3D プリント製造の世界における付加製造の軽量化戦略

民間航空業界では、チケット（航空券など）を購入する際に短期的な比較を行う傾向があるため、軽量素材を広く採用しており、航空会社はコストを節約するために継続的に燃費を改善しています。航空宇宙産業において積層造形（AM）が初期に採用された主な理由は軽量化でした。具体的には、航空宇宙分野では、3Dプリントによる構造設計による軽量化を実現する主な方法として、中空サンドイッチ/薄壁強化構造、中空格子構造、一体構造実現、特殊形状トポロジー最適化構造の4つがあります。

しかし、自動車業界に関しては、現在3Dプリントによる製造コストが高いため、消費者向けに軽量自動車を導入できる可能性について懐疑的になりがちです。最近、ゼネラルモーターズ（GM）はオートデスクと提携し、積層造形法で製造したシートブラケットを開発しました。このシートブラケットは40%の軽量化を実現していると主張していますが、コストが現在のアプリケーションシナリオに適していない可能性があり、このブラケットを使用した自動車が世界中で発売されるまでには数年かかる可能性があります。それでも、これは将来有望な開発であり、積層造形が現在参入に苦戦している方向、つまり大規模生産への前進を意味している。

1907年に初めて生産されたフォードモデルTの重量は、現在のテスラモデル3の約3分の1でした。今日の自動車は1世紀前に比べてずっと重くなっています。実際、過去 20 年間にわたって、特定のクラス (乗用車、SUV、トラック) の車両の平均重量はほとんど変わっていません。もちろん、消費者は車を選ぶときに車の重量についてあまり多くの要素を考慮するのではなく、性能、安全性、機能にもっと注意を払います。しかし、車の重量を無視することはできません。

100 年以上もの間、エンジニアたちは軽量化戦略を模索してきました。付加製造技術が製造現場に導入されるにつれ、付加製造によって可能になる軽量化の 4 つの戦略をさらに評価することで、この分野の将来の可能性についてより深い洞察が得られます。

1. 材料の選択<br /> 軽量化は、材料の選択の問題として最も簡単に考えられます。すべての材料科学エンジニアとほとんどの機械エンジニアは、材料と軽量化の関係を認識しており、材料密度に関連する特定のパフォーマンス目標 (強度、弾性率など) を達成するように材料を選択できます。材料を選択する際には、まずすべての設計要件を満たす最も密度の低い材料を検討しますが、製造可能性 (延性など) やコストなどの他の要因も考慮され、選択の考慮事項の主となる場合があります。

図: 材質と強度のアシュビープロット

2. 構造最適化<br /> 重量は材料と構造の組み合わせの結果であり、材料が選択されると、設計を利用して構造全体の重量を軽減する機会がさらに生まれます。大幅な軽量化は、「構造」最適化、つまり材料除去（特にトポロジー最適化によって実現）または構造統合（つまり構造をより少ない部品に統合）によって実現できます。

3. 細胞構造<br /> 格子構造や多孔質材料により、製品の重量を「微視的」なレベルで軽減することが可能になります。たとえば、骨インプラントでは、骨の硬さを模倣するために局所的な変更が行われ、軽量化の目的が達成されるだけでなく、人体がそのようなインプラントを「受け入れる」ことも容易になります。しかし、格子セル構造で軽量化を実現するのは容易ではありません。記事「3Dプリントセル構造のモデリングにおける6つの課題」では、連続モデリングで注意すべき点を紹介するほか、ハニカム構造材料で精密で均一かつ等方的な材料を実現する方法、「マクロ」レベルの外観設計が「ミクロ」レベルのセル構造の機械的特性に与える影響に注意する方法、寸法公差の影響に注意する方法、印刷方向が機械的特性に与える影響などについても説明しています。

一般的な構造としては、ハニカム構造、オープンセルフォーム、クローズドセルフォーム、格子構造などがあります。

4. 多機能<br /> 軽量化の観点から見ると、多機能性は、部品や組み立て設備（ファスナーなど）の数を最終的に相殺するような方法で材料や構造を使用し、軽量化を実現する機会を表しています。多機能性の概念的な説明は、図に示すように、Schaedler と Carter による 2016 年のレビュー記事の翼の概略図から得られます。翼の中心的な機能は揚力を生み出すことです。しかし、軽量化の観点から、私たちは翼を構成する構造に興味を持っています。これらの構造は、予想されるすべての環境条件下で耐久性を備えている必要がありますが、重心の位置や熱管理、エネルギー貯蔵を最適化することで改善することもできます。設計プロセスでは、これらのローカル構造を、翼の外皮や内部ダクトなどの連続的なトポロジ構造と組み合わせる必要があります。

図: シェードラーとカーターの 2016 年のレビュー論文に掲載された翼の概略図

マルチマテリアル、高設計忠実度の時代において、積層造形においてより優れた構造と機能を実現するために、どのように材料を最適に組み合わせればよいのでしょうか?これらの戦略に加えて、自然からインスピレーションを得ることも効果的なアプローチです。軽量化の観点から見ると、積層造形は軽量化の実現に役立ちますが、一方では、現在の材料選択とコストの制限により、大規模生産の分野に参入するのは依然として困難です。しかし、これらの課題は今後 10 年も続くわけではありません。これらの技術を道路上のより軽量な車両に応用する場合でも、エンジニアリングの場合でも、積層造形の可能性はすでに実現されています。

出典: 3Dサイエンスバレー

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