解析事例 ANSYS Mechanicalを使用したFDM部品のモデリング

ANSYS Mechanical を使用したFDM部品のモデリング

公開日:2017年9月

このホワイトペーパーは、熱溶解積層法(Fused Deposition Modeling、FDM)による機能性部品の設計を検討する解析者向けに、この製造技術に関連する基礎的な理解を提供するものです。最初に、機能性部品の製造における正当な製造技術候補として熱溶解積層法(FDM)が登場してきた理由を示すいくつかの例を紹介します。このような変化は、優れた解析手法を持つことの必要性や価値を示すものとなっています。しかしながら、本資料が示すとおりFDM部品のモデリングはさまざまな理由により課題となる場合があり、こうした問題が次々に提起されています。これらの課題に対して解析者が選択するアプローチも多岐にわたり、本資料でも扱うとおりそれぞれに長所と短所が存在します。本資料の最後では、ANSYSシミュレーションの解析情報を使用したFDMによって製造された無人航空機(Unmanned Aerial Vehicle、UAV)翼の事例を紹介しています。

目次
  1. 機能性部品製造におけるFDM
  2. FDM モデリングにおける課題
  3. FDM モデリングへのアプローチ
  4. 事例 : UAV翼
  5. おわりに
  6. 参考文献

1. 機能性部品製造における FDM

図1. FDMプロセスにより製造されたECSダクトを手に持つULA技術者
図1. FDMプロセスにより製造されたECSダクトを手に持つULA技術者

熱溶解積層法(FDM)は最も広範囲に使用されている付加製造技術(Additive Manufacturing、AM)技術であり、その範囲はデスクトッププリンタから工業規模の製造ツールにまで及びます。プロトタイピングや高速ツーリングにおけるFDMの使用はすでに定着していますが、航空宇宙分野の最終用途部品製造におけるFDMの使用はごく最近の事象です。これは主に、ULTEMTMと呼ばれる材料の利用に起因しています。ULTEMTMとは、FAA FAR 25.853規制に準拠した熱可塑性樹脂の1つです[1]。この材料は、固有の難燃性挙動と高強度対重量比、突出した高耐熱性、高強度と高剛性、および広範囲な耐薬品性を備えています[2]。航空宇宙業界は、機能性部品を作成する手段としてFDMを導入する道を開拓してきました。部品製造においてFDMを使用する価値を示す3つの例を以下に紹介します。

1.1 設計機会 : 環境制御システム (Environmental Control System、ECS)ダクト

積層付加製造技術によってもたらされる固有の設計自由度により、複数の企業がAMプロセスを選択しています。ほんの一例を挙げると、ユナイテッドローンチアライアンス(United Launch Alliance、ULA)ではFDM技術を活用してECSダクト(図1)を製造し、全体のアセンブリを140部品からわずか16部品に削減するとともに、製造コストを57%削減することに成功しました。ECSダクトは、打ち上げに際して温度/湿度管理された空気を精密航空電子工学機器に分配します。これらのダクトには、強力な振動に耐える強度が求められます。

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