JP6809965B2 - ３次元積層造形条件決定方法、３次元積層造形条件決定装置、３次元積層造形実行方法および３次元積層造形装置 - Google Patents

Description

本開示は、３次元積層造形方法および３次元積層造形装置に関する。

従来、設計データ（ＣＡＤデータ）に基づいて、造形材料を順次積層して３次元造形物を造形する３次元積層造形技術（ＡＭ：Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）が知られている（例えば特許文献１〜４参照）。例えば、３次元積層造形技術の一種として知られる金属積層造形法では、予め定めた造形条件（ビーム照射条件、粉末層の厚さなど）に従って、リコータでベースプレート上に金属粉末を薄く敷き詰めることにより薄い粉末層を形成し、造形物部分に相当する部分にビーム（例えばレーザビーム又は電子ビーム）を照射して粉末層を選択的に溶融し凝固させる。こうして固化された粉末層の上面に対して、再度、粉末層の形成およびビーム照射による固化の工程を繰返すことで、３次元造形物を完成させる。

このような３次元積層造形技術によれば、鍛造や鋳造などの従来工法では実現できなかった複雑な形状を造形することが可能であり、航空宇宙、自動車、産業機器、インプラントなどの幅広い分野に適用されている。例えば、特許文献２には、３次元積層造形技術（金属積層造形法）でタービン翼を製造することにより、出来上がり寸法の優れたタービン翼を短時間で製造することが可能である旨が開示されている。

また、造形条件は、照射回数、走査速度、走査ピッチ、走査パターン、積層ピッチ、ビーム出力などの各種の条件が含まれており、金属粉末の溶融、凝固に関係することから、通常、材料毎に最適化される（特許文献３〜４参照）。例えば、特許文献３には、造形材料である金属粉末の種類毎にビーム出力を変えることが開示されている。また、特許文献４には、光硬化性樹脂に光を走査して硬化し、この硬化した部分を積層して３次元形状を造形する光造形装置において、例えば樹脂層毎に、リアルタイムで検出した光硬化性樹脂の硬化した部分における形状誤差が許容値内にあるか否かを評価し、形状誤差が許容値内にあれば造形を実施し、形状誤差が許容値を越えれば造形条件を変更して造形を実施することが開示されている。

特開２０１５−１３４４１１号公報 特開２００３−１２９８６２号公報 特開２０１５−１９３８６６号公報 特開平９−７６３５３号公報

金属積層造形法などの３次元積層造形技術では、３次元造形物の造形中に微小な空洞などの内部欠陥が形成される場合がある。また、３次元造形物の傾斜する側面部では、表面粗さが増大し易いことを本発明者らは見出している（後述する図７Ａ参照）。このような内部欠陥や表面粗さは高サイクル疲労寿命の低下の原因になるなど、３次元造形物の疲労寿命に影響を与える。このような課題は、例えばビームの照射回数を多くする、走査速度を遅くする、走査ピッチを狭くするなど、造形条件を最適化することにより抑制することは可能であるが、このような造形条件で造形すると、３次元造形物の完成までに要する造形時間が増大し、生産性および製造コストの増大を招く。

上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、造形時間の増大を抑制しつつ、疲労寿命の要求を満たす３次元造形物の造形が可能な３次元積層造形方法を提供することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る３次元積層造形方法は、
３次元造形物の設計データに基づいて、造形材料を積層して前記３次元造形物を造形する３次元積層造形方法において、
前記設計データに基づいて、前記３次元造形物に部分的に含まれる特定部を識別する特定部識別ステップと、
前記特定部以外の前記３次元造形物の標準部を造形するための標準造形条件とは異なる特定造形条件を前記特定部の造形に適用するか否かを判断し、前記特定部の造形条件を決定する特定部造形条件決定ステップと、
前記特定部以外の前記標準部を前記標準造形条件で造形すると共に、前記特定部造形条件決定ステップで決定された前記造形条件で前記特定部を造形する造形条件設定を送信する造形条件設定送信ステップと、を備える。

上記（１）の構成によれば、３次元造形物が有する標準部については標準造形条件を適用する一方で、特定部については特定造形条件による造形の必要性を判断した結果に応じて適用する造形条件（特定造形条件または標準造形条件）を決定する。こうして決定した造形条件設定を、実際に造形を実行する造形実行装置に送信する。これによって、３次元造形物の標準部および特定部の各々を、部位に応じた造形条件でそれぞれ造形することができる。また、後述するように、特定造形条件は、標準造形条件よりも、例えば照射回数を多くするなど内部欠陥や表面粗さの改善が可能な条件とすることによって、疲労寿命が低下し易い特定部の疲労寿命の向上を図りつつ、３次元造形物の全体ではなく特定部に対してのみ特定造形条件を適用することによって造形時間の増大を抑制することができる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記特定部造形条件決定ステップは、
前記特定部を前記標準造形条件で造形した場合の内部欠陥寸法あるいは表面粗さの少なくとも一方である疲労寿命低下因子の値を予測する因子値予測ステップと、
前記因子値予測ステップにおける前記疲労寿命低下因子の値の予測結果を用いて、前記特定部の造形に前記特定造形条件を適用するか否かを判断する適用条件判断ステップと、を有する。
上記（２）の構成によれば、特定部の造形に特定造形条件を適用するか否かの判断を、疲労寿命低下因子の値の予測結果に基づいて行うことで、疲労寿命の要求を満たす３次元造形物の造形を図ることができる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（２）の構成において、
前記適用条件判断ステップは、
前記因子値予測ステップで予測された前記疲労寿命低下因子の値に対応する疲労強度低下係数を算出する疲労強度低下係数算出ステップと、
前記造形材料からなる平滑材についての応力振幅と破断までの繰返し数との関係を示す標準Ｓ−Ｎ曲線を取得する標準Ｓ−Ｎ曲線取得ステップと、
前記設計データに基づいて、前記３次元造形物の少なくとも一部の応力の解析結果を取得する応力解析結果取得ステップと、
前記疲労強度低下係数および前記標準Ｓ−Ｎ曲線を用いて、前記応力解析結果取得ステップで取得された前記応力の解析結果に対応する前記繰返し数である予測疲労寿命を前記特定部について算出し、前記予測疲労寿命と設計疲労寿命との比較に基づいて、前記特定部の造形に前記特定造形条件を適用するか否かを判断する適用判断ステップ、とを有する。
上記（３）の構成によれば、標準造形条件で特定部を造形した場合における特定部の疲労寿命を、応力条件と、疲労強度低下係数と、標準Ｓ−Ｎ曲線とに基づいて求めた後、設計疲労寿命との比較に基づいて造形条件を決定する。具体的には、特定部の造形条件には、予測疲労寿命が設計疲労寿命よりも小さい場合は特定造形条件を適用し、予測疲労寿命が設計疲労寿命以上の場合には標準造形条件を適用する。これによって、特定部の疲労寿命を設計疲労寿命以上に大きくすることができるので、３次元造形物の疲労寿命の要求を満たすことができる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（３）の構成において、
前記特定造形条件は、前記標準造形条件よりも前記３次元造形物の内部欠陥寸法を小さくするか、あるいは、前記３次元造形物の前記表面粗さを小さくすることが可能な造形条件である。
上記（４）の構成によれば、特定造形条件により特定部を造形することで、標準造形条件で特定部を造形する場合よりも、内部欠陥寸法または表面粗さを改善することができ、特定部の疲労寿命の向上を図ることができる。

