特許 7452110 情報処理装置、三次元形状データ生成装置、三次元造形装置、及び情報処理プログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-03-11

(45)【発行日】2024-03-19

(54)【発明の名称】情報処理装置、三次元形状データ生成装置、三次元造形装置、及び情報処理プログラム

(51)【国際特許分類】

   B29C 64/386 20170101AFI20240312BHJP

   B33Y 50/00 20150101ALI20240312BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20240312BHJP

   B29C 64/20 20170101ALI20240312BHJP

【ＦＩ】

B29C64/386

B33Y50/00

B33Y30/00

B29C64/20

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2020039319

(22)【出願日】2020-03-06

(65)【公開番号】P2021138100

(43)【公開日】2021-09-16

【審査請求日】2023-02-20

(73)【特許権者】

【識別番号】000005496

【氏名又は名称】富士フイルムビジネスイノベーション株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001519

【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】榊 茂之

(72)【発明者】

【氏名】長谷部 恵

【審査官】今井 拓也

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－１５８５７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１９－５１０６５６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２９Ｃ ６４／００ － ６４／４０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

プロセッサを有し、前記プロセッサは、
方向によって物性値が異なる性質をもつ材料である異方性材料を用いた三次元形状の設計を行う場合において、前記異方性材料の方向ごとの物性値と、前記三次元形状に要求される性能、及び前記性能を発揮するように要求される方向に関する情報である性能情報と、を取得し、
前記要求される方向と、要求される前記性能を満たす前記異方性材料の方向と、が対応するように、前記異方性材料を配置するための情報を導出して出力し、
前記プロセッサは、
前記異方性材料を配置できる方向の制約に関する情報である制約情報をさらに取得し、前記制約情報に応じて、前記異方性材料を配置し、
前記要求される方向と、前記異方性材料の方向と、が対応しない場合、前記制約情報に応じた配置できる方向の範囲のうち、前記要求される性能を満たし、かつ前記要求される方向に最も近い方向に配置する
情報処理装置。

【請求項2】

前記プロセッサは、複数の前記異方性材料の方向と、複数の前記要求される方向と、をさらに取得し、前記複数の異方性材料の方向の各々と、前記複数の要求される方向の各々と、が対応するように前記異方性材料を配置する請求項１に記載の情報処理装置。

【請求項3】

前記プロセッサは、前記複数の前記異方性材料の方向の各々の優先順位をさらに取得し、前記優先順位に応じて、前記異方性材料を配置するための情報を出力する請求項２に記載の情報処理装置。

【請求項4】

前記プロセッサは、前記要求される方向と、前記異方性材料の方向と、が対応しない場合、前記要求される方向に対応する前記異方性材料の方向のうち、最も要求された性能に近い物性値の方向を配置する請求項１から請求項３の何れか１項に記載の情報処理装置。

【請求項5】

前記プロセッサは、前記異方性材料における物性値が最大となる方向と、前記要求される方向とが対応するように、前記異方性材料を配置する請求項１から請求項４の何れか１項に記載の情報処理装置。

【請求項6】

請求項１から請求項５の何れか１項に記載の情報処理装置と、
前記情報処理装置により導出された情報を用いて、前記異方性材料における方向、及び前記要求される方向が対応するように、三次元形状を造形するための三次元形状データを生成する生成部と、
を備えた三次元形状データ生成装置。

【請求項7】

請求項６に記載の三次元形状データ生成装置と、
前記三次元形状データ生成装置により生成された三次元形状データに応じた造形条件で三次元形状を造形する造形部と、
を備えた三次元造形装置。

【請求項8】

コンピュータに
方向によって物性値が異なる性質をもつ材料である異方性材料を用いた三次元形状の設計を行う場合において、前記異方性材料の方向ごとの物性値と、前記三次元形状に要求される性能、及び前記性能を発揮するように要求される方向に関する情報である性能情報と、を取得し、
要求される前記方向と、要求される前記性能を満たす前記異方性材料の前記物性値が得られる方向と、が対応するように、前記異方性材料を配置するための情報を導出して出力し、
前記異方性材料を配置できる方向の制約に関する情報である制約情報をさらに取得し、前記制約情報に応じて、前記異方性材料を配置し、
前記要求される方向と、前記異方性材料の方向と、が対応しない場合、前記制約情報に応じた配置できる方向の範囲のうち、前記要求される性能を満たし、かつ前記要求される方向に最も近い方向に配置する
ことを実行させるための情報処理プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、情報処理装置、三次元形状データ生成装置、三次元造形装置、及び情報処理プログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、対象物に印加されるフィールド[f]に対応して生成されるポテンシャル[x]を有する対象物を三次元的に制御して製造するための製造方法であって、上記対象物の外形状のデータを複数の有限要素に分離することによって、コンピュータ処理可能な、対象物の数学モデルを生成し、上記各有限要素の物性値の対称性を特定し、上記各有限要素に関連するフィールド[f]及びポテンシャル[x]の各数値を特定し、関係式[f]=[k][x]および上記対称性に基づいて上記対象物の素材の未知の物性マトリックス[k]を算出し、コンピュータ処理可能な、上記対象物の数学モデル内にて有限要素毎の、上記素材の物性値の係数を、上記算出された物性マトリックス[k]から抽出し、抽出された上記素材の物性値の係数と、既知の素材における物性値の係数とを一致させるために、抽出された上記素材の物性値の係数と、既知の素材における物性値の係数とを比較し、一致した素材の物性値の各係数に基づいて、上記対象物の上記有限要素毎の、製造装置を制御するための各製造パラメータを決定し、上記各製造パラメータに応じて製造設備を制御するための、マシン制御指示を生成する、対象物の製造方法が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１２－７４０７２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

