アルテアのラビ・クンジュ氏が語る：3Dプリント向け高度シミュレーションソフトウェア

よりシンプルで高速な設計準備ワークフローの実現は、3Dプリント業界での継続的な探求課題だ。積層造形向け設計（DfAM）は独自の課題と機会を持つ複雑なプロセスだ。

そのため、エンジニアがAMの設計自由度を最大限に活かせるよう、適切なツールが必要だ。アルテアはそのようなソリューションを開発する企業の一つだ。アルテアは製品開発、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ある。

今週のエキスパートインタビューでは、アルテア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・戦略、ラビ・クンジュ氏に話を聞いた。最近リリースされた「Altair Inspire Print3D」ソフトウェアツール、3Dプリント向けシミュレーションソフトウェアの現状、アルテアソリューションが可能にするエキサイティングなAMアプリケーションについて探る。

アルテアと、解決しようとしている課題について教えてください。

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、データ分析の領域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だ。

30年以上のビジネスで貫いてきたビジョンは、シミュレーション技術、データ分析ソリューション、業界トップクラスの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だ。

私はアルテアのシミュレーション駆動設計製品を担当している。

最近「Altair Inspire Print3D」をリリースされたが、提供しているソフトウェアソリューションの違いを説明してください。

Altair Inspire Print3Dは我々が提供する多くのソリューションの一つだ。アルテアは長年、最適化の領域でリーダーだ。顧客は板金成形、鋳造、押出、射出成形などあらゆる製造方法向けの設計作成に、また性能要件の理解と特定製造プロセス向けの生成設計に、我々の最適化技術を使っている。この文脈で重要なのは、スペクトラムの両端を理解することだ。一つは「何が設計を駆動するか」、もう一つは「設計ができたら製造で何が起きるか」。これらが我々のプラットフォームで一つになる。Inspireプラットフォームで行ったことの一つは、シミュレーション駆動設計プロセスをアップフロント（上流）に持ってきて、設計者が製造プロセスを完全に認識しながら設計を理解・駆動できるよう、非常に簡単にしたことだ。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、それら全てをプラットフォーム上の単一環境に統合した。

Inspire Print3Dは二つのことに焦点を当てている。一つは、Inspireプラットフォーム上で、特定の製造ルール（制約）を用いて、あらゆるAMプロセス向けの設計を生成できること。二つ目は、全性能要件を組み合わせ、高度な数値手法を用いて、選択的レーザー溶融（SLM）、溶解堆積法（FDM）、バインダージェッティング（MJF）、ワイヤーアーク積層造形（WAAM）向けの設計を自動生成することだ。

Print3Dモジュールでは、設計生成だけでなく、作成した新設計の性能をバーチャルに検証することもできる。

画像提供：アルテア Inspire Print3Dソフトウェアによるシミュレーション

Print3Dの初回リリースでは、選択的レーザー溶融プロセスのシミュレーションが可能だ。高度な熱機械シミュレーションがこの環境に組み込まれており、歪み、高応力、それに伴う破損など、3Dプリント中に生じうる製造上の問題を評価できる。設計者は設計を生成し、サポート構造を追加し、全ての問題をプリント前に単一環境内で修正できる。現在、顧客がAMで行っていることを見ると、最適な設計を作るためのサブオプティマルなアプローチを取っていることが多い。さらに設計ができたらサポート構造を入れてプリント可能にし、後で問題に気づく。これら全てのステップで別々のソフトウェアソリューションを使っている。

アルテアは、単一環境で設計と評価を可能にすることで、それら全てを排除する。金属AMのコストの約45%がサポート除去に起因することはよく知られている。我々の設計ルール（制約）を効果的に使えば、最小限またはゼロサポートの設計を作れる。またサポート構造を作成し、熱機械シミュレーションでその効果を理解できる。ビルド、冷却、サポート除去をシミュレートし、その後のスプリングバックと歪みを予測し、下流の失敗を回避できる。これがInspire Print3Dの役割だ：アイデア出し、評価、検証を単一環境で完結させる。アルテアInspireは、エンドユーザーが軽量・高性能設計を創造しつつ、生産性も向上させるのを支援する。

