凸面および非凸面のワイヤおよびアーク積層造形プロセスの部品方向の最適化

Scientific Reports volume 13、記事番号: 2203 (2023) この記事を引用

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1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

積層造形 (AM) プロセスの構築方向の最適化は、作成された部品の精度とパフォーマンスに重大な影響を与えるため、重要なステップです。 Wire and Arc Additive Manufacturing (WAAM) の作業スペースはそれほど制限されておらず、製造時間は他の金属 3D プリンタに比べて大幅に短くなります。ただし、WAAM の悪影響の 1 つは、溶接ビードの開始点と終了点での欠陥です。この論文では、最適な印刷位置を定義するアルゴリズムを発明しました。これは、3D オブジェクトを X 軸と Y 軸の周りのループで一定の角度だけ回転させ、次に最適な回転角度を選択することで、これらの欠陥の数を減らします。途切れのない表面が最も少なく、最初の層の面積が最も大きくなります。中断されない表面が可能な限り少ない場合、溶接プロセスはトーチによる中断が最小限に抑えられます。その結果、溶接ビードの製造および仕上げにおける欠陥が少なくなります。ワークピースを所定の位置に保持するのに役立つビルドトレイとの十分な接続面を確保するには、最大の最初の層も探す必要があります。したがって、構築トレイに対して適切に定義された向きにより、層内の途切れない表面の数を減らすことができ、これにより部品の期待される寸法精度が向上することが判明した。プロセスの効率は部品の形状に大きく影響されますが、ほとんどの場合、印刷エラーは大幅に最小限に抑えることができます。

近年、積層造形 (AM) が産業界や学術研究者の間で人気のトピックになるにつれ、さまざまな分野から多くの開発方向が打ち出されてきました。製造エンジニアと機械設計者は、層ごとの積層生産のための新しいソリューションを開発しています。最小生産時間、量、精度などの特定のニーズに応じて、高精度金属部品を作成するための選択レーザー焼結 (SLS)、金属部品を作成するための溶融堆積モデリング (FDM) などのサブタイププロセスを作成します。安価なプラスチック製品と、大型構造物の製造に大きな利点を持つワイヤーアーク積層造形 (WAAM) です。同時に、材料科学者は製造に使用できるさまざまな原材料を作成しました3,5。その結果、堅牢なコンクリートプリンター、導電性原材料、さらには生物繊維を扱うことができる機械が市場で見つかる可能性があります。設計者は、層状構造から生じる不均一な異方性の機械的挙動やその他の側面を考慮しながら、3D プリントされた形状の自由度を利用して形状の最適化方法を開発します6、7。さらに、AM はインダストリー 4.0 の要件を完全に満たしているため、いくつかの研究では、インテリジェント製造システムの作成、IoT デバイスの組み込み、CAD-CAM システムの使用強化に焦点を当てています8、9、10、11、12、13、14。

