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公開番号2025105203
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-07-10
出願番号2023223586
出願日2023-12-28
発明の名称立体造形情報の生成方法、生成装置および生成プログラム
出願人株式会社中央エンジニアリング,学校法人東京電機大学
代理人個人
主分類B29C 64/386 20170101AFI20250703BHJP(プラスチックの加工;可塑状態の物質の加工一般)
要約【課題】積層造形法で製造される立体造形物において、(1)その積層方向の剛性を含む機械的な要求事項に関する設計や(2)連続繊維複合材料に含まれる繊維の連続性に関する設計を容易に、かつ、(3)膨大な計算コストを要することなく行い得る立体造形情報の生成方法、生成装置および生成プログラムを提供する。
【解決手段】造形情報生成処理の積層パラメータ最適化処理(S107)では、外側形状を構成するエッジと内部構造を構成するエッジのそれぞれの積層方向に対応する積層パラメータの組み合わせを、立体造形物の積層方向の剛性を含む機械的な要求事項に関して入力される入力情報に基づいて最適化する。また、繊維配置最適化処理(S109)では、積層パラメータ最適化処理(S107)により得られた最適化積層パラメータを満たす各層ごとの複合材料の配置を、複合材料を構成する炭素繊維の連続性に関して入力される入力情報に基づいて最適化する。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項１】
連続繊維複合材料（以下「複合材料」という）を積層して造形する立体造形物の製造に用いられる立体造形情報の生成方法であって、
前記立体造形物の外側形状を構成するシェル部と前記立体造形物の内部構造を構成するインフィル部とのそれぞれの積層方向に対応する積層パラメータの組み合わせを、前記立体造形物の積層方向の剛性を含む機械的な要求事項に関する第１の所定条件に基づいて最適化する第１ステップと、
前記第１ステップにより得られた最適な組み合わせの積層パラメータを満たす各層ごとの前記複合材料の配置を、前記複合材料を構成する繊維の連続性に関する第２の所定条件に基づいて最適化する第２ステップと、
を含む、ことを特徴とする立体造形情報の生成方法。
続きを表示（約 620 文字）【請求項２】
前記第１の所定条件は、前記外側形状と、前記立体造形物に要求される機械的強度または機械的機能と、に基づくものである、ことを特徴とする請求項１に記載の立体造形情報の生成方法。
【請求項３】
前記第２の所定条件は、各層ごとに積層する際に前記複合材料を配置する経路の数と前記経路の長さと、に基づくものである、ことを特徴とする請求項１または２に記載の立体造形情報の生成方法。
【請求項４】
連続繊維複合材料（以下「複合材料」という）を積層して造形する立体造形物の製造に用いられる立体造形情報の生成装置であって、
前記立体造形物の外側形状を構成するシェル部と前記立体造形物の内部構造を構成するインフィル部とのそれぞれの積層方向に対応する積層パラメータの組み合わせを、前記立体造形物の積層方向の剛性を含む機械的な要求事項に関する第１の所定条件に基づいて最適化する第１最適化手段と、
前記第１最適化手段により得られた最適な組み合わせの積層パラメータを満たす各層ごとの前記複合材料の配置を、前記複合材料を構成する繊維の連続性に関する第２の所定条件に基づいて最適化する第２最適化手段と、
を備える、ことを特徴とする立体造形情報の生成装置。
【請求項５】
コンピュータを、請求項４に記載の立体造形情報の生成装置として機能させるための立体造形情報の生成プログラム。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、連続繊維複合材料を積層して造形する立体造形物の製造に用いられる立体造形情報の生成方法、生成装置および生成プログラムに関するものである。なお、連続繊維複合材料を積層して立体造形物を造形する方法（以下、単に「積層造形法」という場合がある）は、３Ｄプリント技術やＡＭ（Additive Manufacturing）技術の一例である。
続きを表示（約 2,000 文字）【背景技術】
【０００２】
炭素繊維強化プラスチック（Carbon Fiber Reinforced Plastics，以下「ＣＦＲＰ」という）等の連続繊維複合材料を用いて構成される機械部品は、典型的には予め樹脂が含浸されたプリプレグと呼ばれるシート状の材料を複数枚、積層することにより製造される。連続繊維とは、切れ目がなく長く連なっている繊維のことをという（以下、本明細書において同じ）。
【０００３】
そして、この種の積層に関する設計法には、例えば、下記の非特許文献１に開示される積層パラメータという設計変数を使用したものや、下記の非特許文献２に開示される繊維束の太さを設計変数とするもの等がある。また、連続繊維複合材料を使用した積層造形法として、例えば、進化的計算アルゴリズムを用いて同一平面内の繊維配置を最適化設計する方法が下記の非特許文献３に開示されている。
【０００４】
なお、連続繊維複合材料を積層して立体造形物を造形する方法やそれに関する技術は、例えば、下記の特許文献１に開示されている。また、積層材の積層パラメータに関する技術は、例えば、下記の非特許文献４に開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
福永久雄「複合材料力学入門；第３章積層板の理論と最適設計の基礎」、日本複合材料学会誌、22巻3号、1996年、pp.114-119
Y.Mori, R.Matsuzaki, N.Kumekawa, Variable thickness design for composite materials using curvilinear fiber paths, Composite Structures, Vol.263, 1 May 2021, 113723
K.Jimbo, T.Tateno, Design optimization of infill pattern structure and continuous fiber path for CFRP-AM: Simultaneous optimization of topology and fiber arrangement for minimum material cost, Precision Engineering, Vol.74, March 2022, pp.447-459
福永久雄「積層材の積層パラメータから積層構成を決定する方法について」、日本複合材料学会誌、13巻3号、1987年、pp.107-115
【特許文献】
【０００６】
特表２０２０－５３５９９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
連続繊維複合材料を構成する繊維は、その長さ方向に対する引張強度は非常に大きいのに対して太さ方向は小さい。そのため、連続繊維複合材料で構成される機械部品は、繊維の配置や配向で機械的な特性が大きく異なることから、例えば、上記の特許文献１に開示されているような連続繊維複合材料を積層して立体造形物を造形する３Ｄプリント技術やＡＭ技術においても繊維の配置や配向は極めて重要ではある。しかしながら、所望の機能を実現し得る繊維の配置等を含めた積層造形法は未だ確立されていない。
【０００８】
例えば、上記の非特許文献１では、プリプレグ等の薄いシート状の積層材料を重ねて製造される立体造形物における繊維の配置方法に関する技術が開示されており、積層方向に限られた範囲の積層平面内での繊維の配置のみを対象にするものである。そのため、この技術は３Ｄプリント技術を対象にしたものではない。
【０００９】
また、上記の非特許文献２に開示されている技術は、航空機の翼板等の薄い板状の立体造形物を対象にしたものであり、積層造形法の特長を活かした複雑な立体造形物を対象とした技術ではない。さらに、上記の非特許文献３に開示されている技術は、同一平面内における繊維の配置を最適化設計するものであり、立体造形物の高さ方向（積層方向全域）に対しては直接適用することができない。
【００１０】
したがって、これらの非特許文献１～３や特許文献１の開示技術では、積層造形法で製造される立体造形物において、(1)高さ方向（積層方向）の剛性を含む機械的な要求事項に関して設計したり、(2)連続繊維複合材料に含まれる繊維の連続性に関して設計したりすることが容易ではない。たとえ可能であったとしても、(3)膨大な計算コストが必要であり演算時間がかかり過ぎるという問題が生じ得る。
（【００１１】以降は省略されています）

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