積層造形のための設計

積層造形設計（DfAMまたはDFAM）は、積層造形（AM）に適用される製造性を考慮した設計です。これは、積層造形技術の能力に応じて、機能的性能や製造性、信頼性、コストなどのその他の重要な製品ライフサイクルの考慮事項を最適化できる一般的なタイプの設計方法またはツールです。^[1]

この概念は、AM 技術によって提供される設計の自由度が非常に高いことから生まれました。AM プロセスの独自の機能を最大限に活用するには、DfAM の方法またはツールが必要です。一般的な DfAM の方法またはツールには、トポロジー最適化、マルチスケール構造 (ラティスまたはセルラー構造) の設計、マルチマテリアル設計、マスカスタマイゼーション、部品統合、および AM 対応機能を利用できるその他の設計方法が含まれます。

DfAM は、より広範な DFM から必ずしも切り離されているわけではありません。多くのオブジェクトの作成には、付加的ステップと減算的ステップの両方が含まれる可能性があるからです。それでも、「DfAM」という名前には価値があります。AMを生産用途で商業化することは、既存の部品を減算的から加算的に切り替える方法を考えるだけの問題ではないという点に注目が集まるからです。むしろ、高度な AM が新たに利用可能になったことを考慮して、オブジェクト全体 (アセンブリ、サブシステム) を再設計することです。つまり、高度な AM がまだ存在していなかった世界の制約内で、以前の設計全体 (個別の部品に分割された方法、理由、場所も含む) が考案されたため、再設計が必要になります。したがって、既存の部品設計を単に変更して加算的に作成できるようにするのではなく、本格的な DfAM では、部品の数を減らすか、境界と接続が大幅に異なる新しい部品セットになるように、オブジェクト全体を再構想するなどの作業が必要になります。したがって、オブジェクトはもはやアセンブリではなくなるか、部品の数が大幅に減ったアセンブリになる可能性があります。 AM の商業化が大きく広がる 2010 年代には、DfAM のこうした根深い実用的な影響の例が数多く登場しています。たとえば、2017 年にGE Aviation は、DfAM を使用してヘリコプターのエンジンを 900 個の部品ではなく 16 個の部品で作成し、サプライ チェーンの複雑さを軽減する大きな潜在的影響があることを明らかにしました。^[2]この根本的な再考の側面から、「DfAM には「企業レベルの破壊的変化」が必要である」というテーマが生まれました。^[3]言い換えれば、 AM が可能にする破壊的イノベーションは、機械工場のレイアウトを変更するだけでなく、論理的に企業全体とそのサプライ チェーン全体に広がる可能性があります。

DfAM には、幅広いテーマ (多くの AM プロセスに適用される) と特定の AM プロセスに固有の最適化の両方が含まれます。たとえば、ステレオリソグラフィーの DFM 分析は、そのモダリティの DfAM を最大化します。

積層造形は、材料を接合するプロセスとして定義され、それにより、通常は層ごとに、3Dモデルから直接製品を製造することができます。^[4] CNC加工や鋳造などの従来の製造技術と比較して、AMプロセスにはいくつかの独自の機能があります。複雑な形状や複雑な材料分布を持つ部品の製造が可能になります。^[5]これらの独自の機能により、設計者の設計の自由度が大幅に広がります。ただし、大きな課題ももたらします。従来の製造向け設計(DFM) のルールやガイドラインは設計者の心に深く根付いており、AMプロセスによってもたらされるこれらの独自の機能を活用して製品の機能性能をさらに向上させることを設計者に厳しく制限しています。さらに、従来のフィーチャベースのCADツールでは、機能性能を向上させるために不規則な形状を処理することも困難です。これらの問題を解決するには、設計者がAMプロセスによって提供される設計の自由度を最大限に活用できるようにするための設計方法やツールが必要です。これらの設計方法やツールは、積層造形向け設計として分類できます。

トポロジー最適化は、特定の設計空間内で材料のレイアウトを最適化できる構造最適化手法の一種です。サイズ最適化や形状最適化などの他の一般的な構造最適化手法と比較して、トポロジー最適化では部品の形状とトポロジーの両方を更新できます。ただし、トポロジー最適化から得られる複雑な最適化された形状は、CNC加工などの従来の製造プロセスでは常に処理が困難です。この問題を解決するために、積層造形プロセスを適用してトポロジー最適化の結果を製造することができます。^[6]ただし、トポロジー最適化プロセスでは、最小フィーチャサイズなどの製造上の制約も考慮する必要があることに注意する必要があります。^[7]トポロジー最適化は、設計者が積層造形に最適な複雑な形状を取得するのに役立つため、この手法はDfAM手法の1つと見なすことができます。

