軽量金属3Dプリント技術を実現する4つの方法

▲Autodesk が Netfabb ソフトウェアを使用して設計し、3D プリントした金属製航空機シートは、強度は同じですが、重量が 56% 削減されています。
軽量化の概念はもともとレースで生まれたもので、その利点は実は理解しにくいものではありません。車が軽くなれば、ハンドリングが向上し、加速が速くなり、燃料消費が少なくなります。自動車分野だけでなく、航空宇宙分野でも軽量化の需要は高いです。本日は、西安ポリライトレーザー成形技術有限公司（以下、「ポリライト」）の金属3Dプリント技術を活用した軽量化を実現する4つの方法をご紹介します。

ポリライトは毎年、金属3Dプリントの軽量化研究に多数の研究開発人員と資金を投入しています。軽量化を実現するために、マクロレベルでは、チタン合金、アルミニウム合金、マグネシウム合金などの軽量材料を使用することで目標を達成できます。ミクロレベルでは、高強度構造用鋼などの材料を使用することで、部品をよりコンパクトかつ小型化して設計することができ、軽量化につながります。

金属3Dプリントは構造設計による軽量化を実現します。具体的には、金属 3D プリントが構造設計を通じて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、統合構造、トポロジー最適化構造の 4 つがあります。一つずつ紹介します。

アプローチ1: 中空サンドイッチ、薄壁強化構造
銅合金製テールノズルの内壁と外壁の間に 50 個のコンフォーマル冷却チャネルが設計されており、冷却接触表面積を増やし、温度を下げて急速冷却を実現し、部品の動作温度を効果的に高めます。

中空サンドイッチ構造と薄壁強化構造は、通常、比較的薄い表面シートと比較的厚いコアで構成されます。曲げ荷重を受けると、表面材は主に引張応力と圧縮応力を負担し、芯材は主にせん断応力を負担し、圧縮応力も一部負担します。サンドイッチ構造は、軽量、高い曲げ剛性と強度、不安定性に対する強い耐性、疲労耐性、吸音性と断熱性などの利点があります。

航空、風力タービンブレード、スポーツ機器、造船、鉄道機関車などの分野では、軽量化のためにサンドイッチ構造が広く使用されています。

スキンとコアの材料にアルミニウムまたはチタン合金を使用する場合、このサンドイッチ構造は金属サンドイッチ構造と呼ばれます。 3Dプリントプロセスでは、Polyliteはサンドイッチ構造を使用してコンポーネントの迅速な軽量化を実現します。設計されたサンドイッチ構造は、スキンに直接作用する引張荷重と圧縮荷重に対して優れた分散効果を発揮します。薄肉構造（壁厚1mm未満など）も軽量化に貢献できます。サンドイッチなどの構造をラジエーターとして使用し、部品に適用すると、部品の熱交換面積が大幅に増加し、放熱効率が向上します。

アプローチ2: 中空格子構造
中空格子構造は、エンジニアリングの強度、靭性、耐久性、静力学、動力学、製造コストの完璧なバランスを実現できます。

3次元中空構造は空間対称性が高く、外部荷重を均等に分散し、積載量を確保しながら軽量化を実現します。エンジニアリングのニーズに加えて、中空格子構造には空間的な細孔（細孔サイズは調整可能）があり、インプラント用途において人体（組織）とインプラント組織の融合を容易にすることができます。

中空格子ユニットの設計は柔軟性が高く、使用環境に応じて、さまざまな形状、サイズ、多孔度の格子ユニットを設計できます。ポリライトは、この点に関して継続的な試みを行ってきました。部品に高い強度が求められる分野では、格子ユニットの密度を大きく調整し、構造強度の高い中空格子ユニットを選択します。部品に高い軽量化が求められる分野では、軽量範囲の広い中空格子構造を追加します。中空構造は規則的に配置できるだけでなく、ランダムに分散させて不規則な気孔を形成することもできます。さらに、中空構造は、コンポーネント全体の勾配強度要件を満たすために、可変の密度と厚さの勾配遷移配置を提供することもできます。

アプローチ3: 統合構造
GE は 3D プリントを通じて燃料噴射装置の構造統合を実現し、耐用年数と全体的なパフォーマンスを向上させました。

金属3Dプリントは、もともと複数の部品で構成されていた部品を、1つの統合された形で印刷することができます。これにより、部品の統合構造が実現され、元の複数の部品を組み合わせたときに存在する接続構造（フランジ、溶接など）が回避されるだけでなく、設計者が制約を打ち破り、機能の最適化設計を実現するのに役立ちます。

一体構造の実現は軽量化の利点をもたらすだけでなく、組み立ての必要性を減らし、企業が生産効率を向上させるための実現可能なスペースを生み出します。この点に関する典型的な例としては、GE が 10 年以上にわたる調査を通じて、燃料インジェクターの設計を継続的に最適化、テスト、再最適化し、インジェクターの部品数を 20 個以上から 1 個に削減したことが挙げられます。 3Dプリントによる構造の一体化により、インジェクターノズルの過熱やカーボン堆積の問題が改善されるだけでなく、インジェクターノズルの耐用年数が5倍に延び、LEAPエンジンの性能が向上します。

アプローチ4: トポロジー最適化構造
トポロジー最適化は、積層造形設計プロセスを短縮するための重要な手段です。トポロジー最適化は、部品の剛性に影響を与えない領域から材料を決定して除去するために使用されます。トポロジカル手法は、境界条件、プレストレス力、負荷目標など、定義された設計領域内で最適な材料分布を決定します。

▲エアバスの3Dプリントバイクの重量はわずか35kgで、車体フレームはトポロジー的に最適化されている
トポロジー最適化では、元の部品の材料を再配分し、多くの場合、軽量化の要件に基づいて機能の最適化を実現します。トポロジー最適化の後、シミュレーション解析によって最終的に特殊形状の構造がモデル化されます。これらの設計は従来の処理方法では処理が難しいことがよくありますが、金属 3D プリントでは実現できます。

さらに読む:
《驚異的なトポロジー最適化 3D プリント事例一覧》
3Dプリントされた中空シートフレーム：56％軽量、A380に使用すれば燃料費を2億ドル削減できる
3D プリントにより、宇宙船のアンテナの軽量化が実現しました。部品の数は 100 個から 1 個に減り、重量は 95% 削減されました。》

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出典：中国工業制御ネットワーク

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