（５）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（４）の構成において、
前記特定部は、前記３次元造形物の表層部、表面部、又は、ボリューム部の応力集中部のうちの少なくとも１つを含む。
上記（５）の構成によれば、３次元造形物の表層部、表面部、又は、ボリューム部の応力集中部は、特に内部欠陥や表面粗さなどによる疲労寿命の低下が生じやすく、そのような特定部の疲労寿命の向上を図ることができる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（５）の構成において、
前記特定造形条件は、前記標準造形条件よりも、積層される前記造形材料の粉末層を固化するビームの照射回数が多いか、走査速度が遅いか、走査ピッチが狭いか、ビーム出力が大きいか、オフセットが大きいか、前記粉末層の厚さが薄いかの少なくとも１つが成立している。
上記（６）の構成によれば、特定造形条件における粉末層の固化条件や粉末層の厚さ条件を調整することにより、標準造形条件よる造形に比べて、内部欠陥寸法または表面粗さを改善することができる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（６）の構成において、
前記特定部が前記表面部である場合の前記特定造形条件は、前記表面部がオーバハング部を含む場合には、前記標準造形条件よりも、前記オーバハング部を形成する前記粉末層の厚さが薄く、前記表面部が前記オーバハング部を含まない場合には、前記粉末層の厚さ以外の条件が、前記標準造形条件と異なる。

標準造形条件よりも粉末層の厚さを薄くすると、粉末層を敷き詰める回数が増えるため、例えばビームの照射回数を部分的な特定部において増やすような場合よりも、造形時間の増大が大きい。上記の構成によれば、オーバハング部９６の表面粗さを確実に改善しつつ、造形時間の増大を抑制することができる。

（８）本発明の少なくとも一実施形態に係る３次元積層造形装置は、
３次元造形物の設計データに基づいて、造形材料を積層して前記３次元造形物を造形する３次元積層造形装置において、
前記設計データに基づいて、前記３次元造形物に部分的に含まれる特定部を識別する特定部識別部と、
前記特定部以外の前記３次元造形物の標準部を造形するための標準造形条件とは異なる特定造形条件を前記特定部の造形に適用するか否かを判断し、前記特定部の造形条件を決定する特定部造形条件決定部と、
前記特定部以外の前記標準部を前記標準造形条件で造形すると共に、前記特定部造形条件決定部で決定された前記造形条件で前記特定部を造形する造形条件設定を送信する造形条件設定送信部と、を備える。

上記（８）の構成によれば、上記（１）と同様の効果を奏することができる。

（９）幾つかの実施形態では、上記（８）の構成において、
前記特定部造形条件決定部は、
前記特定部を前記標準造形条件で造形した場合の内部欠陥寸法あるいは表面粗さの少なくとも一方である疲労寿命低下因子の値を予測する因子値予測部と、
前記因子値予測部における前記疲労寿命低下因子の値の予測結果を用いて、前記特定部の造形に前記特定造形条件を適用するか否かを判断する適用条件判断部と、を有する。
上記（９）の構成によれば、上記（２）と同様の効果を奏することができる。

（１０）幾つかの実施形態では、上記（９）の構成において、
前記適用条件判断部は、
前記因子値予測部で予測された前記疲労寿命低下因子の値に対応する疲労強度低下係数を算出する疲労強度低下係数算出部と、
前記造形材料からなる平滑材についての応力振幅と破断までの繰返し数との関係を示す標準Ｓ−Ｎ曲線を取得する標準Ｓ−Ｎ曲線取得部と、
前記設計データに基づいて、前記３次元造形物の少なくとも一部の応力の解析結果を取得する応力解析結果取得部と、
前記疲労強度低下係数および前記標準Ｓ−Ｎ曲線を用いて、前記応力解析結果取得部で取得された前記応力の解析結果に対応する前記繰返し数である予測疲労寿命を前記特定部９３について算出し、前記予測疲労寿命と設計疲労寿命との比較に基づいて、前記特定部の造形に前記特定造形条件を適用するか否かを判断する適用判断部、とを有する。
上記（１０）の構成によれば、上記（３）と同様の効果を奏することができる。

（１１）幾つかの実施形態では、上記（８）〜（１０）の構成において、
前記特定造形条件は、前記標準造形条件よりも前記３次元造形物の内部欠陥寸法を小さくするか、あるいは、前記３次元造形物の前記表面粗さを小さくすることが可能な造形条件である。
上記（１１）の構成によれば、上記（４）と同様の効果を奏することができる。

（１２）幾つかの実施形態では、上記（８）〜（１１）の構成において、
前記特定部は、前記３次元造形物の表層部、表面部、又は、ボリューム部の応力集中部のうちの少なくとも１つを含む。
上記（１２）の構成によれば、上記（５）と同様の効果を奏することができる。

（１３）幾つかの実施形態では、上記（１２）の構成において、
前記特定造形条件は、前記標準造形条件よりも、積層される前記造形材料の粉末層を固化するビームの照射回数が多いか、走査速度が遅いか、走査ピッチが狭いか、ビーム出力が大きいか、オフセットが大きいか、前記粉末層の厚さが薄いかの少なくとも１つが成立している。
上記（１３）の構成によれば、上記（６）と同様の効果を奏することができる。

（１４）幾つかの実施形態では、上記（１３）の構成において、
前記特定部が前記表面部である場合の前記特定造形条件は、前記表面部がオーバハング部を含む場合には、前記標準造形条件よりも、前記オーバハング部を形成する前記粉末層の厚さが薄く、前記表面部が前記オーバハング部を含まない場合には、前記粉末層の厚さ以外の条件が、前記標準造形条件と異なる。
上記（１４）の構成によれば、上記（７）と同様の効果を奏することができる。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、造形時間の増大を抑制しつつ、疲労寿命の要求を満たす３次元造形物の造形が可能な３次元積層造形方法が提供される。

本発明の一実施形態に係る３次元積層造形装置を概略的に示す図である。 本発明の一実施形態に係る３次元積層造形方法を示す図である。 本発明の一実施形態に係る特定部造形条件決定ステップを示す図である。 本発明の一実施形態に係る特定部造形条件決定ステップの詳細を示す図である。 内部欠陥寸法と疲労強度との関係を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係るボリューム部における内部欠陥寸法と疲労強度低下係数との関係を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係る表層部における内部欠陥寸法と疲労強度低下係数との関係を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係るオーバハング角度と表面粗さとの関係を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係る表面粗さと疲労強度低下係数との関係を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係る予測疲労寿命が設計疲労寿命よりも大きい場合と小さい場合をそれぞれ説明するための図である。 本発明の一実施形態に係る表層部の造形条件の決定フローを示す図である。 本発明の一実施形態に係る側面傾斜部の造形条件の決定フローを示す図である。 本発明の一実施形態に係るボリューム部の造形条件の決定フローを示す図である。 本発明の一実施形態に係る造形条件決定装置の機能ブロック図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

