付加製造：シミュレーションの最前線に関する質問と回答

出典：中潤漢泰

3D プリント技術は、エンジニアリングと生産の両方に革命をもたらすと期待されています。付加製造は、デジタル設計を物理的な製品に素早く変換できるため、製品開発における大量カスタマイズと迅速な対応を可能にします。しかし、材料費が高額なため、製品開発者は毎回成功し、最適な設計ソリューションを完成させる必要があります。
Q: 付加製造とは具体的に何ですか?また、なぜ業界はこれにそれほど関心を持っているのでしょうか?
A: 積層造形とは、層ごとに積み重ねて立体的な部品を製造する技術です。この技術は、他の製造プロセスで使用されるプロセスとは逆に、材料の層を次々に追加していくことからその名前が付けられています。デジタル設計を機械に送信し、製品を迅速に製造できるため、3D プリンティングと呼ばれています。

付加製造は当初、ラピッドプロトタイピングに使用されていましたが、従来のプロセスに比べて多くの利点があるため、新しい生産形態として広く普及しています。明らかに、企業がデジタルファイルを迅速に完成品に変換するのに役立ちます。ただし、非常に複雑な形状や、特定の顧客要件を満たす「ワンオフ」デザインも作成できます。同時に、顧客は希望する性能特性を実現するために、高度にカスタマイズされた材料ブレンドを開発することもできます。

Q: 現在、金属積層造形の応用はどの程度普及していますか?将来の可能性はどれほど大きいのでしょうか?
A: 現在、金属積層造形を最初に導入する企業は、航空宇宙企業など、過酷な作業条件に耐える必要のある非常に複雑な部品を扱っている企業が多いです。付加製造には、非常に高価な新しい生産設備の購入が必要となるため、参入障壁が高くなります。制作スタッフは新たな専門知識を習得する必要があります。さらに、金属粉末やその他の 3D プリント材料のコストが高いため、生産の失敗は大きなリスクをもたらします。

そのため、航空宇宙産業などの業界が金属積層造形で先頭に立っており、この技術から得られる利点を考えると、上記の課題を克服する価値が十分にあります。

Q: 高いコストとリスクに対処する上で、エンジニアリングシミュレーションはどのような役割を果たしますか?
A: これらの高コストで高リスクの課題を考慮すると、付加製造戦略を検討している企業にとって、エンジニアリングシミュレーションが多くのメリットをもたらすことを認識することが重要です。重要なのは、シミュレーションが確実性を最大化し、リスクを最小化することが 40 年以上にわたって証明されていることです。シミュレーション技術を使用すると、企業は比喩的に「印刷」ボタンを押す前に、デジタル設計が正常に製造できるかどうかを予測できます。

シミュレーションの力は、初期の設計から完成品に至るまで、積層造形プロセス全体を分析できる点にあります。企業は、最終製品がパフォーマンス基準を満たしていることを保証するために従来のシミュレーションツールに頼ることができますが、新しいプロセスシミュレーションソリューションの助けを借りて、製造プロセスをシミュレートできるようになりました。これらは、「自分の設計をどのマシンに送信すればよいのか？」や「この設計に最適な材料の微細構造は何か？」といった重要な質問に答えることができます。

Q: シミュレーション技術は、積層造形を検討し始めたばかりの企業にどのように役立ちますか?
A: シミュレーションを使用して主要な製品機能を最適化し、特殊なツールを使用して新しい積層製造環境向けに設計を最適化できるようになりました。変形や応力を層ごとに確認できます。付加製造の主なリスクである部品の許容誤差と構築の失敗を研究することができます。積層造形技術で製造された部品の特性は、鋳造部品や鍛造部品の特性とは大きく異なりますが、シミュレーションはこれらの重要な違いを理解し、考慮するのに役立ちます。

積層造形シミュレーションは新しいものですが、シミュレーションが常に提供してきた価値提案、つまりリスクの最小化、時間とコストの削減、製品イノベーションの最大化に適合しています。

