Fusion360のCAE機能を使って3Dプリント部品の強度シミュレーションをしてみた！



# 背景
3Dプリンタのシャフトに塗られているグリスが乾燥してきたので、グリスを塗る専用の道具を作ってみることにしました。
そこで、せっかくなのでCAEを使ってシミュレーションをして設計に反映してみようと思います。

私が使っているAdventurer3という3Dプリンタのシャフトの径が8mmであり、これにグリスを塗るための道具を作ろうと思います。
イメージとしては、ピンセットのような構造で先端がシャフトを包むような感じにしたいです。

<img width="800" src=https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/823157/6929f7d1-14f6-8b74-2ab1-e7e0a8a4af64.png>


# 実践！
## モデリング
結論が先になりますが、今回設計したモデルは下の写真のようになりました。
ピンセットのように持って挟むとちょうどシャフトを包み込むようになります。
<img width="800" src=https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/823157/d0615b4d-13f4-09a4-b4b5-982b1f5fdf5c.png>

## シミュレーション（本記事のメイン）

### ①マテリアルの設定
今回3Dプリンタを使って製作し、フィラメントはABSを使います。
そのため、材料をABSに設定しますが、3Dプリンタを使って積層するので、積層方向によって強度が異なります。
今回は積層方向ではない方向に力をかけるので、それに合わせた物性値に編集します。

https://neet2121.hatenablog.com/entry/2020/04/27/030006

こちらの記事を参考に、引張強さのパラメータを編集しました。
<img width="400" src=https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/823157/ed471dcb-6758-947e-4077-641ace19af18.png>




### ②固定する部分とかける負荷を設定する

まず、固定する場所を指定します。
今回は下の画像のように青色の面を固定しています。
<img width="800" src=https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/823157/408eeef6-79c0-c48b-f360-253fb43c4bf1.png>

次に応力の設定を行います。
先ほど固定した面の反対側に押し付ける力（青い矢印）を追加します。
<img width="800" src=https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/823157/de9b3be7-530a-952c-f865-11b620f4da04.png>

### ③メッシュを作成
部品をある程度分割します。
細かく分割すればするほどシミュレーションの精度が向上しますが、時間がかかります。
<img width="800" src=https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/823157/e5c3e7bd-f227-379a-e6ab-a54c835ee09b.png>


### ④シミュレーションの実行！

下の画像のシミュレーション結果は1N（約100g）で力をかけた時に応力が発生する部分を表示した結果です。
色が赤っぽくなっている部分に力がかかっています。
シミュレーションによると1Nの力を力をかけるとほとんど閉じるような形になるようです。

![sim_2.jpg](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/823157/4eb647fc-b92f-14e4-b5d6-6012e5962370.jpeg)

次に下の画像は安全率の分布を表示した結果です。

>__安全率__
安全率とは製品の安全性を保障するため、設計に用いられる指標です。
Fusion360のシミュレーションでは塑性変形（もとの形に戻らなくなる変形）が発生する値を1をとしています。

シミュレーションによると最も安全率が最も低くなる部分では約1.4になるという結果となりました。
安全率が1を下回る部分がないので、弾性変形の領域内で使用することができるということが分かります。

<img width="800" src=https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/823157/98d09c79-8a22-5ea8-b6cd-4bd4ef62c61b.png>

以上のシミュレーション結果からこの設計で問題なく利用できそうです！
今紹介した結果はいくつかの設計でシミュレーションを行ったうえで、設計した結果となっています。

次に設計を変えた場合や、負荷を大きくした場合のシミュレーションの結果も紹介します！

### 部品を分厚くした場合
部品の厚みを2倍にしてみました。
<img width="800" src=https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/823157/81883059-8252-eb41-95d6-899abe7006bc.png>

__シミュレーション結果__
同じ1Nをかけましたが、厚みを2倍にしたことで強度が増し、変形量が小さくなりました。
![sim_3.jpg](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/823157/eefeb424-7437-e46b-0f68-8d2b9a280dcb.jpeg)

### 負荷を増やした場合
設計はそのままで、先ほどまでは1Nの力をかけていましたが、3倍の3Nの力で押してみます。
![sim_4.jpg](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/823157/f78b52a1-8c85-a7c3-d6c2-2333f7736453.jpeg)


__シミュレーション結果__
安全率が１を下回る塑性変形が発生する赤色の領域が発生していることが見て取れます。
しかし現実には、画像のように変形する前に部品が干渉するため、赤色の領域が塑性変形するまで閉じることはできないですね。
![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/823157/57697b07-ac00-e6ea-3b20-ae50d032683c.png)




## プリント

### 完成品
<img width="700" src=https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/823157/6a7df638-95cf-5093-417c-98cc74a3a813.jpeg>

プリントしたものを測りを使ってどのくらいの力で閉じるか試してみたところ、約130g（1.3N）でちょうど閉じることがわかりました。
<img width="500" src=https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/823157/b3391bdb-0a1c-daad-1424-17e46e5ed2d6.png>


そこで、負荷を1.3Nに設定してシミュレーションしてみました。
<img width="800" src=https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/823157/2f26dff3-1bc0-1ae5-e44f-396aeb032a71.png>

__シミュレーション結果__
1.3Nをかけるとちょうど閉じる結果となりました。
![simulation_1.jpg](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/823157/b9cafe3e-032b-c152-95b2-b5f4d86488d8.jpeg)

このことから、シミュレーション結果が妥当であると推測できます。


## 試してみる
完成したのでグリスを塗ります。
<img width="600" src=https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/823157/78bf87d2-f2ad-d7af-2220-140366a1c2a9.png>

いい感じに塗れました！

# まとめ
Fusion360のCAE機能を使って3Dプリント部品の強度シミュレーション行いました。
また実際に部品を3Dプリントし、シミュレーションの結果が妥当であることも確認できました。

今回行ったのは応力のシミュレーションですが、Fusion360に他にも熱解析などさまざまなシミュレーション機能があるので、他のシミュレーションも使いこなしていきたいですね！

<img width="600" src=https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/823157/740aded1-c494-6e1b-2846-df77629a8141.png>

# 参考資料
https://neet2121.hatenablog.com/entry/2020/04/27/030006

<img width="800" src=>