航空宇宙・ドローンにおける軽量化のための3Dプリンター向けモデリングソフトウェア

航空宇宙・ドローン部品の軽量化設計

航空機やドローン、宇宙機の開発では、機体の構造部品や搭載機器の軽量化が性能を左右する重要な設計テーマです。ドローンでは航空規制による機体重量の制約のもとで、航続距離・速度・積載量といった要件を満たす必要があります。宇宙機では、削減した質量がそのまま打ち上げコストの低減につながります。

こうした分野では、AM（Additive Manufacturing：積層造形）を前提に、ラティス構造やトポロジー最適化、可変肉厚シェルといった設計手法を用いて、構造要件を満たしながら部品の質量を削減する軽量化設計が活用されています。対象となる部品は、機体の胴体から、発電機ハウジングのような搭載機器、光学機器のベースプレートまで多岐にわたります。

航空宇宙・ドローンの構造設計における課題

複雑な軽量化形状の設計工数

ラティス構造やトポロジー最適化形状を従来のCADでモデリングするには膨大な時間を要し、設計変更の際には形状の再構築が破綻しやすいという制約があります。

重量制約と性能要件の両立

航空機やドローンに搭載する部品は軽量化の優先度が高い一方で、着陸時の衝撃に耐える剛性や空力性能など、強度・性能要件との両立が求められます。

高性能材料の調達とリードタイム

軽量化と高剛性を両立するために特性に優れた特殊材料が採用されることがありますが、こうした材料は加工できる工場が限られ、調達に時間がかかるため、開発のリードタイムが長くなりやすいという課題があります。

3Dプリンター向けモデリングソフトウェア nTopによる解決

陰関数モデリングによる高速な形状生成

nTopは、陰関数モデリング（インプリシットモデリング）を採用した3Dプリンター向けモデリングソフトウェアです。従来のCADでは処理が困難だった複雑なラティス構造を素早く生成したり、トポロジー最適化形状を生成したりできます。設計パラメータを変更しても形状の再構築が破綻しないため、多数の軽量化案を体系的に検討できます。

ラティスや可変肉厚シェルの設計機能

軽量化に用いる主要な設計手法として、ラティス構造、トポロジー最適化、部品形状に沿うリブ、可変肉厚シェルなどに対応しています。たとえばドローンの機体では、CADで設計した空力曲面を取り込み、可変肉厚のスキンにラティスのインフィルとリブを組み合わせることで、空力形状を保ったまま構造剛性と軽量化を両立する設計が可能です。

解析と連動した形状の作り込み

ラティスの厚さや密度、穴形状のパターンは、部位ごとに自由に制御できます。さらにフィールドドリブン設計により、構造解析などのシミュレーション結果に応じて、これらの分布を自動的に制御することも可能です。トポロジー最適化や構造解析をワークフローに組み込めるため、別ソフトへのデータ出力やメッシュ修復の手間を減らし、nTop内で設計と検証を繰り返せます。

設計ワークフローの再利用と自動化

一度作成した軽量化のワークフローは他の部品にも再利用でき、シェル化やラティス生成といった繰り返し作業を自動化できます。多数の部品で構成される機体全体への軽量化の展開や、後続の機体開発にも効率的に対応できます。

nTop活用による期待効果

構造部品の大幅な質量削減

トポロジー最適化とラティス構造の組み合わせにより、構造部品の質量を削減できます。搭載機器のハウジングや航空宇宙部品など、形状や要件によっては大幅な軽量化が見込めます。

軽量化設計の期間短縮

従来は多くの時間を要していた複雑形状のモデリングや、シェル化・ラティス充填といった定型作業を、大幅に短縮できる可能性があります。設計変更にも短時間で対応できるため、開発全体のリードタイム短縮が期待できます。

航続距離や打ち上げコストの改善

機体の軽量化は、ドローンの航続距離や積載量の拡大につながります。宇宙機では削減した質量が打ち上げコストの低減に直結するため、小型衛星のように質量制約の厳しい機体において効果が期待できます。

材料選定の柔軟化とリードタイム短縮

ラティス構造の設計によって、汎用のAM向け材料でも目標とする剛性や変形性能を作り込めます。これにより、調達に時間がかかる特殊材料への依存を抑えられる場合があり、材料の調達性の改善と開発リードタイムの短縮につながります。