【徹底解説】「トポロジー最適化」と「3Dプリンティング」

既存の積層造形構造の大部分は、依然として従来の製造プロセスを重視した設計構成を使用しています。このようにして準備された構造は、積層造形によって提供される新しい設計空間を十分に活用しておらず、その性能は根本的な飛躍を達成できません。積層造形技術の未熟さによって制限されているにもかかわらず、その性能は従来の製造プロセスによって準備された構造物よりも劣っています。

トポロジー最適化は、初期構成やエンジニアの経験に依存せず、まったく予想外の革新的な構成を実現できるため、学者やエンジニアから大きな注目を集めています。簡単に言えば、トポロジー最適化とは、特定の制約の下で最高のパフォーマンスを得るために、構造内のどこに材料を配置する必要があるか、どのような種類の材料を配置するかを見つけるために最適化手法を使用することです。

しかし、トポロジー最適化結果の幾何学的構成は複雑であり、従来の製造プロセスを使用して準備することは非常に困難であるため、トポロジー最適化手法と実際のエンジニアリング構造設計の間には依然として大きなギャップがあります。多くの場合、設計者は製造可能性を満たし、製造コストを削減するために、製造技術と経験に基づいて最適化結果の二次設計を実施する必要があります。このアプローチは構造の最適性を損なうことが多く、結果として得られる構造性能は既存の構成の性能にさえ達しない可能性があります。一方、従来の設計コンセプトや製造プロセスに制約され、構造はマクロなトポロジーのみで設計されることが多く、構造のマルチスケールの変更や空間勾配の変更によってもたらされる広大な設計空間が十分に活用されず、製品性能の向上が極めて限定的になります。

付加製造技術の出現により、幾何学的形状は高度に複雑になり、マイクロナノからマクロまで複数の幾何学的スケールで構造を準備することが可能になりました。従来の製造技術の限界を打破し、製品の研究開発における「製造がデザインを決定する」問題を解決します。

そのため、トポロジー最適化（高度な設計技術）と積層造形（高度な製造技術）を統合して革新的な設計技術を開発することは大きな展望があり、学界で広く注目を集めています。航空構造の革新的な研究開発は、小ロット、多品種、高性能を特徴としています。既存の設計限界を打破するには、構造革新設計技術と迅速な試作生産技術に対する要求がさらに高まります。積層造形は「金型を使わないアジャイル製造」技術として、研究開発サイクルとコストを大幅に削減でき、「迅速な試作」の核となる技術です。

積層造形のための高品質な構造構成設計 全体的な構造階層、材料特性の勾配、機能構造の統合、構造の多機能性は、新しい構造や材料の重要な開発方向となっています。積層造形技術を基盤として、従来の設計の「限界」を打ち破り、統合型で軽量、低コスト、高性能な新構造・新材料を開発することが、新世代の大型・ハイエンド機器・構造物の開発にとって急務となっています。このセクションでは、主にトポロジー最適化手法に基づく 4 つの側面から革新的な高品質構造構成の設計を紹介します。

1 特殊機能材料の微細構造のトポロジカル最適化設計 複合材料は、従来の単一材料では実現できない特性を持ち、設計性に優れているため、研究者から大きな注目を集めています。微細構造の構成を設計することで、特定の特性を持つ周期的な複合材料を得ることは、材料分野の研究のホットスポットとなっています。このようにして得られる新しい材料は、しばしば構築材料と呼ばれます。トポロジー最適化技術は、微細構造構成設計のための強力なツールを提供し、広く研究されてきました。積層造形技術による高性能構造材料の作製は最先端の研究課題となっている。

2 多階層構造トポロジー最適化設計 マルチレベル構造設計とは、図に示すように、マクロレベルやミクロレベルなど、複数のレベルで構造構成を同時に設計することを指します。これにより、設計空間を効果的に拡大でき、優れた性能を持つ構造構成を得ることができます。

10年間の休眠状態を経て、積層造形の急速な発展により、多層構造のトポロジー最適化設計は再び新たな研究ブームに突入しました。しかし、既存の手法は、設計変数が多く、計算が過剰になるなど、依然として多くの技術的困難に直面しています。設計空間と計算効率のバランスをどのようにとり、工学構造設計に適した手法を確立するかは、未解決の問題です。さらに、既存の設計のほとんどは、構造のサイズ効果を考慮せずに微細構造を均質な材料として扱う均質化法に基づいています。

3 マルチマテリアル構造のトポロジー最適化設計 図に示すように、材料の合理的なレイアウトと要求に応じた材料特性の配分により、構造性能を大幅に向上させることができます。

20年の開発を経て、マルチマテリアルトポロジー最適化手法は徐々に成熟してきましたが、界面欠陥や傾斜層の影響を考慮した研究はまだ不足しており、さらに徹底した研究が必要です。また、プロセスの制限により、既存のマルチマテリアルトポロジー最適化は、主に分割された均質なマルチマテリアル構成の設計を目的としています。近年登場した積層造形技術は、異なる位置にある異なる材料の成分比を変更することで、空間における材料特性の変化を実現できます。したがって、積層造形技術により、任意の勾配変化を持つマルチマテリアル構成を準備することが可能になり、研究者の設計スペースが大幅に広がります。したがって、マルチマテリアル構成準備プロセスの制約を考慮しながら、積層造形によって解放される設計空間を最大限に活用する方法は、今後のマルチマテリアルレイアウト最適化のための重要な研究方向です。