上記の各分野にとって最も重要な要素は、テクノロジの境界条件と限界を理解することです。従来の減算法とは対照的に、加算法には異なる技術的特徴があります。 AM パーツを製造するための主なタスクの 1 つは、完璧な印刷方向を見つけることです。この設定 1 つで、多くの製造技術の問題を解決でき、最終製品の特性はこれによって大きく決まります。 Shim et al.15 彼らは、さまざまな方向で印刷された部品の印刷精度、機械的特性、および表面特性を調査し、次のような最適な設定を見つけました。層の厚さ 100 μm で、部品を 3 つの異なる印刷方向で印刷しました ( 0、45、90 度）。最終的な印刷部品の結果の分析によると、0 度で印刷された試験片の曲げ強度が最も高く、次に 45 度および 90 度で印刷された試験片が続きました。 45 度および 90 度で印刷されたサンプルは長さのエラー率が最も低く、0 度で印刷されたサンプルは厚さのエラー率が最も高かった。 Alharabi et al.16 は、印刷の向きの影響と、その結果として圧縮試験下での層の方向を調べました。彼らは、層が荷重方向に対して垂直である場合、平行である場合よりも圧縮強度が高いことを発見しました。構築方向の関数としての表面粗さは、Li et al.17 によって調査されました。彼らは、この特性は主に AM 法ではなく造形角度の影響を受け、造形プラットフォームに対して平行または垂直に印刷された面で最良の表面粗さが実現できると結論付けました。 Pandey ら 18,19 は、多基準遺伝的アルゴリズムを利用して表面粗さを数学的に予測し、溶融堆積モデリング (FDM) に最適な印刷方向を提供するシステムを作成することで、これらの影響を最小限に抑えることに取り組みました。このソリューションの利点は、次のとおりです。最適な表面粗さの方向。ただし、3D プリンティングおよび製造プロセスのすべての制限要因は考慮されていませんでした。さらに、機械学習 (ML) モデルは、AM における新しいモデリングトレンドです。基本的に、ML モデルは、データを使用して予想されるエラーを反復的に削減するという原則に基づいて機能します。それらは信頼できる予測ツールであることが証明されています。 Xia ら 19 は、機械学習手法を使用して、ワイヤーアーク積層造形によって製造される金属の表面粗さをモデル化し、予測しました。 Phatak と Pande20 は、遺伝的アルゴリズムを使用して加工時間と表面誤差を最小限に抑える最適化ソリューションも作成しました。 Masood et al.21 による研究では、複雑な形状の部品に最適な方向を見つけるために、一般的なアルゴリズムが使用されました。彼らは開発したシステムを使用して、全体的な体積誤差が最小になる最適な方向を決定することができました。 Padhye et al.22 は、印刷時間と表面粗さという 2 つの要素を考慮して最適値を決定するために、多目的最適化と多基準意思決定を使用しました。彼らの研究は、方向性を複数の側面で同時に満たす必要がある場合、意思決定がより複雑になることを指摘しています。さらに、Morgan et al.23 は、特に金属積層造形のサポート要件を最小限に抑えるためのソフトウェアを開発しました。したがって、これらの記事の研究に基づくと、配向などの一見重要ではない設定が、印刷プロセスの高速化、表面粗さの低下など、さまざまな点で製品の品質に重大な影響を与える可能性があると言えます。または機械的特性の改善。

新しい AM 技術の 1 つはワイヤおよびアーク積層造形 (WAAM) です。これは、製造時間をかなり短縮し、大量の金属部品の作成を可能にすることで、ほとんどの AM ソリューションの問題を解決します24。ただし、図 1 は、溶接プロセスの開始時と終了時に発生する形状形成の問題を示しています。この記事では、適切な印刷パラメータを選択することで、この問題がどのように解決されるかを示しました。

溶接工程の形状形成の問題。

Locket ら 25 は、従うべき基準を結論付けました。彼らによると、ガイドラインは次のとおりです。部品対称面上の中央ウェブ、平面状の外壁と内壁、対称面または部分対称です。これらは基本的な側面ですが、これらに従って部品を設計したとしても、溶接プロセスに起因するいくつかの欠陥が残ります。ほとんどの関連研究成果 26,27 では、ビードの形状に顕著な違いが観察されます。アーク形成により、ビーズの始点と終点の局所的な体積は、終点間の領域よりわずかに大きいか小さいです。もう 1 つの顕著な特徴は、印刷部分の内部の異方性です 28。アディティブプロセスにより積層部分が形成されるため、層の数ごとに硬い領域と柔らかい領域が交互に観察されます。どちらの悪影響も、適切な印刷方向を選択することで軽減できます。そこで、このホワイトペーパーでは、ワイヤアンドアーク積層造形 (WAAM) によって作成された部品の印刷欠陥を最小限に抑えることを目的とした部品の最適化方法を紹介します。さらに、提示されたアルゴリズムは他の堆積ベースの方法にも使用できますが、提示された問題とその解決策は WAAM テクノロジーで最も顕著になります。 MATLAB コードが作成され、提示されたソリューションのパフォーマンスを調査するためにパラメーター感度チェックが実行されました。

