JP7768066B2 - 設計システム及び設計方法 - Google Patents

Description

本開示は、設計システム及び設計方法に関する。

特許文献１には、スキャン対象を立体スキャンし、立体スキャン結果から層毎の造形データを作成し、当該造形データに基づいて積層造形を実行し、スキャン対象と同一の形状を有する立体物を製造する、３次元複合機が開示されている。

特開２０１２－２１３９７０号公報

積層造形によって製造された構造体、即ち積層構造体は、他の方法によって製造された同形状の構造体よりも強度が低くなる場合がある。そのため、積層造形以外の方法を用いて製造した構造体をスキャンし、同形状の構造体を積層造形によって製造した場合、製造した構造体の強度が、所定の強度に満たない場合があった。
特許文献１には、このような課題を解決可能な技術は開示されていない。

本開示は、このような課題を解決するためになされたものであって、積層構造体の強度を向上可能な設計システム及び設計方法を提供することを目的としている。

本開示の一態様に係る設計システムは、
積層構造体の構造データに基づいて、前記積層構造体における所定の強度に満たない低強度部位を検出する検出部と、
前記検出部が検出した前記低強度部位の構造データに基づいて、当該低強度部位の設計を変更する設計変更部と、を備える、
設計システムである。

このような構成によると、本開示の一態様に係る設計システムは、積層構造体における所定の強度に満たない部位を、所定の強度以上となるように設計変更できる。その結果として、本開示に係る設計システムは、積層構造体の強度を向上できる。

本開示の一態様に係る設計システムは、前記積層構造体の強度を検査する検査部をさらに備え、前記検出部が、前記検査部が出力した検査データを前記構造データとして取得し、前記検査データに基づいて、前記低強度部位を検出してもよい。
このような構成によると、本開示の一態様に係る設計システムは、積層構造体における所定の強度に満たない部位を適切に検出できる。

本開示の一態様に係る設計システムは、前記構造データが、前記積層構造体の形状に関するデータと、前記積層構造体の素材に関するデータと、を含み、前記検出部が、前記積層構造体の形状と、前記積層構造体の素材と、に基づいて前記積層構造体の強度を算出し、算出した強度に基づいて、前記低強度部位を検出してもよい。
このような構成によると、本開示の一態様に係る設計システムは、積層構造体における所定の強度に満たない部位を適切に検出できる。

本開示の一態様に係る設計システムは、前記設計変更部は、種々の形状と当該種々の形状の設計変更例とを機械学習して学習モデルを生成し、当該学習モデルに基づいて、前記低強度部位の設計を変更してもよい。
このような構成によると、本開示の一態様に係る設計システムは、積層構造体における所定の強度に満たない部位を、適切に設計変更できる。

本開示の一態様に係る設計システムは、種々の形状と、前記種々の形状の代替形状と、を対応付けて記憶した記憶部をさらに備え、前記設計変更部は、前記記憶部に記憶された前記種々の形状のうち、前記低強度部位に類似する形状を特定し、当該低強度部位の形状を特定された前記類似する形状の代替形状に変更してもよい。
このような構成によると、本開示の一態様に係る設計システムは、積層構造体における所定の強度に満たない部位を、適切に設計変更できる。

本開示の一態様に係る設計システムは、前記検出部が、前記低強度部位として係合爪構造を検出し、前記設計変更部が、前記代替構造として係合爪構造とは異なる接合構造を出力してもよい。また、本開示の一態様に係る設計システムは、前記接合構造が、接着剤を用いた貼り付け構造であってもよい。

本開示の一態様に係る設計システムは、種々の形状と、前記種々の形状に対する補強構造とを対応付けて記憶する記憶部をさらに備え、前記設計変更部は、前記記憶部に記憶された前記種々の形状のうち、前記低強度部位に類似する形状を特定し、当該低強度部位に対して特定された前記類似する形状の補強構造を付加してもよい。
このような構成によると、本開示の一態様に係る設計システムは、積層構造体において、所定の強度に満たない部位を、適切に設計変更できる。

