生成設計と連続3Dファイバー積層：AI駆動のイノベーション

生成設計は、人工知能（AI）、具体的には高度な最適化アルゴリズムとクラウド・コンピューティングを組み合わせ、自然の進化的アプローチを模倣し、一つの工学問題に対して数千もの解を提供します。「これはもはや『製図』ではなく、『制約条件』を伝えることで『設計問題を記述する』ことだ」と、オートデスク・リサーチ計算科学グループのマッシミリアーノ（マックス）・モルッジ氏（自称・先進材料製造エバンジェリスト）は説明します。以下はオートデスクが支援するプロジェクトの一部です。

MX3D レジン（上）とMX3D 金属（デルフト工科大学）
SOURCE: MX3D

Continuous Composites、オートデスク、コマウが連続繊維熱硬化性樹脂（エポキシ等）のインシチュ・ハニカムと自己支持ブリッジ構造をプリント
SOURCE: オートデスク

「生成設計は、最適化と設計可能性の『はるかに広い範囲』を提供する」とモルッジ氏。

図面や先入観のある形状から始める代わりに、解決したい「問題を定義」します。荷重、空間制約、材料、製造方法、コスト制約。生成設計ソフトウェアが「すべての」あり得る順列を探索し、多数の設計「代替案」を生成、各イテレーションでテストと学習を行います。要件に最も適した設計を選択します。

生成設計は「CADの『次世代』」です。モルッジ氏説明：「高度な数学と複数のオプティマイザーを用いて、『数値合成』に基づく『幾何学的形状の定義』という新しい方法を創り出しました。今日のCADシステムは依然としてデジタル製図に過ぎません。しかし生成設計では、レオナルド・ダ・ヴィンチが提唱した『よく構築された問題は『最適化された解』を提供する』という状態を、ほぼ達成しました。我々が求める解を記述することに焦点を当てるため、ゴール・ドリブンなプロセスとプラットフォームであり、エンジニアが『設計空間全体を合成する』ことを可能にします。」

このパラダイム・シフトの一つの結果は、形状と機能性が構造に内包されることです。「材料はこの一翼を担う」とモルッジ氏。「材料は『従来』、設計者が目指す幾何学的目標を支えるために機能していました。しかし生成設計では、今や『製造プロセス』と『材料』を設計に組み込むため、両者が最適な幾何学的形状の解析の一部となります。」

スマート構造

オートデスクが生成設計を開発し始めたとき、モルッジ氏によれば、それは『先進製造』への旅を引き起こしました。「『先進材料』と『スマート材料』を取り込み、生成設計の全メリットを享受できる技術に焦点を当てています。」同氏は、繊維強化複合材が鉄鋼やアルミニウムのような等方性材料に匹敵し、今やそれを超えつつあると主張します。なぜなら複合材は「機能性を埋め込める」からです。「しかし、これらの材料の複雑さを完全には理解していないため、制限的な破壊基準を用いています。その結果、複合材を『形状に押し込めている』のです。完全に最適化するには、材料が構造的・機能的荷重の『両方に従う』べきです。磁気シールド、温度勾配、振動などです。」

オートデスクがエアバスと共同で生成設計と金属3DプリントでA320用「バイオニック・パーティション」を作成。オートデスクの仕事の大部分は金属にあったが、モルッジ氏は未来を繊維強化複合材に見る。SOURCE: オートデスク。

モルッジ氏は、「繊維強化複合材」と生成設計が「共生関係」にあり、互いに実現と拡大を助け合うと見ています。「今日、我々は複合材の物理特性と材料特性を定義し、FEAで設計問題を解きます。しかしこれは『後ろ向き』です。自然は木を作って『から』木材を作るのではありません。」生成設計は自然のプロセスに合致し、その結果、複合材も同様に実現可能にします。「今や材料とその『配置』が、構造荷重と機能性によって駆動されるようになります。これにより『新たな機能性材料』と『拡張製造プロセス』が生まれます。」

しかしモルッジ氏は、これまで、複合材に機能を容易に埋め込める「自動化プロセス」が存在しなかったと断言します。同氏は過去に自動ファイバー積層（AFP）システムを設計し、2000年代初頭にインガソールでボーイング、ロッキード、シアトルのランボルギーニ・ラボなどと仕事をした経験を持つからです。MX3DやContinuous Compositesとのプロジェクトは、業界リーダーとOEMに何が可能かを示す戦略の一環です。「これらのプロジェクトを通じて、『異方性のメリットを別のレベルへ』持って行けます。単にバイオニック・バイオミメティック形状を実現するだけでなく、感知し通信できる神経系を持つ『生きた構造体』を創ることが目標です。スマートな航空機、自動車、建物への真の潜在能力です。これらは従来の金属では不可能です。」

SOURCE: Continuous Composites and Autodesk.

