暗黙的モデリング技術が積層造形の無限の可能性を解き放つ

ブレイク・ペレス
出典: SAE Automotive Engineering Magazine

DfAM は、新しい「現場」ベースの設計ソフトウェアとして、製品開発サイクルを短縮し、やり直しのコストとリスクを削減できるため、「付加製造」プロセスの適用を促進するのに役立ちます。

反復は多くの場合イノベーションにつながりますが、反復を拒否すると新しい知識を獲得するリスクを回避できます。ただし、そうすると、最終的には、変更やイノベーションを望んでいても、その機会がなくなることになります。しかし、反復のコストがかなり高いことには言及する価値があります。

真のイノベーションとは、ある瞬間にひらめくようなひらめき以上のものです。多くのデザインやイノベーションのモデルや手法が示すように、最初のアイデアやデザインを揺るぎなく繰り返し改善していくことが必要です。たとえば、ダイソンの掃除機の優れた性能は誰もが知っているかもしれませんが、ダイソン初の袋不要掃除機が実際に発売されるまでに 5,000 回以上の改良とテストが行われたことを知っている人は多くありません。アメリカの長年有名な F-15 イーグル戦闘機もオリジナルの設計に基づいており、より強力な B、C、D、E 戦闘機へと継続的に改良されてきました。反復は多くの場合イノベーションにつながりますが、反復を拒否すると新しい知識を獲得するリスクを回避できます。ただし、そうすると、最終的には、変更やイノベーションを望んでいても、その機会がなくなることになります。

実際には、エンジニアリング設計プロセスにおける反復は困難でコストがかかる可能性があります。設計の修正には必ず最低でも数時間の再作業が必要となり、幾何学的寸法によるモデリングエラーも意味のない再作業を何度も繰り返す原因となります。このため、製品開発における反復プロセスの重要性を誰もが十分に理解しているにもかかわらず、この「トラブル」に対する本能的な抵抗が依然として存在します。

付加製造の場合も例外ではありません。実際、ファイルのコンパイル、構成のコンパイル、モデルの階層化の手順があるため、積層造形向け設計 (DfAM) では、設計を変更するときにより多くのやり直しが必要になります。多くの場合、DfAM はエンジニアリング設計の後の段階で「後付け」として適用されます。この段階では、設計者は通常、独立した機能を追加したり、主要部品のサイズを少し大きくしたり（主要寸法が処理プロセスによって影響を受けないようにするため）など、コンポーネント設計にいくつかの小さな変更を加えるだけです。デザイナーは、付加設計の可能性を最大限に活用するために、他の変更を加えることもできます。残念ながら、これらの変更を実装するには、多くのサポート機能や関連機能も同時に作り直す必要があります。これによって必然的に追加の時間と費用が発生することは想像に難くありません。

一般的な付加設計では、設計者はまず CAD ソフトウェアツールを使用して設計コンセプトを表現し、それを段階的に製造と印刷をサポートできるファイルに変換する必要があります。当然のことながら、設計者がコンポーネントの設計や幾何学的寸法を調整するために CAD 段階に戻る必要がある場合、後続のすべての手順を再度完了する必要があり、多大な作業が発生します。元の CAD 段階に戻らなくても、後続のリンクを変更すると、他のリンクの再作業が必要になります。

しかし、ソフトウェア業界における最近の動向により、状況は変わるかもしれません。現在、ソフトウェア業界では、暗黙のモデリングに基づく開発フレームワークが導入されており、設計ファイルが変更された後に自動的にコンパイルおよび再構築し、複数のエンジニアリング知識ソースを単一のデータプラットフォームに集中させ、複数のファイルタイプを統合して、プロセス全体をより俊敏にすることができます。この開発フレームワークは、従来の反復と革新に対する主要な障壁を取り除き、DfAM を製品の設計および製造プロセスにシームレスに統合します。

一般的な付加設計ワークフロー (上記の表を参照) では、いずれかのステップを変更する場合は、他のステップの変更コストを考慮する必要があります。

暗黙的なプラットフォームワークフロー (上記の表を参照) を使用すると、複数の機能知識ソースを 1 つのデータプラットフォームにまとめ、複数のファイルタイプを統合できます。

距離フィールド以上のもの<br /> 次に、設計者が軽量の付加製造ブレーキペダルを設計する方法を見て、この例を使用して暗黙的なモデリング開発フレームワークでの DfAM ワークフローに慣れていきましょう。

まず、ペダルのおおよその形状を決定する必要があります。このコンポーネントの重量を軽減するために、この開発フレームワークのラティスツールを使用して、さまざまなラティス構造を徹底的に試します。次に、設計者はコンポーネントの硬度要件に基づいて各格子タイプを厚くし、元のモデルに重ね合わせます。

