DfAM設計プロセスにおける積層造形技術の応用について考える

出典: アリアンツ・アジア・パシフィック

積層造形設計 (DfAM) とは、構造設計エンジニアが積層造形独自のプロセスの利点を活用して製品を構築する設計プロセスを指します。このため、設計エンジニアは、設計プロセス全体を通じて、積層造形プロセスの制約が設計に与える影響を常に考慮する必要があります。

積層造形アプリケーションの普及に伴い、部品の軽量化、複数の部品の 1 つの部品への統合、機械的特性の向上など、積層造形が製品設計にもたらす利点がますます明らかになっています。付加的な製品を設計するときは常に思考プロセスであり、このプロセスでは慎重な決定を行う必要があります。設計は設計ガイドラインに基づいて行うだけでなく、軽量化や機械性能などの多くの条件も考慮する必要があります。

世界中の製造企業が積層造形にますます注目するにつれて、条件が許せば積層造形に製品部品を具体的にターゲットにすることがますます重要になっています。しかし、従来の部品の多くでは、積層造形はあまり意味がありません。金型製作を必要とする従来の部品の多くでは、試作段階で積層造形を使用すると、コストを大幅に節約できます。たとえば、自動車業界では、積層造形は設計初期段階でのコスト削減に大きな影響を与えます。

積層造形の分野では、部品の製造工程を直接置き換える、部品の細部を変更して積層造形工程に適応させる、積層造形専用に設計するなど、設計にはさまざまなレベルがあります。これら 3 つの設計方法によってもたらされる結果は異なります。もちろん、3 つの中では AM 向けの最後の設計が最良の選択です。軽量化を実現できるだけでなく、部品の機械的特性、組み立ての難しさ、占有スペースのサイズも改善できます。

付加製造は製品に付加価値を与えます SLM金属印刷の場合、積層造形プロセスのコストは非常に高く、その製造方法は「シリアル」生産方式しか採用できません。従来の従来の製造技術と比較すると、積層造形の速度は非常に遅いため、製品に付加価値をもたらすことができる場合に積層造形を使用する必要があります。

製品の概念設計段階では、エンジニアは製品全体の構造と部品構成の影響を分析し、構成製品の製造プロセスを確認する必要があります。積層造形によって製品のメリットを最大化できる場合は、部品専用の積層造形プロセスを設計する必要があります。

DfAM 設計における積層造形プロセスの応用
1) 成形方向 積層造形用の部品を設計する場合、部品のさまざまな材料のプロセス制限を考慮し、プロセス制限に基づいて部品の形状を変更する必要があります。同時に、材料の成形方向が部品に与える影響も考慮する必要があります。たとえば、3 周期極小面のジャイロイド単位セルは、図 1-ジャイロイド単位セルに示されています。

図1-ジャイロイド細胞の印刷方向は赤い矢印の方向です。左図の境界法に従って印刷すると、効果は非常に滑らかで、印刷リスクも非常に低くなります。ただし、右図の側面境界を印刷すると、効果が比較的粗くなり、崩壊のリスクも非常に高くなります。図2-ジャイロイド細胞標本に示すように、図の細胞の左側は印刷方向に沿って成長しており、非常に繊細で滑らかです。ただし、写真の右側には水平スパンが多く、効果が明らかに非常に粗いため、設計プロセスでは、成形方向を考慮することも非常に重要です。

図2-ジャイロイドユニットセル標本
2) きれいな粉末 SLM プロセスでは、部品製品を設計する際に、部品を印刷した後の部品粉末洗浄の問題も考慮する必要があります。部品間の最小隙間は少なくとも特定の値以上でなければならず、材料ごとに異なる最小開口部を選択する必要があります。もちろん、パフォーマンスとプロセスが競合する場合は、妥協案を採用する必要があります。

3) 成形スパン 図 3 - 支えのない橋梁に示すように、部品のスパンが大きい部分では表面が非常に粗くなります。

図3 - 支持されていない橋上記の図3から、水平スパンが大きいほど、形成が難しくなることがわかります。下側部分の表面品質は非常に悪く、構造は非常に不安定になり、粉末敷設装置を損傷する可能性もあります。

4) 部品配置方向 設計時に、部品が確実に印刷されるように、サポートの量、強度、表面品質、材料特性だけでなく、部品のさまざまな印刷方向を常に考慮する必要がある理由はたくさんあります。このように、部品の機械的境界条件に応じて印刷方向を変更することで、部品の異方性によって引き起こされるさまざまな強度の問題を回避できます。金属印刷への影響は比較的小さく、熱処理や熱間等方圧プレスなどの他の後処理プロセスを通じて解決できます。

マイルストーンケース 今年6月13日、航空分野における積層造形の応用は再び画期的な発展を迎えました。ドイツのルフトハンザテクニック3Dプリント技術センターが開発した金属積層造形ブラケット「A-Link」が、欧州航空安全機関から正式な耐空性認証を取得しました。図 4-A-Link 3D プリントブラケットに示すように。

図 4-A-Link 3D プリントブラケット。これ以前は、この部品は従来の鍛造技術を使用して製造されていました。その主な機能は、エンジン吸気カバーに環状の熱風チャネルを固定することです。各エンジンには 9 つの A-Link 部品があります。エンジンが作動すると振動が発生し、取り付け穴のAリンクが摩耗するため、定期的に部品を交換する必要があります。

この部品にかかる主な荷重は引張と圧縮で、曲げとせん断の荷重はわずかです。この単一の力の境界条件は、積層造形担当者にとって第一の選択肢となっています。

また、安全上の冗長性も非常に大きい。各エンジンには9つのA-Link部品があるため、エアバスのブラケットは並列に配置された4つの部品で構成されています。つまり、飛行中に1つの部品が故障しても、致命的な問題は発生しません。

このタイプの部品は、トポロジー最適化によって軽量化するように設計されており、金型コストとカスタム金型の時間コストも節約できます。需要が少なく、軽量である必要があり、摩耗しやすい部品の積層製造プロセスに多くの機会をもたらします。

積層造形は現在、急速な発展と進化を遂げています。今後、積層造形産業を豊かにする新技術、新ソフトウェア、新素材がさらに登場し、積層造形産業に投資する企業や学校も増えるでしょう。これは期待に値する産業です。

-著者-
構造設計エンジニアの Li Ruipeng 氏は、積層造形設計のプロジェクト経験が豊富です。シミュレーショントポロジーの結果に基づいてコンポーネントの軽量構造を設計し、3 周期の極小表面の単位セルを使用して熱交換器構造を設計します。また、印刷プロセスに基づいて、従来の工業デザイン部品を積層造形用に最適化します。

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1. 試用機能：自動金型適合水路設計、デジタルテクスチャ設計、その他のインテリジェント設計要件のドッキング。
2. トライアル対象：創成クラウドは現在、エンタープライズ機能のみを公開しており、トライアルはエンタープライズに基づいています。
3. トライアルルール：企業は情報収集フォームに記入し、Anshi Asia Pacificが情報を審査してニーズを確認した後、トライアルアカウントと機能権限が付与されます。
4. トライアル方法：アリアンツ・アジア・パシフィックは、トライアル企業に簡単なコンサルティングとそれに伴うオンライン実践トレーニングおよびサービスを提供します。

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DfAM設計プロセスにおける積層造形技術の応用について考える

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