図１は、本発明の一実施形態に係る３次元積層造形装置１の構成を示す模式図である。３次元積層造形装置１は、３次元造形物９の設計データＤ（ＣＡＤデータ）に基づいて、造形材料を積層して３次元造形物９を造形する装置である。図１に示す実施形態の３次元積層造形装置１は金属積層造形法により３次元造形物９を製造する装置であり、造形を実行する造形実行装置１Ｂと、造形実行装置１Ｂによる造形の実行を支援する造形支援装置１Ａとを有する。造形実行装置１Ｂは、ベースプレート４と、ベースプレート４上に造形用の造形材料５としての金属粉末からなる粉末層６（パウダーベッド）を形成するためのリコータ８と、粉末層６を３次元造形物９の形状に従って選択的に固化するように粉末層６にビーム（例えばレーザ）を照射するためのビーム照射ユニット７と、リコータ８及びビーム照射ユニット７を制御するコントローラ３と、を備えている。造形支援装置１Ａは、コントローラ３に３次元造形物９の造形条件Ｃを入力する造形条件決定装置２と、造形条件決定装置２に接続された各種データベース（疲労寿命低下因子値ＤＢ２４、強度情報ＤＢ２５、造形条件格納ＤＢ２６）と、備えている。

このような３次元積層造形装置１において、コントローラ３には、３次元造形物９の造形に用いる２次元スライスデータおよび造形条件Ｃが造形条件決定装置２から入力されるようになっている。２次元スライスデータは、３次元造形物９の設計データＤに含まれる３次元形状データを一方向で複数にスライスすることで生成される。そして、コントローラ３による２次元スライスデータおよび造形条件Ｃに基づいた制御の下で、リコータ８によりベースプレート４上に金属粉末（造形材料５）を敷き詰めて粉末層６を形成し、造形物部分に相当する金属粉末をビームで溶融して凝固させ、ベースプレート４を下降させてから新たに金属粉末を敷き詰めて、再び、造形物部分に相当する金属粉末をレーザで溶融し凝固させる。この作業を繰り返すことにより、重力の方向とは逆方向となる積層方向に沿って、造形材料５を順次積層していくことで、３次元造形物９の造形を行う。

なお、図１に示す実施形態では、コントローラ３と造形条件決定装置２とはそれぞれ独立した装置となっているが、他の幾つかの実施形態では、コントローラ３に造形条件決定装置２が組み込まれるなどすることで同一の装置に実装されていても良い。また、２次元スライスデータの生成は、コントローラ３が、設計データＤを直接入力されることで行っても良いし、造形条件決定装置２がそのための機能を備えることで生成しても良い。あるいは不図示の他の装置（コンピュータ）で生成されて、直接あるいは造形条件決定装置２を介してコントローラ３に入力しても良い。

以下、上述した造形実行装置１Ｂといった３次元積層造形装置１を用いるなどして実行される３次元積層造形方法について、図２〜図３を用いて説明する。図２は、本発明の一実施形態に係る３次元積層造形方法を示す図である。また、図３は、本発明の一実施形態に係る特定部造形条件決定ステップ（Ｓ２）を示す図である。
この３次元積層造形方法は、３次元造形物９の設計データＤに基づいて、造形材料５を積層して３次元造形物９を造形する方法であり、図２に示すように、特定部識別ステップ（Ｓ１）と、特定部造形条件決定ステップ（Ｓ２）と、造形条件設定送信ステップ（Ｓ３）と、を備える。

特定部識別ステップ（Ｓ１）は、設計データＤに基づいて、３次元造形物９に部分的に含まれる特定部９３を識別する。特定部９３は、造形条件Ｃの差異が疲労寿命に対して相対的に大きな影響を及ぼすことになる３次元造形物９の特定の部分である。このような部分（特定部９３）としては、例えば、３次元造形物９を形造る固体の表面（最表面）（以下、表面部９５）から所定の深さまでの固体の内部の部分である表層部９４や、表面部９５それ自体、表面部９５のうちのオーバハング部９６（後述）、応力集中が生じやすい形状を有する部分など、複数の種類が挙げられる。

詳述すると、３次元造形物９の造形中には微小な空洞などの内部欠陥が生じる場合があり、その形状や大きさは造形条件Ｃに応じて確率的に決まる。そして、内部欠陥が表層部９４に生じた場合には、表層部９４よりもさらに深い部分を占めるボリューム部９２に内部欠陥が生じた場合よりも、疲労寿命を顕著に低下させる。よって、疲労寿命の観点から、ある造形条件Ｃで造形した場合の内部欠陥は、その形状、大きさなどによって、ボリューム部９２で生じる場合には許容できるが、表層部９４で生じる場合には許容できないという場合が生じ得る。以下、内部欠陥の寸法の形状や大きさなどを数値的に示すものを内部欠陥寸法ａという。具体的には、内部欠陥寸法ａは、内部欠陥の最大長や平均長などであっても良い。

また、表面部９５の表面粗さＲ（以下、適宜、単に、表面粗さＲという）についても造形条件に応じて変わり、表面粗さＲが大きいほど、疲労寿命を低下させる。よって、疲労寿命の観点から、ある造形条件Ｃで造形することが、表面部９５以外では許容できるが、表面部９５では表面粗さＲが大きくなるために、許容できない場合が生じ得る。特に、３次元造形物９のオーバハング部９６では、それ以外の表面部９５よりも、同じ造形条件Ｃで造形した場合であっても表面粗さＲが大きくなる（後述する図７Ａ参照）。ここでいう、オーバハング部９６は、３次元造形物９の造形材料５の積層方向に直交する方向（図１では水平方向）に対して所定の傾斜角度（オーバハング角度α）で傾斜する表面部９５であって、表面部９５の外部に向かう法線が積層方向の逆方向を向く成分を有する表面部９５である（０度≦α＜９０度）。このような部分では、粉末層６を敷き詰めた際や固化する際に、先に固化された部分を土台としておらず、表面粗さＲが大きくなり易い（図７Ａ参照）。

ボリューム部９２などについても、３次元造形物９の応力集中が生じやすい形状などを有する部分（応力集中部）が存在する場合がある。この場合には、疲労寿命の観点から、ある造形条件Ｃで造形することが、応力集中部以外では許容できるが、応力集中部では応力集中によって、許容できない場合が生じ得る。応力集中部は、数値解析（ＦＥＭ）などを通して把握し、特定部９３に含めても良い。

特定部造形条件決定ステップ（Ｓ２）は、特定部９３以外の３次元造形物９の標準部９１を造形するための標準造形条件Ｃｎとは異なる特定造形条件Ｃｓを特定部９３の造形に適用するか否かを判断し、特定部９３の造形条件Ｃを決定する。つまり、上述した特定部識別ステップ（Ｓ１）によって、造形対象の３次元造形物９から少なくとも１つの特定部９３が識別された場合には、識別された特定部９３毎に特定造形条件Ｃｓを適用するか否かを判断する。そして、特定造形条件Ｃｓを適用すると判断した特定部９３の造形条件Ｃは特定造形条件Ｃｓに決定し、特定造形条件Ｃｓを適用しないと判断した特定部９３の造形条件Ｃは標準造形条件Ｃｎに決定する。これによって、特定造形条件Ｃｓは３次元造形物９に対して部分的に適用される。

図２〜図３に示す実施形態では、特定部９３は、表層部９４、表面部９５、表面部９５のうちの特にオーバハング部９６、応力集中部の４種類である。そして、表層部９４と、オーバハング部９６を含む表面部９５と、応力集中部の３つに分けて、適用する造形条件Ｃの決定を行っている（図３参照）。これらの特定造形条件Ｃｓおよび標準造形条件Ｃｎは、図１に示すような造形条件格納ＤＢ２６に予め格納されており、特定造形条件Ｃｓは特定部９３の種類毎に用意され、標準造形条件Ｃｎは造形材料５に応じて用意されていても良い。

