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Aug 08, 2023

ジェネレーティブ デザイン: 3D プリンティングの世界に道を切り開く nTopology

17 maggio 2023 di Abdul Montaqim Lascia un commento Uno dei più impressionanti

2023年5月17日、アブドゥル・モンタキム著 コメントを残す

nTopology 設計アプリケーションの最も印象的な機能の 1 つは、必要な計算能力が大幅に少ないことです。 同社とそのパートナーの計算によると、ファイル サイズは従来の 3D 設計ソフトウェアと比較して 99% 小さくなる可能性があります。

従来の 3D 設計用の長年確立されているソフトウェアは、メモリを大量に消費する傾向があり、プロセッサに深刻なストレスを与える可能性があります。 一方、nTop は、今日の 3D プリンティングおよび設計要件に合わせて特別に設計されているため、ラップトップで使用した場合でも、従来の 3D 設計アプリケーションをスーパーコンピュータで実行した場合と同じ機能を提供できます。

nTop がこれを行う方法を技術者以外のジャーナリストに説明するのは難しいですが、基本的に、nTop ソフトウェアは、従来の 3D 設計アプリケーションの基本概念および要件である押し出しなどを排除します。

押し出しは、図面の面またはエッジをクリックしてドラッグすることで実行できます。 たとえば、従来のデザイン アプリで画面上に正方形を描いた場合、その面をクリックしてドラッグすると、それが立方体になります。

単純なことのように聞こえますが、設計しているオブジェクトに複数の形状や面が統合されている場合、部品の長いリストと数十の押し出しが必要になり、そのすべてにメモリ スペースと処理能力が必要になります。

nTop のアプローチはまったく異なり、3D デザインおよび印刷業界のニーズ、特にソフトウェアの大部分を占めるジェネレーティブ デザイン要素に合わせてゼロから構築されました。

また、nTop には、完全なエンドツーエンドの設計プロジェクトを可能にするために必要な機能がすべて備わっているだけでなく、伝統的で長年確立されている主要な CAD 設計ソフトウェア アプリケーションすべてとも統合されています。

私たちの技術的な知識はその程度なので、読者にさらに深く理解していただくために、nTop の担当者にインタビューし、その抜粋をここに公開することにしました。

その後、nTop から異動しましたが、このインタビューの時点では Duann Scott は nTopology の副社長であり、ソフトウェアについて詳細に説明し、3D デザインとプリント部門全体、および関連業界の概要を説明しています。 。

RoboticsAndAutomationNews.com: 会社の nTopology 自体について少し教えてください。

nTopのデュアン・スコット : nTopology は設計エンジニアリング ソフトウェアです。 この会社は 2015 年にニューヨーク市で設立されました。当社はジオメトリの作成に対して異なるアプローチをとっています。 これは従来の CAD ではなく、別のプロセスであり、コンピューテーショナル デザイン ツールです。

当社は、既存の CAD のジオメトリの問題により従来の CAD では解決できない問題をエンジニアや設計者が解決できるよう支援します。 私たちは非常に複雑なことを非常に簡単に実行でき、プロセスを自動化できます。 そのため、多くの場合、人々は単一の部品を設計しているのではなく、プロセスを設計しており、最終的に出力されるのは部品です。

RoboticsAndAutomationNews.com: 3D プリンティングの出現により製造部門で起こっている変化について、どのような概要をお考えですか?

nトップ : アディティブ マニュファクチャリングはラピッド プロトタイピングとして始まりました。 当初は、見た目やフィット感、動作の様子を確認するためにプロトタイプを作成するための単なるプラスチック部品でした。 その後、治具や治具などの分野に移りました。 現在、これらのプロセスが進化するにつれて、人々は最終用途の部品を設計しています。

そして、特に金属 3D プリンティングでは、過去 5 ～ 10 年で材料パレットが大幅にオープンしました。 私たちは現在、超合金や銅、ステンレス鋼、チタン、その他の非常に価値の高い材料を製造できる段階にいます。

進歩の理由の 1 つは、3D プリンティングが航空宇宙産業と医療産業によって推進されてきたことにあります。 そのため、機械は、非常に複雑なコンポーネント、非常に細かい詳細や優れた機能を備えた非常に複雑な設計を実行できるところまで進化しました。