積層造形された格子構造に共通する問題は、格子と被覆面が簡単に剥がれてしまうことです。これを実現するには、ラティスをサーフェスにスムーズにブレンドするための一連のルールを作成します (手順 3)。現在、暗黙的なモデリング開発フレームワークの距離フィールドにより、設計者は従来のツール時代のようにモデル内の各エッジを 1 つずつ手動で選択する必要なく、この変更をグローバルに簡単に適用できます。ジオメトリを変更するには、これらの面倒な作業を何時間も繰り返し行う必要があります。

次に、私たちのチームは、各格子の厚さをメインの取り付けポイントからの距離に応じて変化させることを決定しました。したがって、内部領域に厚さが可変の格子構造を追加します。特定の厚さは、平面から放射される暗黙のフィールドによって決定されます (赤線部分)。こうすることで、主要取り付けポイント付近の十分な剛性を確保できます。この領域は将来的に最も大きなストレスを受けると考えられるためです。このステップでは、距離フィールドを使用してこのルールを確立することができ、前のステップで指定した格子とカバレッジサーフェス間のルールを再生成することもできます。

暗黙的なモデリング開発フレームワークでは、フィールドツールを最大限に活用して、距離フィールドを通じて幾何学的構造を構築するだけでなく、応力、熱、流体シミュレーションデータなどのさまざまなフィールド (データ) の助けを借りて格子のメソスコピック構造を構築することもできます。実際、任意のタイプのデータを使用して、必要なジオメトリを構築できます。ブレーキペダルの設計例では、エンジニアが提供したフォンミーゼス応力データを使用して格子の厚さを補正することにしました。

具体的には、応力値が高い箇所の格子厚を厚くすることで十分な強度を確保します。前述のように、暗黙的モデリング開発アーキテクチャでは、フィールドはさまざまなコンポーネントデータを表現するための「基本言語」です。フィールドという概念があるからこそ、さまざまなデータを自由に使用して、目的の幾何学的構造を構築できるのです。

この時点で、ブレーキペダルの形状は準備されており、これを AM モデルに変換するために残っているのは、輪郭スライスを作成することだけです。同様に、この距離フィールドベースの開発フレームワークのおかげで、設計者は付加的なツールパスやスキャンスタイルを自由に生成および指定し、STL ファイルを生成する中間プロセスをスキップして、処理に使用できるファイルを直接エクスポートできます。

一般的に、設計がこの段階に達すると、変更を行うとファイルのコンパイル、構成のコンパイル、モデルの階層化などの一連のやり直しが必要になるため、設計者が元のモデルを変更することは困難です。しかし、暗黙的なモデリングには同様の問題はありません。設計を変更しても、以前に設定されたルールは有効なままです。これは理解するのが難しくありません。次のようなシナリオがあるとします。エンジニアリングチームは一連のシミュレーションデータを取得し、このデータを使用して既存の設計を最適化したいと考えています。

従来のツールの時代では、格子の種類や形状の変更は 2 番目のステップから実行する必要があり、時間とコストの面で非常に面倒で簡単ではありませんでした。現在、暗黙的なモデリング開発フレームワークにより、設計者は格子タイプやジオメトリを効率的に変更できるだけでなく、後続の手順を気にすることなく、以前に確立されたルールを自動的に適用することもできます。たとえば、変更されたモデルでは、設計者が追加の作業を行うことなく、以前に確立された厚さと混合のルールを自動的に採用できます。実際、これが暗黙的なデータ構造開発設計の利点であり、高速、堅牢、安全な再構築を保証します。前述のように、設計者が変更を完了すると、ツールは自動的に以前のルールに従い、以前のワークフローに従って段階的にファイルを生成し、最終的に製造に必要な輪郭スライスを生成します。

上記では、積層造形部品の設計や変更のプロセスを詳しく説明しましたが、このアーキテクチャでは、設計者はいつでも中断した場所に戻って変更を加えることができるため、非常に柔軟で便利であることもわかりました。

この新しい合理化されたエンジニアリング設計プロセスは、主に暗黙のモデリング技術によるもので、設計者は再構築の作業負荷や安定性を気にすることなく、いつでも任意のステップに戻って修正を加え、構造角度を設定し、最終的に処理に直接使用できるスライスファイルをエクスポートできます。これにより、デザイナーの時間が節約されるだけでなく、デザインの修正や反復の障壁も取り除かれます。

ダイソン氏は、素晴らしい革新的な製品を世に送り出すために、合計15年の歳月を費やし、5,127回の改良を成し遂げました。現在、現場ベースの設計ソフトウェアはより効率的で学習が速く、設計の反復速度は飛躍的に向上しています。かつては完了までに 15 年かかっていた作業が、今ではわずか数日で完了することもあります。暗黙的なエンジニアリングワークフローは、積層造形された部品を安全に再構築できるだけでなく、多次元での初期設計探索を強力にサポートし、積層造形プロセスの広範な適用を促進し、将来の製品製造方法の変化を促進します。

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