WAAM は 3D プリントソリューションですが、単一の溶接ビードを初期化して終了するという弱点があります。最初に、溶接トーチがビルドプレート (または前の) 層に近づき、アークが生成されて原材料が表面に到達し、溶接作業が始まります。この後のプロセスは、他の押出ベースの AM テクノロジーと同様です。レイヤーは、溶接の「線」によってレイヤーを「描く」ことによって作成されます。溶接に必要な電気的条件を作り出す溶接機器とトーチの移動を担当するロボットの応答が遅いため、ビードの最初と最後のセグメントには常に何らかの欠陥が見られます。したがって、これらの位置では、幾何学的不正確さや表面誤差が観察される可能性があります。この不正確さは、層を「描画」する必要がある他の蒸着ベースの 3D プリンティング技術によって作成されたパーツでも観察されます。さらに、この幾何学的欠陥が複数のプレーヤーの同じ位置にある場合、パックされたエラーが発生し、プリント全体が台無しになる可能性があります。また、層状構造は異方性の挙動を示しますが、これは構築方向に沿って、つまり 2 つの層間で最も顕著です。どちらの問題も、クレーターの充填や開始点と終了点のオフセットなどの特別な溶接ソリューションを使用して解決できます。ただし、ある程度の寸法精度と微細構造上の欠陥は常に存在します。これを完全に排除することはできないため、第 2 のガイドラインは、ローカルエラーの数を最小限に抑えることです。したがって、印刷層に多数の小さな部分ではなく 1 つの長い溶接を作成することで、溶接の連続性を可能な限り確保する必要があります。単純なジオメトリの場合は、らせん軌道、ヒルベルト曲線に従うか、ジグザグパスでレイヤーを埋めることによって実行できます。より複雑なコンポーネントの場合は、表面が中断されているため、常に可能であるとは限りません。一般に、各層の表面積を増やし、層の数を減らすと、新しいビードを初期化する必要性が大幅に減少します。

AM システムは、スライシングソフトウェアによって生成されたツールパスに基づいており、モデルジオメトリをインポートし、印刷パラメータを設定する必要があります。モデルのジオメトリは通常、コンピュータ支援設計 (CAD) ソフトウェアで作成されるか、リバースエンジニアリングとして 3D スキャンからマッピングされます。どちらの場合も、ファイル形式は、ほとんどの 3D プリントソリューションで使用される Standard Triangle Language (STL) ファイルである必要があります29。この形式は、物体の表面を相互接続された多数の三角形に分割することにより、仮想ジオメトリの表面モデルを提供します。図 2 に示すように、生成されたファイルには各三角形の頂点が含まれており、後で簡単に編集できます。

エッジにフィレットを備えた立方体の STL 表現。

上記の詳細な基準を満たす部品の最適な方向を見つけるには、部品のモデルを空間内で回転する必要があります。ここでは、よく知られているオイラー変換が使用されました30。これにより、任意の剛体の方向を初期の固定デカルト座標系で記述することができます。このプロセスは、固有オイラー角 (z–x–z、x–y–x、y–z–y、z–y–z、x–z–x、y–x–y) に従った 3 つの連続する基本回転で構成されます。）またはテイト・ブライアン角（x–y–z、y–z–x、z–x–y、x–z–y、z–y–x、y–x–z）。この場合、ビルドプレートに垂直な角度位置は影響しないため、この軸、つまりこの研究では Z 軸に沿った回転は無関係です。したがって、必要な回転は 2 つだけです (x–y または y–x)。オイラー変換をそれぞれ x–y の順序で正の方向に表現したものを図 3 に示します。X 軸を中心とした最初の回転の後、新しい Y' 方向と Z' 方向の方向が変化していることがわかります。元の（Y と Z）と比較して α 角度だけ変更されます。一方、X' 方向は同じままです (X)。 2 回目の回転後、今度は以前に作成した座標系の Y' 軸を中心として、X'' と Z'' の方向が β 角度だけ変更されましたが、Y'' は同じままです (Y')。このようにして、あらゆる印刷方向を所定の角度解像度でチェックできると結論付けることができます。

