トポロジー最適化と形状最適化で部品点数を17点から1点に！

ロボットをはじめとした機械部品において、軽量化は運動性能の向上、エネルギー消費削減に伴うCO2排出量の削減、小型化と、数多くのメリットがあります。
これまで、軽量化は、材料を変える、肉抜きなど設計を工夫するといった方法で達成されてきました。

今回、福岡県工業技術センター様では、構造最適化と3Dプリンターを組み合わせることで、配管内移動検査ロボットの部品点数の大幅な削減と軽量化を同時に達成する形状を求めました。

このように、HiramekiWorksと３Ｄプリンター（材質：Nylon12）を活用し、部品点数を17点から1点に削減すると同時に、重量を81 gから30.5 gまで減らすことに成功しました。

併せて、実使用を想定した耐久面のテストを実施したところ、実用に問題ないことも確認しています。

出典：奥村 克博・川畑 将人・林 宏充・田口 智之・山田 圭一・倉本 紘彰、トポロジー・形状最適化による軽量構造の設計手法の開発、福岡県工業技術センター研究報告 No.30 (2020)

「トポロジー最適化と形状最適化の両方が実現できる
『HiramekiWorks』によって、製品の大幅な軽量化、コストダウンに道が開けました」

―　どんなところが「使えそうだ」と思われたのでしょうか？

このソフトはトポロジー最適化だけではなく、形状最適化という手法を使用することができます。例えばメッシュを削るのではなく、メッシュの節点を移動させる手法についても検討できる。その辺りが、素直に面白そうだと思ったのです。

トポロジーでも、「削って解析」を繰り返せば結果は出せるはずですが、それには膨大な時間がかかってしまう。メッシュそのものを自動で動かしてもらえるのなら、その時間を短縮することができます。また、形状最適化はメッシュ節点を動かす手法であるため、詳細な応力制約を設定して計算することができますので、設計の多くの場面で使用することができるはずだ、と。

―　導入から1年ですが、すでに具体的な成果も挙がっているようです。

先ほどの目的に照らせば、主力製品であるラビング装置を、既存の設計から約26% 軽量化できるというシミュレーション結果を得ることができました。鋳物材料費に換算すると、１台あたりおよそ58万円のコストダウンです。あくまでもシミュレーションの段階なのですが、「ソフトをこのように使えば、こういうことができる」 ということが、よく分かりました。

実は、液晶ディスプレイの市場動向もあって、その解析結果に基づいて実際のラビング装置を製造するか否かは、今のところ決まっていません。ただし、当社もいつまでもラビング装置で稼いでいけるとは考えておらず、今回のトライアルによって、この技術が他の新たなモノづくりに応用できる、という確信も得ることができました。実はそれが一番の成果だと考えています。

最終形状だけでなく、途中経過を確認できる

昨今の開発は、短期間で軽量かつ高強度な製品を作りだす必要がある。
・設計者の経験や検討にとらわれずに新たな設計の気付きや形状を得たい。
・試行錯誤回数を低減し、設計精度および開発効率向上に繋げたい。

・トポロジー最適化と形状最適化の両方が出来る。
・最終結果だけでなく、途中経過も確認できる。

一体成形にすることで質量を半分程度に、最大変位を10分の1以下にする形状を導出

荷重部分と拘束部分をつなぐような形状になったことで、最大変位が1/10以下になるような形状が得られた

内部にリブを形成しながら薄肉にすることで、最大変位はそのままに質量を約30%削減！

リブの形状変更により、全体で約44%(約1.0 t)の軽量化に成功

軽量化前の最大変位は4.8 mmに対し、軽量化後の最大変位は4.5 mmと強度を保って軽量化できている