しかし、人々が設計に使用していたソフトウェアは、ツール、成形、スタンピングなどの従来のサブトラクティブ マニュファクチャリング向けに設計されており、機械が実現できるような複雑さを生み出すことができませんでした。

こうして、nTopology は実際に誕生しました。 それは、幾何学にアプローチする別の方法を使用して、製造プロセスの可能性を解き放つことでした。 機械や材料のコストは依然として非常に高いため、これらのプロセスを再設計することは非常に重要です。 したがって、真の価値を得るには、プロセスを設計する必要があります。

既存の機械加工設計を 3D プリンターに出力する場合、コスト効率が良くないからです。 しかし、その設計を採用し、製造プロセス、熱プロセス、軽量化、音響関連のその他の機能など、複数の要件に合わせて最適化すると、これを同時に実行し、複数の部品を 1 つのコンポーネントに統合することもできます。 3 0プリンタからのドライブ値。

それが私たちが今いるところです。 人々は、この多分野にわたる設計プロセスが 3D プリンティングから価値を引き出すために重要であることを理解しています。

RoboticsAndAutomationNews.com: つまり、3D プリンターは非常に進歩しているため、新しい設計ソフトウェア アプリケーションとアプローチが必要になったのです。 わかりました。 それでは、従来の単純な部品をより複雑に設計する方法の例を示してみましょう。 たとえば、nTop Web サイトに掲載されている写真のようなロボット アームの一部。

nトップ: このロボット アーム パーツのように作られたものをいくつか見たことがありますが、ほとんどは研究開発または特注ロボット用です。

この設計で何が起こっているのかというと、このコンポーネントのワイヤフレームは、ロボットのアセンブリから CAD で設計された元のボディ、つまり、基本的にこのようなコンポーネントの従来の設計であるということです。

私たちはそのコンポーネントを取得し、シミュレーション、つまりコンポーネントに応力と制約を適用しました。 そして、応力が存在する場所でシミュレーションを実行すると、実際に示されるのは応力の荷重パスです。

シミュレーションでは、ロボットが物を動かしたり、持ち上げたり、方向を変えたりする様子が示されており、ロボットがコンポーネント内を移動する際の応力を確認できます。 これは、質量を持たせる必要のない場所を見つけるのに役立ちます。 不要な場合は質量を削除するので、最終的にはより軽量なパーツが得られます。

その後、二次プロセスを実行して、シミュレーションを再度実行し、部品をシェル化して中空にすることができます。これにより、部品の質量がさらに削減され、製造時間も短縮されます。

もう一度シミュレーションを実行し、応力が見つかった部分ではそのシェルの厚さを変更します。これにより、パーツが必要な部分では厚くなり、必要でない部分では薄くなります。

つまり、人間の体内で骨が生成される自然なプロセスを模倣し始めるのです。 したがって、人間の骨は、それに加えられる応力に基づいて継続的に変形します。

次に、格子の充填を行って、内部にサポート構造が必要なくなるため、より製造しやすくします。

それが私たちがとっているアプローチです。 それはまさにトポロジーの最適化です。 ジェネレーティブ デザインについて考えるとき、あなたが行っていることは、複数の出力を生成し、それらを相互に比較することです。

したがって、夜間に実行するのと同じようにスクリプトを実行し、朝仕事に戻ると、この設計の千のバリエーションが存在する可能性があります。 質量、パフォーマンス、またはその他の基準に基づいてそれらを相互に比較できます。

そういうアプローチですね。

私たちはオークリッジ国立研究所でこれを実際に行い、いくつかのロボットアームを設計しました。 これは実際には完全多関節ロボットで、すべての配線やその他のコンポーネントも部品の内部に組み込まれているため、ケーブルや配線が露出することはなく、すべてが完全に自己完結型でした。

このロボットは水中用だったと思います。

したがって、このプロセスと高品質の素材を使用すると、非常に複雑な作業を行うことができます。

現在、パートナーと同様に行っているもう 1 つのことは、必ずしも最終部品を印刷するわけではなく、部品を鋳造するための砂型を印刷するか、インベストメント鋳造用の犠牲コンポーネントを印刷することです。