金属材料、及びカーボン繊維を束ねた繊維強化プラスチック等は、材料の強度、及び電気伝導率等の物性値に方向依存性がある。金属材料及び繊維強化プラスチックのように、物性値に方向依存性がある材料を異方性材料という。

【0005】

例えば、異方性材料を用いた三次元形状の設計を行う場合、三次元形状に負荷が掛かる方向と、異方性材料における強度が弱い方向とが対応すると、三次元形状を造形する場合において、要求した三次元形状の強度が得られず、三次元形状が壊れる場合がある。

【0006】

つまり、異方性材料を用いた三次元形状の設計を行う場合、要求する方向において要求する性能が得られない場合がある。

【0007】

本発明は、異方性材料を用いた三次元形状の設計を行う場合、要求する方向において要求する性能を得ることができる情報処理装置、三次元形状データ生成装置、三次元造形装置、及び情報処理プログラムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

第１の態様の情報処理装置は、プロセッサを有し、プロセッサは、方向によって物性値が異なる性質をもつ材料である異方性材料を用いた三次元形状の設計を行う場合において、異方性材料の方向ごとの物性値と、三次元形状に要求される性能、及び性能を発揮するように要求される方向に関する情報である性能情報と、を取得し、要求される方向と、要求される性能を満たす異方性材料の方向と、が対応するように、異方性材料を配置するための情報を導出して出力する。

【0009】

第２の態様の情報処理装置は、第１の態様に係る情報処理装置において、プロセッサは、複数の異方性材料の方向と、複数の要求される方向と、をさらに取得し、複数の異方性材料の方向の各々と、複数の要求される方向の各々と、が対応するように異方性材料を配置する。

【0010】

第３の態様の情報処理装置は、第２の態様に係る情報処理装置において、プロセッサは、複数の異方性材料の方向の各々の優先順位をさらに取得し、優先順位に応じて、異方性材料を配置するための情報を出力する。

【0011】

第４の態様の情報処理装置は、第１の態様から第３の態様の何れか１つの態様に係る情報処理装置において、プロセッサは、異方性材料を配置できる方向の制約に関する情報である制約情報をさらに取得し、制約情報に応じて、異方性材料を配置する。

【0012】

第５の態様の情報処理装置は、第４の態様に係る情報処理装置において、プロセッサは、要求される方向と、異方性材料の方向と、が対応しない場合、制約情報に応じた配置できる方向の範囲のうち、要求される性能を満たし、かつ要求される方向に最も近い方向に配置する。

【0013】

第６の態様の情報処理装置は、第４の態様又は第５の態様に係る情報処理装置において、プロセッサは、要求される方向と、異方性材料の方向と、が対応しない場合、要求される方向に対応する異方性材料の方向のうち、最も要求された性能に近い物性値の方向を配置する。

【0014】

第７の態様の情報処理装置は、第１の態様から第６の態様の何れか１つの態様に係る情報処理装置において、プロセッサは、異方性材料における物性値が最大となる方向と、要求される方向とが対応するように、異方性材料を配置する。

【0015】

第８の態様の三次元形状データ生成装置は、第１の態様から第７の態様の何れか１つの態様に係る情報処理装置と、情報処理装置により導出された情報を用いて、異方性材料における方向、及び要求される方向が対応するように、三次元形状を造形するための三次元形状データを生成する生成部と、を備える。

【0016】

第９の態様の三次元造形装置は、第８の態様に係る三次元形状データ生成装置と、三次元形状データ生成装置により生成された三次元形状データに応じた造形条件で三次元形状を造形する造形部と、を備える。

【0017】

第１０の態様の情報処理プログラムは、コンピュータに方向によって物性値が異なる性質をもつ材料である異方性材料を用いた三次元形状の設計を行う場合において、異方性材料の方向ごとの物性値と、三次元形状に要求される性能、及び性能を発揮するように要求される方向に関する情報である性能情報と、を取得し、要求される方向と、要求される性能を満たす異方性材料の物性値が得られる方向と、が対応するように、異方性材料を配置するための情報を導出して出力することを実行させる。

【発明の効果】

【0018】

第１の態様の情報処理装置、及び第１０の態様の情報処理プログラムによれば、異方性材料を用いた三次元形状の設計を行う場合、要求する方向において要求する性能を得ることができる。