オイラー変換。

結果の回転行列は次の (1,2) になります。

この変換を使用すると、調査された各インスタンスの位置を単一のベクトルで表現でき、それに応じて STL ファイルの頂点を変更できます。次のステップでは、「WAAM 開始時の問題」セクションで説明した条件をすべて満たす最適な回転ベクトルを決定します。その結果、層の境界を取得するには、パーツのジオメトリを回転した位置ごとにスライスする必要があります。ただし、層間の距離を決定するには、製造技術が生産できるものに基づいて層の厚さを設定する必要があります。スライスは、オブジェクトの表面と、調査された層の高さでの X-Y 平面のオフセットから形成できる平面との交点から解釈できます。

個々の途切れのないサーフェスの概念とレイヤー数の違いは、図 4 で見ることができます。強調表示されているように、ジオメトリの複雑さに応じて、1 つのレイヤー内に複数の別個のサーフェス要素が存在する可能性があります。ただし、このアーティキュレーションは、印刷の向き、つまり各レイヤーがパーツをどのようにスライスするかによって影響を受ける可能性があります。

「途切れのない面」という意味をレイヤー上で表現。

提案された方法では、3D オブジェクトは、X 軸と Y 軸の周りで、両軸で 180 度に達するまで、小さな一定度ずつループで回転されます。各回転で、中断されていない表面の数と最初の層の面積が計算され、考慮される X 軸と Y 軸の度数とともに保存されます。

層の面積を計算することは、特に非凸形状の場合、非常に困難です。この問題に対処するために、私たちは次の正確な手法を提案しました。まず、バイナリ stl ファイルを読み取り、三角形を作成します。次に、三角形を事前定義された高さでレイヤーにスライスして、座標のリストを提供します。まず、スライス平面と交差する三角形を見つける必要があります。次に、グラフ深さ優先探索 (DFS) アルゴリズムを使用して、三角形の面上で交差によって生成される線を計算し、線を接続する連続パスを作成します。図 5 は、スライスとその座標の一部を示しています。実際のところ、各スライスは 2 次元の頂点によって定義される多角形です。 2D 多角形の表面積は、ベクトル x と y の頂点によって定義されます。

2D 頂点の一部を含むレイヤーのサンプル。

同じ 3D オブジェクトの 2 つの配置の違いを図 6a、b に示します。最初のシナリオでは、物体はベッドの上に水平に横たわっています。オブジェクトはその時点でスライス高さ 10 でスライスされ、中断されたサーフェスのない 8 つのレイヤーが得られました。他のシナリオでは、オブジェクトが Y 軸を中心に 90 度回転され、同じ設定を使用してスライスされ、その結果、68 の連続したサーフェスを持つ 39 のレイヤーが作成されました。

3D オブジェクトのスライスを (a) 横に置き、(b) 直立させて表現します。

最後に、中断されていないサーフェスの数が最小で、最初のレイヤーの面積が最大となる回転度が選択されます。中断されていない表面の数が最小限であるということは、トーチによる溶接プロセスの中断が最小限に抑えられることを意味し、溶接ビードの形成と完成における欠陥の数を最小限に抑えることができます。さらに、印刷プロセス中の部品の変形や実際の部品の破損を防ぐために、最初の層の適切な接着が必要です。したがって、最大の第 1 層は、ワークピースを所定の位置に保持するのに役立つ、ビルドトレイとの接続面を十分に大きくすることを追求する必要があります。提案されたアルゴリズムは表 1 に従っています。

一般的なエンジニアリング手法では、球、ブロック、立方体、円柱、トーラスなどの代表的な形状プリミティブの組み合わせとして部品を構築します。したがって、ソフトウェア機能の最初の調査として、図 1 に示す形状プリミティブを使用します。 7、テストされました。これらの形状の作成には Autodesk Inventor Professional 2018 が使用され、ファイルは .stl 形式で保存され、Matlab アルゴリズムによって読み取られました。

