鄧漢成：3Dプリント技術が軽量自動車設計を可能にする

2018年7月12日、「2018年中国自動車軽量化産業サミットフォーラム」が上海で盛大に開催されました。「新技術、新材料、新プロセス」をテーマにしたこのフォーラムは、車両自体の軽量化を図りながら、出力を上げ、騒音を減らし、操縦性と安全性を向上させることを目指しています。また、自動車軽量化政策の発展動向、車両軽量化プラットフォームの設計ソリューション、主要部品の軽量化技術の開発、自動車の軽量化マルチマテリアルの応用、コスト管理分析などの問題についても議論されました。

3D Systems Greater China プリセールスおよびアプリケーションマネージャーの Deng Hancheng 3D Systems Greater China プリセールスおよびアプリケーションマネージャーの Deng Hancheng は、3D プリント技術の軽量設計への応用について具体的に紹介しました。詳細については、スピーチのトランスクリプト (一部削除) を参照してください。

皆さん、ありがとうございます。私は自動車業界出身ではありませんが、今日は3Dテクノロジーと軽量設計の組み合わせというテーマについて皆さんと議論したいと思います。大きく分けて4部構成で紹介します。第1部では3D Systems社の新素材や3Dプリント機器製品について紹介します。第2部では、3Dプリントに関連する軽量な付加設計手法を紹介します。パート 3 では、3D Systems のソフトウェアおよびハードウェアソリューションが自動車産業アプリケーションや自動車関連の軽量化アプリケーションで提供できる付加価値を紹介します。パート 4 では、軽量化と組み合わせた積層造形のアプリケーション事例をいくつか紹介します。私の事例は主に航空宇宙および軍事分野です。皆さんと交流し、インスピレーションを得られることを願っています。

まず、弊社のご紹介をさせていただきます。弊社は1983年に世界で初めて3Dプリント技術を発明しました。写真の（英語）は光硬化技術を使用して液体を層ごとに固めていきます。当社は 1986 年に設立され、1988 年に最初の商用 3D テクノロジを販売しました。30 年にわたる開発と合併および買収を経て、当社は最も包括的な 3D 業界ソリューションのサプライヤーになりました。当社のソリューションには、ハードウェア、材料、3D およびその上流および下流のソフトウェア、オンデマンドのカスタマイズサービスのためのグローバルな需要ネットワークが含まれます。サウスカロライナ州ロックヒルに本社を置き、世界中で事業を展開し、2,500 人の従業員を擁しています。 3D Systems が 2018 年に発表した 3 つの新しい材料と装置をご紹介します。当社は顧客中心主義を貫き、アプリケーション価値をエコシステムとして構築しています。対象とするソリューションは、3D プリント技術だけでなく、デジタル化、設計シミュレーション、製造、プロセス管理など、3D プリントのアプリケーションライン全体にわたります。主に生産効率の向上、部品や製品の耐久性の向上、再現性の向上、全体的な所有コストの削減を実現します。

これは今年比較的重要なコアです。これは、Figure 4 と呼ばれるモジュール式でスケーラブルな高速プラスチック光硬化技術です。 1つ目は、生産能力の問題を解決することです。2つ目は、単一の3Dプリント技術ではさまざまな材料を使用できないという問題を解決することです。3つ目は、3Dプリントは、単一リンクのプロセスが完全なプロセスラインではないため、複雑な後処理が必要であり、人件費が比較的高いという問題を解決することです。

ご覧のとおり、3D プリントには、大量生産市場に移行する前に、生産効率を向上させ、所有コストを削減する新しいテクノロジーがあります。3D プリントは、カスタマイズと小ロットに限定されています。当社の目標は、3D プリントの迅速な対応とカスタマイズ、複数のバッチ、さまざまな材料などの特徴を活かして、年間 100 万個以上の部品を生産することです。航空宇宙、自動車、医療分野を対象としています。これは、先ほど述べた、大規模なカスタマイズされた 3D プリントの適用を制限するいくつかの主要な技術的問題を解決する拡張可能なモジュールです。

2 つ目は、自動車業界やその他の産業機械業界での応用に適した新しいポリマー材料がいくつかあることです。ポリマーナイロンは、真の熱可塑性材料の3Dプリントを実現できる唯一の技術です。10年以上の研究開発を経て、私たちはすでに多くの新素材を開発しました。今年の新製品には、主にアルミ粉末充填材料、ブラックナイロン11材料、航空難燃性材料が含まれます。

