Altair エキスパート Ravi Kunju が 3D プリンティング用の高度なシミュレーション ソフトウェアについて語る
3D プリンティング業界ではよりシンプルかつ迅速なデザイン準備ワークフローの実現が継続的な探求となっています。積層造形の設計は複雑なプロセスであり、特有の課題と機会が伴います。
したがって、エンジニアが AM の設計の柔軟性を最大限に活用できるようにするには、関連するツールが必要です。 Altair は、これらのソリューションを開発する企業の 1 つです。 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世界的なテクノロジー企業です。
今週の専門家インタビューでは、Altair のシミュレーション駆動設計担当シニア VP ビジネス開発および戦略である Ravi Kunju に話を聞きます。 Ravi と一緒に、最近発売された Altair Inspire Print3D ソフトウェア ツールや 3D プリンティング用シミュレーション ソフトウェアの現状について詳しく学び、Altair ソリューションによって可能になるエキサイティングな AM アプリケーションのいくつかを探索します。
Altair とあなたが解決している課題について少し教えていただけますか?
当社は、製品設計、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世界的なテクノロジー企業です。
私たちのビジョン、そして 30 年以上のビジネスの中で私たちがやってきたことは、シミュレーション テクノロジー、データ分析ソリューション、そして業界をリードする設計最適化ソリューションを通じて、製品とビジネスの意思決定を変革することです。
私は Altair のシミュレーション駆動設計製品を担当しています。
最近、Altair Inspire Print3D ソフトウェアを起動しました。貴社が提供するさまざまなソフトウェア ソリューションについて説明していただけますか?
Altair Inspire Print3D は、当社が提供する数多くのソリューションのうちの 1 つにすぎません。 Altair は、長年にわたり最適化分野のリーダーであり続けています。当社の最適化テクノロジーを使用して、板金成形、鋳造、押出成形、射出成形など、あらゆる種類の製造方法の設計を作成するお客様がいます。また、当社のテクノロジーを使用して、パフォーマンス要件をより深く理解し、製造プロセスに特化したジェネレーティブ デザインを作成します。この文脈では、スペクトルの両端を理解することが重要です。 1 つはデザインを推進するものであり、もう 1 つは製造したいデザインを手に入れた後に何が起こるかです。これらの要素は私たちのプラットフォーム上で統合されます。当社が Inspire プラットフォームで行ったことの 1 つは、シミュレーション主導の設計プロセスを前面に導入し、製造プロセスを完全に認識しながら、設計者が非常に簡単に理解して設計を推進できるようにすることです。製造プロセスを設計要件から分離するのは賢明ではないため、プラットフォームを通じてすべてを 1 つの環境にまとめました。
したがって、Inspire Print3D は 2 つのことに重点を置いています。 1 つは、Inspire プラットフォームの下で、ユーザーがあらゆる AM プロセスに特化した設計を生成できることです。製造プロセスを満たすように設計を推進する特定の製造ルール (制約) を使用します。 2 つ目は、すべてのパフォーマンス要件を取得して組み合わせ、高度な数値手法を使用して、選択的レーザー溶解 (SLM)、溶融堆積 (FDM)、バインダー ジェッティング (MJF)、またはワイヤー アーク積層造形 (WAAM) のいずれかの設計を自動的に生成することです。
したがって、Print 3D モジュールを使用すると、デザインを生成できるだけでなく、作成した新しいデザインのパフォーマンスを仮想的に検証することもできます。
Altair の Inspire Print3D ソフトウェアによるシミュレーション [画像クレジット:Altair]
