トポロジー最適化と3D印刷が新しい設計の機会をどのように解き放つか

今日、積層造形（AM）は、機能部品の設計と製造に前例のない可能性を提供します。ただし、テクノロジによって提供される設計の複雑さを十分に活用するには、トポロジ最適化などの設計ソフトウェアが必要です。

トポロジーの最適化により、より強力で軽量な部品の製造が可能になります。今日の記事では、トポロジーの最適化と3D印刷を組み合わせることで、エンジニアが部品の設計と製造へのアプローチを再考するのにどのように役立つかを探ります。

トポロジの最適化とは何ですか？

トポロジー最適化は、数学的計算を使用してオブジェクトのジオメトリを最適化するジェネレーティブデザイン手法です。

パーツの形状を最適化するプロセスは、パーツが占めることができる最大ボリュームを表す「デザインスペース」を定義することから始まります。次に、ソフトウェアは、荷重、変形、剛性の制約、境界条件などのいくつかの要件に基づいて形状を分析します。

これにより、ソフトウェアは、パーツの機能やパフォーマンスを犠牲にすることなく、マテリアルを削除できる領域を特定できます。

このように、トポロジーの最適化は、特定の部品の可能な限り最良の構造を作成するのに役立ちます。

トポロジ最適化のメリット

より高速な設計プロセス

トポロジー最適化ソフトウェアは、最適化された形状を作成するまで設計を自動的に反復することにより、部品の開発と設計プロセスをスピードアップするのに役立ちます。

最初からパフォーマンス要件を設計に織り込み、設計生成プロセスを自動化することで、革新的な設計をはるかに迅速に考案し、最終的に設計サイクルをスピードアップすることができます。

軽量で強力な部品

おそらく、トポロジー最適化を使用する最大の利点は、部品の重量を減らし、強度を最適化することで部品の性能を向上させることができることです。

一連のパラメータで定義された場所で材料を追加または削除することにより、トポロジ最適化ツールを使用すると、エンジニアは無限の設計オプションを探索し、特定の部品の軽量でありながら弾力性のある最高の構造を見つけることができます。 。

軽量部品は、多くの業界で求められています。たとえば、航空宇宙では、軽量コンポーネントは航空機の燃料消費量を大幅に削減できますが、モータースポーツでは、レースカーのパフォーマンスを大幅に向上させることができます。

さらに、部品が軽いほど、製造に使用される材料が少なくなります。 、製造コストを削減します。

トポロジー最適化と3D印刷の組み合わせ

従来の製造アプローチでは、トポロジー的に最適化された設計を作成する能力が制限されることがよくあります。このような設計は、複雑な形状を特徴とすることが多く、通常、機械加工や射出成形を使用して製造することは不可能であるか、コストがかかりすぎます。

一方、3D印刷は、複雑さを増すことなく複雑な形状を作成できます。これにより、3D印刷は、トポロジー的に最適化されたデザインを最大限に活用するための最良のテクノロジーになります。

実際のトポロジの最適化

トポロジー最適化と3D印刷の併用は、自動車、航空宇宙、医療などの業界で見られます。

航空宇宙

航空宇宙は、軽量部品を作成し、支持構造を減らし、製造された部品の強度を維持するという利点のおかげで、トポロジー的に最適化された設計のトップ採用者の1つです。

最適化され、追加的に製造されたコンポーネントは、衛星や宇宙船の打ち上げコストを削減する上で非常に価値があることが証明されています。

良い例は、トポロジー最適化を使用して飛行機の胴体パネルを製造している航空構造メーカーSTELIAAerospaceの例です。

トポロジー最適化のおかげで、STELIAの設計者とエンジニアは、安定性が向上した、より強力な航空機胴体パネルを作成することができました。トポロジーが最適化された設計により材料の無駄が少なくなるという、環境へのメリットも追加されています。

医療

トポロジー最適化の恩恵を受けるもう1つの業界は、医療です。機能的に最適化された構造は、患者の骨のこわばりと密度を模倣するインプラントの製造に新しい機会をもたらします。

この最近の例では、IT企業のAltairが、3D印​​刷とトポロジー最適化ソフトウェアを組み合わせて、改良された股関節ステムインプラントを作成しました。

サイズ、重量、インプラントが負担すると予想される負荷などのパラメーターを入力することにより、トポロジー最適化ソフトウェアを使用して、股関節インプラントの新しい設計を作成しました。最適化された設計により、一般的なインプラントよりも効率的な方法で応力とひずみが分散されます。