AM向け設計、シミュレーション、トポロジー最適化ソフトウェアの現状をどう見るか？

アルテアはトポロジー最適化と生成設計で長年リーダーだ。AMだけでなく全製造プロセスで。5,000社以上の顧客が日々、我々の製品を使って最適設計を作っている。だが全ての生成設計ツールが同じではない。我々は主要問題を解く最高の数値手法を持ち、異なる性能基準・荷重ケースを製造制約と組み合わせ、その設計プロセスに極めて特化した設計を生成できる唯一の存在だ。設計を駆動・生成するには二つのことをよく理解する必要がある：性能要件と製造プロセス。例えば金属鋳造で、犠牲になる高コストなコアを避けたい、あるいはダイキャビティからパターンを効率よく抜くためアンダーカットなしの形状が欲しい場合、適切な製造制約を性能要件と組み合わせ、軽量設計を生成しなければならない。有機的な形状を生成するツールはたくさんあり、それが全てだと思われがちだ。だが実際は始まりに過ぎない。製造プロセスと、与えられたプロセスにとっての最適設計が何かを理解しなければならない。生成設計空間には多くの数値アプローチがある。設計変数を摂動させ数千の設計を生成し、「これら異なる形状・サイズを変化させ千の設計を得て、各々を評価し、最良のものを特定する」というアプローチもある。これはコンポーネントレベル最適化ではサブオプティマルで、時間とコストがかかる。良い解が得られない可能性がある。シミュレーション側では、AMは長らく試作に留まっていた。だがアルテアは、顧客がワンオフ部品を超えてプロセスを変革できるよう支援してきた。バインダージェッティングのような他手法を探索できるか？ ハイブリッド鋳造（砂型プリントして鋳込み）を探索できるか？ こうした選択肢を探り、能力をキャパシティへ転換できないか？ それが我々の探求であり、独自の製造要件を深く理解することだ。今日、我々は高性能軽量部品、工具、アセンブリの創造において、最新の製造向け設計手法を用いたリーダーだ。

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例を教えてください。

初期採用者は衛星・航空宇宙企業だ。大量生産ではないが、高度に最適化された軽量設計が必要だった。EOSと共にEADS向けに望遠鏡ブラケット等を設計し、複雑な荷重が絡んだ。

自動車企業とも協業している。BMW、フォード、GMなど世界中の多数の企業が、試作向けにAMを実行可能なオプションとして探索している。細かく見れば、直接3Dプリントだけでなく、従来製造と積層造形を組み合わせたハイブリッド製造も豊富だ。例えば砂3Dプリントによるコア・金型製造で鋳造するケース。

二つ目はプラスチック射出成形用金型だ。キャビティを形成する金型アセンブリが加圧サイクルで分離せず、フラッシュ（バリ）を生まないことが重要だ。金型全体を生成設計で構造最適化し、荷重下での一体性を維持できる。構造最適化に加え、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で放熱最適化も可能。こうした有機構造は3Dプリントに最適だ。PROTIQとこうした例で協業し、サイクルタイムを9秒から3秒へ短縮した。一日100万個作っていたなら、300万個作れる。射出成形金型を最適化することで生産性を3倍にできる。

ロボティクス業界とも協業し、設計最適化と3Dプリントでロボットエンドオブアームグリッパーを製作。グリッパーはすぐに摩耗するため、ライン停止を防ぐため即座に交換が必要だ。極大構造物では、最近MX3Dと協業し3Dプリントロボットアームを実現。MX3Dは独自のワイヤーアークベース技術で大型金属構造物を生産する3Dプリント企業だ。