造形条件設定送信ステップ（Ｓ３）は、特定部９３以外の標準部９１を標準造形条件Ｃｎで造形すると共に、特定部造形条件決定ステップ（Ｓ２）での判断を通して決定された造形条件Ｃで特定部９３を造形する造形条件設定Ｉｃを送信する。例えば、造形条件決定装置２を用いて造形条件を決定する場合には、造形条件決定装置２から造形実行装置１Ｂ（図１ではコントローラ３）に造形条件設定を送信する。この場合、例えば、造形条件決定装置２の操作者が造形開始を命令する実行ボタンを押すなどの操作によって造形条件設定Ｉｃが送信される場合には、造形条件設定Ｉｃを送信することは、このような操作者の操作であっても良い。造形条件決定装置２を用いない場合などには、図１のコントローラ３といった造形実行装置１Ｂに対して造形条件Ｃの入力操作もここでいう送信に含まれるものとする。これによって、造形実行装置１Ｂによる３次元造形物９の造形の開始が可能となる。

ここで、標準造形条件Ｃｎは、例えば疲労寿命や疲労強度の観点から、ボリューム部９２など特定部９３以外の造形に適するように定められたり、造形材料５に応じて定められたりする造形条件Ｃである。そして、特定造形条件Ｃｓは、標準造形条件Ｃｎよりも、３次元造形物９の内部欠陥の形状や大きさ、表面粗さＲの改善が可能な条件とする。よって、特定造形条件Ｃｓによる造形を行うことによって、その造形部分における内部欠陥寸法ａを小さくし、また、表面粗さＲを小さくすることが可能となる。特に、オーバハング部９６や応力集中部は３次元造形物９の形状的な特徴部分であり、標準造形条件Ｃｎを造形材料５に最適なものとした場合であっても、設計疲労寿命Ｎｄを満たさないほど疲労寿命を低下させる場合が生じ得るので、特定造形条件Ｃｓによる造形の必要性が生じやすい。

より具体的には、標準造形条件Ｃｎおよび特定造形条件Ｃｓは、それぞれ、造形材料５を固化する固化条件または造形材料５の積層厚さｔ（積層ピッチ）の積層厚条件の少なくとも一方を条件として含む。上記の固化条件は、例えば、金属積層造形法（図１参照）や光造形法などのように造形材料５の薄層（例えば粉末層６）の各々にビームを照射して固化する場合には、ビームの照射回数、走査速度、走査ピッチ、ビーム出力、オフセット（後述）などとなる。そして、後述するように、特定造形条件Ｃｓは、標準造形条件Ｃｎよりも例えばビームの照射回数を多くするといった条件を有することにより、内部欠陥寸法ａや表面粗さＲの改善が行われる。

つまり、３次元造形物９が有する標準部９１については標準造形条件Ｃｎを適用する一方で、特定部９３については特定造形条件Ｃｓによる造形の必要性を判断した結果に応じて適用する造形条件Ｃ（特定造形条件Ｃｓまたは標準造形条件Ｃｎ）を決定する。特定造形条件Ｃｓにより造形した部分は、標準造形条件Ｃｎで造形する場合よりも、内部欠陥寸法ａや表面粗さＲを改善できる反面、造形時間の増大等を招く。このため、特定造形条件Ｃｓは３次元造形物９の全体に適用するのではなく、特定部９３にのみ適用することで、質の向上を図りつつ、造形時間の増大等の抑制を図っている。

次に、上述したステップを有する３次元積層造形方法を、図２に示すフローに沿って説明する。以下の説明では、造形条件決定装置２が本フローを実行するものとする。

図２のステップＳ０において、標準部造形条件決定ステップを実行し、３次元造形物９の標準部９１の造形条件Ｃを標準造形条件Ｃｎに決定している。例えば、３次元造形物９の全体（標準部９１および特定部９３の両方）の造形条件Ｃを標準造形条件Ｃｎにデフォルトで決定することより本ステップＳ０を行っても良い。その後、ステップＳ１において、上述した特定部識別ステップ（Ｓ１）を実行し、３次元造形物９の有する特定部９３を識別する。ステップＳ２において、上述した特定部造形条件決定ステップ（Ｓ２）を実行する。より詳細には、本ステップＳ２では、ステップＳ２ａにおいて表層部９４の造形条件Ｃを決定し、ステップＳ２ｂにおいて表面部９５（オーバハング部９６を含む）の造形条件Ｃを決定している。また、ステップＳ２ｃにおいて、ボリューム部９２における応力集中部の造形条件Ｃを決定している。ステップＳ３において、上述した造形条件設定ステップ（Ｓ３）を実行し、コントローラ３に決定した造形条件Ｃを設定（入力）する。

その後、ステップＳ４において、造形ステップを実行する。すなわち、コントローラ３が２次元スライスデータや設定（入力）された造形条件Ｃに従って、リコータ８及びビーム照射ユニット７を制御することにより、３次元造形物９の造形を行う。

上記の構成によれば、３次元造形物９の標準部９１は標準造形条件Ｃｎで造形しつつ、特定部９３は決定された造形条件Ｃで造形することにより、３次元造形物９の標準部９１および特定部９３の各々を、部位に応じた造形条件Ｃでそれぞれ造形することができる。また、特定造形条件Ｃｓは、標準造形条件Ｃｎよりも、例えば照射回数を多くするなど内部欠陥や表面粗さの改善が可能な条件とすることによって特定部９３（３次元造形物９）の疲労寿命の向上を図りつつ、３次元造形物９の全体ではなく特定部に９３対してのみ特定造形条件Ｃｓを適用することによって造形時間の増大を抑制することができる。

次に、３次元造形物９の特定部９３に適用する造形条件Ｃの判断手法に関する幾つかの実施形態について、図４〜図８を用いて説明する。
図４は、本発明の一実施形態に係る特定部造形条件決定ステップ（Ｓ２）の詳細を示す図である。図５は、内部欠陥寸法ａと疲労強度σｗとの関係を説明するための図である。図６Ａは、本発明の一実施形態に係るボリューム部９２における内部欠陥寸法ａと疲労強度低下係数Ｓとの関係を説明するための図である。図６Ｂは、本発明の一実施形態に係る表層部９４における疲労強度低下係数Ｓとの関係を説明するための図である。図７Ａは、本発明の一実施形態に係るオーバハング角度αと表面粗さＲとの関係を説明するための図である。図７Ｂは、本発明の一実施形態に係る表面粗さＲと疲労強度低下係数Ｓとの関係を説明するための図である。また、図８は、本発明の一実施形態に係る予測疲労寿命が設計疲労寿命Ｎｄよりも大きい場合と小さい場合をそれぞれ説明するための図である。

幾つかの実施形態では、図４に示されるように、上述した特定部造形条件決定ステップ（図２のＳ２、図３のＳ２ａ、図３のＳ２ｂ）は、因子値予測ステップ（Ｓ２１）と、適用条件判断ステップ（Ｓ２２〜Ｓ２６）と、を有する。

