生成的設計：alveoのブロワカプラ最適化 IMT Analytics

概要

IMTは、圧力損失の最小化、材料の効率化、流れの最適化された形状を重視し、アルヴェオのブロワーカプラーを最適化した。ジェネレーティブ・デザインと積層造形により、より少ない材料で差圧を13％低減しました。

図1：ブロワーカプラー付きアルヴェオ・ブロワ・アッセンブリー

背景

複雑な機械部品を開発するには、効率と性能を向上させる革新的な方法が必要です。IMTは、材料使用量を最小限に抑えながら差圧と内部容積を低減することを目指し、生成設計を活用してアルヴェオのブロワー・カプラーを最適化しました。すべての設計バリエーションが付加製造され、最適なソリューションを検証するためにテストされ、元の設計と比較して差圧を13％低減することに成功しました。この成功により、ジェネレーティブデザインの潜在能力をフルに発揮できるのは、流れに最適化された構造を実現する積層造形だけであることが明らかになった。

はじめに

現代の医療技術機器は、性能向上と資源効率に対する要求が高まっています。IMTは、子会社のIMT Analytics社向けに設計された肺シミュレータ用のブロワーカプラの開発を任された。その目的は、材料を効果的に使用しながら、圧力損失と内部容積をminimize ことでした。これは、伝統的なエンジニアリング手法と、コンピュータ支援設計（CAD）ソフトウェアであるAutodesk Fusion 360や数値流体力学（CFD）ソフトウェアであるAnsys FLUENTなどのツールを使って達成されました。

ジェネレーティブ・デザインとは何か？

ジェネレーティブデザインは、最適化されたコンポーネント形状を作成するために、アルゴリズムと人工知能を採用している。エンジニアが流体要件や材料制約などの条件を定義すると、ソフトウェアが自然構造にヒントを得た複数の潜在的な解決策を生成します。最適な形状は、反復シミュレーションによって決定される。この方法は、従来の製造では不可能な複雑な形状を製造できる積層造形で特に効果を発揮する。

ジェネレーティブ・デザインによる最適化

図2：ブロワ・カプラの反復

1.マニュアル設計とシミュレーション

経験豊富なエンジニアが、まずブロワーカップラーの従来の形状をモデル化しました。これをFLUENTでシミュレーションし、テストしました。その後、シミュレーションを検証するための正確なデータを得るため、最初のバージョンを追加製造し、精密に測定しました。

2.Fusion 360によるジェネレーティブデザイン

同じタスクがFusion 360のジェネレーティブ・デザイン・アルゴリズムに渡された。生成された金型もシミュレートされ、その後積層造形され、測定された。テストの結果、流体要件や材料制約が不適切であるなど、入力パラメータが不適切であったため、このモデルは手動で開発したモデルよりも性能が低いことが示された。

図3：ジェネレーティブ・デザインによるカプラのバリエーション

パラメータを修正することで、結果が改善された。さらに、材料の使用量をさらに最適化するために、格子構造が導入された。これらの格子構造は、構造的な完全性を保ちながら、重量と材料を大幅に削減する。このような設計は、フローに最適化されたコンポーネントで特に有益で、均等な気流分布を促進した。

図4：格子構造による材料の削減

3.細かい最適化

最終的な反復では、FLUENTのメッシュモーフィングによって最適化された設計形状が採用されました。

このバージョンは積層造形で製造・測定され、より少ない材料で同じ体積を維持し、肉厚を変更し、格子構造を導入して性能をさらに向上させながら、差圧を13％低減することに成功した。この最適化された形状は、従来の方法ではこのような複雑で流れに最適化された構造を作ることができないため、積層造形でしか実現できなかった。

最終的な反復では，エンジニアリング主導の形状に，FLUENT のメッシュモーフィングを使用した追加の最適化を組み合わせました．このプロセスでは，最初のシミュレーションの結果に基づいて形状を改良し，より効率的で効果的な設計を実現しました．

図5：最終デザイン

結論

ジェネレーティブデザインは、形状の最適化に有効であることは否定できないが、エンジニアの重要な専門知識に取って代わるものではない。最も本質的な解決策は、古典的な工学原理、高度なシミュレーション技術、そしてジェネレーティブデザインの決定的な組み合わせから生まれます。私たちのプロジェクトの最終段階において、私たちは自信をもって付加製造と精密な測定を採用し、その結果を検証することで、差圧の13%という驚くべき削減を達成しました。

さらに、ジェネレイティブデザインの利点は、アディティブマニュファクチャリングによってのみ実現され、優れた流れに最適化された形状を可能にします。IMTでは、ジェネレーティブデザインを活用し、お客様の複雑な課題に応え、それを超える革新的なソリューションの開発に取り組んでいます。

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