MX3Dのロボットアーム、アルテアソフトウェアで最適化。画像提供：アルテア

我々のソフトウェアでMX3Dはロボットアーム設計を最適化し、プリント制約を考慮しながら元の重量の半分以上を削減した。このプロジェクトでは、生成設計カスタマイズを用いて、3Dプリントロボットアームの最も効率的な形状を導き出した。防衛用途でも3Dプリントが恩恵をもたらす。戦闘車両の部品が壊れた時、その場ですぐプリントして交換したい。図面がないレガシーパーツでは特にそうだ。医療3Dプリント分野でもソリューションが使われている。例：アンドゥアモ（Andiamo）という装具会社が、よりフィットする装具デバイス作成に3Dプリントを活用。従来は四肢や躯幹を石膏で包み、切り取って手作業で製作していた。アンドゥアモのプロセスは石膏不要で、身体のデジタル3Dスキャンから始まり、設計の出発点となる高精度モデルを得る。完璧なフィットを保証するため多数のシミュレーションも行う。バインダージェッティングのような3Dプリントプロセスへの関心も高まっている。デスクトップ・メタル、ExOneなどパートナーとこの分野で協業。フォームネクストでバインダージェッティング応用を発表し、自転車ブラケットをFDM、SLM、ハイブリッド鋳造、バインダージェッティングの各プロセスで作る全工程を歩いた。

業界全体を見て、2020年の主要な発展として何を見ているか？

業界は非常に速く動いている。AMイベントに行くたびに、プリンターメーカーと材料サプライヤーの数がほぼ毎年倍増しているのがわかる。競争激化によりコスト低下が進むと非常にポジティブに見ている。コストは現在AM側の大きな阻害要因だ。プレイヤー増加がエンドユーザーの利益になるだろう。

歯科業界を見よ。最も成熟した分野の一つだ。消費者が新しいクラウンを欲しければ、歯科医が歯をスキャンし、2〜3日でプリントして装着できる。このサイクルを他業界でも達成すべきだ。それが2020年に皆が目指すことだ。

3Dプリントの更なる普及加速のために、まだ克服すべき課題はあるか？

相互に絡み合った複数の課題がある。第一はコスト。コストは部品サイズと生産量に関わり、どの製造手法を使うかを決める。AM内でも、選択的レーザー溶融か金属バインダージェッティングかの選択がある。第二は認証。荷重を負う部品や安全クリティカルな部品をどう認証するか？ 反復精度のレベルは？ 今日、コストを制御できず、反復精度も低いという課題がある。特定プリンターでプリントした部品を、別のプリンター、別の場所でプリントしても同じ仕様を達成できるか？ 完全に同じ振る舞いをする確率は？ これがミクロレベルで起きている物理を正確にモデリングできるかという課題を提起する。ユーザーが、異なるプラットフォーム・場所で最終部品を一貫してプリントできるか確信できるか？ 業界全体の標準確立と材料適格性評価において、やるべき仕事が山ほどある。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──全員が集まり、軽荷重・重荷重安全クリティカル部品の許容公差、内部気孔・外部表面品質の許容基準など、何が許容されるかという標準を作らなければならない。歴史を見れば、鋳造、鍛造、板金などは長年、アメリカ鋳造協会のような団体を持ってきた。皆を集め標準を作る専門組織が多数ある。今日、AM市場は全領域で爆発的に拡大しているが、最終的に全てが集まり、集団的に標準を作り、全業界プレイヤーが同じページに立つ必要がある。

最後に、アルテアにとって来年はどうなるか？

ユーザー向けに更なるシミュレーションソリューションを開発し続ける。積層造形プロセスについては、プロセス検証と不確実性理解を支援するソリューション開発を継続する。究極的に三つの柱に注力する：性能理解、設計創造（性能と製造プロセスの二つを組み合わせる）。これらは手を携えて進まなければならず、顧客が性能と製造プロセスを可能な限り正確に検証し、設計を駆動できるよう使命を続ける。物理とハイパフォーマンスコンピューティングとデータを組み合わせ続ける。全てを統合しなければならない。物理理解で解ける問題もあれば、機械学習で解かなければならない問題もある。開発中の全技術を統合し、顧客にとってより効率的で収益性の高いものにし、より良い意思決定とより高性能な製品作りを支援するという最終目標に向かって努め続ける。