因子値予測ステップ（Ｓ２１）は、特定部９３を標準造形条件Ｃｎで造形した場合の内部欠陥寸法ａあるいは表面粗さの少なくとも一方である疲労寿命低下因子の値を予測する。より詳細には、３次元造形物９を標準造形条件Ｃｎで造形した場合の内部欠陥寸法ａや表面粗さＲを、造形材料５の種類毎に予め実験などを通して把握し、データベース（疲労寿命低下因子値ＤＢ２４）に格納しておく。これによって、疲労寿命低下因子値ＤＢ２４を参照することで、造形材料５毎に、造形条件Ｃに応じた内部欠陥寸法ａや表面粗さＲを予測することが可能となる。例えば、内部欠陥寸法ａについては、３次元造形物９を標準造形条件Ｃｎで造形した場合の頻度分布（確率分布）としても良く、所望の確率（例えば２σ、３σなど）で生じる内部欠陥寸法ａの予測が可能となる。また、表面粗さＲについては、オーバハング部９６などの形状に依存する部分とそれ以外の表面部９５とで分けて、表面粗さＲが予測できるようにしても良い。

適用条件判断ステップ（Ｓ２２〜Ｓ２６）は、因子値予測ステップ（Ｓ２１）における疲労寿命低下因子の値の予測結果を用いて、特定部９３の造形に特定造形条件Ｃｓを適用するか否かを判断する。この判断は、幾つかの実施形態では、疲労寿命低下因子の値と、疲労寿命低下因子の種類毎に設定した所定の閾値との比較に基づいて行っても良く、疲労寿命低下因子の値が所定の閾値以上の場合に特定部９３の造形に特定造形条件Ｃｓを適用すると判断し、逆に、疲労寿命低下因子の値が所定の閾値未満の場合の場合に特定部９３の造形に標準造形条件Ｃｎを適用すると判断しても良い。図５に示すように、推定疲労強度σｗ（疲労限度）は、内部欠陥寸法ａが所定の値ａ１までは変わらないが、ａ１を超えると内部欠陥寸法ａが大きくなるに従って低下する。よって、例えば推定疲労強度σｗの低下が許容できないほど低下する値を閾値として設定しても良い。
他の幾つかの実施形態では、後述するように疲労強度低下係数Ｓを算出することを通して判断しても良い。

上記の構成によれば、特定部９３の造形に特定造形条件Ｃｓを適用するか否かの判断を、疲労寿命低下因子の値の予測結果に基づいて行うことで、疲労寿命の要求を満たす３次元造形物９の造形を図ることができる。なお、適用条件判断ステップ（Ｓ２２〜Ｓ２６）で判断された造形条件Ｃが特定部９３の造形条件Ｃとして決定されることになり、特定部９３の造形条件Ｃが標準造形条件Ｃｎまたは特定造形条件Ｃｓのいずれかに確定される。同時に、標準部９１の造形条件が標準造形条件Ｃｎであることも確定されることになる。
また、上述した適用条件判断ステップ（Ｓ２２〜Ｓ２６）は、幾つかの実施形態では、図４に示すように、疲労強度低下係数Ｓの算出を通して判断しても良い。具体的には、適用条件判断ステップ（Ｓ２２〜Ｓ２６）は、疲労強度低下係数算出ステップ（Ｓ２２）と、標準Ｓ−Ｎ曲線取得ステップ（Ｓ２３）と、応力解析結果取得ステップ（Ｓ２４）と、適用判断ステップ（Ｓ２５〜Ｓ２６）と、を備える。

疲労強度低下係数算出ステップ（Ｓ２２）は、因子値予測ステップ（Ｓ２１）で予測された疲労寿命低下因子の値に対応する疲労強度低下係数Ｓを算出する。ここで、疲労強度低下係数Ｓは、造形材料５からなる平滑材のＳ−Ｎ曲線（以下、標準Ｓ−Ｎ曲線Ｌｎという。）が疲労寿命低下因子の値に応じてどの程度低下するかを予測するのに用いる係数である。例えば、標準Ｓ−Ｎ曲線Ｌｎに疲労強度低下係数を乗じることで、疲労寿命低下因子の値に対応じたＳ−Ｎ曲線の予測（以下、予測Ｓ−Ｎ曲線）が得られる（図８参照）。この疲労強度低下係数Ｓは、予め実験や数値解析などを通して求められている。例えば、標準Ｓ−Ｎ曲線Ｌｎと共に、データベース（強度情報ＤＢ２５）に格納しておいても良く（図１参照）、これによって、強度情報ＤＢを参照することで、造形材料５および疲労寿命低下因子の値に対応した疲労強度低下係数Ｓが得られる。

ここで、内部欠陥寸法ａと疲労強度低下係数Ｓとの関係を説明すると、図６Ａ〜図６Ｂに例示するように、内部欠陥寸法ａの増加に従って疲労強度低下係数Ｓも増加する。ところが、表層部９４とボリューム部９２とでは、内部欠陥寸法ａに対する疲労強度低下係数Ｓの増加の仕方に違いがある。具体的には、ボリューム部９２では内部欠陥寸法ａの増加に比例するように疲労強度低下係数Ｓが増加する（図６Ａ参照）。これに対して、表層部９４では、内部欠陥寸法ａの増加に従って疲労強度低下係数Ｓは対数関数的に増加する（図６Ｂ参照）。つまり、表層部９４は、ボリューム部９２よりも、内部欠陥寸法ａの疲労強度低下係数Ｓに対する影響が顕著といえる。これが、上述したように、３次元造形物９の表層部９４を特定部９３として定めた理由となる。

他方、表面粗さＲと疲労強度低下係数Ｓとの関係を説明すると、図７Ｂに例示するように、表面粗さＲの増加に従って疲労強度低下係数Ｓは対数関数的に増加する。特に、表面粗さＲは、オーバハング角度αの影響を受け、図７Ａに示すように、オーバハング角度αが小さいほど、表面粗さＲ（算術平均粗さＲａ）は大きくなる。これが、上述したように、３次元造形物９のオーバハング部９６を特定部９３として定めた理由となる。

標準Ｓ−Ｎ曲線取得ステップ（Ｓ２３）は、上述した、造形材料５からなる平滑材についての応力振幅Δσと破断までの繰返し数Ｎとの関係を示す標準Ｓ−Ｎ曲線Ｌｎを取得する。例えば疲労試験、数値解析（ＦＥＭ）、文献値を取得するなど通して得た標準Ｓ−Ｎ曲線Ｌｎを強度情報ＤＢ２５に格納しておき、強度情報ＤＢ２５から標準Ｓ−Ｎ曲線Ｌｎを取得しても良い（図１参照）。

応力解析結果取得ステップ（Ｓ２４）は、設計データＤに基づいて、特定部９３などの３次元造形物９の少なくとも一部の応力の解析結果を取得する。例えば、図１に示すように、ＦＥＭなどの数値解析により特定部９３に生じる応力（応力振幅Δσ）の解析結果を造形条件決定装置２に入力するように構成しても良い。他の幾つかの実施形態では、３次元造形物９あるいは部分形状に応じた応力の解析結果を予めデータベース化しておき、このデータベースから取得しても良い。その他の幾つかの実施形態では、本ステップにおいて実際に応力解析を実行することにより、取得しても良い。

