積層造形における製造要件を考慮した一気通貫型の高速最適設計法の構築

考虑增材制造的制造要求，开发一种一体化的高速优化设计方法

基本信息

批准号：
21K03826
负责人：
三木隆生
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Osaka Research Institute of Industrial Science and Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では，金属積層造形における積層可能な角度の制限や残留応力・変形など，造形時に発生する課題を設計段階で考慮可能な高速最適設計法の構築を目的としている．本年度は金属積層造形の主要な課題である積層角度と変形を考慮したトポロジー最適化法の構築に取り組んだ．積層角度とは，積層方向に対して造形対象物の下向きの面と基材との角度を指す．この積層角度が閾値角度を下回ると自重で崩壊する恐れがあるため，一般的には造形対象物にサポートと呼ばれる形状を支持する構造が必要となる．しかしながら，サポートは造形後に不要となるため，サポートの増加は材料及びサポート除去などの製造コストの増加につながる．従って，設計段階でサポートを必要としない形状が望まれる．これまでトポロジー最適化の中で閾値角度以下の形状が創成されないよう，積層角度に対して幾何学的な制約を課す手法がいくつか提案されているが，幾何学的制約のみでは実際には造形が不可能な形状が創成されてしまうことが報告されている．そこで本研究では，昨年度の取り組みで得られた知見から，造形時の熱プロセスを簡易的に表す数理モデルを定式化し，幾何学的制約に熱的な制約を加えることによって，上記の課題を回避する手法を開発した．さらに，この積層角度を考慮したトポロジー最適化に造形時の変形制約を組み込んだ．変形は，金属粉末の局所的な溶融・凝固によって引き起こされる．本研究では，溶接現象の残留応力・変形解析に用いられる固有ひずみ法に基づいて造形プロセスの数理モデルを定式化し，変形を抑制するための制約関数，及び複数の制約を考慮した最適化問題を定式化した．数値計算例を通して，本手法で得られた最適構造は閾値角度以下の形状が創成されることなく，造形時に発生する変形を抑制できていることを示した．本手法を用いることによって，最適構造をサポートなしで精度良く造形することが可能になる．

这项研究的目的是开发一种高速优化设计方法，该方法可以在设计时考虑金属增材制造过程中出现的问题，例如层堆叠角度的限制、残余应力和变形。阶段。今年，我们致力于构建一种拓扑优化方法，该方法考虑了堆叠角度和变形，这是金属增材制造中的主要问题。堆叠角度是指被印刷物的下表面与基材相对于堆叠方向所成的角度。如果这个堆叠角度低于阈值角度，则存在物体在自重作用下塌陷的风险，因此要打印的物体通常需要支撑形状的结构，称为支撑件。然而，由于打印后不再需要支撑，增加支撑数量会导致制造成本增加，例如材料和支撑去除。因此，希望在设计阶段就具有不需要支撑的形状。已经提出了几种方法来对堆叠角度施加几何约束，以防止在拓扑优化期间创建低于阈值角度的形状，但单独的几何约束实际上并不能创建不可能创建的形状。因此，在这项研究中，基于去年的努力获得的知识，我们制定了一个简单地表示成型过程中热过程的数学模型，并在几何约束中添加了热约束，以避免上述问题。这。此外，我们将建模过程中的变形约束纳入考虑了堆叠角度的拓扑优化中。变形是由金属粉末的局部熔化和凝固引起的。在本研究中，我们基于用于焊接现象的残余应力和变形分析的内在应变方法制定了制造过程的数学模型，并开发了抑制变形的约束函数和考虑多个约束的优化问题。被制定。通过数值计算实例表明，该方法获得的最优结构不会产生低于阈值角度的形状，并且可以抑制建模过程中发生的变形。通过使用这种方法，可以在没有任何支撑的情况下创建高精度的最佳结构。