フォワードデザインに基づくデジタル開発——積層造形システムの解釈

著者: ティアン・フェン出典: Anshi Asia Pacific

「前向きな設計に基づくデジタル発展」システムは、中国の新しい産業システムの構築において遭遇したいくつかの問題の研究結果によって形成された技術システムをまとめたものです。このシステムには、産業用ソフトウェア、積層造形、産業用インターネット、デジタルツインの 4 つのサブシステムが含まれています。この記事では、「フォワードデザインに基づくデジタル開発」の 2 番目のサブシステムである積層製造システムに焦点を当てます。

積層製造システムは、フォワードデザイン、ハイエンド機器、新工業製品の 3 つのサブシステムで構成されています。積層造形は新しい製造方法を提供するだけでなく、従来の産業システムを打破する実現技術も提供するため、私たちはフォワードデザインを積層造形システムのサブシステムとして定義しています。積層造形は製品設計に大きな影響を与え、工業製品の無限の革新の可能性を解放し、新しい工業製品を生み出すための無限のスペースを可能にします。

アディティブフォワードデザイン<br /> 産業用ソフトウェアと、フォワードデザインをめぐる付加製造の間には、興味深い哲学的関係があります。産業用ソフトウェアは、フォワードデザインを中核および主軸として、フォワードデザインをサポートすることで、ライフサイクル全体を通じて積層造形プロセスの完了をサポートします。デジタルの世界では、R&D と製造は連続的または連続的に続く関係ではありません。むしろ、デジタル R&D とデジタル製造は相互に補強し合い、永続的な関係にあります。両者は常に相互に補完し合い、価値を提供し合うプロセスです。

図 1. 産業用ソフトウェア、フォワードデザイン、および積層造形の間の弁証法的な関係。この哲学的な関係が存在するのは、フォワードデザインと積層造形の間に、互いを促進する弁証法的な関係があるためです。まず第一に、フォワードデザインがもたらす建築革新は、積層造形の価値を完全に解き放ちました。なぜなら、極限まで最適化され革新されたデザインは構造が極めて複雑になることが多く、複雑さを恐れないことがまさに積層造形の利点だからです。従来の製品を加工するために付加製造技術を使用するのは無駄です。付加製造の破壊的技術としての利点を反映できないだけでなく、人々に不要であるという否定的な印象を与え、人々にこの技術の速度とコストの欠点しか見えなくなってしまいます。つまり、前向きな設計のない付加製造は、翼のない鳥のようなものです。

逆に言えば、積層造形は、従来のフォワードデザインのボトルネックを打破します。従来、フォワードデザインがプロセス全体をスムーズに進めるためには、重要なプロセス、つまり職人技と製造プロセスに注意を払う必要がありました。このプロセスでは、製品は非常に革新的だが製造できないという理由で、フォワードデザインによって生成された革新的なソリューションが拒否される可能性があります。これにより、デザイナーは自分が過小評価されていると感じることがよくあります。しかし、積層造形、つまりデジタル製造の時代では、複雑さを恐れる必要はありません。デザインがどんなに革新的で複雑であっても、製造することができます。積層造形は、実際には設計に無限の自由をもたらします。製品設計は、製造上の制約を考慮せずに、ニーズと機能のみに基づいて行う必要があります。完全に自由に、破壊的なイノベーションを実行できます。したがって、積層造形は、前向きな設計をさらに強化することと同等です。

付加的フォワード設計では、注意が必要な特別な要素がいくつかあります。 1 つ目はジェネレーティブデザインです。ジェネレーティブデザイン手法は従来の設計手法とは異なり、使用されるツールソフトウェアは従来の CAD ソフトウェアではありません。ジェネレーティブデザイン手法は、アルゴリズムと人工知能の長所を活用します。人間の思考パターンの欠陥がデザインの革新を妨げる可能性があるため、過度の人間の介入は必要なく、また人間の介入も望んでいません。必要な設計制約を提供するだけで、残りはアルゴリズムによって作成されます。この新しい設計手法は、先進的な設計や革新に取って代わることはできませんが、人々の脳と視野を大きく広げます。

図 2. 加法フォワード設計における特殊要素加法フォワード設計の 2 番目の特殊要素は、マルチスケールシミュレーションです。シミュレーション自体は、フォワードデザインにおける通常の要件です。特に、積層造形が提供する無限のイノベーションスペースでは、設計自体に仕様や標準がないため、シミュレーションが最も重要なツールになります。シミュレーションから始まったAnsem Asia Pacificが、積層造形分野の新規参入者でありながら、主導的な優位性を持っているのは、このためです。