適用判断ステップ（Ｓ２５〜Ｓ２６）は、疲労強度低下係数Ｓおよび標準Ｓ−Ｎ曲線Ｌｎを用いて、応力解析結果取得ステップ（Ｓ２４）で取得された応力の解析結果に対応する破断までの繰返し数である予測疲労寿命を特定部９３について算出し（Ｓ２５）、算出した予測疲労寿命と設計疲労寿命Ｎｄとの比較に基づいて、特定部９３の造形に特定造形条件Ｃｓを適用するか否かを判断する（Ｓ２６）。特定部９３の予測疲労寿命は、例えば、疲労強度低下係数Ｓおよび標準Ｓ−Ｎ曲線Ｌｎを演算（乗算）することにより、特定部９３に関して予測される予測Ｓ−Ｎ曲線Ｌｓを得た後、応力の解析結果得られる応力振幅Δσに対応する繰返し数Ｎを予測Ｓ−Ｎ曲線Ｌｓから得ることで算出できる。

また、特定部９３に適用する造形条件Ｃの判断について図８を用いて説明すると、特定部９３に生じる応力の解析結果が例えば応力振幅Δσ１である場合には、予測Ｓ−Ｎ曲線Ｌｓから予測疲労寿命はＮ１となる。この場合の予測疲労寿命（Ｎ１）は設計疲労寿命Ｎｄよりも小さい（Ｎ１＜Ｎｄ）。よって、設計疲労寿命Ｎｄを満たすことができないため、標準造形条件Ｃｎで特定部９３を造形するのは許容できず、特定部９３の造形条件Ｃに特定造形条件Ｃｓを適用すると判断する。逆に、特定部９３に生じる応力の解析結果が例えば応力振幅Δσ２である場合には、予測Ｓ−Ｎ曲線Ｌｓから予測疲労寿命はＮ２となる。この場合の予測疲労寿命（Ｎ２）は設計疲労寿命Ｎｄ以上に大きい（Ｎ２≧Ｎｄ）。よって、設計疲労寿命Ｎｄを満たすことができるため、標準造形条件Ｃｎでの特定部９３の造形は許容でき、特定部９３の造形条件Ｃに標準造形条件Ｃｎを適用すると判断する。

上述したステップＳ２２〜Ｓ２６を備える実施形態の次元積層造形方法を、図４に示すフローに沿って説明する。造形条件決定装置２が本フローを実行しても良い。

図４のステップＳ１において、上述した因子値予測ステップを実行し、疲労寿命低下因子の値（内部欠陥寸法ａ、表面粗さＲ）を予測する。ステップＳ２２において、上述した疲労強度低下係数算出ステップを実行し、予測された疲労寿命低下因子の値に対応する疲労強度低下係数Ｓを算出する。ステップＳ２３において、上述した標準Ｓ−Ｎ曲線取得ステップを実行し、標準Ｓ−Ｎ曲線Ｌｎを取得する。ステップＳ２４において、上述した応力解析結果取得ステップを実行し、特定部９３に生じる応力の解析結果を取得する。

引き続くステップＳ２５〜Ｓ２６において、適用判断ステップを実行する。具体的には、ステップＳ２５で、疲労強度低下係数Ｓおよび標準Ｓ−Ｎ曲線Ｌｎ、特定部９３に生じる応力の解析結果を用いて、特定部９３の予測疲労寿命を算出する。そして、ステップＳ２６ａにおいて、特定部９３の予測疲労寿命と設計疲労寿命Ｎｄとを比較し、予測疲労寿命が設計疲労寿命Ｎｄ以上の場合には、ステップＳ２６ｙにおいて、特定部９３の造形条件Ｃを標準造形条件Ｃｎと判断（決定）する。逆に、ステップＳ２６ａにおける比較の結果、予測疲労寿命が設計疲労寿命Ｎｄよりも小さい場合には、ステップＳ２６ｎにおいて、特定部９３の造形条件Ｃを特定造形条件Ｃｓと判断（決定）する。こうして、適用判断ステップ（Ｓ２５〜Ｓ２６）で特定部９３毎に判断された造形条件Ｃが、その特定部９３を造形する条件として決定されることになる。

上記で説明した図４の各ステップは、特定部９３の種類によらず同じとなっている。つまり、特定部９３が表層部９４あるいは応力集中部である場合の造形条件Ｃの決定フローを示す図９、および、特定部９３が表面部９５である場合の造形条件Ｃの決定フローを図１０でも、ステップＳ２１〜ステップＳ２６において、標準造形条件Ｃｎによる表層部９４、応力集中部（図９）、あるいは表面部９５（図１０）の造形を許容するかによって、許容できない場合にはステップＳ２７で造形条件Ｃが特定造形条件Ｃｓに決定し、許容できる場合にはステップ２８で造形条件Ｃが標準造形条件Ｃｎに決定している。

なお、他の幾つかの実施形態では、ボリューム部９２の造形条件Ｃについても、上述した特定部９３に関する実施形態と同様に、特定造形条件Ｃｓを適用しても良い。すなわち、ボリューム部９２の内部欠陥寸法ａを予測し（因子値予測ステップ）、予測した内部欠陥寸法ａの値に対応する疲労強度低下係数を算出し（疲労強度低下係数算出ステップ）、標準Ｓ−Ｎ曲線Ｌｎを取得し（標準Ｓ−Ｎ曲線取得ステップ）し、設計データＤに基づいて、３次元造形物９の少なくとも一部の応力の解析結果を取得し（応力解析結果取得ステップ）、疲労強度低下係数Ｓおよび標準Ｓ−Ｎ曲線Ｌｎを用いて予測疲労寿命をボリューム部９２について算出する。こうして得たボリューム部９２の予測疲労寿命と設計疲労寿命との比較に基づいて、ボリューム部９２の造形に特定造形条件Ｃｓを適用するか否かを判断することにより（適用判断ステップ）、標準造形条件Ｃｎによるボリューム部９２の造形を許容できるか否かを判断しても良い。図１１に示す実施形態では、上記の判断をステップ０１として行い、許容できない場合には、ステップＳ０２〜ステップＳ０４において特定造形条件Ｃｓを適用している。具体的には、ステップＳ０２において、それがボリューム部９２の一部（局所）であるか否かに応じて、全体（Ｓ０３）または一部（Ｓ０４）に対するリメルトを実行している。なお、ステップＳ０１で許容できると判断した場合には、ボリューム部９２の造形条件Ｃはそのまま標準造形条件Ｃｎとなる（Ｓ０５）。

上記の構成によれば、標準造形条件Ｃｎで特定部９３を造形した場合における特定部９３の予測疲労寿命を、応力条件と、疲労強度低下係数Ｓと、標準Ｓ−Ｎ曲線Ｌｎとに基づいて求めた後、設計疲労寿命Ｎｄとの比較に基づいて造形条件Ｃを決定する。具体的には、特定部９３の造形条件Ｃには、予測疲労寿命が設計疲労寿命Ｎｄよりも小さい場合は特定造形条件Ｃｓを適用し、予測疲労寿命が設計疲労寿命Ｎｄ以上の場合には標準造形条件Ｃｎを適用する。これによって、特定部９３の疲労寿命を設計疲労寿命Ｎｄ以上に大きくすることができるので、３次元造形物９の疲労寿命の要求を満たすことができる。