【0019】

第２の態様の情報処理装置によれば、複数の要求される方向と、複数の異方性材料の方向を考慮しない場合と比較して、より精度よく要求される性能を得ることができる。

【0020】

第３の態様の情報処理装置によれば、優先順位を考慮しない場合と比較して、より精度よく要求される性能を得ることができる。

【0021】

第４の態様の情報処理装置によれば、制約情報を考慮しない場合と比較して、三次元造形装置が三次元形状を造形する際の条件に、より等しい条件で異方性材料の配置を導出することができる。

【0022】

第５の態様の情報処理装置によれば、異方性材料の方向と、要求される方向と、が一致しない場合であっても、要求される性能を得ることができる。

【0023】

第６の態様の情報処理装置によれば、物性値を考慮しない場合と比較して、より適切な異方性材料の配置を導出することができる。

【0024】

第７の態様の情報処理装置によれば、異方性材料の物性値が最大の方向と、要求される方向と、を考慮しない場合と比較して、異方性材料を配置する処理の負荷を軽減することができる。

【0025】

第８の態様の三次元形状データ生成装置によれば、異方性材料を用いた三次元形状の設計を行う場合、要求する方向において要求する性能を得ることができる。

【0026】

第９の態様の三次元造形装置によれば、異方性材料を用いた三次元形状の設計、及び造形を行う場合、要求する方向において要求する性能を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】各実施形態に係る三次元造形システムの一例を示す構成図である。

【図2】各実施形態に係る情報処理装置の一例を示す構成図である。

【図3】各実施形態に係る情報処理装置の機能構成の一例を示すブロック図である。

【図4】各実施形態に係る主応力の説明に供する三次元形状の一例を示す模式図である。

【図5】各実施形態に係る結晶の強度の説明に供する異方性材料の結晶構造の一例を示す模式図である。

【図6】各実施形態に係る三次元形状の一例を示す模式図である。

【図7】各実施形態に係る三次元造形装置の一例を示す構成図である。

【図8】各実施形態に係る三次元形状の一部分に掛かる主応力の説明に供する三次元形状の一例である模式図である。

【図9】各実施形態に係る異方性材料の配置の説明に供する異方性材料の一例である模式図である。

【図10】第１実施形態に係る情報処理の一例を示すフローチャートである。

【図11】第２実施形態に係る方向合わせの説明に供する中心軸、強軸、最大主応力、及び中間主応力の一例を示す図である。

【図12】第２実施形態に係る情報処理の一例を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0028】

［第１実施形態］
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態例を詳細に説明する。

【0029】

図１は、本実施形態に係る三次元造形システム１の構成図である。図１に示すように、三次元造形システム１は、情報処理装置１０、三次元形状データ生成装置１００、及び三次元造形装置２００を備える。三次元形状データ生成装置１００は、情報処理装置１０、及び生成部１１０を備えており、三次元造形装置２００は、三次元形状データ生成装置１００、及び造形部２１０を備えている。

【0030】

なお、本実施形態では、情報処理装置１０は、三次元形状データ生成装置１００に含まれ、三次元形状データ生成装置１００は、三次元造形装置２００に含まれている構成について説明する。しかし、これに限定されない。情報処理装置１０、三次元形状データ生成装置１００、及び三次元造形装置２００は、各々が別個の装置であってもよい。また、三次元形状データ生成装置１００を含む三次元造形装置２００と、情報処理装置１０と、のように情報処理装置１０のみが別個の装置であってもよい。また、情報処理装置１０を含む三次元形状データ生成装置１００と、三次元造形装置２００と、のように三次元造形装置２００のみが別個の装置であってもよい。

【0031】

次に、図２を参照して、本実施形態に係る情報処理装置１０の構成について説明する。

【0032】

情報処理装置１０は、例えばパーソナルコンピュータ等で構成され、コントローラ１１を備える。コントローラ１１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１１Ａ、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）１１Ｂ、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）１１Ｃ、不揮発性メモリ１１Ｄ、及び入出力インターフェース（Ｉ／Ｏ）１１Ｅを備える。そして、ＣＰＵ１１Ａ、ＲＯＭ１１Ｂ、ＲＡＭ１１Ｃ、不揮発性メモリ１１Ｄ、及びＩ／Ｏ１１Ｅがバス１１Ｆを介して各々接続されている。なお、ＣＰＵ１１Ａは、プロセッサの一例である。

【0033】

また、Ｉ／Ｏ１１Ｅには、操作部１２、表示部１３、通信部１４、及びストレージ１５が接続されている。

【0034】

操作部１２は、例えばマウス及びキーボードを含んで構成される。

【0035】

表示部１３は、例えば液晶ディスプレイ等で構成される。

【0036】

通信部１４は、生成部１１０、及び外部装置等とデータ通信を行うためのインターフェースである。

【0037】

ストレージ１５は、ハードディスク等の不揮発性の記憶装置で構成され、後述する情報処理プログラム、及び三次元形状データ等を記憶する。ＣＰＵ１１Ａは、ストレージ１５に記憶された情報処理プログラムを読み込んで実行する。

