ジェネレーティブデザイン + 3Dプリント + 鋳造による軽量部品の実現

現在、3D プリントの分野では、ジェネレーティブデザインよりもトポロジー最適化が最もよく言及される用語でしょう。これら 2 つはよく混同されますが、ジェネレーティブデザインを詳しく調べると、いくつかの開始パラメータに基づいて反復と調整を行い、(最適な) モデルを見つけるプロセスであることがわかります。トポロジー最適化は、与えられたモデルの解析です。境界条件に基づいて有限要素解析を実行し、モデルを変形または削除して最適化するのが一般的です。
画像: ジェネレーティブデザインはさまざまな設計最適化結果をもたらします。出典: Autodesk ジェネレーティブデザインは、人間とコンピューターの相互作用と自己革新のプロセスです。「生成」システムは、入力者の設計意図に基づいて、実現可能な設計ソリューションの幾何学モデルを生成し、包括的な比較を行って設計ソリューションを選別し、最終的な意思決定のために設計者に提示します。

画像: ジェネレーティブデザインされた自転車部品、出典: Autodesk ジェネレーティブデザインは、設計ソフトウェアのアルゴリズムを通じてアートワーク、建築モデル、製品モデルを自動的に生成する設計手法です。ジェネレーティブデザインはパラメトリックモデリング手法です。設計プロセス中に、設計者が製品のパラメータを入力すると、アルゴリズムが自動的に調整と判断を行い、最適な設計が得られます。現在、有名なジェネレーティブデザインソフトウェアとしては、Autodesk の Within、Autodesk の Dreamcatcher、Siemens の Solid Edge ST10 などがあります。
画像: ジェネレーティブデザインされた自転車部品、出典: Autodesk ジェネレーティブデザインは、手動モデリングでは簡単には実現できない、珍しく複雑な形状のデザインを作成するようにデザイナーを刺激します。 3D プリント技術は、複雑なデザインを現実のものに変えることができるため、ジェネレーティブデザインの「良きパートナー」となることが期待されています。

画像: オートデスクのジェネレーティブデザインにより軽量化が実現では、ジェネレーティブデザインされた部品が、よく知られている粉末床レーザー溶融法で処理されないのはなぜでしょうか?動画から、選択的レーザー溶融処理のコストは、3Dプリント精密金型+鋳造の総コストの約3倍であることがわかります。

さらに、ビデオでは、voxeljetの3Dプリント精密金型を通じて、PMMAアクリル材料を使用して精密金型を作成する様子が紹介されています。アクリルは経済性が高いだけでなく、材料の負の収縮率により、精密鋳造で発生しやすいシェル膨張現象も解決されるため、複雑な構造の精密鋳造に特に適しています。
画像: 金型の取り外し、出典: Autodesk 軽量航空機シート構造のジェネレーティブデザインを通じて、サンフランシスコにあるオートデスクの Pier 9 Innovation Factory は、3D プリントのインベストメント金型を使用してマグネシウム合金を鋳造し、軽量航空機シートを実現しようとしています。この座席構造は標準的な商用ジェット機に適合し、航空会社は重量の面で数百万ドルの節約が可能になると期待されている。

さらに、セル構造はオートデスクのnetfabbソフトウェアによって設計されています。オートデスクの科学者は、このセル構造を金属印刷で製造することは現時点では最良の方法ではないことを発見しました。彼らは、現代の3D印刷PMMA精密鋳造金型製造方法と従来の鋳造方法を組み合わせました。金属 3D プリントは製造業を飛躍的に前進させ、非常に複雑な製品を生産することができますが、材料の選択肢は現時点ではまだ限られています。現在、積層造形は数十種類の材料しかサポートしていませんが、鋳造では数千種類の金属や複合材料から選択できます。したがって、このプロジェクトは、3D プリント技術に完全に依存することなく、3D プリントの技術的利点を活用します。
画像: ジェネレーティブデザインされた部品、出典: Autodesk は 3D プリントと鋳造を相互に補完し、航空機の座席フレームを製造しています。鋳造は、単価が低いだけでなく、生産効率の面でもシートフレームをより手頃なコストで製造する方法であり、大量生産に適しています。オートデスクのピア9イノベーションファクトリーには、さまざまな3Dプリント技術とCNC工作機械が装備されていますが、ピア9には鋳造機能がありません。この目的のため、オートデスクはこのプロジェクトで鋳造会社 Aristo Cast と提携しました。

このプロジェクトを通じて、Aristo Cast は、従来の鋳造業界ではまだ新しい高度な設計および最適化技術についてさらに学びました。一連の議論を経て、両者は最終的に鋳造工程を完了するためにマグネシウム合金を使用することを決定しました。もちろん、マグネシウム合金の鋳造プロセスは簡単ではありません。異なるシェルシステムを使用したり、注入前に異なるシェル焙焼プロセスを使用したりすると、マグネシウム合金の冷却プロセスが異なり、鋳造構造も異なります。また、製錬および鋳造プロセス中のマグネシウム合金の酸化および燃焼の問題を解決することにも注意を払う必要があります。
マグネシウム合金部品の鋳造は複雑な工程であるため、両者はモデル上で入念な鋳造シミュレーションを実施しました。モデルはNetfabbソフトウェアを使用して修正され、鋳造シミュレーションを通じてその性能が確認されました。 3D プリント後の更新された 3D モデルは Aristo Cast に送られ、そこで 3D プリントされたプラスチックの外層にセラミックコーティングが施されました。次に、プラスチックを加熱して蒸発させ、セラミックシェルを硬化させ、最後にマグネシウム合金をキャビティに注入して鋳造プロセスを完了しました。最終的に、ジェネレーティブデザインと軽量マグネシウム合金材料のおかげで、航空機の座席フレームの重量は 56% 削減されました。

最終的に、航空機の座席フレームは軽量設計と3Dプリントによって軽量化され、マグネシウム合金はアルミニウムよりも35％軽量になりました。座席フレームは材料の選択によってさらに軽量化されました。これは民間航空会社にとって何を意味するのでしょうか? A380型機100機が20年間運航されれば、航空会社は燃料費を2億ドル以上節約できることになる。これは、道路から 80,000 台の自動車を排除し、年間 126,000 トンの CO2 排出量を削減するのと同じことです。

もちろん、ビデオで述べたように、すべてのセル構造が精密鋳造による製造に適しているわけではありません。設計プロセスでは、金属セル構造の隙間にある鋳造残留物をどのように除去するかを考慮する必要があります。これらの残留物は除去できない場合もあります。さらに、鋳造部品を CNC 工作機械で加工する必要がある場合は、設計プロセス中に工作機械加工のクランプ要件も考慮し、これらの部品を設計に反映する必要があります。
画像: 機械加工における軽量部品、出典: Autodesk つまり、軽量化を実現するには、ジェネレーティブデザインと 3D プリント金型、および鋳造との組み合わせが、大型構造部品の機械加工に検討して採用する価値のあるソリューションです。

出典: 3Dサイエンスバレー

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