AM向け設計：CADツール、シミュレーション、ボクセル、そしてAM設計の未来

アドバンスト・エンジニアリング・ソリューションズ社CTO、アンドレアス・ヴラヒノス博士と共に

2025年7月23日 | 読了時間：6分

 

デトロイトで開催されたRapid + TCTショーからの特別ライブ収録で、Additive Snack Podcastは、積層造形（AM）における真の設計の巨匠であるアンドレアス・ヴラヒノス博士の洞察に満ちた話を特集しました。輝かしい経歴を持つヴラヒノス博士は、積層造形のための設計（DfAM）の進化、彼が取り組んできた刺激的なプロジェクト、そして彼の革新的な仕事を支え続ける情熱についての見解を共有しました。

 

積層造形のための設計の進化：追従からシミュレーション主導の革新へ

ヴラヒノス博士は、パラメトリックCADシステムがエンジニアに、従来の製造技術では実現不可能な内部構造の複雑な設計を可能にした時代を回想した。 その後、AM用粉末、装置、スキャン技術の進歩が設計能力を上回り、設計できなかった部品を製造できるようになった。これによりCADの進化が促され、新企業やツールが登場。格子構造やジャイロイド（80年代に知ったが最近まで完全には活用できなかった構造）といった複雑な形状の設計が可能になった。

ヴラヒノス博士によれば、過去3年間における真のゲームチェンジャーは「シミュレーション主導設計における驚異的な進歩」であった。現在では、固体部品に対して有限要素解析（FEA）を実行し、結果を保存した後、そのデータを用いて、例えば残留応力やフォン・ミーゼス応力に基づいてジャイロイドの厚さを変化させることが可能となっている。

従来の境界表現CADジオメトリと、先進的なDfAMツールが生成するボクセルベースのジオメトリ間の相互運用性が重大な障壁であった。シミュレーション技術がボクセルベース手法を採用する最近の移行により、設計環境内でのリアルタイムシミュレーションが可能となった。設計者は設計中にシミュレーション結果を確認でき、応力点に基づく即時修正が可能となった。

 

知識格差の解消：ツールとトレーニング

こうした進歩にもかかわらず、労働力はしばしば遅れをとってきた。ヴラヒノス博士は、この状況をいくつかの要因に帰している：ソフトウェアのリリースごとに加速する技術革新のペース、学術界がこれらの新ツールに追いついていないこと、そして新課程の認定における官僚的な手続きである。その結果、エンジニアたちはこれらの重要なDfAM技術に関する知識を持たずに卒業している。

この問題に対処するため、業界では社内のジャストインタイム研修がますます重要になってきています。ブラヒノス博士自身が昨年、ロッキード・マーティン社で 480 人のエンジニアを研修しましたが、その多くは、既存のソフトウェアにすでに高度な DfAM ツールが搭載されていることを知りませんでした。

彼は個人的に、統合されたボクセルベース設計とCreo Simulation Liveを備えたPTC Creoや、強力な暗黙的モデリング機能を持つnTopology（現nTop）といったツールを活用している。これらのツールにより、広大な格子構造の生成や、ジャイロイドとソリッドCADのブレンド、二重壁構造のためのジャイロイドのシェル化といった独自の操作が可能となる。強力なツールではあるが、nTopの使いやすさと相互運用性は改善されているものの、依然として課題があると彼は指摘している。

人命に影響を与える：大腿骨インプラントプロジェクト

ヴラヒノス博士が最近最も刺激を受けたプロジェクトについて尋ねられた際、約2年前に起きた極めて影響力の大きい医療事例を挙げた。大腿骨に癌を患った若い女性が、切断を避けるために1週間以内にインプラントを必要としていた。

これには、CTスキャンからのDICOMデータを迅速に処理してSTLを生成し、それをソリッドモデルに変換し、癌化した骨を仮想的に切除し、ブラケットを統合したインプラントを設計し、骨結合のための放射状ベースのラティス構造を組み込み、同時に外科用釘のためのチャネルを確保することが含まれた。

インプラントは3Dプリントされ、無事に移植に成功した。患者は2週間以内に跛行なく歩行できるようになった。この「愛の結晶」は有償プロジェクトよりもはるかにやりがいがあったが、ヴラヒノス医師は医療分野の保守的な性質を指摘し、ヒンジ付きインプラントのようなDfAM技術による革新へのより積極的な受け入れを望んでいる。

Creo 8-ジャイロイド格子

熱交換器設計プロセス：詳細解説

ヴラヒノス博士はその後、積層造形による熱交換器を設計するための自身の緻密なプロセスについて詳細に説明した： 

  1. 実現可能性（「可能か、すべきか」）：封筒内で印刷可能か？材料は入手可能か？プリンターへのアクセス権はあるか？そして最も重要なのは、従来手法（例：チューブ・アンド・シェル、ろう付けプレート）と比較して経済的に妥当か？これは疲労寿命やメンテナンスなどの要素を考慮した総所有コスト分析を伴う。
  2. 性能目標とデジタルライブラリ：どのような性能が必要か？ヴラヒノス博士は既存ソリューションの性能を少なくとも倍増させることを目指している。目標はデジタルツイン——設計通りのモデルと印刷後のモデル（向き、サポート構造、加工代を含む）をPLMシステムに保存し、オンデマンド印刷を実現することである。
  3. 初期設計とCFD解析：入口と出口を特定し、粗いバウンディングボリュームを定義する。このボリュームに対し、基本の入口/出口温度と圧力を用いてCFD解析を実行する。TPMS構造は、一般的に使用される構造であり、本質的に圧力損失が低い。
  4. 流れを導く成形：CFDから得られた流れ線は材料配置を導き、再循環領域を排除し、基本となる熱交換器の容積を定義する。
  5. 連成熱伝達と効率：固体体積を定義したら、連成熱伝達解析を実行して全体にわたる温度と圧力を決定し、熱交換器の効率を計算する。
  6. 設計探索と最適化：効率が低い場合、単位格子サイズや格子構造などのパラメータを探索する。実験計画法（DOE）アプローチを採用し、複数の構成を実行する。結果を可視化（例：並列プロット、パレートフロント）し、最適設計を特定する。
  7. 製造可能性と協働：最適化された設計が製造部門に提示されると、サポート構造の除去、加工代、後処理用の基準点といった制約事項が検討される。最小印刷可能肉厚といった製造上の考慮事項は、設計実験（DOE）の範囲にフィードバックされる。
  8. 製造プロセスシミュレーション：面積対高さプロットを分析することで、問題を引き起こす可能性のある急激な断面変化を明らかにでき、波形プレートや傾斜形状などの設計変更を促す。

 

次世代（そして現在の世代）を鼓舞する

AM技術に不慣れなデザイナーや苦戦しているデザイナーに対して、ヴラヒノス博士は教育は単なる情報提供ではなく、インスピレーションを与えるべきだと助言している。

彼はDfAM講座の冒頭で、自然界の卓越した設計例を紹介する——樹木がトポロジー最適化をどう活用するか、蝶の羽根が薄い構造で長いスパンを実現する仕組みなど。

彼は次に、電子基板の筐体内部に空洞を設計し、数滴の水を加えて密封するといった方法でヒートパイプを埋め込むなど、イノベーションの「種」を提供する。彼が最も困難だと考えるのは、150年にわたる切削加工設計で染みついた思考様式を克服することである。

アンドレアス・ヴラヒノス博士の洞察は、急速に進化する分野の鮮やかな姿を描き出す。そこでは洗練されたツール、厳格なプロセス、そして何よりも協働的なマインドセットが、AMの潜在能力を最大限に引き出すのである。

 

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