積層造形とトポロジー最適化：航空宇宙部品の性能向上

Antarctic Bearによると、インド国立工科大学の機械工学科の研究者は、積層造形技術とトポロジー最適化を組み合わせて航空宇宙用ブラケットを再設計し、部品の重量を減らして安全係数を改善した。これは、統合されたトポロジー最適化設計と積層造形が軽量部品の設計と製造に効果的なツールになり得ることを証明している。

付加製造（AM）技術は、バイオメディカル、自動車、航空宇宙などの分野で部品を製造するために使用できる高度な製造プロセスです。 AM プロセスの主な利点は、複雑な構造を自由に設計できること、材料の無駄が減ること、生産時間が短縮されることなどですが、金属 AM プロセスにおける金属粉末のコストは比較的高くなります。トポロジー最適化を利用すると、使用する材料の量を減らして生産コストを最小限に抑えることができます。トポロジー最適化とは、与えられた製品設計空間における最適な材料分布を推定するプロセスです。

研究概要：

この研究では、研究者はトポロジー最適化手法を使用して航空宇宙用ブラケットを再設計しました。研究者らは、設計プロセス中に使用される材料の量だけでなく、残留応力の最小化も考慮しました（AM プロセスでは温度勾配が高いため残留応力が大きくなるため）。研究者らは CAD を使用して航空宇宙用ブラケットを再設計し、数値シミュレーションを通じてトポロジーの最適化を完了しました。レベルセットに基づくトポロジー最適化手法を使用して、数値シミュレーションの再設計と部品配分の安全率分析を実行しました。トポロジー最適化により、部品の重量は44.8%削減され、安全係数は2.3に達しました（AlSi12Mg合金材料データを使用して数値解析を実施）。研究者らは、製造時間と残留応力を最小限に抑えるために、最適化された部品の印刷プロセスをシミュレートしました。シミュレーションされたSLM プロセスパラメータは、レーザー出力 80W、スキャン速度 1000 mm/s です。シミュレーション結果では、印刷間隔 90 ミクロンで生成される残留応力が最小であることが示されています。研究者らは、さまざまな種類の部品に関する公開された研究のデータを使用して結果を検証しました。

材料

この研究で設計された航空宇宙用ブラケットは、航空宇宙用途における静的荷重条件下にあります。部品の軽量化を確保するために、本研究では耐食性に優れ軽量な AlSi12 Mg 材料が選択されました。アルミニウム合金は軽量で耐腐食性に優れているため、航空宇宙産業でよく使用されています。 AlSi12Mg の物理的および機械的特性は次の表に示されています。

設計分析

SOLIDWORKSソフトウェアを使用して部品を再設計および変更します。部品は静的荷重条件にさらされ、ブラケットは 4 本のボルトで固定ベースに固定され、下の図に示すように 3 つの荷重がベアリングに適用されます。解析はANSYS 2020 R2ソフトウェアを使用して実行され、材料除外領域を選択し、体積削減率を変えて複数の反復を実行することで部品を最適化しました。各反復ごとに、部品は境界条件に対して検証され、部品が必要な境界条件を満たす最大の体積減少が選択されます。

シミュレーション

研究者らは、ANSYS Additive ソフトウェアを使用して最適化された部品をシミュレートし、部品の印刷に最適なパラメータを見つけました。研究者たちは、レーザー出力、スキャン速度、印刷間隔などの主要なプロセスパラメータを変化させ、部品を印刷するための最適な条件を見つけました。プロセスパラメータ範囲として、スキャン速度900mm/s～1000mm/s、間隔70mm～9mm、間隔10mm、レーザー出力80～100W、間隔10Wを選択し、数値最適化のために田口のL9直交テストテーブルを選択しました。部品の印刷方向は、 Magics22.03ソフトウェアを使用して最適化されました。サポート構造を最小限に抑えることで、印刷時間と材料の消費量を削減できます。部品はさまざまな位置で応力解析され、残留応力が少なくなり、サポート構造が少なくなる最適な位置が見つかりました。

結果と考察

1. 最適化されていない部品の応力シミュレーション解析 (オリジナルモデル)最初の応力負荷図は次のとおりです。図の赤い部分は、応力が最も大きい領域です。3 つの応力負荷と安全係数を次の表に示します。

2.部品の解析結果を最適化する

最適化された部品の力シミュレーションと安全係数シミュレーションの結果は次のとおりです。
応力シミュレーション結果安全係数シミュレーション結果によると、最初の荷重時の最適化された安全係数は 1.54 から 2.23 に増加し、2 回目の荷重時の安全係数は 1.61 から 2.25 に増加し、重量は 44.8% 減少しました。安全係数の増加は、元の梁と比較して梁の全体の厚さが増加したことによります。 ANSYS 2020 R2 ソフトウェアを使用して、ブラケットの安全係数をシミュレートしました。シミュレーション結果によると、3 番目の荷重条件では、ネック部分の応力集中によりブラケットの安全係数が良好であり、この領域で材料除去が達成できることが示されました。オリジナルのステントモデルと再設計されたステントモデルの安全係数を比較しました。元のモデルはすべての荷重条件下で最小安全係数 1.5 を持ち、最適化されたモデルは最小安全係数 2 を維持します。トポロジー最適化技術の使用により、構造物の力の伝達経路が大幅に変化し、構造物の重量を軽減しながら応力分布が最適化され、構造物の機械的特性が向上します。

3. 方向最適化の結果

ANSYS Additive 2020 R2 ソフトウェアを使用して、モデルを 5 つの異なる方向でシミュレートし、異なる方向の残留応力を推定しました。残留応力の結果を観察すると、 90°方向の残留応力が小さく、支持構造の体積も小さいことがわかります。

4. パラメータの最適化

異なるプロセスパラメータにおける残留応力の結果は次のとおりです。

スキャン速度 1000 mm/s、レーザー出力 80 W、印刷間隔 90 mm で、エネルギー密度は 29 J/mm3 になりました。上記のプロセスパラメータで印刷された部品に生成される残留応力は、他のすべての条件と比較してはるかに小さくなります。これは、溶融池の大きさと溶融池の強度が残留応力に大きな影響を与えるためと考えられます。

結論1. ANSYS2020 R2 では、密度ベースのアルゴリズムよりもレベルセットベースのトポロジー最適化アルゴリズムがこの設計に適しています。 2. トポロジー最適化により、航空宇宙用ブラケットに必要な材料重量が 44% 削減され、あらゆる荷重条件下で安全係数が最大 2 ～ 2.3 になります。3. 最適なプロセスパラメータと正しい印刷方向を選択することで、SLM 中の部品の残留応力を最小限に抑えることができます。配向角度が 90° の場合、残留応力は最小限に抑えられ、この条件下ではサポート構造が少なくなります。
注：この記事の内容は若干調整されています。必要に応じて原文をご覧ください。出典： Hanush SS、Manjaiah M. 積層造形プロセスによる航空宇宙部品のトポロジー最適化による性能向上[J]。MaterialsToday: Proceedings、2022年。https ://doi.org/10.1016/j.matpr.2022.02.074

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