本開示の一態様に係る設計システムは、種々の素材と、前記種々の素材の代替素材とを対応付けて記憶する記憶部をさらに備え、前記設計変更部は、前記記憶部に記憶された前記種々の素材のうち、前記低強度部位に使用される素材を特定し、当該低強度部位の素材を当該素材の代替素材に変更してもよい。
このような構成によると、本開示の一態様に係る設計システムは、積層構造体において、所定の強度に満たない部位を、適切に設計変更できる。

本開示の一態様に係る設計方法は、
積層構造体の構造データに基づいて、前記積層構造体における所定の強度に満たない部位を検出し、
検出した前記所定の強度に満たない部位の構造データに基づいて、当該部位の設計を変更する、動作をコンピュータが実行する、
設計方法である。

本開示によって、積層構造体の強度を向上可能な設計システム及び設計方法を提供することができる。

第１の実施形態に係る設計システムの構成を示すブロック図である。 第１の実施形態に係る設計システムの動作を示すフローチャートである。 第１の実施形態に係る設計システムの動作を示すフローチャートである。 その他の実施形態に係る設計システムの構成を示すブロック図である。

（第１の実施形態）
＜設計システムの構成＞
以下、図面を参照しながら、本開示に係る第１の実施形態について詳細に説明する。まず始めに、本実施形態に係る設計システムの構成について詳細に説明する。
本実施形態に係る設計システムは、設計装置として実現される。図１は、第１の実施形態に係る設計装置の構成を示すブロック図である。

本実施形態に係る設計装置１は、積層構造体における所定の強度に満たない低強度部位を検出し、当該低強度部位の設計を変更する。
設計装置１は、演算部１１と、記憶部１２とを備える。

設計装置１は、例えば、積層造形を実行する３Ｄプリンタの内部に設けられた制御装置であってもよいし、積層造形を実行する３Ｄプリンタに接続された制御コンピュータであってもよい。また、設計装置１は、積層造形を実行する３Ｄプリンタと接続されていないコンピュータであってもよい。

記憶部１２は、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等を用いて実現される記憶装置である。
記憶部１２は、種々の形状と、種々の形状の代替形状とを対応付けて記憶していてもよい。ただし、ここでいう代替形状とは、対応付けられた形状と同一の機能を有する形状であり、対応付けられた形状よりも積層造形による製造されることに適した形状である。

また、記憶部１２は、種々の形状と種々の形状に対する補強構造とを対応付けて記憶していてもよい。ただし、種々の形状に対する補強構造とは、対応付けられた形状に付加されることで、対応付けられた形状の強度を向上できる形状である。

また、記憶部１２は、種々の素材と、種々の素材の代替素材とを対応付けて記憶していいてもよい。ただし、ここでいう種々の素材の代替素材とは、対応付けられた素材よりも高い強度を有する素材である。
また、記憶部１２は、種々の素材を、それぞれの素材の強度を示す値と対応付けて記憶していてもよい。

記憶部１２は、設計装置１の動作を制御するためのプログラムを格納する。後述する演算部１１は、これらのプログラムを記憶部１２から読み出して実行することで、後述する種々の処理を実行する。

なお、設計装置１が、例えば、積層造形を実行する３Ｄプリンタの内部に設けられた制御装置や、積層造形を実行する３Ｄプリンタに接続された制御コンピュータである場合、記憶部１２は、３Ｄプリンタの動作を制御するためのソフトウェア（コンピュータプログラム）を格納していてもよい。そして、演算部１１が当該ソフトウェアを読み出して実行することで、３Ｄプリンタの動作を制御してもよい。

なお、プログラムは、コンピュータに読み込まれた場合に、実施形態で説明された１又はそれ以上の機能をコンピュータに行わせるための命令群（又はソフトウェアコード）を含む。プログラムは、非一時的なコンピュータ可読媒体又は実体のある記憶媒体に格納されてもよい。限定ではなく例として、コンピュータ可読媒体又は実体のある記憶媒体は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリ、ＳＳＤ又はその他のメモリ技術、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ（digital versatile disc）、Ｂｌｕ－ｒａｙ（登録商標）ディスク又はその他の光ディスクストレージ、磁気カセット、磁気テープ、磁気ディスクストレージ又はその他の磁気ストレージデバイスを含む。プログラムは、一時的なコンピュータ可読媒体又は通信媒体上で送信されてもよい。限定ではなく例として、一時的なコンピュータ可読媒体又は通信媒体は、電気的、光学的、音響的、またはその他の形式の伝搬信号を含む。