つまり、低コストのポリマーで印刷し、セラミックでコーティングして、その中に金属を流し込むことで、最終的には何千年も続いている既知のプロセスと同じになりますが、私たちはデザインを送信しているだけです。そこでは違う意味で。

RoboticsAndAutomationNews.com: 金属部品は 3D プリンターで製造するのが難しいか、時間がかかると思います。 同じくらい強い代替材料、新しい合金や、もしかしたら金属と同じ働きができる別のプラスチックなどはあるのでしょうか？

nトップ : 金属印刷のコストは機械コストの償却にあり、高額になる場合があります。 しかし、実際の素材の品質は非常に優れています。

前にも言ったように、人々がやり始めているのは、ポリマー部品を印刷して鋳造するか、砂型を印刷することです。 これは安価な方法であり、高品質のポリマーやカーボンファイバーを部品に配置して剛性と強度を高めるプロセスもいくつかあります。

RoboticsAndAutomationNews.com: 3D プリンティングは潜在市場の何パーセントを獲得していますか? つまり、3D プリンティングは、将来どの程度広く使用される可能性があるかに比べて、現在どの程度広く使用されているのでしょうか?

nトップ ：現時点ではほんのわずかな割合だと思います。 先ほども述べたように、業界をリードしているのは航空宇宙と医療です。 したがって、医療と歯科の分野では、積層造形を導入していないと遅れをとっているようなものです。

脊椎インプラント、膝の再建、骨プレートなどは、小型で高価であり、顧客ごとにカスタマイズされるため、すべて非常に最先端の技術となっています。 カスタマイズは、体重 240 ポンドの 40 歳の男性と同じインプラントを 8 歳の子供に植え込まないようにするために重要です。

したがって、常にその特定の人に合わせてデザインを変更します。歯科では、人それぞれの歯が異なるため、製造のために多くのスキャンが行われ、それが金属とポリマーの両方で行われます。

つまり、医療と歯科がそれを主導しているのです。 導入は非常に強力であり、人々がそのプロセスについてさらに学ぶにつれて、その導入が拡大していることがわかり始めています。 そして、機械や材料のコストは年々下がっています。

RoboticsAndAutomationNews.com: 以前、航空宇宙についても触れていましたね。 自動車についてはどうでしょうか？

nトップ : もちろん、電気自動車を扱う顧客もいます。 宇宙と飛行については、その名前を言及することはできないと思いますが、そうです、重量を 1 オンス減らすごとに、荷物を運ぶのに必要な構造の重量が減り、それを動かすためのバッテリー電力も減ります。 したがって、重量を減らすためにあらゆることを行うと航続距離が増加するため、軽量化は非常に重要です。

当社の顧客の 1 つである Cobra Aero は、自社が製造する UAV (無人航空機) で使用する単気筒エンジンのエンジン ヘッドの設計から始めました。

コブラは、単にパーツを統合することから始まりました。つまり、3 つのパーツを 1 つに結合するということでした。 そこから、エンジンヘッドの格子構造による軽量化にも協力しました。 また、格子構造を使用してコンポーネントを冷却します。

これはすべてシミュレーションに基づいて行いました。 したがって、エンジンからの圧力マップとエンジンからの熱を取得し、それを使用して格子構造を変更して最適化し、より効率的でより軽量になり、使用するコンポーネントの数を減らすことができます。

3 つのコンポーネントを 1 つに結合するようなものなので、組み立てや留め具やガスケットは必要ありません。メンテナンスも少なくて済みます。また、音響を減衰して音を減らすなどのこともできます。これは、騒音を低減しようとするドローンにとって重要です。見られる。

ラティス構造を使用すると、材料を変更せずに材料の動作を変更できます。 これは積層造形でよく使用されます。格子構造を使用した設計とは、コンポーネントを特定の方法で潰したり、エネルギーを吸収したり、質量を減らしたり、曲がり方を変更したりできることを意味します。

ポリマーに使用しています。 車のパッドやシート、そして当社がデザインしたアメリカンフットボールのヘルメットにもそれが見られます。

ヘルメットはNFLプレーヤーのために設計されました。 現在、このデザインを使用しているヘルメット会社が数多くあります。 しかし、私たちはエネルギーを吸収し、衝撃時の頭のねじれを止める格子構造を使用して脳震盪を防ぐヘルメットを開発するために NFL から助成金を獲得しました。