【0038】

次に、ＣＰＵ１１Ａの機能構成について説明する。

【0039】

図３に示すように、ＣＰＵ１１Ａは、機能的には、取得部２０、導出部２１、出力部２２、及び記憶部２３を備える。

【0040】

取得部２０は、方向によって物性値が異なる性質をもつ材料（以下、「異方性材料」という。）の方向ごとの物性値と、三次元形状に要求される性能、及び性能を発揮するように要求される方向に関する情報である性能情報と、を取得する。取得部２０は、ユーザによって指定された異方性材料の方向の各々の優先順位、及び異方性材料を配置できる方向の制約に関する情報（以下、「制約情報」という。）を取得する。

【0041】

なお、本実施形態に係る物性値は、三次元形状に掛かる機械的性質である強度である形態について説明する。しかし、これに限定されない。物性値はヤング率、剛性率、硬度、及び電気伝導率等のあらゆる物性値であってもよい。

【0042】

また、本実施形態に係る要求される方向とは、三次元形状に掛かる応力（負荷）の方向であり、要求された性能とは、応力（負荷）の大きさである。例えば、三次元形状を造形する際に三次元形状の一部分に着目した場合、当該一部分に引張力、又は圧縮力が掛かっている。

【0043】

一例として、図４（ａ）に示すように、一般的に、三次元形状の任意の面に対して応力が掛かる場合、面に対して垂直方向に負荷が掛かる垂直応力と、面に対して水平方向に負荷が掛かるせん断応力と、がある。静的解析を行う場合、図４（ｂ）に示すように、三次元形状が存在する座標系を回転させることによって、せん断応力が０となる座標系に変換する処理が行われる。本実施形態では、座標系の変換が行われ、せん断応力が０となった座標系における垂直応力を主応力という。なお、座標を変換する際に回転させた座標系の角度をオイラー角という。

【0044】

したがって、本実施形態に係る取得部２０は、性能情報として、三次元形状の各々の部分における最大主応力、中間主応力、及び最小主応力と、各々の主応力の方向と、を取得する。ここで、三次元空間において、三次元形状に掛かるｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸の各々の方向の主応力を大きい順番から最大主応力、中間主応力、最小主応力という。また、一般的に、主応力が正の値である場合は、引張力、負の値である場合は、圧縮力を示す。

【0045】

また、制約情報とは、後述する三次元造形装置２００における造形台を傾けることができる角度、レーザーを照射できる角度、及びレーザーを走査することができる方向等の情報である。例えば、制約情報は、ｚ軸方向に積層して三次元形状を造形する場合、各々の三次元造形装置２００の造形台が傾けることができるｘ軸周り、及びy軸周りの傾斜角等の情報である。

【0046】

導出部２１は、要求される方向と、要求される性能を満たす異方性材料の方向と、が対応するように、異方性材料を配置するための情報を導出する。

【0047】

具体的には、三次元形状に掛かる最大主応力の方向と、最大主応力に対応できる物性値に係る異方性材料の方向と、が一致するように、異方性材料を配置した場合、導出部２１は、三次元形状の各々の部分における異方性材料を配置するための角度を導出する。なお、異方性材料を配置するための角度は、オイラー角、及び制約情報を考慮して導出される。

【0048】

また、導出部２１は、異方性材料において、お互いに直交する方向を導出する。例えば、異方性材料において、強度が大きい順に３つの方向を取得した場合、材料によっては、取得した３方向は、お互いに直交するとは、限らない。この場合、導出部２１は、３方向の内、指定された中心軸に直交し、かつ強度が最大である２方向を導出する。ここで、強度が大きい方向の内、指定された方向を中心軸という。

【0049】

一例として、図５（ａ）に示すように、異方性材料には、強度が最も大きい方向２４、方向２４の次に強度が大きい方向２５、及び方向２５の次に強度が大きい方向２６の３方向の強度があるものとする。例えば、方向２４が中心軸として指定された場合、導出部２１は、３方向の物性値を用いて、中心軸に直交し、かつ強度が最大である２方向を導出する。

【0050】

具体的には、図５（ｂ）に示すように、導出部２１は、指定された中心軸２７と、中心軸２７に直交し、かつ強度が最も大きい方向（以下、「強軸」という。）２８を導出する。さらに導出部２１は、中心軸２７、及び強軸２８に直交する方向（以下、「弱軸」という。）２９を導出する。

【0051】

ここで、強軸２８は、中心軸２７を中心にして、中心軸２７周りの各方向の強度を算出して最も大きい強度の方向を選択することで導出される。弱軸２９は、中心軸２７、及び強軸２８が決まると、２方向に限定されるため、２方向の内、強度が大きい方向を選択することで導出される。

【0052】

なお、本実施形態では、錯綜を避けるため、中心軸２７として、強度が最も大きい方向２４が指定され、中心軸２７、強軸２８、弱軸２９の順に強度が大きい形態について説明する。また、本実施形態では、中心軸２７として、強度が最も大きい方向２４が指定される形態について説明した。しかし、これに限定されない。方向２４の次に強度が大きい方向２５、又は方向２５の次に強度が大きい方向２６が、中心軸に指定されてもよい。また、予め、強度が最も大きい方向２４、方向２４の次に強度が大きい方向２５、及び方向２５の次に強度が大きい方向２６に優先順位を設定してもよいし、優先順位に応じて、中心軸を設定、及び変更してもよい。また、本実施形態では、単純立方格子を用いて、中心軸、強軸、及び弱軸を選択する形態について説明した。しかし、これに限定されない。体心立方格子を用いてもよいし、面心立方格子を用いてもよい。