航空難燃材料は主に航空宇宙、輸送などの分野で使用され、古い材料の生産コストを削減し、後加工の加工性を向上させることができます。主に民間航空機の内部に使用されます。アルミニウム粉末充填は金属の質感を高め、硬度試験や家具製造に使用できます。ナイロン11素材は、通常のナイロン素材よりも靭性に優れており、主に自動車のエンジン付近のハードウェアに使用され、部品の色は純黒であることが求められるため、純黒色で開発されています。

3つ目の新製品は主に大型金属機械製品です。今年発売されたFactory 500です。3軸で長さ500mm以上になる粉末積層プリンターです。金属成形の分野では大型ではありませんが、3Dプリントの用途では比較的大型です。産業機器の顧客にとって、保持価値は非常に高く、中間印刷モジュールを素早く取り外すことができるため、ユーザーのホスト機器の反転効率が向上し、保持コストが削減されます。また、大型部品や比較的大量の部品の成形も改善されます。現在、ヨーロッパで行っている主なテストは、航空宇宙や医療用途の要求の厳しい部品の大量生産を目的としています。未来の金属印刷工場のコンセプトイメージです。

パート 2 では、3D プリントに関連する軽量設計手法をいくつか紹介します。実際には、主な手法は 2 つあります。軽量化の考え方から見ると、3Dプリント材料自体の成形のいくつかの技術的特徴と組み合わせた3次元モデリング理論であり、構造の最適化と軽量化を実施して軽量化効果を実現し、3Dプリント材料を節約し、3Dプリントの効率を向上させます。ここで話しているのは主に金属成形です。軽量化最適化設計自体が、3Dプリント時の成形プロセスにおけるいくつかのリスクを回避し、積層造形技術に対する要件を軽減することができ、積層造形技術の発展に伴い、ますます広く使用されるようになりました。

トポロジー最適化についてお話ししましょう。これは、最適なトポロジーを探すというマクロな問題を、特定の設計領域内で最適な材料分布を探すという問題に変換します。トポロジー最適化には、進化法と退化法という 2 つの主なアプローチがあります。次の 2 つのページでは、2 つのアプローチにそれぞれ対応する 2 つの代表的な手法を紹介します。1 つは進化法における漸進的構造最適化であり、もう 1 つは退化法における均質化です。縮退法均質化法は、設計領域内に周期的に分布する微細構造を構築する方法です。これらの微細構造は、同じ等方性材料エンティティと気孔で構成されています。増分構造法は、無効で非効率的な構造を排除することで、現在の数理計画プロセスで複数の変数を解くことを避けるプロセスです。

ラティスとトポロジーは少し異なります。ラティスは航空宇宙と医療での主な応用手段です。将来、自動車業界でもこのような応用の見通しはありますか？ラティスには上記の技術的利点があります。軽量でありながら高強度、高鋼の特性を持ち、衝撃に耐える能力があり、宇宙用途では電磁シールド機能を備えています。ラティス設計は比較的単純で、ソリッド構造の代わりにラティス構造を使用します。
パート 3 では、軽量設計のための 3D Systems の 3D プリントについて説明します。 3D Systems は、カラーパウダー印刷、ワックスモデル印刷、光硬化樹脂印刷、ナイロン、金属、その他のさまざまな材料を含む、世界で最も包括的な 3D 印刷技術を持っています。また、複合ソフトウェアおよびハードウェアソリューションプロバイダーでもあります。3DSprint や 3DXpert など、独自の 3D 印刷ソフトウェアを持っています。当社には、大手でよく知られているブランドがいくつかあります。その 1 つが Geomagic です。これは、3D スキャンおよび検出業界で非常に重要なソフトウェアであり、多くの製品があります。もう 1 つは、Cimatron CAD and CAM と呼ばれるイスラエルのソフトウェアで、これも 3D Systems の製品です。Gibbscam は複合材旋削およびフライス加工ソフトウェアです。

3Dプリント技術が試作から生産までより深く応用されるにつれて、応用価値の移転を実現することができます。付加技術に精通している同僚は、付加価値の移転の概念を持つべきだと私は信じています。彼らは、軽量、統合、複雑な構造、迅速な応答などの3Dプリントの特性を活用して、大規模なカスタマイズ、在庫ゼロ、市場投入までの時間の短縮などを実現する必要があります。

