多軸積層造形におけるトラス構造と造形方向の協調最適化に関する研究

出典: WAAM アークアディティブ

積層造形（AM）は過去 10 年間で急速に発展しましたが、オーバーハングのある部品の印刷は依然として課題であり、任意の形状のコンポーネントの製造が制限されています。構造最適化では、オーバーハング制約を追加することでこの問題を軽減できます。しかし、これまでの研究は主に 3 軸マシンに焦点を当てており、多軸機能については十分に検討されていません。これらの従来の三軸法では、構造材料の消費量に関して大きなトレードオフが必要になることがよくあります。

最近、イェ・ジュン氏のチーム、リーズ大学、ロイヤルメルボルン工科大学、シェフィールド大学、インペリアル・カレッジ・ロンドン、バース大学は、エンジニアリング技術分野のトップジャーナルである「エンジニアリング・ストラクチャーズ」に「多軸積層造形におけるトラス構造と構築方向の同時最適化」と題する論文を発表しました。この論文では、オーバーハング制約を考慮したトラスレイアウト最適化の方法を紹介します。具体的には、多軸積層造形に基づいてオーバーハング制約が考慮され、最適化プロセス中に構造と関連するローカル構築方向が同時に設計されます。 2 段階の最適化スキームが提案されています。最初のステップでは、特定の最適化された構造の印刷面を決定することに重点を置いた新しい最適化問題を採用します。ただし、このステップでは構造は変更されないため、オーバーハングの問題は解消されない可能性があります。この問題に対処するために、第 2 ステップでは包括的な最適化を使用して、構造と印刷面の両方を同時に改良しました。これは、オーバーハングを最小限に抑えながら構造効率をさらに向上させることを目的としています。この包括的な問題の非線形かつ非凸な性質を考慮して、第 2 ステップで初期ソリューションの品質を向上させる反復法も導入されています。提案された方法の有効性を検証するためにいくつかの数値例を示します。さらに、最適化された構造の 1 つが、多軸積層造形機を使用して物理的に検証されました。

図1. 最大オーバーハング角 φmax
図 2. 構造のオーバーハング角度が印刷品質に与える影響: (a) 多軸積層造形機 (b) 3 軸印刷中にロボットアームが回転しても、ϕmax は変化しません。（c）プラットフォームの回転は、マルチ軸印刷でϕmaxを増加させます。ϕmaxは3軸と多軸印刷の衝突問題を表します（b）ベース構造を生成します。それぞれfig。隣接する分割された印刷面間の接続性: (a) 印刷面の接続性が破壊される; (b) 印刷面の接続性が達成される図 10. 同じレイヤー内の領域境界位置変数が最適化プロセスに与える影響: (a) 独立変数として考慮され、印刷レイヤーに未充填領域が生じる可能性があります。 (b) 同じ行/列の共有境界位置ベクトル。ここで、wx と wy は、それぞれ x 軸と y 軸方向の立方体領域の境界座標を表します。図 11. 提案アルゴリズムのフローチャート図 12. 回転カンチレバーの例: (a) ケースの説明 (b) 設計領域分割 (c) 公称最適化構造。赤いコンポーネントは、オーバーハング角度が 50∘ より大きいことを示しています。 (d) 再構築プロセスなしで得られた最適化された構造の 3D モデル。体積は 20.20% 増加しています。 (e) 異なるペナルティ係数の最適化結果の例。赤い要素は印刷できないことを示します。図 13. 二重荷重トラスの例: (a) ケースの説明。 (b) オーバーハング制約を考慮しない公称最適化結果。 (b)と比較すると、(c)は曲線印刷計画とSz = 1.0の最適化された構造を採用しており、体積は5.10%増加しています。 (d) 曲線印刷プランとSz = 2.0の最適化された構造、体積増加は1.11%。 (e) 曲線印刷計画とSz=3.0の最適化された構造では、体積が0.35%増加します。 (f) 曲線印刷計画とSz=4.0の最適化された構造では、体積が1.13%増加します。 (g) 水平印刷計画による最適化された構造では、体積が 12.43% 増加します。
図 14. 図 14(g) に示す最適化されたカンチレバーの多軸印刷シミュレーション。図 15. モデル印刷プロセスの写真。(a-d) は印刷の中間状態を示し、(e) は完成したモデルを示しています。注目すべきは、(e)では、最も高いオーバーハング角度を持つコンポーネントAとBがサポートなしで正常に印刷されたことです。しかし、上部部材 C に小さな欠陥が見られましたが、これは回転ベースプラットフォームの機械的な動作エラーに起因すると考えられます。
主な結論（1）さまざまな方法の有効性を評価するために、従来のレイアウト最適化によって得られた公称ソリューションをベンチマークとして使用し、オーバーハング制約によって引き起こされる体積の増加を測定します。多軸構成に基づく方法は、3 軸構成に基づく技術よりも適応性が高くなります。たとえば、図 14 に示す片持ち梁の例では、三軸法では体積が 117.19% 増加しましたが、多軸法では体積の増加が 1.85% に大幅に減少しました。

