1つのバラつきを最小化することである、請求項4に記載の付加製造物の設計方法。
The flow path is a cooling path that is disposed adjacent to a cooling target portion in the additive product and through which a cooling medium for cooling the cooling target portion flows as the fluid,
The optimization objective is:
related to the properties of the fluid flowing through the internal space ,
The method for designing an additive manufactured product according to claim 4, further comprising minimizing variation in at least one of the cooling characteristics of the cooling medium flowing through the flow path, the flow velocity of the cooling medium, and the flow rate of the cooling medium.
前記付加製造物は、前記冷却路を有する金型であり、
前記冷却対象部は、前記金型に形成されていて溶融材料が供給されるキャビティである、請求項5に記載の付加製造物の設計方法。
the additive product is a mold having the cooling passages;
The method for designing an additive manufactured product according to claim 5 , wherein the cooling target is a cavity formed in the mold and into which molten material is supplied.
前記キャビティは、有底円筒形状を有しており、
前記冷却路は、前記キャビティにおける円筒部分の周面に沿った曲線形状に設計される、請求項6に記載の付加製造物の設計方法。
The cavity has a cylindrical shape with a bottom,
The method for designing an additive manufactured product according to claim 6 , wherein the cooling passage is designed to have a curved shape along a circumferential surface of a cylindrical portion of the cavity.
前記付加製造物は、前記冷却路を有すると共に、回転部材と前記回転部材を挿通する円筒形状部を有するハウジングとを備えた工作機械の主軸であり、
前記冷却対象部は、前記円筒形状部である、請求項5に記載の付加製造物の設計方法。
The additive product is a main shaft of a machine tool having the cooling passage and including a rotating member and a housing having a cylindrical portion through which the rotating member is inserted,
The method for designing an additive manufactured product according to claim 5 , wherein the cooling target portion is the cylindrical portion.
前記冷却路は、前記円筒形状部の周面に沿った曲線形状に設計される、請求項8に記載の付加製造物の設計方法。 The method for designing an additive manufacturing product according to claim 8, wherein the cooling passage is designed to have a curved shape that follows the circumferential surface of the cylindrical portion. 前記最適化目的は、さらに、少なくとも前記流入口及び前記流出口を含む位置において、前記流路を流通する前記冷却媒体の圧力損失を最小化することである、請求項に記載の付加製造物の設計方法。 6. The method for designing an additive manufactured product according to claim 5 , wherein the optimization objective is further to minimize a pressure loss of the cooling medium flowing through the flow passage at least at a position including the inlet and the outlet . 前記付加製造物は、前記冷却路を有する金型であり、
前記冷却対象部は、前記金型に形成されていて溶融材料が供給されるキャビティである、請求項10に記載の付加製造物の設計方法。
the additive product is a mold having the cooling passages;
The method for designing an additive manufactured product according to claim 10 , wherein the cooling target is a cavity formed in the mold and into which molten material is supplied.
前記キャビティは、有底円筒形状を有しており、
前記冷却路は、前記キャビティにおける円筒部分の周面に沿った曲線形状に設計される、請求項11に記載の付加製造物の設計方法。
The cavity has a cylindrical shape with a bottom,
The method for designing an additive manufactured product according to claim 11 , wherein the cooling passage is designed to have a curved shape along a circumferential surface of a cylindrical portion of the cavity.
前記付加製造物は、前記冷却路を有すると共に、回転部材と前記回転部材を挿通する円筒形状部を有するハウジングとを備えた工作機械の主軸であり、
前記冷却対象部は、前記円筒形状部である、請求項10に記載の付加製造物の設計方法。
The additive product is a main shaft of a machine tool having the cooling passage and including a rotating member and a housing having a cylindrical portion through which the rotating member is inserted,
The method for designing an additive manufactured product according to claim 10 , wherein the part to be cooled is the cylindrical part.