【0053】

また、導出部２１は、ユーザによって三次元形状の三次元形状データが入力された場合、三次元形状の各々の部分における性能情報を導出してもよい。

【0054】

出力部２２は、導出部２１で導出した異方性材料を配置するための角度を、生成部１１０に送信して出力する。

【0055】

記憶部２３は、異方性材料の各々の方向の物性値と、制約情報と、性能情報と、を記憶する。

【0056】

次に、図６を参照して、三次元形状３１について説明する。図６は、本実施形態に係るボクセルデータで表された三次元形状３１の一例を示す図である。図６は、ボクセル３２によって構成される三次元形状３１の一例である。

【0057】

図６に示すように、三次元形状３１は、複数のボクセル３２で構成された三次元形状を示す三次元形状データである。ここで、ボクセル３２は、三次元形状３１の基本要素であり、例えば直方体が用いられるが、直方体に限らず、球又は円柱等を用いてもよい。ボクセル３２を積み上げることで所望の三次元形状が表現される。

【0058】

三次元形状３１を造形する三次元造形法としては、例えば熱可塑性樹脂を溶かし積層させることで三次元形状３１を造形する熱溶解積層法（ＦＤＭ法：Ｆｕｓｅｄ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ）、粉末状の金属材料にレーザービームを照射し、焼結することで三次元形状３１を造形するレーザー焼結法（ＳＬＳ法：Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｌａｓｅｒ Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）等が適用されるが、他の三次元造形法を用いても良い。本実施形態では、レーザー焼結法を用いて三次元形状３１を造形する場合について説明する。

【0059】

次に、三次元形状データ生成装置１００により生成された三次元形状データを用いて三次元形状４０を造形する三次元造形装置２００について説明する。図７は、本実施の形態に係る三次元造形装置２００の構成の一例である。三次元造形装置２００は、レーザー焼結法により三次元形状４０を造形する装置である。

【0060】

図７に示すように、三次元造形装置２００は、照射ヘッド２０１、照射ヘッド駆動部２０２、造形台２０３、造形台駆動部２０４、取得部２０５、及び制御部２０６を備える。なお、照射ヘッド２０１、照射ヘッド駆動部２０２、造形台２０３、造形台駆動部２０４、取得部２０５、及び制御部２０６は、造形部２１０の一例である。

【0061】

照射ヘッド２０１は、三次元形状４０を造形するために、造形材４１にレーザーを照射する照射ヘッド２０１である。

【0062】

照射ヘッド２０１は、照射ヘッド駆動部２０２によって駆動され、ＸＹ平面上を二次元に走査される。

【0063】

造形台２０３は、造形台駆動部２０４によって駆動され、ｚ軸方向に昇降される。また、造形台２０３は、造形台駆動部２０４によって、ｘ軸周り、及びｙ軸周りに回転して傾けられる。なお、本実施形態に係る制約情報は、造形台２０３を傾けることができるｘ軸周り、及びｙ軸周りの角度を含む。

【0064】

取得部２０５は、三次元形状データ生成装置１００が生成した三次元形状データを取得する。なお、三次元形状データ生成装置１００は、情報処理装置１０から異方性材料を配置する角度を取得し、取得した角度を三次元形状データの対応する各々の箇所に適用して三次元形状データを生成する生成部１１０を備えている。

【0065】

制御部２０６は、取得部２０５が取得した三次元形状データに従って、照射ヘッド２０１から造形台２０３に配置されている造形材４１にレーザーを照射すると共に、照射ヘッド駆動部によって、レーザーを照射する位置、角度、及びレーザーの操作方向を制御する。

【0066】

また、制御部２０６は、各層の造形が終了する毎に、造形台駆動部２０４を駆動して造形台２０３を予め定めた積層間隔分降下させ、造形台２０３に造形材４１を充填する制御を行う。これにより、三次元形状データに基づいた造形条件で三次元形状４０が造形される。

【0067】

次に、本実施の形態に係る情報処理装置１０の作用を説明する前に、図８、及び図９を参照して三次元形状の主応力と、異方性材料の中心軸と、を対応させる手法について説明する。図８は、三次元形状の一部分に掛かる主応力の説明に供する三次元形状の模式図である。図９は、本実施形態に係る異方性材料の配置の説明に供する異方性材料の模式図である。

【0068】

一例として、図８に示すように、三次元形状５０のｚ軸方向上方から三次元形状５０に圧縮荷重を掛けた場合において、情報処理装置１０は、三次元形状５０の各々の一部分に係る主応力を導出する。例えば、三次元形状５０の各場所の主応力方向を求め、三次元形状の一部分５１の最大主応力の方向が方向５２であった場合、情報処理装置１０は、最大主応力の方向５２と、異方性材料の中心軸２７と、が一致するように異方性材料を配置する。

