影響力は年々拡大している。第3回「天宮杯」は中国の積層造形構造最適化の潮流をリードする

2019年10月18日、第3回「天宮杯」構造最適化設計フォーラムおよび付加製造競技全国決勝戦が北京で成功裏に開催されました。協力メディアとして、Antarctic Bearは第1回、第2回、そして今回の第3回と現地で取材とサポートを行っており、「天宮カップ」が業界に与える影響力が年々高まっていることを実感しています。構造最適化設計フォーラムは実用的な内容に満ち、非常に先進的であり、参加チーム数（登録チーム135チーム）と競技の質は過去最高に達しました。

△動画：第3回「天宮杯」現地ハイライト

構造最適化設計フォーラムに専門家が集まり、最先端かつ革新的な講演が行われた

△今回の構造最適化設計フォーラムは、国内大手の金属3Dプリントメーカーである新景河の李光勝ゼネラルマネージャーが主催し、コンテストの主な状況も紹介されました。

△第三航空宇宙学院第三部副部長兼主任エンジニアの劉鵬氏が会議で講演した。

劉鵬氏は、「中国科学院第三科学院第三部は我が国の航空技術のリーダーです。設立以来、何よりも国益を中核価値とし、科学技術で軍事を強化し、航空宇宙で国家に奉仕するという神聖な使命を担い、開拓と革新の発展戦略を堅持し、専門能力の進歩と向上を力強く推進し、自らの専門分野と業界の深い融合を深く推進し、技術革新の高地で互恵とウィンウィンの結果を達成し、航空製品の革新とアップグレードを継続的に推進してきました。中国科学院第三科学院は、積層造形アプリケーションのモデル数と出力値の点で、基本的に航空宇宙産業全体の最前線に立っています。構造最適化は、先進的な航空機構造の軽量設計を実現するための最も効果的で効率的な手段です。」と述べました。
高度な革新的な構造形態には、高度な構造最適化技術のサポートが必要であり、さらに重要なことに、高度なエコロジカル製造技術の支援が必要です。デザイナーによる一連の革新的な仕事により、新しい方法、新しい構造、新しいプロセスがもたらされました。これらの知恵の火花は、より明るく輝くために衝突する必要があります。今回、第三学院と第三航空宇宙学部は関係大学や企業と共同で第3回天宮杯構造最適化設計フォーラムと付加製造競技会を開催しました。その目的は、イノベーションを奨励するエコロジカルな環境を育み、膨大な数の構造最適化設計と製造の人材にインスピレーションを喚起し、知恵を啓蒙し、能力を発揮し、技術を交換するためのプラットフォームを提供することです。これは革新的な技術の応用と統合を促進するために非常に重要です。 ”

機器構造開発における3Dプリント技術の応用

△李飛第二航空学院第二部

第二航空宇宙科学技術院第二部の李飛氏は、「機器構造開発における3Dプリント技術の応用」と題する講演を行った。彼は、航空宇宙製品の特性と発展方向から始めて、第二学院第二部の現在の製品開発作業における3Dプリント技術の応用の基本状況を簡単に紹介し、将来の発展方向を考慮して、3Dプリント技術の発展に対する応用要件を提示しました。

李飛氏は演説で、新世代の航空宇宙製品の性能向上により、構造システムの軽量化に対する要求が高まり、構造全体の比強度と比剛性の向上が求められていること、小型化と統合化の発展方向により、複雑な構造の統合設計と製造が緊急に求められていること、多機能性とインテリジェント化により構造機能の統合が必要であることに言及した。 3D プリント技術の助けを借りれば、これらの要件を満たすことができるだけでなく、開発および生産サイクルも大幅に短縮できます。

マルチマテリアル構造のトポロジカル最適化設計——プロセス制約、界面強度および不確実性

△大連理工大学康占教授

大連理工大学の康璜教授は、「マルチマテリアル構造のトポロジー最適化設計 - プロセス制約、インターフェース強度および不確実性」と題する講演を行い、マルチマテリアル構造のトポロジー最適化設計の概念と方法、マルチスケール同時トポロジー最適化およびメタマテリアル設計、マルチマテリアルおよびマルチコンポーネント構造のトポロジー最適化モデル、マルチマテリアルインターフェース不確実性下での堅牢なトポロジー最適化、およびマルチユニット材料と構造の統合設計、製造プロセスによって制約されるトポロジー最適化について話しました。

カン・ジャン教授は、「先進的な材料（高強度合金、複合材料、多孔質材料、格子材料など）、プロセス（摩擦攪拌接合、金属発泡、積層造形、熱成形）、設計（微細解析、多機能統合、統合設計、展開構造、構造最適化）技術を活用することで、従来と同等以上の構造性能を軽量化しながら実現し、軽量構造を実現できる。マルチマテリアル構造は設計空間を広げ、構造に複数の機能を持たせることで、構造と特定機能の統合を実現できる。積層造形は、マルチマテリアル構造を実現するための潜在的な製造技術を提供する」と述べた。