前記冷却路は、前記円筒形状部の周面に沿った曲線形状に設計される、請求項13に記載の付加製造物の設計方法。 The method for designing an additive manufactured product according to claim 13 , wherein the cooling passage is designed to have a curved shape along a circumferential surface of the cylindrical portion. 前記付加製造装置は、平らに敷き詰められた前記材料粉末に対して光ビームを照射し、前記材料粉末を溶融及び凝固させて付加製造を行う、請求項1-14のうちの何れか一項に記載の付加製造物の設計方法。 The method for designing an additive product described in any one of claims 1 to 14 , wherein the additive manufacturing device irradiates a light beam onto the evenly spread material powder, melting and solidifying the material powder to perform additive manufacturing. 材料粉末に光ビームを照射し、前記材料粉末を溶融及び凝固させて付加製造を行う付加製造装置により、内部空間を有するように付加製造される付加製造物を設計する付加製造物の設計装置であって、
付加製造する前記付加製造物のうち、前記内部空間を含む曲面であって、二次元に展開した場合に四角形となる前記曲面を設定する領域設定部と、
前記領域設定部にて設定された前記曲面を四角形に展開した展開図データに変換する領域展開部と、
前記領域展開部にて変換された前記展開図データにおいて所定の最適化目的に基づいてトポロジー最適化を行う最適化部と、
前記最適化部にて前記トポロジー最適化を行った二次元データを三次元データに再変換する再変換部と、
を備えた、付加製造物の設計装置。
An additive manufacturing device that performs additive manufacturing by irradiating a material powder with a light beam and melting and solidifying the material powder, and designs an additive manufacturing product that is additively manufactured to have an internal space ,
A region setting unit that sets a curved surface including the internal space of the additive product to be additively manufactured, the curved surface being a quadrangle when expanded two-dimensionally ;
an area development unit for converting the curved surface set by the area setting unit into development data in which the curved surface is developed into a quadrangle ;
an optimization unit that performs topology optimization on the development data converted by the region expansion unit based on a predetermined optimization objective;
a reconversion unit that reconverts the two-dimensional data that has been subjected to the topology optimization by the optimization unit into three-dimensional data;
An additive manufacturing design device comprising:
前記領域設定部にて設定される前記曲面は、筒の周面の少なくとも一部を含む、請求項16に記載の付加製造物の設計装置。The additive manufacturing design device according to claim 16 , wherein the curved surface set by the region setting unit includes at least a portion of a circumferential surface of a cylinder. 前記再変換部にて再変換された前記三次元データにおいて、前記内部空間の形状について形状最適化を行う形状最適化部を備えた、請求項16又は17に記載の付加製造物の設計装置。 The additive manufacturing product design device according to claim 16 or 17 , further comprising a shape optimization unit that performs shape optimization on a shape of the internal space in the three-dimensional data reconverted by the reconversion unit . 前記内部空間は、流体を流入する流入口と前記流体を排出する流出口とを有し、前記流体を前記流入口から前記流出口に向けて流通する流路であり、
前記流路は、前記付加製造物における冷却対象部に隣接して配置され、且つ、前記流体として前記冷却対象部を冷却するための冷却媒体を流通する冷却路であり、
前記領域設定部にて設定される前記曲面は、前記流入口及び前記流出口を含み、前記流路に沿った面であり、
前記最適化目的は、
前記内部空間を流通する前記流体の特性に関連するものであり、
前記流路を流通する前記冷却媒体の冷却特性、前記冷却媒体の流速及び前記冷却媒体の流量のうちの少なくとも1つのバラつきを最小化することである、請求項16-18の何れか一項に記載の付加製造物の設計装置。
the internal space has an inlet through which a fluid flows and an outlet through which the fluid flows , and is a flow path through which the fluid flows from the inlet to the outlet,
The flow path is a cooling path that is disposed adjacent to a cooling target portion in the additive product and through which a cooling medium for cooling the cooling target portion flows as the fluid,
the curved surface set by the region setting unit is a surface that includes the inlet and the outlet and extends along the flow path,
The optimization objective is:
related to the properties of the fluid flowing through the internal space,
The design device for additive manufactured products according to any one of claims 16 to 18 , wherein the variation in at least one of the cooling characteristics of the cooling medium flowing through the flow path, the flow velocity of the cooling medium, and the flow rate of the cooling medium is minimized.
