Generative Design Infographic
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MSC Apex Generative Design
MSC Apex Generative Design は、世界で最も使いやすいCAE環境である MSC Apex に実装された、完全自動のジェネレーティブデザインソリューションです。 MSC Apex の直感的で使いやすい GUI に最も革新的な最適化エンジンを実装しました。MSC Apex Generative Design は、新しい革新的なアプローチによって、従来のトポロジー最適化手法の限界を超え、設計最適化にかかるコストを劇的に削減します。
簡単 - ユーザーの使い易さを第一に考えたソフトウェアデザインにより、専門知識がなくても最適化設計が行えます。
自動設計 - ユーザーは複雑なオペレーションをすることなく、ほぼ自動で、全ての設計基準を満たしつつ、重量を最小化した構造デザインを複数手に入れることができます。MSC Apex Generative Design が提案するデザイン候補は、通常の最適化プログラムと異なり、滑らかな曲面で構成されます。
インポートから検証まで - 既存のデザイン(CAD データやメッシュデータ)をインポートし、デザインを最適化し、その検証(Validation)を行うという一連の作業をすべてMSC Apexの中だけで実行できます。
出力 - エクスポートされたデザインはそのまま製造工程に使用したり、修正することなく CAD 環境で使用したりすることができます。
ワンプロセス - MSC Apex Generative Design の提案するデザインを Simufact Additive または Digimat AM に読み込み製造可能性の検討を行い、どんな部品に対しても最初からコスト効率の高いデザインを得ることができます。
使いやすさと最適化の計算速度により、MSC Apex Generative Design は EDAG にとって革新的なソフトウェアとなり、短時間で更に軽量なデザインを生成できるようになりました。この作業効率は、製品開発が促進されます。" Lucas Epperlein - EDAG
コストの効率化を図ろうとすると、デザインのやり直しは避けることができませんでした。MSC Apex Generative Design 2020 を用いると、体積(材料)を削減することができ、このためプリント造形にかかる時間やコストを大幅に圧縮することができることが分かり、競争力が大きく向上しました。" Dr. Martin Laher - Miba Sinter Group
１つのソリューションによるモデリングと最適化
MSC Apex Generative Design は、MSC Apex の実用的なモデリング機能を有効活用しています。CAE に特化したダイレクトモデリング機能はユーザーになじみやすいため、すばやくモデル設定ができます。MSC Apex Generative Design は、よく考えられたインタラクティブツールを備えているため、使い易く、分かり易いものとなっています。MSC Apex Modeler では、どんな複雑な CAD データでも最適化のための入力データとして使用することもできますし、あるいはユーザーは、ゼロから形状を作成することもできます。設計空間と非設計空間を定義するための CAD 操作は無駄がなくスムーズであり、データを要件に簡単に適合させることができます。さまざまな荷重/境界条件の組み合わせを試し、比較することが MSC Apex Generative Design ひとつで可能です。概念、モデル構築、計算の分割を自由に設定でき、すべてが MSC Apex Generative Design に統合されています。 - 次の MSC Apex Generative Design の簡単な製品紹介動画をご覧ください。：
MSC Apex Generative Design はどのような仕組みなのでしょうか？
MSC Apex Generative Design の革新的なアプローチの効果は実例により証明されています。この革新的なアプローチの源は、 MSC Apex Generative Design の中枢にあたる “Generative Design エンジン” にあります。このエンジンは有限要素法を使用していますが、従来の密度法とは異なり非常に細かいメッシュを使用します。 これにより、最適化アルゴリズムは発生する応力を直接評価し、人間には想像もつかないような形状を設計します。設計領域から最終形状まで、非常に高速に結果を得られます！
専門知識不要の積層造形のためのデザイン
MSC Apex Generative Design は、積層造形プロセスのだけが可能な精緻で非常に複雑な構造デザインを提案するために特別に設計されています。最適化されたデザインでは、柱状形状や薄板形状といった構造要素が完璧なまでに滑らかに接合され、通常デザイン自体自立構造となっているため、結果はそのままプリント造形に送ることができます。
もし、更に製造とデザインの検証が必要な場合、MSC Apex Generative Design は、Simufact Additive、Digimat AM および MSC Nastran と相互運用することができます。このソフトウェアの特長は非常に魅力的です。：
MSC Apex Generative Design の特長
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メッシュは自動的に生成されるので、有限要素解析の予備知識がなくても使いこなせます。
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最適化基準によるデザイン候補が、複数得られます。
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滑らかな形状を結果として出力するので、そのまま積層造形等で造形できます。
- 力学的堅牢性や製造可能性の検証のために相互運用できます。
- より効率的で革新的な製品デザインプロセスにより、コストを削減します。
MSC Apex Generative Design の利点
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大幅な時間短縮 |
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応力指向の最適化 |
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積層造形の最適化 |
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CAD へのフィードバック |
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優れたスムージング |
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自動メッシュ生成 |
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設計スペースのない最適化が可能 |
