| 研究課題/領域番号 |
21K03826
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| 研究機関 | 地方独立行政法人大阪産業技術研究所 |
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研究代表者 |
三木 隆生 地方独立行政法人大阪産業技術研究所, 和泉センター, 主任研究員 (80806753)
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| 研究分担者 |
山田 崇恭 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (30598222)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| キーワード | トポロジー最適化 / 構造最適化 / 最適設計 / 金属積層造形 / 金属３Dプリンタ / Additive Manufacturing / Design for AM |
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| 研究実績の概要 |
本研究では，金属積層造形における積層可能な角度の制限や残留応力・変形など，造形時に発生する課題を設計段階で考慮可能な高速最適設計法の構築を目的としている．
本年度は金属積層造形の主要な課題である積層角度と変形を考慮したトポロジー最適化法の構築に取り組んだ．
積層角度とは，積層方向に対して造形対象物の下向きの面と基材との角度を指す．この積層角度が閾値角度を下回ると自重で崩壊する恐れがあるため，一般的には造形対象物にサポートと呼ばれる形状を支持する構造が必要となる．しかしながら，サポートは造形後に不要となるため，サポートの増加は材料及びサポート除去などの製造コストの増加につながる．従って，設計段階でサポートを必要としない形状が望まれる．
これまでトポロジー最適化の中で閾値角度以下の形状が創成されないよう，積層角度に対して幾何学的な制約を課す手法がいくつか提案されているが，幾何学的制約のみでは実際には造形が不可能な形状が創成されてしまうことが報告されている．そこで本研究では，昨年度の取り組みで得られた知見から，造形時の熱プロセスを簡易的に表す数理モデルを定式化し，幾何学的制約に熱的な制約を加えることによって，上記の課題を回避する手法を開発した．
さらに，この積層角度を考慮したトポロジー最適化に造形時の変形制約を組み込んだ．変形は，金属粉末の局所的な溶融・凝固によって引き起こされる．本研究では，溶接現象の残留応力・変形解析に用いられる固有ひずみ法に基づいて造形プロセスの数理モデルを定式化し，変形を抑制するための制約関数，及び複数の制約を考慮した最適化問題を定式化した．数値計算例を通して，本手法で得られた最適構造は閾値角度以下の形状が創成されることなく，造形時に発生する変形を抑制できていることを示した．本手法を用いることによって，最適構造をサポートなしで精度良く造形することが可能になる．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本年度は，研究目的の一つである金属積層造形における複数の製造性を考慮したトポロジー最適化の構築に成功しており，これらの研究成果は国際学術雑誌に掲載されるに至った．また計算の高速化については計画通り方法論の構築に取り組んでいるため，全体の進捗状況として「おおむね順調に進展している」と判断するに至った．
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| 今後の研究の推進方策 |
造形プロセスを表す数理モデルは，積層ごとに支配方程式を解く必要があるため，繰り返し計算を要するトポロジー最適化に組み込むとなると，計算量が膨大となる．本研究では非線形，及び連成解析を必要としない固有ひずみ法を用いたが，それでも複数の製造性を考慮するとなると計算量の多さが課題となることがわかった．今後は，造形対象物に発生するひずみ分布を一元的に表す数理モデルを定式化することによって計算量の削減を図る．
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| 次年度使用額が生じた理由 |
今年度の予算は主に大規模計算機の購入に充てたが，仕様の見直しにより当初計画よりも経費の節約ができた．しかしながら，研究に取り組む上で当初計画にはない数値計算ソフトウェアが必要になることが判明した．未使用額はその経費に充てることとしたい．
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