4 多機能構造トポロジー最適化設計 複雑なコンポーネントレベルの構造には、荷重支持機能に加えて、放熱、振動低減、ステルス、伝導などの他の機能も組み込まれていることがよくあります。構造構成の合理的な設計と多機能性の実現は、構造性能を向上させる効果的な方法です。積層造形技術を基盤として、複雑な空洞や複数の材料を複合した新しい構造を作製することができ、耐荷重機能とその他の機能を併せ持つ部品の実現が可能になります。これに対応して、多くの学者が多機能構造物の位相最適化設計法の研究を行い、振動低減や騒音低減、荷重支持や放熱、伝導、アンテナなどの構造設計を実現してきました。
トポロジー最適化に基づく多機能構造設計は急速に普及していますが、マルチフィジックス場の問題を解析して解決することが難しいため、既存の設計のほとんどは 2 ～ 3 個の独立した物理場のみを考慮することに重点を置いています。多物理場結合と多目的を考慮したトポロジー最適化設計法はまだ研究の初期段階にあります。設計結果の工学的応用を実現するために、この方向は間違いなく次のステップの研究の焦点になるでしょう。
積層造形プロセスの制約を考慮したトポロジー最適化設計法

積層造形プロセスの制約を考慮したトポロジー最適化設計法 従来の製造プロセスと比較して、積層造形技術は、その独自の製造方法により、複雑な幾何学的構造の作成を実現できます。ただし、積層造形は完全に「自由な」製造方法ではなく、依然として独自の製造制約が存在します。これには主に、構造の最大/最小サイズ、サポート構造、製造欠陥 (表面粗さ、材料の異方性など)、接続制約などのカテゴリが含まれます。トポロジー最適化設計プロセスにおいて積層造形プロセスの制約を考慮し、トポロジー最適化の結果を迅速かつ直接的に準備する方法が、国内外の学者の焦点となっている。

1 次元特性 3D プリンターの機種によって印刷精度が異なるため、製造できない細い棒などの構造物が現れないように、トポロジー最適化結果の特性寸法を制御する必要があります。図 10 は、最小サイズ機能制御を考慮しない場合と、最小サイズ機能制御を考慮した場合のトポロジー最適化の結果を示しています。図10(a)の微細構造は、プリンタの精度が低い機械では作成が難しいことがわかります[17-18]。従来の製造プロセスにも寸法特徴の制約が存在するため、この方向性は早くから学者から広く注目されており、トポロジー最適化の結果に対する寸法制御方法の比較的完全なシステムが確立されています。

2 自立構造設計 積層造形プロセスでは、図に示すように、大きなカンチレバー構造の場合、製造プロセス中に構造が崩壊するのを防ぐために、その下にサポート構造を追加する必要があることがよくあります。サポート構造を使用すると、印刷時間とコストが増加するだけでなく、後でサポート構造を除去するときにプロセスが困難になり、構造の最終的な表面精度に影響を及ぼします。そのため、自立構造の設計、最適化プロセス中に特徴的な構造を自動的に識別すること、大きな片持ち構造を避けることが研究のホットスポットとなっています。

一部の学者は、この方向で予備的な調査を行っていますが、既存のモデルのほとんどは理論的な仮定に基づいており、構造崩壊限界と材料特性、カンチレバー角度、カンチレバー長さとの関係は、多数の実験を通じて正確に得られていません。

3. 製造上の欠陥 近年、積層造形技術は急速に発展していますが、全体的な製造プロセスはまだ初期段階にあり、成熟していません。プロセスの制限により、積層造形された構造部品には、材料の異方性、表面粗さ、材料特性の不確実性などの欠陥がしばしば生じます。この問題に対処するために、一部の学者はトポロジー最適化モデルで製造上の欠陥を考慮に入れています。

欠陥が構造性能に与える影響を軽減します。しかし、実際の計算プロセスで使用される欠陥モデルは主に理論的なモデルであり、積層造形プロセスによって生じる不確実性モデルと一致しません。したがって、今後の研究の目標は、積層造形の材料形成メカニズムを実験的に研究し、実際の欠陥モデルを確立し、それをトポロジー最適化プロセスに導入することです。

4 接続制約

積層造形プロセスでは、熱溶解積層法 (FDM) を使用する場合でも、レーザー選択焼結粉末技術 (SLS) を使用する場合でも、構造を印刷した後にサポート材料または溶融していない金属粉末を除去する必要があるため、構造に閉じた内部気孔が含まれていてはなりません。内部に穴がある構造の場合、支持材や未溶融金属粉末を除去することが不可能であるため、二次修正や構造分割製造が必要になることが多く、製造プロセスの難易度が大幅に高まり、コストが増加します。

結論積層造形技術の急速な発展に伴い、積層造形のための革新的な設計理論と設計方法を確立し、製造可能性（製造性設計）を備えた高品質の構成（高品質の構成設計）を得ることが、今日の設計者や研究者が直面する新たな課題となっています。トポロジー最適化技術は、数十年にわたる発展を経て、高品質の構成設計（構築材料、多層構造、マルチマテリアル構造、多機能構造）に関する広範な研究を実施し、積層造形技術を最大限に活用して巨大な革新的な設計空間を解放することができます。トポロジー最適化（高度な設計ツール）と積層造形技術（高度な準備ツール）を組み合わせて構造革新能力の急速な向上を実現する方法は、今後 10 年間の研究の焦点とホットなトピックになることは間違いありません。

出典: 神航添加剤

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