積層造形向けの設計: ディーゼルエンジンブラケットのコストを節約し、パフォーマンスを最適化するにはどうすればよいでしょうか?

この投稿は Little Soft Bear によって 2016-12-28 14:35 に最後に編集されました。

レーザー積層造形の専門家であるステファニー・ジエ氏が、ディーゼルエンジンブラケットの設計事例を紹介します。付加製造のための再設計は、重量の軽減、パフォーマンスの最適化、生産コストの削減に大きな役割を果たしました。 Antarctic Bearによると、最近、ブラジルのCummins Brazil、ブラジルのサンパウロ大学工科大学、カナダのオシュワにあるオンタリオ大学工科大学のエンジニアグループが、ディーゼルエンジンの構造性能を向上させるために積層造形による設計の自由度を調査したという。概念実証では、複数の特定の特性を持つこれらのコンポーネントに対する新しい設計アプローチが採用され、その結果、チームは重量を最小限に抑え、パフォーマンスを最適化し、製造コストを削減することに成功したことが示されました。

ディーゼルエンジン支持ブラケットの最適化モデル。新しい構造形態は、重量と材料の使用量を削減しながら、解析によって得られた荷重に対応するサポートを提供できます。

積層造形とトポロジー最適化：自然な組み合わせ

積層造形は、ほぼあらゆる形状の部品を形成できます。積層造形の設計プロセスにより、設計者は重量と性能の比率の最適化など、部品の内部機能の組み合わせに集中できます。付加製造は、部品の機能に基づいて材料を選択的に配分できるため、トポロジー最適化に最も自然に適合する製造方法であると考えられます。従来の製造では、形状が複雑になるほどコストが高くなりますが、積層造形では形状の複雑さはほとんど関係なく、最適化によって材料の使用量、重量、コストを削減できます。

設計可能な部分を再設計する計画。複雑な形状を製造する付加製造の自然な利点により、トポロジー最適化ソリューションをプロセスに簡単に組み込むことができます。もちろん、機械システムのすべての部分が積層造形に適しているわけではないので、積層造形が最大のメリットをもたらす部分を特定するために設計分析を実行する必要があります。

積層造形に適した設計を成功させるにはどうすればよいでしょうか?

「成功」とは、設計/再設計が次のような科学的および経済的利益をもたらすことを意味します。(A) 製造コストの削減 - 組み立ての簡素化や、部品固有のツールなどの大規模な投資の削減などによるもの。(B) 生産コストの削減、パフォーマンスの向上、独自の機能の提供による生産業務効率の向上。自動車業界では、低コスト、信頼性、耐久性、軽量性に優れた部品の需要により、エンジニアや開発者は部品設計の再評価を迫られており、従来機械加工された金属構造であるディーゼルエンジンマウントは、再設計を検証するのに適した選択肢です。

設計分析をどのように実施しますか? 適切な積層造形技術をどのように選択しますか?

再設計前に選択する AM テクノロジは、初期の設計ルールに関係するため、早ければ早いほど良いと言えます。金属積層造形において、選択的レーザー溶融法 (SLM) は粉末床溶融法のサブカテゴリに分類され、その基本メカニズムにちなんで名付けられた技術である直接金属レーザー溶融法として知られています。このプロセスでは、微細なレーザービームを連続した層の粉末床全体に走査し、複雑なトラックを選択的に溶かし、溶融した粉末を固化させて最終部品を作ります。高精度という利点があるため、SLM は微細で複雑な部品の成形によく使用され、ディーゼルエンジンブラケットの製造にもこの技術が採用されています。

従来の減算型製造と比較して、SLM の利点は次の 4 つの側面に反映されています。

形状の複雑さ: SLM はあらゆる立体形状を製造でき、経済的な小ロット製造を実現し、幾何学的形状を簡単にカスタマイズおよび最適化できます。高精度: 材料は細いレーザービームで点ごとに、層ごとに処理されます。レベルの複雑さ: 十分な精度を備えたマシンがあれば、複雑で多レベル、多スケールの構造設計と製造を 0.1 ～ 10 mm の精度で一度に完了できます。機能の複雑さ、形状の柔軟性: 複数の機能を 1 つのコンポーネントに統合できるため、以前は複数のコンポーネントの製造が必要でした。

