【構造】新人手記③「金属3Dプリンタ造形を考慮したHiramekiWorks解析事例」

2024年11月29日

新人手記第3回は、実際に文系初心者の新人がHiramekiWorksを使って解析してみた事例をご紹介します。また、金属3Dプリンタ×最適化ソフトの凡例も取り上げていきます。

前回の第2回では、「マッチング」についてご紹介していました。

・「マッチング」とは、金属3DプリンタとHiramekiWorks双方を最適に組み合わせ、「こうかはばつぐんだ！」を叶えるために考えるもの
・金属3Dプリンタは、既存工法に導入するのではなく、HiramekiWorksで生み出した理想のモデルをもとに、どう使っていくか考えることで、新たな設計・改良を見込むことができるもの
・金属3Dプリンタは多種多様な製造方式を持つが、決め手は作りたいものとの相性

実際に2つの製造方式もご紹介していましたが、イメージは掴めたでしょうか？
さて、そんな金属3Dプリンタを活かせるような解析のサンプル、「配送(物流・運搬)用ドローン」をイメージした事例を見ていきましょう。

課題の設定

配送用ドローンは、その名の通り商品を配送することを目的とした種類のドローンです。物流における課題を解決するため、今後の開発として軽量化・耐久性の向上が見込まれていると仮定しました。
(軽量化を目指すのなら、そもそも金属を用いてはいけないのでは？という野暮はなしです。今回は金属で作りたかったことにしてください)

今回の解析の目的はこちら。

「合金製ドローンの形状検討：トポロジー最適化と形状最適化を行い、重さや強度を検証する」

格好良さげです。トポロジー最適化は「」、形状最適化は「」でしたね(第1回の復習です。穴埋めは第1回コラムを参照ください)。
よーし、さっそく解析！まずは解析に使うための配送用ドローンの3Dモデルが必要ですね……あれっ。

新人　　「……先輩、配送用ドローンのモデル、チュートリアルにありません……」
先輩①　「確かに。このままだと解析できないね！おーい、〇〇～！」
先輩②　「|*・з・)ノ」
先輩①　「配送用ドローンの3Dモデルとか持ってる？」
新人　　「(そんなピンポイントでモデル持ってる人いますかね！？」
先輩②　「ないけど作れます。1時間以内に送るね！」
新人　　「(　ﾟдﾟ)？」

……ということで、1時間かからずにご用意されたものがこちらです。

簡易的な解析用なので、実際の配送用ドローンとは形状が異なっていますが、それにしても3分クッキングさながら出てくるクオリティではありません。本当に感謝です。なお、解析所要時間を減らすため、こちらをあろうことか分断したものを実際に解析で使用しました。同様に羽根もカット。見栄えもへったくれもありません。
下の画像のように、正面からタテに包丁を入れた感じになりました。

トポロジー最適化

さあ、ここからはテンポよく進めましょう！物性値は下記の通りです。

アルミ合金6063-1は、HiramekiWorksのテンプレートからお借りしました。大体アルミですが、その他8種以上の金属が混ざっています。HiramekiWorksでは、こんな感じで実際に使われている合金に近いものや、自分でカスタマイズした物性値を使えます。
次に最適化条件です。

・最適化手法：「トポロジー最適化(密度法)」
・目的：「剛性最大化」(最適化後最も剛性が大きくなるもの)
・制約：「質量比10％(＝90％減少)」
・製造制約：「形状拘束(羽翼穴を固定)・対称拘束(半分に割っているため)」

制約が厳しいのは見栄えのためですね。たくさん削れば削るほど、開く穴は大きくなるので、初心者にも違いがわかりやすいです。
そして、今回の荷重条件です。

なお2枚目の画像は、内側黄色い矢印も荷重条件です。

お待たせしました！！！以上の条件のもと、HiramekiWorksで解析していきます。
解析前のモデルは下記の通りです。
上部分がかなり薄くなったり、底部分が穴あきになったりと削減の勢いがすさまじいですね。

そしてHiramekiWorksで最適化した結果が下記になります。

数値で見るとなんと質量・体積を約85％カット。それは薄くもなるわけです。
……ただちょっと、これ、3Dプリンタだったとしても、成形は難しいのでは…？
ということで、次回は「形状最適化」を活用し、形状を再度検討したいと思います。

[From A.Kawaguchi, K.Tsukidashi]

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