Reduce Design Cycles from Days to Hours

Design optimization solution that improves quality through unparalleled automation

MSC Apex Generative Design

AI 搭載のジェネレーティブデザインで設計と製造を同時に考える

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概要

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。

  • 設計基準を満たす最軽量の構造設計候補を自動的に複数生成できます。もちろん設計候補は滑らかな曲面で構成されます。
  • 現在の設計形状を CAD フォーマット、STL フォーマットあるいは MSC Nastran BDF メッシュでインポートし、最適化設計候補を生成、設計検証の全てを、MSC Apex というひとつのCAE環境で行えます。
  • 生成された最適化形状は、一般的な CAD フォーマットに直接エクスポートし、手作業による修正作業なしに、そのまま使用することができます。
  • MSC Apex Generative Design の結果形状を Simufact Additive または Digimat AM に読み込むことで、積層造形の設計（DfAM; Design for Additive Manufacturing）にかかる時間を大幅に短縮できます。


 

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。MSC Apex Generative Design の特長は以下の通りです。

MSC Apex Generative Design の特長

  1. 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。
  2. 最適化基準によるデザイン候補が、複数得られます。
  3. 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。


現状は

  • デザインが必要以上に重い
  • 加工時に発生する材料のムダが、環境に優しくない
  • すべての設計基準を満たすものを作るまでに、設計、エンジニアリング、製造部門間での多くのやりとりが必要となる

これからは

  • デザインは軽量
  • デザインは積層造形により製造でき、材料のムダを削減できる
  • 組み込み型有限要素（FE）解析と製造検証により、設計、エンジニアリング、製造部門間のやりとりを大幅に削減できる



 

MSC Apex Generative Design では何ができるか？

  
 

MSC Apex Generative Design の特長

大幅な時間短縮
MSC Apex Generative Design は、高速化および高度な自動化により、最適化に必要な時間を大幅に削減します。こうしたスマート設計によって、高速でコストパフォーマンスの高いプロセスを実現します。

応力指向の最適化
部品を設計するとき、応力は通常最も重要な指標です。 MSC Apex Generative Design のテクノロジーでは、応力ベースの方法で設計最適化することができます。このアプローチにより、応力分布が非常に均一な有機物的形状の設計が可能になり、部品の高い信頼性を保証します。

積層造形の最適化
すべての製造技術では部品製造にあたり、品質問題を回避するための設計ルールがあります。積層造形では、これは特に重要です。一般的な最適化ソリューションとは異なり、MSC Apex Generative Design は設計ルールを最適化に統合し、機能的に適用します。

CAD へのフィードバック
従来の最適化ソフトウェアからの結果を CAD にフィードバックするためには、別の変換ソフトウェアを使って処理をしなくてはならず、そのためのノウハウと経験が必要でした。 MSC Apex Generative Design はこのコア機能が組み込まれており、最適な CAD/CAM 連動のためのデザインを自動的に転送します。

優れたスムージング
MSC Apex Generative Design の優れたアルゴリズムによって、洗練された滑らかな表面への変換が自動的に、効率的に行われます。この機能のおかげで、表面の問題がほとんどなく、どのような部品でも高い品質を保証します。

自動メッシュ生成
従来は最適化ソフトウェアを使用した手作業で時間のかかるメッシュ生成手法でしたが、MSC Apex Generative Design は最適なモデルのメッシュを自動でエラーなく生成できます。

設計スペースのない最適化が可能
従来のソフトウェアはビルドスペースを定義しなければなりませんでしたが、MSC Apex Generative Design はビルドスペースなしで最適化プロセスを開始できます。したがって、より高速で柔軟な計算が可能です。

安定した解像度の自動調整
MSC Apex Generative Design は、解像度および形状を自動的に調整します。大まかな形状が生成されると、ソフトウェアは、より詳細な構造が得られるまで、解像度を自動的に徐々に上げていきます。

ワンショット最適化
従来のソフトウェアでは、いくつかの異なる最適化アプローチをテストしてから、計算に着手する必要がありましたが、これには時間と費用がかかります。MSC Apex Generative Design を使用すると、最初の最適化の方向をすばやく確認できます。これにより、簡単に正確な結果を迅速に出力することができます。

最高の解像度
MSC Apex Generative Design は、積層造形プロセスのみが製造できる詳細で非常に複雑な構造を生成することができます。従来の最適化ソフトウェアでは、このような計算を行うことは不可能です。

ラティス（格子）構造の最適化
ラティス（格子）構造は、軽量化のための高いポテンシャルを持っています。しかし、固体材料からラティス（格子）構造を出力する過程において、欠陥を生じやすい傾向があります。MSC Apex Generative Design を使用すると、構造全体が自動的に最適化され、滑らかに応力が遷移するように最適化された構造を生成できます。


 

積層造形のための設計（DfAM）

MSC Apex Generative Design は、積層造形プロセスのみが製造できる詳細で非常に複雑な構造を生成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は高解像度なため結果形状を直接積層造形することができます。もし、さらに製造と設計検証が必要な場合、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。

MSC Apex Generative Design は製造工程初期の設計作業、製品ごとのリードタイム、製造時間を短縮することで製造のトータルコストを削減し、その結果、高価な積層造形テクノロジーの利用率を向上させ、設備への ROI(投資対効果)を引き上げることができます。


 

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たり、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。

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。

「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。

図１：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

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。


図１：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

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。