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安定した解像度の自動調整 |
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ワンショット最適化 |
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最高の解像度 |
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ラティス（格子）構造の最適化 |
事例紹介
重量が増すと、宇宙への打ち上げコストが高くなるため、人工衛星の設計では軽量化された構造は特に重要です。重量を軽減できれば、打ち上げロケットまたは人工衛星の打ち上げコストは別の用途に使用し、付加価値を生み出すことができます。
これはまさに、宇宙企業の Tesat-Spacecom GmbH & Co. KG、機械メーカーの Trumpf、および AMendate Generative Design のスペシャリスト共通のプロジェクトの目的でした。新しい通信技術の宇宙での能力をテストするドイツ通信衛星 Heinrich Hertz では、マイクロ波フィルターを調整するための写真の駆動装置の取り付け台を使用しています。ここで、取り付け台の重量を減らす必要がありました。これを実現するためにMSC Apex Generative Designが使用されました。
革新的な軽量設計
Generative Design を適用することで、非常に複雑な新しいデザインが作成されました。これにより、最大級の軽量化が可能になり、稼働時に必要とされる条件に完全に適合した設計が実現されました。宇宙技術向けに設計された部品の重量が55%削減され、Tesat 社の取り付け台は素晴らしい結果を生みました。取り付け台の重量は164グラムから、わずか75グラムに削減されました。さらに、AMendate の革新的な応力指向の最適化により、部品の剛性がより向上しました。MSC Apex Generative Design によってもたらされた均一な応力分布により、優れた剛性と信頼性と最大級の軽量化を同時に実現することができました。
Generative Design と 3D プリンティングの連携
「現在は、積層造形により、デジタルで生成され、最適化された形状をコストパフォーマンスよく生産することができます。このような軽量化された構造は、特に宇宙技術だけでなく、他の多くの分野でも大きな可能性を秘めています。」 Simufact Engineering の ジェネレーティブデザイン部門ディレクターである Thomas Reiher 博士は、このようにコメントしています。
こうした新しいタイプの複雑な形状は積層造形でのみ生産可能です。Trumpf は TruPrint 3000 3Dプリンターでこの形状を製造しました。Heinrich Hertz の人工衛星ミッションは、連邦経済エネルギー省を代表して、連邦防衛省の参加を得て、DLR Space Management が実施しています。
Copyright: Tesat-Spacecom GmbH & Co. KG
UPB レーシングチーム所属の若い学生のチームは、FormulaStudent レーシングカーを開発し、毎年、国際大会で競っています。レースに勝利するレーシングカーには、２つの要素が不可欠です；軽量かつ強靭な部品です。ドライバーやレーシングカーがその実力を証明するレースに加え、レーシングカーの軽量化された構造部品に対する特別な評価もあります。高い耐荷重性の要件を満たしながら軽量化することが重要な部品として、４か所に使用されるホイールキャリアが挙げられます。
フライス加工の従来のデザイン、非常に複雑な形状のため、部品の重量は 515g ですが、15.5kg のアルミニウムの廃棄物が発生します
わずか8時間で最適化され軽量化されたモデル
Generative Design は 3D プリンターでの構造製造に向いています
前年に、チームは、フライス加工により、複雑なデザインの軽量ホイールキャリアを設計しようとしました。2012年のホイールキャリア（図1）は、従来の複雑なデザインをフライス加工し、重量は 515g でした。16kg のブロック材料から削り出したため、15.5 kg ものアルミニウムが切削屑となりました。一方で、2018年シーズンには、MSC Apex Generative Design によって、最適化された軽量デザインを作成することができました。設計および非設計領域がモデル設計で定義され、複雑な荷重ケースが追加されました。その後、メッシュは自動的に生成され最適化されました。このアルゴリズムは、ハイエンドの NVIDIA Tesla P100 グラフィックカードを搭載したワークステーションによって6時間で完了し、スムージングされたモデルを生成しました（GPU NVIDIA QUADRO P5000 ワークステーションでは約14時間かかります）。生成されたホイールキャリアは、１個あたり 266g、2012年の同等品と比較して、48％の重量削減を達成しました。また、部品は積層造形で製造されたため、切削加工で出ていたような材料の大きな無駄を出すことがありませんでした。これは、レーシングカー全体の軽量化に大きく貢献し、競技全体の特別カテゴリーである設計部門では、多くの注目と非常に良い評価を得ました。
さまざまなアルゴリズムの最適化の品質をテストするための一般的な例は、“GE ジェットエンジンブラケット”があります。航空機タービン用のこのブラケットは、2013年にゼネラルエレクトリックによって GrabCAD Web サイト（https://grabcad.com/challenges/ge-jet-engine-bracket-challenge）で、積層造形の設計上の課題として公開されました。課題は、任意の方法を使用して非常に単純な部品設計を再設計し、指定された境界条件を考慮しながらできるだけ軽量な部品を開発することでした。このチャレンジは大きな注目を集め、今日でも新しいアルゴリズムの強みを示すために頻繁に使用されています。
短時間で作成されたMSC Apex Generative Design による GE ジェットエンジンブラケットの最適化された3つの異なるデザイン
様々なバリエーションから最も有望なデザインを選択
同じ荷重で同じ部品が MSC Apex Generative Design によって計算され、その結果が図1に示されています。ここに示す結果は、２つの Nvidia P5000 グラフィックスカードを搭載した CAD ワークステーションによって約6時間で計算されました。その結果、最大の荷重を伝達するための細い支柱が追加され、薄く、複雑な曲面による最適な形状が完成しました。このデザインは非常に安定しており、特に軽量で、積層造形のプロセスで簡単に製造できます。これは、支持構造がほとんど必要ないためで、特に高い計算解像度でのみ実現できます。ここに示されている MSC Apex Generative Design で自動生成されたデザインは、他のソリューションよりも軽量で、応力が低くなっています。最大応力680 MPa（目標応力700MPa）で、約140gの重量を達成することができました。