演算部１１は、記憶部１２からソフトウェア（コンピュータプログラム）を読み出して実行することで、後述する種々の処理を実行する。演算部１１は、例えば、マイクロプロセッサ、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）、又はＣＰＵ（Central Processing Unit）であってもよい。演算部１１は、複数のプロセッサを含んでもよい。

なお、設計装置１が、例えば、積層造形を実行する３Ｄプリンタの内部に設けられた制御装置や、積層造形を実行する３Ｄプリンタに接続された制御コンピュータである場合、演算部１１は、３Ｄプリンタの動作を制御してもよい。

演算部１１は、積層構造体における所定の強度に満たない低強度部位を検出し、当該低強度部位の設計を変更する。
演算部１１は、検出部１１１と、設計変更部１１２とを備える。

検出部１１１は、積層構造体の構造データを取得する。そして、検出部１１１は、積層構造体の構造データに基づいて、積層構造体における所定の強度に満たない低強度部位を検出する。検出部１１１は、検出した低強度部位の構造データを設計変更部１１２に対して出力する。

ここで、本実施形態に係る構造データは、積層構造体の形状及び素材を規定するデータである。つまり、本実施形態に係る構造データは、積層構造体の形状に関するデータと、積層構造体の素材に関するデータとを含む。

本実施形態に係る構造データは、例えば、製造する構造体の設計図を電子化したデータであってもよい。また、本実施形態に係る構造データは、コンピュータ上で作成された設計データであってもよい。また、本実施形態に係る構造データは、見本となる構造体、即ち製造する構造体と同一の形状を有する構造体を３Ｄスキャンして得られた、スキャンデータであってもよい。

ここで、検出部１１１は、例えば、ユーザからの入力によって、構造データを取得してもよい。また、検出部１１１は、例えば、上述した見本となる構造体を３Ｄスキャンしたスキャン装置から、構造データを取得してもよい。

また、低強度部位とは、積層構造体において所定の強度を満たしていない部位を指す。低強度部位は、例えば、積層造形に適さない形状が用いられている場合や、用いられる素材が低強度である場合等に発生しやすい。

検出部１１１は、積層構造体の形状と、積層構造体の素材とに基づいて積層構造体の強度を算出し、算出した強度に基づいて低強度部位を検出してもよい。
より詳細には、検出部１１１は、構造データにおいて規定された積層構造体の形状及び素材を読み込み、ＣＡＥ（Computed Aided Engineering）解析等を用いて、積層構造体の強度を部位毎に算出してもよい。そして、検出部１１１は、算出した強度が所定の強度に満たない部位を、低強度部位として検出してもよい。

設計変更部１１２は、検出部１１１が検出した低強度部位の構造データに基づいて、当該低強度部位の設計を変更する。
なお、検出部１１１が低強度部位を検出しなかった場合、設計変更部１１２は、積層構造体の設計変更をしない。

より詳細には、設計変更部１１２は、まず始めに、検出部１１１が検出した低強度部位の構造データに規定された、当該部位の形状及び素材を読み込む。そして、設計変更部１１２は、当該部位の形状を変更するか、当該部位の素材を変更するか、あるいはその両方を変更する。

設計変更部１１２は、記憶部１２に記憶された種々の形状のうち、低強度部位に類似する形状を特定する。そして、当該低強度部位の形状を、特定された類似する形状の代替形状に変更してもよい。
このような構成によると、設計変更部１１２は、低強度部位の形状を、より強度の高い形状に変更でき、その結果として、積層構造体の強度を向上できる。

例えば、検出部１１１が検出した低強度部位の構造が係合爪構造であった場合、設計変更部１１２は、構造データに形状として規定された当該部位の係合爪構造を読み込み、記憶部１２から当該係合爪構造に類似する形状を特定する。
そして、設計変更部１１２は、当該低強度部位の構造を、特定した類似する形状と対応付けて記憶された代替構造に変更する。例えば、この場合、設計変更部１１２は、当該部位の形状を、接着剤を用いた貼り付け構造等の、係合爪構造とは異なる接合構造に変更する。