Continuous Compositesがオートデスク・ユニバーシティ2017で展示したラダーにプリントされたセンサーは、2日間で5ギガバイトのデータを収集、来場者が構造物に触れた際の温度、加速度、応力変化を追跡（詳細はContinuous Compositesに関するブログ参照）。MX3Dも埋め込みセンサー付き構造物をプリントしています。

「『3Dプリント複合材』のビジョンを提示し始めたのは、工具が不要で、部品を合成できるからだ」とモルッジ氏。「Continuous Compositesは連続繊維、ワイヤー『および』光ファイバーでプリントできるため、構造物に『神経系を埋め込める』。材料もその場で含浸される。この種の『製造』が、生成設計が提示する解と『マッチする』。」

リヴレア・ヨットが2019年ミニ・トランザット・ヨット・レースで世界初の3Dプリント・ヨットを出走。SOURCE: オートデスク

モルッジ氏はさらに踏み込み、この種の先進製造は結局のところ「エコシステム」を必要とすると説明します。これには、これらスマート構造をどう製造するかというサプライチェーンが含まれます。「リヴレア・ヨットはこのエコシステムの別の一翼だ」とモルッジ氏。同氏が取り組むもう一社、リヴレア・ヨットは世界初の3Dプリント・セールボートを建造中で、2019年ミニ・トランザット単独大西洋横断ヨットレースに出場予定（詳細はスコット・フランシス氏のこのプロジェクトに関するブログ参照）。「すべての新技術と進歩には投資が必要なので、なぜこの投資が価値あるかを教育することが重要。エンゲージメント創出も必要。」伝統的に、新材料と製造はレースカー、レーシングボート、宇宙船で興奮を生んできた。「リヴレアは大西洋を横断するレースボートで、軽量化も達成する非常に興味深い生成設計形状を持ち、金型なしで3Dプリント製造される。これを生成設計の未来を放送する強力なチャネルとして利用できる。」

製造の未来

同氏は、「建設業界」などで「他のプロジェクト」もあり、それらは語れないが、可能なことの力をさらに示すことになると主張。しかしモルッジ氏は、複合材と生成設計の未来は「3Dプリント『だけ』ではない」と宣言。「最終的なマシンもまだできていないと思う」と付け加えます。「顧客が欲しいのは特定のCAD/CAMシステムやマシンではない。『顧客』が『欲しい』のは『解決策』だ。」

モルッジ氏は、15年前に複合材分野に入ったとき、繊維・テキスタイル業界を見たと言います。「『最も先進的な構造』は『テキスタイル』そのものだ。構造性能だけでなく機能性も付与するから。暑くも寒くもでき、伸縮自在、形状を作りも制限もできる。あらゆるようにプログラム可能だ。」同氏は「織機の設計」が「変わっていく」と予見。「現在はルックアップ・テーブルで制限され、わずかな設計セット（織りパターン）しか作れない。だが、生成設計と構造テキスタイルを同期させる。『生成製造』は3Dプリントだけではない。他の選択肢は、『織機』『編み機』『不連続繊維付加』との『ハイブリッド・プロセス』だ。さらに『より持続可能な材料』、バイオマテリアルやクモ糸も使用し始める。『巨大なハイブリッド・マシン』の動きが来る。ボタン一つで夢を合成できるようになる。」

また、システム同士が協力し継続的に改善する道もあります。「設計空間を計算する生成設計アプローチでは、何かを変えても『もう一つのFEAイテレーション』ではない。空間がすでに完全に計算済みだからだ」とモルッジ氏。機械学習はすでに複合材製造システムに統合されつつあります。これにより「学習した教訓」が生成設計ソフトウェアにフィードバックされ、将来の設計イテレーションに適用可能になります。

（この概念は、ZAeroプロジェクトで開発中の熱硬化性複合材生産ライン、およびエアボーン、SABIC、ジーメンスによる熱可塑性複合材での取り組みについてのブログで議論されました。）

完全な開示：他の生成設計プラットフォームも存在します。ダッソー・システムズは実際、2016年CWコラム「複合材付加製造の産業採用拡大」で「ファンクショナル・ジェネラティブ・デザイン」について語っています。

連続ファイバーおよび/またはセンサーによる3Dプリントを推進する他社には以下があります：

• アニソプリント（ロシア）
• アレボ
• カーボン・ファクトリー@ETHチューリッヒ
• マークフォージド
• McNairセンター、サウスカロライナ大学
• モイ・コンポジッツ
• オービタル・コンポジッツ
• 上海大学
• 東京理科大学と日本大学
  https://www.jscm.gr.jp/3Dprinting/images/introduction_CFRP3Dprinter.pdf