したがって、ラティス構造を使用してマテリアルの動作を実際に変更することができます。これをメタ マテリアルまたはアーキテクチャ化マテリアルと呼んでいます。

RoboticsAndAutomationNews.com: ソフトウェアと関連コンサルティングを提供しているのですね。 ソフトウェアはクラウド経由で利用できますか?

nトップ : 私たちは純粋にソフトウェア会社です。 私たちはソフトウェアを一から開発しました。 既存の CAD システムは、製図または図面を取得してコンピュータに入力することに基づいており、そのほとんどは 1980 年代に開発されました。

これらすべての基礎となるカーネル、つまりジオメトリの作成方法は b-rep (境界表現) です。これは非常に昔に開発されたものであるため、シングル スレッド コンピューター向けに開発されており、複雑さという本質的な問題が存在しますが、これは決して実現されませんでした。 CAD システムでこれほど複雑な形状を作成することは、これまでに考えられませんでした。

私たちがやっていることは違います。 ジオメトリを作成する別の方法があります。 これは基本的には数学の方程式であり、私たちが実際に行っているのは、式を使用して製品を定義することだけなので、非常に複雑なことも実行できます。nTop でのファイル サイズはおそらく 160 キロバイトになりますが、これを実行しようとすると、従来の CAD では、数ギガバイトになります。

従来の CAD システムでは、このようなことをリアルタイムで実行することはできませんでした。

私たちの方程式は、幾何学を記述する純粋な数学方程式です。 また、フィールド駆動設計と呼ばれるものもあり、シミュレーション データや経験的テスト データ、またはジオメトリの動作を定義するのに役立つ他のジオメトリなど、あらゆるデータを使用してジオメトリの動作を制御できます。

そこで、たとえば、表面構造を追加して強度を高めるプロテーゼを設計しました。 弊社ウェブサイトでご覧いただけます。

また、当社のウェブサイトでは、トレーナーのデザインをご覧いただけます。 足に体重をかけた人の圧力マップが表示されます。 靴底にかかる力に基づいて格子密度を変更することで、圧力がかかる部分では密度を高めてより多くのエネルギーを吸収し、圧力がかからない部分では格子密度を疎にすることができます。

それで軽量化ができるのです。 糖尿病患者のために靴を最適化するためにこれを行っている人を見かけます。 彼らが足に何らかの問題を抱えている場合、私たちは痛みを和らげ、彼ら専用のカスタムシューズを作るお手伝いをします。

nTop では基礎となるジオメトリの複雑さが問題にならないため、これがすべて可能になります。

多くの場合、部品は非常に複雑なので、従来の CAD を使用している場合は、シミュレーションや製造などの下流プロセスに他のソフトウェアを使用する必要がある場合があります。 CAD アプリだけではこれを処理できません。

当社には、シミュレーションと製造のための独自の内部機能があります。 私たちは、製造データを 3D プリンティング機に直接送信することがよくあります。これは、私たちと機械の間にソフトウェアが介在すると速度が低下する可能性があるためです。

当社のソフトウェアは完全にローカルです。 私たちはまだクラウド上で実行していません。 これは、当社の顧客のほとんどが航空宇宙、防衛、医療の分野に携わっており、ほとんどの場合、設計をクラウド上に公開する準備ができていないためです。 セキュリティ上の問題が多すぎます。

nTop をクラウド アプリとして利用できるようにすることも考えられますし、実際にサーバーで実行している人もいます。 しかし、現状ではソフトウェアはローカルにあり、マルチコア CPU と GPU 向けに最適化されているため、エンジニアはラップトップ上でアプリケーションを実行するだけです。

nTop は変更されたジオメトリを記述する点で非常に効率的であるため、これらの非常に複雑な設計を作成およびシミュレーションするためにスーパーコンピューターを実行しているわけではありません。

インタビューの全文は YouTube または以下でご覧いただけます。

Filed Under: デザイン, 機能 タグ: CAD, 複雑な, コンポーネント, デザイン, ジオメトリ, 格子, 製造, 材料, Ntop, 部品, 人, 印刷, プロセス, シミュレーション, ソフトウェア, ある, もの, 伝統的