凸形状 (a) 四角柱、(b) 球。

これらの形状 (図 7) はすべて凸状です。つまり、形状内のすべての線を接続できますが、この線は形状の内側に残ります。ただし、場合によっては、より複雑なパーツでは、スライスされたレイヤーに複数の接続されていないサーフェスが含まれることがあります。したがって、アルゴリズムは非凸形状も処理できます (図 8)。

非凸形状 (a) U 形状、(b) 特殊球。

開発されたアルゴリズムは、前のセクションで示した 4 つの形状に適用されました。初期の向きを図 1 と 2 に示します。対応する角度はこれらの座標系に対するものです。凸形状（立方体や球）は、作成したMatlabコードを使わずに結果が予測できるため、テスト操作として考えることができます。表 2 に示すように、中断のない表面の数が最も少ない複数の位置がプリズムの最適な構築方向であることがわかりました。ここで、α と β は X 軸と Y 軸の周りの回転角度です。表には、中断されていないサーフェスの最小数のみが表示されます。他の回転では、より多くの中断のないサーフェスが生成されました。この場合、ジオメトリには 3 つの対称面があります。したがって、回転された各位置には 6 つの等価物があります。

球には無限の対称面があります。表 3 は、達成された結果を示しています。これは、考えられるすべての方向で同じであり、全表面の数が方向に関係なく同じであることを示しており、最適な方向が発見できないことを示しています。これら 2 つの単純な形式 (角柱と球) は、各層の各方向に関連付けられた層と表面の数をユーザーも簡単に推定できるため、アルゴリズムのテスト要素とみなすことができます。

非凸形状については、まずU字形状を検討した。表 4 に示した結果から、X 軸と Y 軸を中心に回転すると、印刷プロセス中に作成する必要がある表面の数が増加することがわかります。このジオメトリでは、プリズムの場合と同様に、互いに類似した 4 つの最適な方向が見つかります。ただし、このセクションで後ほど説明する 2 番目の最適化条件を満たすのは、これらのうち 2 つだけです。

最後に、特殊な切頭球がチェックされました。これは代表的な部品であり、従来のサブトラクティブ機械加工で製造すると非常に高価になるため、WAAM プロセスの能力を十分に表すことができます。ボディを構成する幾何学的特徴はより複雑であるため、純粋にユーザーの決定に基づいて正しい印刷位置を指定することは非常に困難です。結果は、表 5 に示すように、主条件を満たす最適な方向を 1 つだけ示しました。

二次最適化条件として、最初の層の面積が調査されました。 4 つの形状の結果を図に示します。 9、10、11、12。

最初のレイヤー (プリズム) の面積。

最初のレイヤー (球) の領域。

最初のレイヤーの領域 (U 字型)。

第 1 層 (特殊な球) の領域。

図中。図 9、10、11、12 を見ると、4 つの形状のうち 3 つの場合、いくつかのパターンが作成されていることがわかります。特別な球を除くすべてのジオメトリには 1 つ以上の対称面があるため、調査の観点からは同じ方向を意味するため、同じ領域を異なる回転方向で測定できます。

予想通り、プリズムでは、一次最適化条件に基づく 6 つの最適な方向が 6 つの最大の第 1 層領域と一致します。したがって、これらの位置は研究では同一であるため、同様に可能な限り最良の位置であると言えます。

球の形状の場合、理論上、最初の層に関しては違いはないはずです。ただし、STL ファイルの解像度により、一部の位置ではエンベロープトリングが印刷方向に対して垂直に配置される場合があり、その結果、レイヤー領域がわずかに大きくなります。偏差の大きさは重要ではなく、実際には完全な球体は 1 点でのみビルドトレイに接続されるため、最初のレイヤーの面積の値は無視できます。ここで、言及する価値があるのは、溶接プロセスの後、部品は何らかのチッピング技術によってビルドトレイから機械加工される必要があるため、製造された製品の安全性を確保するために、部品と部品の間に何らかのサポートのような構造を配置する必要があるということです。トレイ。最適化のための最大の第 1 層領域の概念は、設計者に追加のガイドを提供することのみを目的としています。この条件の重要性はユーザーが考慮できます。