Q: 積層造形プロセスには具体的にどのようなシミュレーション機能を適用できますか?
A: 従来の製品開発の課題を解決するためにすでに広く使用されている積層造形のシミュレーション機能があります。たとえば、エンジニアは何十年にもわたってさまざまな材料組成をシミュレーションしてきました。彼らはこれまで、生産プロセスと実際のパフォーマンスの両方を最適化するために、製品トポロジーと処理ジオメトリを最適化してきました。彼らはこれまで熱および構造解析を行ってきました。これまで、エンジニアは部品の形状、変形、応力を研究する必要がありました。現在、エキサイティングなのは、積層造形（3D プリント）の特殊な条件を考慮して、これらすべての側面を考慮した新しい専用ツールが利用可能になったことです。付加製造とは、金属粉末などの新しい材料、新しい設計、新しい製造ワークフロー、新しい物理的制約を意味します。しかし、ANSYS は、従来のソフトウェアパッケージの機能を拡張する次世代ソリューションを提供することで、これらの変更を容易にします。

新しいソフトウェアツールは、今日の高度な積層製造装置での生産に向けてエンジニアの設計を最適化するように特別に設計されています。 ANSYS は、機械オペレーター専用の最初のシミュレーションソフトウェアを開発しました。これらの生産専門家は、仮想環境で設計を正確に構築できるため、特定の製品形状が特定の AM マシンで正常に印刷できるという自信が得られます。このソフトウェアは、従来の設計ソフトウェアと連携して動作し、独立して実行することも、ANSYS テクノロジープラットフォームの一部として実行することもできます。これにより、成功を最大化し、失敗を最小化する閉ループの設計構築サイクルが保証されます。

ANSYS は、大手エンジニアリングおよび科学技術企業である Renishaw と連携して、シミュレーションによって積層造形 (AM) プロセス中の残留応力を効果的に予測する方法を調査しています。 ANSYS Additive Print は、これらの非常に精密なタービンブレードの先端 (それぞれ約 1.3 mm のみ) が、AM プロセス中に高い熱応力によって変形することを予測しました。 (赤い部分は高応力領域を表します。) シミュレーションにより、設計者と機械オペレーターは部品の形状や機械パラメータを調整して、コストのかかる印刷エラーのリスクを最小限に抑えることができます。

単一のタービンブレードについて、ANSYS Additive Print は、AM プロセス中の変形を非常に正確に予測し、実際の印刷プロセスとほぼ一致できることが検証されました。変形を補正することで、最終的なコンポーネントは意図した形状に厳密に一致します。補償がなければ、その部品は製造失敗とみなされ、時間、設備容量、材料費の無駄が生じます。 ANSYS は、タービンなどの複雑な形状の場合、1 回の印刷失敗で数万ドルの損失が発生する可能性があると見積もっています。

Q: 企業はどのようにして積層造形戦略を導入し始めることができますか?
A: 最も一般的な誤解の 1 つは、付加製造には「すべてか無か」の価値提案があるというものです。最初から最後まで積層造形法を使用して製造される製品はほんの一握りです。代わりに、主要なコンポーネントを 3D プリントし、従来の方法で製造されたコンポーネントと組み合わせて、両方の利点を組み合わせた製品を作成します。そのため、従来の製造業者は、「自社製品のどの部分が積層造形に適しているか」という質問から始めます。これらの部品には、複雑な形状の部品、特殊な応力に耐える必要がある部品、高度なカスタマイズが必要な部品などがあります。

付加製造は、従来の製造能力を含むより大規模な製品開発および製造戦略の一部として戦略的な役割を果たす必要があります。

企業は、既存のシミュレーション製品ポートフォリオとシームレスに統合できる、AM 専用に開発されたシミュレーション機能の追加を開始する必要があります。企業は、ANSYS のような経験豊富なパートナーと協力して、シミュレーション技術をターゲットを絞って使用し、より低いリスクと投資で積層造形分野に参入する方法について相談する必要があります。

付加製造は比較的新しい技術ですが、業界ではすでにベストプラクティスが存在しています。 ANSYS は、最も早く導入した企業と連携しており、新規導入企業がこれらのプラクティスを実装し、ビジネスモデルのメリットを最大化できるよう支援できます。

出典：中潤漢泰

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