次に、特定造形条件Ｃｓについて、説明する。
幾つかの実施形態では、特定造形条件Ｃｓは、標準造形条件Ｃｎよりも、積層される造形材料の粉末層６を固化するビームの照射回数が多いか、走査速度が遅いか、走査ピッチが狭いか、ビーム出力が大きいか、オフセットが大きいか、粉末層６の厚さｔが薄いかの少なくとも１つが成立している。上記のオフセットは、表面部９５を基準に、表層部９４またはボリューム部９２の積層を開始する位置を決めるためのパラメータであり、表層部９４の積層の開始位置またはボリューム部９２の積層の開始位置の少なくとも一方のオフセットをより大きくしながら最適化することで、内部欠陥寸法ａや表面粗さＲを小さくすることが可能となる。このように、特定造形条件Ｃｓにおける粉末層６の固化条件や粉末層６の厚さ条件を調整することにより、標準造形条件Ｃｎよる造形に比べて、内部欠陥寸法ａまたは表面粗さＲを改善することができる。

また、幾つかの実施形態では、図１０に示されるように、特定部９３が表面部９５である場合の特定造形条件Ｃｓは、表面部９５がオーバハング部９６を含む場合には、標準造形条件Ｃｎよりも、オーバハング部９６を形成する粉末層６の厚さｔが薄く（ステップＳ２７ｃ）、表面部９５がオーバハング部９６を含まない場合には、粉末層６の厚さｔ以外の条件が、標準造形条件Ｃｎと異なる（ステップＳ２７ｂ）。図１０に示す実施形態では、表面部９５がオーバハング部９６以外の場合の特定造形条件Ｃｓは、標準造形条件Ｃｎよりも、積層される造形材料５の粉末層６を固化するビームの照射回数が多くされている。

より詳細には、図１０に示される実施形態では、上述したステップＳ２７の実行は、まず、ステップＳ２７ａにおいて、表面部９５がオーバハング部９６であるか否かを判断する。そして、ステップＳ２９ａでの判断の結果、表面部９５がオーバハング部９６でない場合には、ステップＳ２７ｂにおいて、ビームの照射回数を標準造形条件Ｃｎよりも増やした特定造形条件Ｃｓを適用している。なお、図１０に示す実施形態では、標準造形条件Ｃｎのビーム照射回数が１回であるとして、特定造形条件Ｃｓでは２回照射であるリメルトとしている。逆に、表面部９５がオーバハング部９６である場合には、ステップＳ２７ｃにおいて、標準造形条件Ｃｎの積層厚条件よりも積層厚さｔが薄い条件を有した特定造形条件Ｃｓを適用している。

標準造形条件Ｃｎよりも粉末層６の厚さｔを薄くすると、粉末層６を敷き詰める回数が増えるため、例えばビームの照射回数を部分的な特定部９３において増やすような場合よりも、造形時間の増大が大きい。上記の構成によれば、オーバハング部９６の表面粗さＲを確実に改善しつつ、造形時間の増大を抑制することができる。

以下、上述した３次元積層造形方法を実行する３次元積層造形装置１について、図１２を用いて説明する。図１２は、本発明の一実施形態に係る造形条件決定装置２の機能ブロック図である。なお、図１に示す実施形態では、図２に示す３次元積層造形方法における図ステップＳ０〜Ｓ３は造形条件決定装置２が実行し、ステップＳ４は造形実行装置１Ｂが実行するように機能分担されている。

図１２に示すように、３次元積層造形装置１（造形条件決定装置２）は、上述した特定部識別ステップ（Ｓ１）を実行する特定部識別部１１と、上述した特定部造形条件決定ステップ（Ｓ２）を実行する特定部造形条件決定部１２と、上述した造形条件設定送信ステップ（Ｓ３）を造形条件設定送信部１３と、備える。造形条件決定装置２はコンピュータで構成されており、少なくとも、図示しないＣＰＵ（プロセッサ）や、ＲＯＭやＲＡＭといったメモリ（記憶装置）、コントローラ３など外部と接続するための外部通信インタフェースを備えている。そして、主記憶装置にロードされたプログラム（造形条件決定プログラム）の命令に従ってＣＰＵが動作（データの演算など）することで、上記の各機能部を実現する。

特定部識別部１１は、不図示の設計情報管理システムなどから設計データＤが入力されるようになっている。また、特定部識別部１１は、特定部造形条件決定部１２に接続されており、識別した特定部９３の情報を特定部造形条件決定部１２に送信する。この特定部造形条件決定部１２は、造形条件設定送信部１３に接続されている。また、造形条件設定送信部１３は、図１に示す実施形態では、コントローラ３に接続されており、造形条件設定送信部１３は、造形条件設定Ｉｃをコントローラ３に送信する。

幾つかの実施形態では、図１２に示されるように、上述した特定部造形条件決定部１２は、上述した因子値予測ステップ（Ｓ２１）を実行する因子値予測部１２ａと、上述した適用条件判断ステップ（Ｓ２２〜Ｓ２６）を実行する適用条件判断部１２ｂと、を有しても良い。

また、幾つかの実施形態では、図１２に示されるように、上述した適用条件判断部１２ｂは、図１２に示すように、上述した疲労強度低下係数算出ステップ（Ｓ２２）を実行する疲労強度低下係数算出部１２ｃと、上述した標準Ｓ−Ｎ曲線取得ステップ（Ｓ２３）を実行する標準Ｓ−Ｎ曲線取得部１２ｄと、上述した応力解析結果取得ステップ（Ｓ２４）を実行する応力解析結果取得部１２ｅと、上述した適用判断ステップ（Ｓ２５〜Ｓ２６）を実行する適用判断部１２ｆと、を備えても良い。

以上、金属積層造形法を例に、３次元積層造形方法および３次元積層造形装置１について説明した。本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
例えば、本発明は、金属積層造形法に限定されず、他の３次元積層造形技術にも適用しても良い。

また、上述した３次元積層造形方法は、いずれの実施形態においても、造形材料５に応じて最適化された標準造形条件Ｃｎが決定されており、特定造形条件Ｃｓで疲労寿命低下因子の値を改善するように決定することを前提としている。ただし、これらの実施形態に本発明は限定されない。他の幾つかの実施形態では、特定部９３の設計疲労寿命Ｎｄを満足する造形条件Ｃを標準造形条件Ｃｎとして定めておき、特定造形条件Ｃｓは、標準部９１が設計疲労寿命Ｎｄを満たすことを前提に、造形時間を短縮化するために、標準造形条件Ｃｎよりも、疲労寿命低下因子（内部欠陥寸法ａや表面粗さＲなど）の値の悪化を許容するような条件としても良い。

１ ３次元積層造形装置
１Ａ 造形支援装置
１Ｂ 造形実行装置
１１ 特定部識別部
１２ 特定部造形条件決定部
１２ａ 因子値予測部
１２ｂ 適用条件判断部
１２ｃ 疲労強度低下係数算出部
１２ｄ 標準Ｓ−Ｎ曲線取得部
１２ｅ 応力解析結果取得部
１２ｆ 適用判断部
１３ 造形条件設定送信部
２ 造形条件決定装置
２４ 疲労寿命低下因子値ＤＢ
２５ 強度情報ＤＢ
２６ 造形条件格納ＤＢ
３ コントローラ
４ ベースプレート
５ 造形材料
６ 粉末層
７ ビーム照射ユニット
８ リコータ
９ ３次元造形物
９１ 標準部
９２ ボリューム部
９３ 特定部
９４ 表層部
９５ 表面部
９６ オーバハング部
Ｄ 設計データ
Ｃ 造形条件
Ｃｎ 標準造形条件
Ｃｓ 特定造形条件
Ｉｃ 造形条件設定
Ｓ 疲労強度低下係数
ａ 内部欠陥寸法
Ｒ 表面粗さ
Ｌｎ 標準Ｓ−Ｎ曲線
Ｌｓ 予測Ｓ−Ｎ曲線
Ｎ 繰返し数
Ｎｄ 設計疲労寿命
ｔ 粉末層の厚さ（積層厚さ）

