切削や鋳造など既存の手法では加工が難しい複雑な金属形状において、金属3Dプリンタを用いた製造法が近年注目されています。金属3Dプリンタのメリットを活かすためのDfAM（Design for Additive Manufacturing）に関連するソフトウェアは市場に多く存在しますが、設計・製造プロセスの一部しかカバーできていないケースが多く見られます。一方アルテアでは最適形状を探索するためのトポロジー最適化、得られた最適化結果から滑らかな形状を作成するモデリング機能、複雑な格子構造の作成、3Dプリンティングシミュレーション、金属粉の挙動シミュレーションなど、設計・製造プロセス全体をカバーするソリューションを提供しています。本稿ではこれらのアルテアの3Dプリンティングに関連するソリューションを紹介します。

最適形状の探索と形状のモデリング

最適化を実施する際、製品に作用する正しい荷重条件を設定することは非常に重要です。シミュレーション駆動設計のプラットフォームAltair Inspire（アルテア インスパイア）は、機構解析機能が搭載されており、製品に作用する荷重を正確に予測して荷重条件として設定できます。また、金型の抜き方向や積層造形の際のオーバーハング角など、製造性を考慮したトポロジー最適化を実行できるほか、PolyNURBSモデリング機能で、生成された最適化形状から製造しやすい滑らかな形状を作成したり、PolyNURBS形状最適化機能で形状の微調整を行うことも可能です。

また、軽量化や弾力性、生体適合性などの向上を目的に格子構造を作成したい場合、Inspire内で格子タイプを選択するだけで作成でき、セルサイズや密度などのプロパティも簡単に変更できます。さらにInspireはメッシュレス構造解析ソルバーAltair SimSolid（アルテア シムソリッド）を内蔵しており、従来手法では要素・節点数が膨大になり解析が難しかった格子構造の構造解析を高速に実施し、性能を確認できます。

図1. 複雑な格子構造の作成

3Dプリンティングシミュレーション

Altair Inspire Print3DはInspireに搭載されている機能の一つで、3Dプリンティングに関連する様々なシミュレーションを実施でき、SLM（レーザー融解法）とバインダージェット方式に対応しています。

SLMにおいては造形方向やサポート材の配置が重要ですが、Print3Dで最適な造形物の配置方法や、必要なサポート材を自動で予測してモデルを生成でき、手動で微調整も行えます。また、作りたい形状を出力すると熱やサポート材のスプリングバックにより意図しない形状になってしまうことがありますが、Print3Dであらかじめ出力物の変位やひずみを確認し、変形を見込んだ出力形状を自動作成することも可能です。Print3Dの計算は材料物性のキャリブレーションを行うことで高精度かつ、固有ひずみ法による高速な解法で、すでに欧州の自動車メーカーで多くの造形実績があります。

図2. 造形時の変形予測

また、近年注目を浴びているバインダージェット方式の焼結シミュレーションにもバージョン2022より対応しています。バインダージェット方式では炉に入れて焼結する際、形状が大きく縮むため、狙った形状を造形するのが難しいですが、SLM同様、Print3Dで解析前に構造物の転倒やひずみを予測して、最適なセッター配置を検討できます。解析後、変形だけではなく亀裂の発生や浮き上がりも予測でき、変形を見込んだいわゆるグリーンパートを出力できます。

金属粉体のハンドリングシミュレーション

様々な手法を基にした金属3Dプリンタが市販されていますが、共通しているのは金属の微小粉末を取り扱うことです。造形の精度やコストをコントロールするためには、金属粉末の集合体、すなわち粉体のハンドリングが重要な課題となります。

粉体の挙動を計算するAltair EDEM（アルテア イーデム）は、DEM（Discrete Element Method：離散要素法）をベースに、粒子一つ一つの動きや粒子同士の衝突、反発などの相互作用をシミュレートします。EDEMの特長は、クーロン力による粒子同士の凝集など、粉体特有の複雑現象を特に微粉において精度よく再現できることや、大量の粒子をGPUを用いて高速に計算できることです。製薬や食品をはじめ、バッテリー製造や自動車・重機の開発など、製造業においても幅広く利用されています。

金属粒子を扱う3Dプリンタも同様に、シミュレーションにより現象の可視化や工程最適化が可能で、試作の回数やコストの低減に注目されています。例えばSLM方式の3Dプリンティングでは、金属粒子をベッドに供給してレーザーを照射する工程を繰り返します。粒子が機械的に敷き詰められてベッドが形成されますが、その際、ベッドの高さにばらつきがあると造形物の精度に影響を及ぼすため、均一の高さに均す必要があります。この粒子供給工程（レーキング）を、レーキング速度やブレード形状、金属粒子の種類などの条件を設定しEDEMで再現できます（図3）。こうしたシミュレーションによりベッド高さ不均一の防止やレーキング速度向上に役立てられます。

図3. 金属粉末のレーキング

アルテアではトポロジー最適化、ラティス構造の作成と解析、造形シミュレーション、金属粉末の挙動の再現など、金属3Dプリンタを活用するための様々なソリューションを提供しています。

性能向上と開発期間の短縮が期待できるアルテアのソリューションにご興味をお持ちの方は、フォームよりお問い合わせください。