PEPプロセス+トポロジー最適化により、イノベーションのための幅広い設計空間が拡大

トポロジー最適化 (TO) は、設計者が設定した一連の定義済みルールに基づいて、特定の 3D ジオメトリ設計空間内で材料のレイアウトと構造を最適化するプロセスです。目標は、設計範囲内で外力、荷重条件、境界条件、制約、材料特性などの要素を数学的にモデル化し、最適化することで、構造のパフォーマンスを最大化することです。

従来型製造業におけるトポロジー最適化のジレンマ

トポロジー最適化は、初期構成やエンジニアの経験に依存せず、まったく予想外の革新的な構成を実現できるため、学者やエンジニアから大きな注目を集めています。簡単に言えば、元の構造は実際には加工の便宜上かなり規則的ですが、その中の大量の材料はそれほど多くの応力を受けません。計算と反復的な最適化を通じて、部品の構造を新しいスタイルに最適化できます。新しい部品の各部の応力状態は以前よりも均一になり、狭い範囲での応力集中はありません。このようにして、不要な材料を取り除き、材料の負荷容量をより十分に活用できるため、優れた機械的特性を確保しながら軽量構造を実現できます。下の図に示すように、トポロジー最適化後、ブラケットの形状は、剛性に最も寄与する材料の 50% のみを保持します。

△ トポロジー最適化の模式図ただし、トポロジー最適化結果の幾何学的構成は複雑であり、従来の製造プロセスを使用して準備することは非常に困難であるため、トポロジー最適化法と実際のエンジニアリング構造設計の間には依然として大きなギャップがあります。多くの場合、設計者は製造可能性を満たし、製造コストを削減するために、製造技術と経験に基づいて最適化結果の二次設計を実施する必要があります。このアプローチは構造の最適性を損なうことが多く、結果として得られる構造性能は既存の構成の性能にさえ達しない可能性があります。一方、従来の設計コンセプトや製造プロセスに制約され、構造はマクロなトポロジーのみで設計されることが多く、構造のマルチスケールの変更や空間勾配の変更によってもたらされる広大な設計空間が十分に活用されず、製品性能の向上が極めて限定的になります。

3Dプリンティングは「製造がデザインを決定する」という概念を打破できるか

付加製造技術（一般に 3D プリンティングとも呼ばれる）は、材料を層ごとに追加して構造物を準備する技術です。この独自の製造方法により、非常に複雑な構造を自由に「成長」させることが可能になり、設計空間が大幅に広がり、新しい構造や材料を準備するための強力なツールが提供されます。 3D プリントは、完全にデジタル化された 3 次元モデルに基づいています。インテリジェントなトポロジー最適化システムのサポートにより、非常に複雑な幾何学的形状を作成でき、ミクロからマクロまで複数の幾何学的スケールで構造を準備できます。従来の製造技術の限界を打破し、製品の研究開発における「製造がデザインを決定する」問題を解決します。

△典型的なトポロジー最適化設計手順そのため、トポロジー最適化と 3D プリント技術を統合し、革新的な設計技術を開発することには大きな展望があります。例えば、航空宇宙構造部品の革新的な研究開発は、小ロット、多品種、高性能という特徴を持っています。 3Dプリントは、金型を使わない3次元の複雑な構造物のデジタル製造技術として、複雑な構造物を素早く製造することができます。これは、部品の形状、幾何学的寸法、内部の複雑な構造に関する従来の製造技術の基本的な制約を打ち破るだけではありません。また、大多数の設備構造設計者が3Dプリント技術の特性をフルに活用して発揮し、構造革新設計に対する従来の製造技術の長期的な束縛から完全に解放され、夢を羽ばたかせ、製品性能の最適化を目標に革新的な設計を自由に実行できるようになります。

PEPプロセスではトポロジー最適化は問題にならない

積層造形技術を基盤として、従来の設計の「限界」を打ち破り、統合型で軽量、低コスト、高性能な新構造・新材料を開発することが、新世代の大型・ハイエンド機器・構造物の開発にとって急務となっています。 Sublimation 3D は、国内の金属/セラミック間接 3D 印刷技術の先駆者でありリーダーです。 PEP プロセスの製造安定性と複雑な部品を準備する能力を実証するために、実際の 3 次元融合産業アプリケーションを昇華し、PEP 技術の利点を十分に発揮し、トポロジー最適化設計を組み合わせ、独自に開発した独立したデュアルノズル 3D プリンターを使用して、異なるトポロジー構造を持つ類似の元の部品に基づいて金属ブラケット部品のグリーンビレットを印刷し、その後、脱脂と焼結によって一貫した機械的特性を持つ最終的な高密度構造部品のバッチを準備します。

同社の設計エンジニアは、与えられた負荷条件、制約、性能指標に基づいて、ブラケット部品のサイズ、形状、構造、材料分布などの面でのトポロジ構造設計を最適化し、ブラケット部品の機能要件を満たしながら製造性を向上させることができます。設計されたトポロジーによってコンポーネント間の必要な接続がすべて容易になることを確認した後、設計エンジニアは元の構造の詳細を可能な限り少なくして、剛性と重量の比率を改善しました。

△トポロジカル構造設計モデルはPEPプロセスを採用し、同社の3Dプリント装置を通じてグリーンボディを印刷することで、製造時間とコストを大幅に節約し、処理サイクルを短縮できます。その後の脱脂および焼結処理により、部品のさまざまな指標の強度と性能が保証されます。さまざまなトポロジ構造の制約パラメータがテストおよび分析されます。PEP 方式で印刷された同様の構造部品の主要なパフォーマンス指標は一貫しており、3D 印刷のトポロジ最適化の成功を完全に実証し、産業の革新的な構造設計と開発、および大量生産のためのソリューションを提供できます。

△トポロジー最適化ブラケット（緑）
△トポロジー最適化ブラケット（焼結）
積層造形技術の急速な発展に伴い、積層造形のための革新的な設計理論と方法を確立し、製造可能な高品質の構成を得ることが、今日の設計者や研究者が直面する新たな課題となっています。数十年にわたる発展を経て、トポロジー最適化技術は構造材料、多層構造、多材料構造、多機能構造において広範な研究が行われ、積層造形技術を最大限に活用して巨大な革新的な設計空間を解放できるようになりました。トポロジー最適化と積層造形技術を組み合わせて構造革新能力を急速に向上させ、設計結果のエンジニアリング応用を実現する方法が、間違いなく次のステップの研究の焦点となるでしょう。

金属/セラミック材料の開発と準備、金属/セラミック 3D プリンターの研究開発と製造、スライスソフトウェアの開発から 3D 印刷プロセス、脱脂、焼結プロセスまで、金属/セラミック間接 3D 印刷プロセスチェーンとソリューションの完全なセットを備えた数少ない国内サプライヤーの 1 つです。 Sublimation 3D は、従来の金属およびセラミック製造プロセスでは製造できない問題の解決に取り組んでおり、チェーン全体、プロセス全体、完全装備の金属/セラミック製造を通じて、付加価値の高いサービスを積極的に提供しています。 Sublimation 3D は、今後も技術革新能力の向上、市場のアプリケーションニーズへの対応、ソフトウェアとハードウェア機能の継続的な開発と改善、プロセスソリューションサービス能力の強化に努めてまいります。技術基盤を強化し、産業の原動力を革新し、我が国のスマート製造業の高品質な発展を加速します。

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