Print3D の最初のリリースでは、ユーザーは選択的レーザー溶解プロセスをシミュレートできます。この環境には高度な熱機械シミュレーションが組み込まれており、3D プリンティング中に発生する可能性のある製造上の問題 (歪み、高応力、それに関連する破断など) を評価します。設計者は、デザインを生成してサポート構造を追加し、印刷に入る前に 1 つの環境内ですべての問題を修正できます。私たちが目にしている最大の利点は、今日、顧客が AM で行っていることを見ると、通常、最適な設計を作成するために次善のアプローチを採用していることです。さらに、設計を思いついた後は、部品を確実に印刷できるようにサポート構造を設置しようとしますが、後で問題があることがわかります。これらすべての手順には、個別のソフトウェア ソリューションがあります。
Altair は、ユーザーが 1 つの単一環境内でパーツを設計および評価できるようにすることで、そのような問題をすべて排除します。今日の金属 AM に関連するコストの約 45 パーセントがサポートの除去に起因している可能性があることはよく知られています。設計ルール (制約) を効果的に使用すると、エンドユーザーはサポートが最小限またはゼロの設計を作成できます。また、ユーザーがサポート構造を作成し、熱機械シミュレーションを通じてその有効性を理解できるようにします。ここで、構築、冷却、サポートの取り外しをシミュレーションし、その後のスプリングバックとそれに伴う歪みを予測し、下流の故障を回避できます。これが Inspire Print3D の機能です。これにより、エンドユーザーは 1 つの環境で設計をアイデア出し、評価し、検証できます。このように、Altair Inspire は、エンドユーザーが軽量で高性能な設計を作成できると同時に、生産性を向上させるのに役立ちます。
AM 向けの設計、シミュレーション、トポロジ最適化ソフトウェアの現状をどのように説明しますか?
Altair は、長年にわたり、アディティブだけでなくすべての製造プロセスにおけるトポロジーの最適化とジェネレーティブ デザインのリーダーであり続けています。当社は毎日 5,000 人以上のお客様に当社の製品を使用して、最適な設計を行っています。ただし、すべてのジェネレーティブ デザイン ツールが似ているわけではありません。当社は主要な問題を解決するための最良の数値的手法を持っており、さまざまな性能基準、負荷ケースをまとめて考慮し、それらを製造上の制約と組み合わせて、その設計プロセスに非常に特化した設計を作成できる唯一の企業です。設計を推進し生成するには、性能要件と製造プロセスという 2 つのことをよく理解する必要があります。たとえば、金属鋳造を行っており、犠牲的で高価なコアを使用したくない場合、または金型キャビティからパターンを効率的に除去するためにアンダーカットのない形状を作成したい場合。軽量設計を生み出すには、適切な製造上の制約とパフォーマンスの高い製造を組み合わせる必要があります。有機的なデザインを生成できるツールはたくさんありますが、必要なのはこれだけだと思われがちです。しかし、実際には、これは単なる始まりにすぎません。製造プロセスと、特定のプロセスに最適な設計がどのようなものであるかを確実に理解する必要があるからです。製造要件を理解していなければ、最適な形状を生成するだけでは十分ではありません。ジェネレーティブ デザイン空間では、使用できる数値的アプローチが多数あります。たとえば、いくつかの設計変数を変動させて何千もの設計を生成し、「これらのさまざまな形状とサイズをすべて変更して、1000 の設計が得られ、それぞれを評価して最適なものを特定する」と言うことができます。これは、特定のコンポーネント レベルの最適化にとっては最適ではなく、時間と費用がかかる可能性があります。良い解決策が得られないかもしれません。現在、シミュレーション面では、AM は主にプロトタイピングに限定されています。しかし、Altair は、お客様が 1 回限りの部品を製造するプロセスを変革できるよう支援することに努めてきました。バインダージェッティングなどの他の方法論を検討することはできますか?サンドプリントを行ってから砂型に鋳物を流し込むハイブリッド鋳造を検討してもらえますか?あなたの能力を能力に変換するために、これらのオプションをいくつか検討していただけますか?
それが、独特の製造要件を深く理解するという私たちの探求でした。現在、当社は、最新の製造方法設計を使用して、高性能軽量部品、ツーリング、アセンブリを作成するリーダーです。
設計ソフトウェアのおかげで実現したアプリケーションのいくつかについて話すことができますか?