3D Systemsの既存ソリューションにはどのような用途があるのでしょうか。1つは市場投入までの時間を短縮すること、2つ目は軽量部品の使用による燃費向上、3つ目は既存または廃止された部品をオンデマンドで生産することです。これはソフトウェアとハードウェアを組み合わせたソリューションです。最初の部分は、市場投入までの時間を短縮することであり、完全に透明な感光性樹脂で作られたヘッドライトのプロトタイプです。全長1メートルを超える大型感光性樹脂で作られた自動車ダッシュボードの実物大1:1ディスプレイモデルです。間接製造 F1ロータスチームのギアボックス鋳造品です。鋳造プロトタイプは3Dプリントで作成され、最終的に金属部品が得られました。これはアメリカのハードコートレーシングカーです。さまざまな競技でスピードが求められます。2週間以内に減速駆動輪の改良設計が行われ、部品は3D金属プリントを使用して製造され、競技用の車に直接取り付けられました。感光性樹脂材料にセラミックシリサイドを充填して、剛性と耐熱性を向上させています。この材料は、構造安定性と耐熱性が比較的優れているため、空力テストプロトタイプでの使用に適しています。また、非常に複雑なパイプの取り付けと固定を備えた溶接生産ラインを見ることができます。青い部分は3Dプリントで作られていますが、主に樹脂材料の精度が高く、構造安定性と耐熱性が極めて高いためです。

3D プリントの追加の利点は統合設計と組み合わせる必要があるため、私たちは依然として統合を通じてそれを実現します。生産変革とスペアパーツの分野では、クラシックカーや航空宇宙部品などの一部の旧式部品をソフトウェア 3D スキャンで復元しています。また、デジタル技術が成熟していなかった時代に設計された部品を複製するために、リバースエンジニアリングと 3D プリントを組み合わせて使用しています。もう一つは、いくつかの特殊な金型の生産を変更することです。これは、私たちがより成熟した方法で行っていることです。これは、自動車部品のタイヤに相当し、主にタイヤで、溝接合金型とインサートの製造に使用されます。付加価値の高い3Dプリンティングに適したアプリケーションラインです。こちらもソフトウェアとハードウェアを組み合わせて短期間で製作した展示会用のカスタマイズ車両です。ソフトウェア面では、格子最適化のための金属印刷ソフトウェアをパラダイムとして使用します。まず、このソフトウェアは、3D印刷分野でCADを基本データ環境として直接使用する世界で唯一のソフトウェアです。データのインポート、CAD の最適化、格子またはトポロジの充填プロセス設計、レーザー処理戦略の最適化を一度にカバーします。ラティスソフトウェアでは、V-repテクノロジーを使用して、視覚的なインタラクティブ操作をすばやく作成および組み合わせます。同時に、3DXpertではCADの元の基本データ環境に実装されているため、履歴パラメトリックデータとシームレスに統合され、グリッド化された近似データの最適化の問題を解決します。表面、シェルの厚さなど、さまざまな格子タイプがあり、ユーザーは各ノードをカスタマイズして CAE からインポートできます。次のビデオを再生できるかどうか確認してください。これは、金属印刷ソフトウェアの格子最適化機能を使用して格子を直接最適化することによって行われます。これとサードパーティのソフトウェアを使用して実装された格子との違いは、プロセスが比較的複雑であり、プロセスエンジニアによる成形プロセス全体の制御に影響を与える可能性のある繰り返しのデータ変換を回避するために、組み込みソフトウェアで最適化を実行する必要があることです。同時に、格子最適化の背後にあるエンジンのアルゴリズムを最適化しました。これにより、CAD の基本データ環境であり、さまざまな点、線、面、ソリッドの特徴に基づいて、さまざまな格子と変更傾向を選択できるため、多くの面を持つこのような構造をこのソフトウェアで特に遅延なく使用できるようになります。

これらはその用途の一部です。医療用途ではなぜ複数の格子の組み合わせを使用する必要があるのでしょうか? 医療では、係数調整プロセスがあります。インプラントには応力シールドが必要なため、人間のインプラントには異なる格子調整係数を設計する必要があります。航空宇宙分野でも使用されています。

