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Altair OptiStruct®の新機能と3Dプリントがラティス(格子)構造に画期的な変革をもたらす

積層造形や3Dプリントの利用に関してトポロジー最適化がより広範囲に利用可能に

Altairは、OptiStruct®ソルバーの新機能を発表しました。これにより、積層造形や3Dプリントの利用に関してトポロジー最適化がより広範囲に利用できるようになります。OptiStructは、トポロジー最適化、トポグラフィー最適化、寸法最適化、形状最適化のテクノロジーにおいて高い評価を得ており、コンピューター支援エンジニアリング(CAE)製品群のAltair HyperWorks®に含まれています。

3Dプリントがユニークである理由は、ごく小さなセルで構成され、複雑な外形形状を持つ中空の立体物を製造できる能力にあります。今回OptiStructのトポロジー最適化が強化されたことで、材料の体積に滑らかな変化を付けながら、ソリッド構造とラティス構造を効率良く組み合わせることができるようになりました。ラティス構造については、引っ張り、圧縮、せん断、曲げ、ねじりに対する剛性や疲労寿命を検証できます。ラティス構造の設計者向けのツールはこれまで1つも存在せず、ニーズが満たされていませんでしたが、今回の新技術によってそのニーズに応えることが可能になりました。これでOptiStructを使用して、最適かつ構造的に効率の良い材料配置のためのCAE解析を行えるようになります。

長年にわたってトポロジー最適化は、画期的で軽量かつ構造的に効率の良い設計を開発する目的で、多種多様な産業で用いられてきました。このトポロジー最適化は実は3Dプリントと相性の良い技術です。トポロジー最適化を行うと、自然が作り出すような自由な形状の構造になりがちで、従来の製造方法では製造が難しいか不可能なことが多いためです。つまり、最適化した設計コンセプトが持つ効率性も、各製造プロセスの制約を満たすために削られてしまうことがありました。これに対して、3Dプリントによりこれまでになかった自由な形状を製造でき、トポロジー最適化との相乗効果も高いため、構造上の整合性と性能特性を維持しながら、よりクリエイティブな製品を実現することが可能となります。

AltairのChief Technical OfficerのUwe Schrammは、次のように述べています。「3Dプリントは、新たな構造の自由さを製品設計にもたらしました。つまり、さらに複雑な形状やトポロジーが可能となったほか、製作ツールを適用する必要がないため、製造プロセスの短縮とカスタマイズ製品の生産効率の向上を同時に実現することが可能になりました。トポロジー最適化は、この設計の自由度を最大限に生かす技術です。複雑で自由な形状を持つ構造の開発、個々の製品のシームレスな設計、設計プロセスの短縮、さらに3Dプリント構造の最適化が可能になります」。

Altairは、Materialise社などと連携し、3Dプリンターへのデータ転送効率を高めています。ラティス構造は数十万もの単位セルで構成される場合もあるため、従来のSTLファイルによる転送では、プロセス全体の大きなボトルネックになりかねません。Materialise社の3-MaticSTLをはじめとするソフトウェアパッケージは、対象となる部品のラティス構造の改善に特化しており、3Dプリントのさまざまな制約条件を加味して必要な箇所に支持構造を作成することができます。

既存の形状にラティス構造を単に適用するだけの競合製品とは異なり、OptiStructでは実際に最適な材料配置とラティス構造を見極めることができます。最適化を実行すると、ラティス構造の適用と最適化の前に、設計内で材料が必要な箇所と不要な箇所が特定されます。

OptiStructでは、次の2つのフェーズに分けてラティス構造が最適化されます。はじめに、標準的なトポロジー最適化が実行されますが、この時点ではまだ中間密度を持つ多くの多孔質領域が存在します。次に、その多孔質領域を、材料体積に変化を付けた明確なラティス構造に変換します。第2フェーズでは、ラティスセルの寸法を最適化します。その結果、材料配置に変化を付けたラティスセルがソリッド部分と組み合わさった構造が生み出されるのです。

このとき、材料密度と部品性能の関係を調べる必要があります。たとえば剛性と体積比の関係などは、製品開発プロセスの初期段階の設計の選択に影響を与える可能性があります。バイオメディカルインプラントの機能要件としては、空隙率が特に重要になる場合もあるでしょう。ラティス構造部分にも必要十分な剛性を求められるため、製品開発の成否を左右しかねません。

一部の用途では、座屈挙動、熱性能、動的特性などを考慮する必要がある場合もあります。これらはすべて最適化の対象になり得ます。OptiStructでは、ユーザーは最適化プロセスの結果に基づいて材料密度を操作できるため、強度を増減させた場合の比較や、構想をソリッドや中空、ラティスにした場合の比較が可能です。設計者はまず設計目標を定義してから、最適化解析を実行して設計案を得ることになります。

AltairのVice President of Software Developmentを務めるMing Zhouは、次のように述べています。「ラティス構造を作成できるOptiStructの機能は、ユニークな特性を持った先進材料を製品に組み込む際にその出発点となります。研究開発を継続していけば、さまざまな形状のラティスセルが並んだ構造に関して、方向による挙動の変化やラティスセルの滑らかな組み合わせ方法が明らかになり、さまざまな応用分野にイノベーションをもたらし得る、この特異な性質を利用できるようになるでしょう」。

このプレスリリースの付帯情報

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用語解説

Altairについて
Altairは、ビジネスパフォーマンスの改善のために、設計、プロセス、意思決定を統合かつ最適化するシミュレーション技術の開発と様々な分野への適応に注力しています。 2300人を超える従業員を擁する非上場企業であるAltairは、米国ミシガン州トロイに本拠を置き、22ヵ国に40以上のオフィスを構えています。 顧客は多種多様な業種にわたり、その数は5000社以上にも及んでいます。 詳細については、www.altairjp.co.jpをご覧ください。

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