DfAMは、付加製造のための閉ループで効率的かつ追跡可能なワークフローを設計します。

設計エンジニアは仕事の中で多くの課題に直面します。問題点としては、最適な構造形状を得る方法、最適な構造形状と最適な製品性能を組み合わせる方法などがあります。特に 3D プリントの技術的特性を考慮すると、設計エンジニアは自身の思考の制約を打ち破る必要があります。 DfAM (積層造形向け設計) の最も一般的な定義は、積層造形技術の能力に基づいて、形状、サイズ、階層構造、材料構成を体系的に統合設計することにより、製品のパフォーマンスを最大化する手法です。

DfAM コンセプトからインテリジェント設計ソフトウェアへ 近年、Autodesk の Within や Altair solidThinking などのソフトウェアが、積層造形向けの設計に便利なツールを設計者に提供しています。積層造形（DfAM）の概念を育成するには、Autodesk netfabb、Materialise 3-matic、Magics ソフトウェアパッケージなどの関連する深化ソフトウェアが必要です。これらのソフトウェアには、ラティス構造設計やトポロジー最適化部品のファイル編集、スライス、変形シミュレーションをサポートする機能があります。

これらのソフトウェアは、設計と 3D プリントを効果的に組み合わせます。複雑なプロジェクトでは、より大規模なエンドツーエンドのソリューションが必要になります。たとえば、シーメンスの PLM 積層造形製品ライフサイクル管理システムとダッソーの 3DExperience プラットフォームは、DfAM の概念をさらに体系的な範囲に拡張しました。

図: 最小限のサポート材料で 3D プリントされたトポロジー最適化されたボトルオープナー

この点に関して、DfAM のアイデアは以下の側面を中心に展開することができます。
1. 設計: 最小限の材料で性能要件を満たす ここで、トポロジー最適化や格子構造などのツールを使用して、より軽量で効率的な製品を作成するという DfAM 設計哲学が登場します。この点、例えば、solidThinking を通じてトポロジー最適化とグリッド構造設計を統合することで、設計者はトポロジー最適化を通じて材料レイアウトを簡単に見つけることができ、その後、応力、降伏強度など、より多くの設計要件を考慮し、格子を通じてより詳細な材料分布を行い、最適な設計を実現できます。

2. 設計：3Dプリント統合構造実現 つまり、最小限の数のコンポーネントを使用して、最も高度な技術的なパフォーマンス要件と、それらがもたらす付加価値を満たすということです。多数の小さな部品で構成されるアセンブリを、単一の統合された高度にカスタマイズされた形状に変換します。組み立て工程と多数の部品（複数のネジ、ボルト、ナット、ワッシャーなど）の在庫をなくすことで、コストが削減されるだけでなく、後でボルト締めや溶接によって発生する可能性のある組み立てエラーやメンテナンスの必要性も回避できます。

3. 設計: （または既存の設計を修正して）最小限の材料で製造プロセスの要件を満たす これにはサポート材の設計が含まれます。積層造形プロセスでは、これらのサポート材は一方では廃棄物を生み、サポート材を除去する作業負荷を増加させます。他方では、サポート材は印刷プロセスをスムーズに完了するのに役立ち、かなりの残留応力を軽減する可能性があります。そのため、最小限の材料とサポート構造の設計の間には微妙なバランスがあり、このバランスの把握と積層造形の特徴を組み合わせる必要があります。 3D サイエンスバレー拡張読書: サポート材料を回避するための設計の最適化

4. デザイン: 機能性を向上させるデザイン たとえば、コンフォーマル冷却金型の場合、3D プリント技術により、クロスドリリングの制限を回避して冷却水チャネルを製造できます。3D プリントされたコンフォーマル冷却水チャネルは、冷却要件に応じて異なる冷却回路で設計することもできるため、一定の速度で熱を放散して均一な熱放散を促進します。