設計変更部１１２は、記憶部１２に記憶された種々の形状のうち、低強度部位に類似する形状を特定し、当該低強度部位に対して特定された類似する形状の補強構造を付加してもよい。
このような構成によると、設計変更部１１２は、低強度部位の形状に、当該形状の強度を向上させる補強構造を付加でき、その結果として、積層構造体の強度を向上できる。

例えば、検出部１１１が検出した低強度部位の構造が板状構造であった場合、設計変更部１１２は、構造データに形状として規定された当該部位の板状構造を読み込み、記憶部１２から当該板状構造に類似する形状を特定する。
そして、設計変更部１１２は、当該部位の板状構造に対して、特定した類似する形状と対応付けて記憶された補強構造を付加する。例えば、この場合、設計変更部１１２は、当該部位の形状に対して、リブ構造等の補強構造を付加する。

また、設計変更部１１２は、記憶部に記憶された種々の素材のうち、低強度部位に使用される素材を特定し、当該低強度部位の素材を当該素材の代替素材に変更してもよい。
このような構成によると、設計変更部１１２は、低強度部位の素材を、より強度の高い素材に変更でき、その結果として、積層構造体の強度を向上できる。
また、このような構成によると、設計変更部１１２は、低強度部位の強度不足が、素材の問題のみに起因する場合でも積層構造体の強度を向上できる。

設計変更部１１２は、例えば、これらの設計変更、即ち、形状及び素材の設計変更を組み合わせて実行してもよい。つまり、設計変更部１１２は、低強度部位の形状及び素材の両方を変更してもよい。

また、設計変更部１１２は、これらの設計変更に優先順位を設け、優先順位の高い設計変更を優先して実行してもよい。
例えば、低強度部位の形状の設計変更の優先順位が、素材の設計変更の優先順位よりも高く、形状及び素材両方の設計変更が可能である場合、設計変更部１１２は、形状の設計変更を実行してもよい。そして、形状の設計変更ができず、素材の設計変更が可能である場合に、設計変更部１１２は、素材の設計変更を実行してもよい。

また、例えば、低強度部位の素材の設計変更の優先順位が、形状の設計変更の優先順位よりも高く、形状及び素材両方の設計変更が可能である場合、設計変更部１１２は、素材の設計変更を実行してもよい。そして、素材の設計変更ができず、形状の設計変更が可能である場合に、設計変更部１１２は、形状の設計変更を実行してもよい。

設計変更部１１２は、設計変更を実行した場合、設計変更後の積層構造体の構造データに基づいて、積層構造体を描写したイメージ画像を、ユーザに対して表示するような構成としてもよい。また、設計変更部１１２は、設計変更を実行した場合、設計変更後の積層構造体の構造データを、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）等の記憶媒体に出力するような構成としてもよい。

また、設計装置１が３Ｄプリンタの制御装置、あるいは３Ｄプリンタの制御コンピュータである場合、演算部１１は、設計変更後の積層構造体の構造データに基づいて、３Ｄプリンタを制御し、積層構造体の製造を実行してもよい。

＜設計システムの動作＞
続いて、設計システムの動作、即ち、第１の実施形態に係る設計方法について詳細に説明する。図２は、第１の実施形態に係る設計システムの動作を説明するためのフローチャートである。なお、以下の説明においては、適宜図１を参照する。

まず始めに、検出部１１１が、積層構造体の構造データを取得する（ステップＳ１０１）。次に、検出部１１１が、構造データに基づいて、低強度部位を検出する（ステップＳ１０２）。

次に、設計変更部１１２が、低強度部位の構造データに基づいて、低強度部位の設計を変更する（ステップＳ１０３）。最後に、設計変更部１１２が、設計変更後の積層構造体の構造データを出力し（ステップＳ１０４）、設計装置１は、一連の動作を終了する。