【0069】

情報処理装置１０は、異方性材料の中心軸２７の強度が、最大主応力に適応できると判断した場合、最大主応力の方向５２に対応する異方性材料を配置した角度を生成部１１０に出力する。

【0070】

三次元形状データ生成装置１００は、情報処理装置１０から取得した角度を、三次元形状データの一部分５１に対応する箇所に設定して、生成した三次元形状データを三次元造形装置２００に出力する。

【0071】

三次元造形装置２００は、取得した三次元形状データに設定された異方性材料の角度に応じて、レーザーを走査する向きを変更しながら三次元形状５０を造形する。異方性材料が焼結された際の結晶方位の配向は、レーザーを走査する向き、造形台の傾き、又はレーザーを走査する向き及び造形台の傾きの両方によって、制御される。

【0072】

なお、本実施形態に係るレーザーを走査する向きに応じて生成される結晶構造については、公知技術を用いて、制御することができる（例えば、参考文献１を参照。）。

【0073】

［参考文献１］：Ｃｒｙｓｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃ ｔｅｘｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｂｅｔａ－ｔｙｐｅ Ｔｉ－１５Ｍｏ－５Ｚｒ－３Ａｌ ａｌｌｏｙ ｂｙ ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｌａｓｅｒ ｍｅｌｔｉｎｇ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｎｏｖｅｌ ｉｍｐｌａｎｔｓ ｗｉｔｈ a ｂｉｏｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ ｌｏｗ Ｙｏｕｎｇ’ｓ ｍｏｄｕｌｕｓ（Ｓｃｒｉｐｔａ Ｍａｔｅｒｉａｌｉａ １３２ （２０１７） ３４－３８，Ｔａｋｕｙａ Ｉｓｈｉｍｏｔｏ， Ｋｏｊｉ Ｈａｇｉｈａｒａ， Ｋｅｎｔａ Ｈｉｓａｍｏｔｏ， Ｓｈｉ－Ｈａｉ Ｓｕｎ， Ｔａｋａｙｏｓｈｉ Ｎａｋａｎｏ）

【0074】

図９に示すように、異方性材料として、ベータ型チタン合金を用いた場合において、レーザーを照射する各々の層５４において、レーザーを走査する方向５３を一定方向に揃えて、異方性材料にレーザーを走査した場合、結晶方位[１１０]がｚ軸方向に配列する。また、異方性材料の各々の層５４において、レーザーを走査する方向５３を交互に直交する方向に、異方性材料にレーザーを走査した場合、結晶方位[１００]がｚ軸方向に配列する。

【0075】

したがって、三次元造形装置２００を用いて、三次元形状を造形する場合、三次元形状データに設定されている角度に応じて、レーザーを走査する方向５３を制御することによって、所望する方向に異方性材料を配置して三次元形状が造形される。また、レーザーを照射する角度、及び造形台の傾斜角を制御することによって、所望する方向に異方性材料が配置される。

【0076】

次に、図１０を参照して、本実施形態に係る情報処理プログラムの作用について説明する。図１０は、本実施形態に係る情報処理の一例を示すフローチャートである。ＣＰＵ１１ＡがＲＯＭ１１Ｂ又は不揮発性メモリ１１Ｄから情報処理プログラムを読み出し、実行することによって、図１０に示す情報処理が実行される。図１０に示す情報処理は、例えば、ユーザから情報処理プログラムの実行指示が入力された場合、情報処理が実行される。

【0077】

ステップＳ１０１において、ＣＰＵ１１Ａは、異方性材料の方向ごとの強度を取得する。

【0078】

ステップＳ１０２において、ＣＰＵ１１Ａは、三次元形状データを取得する。

【0079】

ステップＳ１０３において、ＣＰＵ１１Ａは、異方性材料における強度が最も大きい方向を中心軸に設定する。

【0080】

ステップＳ１０４において、ＣＰＵ１１Ａは、方向ごとの強度、及び中心軸の方向を用いて、中心軸に直交し、かつ強度が最大である２方向である強軸、及び弱軸を導出する。

【0081】

ステップＳ１０５において、ＣＰＵ１１Ａは、三次元形状データを用いて、三次元形状の各部分に掛かる応力（せん断応力、及び垂直応力）を導出する。

【0082】

ステップＳ１０６において、ＣＰＵ１１Ａは、三次元形状データにおける座標を変換して、三次元形状の各々の部分に掛かる最大、中間、最小となる主応力を導出する。

【0083】

ステップＳ１０７において、ＣＰＵ１１Ａは、座標を回転して変換した際の角度（オイラー角）を取得する。

【0084】

ステップＳ１０８において、ＣＰＵ１１Ａは、異方性材料における中心軸を三次元形状における最大主応力の方向に同期させる。具体的には、ステップＳ１０７で求めた角度を参照して、異方性材料における強度が最大である中心軸と、三次元形状における最大主応力の方向と、が一致するように異方性材料を配置する。

【0085】

ステップＳ１０９において、ＣＰＵ１１Ａは、中心軸を三次元形状における最大主応力の方向に同期させた三次元形状データにおける三次元形状に荷重を加えて、静応力解析を行う。