ディーゼルエンジンブラケットとその動作環境

内燃機関において、エンジンマウントは、エンジンに加えてトランスミッションや付属品を含むパワートレインを保持し、パワートレインを車両シャーシに接続するコンポーネントです。エンジンマウントと密接に関係しているのが、3 つのプーリーで構成される冷却駆動システムです。駆動プーリーはクランクシャフトノーズに接続され、中間プーリーはシステムベルトに圧力をかけ、可動プーリーはファンを駆動するために使用されます。次に、ディーゼルエンジンブラケットを中間プーリーの間に固定します。

冷却システムコンポーネント

3 つのプーリーで構成される冷却システムの積層造形再設計プロセスでは、システムがエンジンサポートブラケットに固定されるときに発生する負荷が考慮されました。コンポーネント全体は、ドライブトレインとシャーシを接続し、中間圧力プーリーをサポートするという部品の 2 つの独立した機能を中心にトポロジ的に最適化されています。

融合設計: SLM技術とトポロジー最適化を考慮

学ぶべき成功した SLM 再設計事例はありますが、対応する独自のルールがまだ不足しており、さらに調査する必要があります。これらのルールのほとんどは現在、ユーザーによって社内で開発されており、ユーザーにとっては重要な商業上の利点であると考えられています。同様に重要なのは、効率的な再設計とトポロジー最適化および設計と製造のシームレスな統合を保証する必要がある積層製造設計ワークフローです。

このワークフローは、次の側面から開始する必要があります。
コンポーネントの規格と開発要件を正確に理解する SLM技術の利点と限界を理解/検討する設計段階で後処理技術を考慮する

製造時間とコストの範囲を決定する<br /> エンジンサポートブラケットの要件は、主に耐荷重能力に関するものです。最適化プロセス中に設定する負荷値を決定するために、車両モデルを特別なトラックでテストします。動力システム内の加速モニターは車両の加速状況をいつでも記録できます。

新しいディーゼルエンジン支持フレームモデル（青い部分）とそれに接続された中間圧ギア。圧力ギアとの正確なドッキングはその重要な機能の 1 つです。関連する負荷値は他の手段によっても取得できます。冷却システムに関連するホイールハブの場合、ベルトの材質、電力消費とエンジン速度の曲線、および車両のデューティサイクルを考慮して、商用ソフトウェアを使用して負荷の大きさと方向の値を導き出すことができます。クランプ荷重超音波装置を使用して測定します。

データに基づいて、シリンダーキャビティ、ボルト、中間圧力プーリーの有限要素モデルが形成され、構造数学最適化の反復計算プロセスを開始できます。有限要素メッシュ設計は、取得したデータに基づいてエンジンサポート構造のトポロジを最適化するのに役立ちます。

積層造形法を使用して設計上の限界を打ち破り、コンポーネントのパフォーマンスを最適化します<br /> この分析プロセスで重要なのは、積層造形設計の柔軟性の限界を認識することです。この柔軟性により、設計者はトポロジー最適化技術を使用して部品の機能性を向上させることに集中できます。適用された荷重、境界条件、設計体積が与えられると、ソルバーは構造コンポーネントの最適な材料使用量と材料分布を導き出すことができます。

しかし、設計者やエンジニアは、製造可能なソリューションを確保するために、トポロジー最適化の問題に過剰反応することがよくあります。このアプローチは無駄が発生しやすく、積層造形による設計の自由度の利点を十分に活用できない可能性があります。積層造形の利点を理解し、設計上の限界を絶えず打ち破ることによってのみ、積層造形を真に活用して部品製造の競争力を最大化することができます。

著者について
レーザー積層造形の専門家、ステファニー・ジエ氏。積層造形プロセスチェーン全体（設計、プロセス開発、生産準備など）に対する深い理解と豊富なアプリケーション開発経験。彼女は現在、英国を拠点とするレーザー粉末床溶融結合技術のメーカーに勤務しています。
出典: 3D Printing World 詳しい情報:
3Dプリントでアストンマーティンの最も強力なエンジンが誕生。GEの3Dプリント航空機エンジン燃料噴射装置は承認され、我が国のC919旅客機に使用される予定。

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