ステップＳ１０４において、設計変更部１１２は、設計変更後の積層構造体の構造データを、例えば、設計構造データから積層構造体のイメージ画像を作成する表示部に出力してもよい。
また、ステップＳ１０４において、設計変更部１１２は、設計変更後の積層構造体の構造データを、例えば、ＵＳＢ等の記憶媒体に出力してもよい。
また、ステップＳ１０４において、設計変更部１１２は、設計変更後の積層構造体の構造データを、３Ｄプリンタの制御部に出力してもよい。

図３は、第１の実施形態に係る設計システムの動作を説明するためのフローチャートである。より詳細には、図３は、前述したステップＳ１０３における設計変更部１１２の動作を説明するためのフローチャートである。

前述したステップＳ１０３において、設計変更部１１２は、まず始めに、低強度部位の構造データに基づいて、低強度部位の形状の類似形状を特定する（ステップＳ２０１）。
より詳細には、設計変更部１１２は、低強度部位の形状と、記憶部１２に記憶されている種々の形状とを比較する。そして、記憶部１２に記憶されている種々の形状の中から、低強度部位の形状に類似する形状を特定する。

次に、設計変更部１１２は、低強度部位の構造データに基づいて低強度部位の素材を特定する（ステップＳ２０２）。
次に、設計変更部１１２は、類似形状の代替形状が記憶されているか否かを判定する（ステップＳ２０３）。より詳細には、設計変更部１１２は、ステップＳ２０１において特定した類似形状に対応付けられた代替形状が、記憶部１２に記憶されているか否かを判定する。

類似形状の代替形状が記憶されている場合（ステップＳ２０３ ＹＥＳ）、設計変更部１１２は、低強度部位の形状を代替形状に変更し（ステップＳ２０６）、一連の動作を終了する。

類似形状の代替形状が記憶されていない場合（ステップＳ２０３ ＮＯ）、設計変更部１１２は、類似形状の補強構造が記憶されているか否かを判定する（ステップＳ２０４）。より詳細には、設計変更部１１２は、ステップＳ２０１において特定した類似形状に対応付けられた補強構造が、記憶部１２に記憶されているか否かを判定する。

類似形状の補強構造が記憶されている場合（ステップＳ２０４ ＹＥＳ）、設計変更部１１２は、低強度部位の形状に補強構造を付加し（ステップＳ２０７）、一連の動作を終了する。

類似形状の補強構造が記憶されていない場合（ステップＳ２０４ ＮＯ）、設計変更部１１２は、代替素材が記憶されているか否かを判定する（ステップＳ２０５）。より詳細には、設計変更部１１２は、ステップＳ２０２において特定した素材に対応付けられた代替素材が、記憶部１２に記憶されているか否かを判定する。

代替素材が記憶されていない場合（ステップＳ２０５ ＮＯ）、設計変更部１１２は一連の動作を終了する。この場合、設計装置１は、ユーザに対して警告を通知するようにしてもよい。
代替素材が記憶されている場合（ステップＳ２０５ ＹＥＳ）、設計変更部１１２は、低強度部位の素材を代替素材に変更し、一連の動作を終了する。

ただし、ステップＳ２０３～ステップＳ２０５の実行順序は、これに限られず、異なる順序で実行されてもよい。この場合、設計変更部１１２は、１番目及び２番目に実行されるステップの判定結果がＮＯであれば、次のステップを実行し、３番目に実行されるステップの判定結果がＮＯであれば、一連の動作を終了するようにすればよい。
なお、ステップＳ２０３～ステップＳ２０５の実行順序は、各ステップに対応する積層構造体の設計変更の優先順位に従って決定されるとよい。

なお、図３に記載されたフローチャートにおいては、ステップＳ２０３～ステップＳ２０５に対応付けられたいずれか１つを実行することになるが、設計変更部１１２は、複数の設計変更を実行するような構成としてもよい。

以上説明したように、本実施形態に係る設計装置１は、積層構造体の構造データに基づいて、積層構造体の低強度部位を検出し、検出した低強度部位の構造データに基づいて、当該部位の設計を変更するようにしている。
このような構成によって、本実施形態に係る設計装置１は、低強度部位の強度を改善でき、その結果として、積層構造体の強度を向上できる。