最後に、航空宇宙産業や軍事産業における軽量アプリケーションと組み合わせた 3D プリントの事例をいくつか紹介したいと思います。この事例は航空グリルのヒンジです。航空宇宙用途では、チタンや高温合金は減算的手段で加工するのが比較的難しい材料です。多くの材料は従来の方法では加工が難しく、3Dプリントは材料成形に利点があります。事例の観点から見ると、まず1つ目は、フランスのThales Alenia社がKoreasat向けに作成したブラケット設計です。同様に、T 社は昨年上半期に東南アジアでプロジェクトを実施し、3D プリントを使用して衛星アンテナブラケットを製造しました。基本的なコンセプトは、重量を軽減し、強度比を維持することです。フランスのSogaclair社もトポロジー最適化を利用している。大型の金属部品は直接3Dプリントするのではなく、接着技術で砂型にし、バイオニック最適化設計を経て3Dプリントで製造する。これは昨年ネイチャー誌に掲載されたデンマーク工科大学のプロジェクトで、全長27メートルのプロジェクトを11億個にカットして分解し、軽量化を実現した。このプロジェクトでは、トポロジー最適化と組み合わせた格子充填の使用を検証し、トポロジーと格子という 2 つの軽量手法を組み合わせて、衝撃荷重環境下でのパフォーマンスを検証しました。最後のページには、主に流体力学、航空、エンジン、鉄鋼の分野での格子の応用例がいくつか示されています。私が紹介するのはこれですべてです。ありがとうございました。

司会者：3Dプリントについてご質問がございましたら、お気軽に1～2点お尋ねください。
質問: 質問があります。多くの OEM は、パーソナライズされた製品の一部は数量が非常に少ないと述べています。自動車に直接使用できる技術部品の製造に 3D プリントを適用することは可能ですか?
鄧漢成：はい。実は、少し前に内装と外装をすべて 3D プリントで作ったコンセプトカーがありました。実際のところ、それは単にパーソナライゼーションやディスプレイのコンセプトだったのかもしれません。というのも、現在の 3D プリント材料で作れる部品、特に外装用途の部品は、従来のプラスチックや金属部品に比べて疲労性能にまだ一定の差があるからです。

質問：内装はどうですか？
鄧漢成：内装は最終需要に近づけることができます。3Dプリント自体のコストもかなり高いです。モジュール式の生産設備があれば、生産能力を高めて単価を下げることで、将来的には大規模な年間生産が可能になります。これは実現可能です。

司会：先ほど、3Dプリントされた金属は比較的高価なため、主に試作品で使用されているとおっしゃっていました。自動車ではそのような問題があります。私たちの試作は、将来的にハードモールドを作るためのものです。試作品を作るときは、その機械的特性が、私が最終的に定義する加工技術の性能と一致していることを期待していますが、それは3Dプリントではありません。しかし、両者には違いがあります。私たちは、ある観点を提唱し、3Dプリントの新しい道を提案しています。熱処理によって3Dプリントの性能を調整することができます。3Dプリントの性能を私の部品と一致するように調整できれば、あなたが作った試作品を受け入れることができます。自動車のソフトモールドを作る場合、試作品は非常に高価であり、ここで3Dプリントの利点が出てきます。これは 3D プリントの可能な方向性だと思います。パフォーマンスが異なると、元の設計が全体の動作条件に十分であるかどうかを確認できなくなるため、問題が発生する可能性があります。

鄧漢成：孫博士のおっしゃることは、非常に理にかなっています。機能設計のプロトタイプにのみ使用される場合は、比較するための一定の基準値が必要です。もう1つは、3Dプリントは現在、燃料ノズルなど、航空分野でより頻繁に使用されていることです。統合が解決された後、十分な経済的付加価値が得られます。現在、3Dプリントは自動車、特に大型部品にはまだ十分に成熟していません。

司会者：私たちは多くの3Dプリント会社と連絡を取り合っています。3Dプリントの特徴は、従来の方法では設計できないことです。これは良いアイデアです。最初に車を設計するときのことを考えなければなりません。3Dプリントをベースにした場合、このものに問題があれば、他に解決策はありません。車全体をプッシュダウンすると問題が発生する可能性があります。ほとんどの自動車メーカーは、最初は従来の方法で車を押し上げます。3Dプリントされた部品を使用できますか？これは間違いなく難しいです。私は、ソフトモールドの試作では、これも1つの方向性であるかもしれないと言いました。

出典: AAUニュース

鄧漢成：3Dプリント技術が軽量自動車設計を可能にする

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