[論文レビュー] Bio-inspired method based on bone architecture to optimize the structure of mechanical workspieces

Clément Audibert, Julien Chaves‐Jacob+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2018

Additive Manufacturing and 3D Printing Technologies参考文献 27被引用数 54

ひとこと要約

本論文は、局所応力によるポロシティ制御を通じてオープンワーク機械部品を最適化する、骨構造に基づく生体インスパイア設計アプローチを提案し、実験的曲げ試験によるトポロジー最適化との比較を行う。

ABSTRACT

Nowadays, additive manufacturing processes greatly simplify the production of openwork workpiece providing new opportunities for workpieces design. Based on Nature knowledge, a new bio-inspired workpiece structural optimization approach is presented in this paper. This approach is derived from bones structure. The aim of this method is to reduce the workpiece weight maintaining an acceptable resistance. Like in bones, the porosity of the part to optimize was controlled by a bio-inspired method as function of the local stress field. Shape, size and orientation of the porosities were derived from bone structure; two main strategies were used: one inspired of avian species and other inspired of terrestrial mammalian. Subsequently, to validate this method, an experimental test was carried out for comparing a topological optimization and the proposed bio-inspired designs. This test was conducted on a beam part in 2.5D subjected to a static three-point bending with 65% of density. Three beams were manufactured by 3D metal printing: two bio-inspired beams (terrestrial mammalian and avian species) and the last designed using a topological optimization method. Experimental test results demonstrated the usefulness of the proposed method. This bio-inspired structural optimization approach opens up new prospects in design of openwork workpiece.

研究の動機と目的

• 許容される構造耐性を維持しつつ、オープンワーク部品の軽量設計を促進する。
• 局所応力場により駆動される骨構造に触発された多孔性最適化手法を開発する。
• 鳥類および陸生哺乳類の骨戦略からポロシティの形状・サイズ・配置を導出する。

提案手法

• 局所応力の関数として部品のポロシティを制御するために骨由来の原理を用いる。
• 鳥類および陸生哺乳類の骨構造からポロシティの幾何形状（形状・サイズ・向き）を導出する。
• 三つのバリアント（生体由来二つ、トポロジー最適化一つ）を用いて金属の3Dプリントでビームを製造する。
• 密度65%での静的三点曲げ試験によりビームの性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 骨構造に基づく生体インスパイア多孔設計は、トポロジー最適化設計と比較して耐性を維持しつつ重量を削減できるか？
• RQ2 鳥類由来および陸生哺乳類由来の多孔パターンは曲げ荷重下でどのように性能を発揮するか？
• RQ3 骨由来の多孔性をアディティブマニュファクチャリングされたオープンワーク部品に実装する実現可能性はどの程度か？

主な発見

• 実験的試験は、生体由来設計が曲げ荷重下のオープンワーク構造に有用であることを示し、トポロジー最適化との性能比較を行った。
• 3本のビームをプリントした：2つが生体由来（陸生哺乳類と鳥類由来）、1つがトポロジー最適化、いずれも密度65%。
• 提案された骨構造ベースの最適化アプローチの有用性を結果が裏付けている。