（その他の実施形態）
第１の実施形態に係る設計変更部１１２は、種々の形状と当該種々の形状の設計変更例とを機械学習して学習モデルを生成し、当該学習モデルに基づいて、低強度部位の設計を変更してもよい。このような構成によっても、設計変更部１１２は、低強度部位を適切に設計変更できる。

図４は、その他の実施形態に係る設計システムの構成を示すブロック図である。図４に記載の設計システム１０１は、積層構造体の強度を検査する検査部２を備える点で、第１の実施形態に係る設計システムと異なる。

図４に記載の設計システムにおいては、ユーザが、積層構造体のサンプルを少なくとも１つ所有していることを前提としている。検査部２は、積層構造体のサンプルの強度を検査する検査装置として構成されている。検査部２は、測定した積層構造体のサンプルの強度を、検出部１１１に対して出力する。
例えば、検査部２は、積層構造体のサンプルに対して所定の大きさの負荷をかけ、当該サンプルの変形量を計測することで、当該サンプルの強度を測定してもよい。

図４に記載の設計システムにおいては、検出部１１１が、検査部２が出力した検査データを構造データ、あるいは構造データの一部として取得する。そして、検査データに基づいて低強度部位を検出する。
より詳細には、検出部１１１は、検査データに記録された積層構造体のサンプルの強度を、所定の強度と比較する。そして、所定の強度に満たない部位を、低強度部位として検出する。
このような構成によっても、本開示に係る設計システムは、積層構造体における低強度部位を適切に検出できる。

以上、本発明を上記実施形態に即して説明したが、本発明は上記実施形態の構成にのみ限定されるものではなく、本願特許請求の範囲の請求項の発明の範囲内で当業者であればなし得る各種変形、修正、組み合わせを含むことは勿論である。

１ 設計装置
２ 検査部
１１ 演算部
１１１ 検出部
１１２ 設計変更部
１２ 記憶部
１０１ 設計システム

Claims (6)

1. 積層構造体のサンプルの強度を測定することで、前記積層構造体の強度を検査する検査部と、
   前記検査部が出力した検査データと、前記積層構造体の形状に関するデータとを積層構造体の構造データとして取得し、前記構造データに基づいて、前記積層構造体における所定の強度に満たない低強度部位を検出する検出部と、
   前記検出部が検出した前記低強度部位の構造データに基づいて、当該低強度部位の設計を変更する設計変更部と、を備える、
   設計システム。
2. 前記設計変更部は、種々の形状と当該種々の形状の設計変更例とを機械学習して学習モデルを生成し、当該学習モデルに基づいて、前記低強度部位の設計を変更する、
   請求項１に記載の設計システム。
3. 種々の形状と、前記種々の形状の代替形状と、を対応付けて記憶した記憶部をさらに備え、
   前記設計変更部は、前記記憶部に記憶された前記種々の形状のうち、前記低強度部位に類似する形状を特定し、当該低強度部位の形状を特定された前記類似する形状の代替形状に変更する、
   請求項１又は２に記載の設計システム。
4. 種々の形状と、前記種々の形状に対する補強構造とを対応付けて記憶する記憶部をさらに備え、
   前記設計変更部は、前記記憶部に記憶された前記種々の形状のうち、前記低強度部位に類似する形状を特定し、当該低強度部位に対して特定された前記類似する形状の補強構造を付加する、
   請求項１又は２に記載の設計システム。
5. 前記構造データが、前記積層構造体の素材に関するデータをさらに含み、
   種々の素材と、前記種々の素材の代替素材とを対応付けて記憶する記憶部をさらに備え、
   前記設計変更部は、前記記憶部に記憶された前記種々の素材のうち、前記低強度部位に使用される素材を特定し、当該低強度部位の素材を当該素材の代替素材に変更する、
   請求項１又は２に記載の設計システム。
6. 積層構造体のサンプルの強度を測定することで、前記積層構造体の強度を検査し、
   出力した検査データと、前記積層構造体の形状に関するデータとを積層構造体の構造データとして取得し、
   前記構造データに基づいて、前記積層構造体における所定の強度に満たない低強度部位を検出し、
   検出した前記低強度部位の構造データに基づいて、当該低強度部位の設計を変更する、動作をコンピュータが実行する、
   設計方法。