AMプロセスのユニークな機能により、マルチスケールの複雑さを持つ部品を実現できます。これにより、設計者は、望ましい特性を得るためにマイクロスケールまたはメソスケールでセル構造または格子構造を使用するという大きな設計の自由度が得られます。たとえば、航空宇宙分野では、AMプロセスで製造された格子構造を使用して軽量化できます。^[8]バイオメディカル分野では、格子構造またはセル構造で作られたバイオインプラントにより、骨結合を強化できます。^[9]

積層造形プロセスにより、複数の材料や複雑な材料分布を持つ部品を実現できます。設計者がこの機能を活用できるように、複数の材料や機能傾斜材料を使用した部品の設計をサポートするいくつかの設計およびシミュレーション方法^{[10] [11] [12]}が提案されています。これらの設計方法は、従来のCADシステムにも課題をもたらします。現在、それらのほとんどは均質な材料しか扱うことができません。

積層造形は製品のデジタルモデルから直接部品を製造できるため、カスタマイズされた製品の製造コストとリードタイムを大幅に削減できます。したがって、カスタマイズされた部品を迅速に生成する方法は、マスカスタマイゼーションの中心的な課題になります。デザイナーやユーザーがカスタマイズされた製品を簡単に入手できるようにするために、いくつかの設計方法^[13]が提案されています。これらの方法やツールもDfAM手法と見なすことができます。

従来の製造方法の制約により、複雑な部品は通常、製造と組み立てを容易にするために複数の部品に分割されます。この状況は、積層造形技術の使用によって変化しました。いくつかのケーススタディでは、元の設計の一部の部品を1つの複雑な部品に統合し、積層造形プロセスで製造できることが示されています。この再設計プロセスは、部品統合と呼ばれます。この研究では、部品統合により部品数が減るだけでなく、製品の機能パフォーマンスも向上することが示されています。^[14]設計者に部品統合をガイドできる設計方法も、DfAM手法の一種と見なすことができます。

格子構造は、セル構造（すなわちオープン）の一種です。これらの構造は以前は製造が困難であったため、広く使用されていませんでした。積層造形技術の自由形状製造機能のおかげで、複雑な形状を設計および製造できるようになりました。格子構造は、高強度、低質量の機械的特性と多機能性を備えています。^{[15]これらの構造は、航空宇宙産業や生物医学産業の部品に使用されています。 [16] [17]}これらの格子構造は原子結晶格子を模倣していることが観察されており、ノードとストラットはそれぞれ原子と原子結合を表し、メタ結晶と呼ばれています。変形すると、冶金硬化原理（粒界強化、析出硬化など）に従います。^[18]さらに、積層造形における非平衡凝固現象を利用することで、ストラット（メタ原子結合）の降伏強度と延性を大幅に高めることができ、バルク構造の性能が向上することが報告されています。^[19]

熱を使用して粉末または原料を溶融するAMプロセスでは、特に金属AMの場合、プロセスの一貫性と部品の品質は製造中の部品内の温度履歴に大きく影響されます。^{[20] [21]} 熱モデリングは、高価な経験的テストの代わりに、部品の設計と製造プロセスパラメータの選択に役立てることができます。^{[22] [23] [24]}

積層造形された金属構造は、（マクロ）形状とサイズが同じでも、異なるプロセスパラメータで製造されると、著しく異なる微細構造、ひいては機械的特性を持つ。^[25]豊富で柔軟性の高い AM プロセスパラメータは、AM の微細構造に大きな影響を与える。^[25]したがって、原理的には、既知のサービス負荷下での特殊な AM コンポーネントの期待される性能に応じて、（マクロ）構造と望ましい微細構造を同時に 3D プリントすることができる。この文脈では、プロセス - （ミクロ）構造 - 特性 - 性能（PSPP）チェーンの計算リンクのためのマルチスケールおよびマルチフィジックス統合計算材料工学（ICME）を使用して、既知のサービス負荷下での AM 構造の性能に関して最適点を AM 設計サブスペースで効率的に検索することができる。^[26]金属 AM の包括的な設計空間は無限かつ高次元であり、合金組成、プロセスパラメータ、構造形状のすべての可能な組み合わせが含まれる。ただし、設計空間の制約されたサブセット（設計サブスペース）は常に考慮される。設計目標としての性能は、熱化学機械的なサービス負荷に応じて、比エネルギー吸収能力、疲労寿命/強度、高温強度、クリープ抵抗、侵食/摩耗抵抗、および/または耐腐食性などの複数の機能的側面を含む場合があります。最適な設計アプローチは、金属AM技術の可能性を最大限に引き出し、構造的に重要な荷重支持部品の製造に広く採用するために不可欠であると仮定されています。^[26]