【0086】

ステップＳ１１０において、ＣＰＵ１１Ａは、静応力解析の結果、異方性材料の強度が、三次元形状に掛かる最大主応力に耐えられる強度を満たしているか否かの判定を行う。強度を満たしている場合（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、ＣＰＵ１１Ａは、ステップＳ１１１に移行する。一方、強度を満たしていない場合（ステップＳ１１０：ＮＯ）、ＣＰＵ１１Ａは、ステップＳ１１２に移行する。

【0087】

ステップＳ１１１において、ＣＰＵ１１Ａは、解析結果を生成部１１０に出力する。ここで、解析結果は、三次元形状の各々の部分における異方性材料を配置した角度、及びオイラー角である。

【0088】

ステップＳ１１２において、ＣＰＵ１１Ａは、異方性材料における中心軸となる方向を変更する。なお、中心軸の変更は、ユーザによって指定されてもよいし、異方性材料における強度が大きい順番に応じて、中心軸となる方向を変更してもよい。また、異方性材料における強度が大きい順番に取得した複数の方向に対して優先順位を予め設定し、優先順位に応じて、中心軸となる方向を変更してもよい。

【0089】

以上説明したように、本実施形態によれば、異方性材料を用いた三次元形状の設計を行う場合、要求する方向において要求する性能を得ることができる。

【0090】

［第２実施形態］
第１実施形態では、異方性材料における中心軸（強度が最大となる方向）と、三次元形状における最大主応力の方向と、が一致するように異方性材料を配置する形態について説明した。本実施形態では、異方性材料における直交する３方向（中心軸、強軸、及び弱軸）と、三次元形状における３方向（最大、中間、及び最小主応力の方向）と、が対応するように異方性材料を配置する形態について説明する。

【0091】

なお、本実施形態に係る情報処理システム構成（図１参照）、情報処理装置１０のハードウェア構成（図２参照）、情報処理装置１０の機能構成（図３参照）、及び三次元形状に掛かる主応力の例（図４参照）は、第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。また、本実施形態に係る異方性材料における中心軸の例（図５参照）、三次元形状データを示す図（図６参照）、三次元造形装置２００の構成（図７参照）、及び三次元形状に掛かる主応力の例（図８参照）は、第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。また、本実施形態に係る異方性材料の結晶構造の例（図９参照）は、第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。

【0092】

第１実施形態で上述したように、異方性材料における強度が最大である中心軸と、三次元形状における最大主応力の方向と、を一致させた場合、最大主応力の方向の強度を満足しても、中間、又は最小主応力の方向の強度が満足しない場合がある。

【0093】

つまり、中間、及び最小主応力の方向を考慮して、異方性材料を配置する必要がある。

【0094】

具体的には、異方性材料における強度が最大である中心軸と、三次元形状における最大主応力の方向を一致させた後、異方性材料における強度が２番目に大きい方向である強軸と、中間主応力の方向と、を対応するように異方性材料を配置する。さらに、異方性材料における強度が３番目に大きい方向である弱軸と、最小主応力の方向と、を対応するように異方性材料を配置する。

【0095】

しかしながら、異方性材料における各々の軸の方向、三次元形状における主応力の方向、制約情報によって、強軸と、中間主応力と、の方向を一致させることができない場合がある。この場合、情報処理装置１０は、配置できる異方性材料の方向における強軸と、中間主応力と、の方向のなす角を導出し、なす角が小さくなるような方向を選択して異方性材料を配置する。

【0096】

一例として、図１１に示すように、中心軸６１と、最大主応力６２と、の方向を一致させ、強軸６３と、中間主応力６４と、の方向のなす角６５が小さくなるように異方性材料を配置する。

【0097】

このように、異方性材料を配置することによって、異方性材料の配置に制限がある場合においても主応力に対応した強度が得られる。なお、本実施形態では、強軸６３と、中間主応力６４と、の方向のなす角を導出する形態について説明した。しかし、これに限定されない。制約情報によって、中心軸６１と、最大主応力６２と、の方向が一致しない場合、中心軸６１と、最大主応力６２と、の方向のなす角を導出してもよい。

【0098】

ここで、中心軸６１と、最大主応力６２と、の方向を対応させ、強軸６３と、中間主応力６４と、の方向を対応させた場合、弱軸は、自ずと決定される。

【0099】

なお、本実施形態では、強軸と、中間主応力と、の方向を対応させ、弱軸と、最小主応力と、の方向を対応させる形態について説明した。しかし、これに限定されない。例えば、圧縮力である場合、最大、中間、最小主応力は、マイナスの値であることから、各々の絶対値を比較すると、最小主応力の方が最大主応力よりも応力が大きいことがある。この場合、中心軸と、最小主応力と、の方向を対応させてもよい。

【0100】

また、最大、中間、及び最小主応力の大きさと、中心軸、強軸、及び弱軸の強度を比較し、差分が小さい場合、最大、中間、及び最小主応力と、中心軸、強軸、又は弱軸と、を対応させてもよい。例えば、強軸における強度が、最大主応力より大きい場合、かつ強軸の強度と、最大主応力の大きさと、の差分が、他の組み合わせの差分より小さい場合、強軸と、最大主応力の方向と、を対応させてもよい。

