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コラム COLUMN

トポロジー最適化×3Dプリンティング技術について

トポロジー最適化×3Dプリンティング技術について

トポロジー最適化×3Dプリンティング技術について

軽量化や開発期間の短縮化でお悩みは無いですか?
世界中の自動車メーカ、航空機メーカが軽量化目標を達成するために
取り組んでいる技術「トポロジー最適化」。
そして昨今、国内でも注目が高まっている「金属の3Dプリンタ」。
この両方の技術を掛け合わせた設計製造手法をご紹介します。

トポロジー最適化とは?

軽量化、材料コストの低減を実現します。
トポロジー最適化とは「締結やヒンジ部などの構造的な空間的制約、または拘束条件、
周辺環境による外形的な制約、外力による荷重条件などから、必要最小限で最も効率の良い形状を計算すること」です。
旧来の設計では、細かい条件は設計者の経験値に頼る事が大半でしたが、
トポロジー最適化では使用条件や荷重条件を適切に設定することが、とても重要になります。
詳細は後で例を挙げて説明します。

3Dプリンタとトポロジー最適化を組み合わせるメリット

形状の自由度が増すことによる軽量化、開発期間の短縮です。
トポロジー最適化のアプリケーションは昨今発達し、製造条件を加味した計算も可能になりました。
しかしながら、そのアウトプットは既存工法におけるものづくりの+α程度が限界でした。
そこで、既存工法にとらわれない形状を製造可能にするのが、3Dプリンタの役割です。
3Dプリンタにも製造条件は当然あるのですが、形状の自由度は既存の工法に比べてはるかに高いのです。
また、CAEなどの解析や設計者のノウハウを駆使し、何度もやり直しをしていた開発は
トポロジー最適化のフェーズを追加することで、やり直し工数をグッと削減することが可能です。
さらに、3Dプリンタを最終製品の製造に使用することで、生産準備期間や在庫管理にかかる工数・費用の削減に繋がります。
詳細は次の項で例を挙げて説明します。

設計~製造の手順

 

解析条件の提示
まずは解析を実行するための必要な条件を設定します。
条件次第で、この後の工程結果が決まる為、抜け漏れなどないか
最も注意を払うポイントです。
~以下、もしくは左図のような条件を設定します~
材料:アルミ(EOS AlSi10Mg)
安全率:15%
拘束条件(ボルト固定・回転ヒンジ・ロック機構など)の設定

ベース形状の解析
次にベース形状に対して味見の解析を実行します。
この時、設計者は以下のポイントを確認します。
・最大発生応力は材料の降伏応力に対してギリギリか?余裕があるか?
・応力が一部に集中しているか?うまく分散しているか?
・必要な性能に対して剛性は十分か?

ここで、最適化において注目すべきポイントを当たり付けします。(集中応力の緩和?肉抜き?)

設計空間の作成
周辺部品、使用上の必要な形状、構造設計上必要な形状を考慮し設計空間を設定します。
(3Dデータで設計空間を作成します。)
このときに、最適化する部位、しない部位、または自動生成形状(ラティスなど)をエリアで指定します。

製造条件の提示
設計空間や構造をみながら、製造条件を決定します。
3Dプリンタであれば造形エリアの配置を検討し、後工程に伝えます。
ステージの大きさを考慮して縦・横、または斜め、もしくは分割という方法を選択します。
金属3Dプリンタの場合、主な検討項目はサポートの設計と造形時間の検討です。
サポートの取りやすさ、こうすればサポートが少なく済むなど、
配置や注意したい形状、隙間関係など設計者と擦り合わせを実施します。

トポロジー最適化(製造条件込み)
最適化を実行します。
まずは必要な強度割合が色分けされたアウトプットが出力されます。
赤が100%必要、青が0%必要。中間の黄色や緑色は30%、50%などの必要強度(部材)です。
50%の場合は半分強度を落とすことが出来ます。「薄く」するエリア、「ラティス構造」などにして弱体化(軽量化)
を狙うのか、はたまたその他の手法を用いるのかは、設計ノウハウとなります。
45°方向に走る要素が多いのは3Dプリンタの製造条件を入れている為です。

3Dデータスムージング
メッシュデータで出力された形状に対し、スムージング、構造部の隙間設計、強度以外で必要な部位の追加など
CADを用いてデータを修正します。
この際、どうしてもサポートが発生してしまうところに対して、設計者が工夫出来そうな箇所に着目して検討します。
(例えば、サポートの変わりにラティス構造(強度剛性で狙った形状)を配置するなど)

製造条件のフィードバック
最適化時に製造条件を含めて解析をしていますが、ここで初めて3Dデータを使ってサポートの検討を実施します。
設計で工夫して修正できる範囲と判断すれば、設計にフィードバックをして修正します。

確認解析
3Dデータ(スムージング済み)で改めて確認解析を実施します。
最適化直後のメッシュデータでは、最適化時と結果が変わることが多いです。
その理由としては、R形状や、円・孔形状がうまく再現されない、または必要な構造、製造条件において形状が追加される為です。
ここで、強度に余裕がある、応力が一部に集中しているなど、更に改善できる箇所が見つかれば、
もう一度最適化を実施する事により、更に効果が得られると考えられます。
必要な場合は、もう一度最適化⇒スムージング⇒確認解析のフローを実施し、更なる軽量化・最適形状を目指します。

造形
金属や樹脂部品を3Dプリンタでアウトプットします。
その後、熱処理⇒ステージから切り離し⇒サポート取り外し⇒ブラスト⇒仕上げをして
製品となります。
→設備紹介

2019年11月6日~8日 第63回宇宙科学技術連合講演会に出展します。

 

現品を実際にご覧頂けます。
→展示会詳細

最後に

原田車両設計では3Dプリンティングの技術を活かした設計・製造のお困りごとを
トポロジー最適化のパートナー「GRM」との協業で解決致します。
お気軽にご相談ください。(お問い合わせページリンク)
→解析・設計・製造に関するお問い合わせ先

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