バイオニックバリアント航空機の構造最適化設計

△西北工科大学助教授張亜輝

西北工業大学の張亜輝助教授は「航空機のバイオニックバリアント構造の最適化設計」と題する講演を行い、インテリジェント化、統合化、軽量化を実現した航空宇宙構造の開発ニーズについて語った。インテリジェント材料と構造最適化技術を組み合わせることで、材料、構造、駆動の合理的なマッチングの問題を解決し、剛性と柔軟性を備えた航空機のバイオニックバリアント構造の最適化設計を実現した。

張亜輝氏は、多数の格子構造を使用し、駆動構造で格子構造を駆動し、複数の格子機構を重ね合わせることで、翼全体を変形させることができると述べた。この格子構造の製造は、3D プリント技術を使用することでのみ実現できます。私の研究グループでは、スマート材料の 3D プリントに取り組んでいます。たとえば、3Dプリントされた形状記憶合金は、大型部品の場合、非常に優れた変形効果を発揮しますが、小さな格子微細構造にすると、形状記憶効果と超弾性が失われます。この分野に興味のある方とコミュニケーションを取りたいと思っています。

継続的な改善 - 積層造形の品質を向上させる方法

△ 新京河の最高戦略責任者、葉麗源氏

Xinjinghe 最高戦略責任者の Ye Liyuan 氏は、「継続的な改善 - 付加製造品質の向上への道」と題する講演を行いました。葉麗源氏は、金属材料の積層造形プロセスの一般的な欠陥を分析し、設計、プロセス、設備を最適化し、積層造形製品の品質を向上させ、性能要件を満たし、積層造形技術の将来の発展動向を簡単に分析しました。

葉麗源氏は、設計コストは製品コストの5％に過ぎないが、設計者は製品コストとプロセスの70％に影響を与えるため、継続的な改善は研究開発と設計から始めるべきであると指摘した。積層造形の価値体系は、最適化された設計製品を実現することにある。積層造形製品の品質を向上させるには、製品設計、プロセス設計、材料、設備の研究開発担当者の緊密な協力が必要である。軍事製品の設計図の標準を変更する必要があり、各レベルのリーダーはそれに注意を払う必要がある。積層造形技術は急速に発展しており、プロセス設備も急速に改善されている。ユーザー、サービスプロバイダー、設備メーカーが緊密に協力し、輸入設備への依存を真に打破することを期待している。

△南極熊が現地で見た新京河金属の3Dプリント部品

シミュレーションは積層造形設計に役立つ

△AUSTAIエンジニアリングソフトウェア株式会社プロダクトマネージャーのXu Chengbin氏が「シミュレーションが付加製造設計を支援する」と題する講演を行いました。トポロジー最適化、ラティス設計検証、印刷プロセスシミュレーションなどの Altair シミュレーションツールを使用して積層造形を設計する方法。

第3回「天宮杯」構造最適化積層造形コンテスト全国決勝

△エントリー：3Dプリントヒンジアーム構造

△審査員16名、決勝進出チーム18チーム

午後には18チームがトポロジー最適化決勝に参加し、トポロジー最適化設計後に3Dプリントされた樹脂構造モデルがどの程度の負荷に耐えられるかを現場で競いました。合計16人の専門家が審査員として現場に到着した。

△参加者がチームの構造最適化設計レポートについて話す

南極熊は現場で、ある機構のヒンジアームが4本の連結ネジを介してベースに固定されているのを確認しました。カンチレバーは集中荷重を受け、その力はヒンジアームを介してベース構造に伝達されます。構造と力の伝達経路を最適化することで、荷重をより効率的に伝達し、構造の重量を軽減できます。材料の量は制限されており（40 mL 以下）、構造は耐荷重能力を最大化するように最適化されています。ヒンジアームの3Dプリント構造は、4本のHB1-202 M6x14ネジと4本のHB1-521 6x10x0.8平ワッシャーを介して固定固定具に接続されています。カンチレバーは、Φ6.5貫通穴を介して荷重固定ピンに接続され、構造が破壊されるまで垂直上向きの荷重方向で荷重テストが実行されます。最後に、最大荷重データに基づいてランク付けされます。