しかし、積層造形の分野では、シミュレーションにはマルチスケール問題という難しい問題があります。付加製造の観点から見ると、従来製造された製品はかさばり、扱いにくいという特徴があります。従来製造された製品では、材料の 50% 以上が冗長であると言っても過言ではありません。自然界の生物は、何億年にも及ぶ進化を経て、その構造を極限まで最適化し、余分な物質が増殖することは決してありません。枝や葉などのこれらの構造は、細かい質感を持つ多孔質構造です。従来の製造業の世界では、このような構造モデルは想像もできませんが、デジタル製造（付加製造）の世界では当たり前のことなのです。しかし、この構造をシミュレートするのは非常に困難です。マクロ構造とミクロ構造の両方が最適であることを確認する必要がありますが、現在のシミュレーション技術では、2 つのスケールの構造を同じモデルに表示することはできず、異なる計算で互いの計算結果を継承する必要があります。マクロ組織の機械的特性はミクロ組織の計算結果に基づいて同等に得られる必要があり、ミクロ組織の計算にはマクロ組織の計算結果を入力として必要とします。これらの相互に関連するタスクが、付加シミュレーションプロセスの焦点となります。

付加的フォワード設計の 3 番目の重要な技術は、アーキテクチャ最適化です。これは、他の分野ではトポロジー最適化と呼ばれています。フォワード設計システムでは、アーキテクチャの革新と最適化が主要なタスクであるため、私はこれをアーキテクチャ最適化と呼ぶことを好みます。建築最適化では、構造の形状を制限する必要はなく、構造の力と制約を与えるだけで済みます。ソフトウェアは、力の伝達経路に応じて最適な構造形状を自動的に見つけ、ジェネレーティブデザインとマルチスケールシミュレーションを組み合わせて、この構造形状のミクロ設計とシミュレーションを実行します。

ハイエンド機器<br /> ここで言うハイエンド機器とは、システムレベルの機器、コア機器およびコンポーネント、積層造形に使用される積層プロセスおよび材料を指します。システムレベル機器には、単一の印刷機だけでなく、複数の印刷装置と周辺機器システムが含まれます。これらは、私たちが通常業界に提供するシステムレベルの製品です。

コア機器・部品とは、当社独自のコア部品であり、他の機器製造会社でも独立した製品として利用できるものを指します。プロセスの実現可能性は材料特性と密接に関係しているため、付加プロセスと材料特性はペアで現れることがよくあります。当社は、ユーザーに最適なプロセスパッケージを提供したり、他の装置メーカーと協力したりすることができます。これらの装備の詳細については、今後の記事で各レベルで詳しく紹介する予定です。

新工業製品<br /> 当社が考える付加製造の本質は、付加的な思考に基づいて現在の産業システムを強化し、変革し、さらには再構築することです。私たちは、従来の製品の製造に付加製造技術を利用することに断固反対します。少なくとも、従来の製品を再設計するか、構造革新を実施して、従来とはまったく異なる、極めて革新的な新しい工業製品を生み出す必要があります。

当社は、先進的な設計技術と積層造形装置を産業システムに提供するだけでなく、さまざまな業界の大手企業と協力して、まったく革新的な産業製品を開発しています。マイクロタービンはその一例です。マイクロタービンは、アンセム・アジア・パシフィックと航空エンジン業界の研究機関が共同で開発した新型タービンです。このような小型タービンはSF映画でよく見かける。アイアンマンの体にはこのような装備が満載されており、空や海、地面に潜ることができるだけでなく、超強力な攻撃力も得られる。従来の研究開発と製造方法では、このような小型で高性能なタービンを扱うことは考えにくいです。フォワードデザインと積層造形を組み合わせることで、革新の余地が大きく広がり、あらゆることが可能になります。

著者プロフィール: Tian Feng、Ansem Asia Pacific の上級副社長、国立産業ソフトウェアおよび先進設計研究所の執行副社長、北京総合シミュレーション研究所の所長、デジタルツイン研究所の所長。

著者は、R&D、技術、管理、コンサルティングの分野で20年以上の経験があり、100社近くの企業にR&Dシステムの計画、構築、R&D情報コンサルティングを提供してきました。中国の3大航空メインフレーム、造船業界の研究所、CRRC Corporation Limitedなどの企業に対するリーンR&D、知識工学、シミュレーションシステム構築プロジェクトの主任設計者です。「リーンR&D 2.0」、「知識工学2.0」、「製造業における知識工学」、「真実を求める困難な旅」など、産業とインテリジェント製造に関する人気書籍を執筆しています。

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