最も初期に採用したのは衛星企業や航空宇宙企業でした。なぜなら、これらの企業は大量の容量を持っていませんでしたが、高度に最適化された軽量の設計を必要としていたからです。私たちは、複雑な荷重が作用する EADS 用に EOS を備えた望遠鏡ブラケットとその他のブラケットを設計しました。
また、BMW、フォード、GM をはじめ、プロトタイピングの実行可能な選択肢として積層造形を模索している世界中の多数の企業を含む自動車会社とも協力しています。さらに細かく見てみると、ダイレクト 3D プリンティングだけでなく、従来の製造と積層法を組み合わせたハイブリッド製造も数多く行われていることがわかります。これが意味するのは、たとえば、鋳造用の中子や型のサンド 3D プリントです。
2つ目はプラスチック射出成形用の金型です。キャビティを形成する金型アセンブリが加圧サイクル中に分離して、除去する必要があるバリを引き起こさないことが重要です。ジェネレーティブ デザインを使用して金型全体を構造的に最適化し、負荷がかかっても完全性を維持できます。構造の最適化に加えて、急速冷却が必要な領域を包み込むコンフォーマル冷却ラインを使用して熱抽出を最適化することもできます。 このような有機構造は 3D プリンティングに最適です。これらの例では PROTIQ と協力して、サイクル時間を 9 秒から 3 秒にほぼ短縮できます。つまり、1 日に 100 万個の部品を製造している場合は、1 日に 300 万個の部品を製造できることになります。これは、射出成形プロセスの金型を最適化し、生産性を 3 倍向上できることを意味します。
また、ロボット業界とも連携しており、ロボットのアーム先端グリッパーに設計の最適化と 3D プリンティングが使用されるアプリケーションが多数あります。グリッパーは非常に早く摩耗する傾向があるため、組立ラインの中断を防ぐためにすぐに交換する必要があります。非常に大きな構造物については、最近 MX3D と協力して 3D プリントされたロボット アームを開発しました。 MX3D は 3D 印刷会社で、独自のワイヤー アークベースの技術を使用して大きな金属構造を製造しています。
Altair のソフトウェアを利用して最適化された MX3D の RobotArm [画像クレジット:Altair]
弊社のソフトウェア対応 MX3D は、印刷の制約を考慮しながらロボット アームの設計を最適化し、元の重量の半分以上を削減します。このプロジェクトでは、当社のエンジニアはジェネレーティブ デザイン カスタマイズを使用して、3D プリントされたロボット アームの最も効率的な形状を考え出しました。また、3D プリントの恩恵を受けることができる防衛用途も数多くあります。たとえば、戦闘車両の一部が破損した場合、交換部品の到着を待たずに、その部品をローカルですぐに印刷できるようにしたいと考えます。これは、図面がない可能性のあるレガシー部品の場合に特に当てはまります。当社のソリューションは医療用3Dプリンティングの分野でも活用されています。たとえば、矯正器具の会社である Andiamo は、3D プリントを使用して、よりフィット感の高い矯正器具を作成しています。装具を作成する伝統的な方法は、胴体の四肢を石膏で包み、その後切断されて手作業での製作に送られることです。 Andiamo のプロセスでは石膏型の必要性がなくなり、代わりに体のデジタル 3D スキャンから開始して、デザインを開始するための高精度のモデルを作成します。このプロセスには、お子様に完璧にフィットすることを保証するために多数のシミュレーションも含まれます。また、バインダー ジェッティングなどの 3D プリンティング プロセスへの関心も高まっています。私たちはこの分野で、Desktop Metal や ExOne などのパートナーと協力しています。私たちは Formnext でバインダー ジェッティング アプリケーションを紹介し、FDM、SLM、ハイブリッド キャスティング、バインダー ジェッティング プロセスを使用して自転車ブラケットを作成するプロセス全体を説明しました。
業界をより一般的に見て、2020 年の主要な発展は何だと思いますか?