さらに、トポロジー最適化ソフトウェアは、インプラントを軽量化するために、材料を格子構造に置き換えることができる場所を決定するのに役立ちました。

テストしたところ、最適化されたインプラントの耐久限度は約1,000万サイクルに増加しました。これは、股関節インプラントがロサンゼルスからニューヨークへのジョギングとその逆のジョギングに耐えることができることを意味します–2回。

自動車

BMWは、2018年に、受賞歴のある3Dプリントの金属製ルーフブラケットを備えた象徴的なi8ロードスターカーをリリースしました。

ルーフブラケットは、車の上部を折りたたんだり広げたりするのに役立つ小さなコンポーネントであり、ルーフフォールディングメカニズムのパフォーマンスを最大化するために新しいデザインが必要でした。この目標を達成するために、BMWのエンジニアは3Dプリントとトポロジー最適化ソフトウェアを組み合わせました。

このソフトウェアを使用することで、エンジニアは重量、コンポーネントのサイズ、コンポーネントにかかる負荷などのパラメータを入力することができました。次に、ソフトウェアは、部品の材料分布を最適化する設計を生成しました。

エンジニアリングチームによって達成されたデザインはキャストできませんでした。チームは、この設計を可能にする唯一の方法は、金属3D印刷によるものであることを発見しました。

Selective Laser Melting（SLM）テクノロジーのおかげで、エンジニアは従来の代替品よりも10倍剛性が高く、44％軽量な金属製ルーフブラケットを作成しました。

3D印刷用のトポロジー最適化ソフトウェアの例

3D印刷用の設計およびシミュレーションソフトウェアを提供している多くのIT企業も、トポロジー最適化機能を備えた設計ソリューションを開発しています。このセクションでは、3Dプリントのトポロジー最適化における有望な製品のいくつかを見ていきます。

Altair Inspire

Altairは、製品開発、ハイパフォーマンスコンピューティング、データ分析の分野でソフトウェアとクラウドソリューションを提供するグローバルテクノロジー企業です。

できること

Altair Inspireは、最適化の目的、応力と変位の制約、加速度、重力、温度の負荷条件など、多数のトポロジオプションを提供します。

トポロジー最適化ソフトウェアは、製造プロセスの制約も監視します。たとえば、オーバーハング形状コントロールを使用したAMの設計が可能になり、オーバーハングを減らしてより自立した構造を作成できます。

Ansys Mechanical

ANSYSは、機械工学用のシミュレーションソフトウェアと設計ツールのプロバイダーです。 ANSYSは、マルチフィジックスソフトウェアの完全なスイートと統合された自動トポロジ最適化ツールを設計者に提供します。

何ができるか

Ansys Mechanicalのトポロジ最適化では、固有振動数の最適化（モーダル解析）と組み合わせた複数の静的荷重を考慮に入れ、最小材料厚の要件を満たすことができます。それに加えて、ソフトウェアは最適化の結果を簡単に検証するように設計されており、設計プロセスをスピードアップします。

ParaMatters CogniCAD

デザインとCADソフトウェアの分野には、市場の変革を望んでいる少数の新興企業も含まれています。 2016年に設立されたParaMattersは、ジェネレーティブデザインソフトウェアであるCogniCADを開発しました。

何ができるか

CogniCADは、社内で開発されたトポロジ最適化、高解像度の有限要素解析、計算幾何学に基づいた高度に自動化されたワークフローを提供すると報告されています。

さまざまな荷重条件を提供し、設計が3D印刷に適していることを確認するのに役立つ設計目標と制約。

nTopologynTopプラットフォーム

2015年に設立されたnTopologyは、設計ソフトウェアを提供しています。昨年5月、同社は設計分析、軽量化、最適化ツールを提供する設計ソフトウェアElementをリリースしました。

何ができるか

トポロジー最適化ツールに関して、nTop Platformを使用すると、ユーザーは複数の荷重条件を適用し、応力、変位、剛性などのさまざまなパフォーマンス基準を最適化できます。

設計が最適化されると、ツールにより、トポロジ最適化の結果を編集可能なジオメトリに自動変換できます。同社によれば、これにより、手動でジオメトリを再構築することなく、高速で再現性のあるプロセスを提供できるため、時間と労力を節約できます。

トポロジの最適化：新しい設計アプローチ

AMのトポロジー最適化ソフトウェアは、ここ数年で目覚ましい進歩を遂げています。大規模なソフトウェア会社と新興企業の両方が、3D印​​刷の設計の限界を押し上げるための高度なソリューションを開発しています。

これらの進歩のおかげで、さまざまな業界の企業が、設計の自由度の向上、設計サイクルの高速化、および部品性能の向上を活用できるようになりました。

将来的には、AMのトポロジー最適化ソフトウェアの機能は進化し続け、新しい強力な可能性を解き放ちます。