前記最適化目的は、さらに、少なくとも前記流入口及び前記流出口を含む位置において、前記流路を流通する前記冷却媒体の圧力損失を最小化することである、請求項19に記載の付加製造物の設計装置。 20. The apparatus for designing an additive product according to claim 19 , wherein the optimization objective is further to minimize pressure loss of the cooling medium flowing through the flow passage at least at locations including the inlet and the outlet. 前記付加製造装置は、平らに敷き詰められた前記材料粉末に対して光ビームを照射し、前記材料粉末を溶融及び凝固させて付加製造を行う、請求項16-20の何れか一項に記載の付加製造物の設計装置。 The additive manufacturing device is an additive manufacturing device described in any one of claims 16 to 20 , which irradiates a light beam onto the evenly laid out material powder, melting and solidifying the material powder to perform additive manufacturing. 請求項1-15の何れか一項に記載の付加製造物の設計方法による設計工程と、
前記付加製造物を製造する製造工程と、を備えた、付加製造物の製造方法であって、
前記付加製造物は、流体を流通する流路を有すると共に、溶融材料が供給されるキャビティを有する金型であり、
前記製造工程は、
前記材料粉末を供給する工程と、
前記材料粉末に対して前記光ビームを照射する工程と、
前記光ビームにより前記材料粉末を溶融する工程と、
溶融した前記材料粉末を凝固させる工程と、
を備える、付加製造物の製造方法
A design process according to the method for designing an additive manufactured product according to any one of claims 1 to 15;
A manufacturing method for an additive product, comprising:
The additive product is a mold having a flow path for a fluid to flow through and a cavity into which a molten material is supplied;
The manufacturing process includes:
supplying the material powder;
irradiating the powdered material with the light beam;
melting the powder of material with the light beam;
solidifying the molten powder of material;
A method for manufacturing an additive product comprising :
前記キャビティは、有底円筒形状を有しており、
前記流路は、前記金型における冷却対象部である前記キャビティを冷却するための冷却媒体を流通する冷却路であり、前記キャビティにおける円筒部分の周面に沿った曲線形状に設計される、請求項22に記載の付加製造物の製造方法
The cavity has a cylindrical shape with a bottom,
The method for manufacturing an additive product according to claim 22, wherein the flow path is a cooling path through which a cooling medium for cooling the cavity, which is a cooling target portion in the mold, is circumferentially designed in a curved shape along a circumferential surface of a cylindrical portion in the cavity .
請求項1-15の何れか一項に記載の付加製造物の設計方法による設計工程と、
前記付加製造物を製造する製造工程と、を備えた、付加製造物の製造方法であって、
前記付加製造物は、流体を流通する流路を有すると共に、回転部材と前記回転部材を挿通する円筒形状部を有するハウジングとを備えた工作機械の主軸であり、
前記製造工程は、
前記材料粉末を供給する工程と、
前記材料粉末に対して前記光ビームを照射する工程と、
前記光ビームにより前記材料粉末を溶融する工程と、
溶融した前記材料粉末を凝固させる工程と、
を備える、付加製造物の製造方法
A design process according to the method for designing an additive manufactured product according to any one of claims 1 to 15;
A manufacturing method for an additive product, comprising:
The additive product is a main shaft of a machine tool having a flow path for flowing a fluid , and including a rotating member and a housing having a cylindrical portion through which the rotating member is inserted ,
The manufacturing process includes:
supplying the material powder;
irradiating the powdered material with the light beam;
melting the powder of material with the light beam;
solidifying the molten powder of material;
A method for manufacturing an additive product comprising :
前記流路は、前記主軸における冷却対象部である前記円筒形状部を冷却するための冷却媒体を流通する冷却路であり、前記円筒形状部の周面に沿った曲線形状に設計される、請求項24に記載の付加製造物の製造方法 The method for manufacturing an additive product according to claim 24, wherein the flow path is a cooling path through which a cooling medium flows for cooling the cylindrical portion, which is a cooling target portion of the spindle, and is designed to have a curved shape along a circumferential surface of the cylindrical portion .
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