Claims (14)

1. ３次元造形物の設計データに基づいて、造形材料を積層して前記３次元造形物を造形する造形条件を決定する３次元積層造形条件決定方法において、
   前記設計データに基づいて、前記３次元造形物に部分的に含まれる特定部を識別する特定部識別ステップと、
   前記特定部以外の前記３次元造形物の標準部を造形するための標準造形条件とは異なる特定造形条件を前記特定部の造形に適用するか否かを判断し、前記特定部の前記造形条件を決定する特定部造形条件決定ステップと、を備え、
   前記特定部造形条件決定ステップは、
   前記特定部を前記標準造形条件で造形した場合の内部欠陥寸法あるいは表面粗さの少なくとも一方である疲労寿命低下因子の値を予測する因子値予測ステップと、
   前記因子値予測ステップにおける前記疲労寿命低下因子の値の予測結果を用いて、前記特定部の造形に前記特定造形条件を適用するか否かを判断する適用条件判断ステップと、を有することを特徴とする３次元積層造形条件決定方法。
2. 前記適用条件判断ステップは、
   前記因子値予測ステップで予測された前記疲労寿命低下因子の値に対応する疲労強度低下係数を算出する疲労強度低下係数算出ステップと、
   前記造形材料からなる平滑材についての応力振幅と破断までの繰返し数との関係を示す標準Ｓ−Ｎ曲線を取得する標準Ｓ−Ｎ曲線取得ステップと、
   前記設計データに基づいて、前記３次元造形物の少なくとも一部の応力の解析結果を取得する応力解析結果取得ステップと、
   前記疲労強度低下係数および前記標準Ｓ−Ｎ曲線を用いて、前記応力解析結果取得ステップで取得された前記応力の解析結果に対応する前記繰返し数である予測疲労寿命を前記特定部について算出し、前記予測疲労寿命と設計疲労寿命との比較に基づいて、前記特定部の造形に前記特定造形条件を適用するか否かを判断する適用判断ステップ、とを有することを特徴とする請求項１に記載の３次元積層造形条件決定方法。
3. 前記特定造形条件は、前記標準造形条件よりも前記３次元造形物の内部欠陥寸法を小さくするか、あるいは、前記３次元造形物の表面粗さを小さくすることが可能な前記造形条件であることを特徴とする請求項１または２に記載の３次元積層造形条件決定方法。
4. 前記特定部は、前記３次元造形物の表層部、表面部、又は、ボリューム部の応力集中部のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の３次元積層造形条件決定方法。
5. 前記特定造形条件は、前記標準造形条件よりも、積層される前記造形材料の粉末層を固化するビームの照射回数が多いか、走査速度が遅いか、走査ピッチが狭いか、ビーム出力が大きいか、オフセットが大きいか、前記粉末層の厚さが薄いかの少なくとも１つが成立していることを特徴とする請求項４に記載の３次元積層造形条件決定方法。
6. 前記特定部が前記表面部である場合の前記特定造形条件は、前記表面部がオーバハング部を含む場合には、前記標準造形条件よりも、前記オーバハング部を形成する前記粉末層の厚さが薄く、前記表面部が前記オーバハング部を含まない場合には、前記粉末層の厚さ以外の条件が、前記標準造形条件と異なることを特徴とする請求項５に記載の３次元積層造形条件決定方法。
7. ３次元造形物の設計データに基づいて、造形材料を積層して前記３次元造形物を造形する造形条件を決定する３次元積層造形条件決定装置において、
   前記設計データに基づいて、前記３次元造形物に部分的に含まれる特定部を識別する特定部識別部と、
   前記特定部以外の前記３次元造形物の標準部を造形するための標準造形条件とは異なる特定造形条件を前記特定部の造形に適用するか否かを判断し、前記特定部の前記造形条件を決定する特定部造形条件決定部と、を備え、
   前記特定部造形条件決定部は、
   前記特定部を前記標準造形条件で造形した場合の内部欠陥寸法あるいは表面粗さの少なくとも一方である疲労寿命低下因子の値を予測する因子値予測部と、
   前記因子値予測部における前記疲労寿命低下因子の値の予測結果を用いて、前記特定部の造形に前記特定造形条件を適用するか否かを判断する適用条件判断部と、を有することを特徴とする３次元積層造形条件決定装置。
8. 前記適用条件判断部は、
   前記因子値予測部で予測された前記疲労寿命低下因子の値に対応する疲労強度低下係数を算出する疲労強度低下係数算出部と、
   前記造形材料からなる平滑材についての応力振幅と破断までの繰返し数との関係を示す標準Ｓ−Ｎ曲線を取得する標準Ｓ−Ｎ曲線取得部と、
   前記設計データに基づいて、前記３次元造形物の少なくとも一部の応力の解析結果を取得する応力解析結果取得部と、
   前記疲労強度低下係数および前記標準Ｓ−Ｎ曲線を用いて、前記応力解析結果取得部で取得された前記応力の解析結果に対応する前記繰返し数である予測疲労寿命を前記特定部について算出し、前記予測疲労寿命と設計疲労寿命との比較に基づいて、前記特定部の造形に前記特定造形条件を適用するか否かを判断する適用判断部、とを有することを特徴とする請求項７に記載の３次元積層造形条件決定装置。
9. 前記特定造形条件は、前記標準造形条件よりも前記３次元造形物の内部欠陥寸法を小さくするか、あるいは、前記３次元造形物の表面粗さを小さくすることが可能な前記造形条件であることを特徴とする請求項７または８に記載の３次元積層造形条件決定装置。
10. 前記特定部は、前記３次元造形物の表層部、表面部、又は、ボリューム部の応力集中部のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の３次元積層造形条件決定装置。
11. 前記特定造形条件は、前記標準造形条件よりも、積層される前記造形材料の粉末層を固化するビームの照射回数が多いか、走査速度が遅いか、走査ピッチが狭いか、ビーム出力が大きいか、オフセットが大きいか、前記粉末層の厚さが薄いかの少なくとも１つが成立していることを特徴とする請求項１０に記載の３次元積層造形条件決定装置。
12. 前記特定部が前記表面部である場合の前記特定造形条件は、前記表面部がオーバハング部を含む場合には、前記標準造形条件よりも、前記オーバハング部を形成する前記粉末層の厚さが薄く、前記表面部が前記オーバハング部を含まない場合には、前記粉末層の厚さ以外の条件が、前記標準造形条件と異なることを特徴とする請求項１１に記載の３次元積層造形条件決定装置。
13. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の３次元積層造形条件決定方法により決定された造形条件に従って３次元造形物を造形する３次元積層造形実行方法。
14. 請求項７〜１２のいずれか１項に記載の３次元積層造形条件決定装置と、
    前記３次元積層造形条件決定装置で決定された造形条件に従って３次元造形物を造形する造形実行装置と、
    を備える３次元積層造形装置。
    

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