（２）パーティション間隔の選択は最適化結果に直接影響します。パーティション境界がノードと密接に位置合わせされている場合、提案された反復プロセスでは比較的低い材料消費の結果が得られます。

（３）物理的検証プロセスでは、局所的な造形方向の変化によりわずかな表面欠陥が発生したものの、オーバーハング効果は正常に排除されました。

著者について<br /> 第一著者は工学博士の Ye Jun 氏です。彼は武漢大学と浙江大学でそれぞれ学士号と修士号を取得し、英国シェフィールド大学で博士号を取得しました。彼は、インペリアル・カレッジ・ロンドンとバース大学で博士研究員を務め、またウェスト・オブ・イングランド大学で助教授を務めた。同時に、ケンブリッジ大学、インペリアル・カレッジ・ロンドン、バース大学、香港大学などの大学とも協力関係を築いています。 Ye Jun は金属および複合構造、空間構造、インテリジェント構造設計と建設の研究に取り組んでいます。彼の研究対象には、ステンレス鋼と普通鋼の構造設計、工学構造の耐震性、複雑な構造設計、金属構造とコンクリート構造の 3D プリント、構造最適化、土木工学におけるロボットの応用などがあります。彼は、Journal of Structural Engineering-ASCE、Journal of Computing in Engineering、Engineering Structure、Thin-walled Structures、Computers and Structures などの国際的に有名なジャーナルや会議で 30 本以上の論文を発表しており、10 回以上学術報告に招待されています。

連絡先著者
Hongjia Lu 氏は、オーストラリアのメルボルンにある RMIT 大学の革新的構造および材料センター (CISM) の研究者であり、ARC Laureate Fellowship プログラムを担当しています。彼は2013年にリバプール大学で土木工学の学士号を取得し、2014年にインペリアル・カレッジ・ロンドンで構造工学の修士号を取得し、2017年にシェフィールド大学で博士号を取得しました。彼の研究対象には、トラスレイアウトの最適化、連続体トポロジーの最適化、建物構造の設計と付加製造 (AM) に関連するアプリケーションなどがあります。 2017年から2019年まで、LimitStateのコアソフトウェア開発者として勤務し、Ansys SpaceClaimベースのレイアウト最適化プラグインLimitstate:FORMや、Rhino-GrasshopperベースのPeregrineの開発に携わりました。 2019 年から 2020 年にかけて、シェフィールド大学の INTEGRADDE プロジェクトで研究アシスタントとして勤務し、多軸 AM マシンを使用して製造された金属部品の構造最適化に重点を置きました。 2021年には浙江大学で勤務し、積層造形に関連するトポロジーとレイアウトの最適化を研究しました。

論文引用
Jun Ye、Xiaoyang Lin、Hongjia Lu、Linwei He、Guan Quan、Cheng Huang、Paul Shepherd。多軸積層造形におけるトラス構造と造形方向の同時最適化：エンジニアリング構造 327(2025)119680

出典: https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2025.119680

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