表 4 からわかるように、U 字型では同一の最適位置が 4 つ得られ、面積で評価することで 2 つに限定できます。図 6 に見られるように、0–0 および 180–180 の方向は両方とも底部の平らな表面上にあります。

特殊球形状の結果は、最適な方向と呼ばれるものを評価および決定するための別のアプローチを提供します。ここで、表面の最小数は、第 1 層の最大面積とは関係ありません。比率の点では、違いは顕著ではありませんが、非常に複雑な形状の場合、その確立に問題が生じる可能性があると考えられます。次の式。 (3) は、最適化に最も必要な条件をユーザーが判断するのに役立ちます。

ここで、O(alpha, beta) は回転された方向、Afirst は最初の層の面積、Nsurf は中断されていない表面の数、w = (0,…, 1) は定数値で、次のように設定できます。ユーザーの好みに基づいて。たとえば、ユーザーが最初のレイヤーの面積がそれほど重要ではないと想定している場合、w の値は比較的大きな数値として選択でき、アルゴリズムは主に面の数が一致する方向を見つけることに重点を置きます。最小限。

結果と説明に示されているように、取得された最適な方向は、図 1 に示すように、個々の表面の数の最適な最小値を生成し、溶接欠陥が少なくなります。達成可能な最小値と最悪の場合のギャップただし、最大の状況は、ジオメトリの複雑さに大きく依存します。たとえば、球の場合、オブジェクトには無限の数の対称投影があるため、印刷された各方向は同じ結果を生成しますが、特殊な球の場合は、わずかな角度の違いでも生成される数に大きな影響を与える可能性があります。個々の表面の。

WAAM 特有の製造上の欠陥を最小限に抑えるために、最適な印刷方向を決定するアルゴリズムが開発されました。調査はいくつかの代表的な部品形状の STL ファイルに対して実行され、アルゴリズムの作成には MATLAB ソフトウェアが使用されました。溶接ビードの開始点と終了点では、部品内で不均一な硬度や引張特性など、重大な幾何学的不正確さ、機械的特性の欠陥が観察されることがあります。この影響はテクノロジーに固有のものであるため、完全に排除することはできませんが、最小限に抑えることは可能です。これは、印刷プロセスに関するジオメトリの構築方向を適切に選択することで実現できます。この記事では、提案されたアルゴリズムにより、非常に低い複雑さで最適なビルド方向を見つけることができ、また、次の 2 つのパラメーターが優先順位で調べられました。

提案されたアプローチを使用すると、プリンターが製造する途切れのない表面の数が少なくなるため、このような幾何学的欠陥が発生する可能性が減少します。

最適な結果が複数ある場合は、最大の初期層を持つものが選択されるため、十分なビルドプレート接続が達成されます。

現在の研究中に使用および/または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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T. ミリガン、CD-ROM プロジェクトレポート、および

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「アプリケーションドメイン固有の高信頼性 IT ソリューション」プロジェクトは、ハンガリー国立研究開発イノベーション基金からの支援を受けて実施され、テーマ別エクセレンスプログラム TKP2020-NKA-06 (国家課題サブプログラム) 資金調達スキームに基づいて資金提供されています。

エトヴェシュ・ロラン大学が提供するオープンアクセス資金。

エトヴェシュ・ロラン大学情報学部、サヴァリア工科大学、ソンバトヘイ、ハンガリー

ヤザン・アロマリ、マートン・タマス・ビロシュ、アンドー・マーティアス

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著者全員が原稿をレビューしました。

ヤザン・アロマリへの対応。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

Alomari, Y.、Birosz, MT および Andó, M. 凸形状および非凸形状のワイヤーおよびアーク積層造形プロセスの部品方向の最適化。 Sci Rep 13、2203 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-29272-x

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受信日: 2022 年 11 月 18 日

受理日: 2023 年 2 月 1 日

公開日: 2023 年 2 月 7 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-29272-x

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