【0101】

したがって、各々の軸の強度が、各々の主応力の大きさを満足すれば、最大、中間、最小主応力に対応させる異方性材料における各々の軸の組み合わせは、いかなる組み合わせであってもよい。

【0102】

次に、図１２を参照して、本実施形態に係る情報処理プログラムの作用について説明する。図１２は、本実施形態に係る情報処理の一例を示すフローチャートである。ＣＰＵ１１ＡがＲＯＭ１１Ｂ又は不揮発性メモリ１１Ｄから情報処理プログラムを読み出し、実行することによって、図１２に示す情報処理が実行される。図１２に示す情報処理は、例えば、ユーザから情報処理プログラムの実行指示が入力された場合、情報処理が実行される。なお、図１２における図１０に示す情報処理と同一のステップについては、図１０と同一の符号を付して、その説明を省略する。

【0103】

ステップＳ１１３において、ＣＰＵ１１Ａは、制約情報を取得する。

【0104】

ステップＳ１１４において、ＣＰＵ１１Ａは、中心軸、強軸、及び弱軸を最大、中間、及び最小主応力に対応させる。

【0105】

ステップＳ１１５において、ＣＰＵ１１Ａは、静応力解析の結果、異方性材料の各々強度が、各々の主応力に耐えられる強度を満たしているか否かの判定を行う。強度を満たしている場合（ステップＳ１１５：ＹＥＳ）、ＣＰＵ１１Ａは、ステップＳ１１１に移行する。一方、強度を満たしていない場合（ステップＳ１１５：ＮＯ）、ＣＰＵ１１Ａは、ステップＳ１１６に移行する。

【0106】

ステップＳ１１６において、ＣＰＵ１１Ａは、中心軸を変更するか否かの判定を行う。中心軸を変更する場合（ステップＳ１１６：ＹＥＳ）、ＣＰＵ１１Ａは、ステップＳ１１２に移行する。一方、中心軸を変更しない場合（ステップＳ１１６：ＮＯ）、ＣＰＵ１１Ａは、ステップＳ１１７に移行する。

【0107】

ステップＳ１１７において、ＣＰＵ１１Ａは、中心軸、強軸、及び弱軸と、各々の主応力と、の対応関係を変更する。

【0108】

以上、各実施形態を用いて本発明について説明したが、本発明は各実施形態に記載の範囲には限定されない。本発明の要旨を逸脱しない範囲で各実施形態に多様な変更または改良を加えることができ、当該変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

【0109】

なお、本実施形態において、プロセッサとは、広義的なプロセッサを指し、例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等の汎用的なプロセッサや、例えばＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、及びプログラマブル論理デバイス等の専用のプロセッサを含むものである。

【0110】

また、上記各実施形態におけるプロセッサの動作は、１つのプロセッサによって成すのみでなく、物理的に離れた位置に存在する複数のプロセッサが協働して成すものであってもよい。また、プロセッサの各動作の順序は上記各実施形態において記載した順序のみに限定されるものではなく、適宜変更してもよい。

【0111】

また、本実施形態では、情報処理プログラムがストレージ１５にインストールされている形態を説明したが、これに限定されるものではない。本実施形態に係る情報処理プログラムを、コンピュータ読取可能な記憶媒体に記録した形態で提供してもよい。例えば、本発明に係る情報処理プログラムを、ＣＤ(Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ)－ＲＯＭ及びＤＶＤ(Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ)－ＲＯＭ等の光ディスクに記録した形態で提供してもよい。本発明に係る情報処理プログラムを、ＵＳＢ(Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ)メモリ及びメモリカード等の半導体メモリに記録した形態で提供してもよい。また、本実施形態に係る情報処理プログラムを、通信部１４に接続された通信回線を介して外部装置から取得するようにしてもよい。

【符号の説明】

【0112】

１ 三次元造形システム
１０ 情報処理装置
１１ コントローラ
１１Ａ ＣＰＵ
１１Ｂ ＲＯＭ
１１Ｃ ＲＡＭ
１１Ｄ 不揮発性メモリ
１１Ｅ 入出力インターフェース
１１Ｆ バス
１２ 操作部
１３ 表示部
１４ 通信部
１５ ストレージ
２０ 取得部
２１ 導出部
２２ 出力部
２３ 記憶部
２４、２５、２６ 方向
２７ 中心軸
２８ 強軸
２９ 弱軸
３１ 三次元形状
３２ ボクセル
４０ 三次元形状
４１ 造形材
５０ 三次元形状
５１ 一部分
５２ 最大主応力の方向
５３ レーザーを走査する方向
５４ 異方性材料における各々の層
６１ 中心軸
６２ 最大主応力
６３ 強軸
６４ 中間主応力
６５ なす角
１００ 三次元形状データ生成装置
１１０ 生成部
２００ 三次元造形装置
２０１ 照射ヘッド
２０２ 照射ヘッド駆動部
２０３ 造形台
２０４ 造形台駆動部
２０５ 取得部
２０６ 制御部
２１０ 造形部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】