業界は非常に速く動いています。 AM イベントに行くたびに、プリンター メーカーや材料サプライヤーの数が前年比でほぼ 2 倍になっていることがわかります。競争が激化する中、コストが削減されることを私は非常に前向きに考えていますが、これは現時点で積層造形側にとって大きな阻害要因となっています。プレイヤー数の増加はおそらく最終消費者を助けることになるでしょう。
たとえば、歯科業界を見てみましょう。これは最も成熟した方法の 1 つです。消費者が新しいクラウンを修理したい場合、歯科医は歯のスキャンを行い、そのスキャンを送信して 2 ～ 3 日で印刷できるからです。このサイクルは他の業界でも実現する必要があります。そしてそれが、2020 年も誰もがそれに向かって努力し続けることです。
3D プリントの導入をさらに加速するために、まだ克服する必要があると思われる課題はありますか?
さまざまな課題があり、それらは相互に絡み合っています。 1番はコストです。コストは明らかに部品のサイズと生産量に関係し、どのような種類の製造方法を使用するかが決まります。添加剤の中でも、たとえば、選択的レーザー溶解または金属バインダーのジェッティングを使用することをお勧めします。 2 番目の側面は認証です。部品が耐荷重部品であるか安全性が重要な部品であるかに応じて、部品をどのように認証できるのでしょうか?また、再現性のレベルはどの程度ですか?現在の課題は、コストを管理できず、再現性が低いことです。ある部品が特定のプリンタで印刷される場合、その部品が別のプリンタで別の場所で印刷された場合でも、同じ仕様を達成できますか?部品がまったく同じ動作をする確率はどのくらいですか?その結果、ミクロレベルで起こっている物理学を正確にモデル化できるかという課題が生じます。このため、ユーザーは最終部分がさまざまなプラットフォームや場所で一貫して印刷できると確信できるかどうかという疑問が生じます。業界全体の標準と材料の認定を確立するという点で、やるべきことがたくさんあります。材料サプライヤー、プリンターメーカー、ソフトウェアプロバイダーは全員が力を合わせて、軽負荷または重負荷の安全上重要な部品の許容誤差に関して一定の基準を確立する必要があります。内部気孔率および/または外部表面品質を満たすという点で。歴史を見てみると、鋳造、鍛造、板金のいずれであっても、長年にわたり、たとえば米国鋳物協会など、すべてに関連する協会が存在します。全員を集めて標準を作成することに専念している組織がたくさんあります。現在、AM 市場はあらゆる分野で爆発的に成長していますが、最終的には、すべての市場が協力して標準を作成し、各業界関係者が同じ認識を持っていることを確認する必要があります。
最後に、Altair にとって今後 1 年はどのような年になるでしょうか?
私たちはユーザー向けにさらに多くのシミュレーション ソリューションを開発し続けます。積層造形プロセスに関しては、テクノロジー ユーザーがプロセスを検証し、それに伴う不確実性を理解できるように支援するソリューションの開発を継続します。最終的に、私たちは 3 つの主要な柱に焦点を当てています。パフォーマンスを理解すること、2 つのことを組み合わせてデザインを作成することです。パフォーマンスや製造プロセスそのもの。これらはすべて連携して行う必要があり、当社はお客様が性能と製造プロセスを可能な限り正確に検証して設計を推進できるよう支援するという使命を継続していきます。私たちは今後も物理学と高性能コンピューティングおよびデータを組み合わせていきます。物理学を理解することで解決できる問題もあれば、機械学習を使用して解決する必要がある問題もあるため、それらをすべてまとめなければなりません。私たちは、お客様がより良い意思決定をし、より良い製品のパフォーマンスを出せるよう支援することを最終目標として、開発中のテクノロジーをすべて組み合わせて、お客様の効率と収益性を高めるよう努めていきます。
3Dプリント