メッシュを作らずにインプリシットからプリントへ

アディティブ・マニュファクチャリングにより、増大している製品要件に対応した次世代熱交換器の設計を行うことができます。この記事で技術の進歩に伴い、レガシーシステムの限界はますます明らかになっています。設計の複雑化に伴い、多くのアディティブ・マニュファクチャリング(AM)ワークフローにおける最も弱いリンクは、システム間で設計データを転送するために使用される技術となっています。ここでは、この障害を回避する方法を紹介します。

Daeho Hong
November10, 2022



インターオペラビリティ(相互運用性)とは、システム間でデータを交換・通信する能力のことで、皆さんが思っている以上に日常的に使われています(そして、とても重要です)。しかし、私たちがその影響を実感するのは、主に物事が思うように動かないときです。

現在、エンジニアリング設計の現場では、多くのAM製品開発においてデータ交換がボトルネックになってきています。現在の仕組みでは、ソフトウェアとハードウェアの間で複雑な設計をやり取りする際に、多くの実用的な問題が発生し、極端な場合にはデータのやり取りが基本的に不可能になります。


提案したい解決策:
ソフトウェア間でインプリシット・ジオメトリを直接転送する「インプリシット・インターオペラビリティ


現行ソリューションの問題とは

80年代以降、製造業界は格段に進歩してきました。現在の自動化されたシステムは、より高いスループットとより良い品質で製品を作ることができます。アディティブ・マニュファクチャリングは、従来の製造方法では不可能だった複雑な形状の部品を製造することができるため、製造業のエコシステムにおいて重要な役割を担っています。

同時に、nTopology のような高度なエンジニアリング設計ソフトウェアにより、エンジニアはAM技術がもたらす設計の自由度を活用し、次世代の高性能な製品を開発することができます。

設計と製造の間のデータ交換に使用されるファイル形式は、これまでにもよく利用されてきましたが、あまり変化していません。これらはSTLメッシュのような離散化された形状に基づくものか、STEPファイルのような境界表現に基づくものです。これらのフォーマットはすべて、切削加工や射出成形などが唯一の選択肢であった時代に開発されたものです。現在行われているアディティブマニュファクチャリングの部品設計は、それらよりもはるかに複雑で、最大1000倍もの機能を持つことができます。

航空宇宙、自動車、医療、消費者産業のエンジニアなど、現在生産されている最先端のAM製品を開発している多くのnTopologyユーザーと協力する中で、多くのプロジェクトの障害となっている現世代のデータ交換メカニズムに固有の、ある種の制限を特定しました。

現在のエンジニアリング製品開発のニーズに合わせて拡張した場合、既存のソリューションでは以下のようなファイルになります。

  • 巨大-数ギガバイトに及ぶこともある。
  • 無駄-生成、オープン、処理の計算に何時間もかかる。
  • 不正確-実際の設計の近似値であるため、不正確である。

nTopologyでは、これらのデータ形式への変換をサポートし、メッシュおよびB-rep生成の速度・精度を向上させるために多大な投資を続けています。しかし、AM業界にはもっと良い解決策があると感じています。これは、このプロトタイププロジェクトのパートナーであるEOSなど、このエコシステムにいる他社のリーダーとも共有している考えです。

この産業用熱交換器は、Siemens Energy社がnTopologyで設計したものです。この設計はデータ転送フォーマットの制限により、以前は製造不可能でした。

インプリシット・インターオペラビリティとは

インプリシット・インターオペラビリティとは、簡単に言うと、設計、製造準備、CAD、CAE、PLM、ビジュアライゼーションソフトウェアなどの間で、ジオメトリ精度や設計意図を損なうことなくインプリシットジオメトリを直接転送することを指します。

私たちの使命は、設計を生産に結びつけるためのあらゆるボトルネックを取り除くことです。

私たちは、アディティブマニュファクチャリングを最大限に活用するためには、インプリシット・モデリングが不可欠であると考えています。 インプリシット・インターオペラビリティ とは、近年のAM業界の課題であった大規模かつ複雑なメッシュファイルの生成、転送、処理に関わる障害を解消するものです。具体的には、以下のような設計データ交換のメソッドです。

  • コンパクト-ファイルサイズはわずか数キロバイトで、数秒で生成されます。
  • 正確-メッシュの近似値ではなく、ロスレス表現です。
  • インテリジェント-”dumb solids”だけでなく、完全なパラメトリック編集をサポートしているため。

PoC(概念実証):産業用大型熱交換器

Siemens Energy社が設計した、これまでは印刷不可能だった産業用熱交換器の製造を目指したのです。

ビルド プレート上に製造された熱交換器。 設計は、コアの内部形状を明らかにするためにセクションカットされました。

Ole Geisen氏( Siemens Energy社、アディティブマニュファクチャリング部門エンジニアリングサービス責任者)は、AMによる熱交換器の革新における課題について、「これまでファイルサイズについてはあまり問題になっていませんでした。しかしながら、トポロジー最適化、ジェネレーティブデザイン、DfAMなどの進化に伴い、部品の形状はますます複雑になってきています。その結果、このような複雑な形状を従来のデータフォーマットでやり取りすることが難しくなり、熱管理の革新を大きく妨げているのです。」と説明します。

このデザインは内部構造が複雑でサイズも大きいため、メッシュ生成、ビルド準備、スライスなどの処理に数週間を費やさなければ、メッシュ化および製造をすることはできませんでした。さらに、結果として得られるデータは非常に大きくなり、その管理と処理には膨大な時間がかかります。

”これは魅力的な技術開発です。nTopologyとEOSは、このゲームの何年も先を進んでいます。同じくAMエコシステムにいる他社は、これから追いついてこなければなりません。”
Ole Geisen, Head of Engineering Services for AM at Siemens Energy


プロトタイプ:インプリシットからプリントへ

オリジナルのデザインは約1mの長さでした。しかし、今回のデモでは、EOS 290システムのビルドボリュームに収まるよう、25%スケール(220×150×160mm)で製作されました。

nTopologyでの熱交換器設計のセクションカット。熱交換器コアの高温流体領域と低温流体領域の経路が確認できる。

そして、nTopologyからインプリシットデータ形式で設計をエクスポートしました。このファイルは1MB未満で、わずか数秒で生成されました。サポート部材もnTopologyで作成し、メッシュファイルとしてエクスポートしました。

次に、熱交換器の設計とサポート部材がEOSPRINTに直接読み込まれ、AMシステムの最適な精度でスライスされます。

設計をEOSPRINTにインプリシット形式で取り込み、製造用にスライスした。

最後に、熱交換器はEOS M290マシンで製造されました。EOSPRINTソフトウェアの革新的なスライス機能によって十分なレイヤーが生成され、造形を開始することができました。EOSPRINTはスライスを続け、計算された新しいスライスデータをプリンターに供給しました。

ビルドプレート上で製作された熱交換器(左)と、データ転送の統計をとった比較表。

この先について

nTopologyとEOSPRINTの直接接続は、現在はまだベータ版前の段階です。しかし、私たちはこの機能を一般リリースに反映させるために積極的に取り組んでいます。

また、このプロジェクトにとどまらず、従来のCAD(Siemens NX)、CAE(INTACT.SIMULATION)、ビジュアライゼーション(Zea 3DXP)など、他の種類のソフトウェアとのインプリシット接続のプロトタイプも作成しました。

インプリシットの直接的なデータ転送は一例に過ぎません。私たちは、その他にも関連するエンジニアリングのユースケースのために、また別のインプリシット・インターオペラビリティのプロトタイプも開発したのです。

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