「天宮杯」決勝戦優勝者

△優勝チーム

現地での激しい競争と評価を経て、最終結果は Antarctic Bear の想像を超えるものとなりました。

RMIT大学革新構造材料センター（CISM）のYan Xin氏のチームと北京Youtuo Additive Technology Co., Ltd.のMa Shengli氏のチームは、ともに1900Nを超える荷重結果を達成し、コンテストで最優秀賞を受賞しました。
航空産業第一航空機設計研究所の張翠娥氏のチームと大連理工大学の李昊氏のチームは、ともに1800Nを超える荷重結果を達成し、コンテストで2位を獲得した。
航空産業第一航空機設計研究所のダン・プニチーム、中国航空工業研究所付加製造技術イノベーションセンターのウー・ドンドンチーム、貴州航空宇宙豊華精密機器有限公司のイェ・ジャンゴチーム、中国航空工業研究所第三学院第三部のイー・シンナンチームは、いずれも1200Nを超える荷重結果を達成し、コンテストで3位を獲得した。
中国航空工業集団第一航空機設計研究所の趙秀鋒チーム、中国航空宇宙科学産業集団第三科学院第三部の李乃田チーム、中国北方工業集団湖南雲建有限公司/安世中独コンサルティング（北京）有限公司の崔暁東チームが、このコンテストの優秀創造力賞を受賞しました。

△南極熊が第3回「天宮杯」優勝チーム代表にインタビュー

最優秀賞を受賞したRMIT革新的構造・材料センターCISMチームの代表ヤン・シン氏は、インタビューでアンタークティック・ベアに次のように語った。「このコンテストで最優秀賞を獲得できたことを非常にうれしく思っています。実際、他のチームも非常に良い成績を収めています。私たちは謝一敏院士が率いる研究チームで、自社開発のAmebaソフトウェアを使用しています。これは、設計者向けの専門的なトポロジー最適化設計ツールです。私たちは独自の「双方向進化構造最適化法（BESO）」に基づいてトポロジー最適化ツールを開発しました。解決すると、設計領域はアメーバのようにさまざまな形状に進化し、最終的に合理的な力の伝達とバイオニック形状が得られます。」

「天宮カップ」 - 中国における積層造形構造最適化のためのコミュニケーションプラットフォーム

この「天宮杯」の主催者は中国航天科技集団公司であり、主催団体には中国航天科技集団第三研究院、中国航天科技集団第三研究院第三総設計部、中国航天科技集団第三研究院第301研究所、国際シミュレーションおよび多分野設計最適化協会（ASMDO）、中国航天科技集団付加製造技術イノベーションセンター、新京河レーザー技術開発（北京）有限公司、ファルコンテックラピッドマニュファクチャリングテクノロジー株式会社が含まれ、共催者はAutairエンジニアリングソフトウェア（上海）有限公司です。これらはすべて、積層造形構造最適化に関わる国内関連部門であり、この分野において一定の専門的蓄積と応用を持っています。

△南極熊は、第3回「天宮杯」の主催者の1つであるファルコンラピッドマニュファクチャリングテクノロジー株式会社のゼネラルマネージャーである于海氏にインタビューしました。

△ FalconTechがプリントした構造最適化金属部品

イベント当日、Antarctic BearはFalconHealthのゼネラルマネージャーであるYu Hai氏にインタビューしました。于海氏は南極熊に次のように語った。「ファルコンテックは中国の金属3Dプリント分野のベテランメーカーです。金属粉末の準備から金属3Dプリントのプロセス、金属3Dプリントの耐空認証までの完全なチェーンを持ち、構造最適化設計における独自の応用蓄積を持っています。なぜこの天宮カップの開催に参加するのですか？私たちは市場の拡大に参加し、顧客、同業者、設計者がこの業界で良い仕事をするように導く責任と義務があります。このようなイベントを主催することで、業界の構造設計トポロジーの最適化能力を高め、より多くの優れた設計チームと人員を拡大・育成し、我が国の積層造形の開発と応用を促進することができます。特に複雑な構造の部品の加工において、3Dプリントは大きな利点を持っています。設計端の変更を通じて、部品全体の機械的特性を向上させ、重量を軽減し、最高の総合コストパフォーマンスを実現できます。」

会議後、第三航空学院第三部の副部長兼主任設計者の劉鵬氏は「我が国の航空技術のリーダーとして、第三航空学院第三部は誰もが交流できるこのようなプラットフォームを構築する責任がある。天宮カップを通じて、我が国の生産、学習、研究、応用のチェーン全体を完全に交流し、接続することができる。需要側から設計、シミュレーション検証、加工、製造まで、業界全体で交流を行う。中国の3Dプリント産業の発展を促進し、促進したいと願うとともに、このプラットフォームが将来、専門家、学者、研究者の助けとなるキャリアになることも願っている」と述べた。

南極熊は第1回から3年連続で「天宮カップ」をフォローしており、それが積層造形構造最適化の分野で一歩一歩最も影響力のある業界コンテストになっていくのを目の当たりにしてきました。「天宮杯」が中国の付加製造産業に貢献し、これからも「自然の作品」を生み出し続けてくれることを願っています。