もう一つの例は、熱交換器の設計です。例えば、英国のHiETA社が改良している熱交換器製品は、非常に薄い材料を溶接して作られています。複雑な設計により製造が煩雑になり、時間がかかり、余分なはんだ付けにより部品の全体的な重量が増加します。それは複雑で、重く、時間がかかり、労働集約的です。 3Dプリントされた熱交換器は、放熱効率が向上し、従来製造された部品に比べて重量とスペースが約30％削減されます。

5. 設計: 材料タイプの設計を最適化します。 一方、3D プリンティングは、従来は加工が困難だった材料を加工して、熱伝導性、延性、強度などのより優れた材料特性を得ることができます。この点に関して、シーメンスが投資しているマテリアルソリューションズを例に挙げてみましょう。マテリアルソリューションズは、継続的な実践を通じて、選択的レーザー溶融プロセスが複雑な部品の製造において独自の利点を持つことを発見しました。特に疲労荷重アプリケーションでは、従来の機械加工方法よりもコストが低くなります。 Materials Solutions による主要なプロセス変数の厳密な制御と幅広いプロセスウィンドウにより、非常に一貫性のある材料特性と部品形状を備えた繰り返し可能な製造プロセスが実現します。

一方、3D プリントはさまざまな合金の加工にも使用できます。部品の片側には耐熱性が必要で、もう一方には低密度が必要な場合や、片側だけに磁性がある場合もあります。これまで、このような部品を製造する唯一の方法は、まず異なる部品を別々に製造し、その後それらを溶接する溶接を使用することでした。しかし、溶接部は本来欠陥があり脆くなりやすく、高強度の圧力によって部品が簡単に崩壊する可能性があります。 3D プリントで使用されるさまざまな合金材料は、従来の加工技術では解決が難しい問題を解決することができます。 2015年には、NASAジェット推進研究所の科学者らも、単一の部品に複数の金属や合金を混ぜて印刷できる新しい3D印刷技術を開発しました。 3Dサイエンスバレー拡張読書：NASAはろう付けに代わる2つの合金で作られた3Dプリントロケットエンジン点火装置のテストに成功した

6. 設計: 構築方向を最適化してサポート構造の必要性を減らす 多くの 3D プリント部品にはサポート構造が必要ですが、特に粉末床金属溶解の製造プロセスでは、サポート構造の構築がいくつかの理由で必要です。1 つ目は、サポート構造によって部品とビルドプラットフォームの安定性が強化され、サポートされるためです。2 つ目は、サポート構造によって部品構築プロセス中に余分な熱が取り除かれるためです。3 つ目は、サポート構造によって部品の反りが防止され、部品構築プロセス中の故障の可能性が低減されるためです。サポート構造の除去は後処理の総コストの最大 70% を占める可能性があり、サポート構造の必要性を最小限に抑えるためには部品の構築方向を慎重に検討する必要があります。 3D サイエンスバレー拡張読書: 3D プリントで注意すべきサポート構造と応力

もちろん、このプロセスは、レニショーの新しい量子準備ソフトウェアである QuantAM を使用することで、よりスマートに実行できます。このソフトウェアを使用すると、サポート構造が必要な領域を視覚化し、その展開を支援できます。

7. 設計: 効率的で追跡可能なワークフロー 前処理（加工パラメータ設定など）からプロセス監視（溶融池監視など）、後処理（熱処理、仕上げ、サポート構造除去、表面処理など）まで、積層造形による部品製造に関わるすべてのタスクをデジタルで記録し、評価する必要があります。記録されたデータは、その後の品質分析やリアルタイム制御ソフトウェアの開発に使用され、継続的なプロセス改善や関連する品質基準の導入をサポートするために使用できます。

閉ループで効率的かつ追跡可能なワークフローを形成することによってのみ、DfAM をより深く、よりインテリジェントに理解できるようになります。

出典: 3D Science Valley 詳しい情報:
3D プリント金型のコンフォーマル冷却水チャネルを設計する際には、どのような点に注意する必要がありますか?

DfAMは、付加製造のための閉ループで効率的かつ追跡可能なワークフローを設計します。

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