平成28年11月14日

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SIP革新的設計生産技術
公開シンポジウム2016
デライトなものづくりを目指したトポロジー最適化に基づく構想設計法の開発
京都大学 西脇眞二
京都大学 （株）豊田中央研究所（株）岐阜多田精機 （株）ナガセインテグレックス
東北大学 アイシン・エィ・ダブリュ（株） （株）くいんと

SIP革新的設計生産技術が実現するデライトものづくり

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ＳＩＰ革新的設計生産技術ではデライトものづくりの中でA.感性 B.潜在価値 C.複雑・迅速造形 D.高性能・新機能に集中的に取り組む

顧客価値（満足）Ａ.感性

新しいものづくり＝ デライトものづくり

Ｂ.潜在価値

Ｃ.複雑・迅速造形

デライト性
喜び・魅力
驚き

Ｄ.高性能・新機能

従来ものづくり性能
品質
機能的価値（品質等）

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3

研究開発テーマの目的

構想設計

詳細設計

CAE評価

CADモデル→CAEモデル
設計者向けCAE

試作・試験

生産

STLモデル→3次元造形モデル

トポロジー最適化による構造創成設計，
性能評価→逆問題的設計手法による新機能をもつ革新的な設計案の創出CAD，CAE，CAMとの有機的統合化→開発期間の短縮，製品の質の向上

目的関数
制約条件の設定

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開発課題(H26～H30)

マルチスケール解析法
CADモデル自動作成技術
射出成形・超精密加工技術

構造力学問題を対象としたシステム化

高付加価値のある革新的デバイス設計への展開・開発

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本年度からの新設課題
トポロジー最適設計法と超微細三次元造形法の統合化
横浜国立大学 丸尾教授代表のプロジェクト：「超３D造形技術プラットフォームの開発と高付加価値製品の創出」との連携を実施．
 限られた微小な空間でも動作可能という新しい付加価値を持ったデライトなマイクロデバイスのプロトタイプの作製．」


トポロジー最適設計法に基づくデライトものづくり
システムの構築

COMSOL上で実装したシステムのプロトタイプを横展開．

大阪府立産業技術総合研究所において拠点設立．



設計者とのインタラクション環境の構築を行うためのトポロジー
最適化データマイニング手法を開発．

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革新的なデバイス設計への展開・開発


マルチスケール解析とトポロジー最適化に基づくミクロ・マクロ構造創成設計法の構築
マルチスケール解析の導入により設計自由度を飛躍的に拡大マスト設計，ベター設計の枠に留まりがちな従来のモノスケールにおける構造設計が提供できない新たな機能性，価値を実現

デバイス構造（マクロ構造）
マクロ（性能等）特性値

材料構造（ミクロ構造）

マルチスケール解析
ミクロ（材料）特性値


ミクロ・マクロ構造創成設計法による高性能デバイスの開発

デライトをもたらす新デバイス，魅力ある性能の実現⇒デライトの提供

3

7

マルチスケールトポロジー最適化

デライト設計案
マルチスケール

マルチスケール
解析

性
能
ベター設計案

モノスケール

現状の設計案
設計空間

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熱制御デバイス

高密度実装用基板の熱誘導制御デバイス
Hot
保護対象チップ

熱源チップ

Cold

Heat Flow

ヒートシンク
熱クローキング領域

マイクロパターンによる熱クローキング構造を実装

熱設計PCB*：
電気のみではなく熱流束を制御する配線パターンを持
つ基板

温度条件に敏感な素子を回避して排熱を効率よくヒートシンク側に誘導するデバイス*PCB：Printed circuit board プリント基板

4

9

熱制御構造
1. トポロジー最適化により，最適熱伝導率テンソル配置を求める．
（マクロ構造の決定）
2. テンソル配置より最適な流線，縞構造を創出する．
（ミクロ構造の決定）
3. 最大性能を得るテクスチャパターン(縞構造)を生成する．
熱源

熱保護領域

熱エネルギー回収領域

最適縞構造

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設計例
 ハイブリット車の簡易インバータケースモデル

Heat sink

Heat shield area

588K

Heat source

設計領域

熱伝導テンソルの最適方向

290K

5

300K

表面熱伝導設計


重量大1.73kg
熱特性良好
保護部温度291K

表面の異方性熱伝導テンソル分布最適化


1434K

ベクトルトポロジー最適化
シェル・ソリッド連成

熱保護領域（ケース内側）

290K

冷却箇所
温度一定

熱流入（底面）熱流束一定

Ultra-thin thermal composite
面内熱伝導率比100:1以上
熱誘導効果 （熱のメタサーフェイス：
熱クローキング，熱流束反転などを実証*）

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総アルミ

総PC/ABS
重量42％ 0.72kg
熱特性悪化
保護部温度382K

PC/ABS＋異方性熱伝導表面 290K
重量49％ 0.84kg (Cu 100mm厚 50%L/S)
熱特性大幅改善
保護部温度298K

588K

熱誘導により選択的に低温化

高熱伝導率 L/Sパターン
低熱伝導率マトリクス*Appl. Phys. Lett. 103,063501 (2013)

290K

熱伝導縞構造の実装
ベクトルトポロジー最適化
シェル曲面上のベクトル場

射出成型
樹脂ソリッドケースを作成ベースプレーティング
触媒反応で樹脂表面を導体化

自己組織化アルゴリズム
チューリングパターン反応拡散方程式
自己複製による反復パターン生成

L/Sパターン
流線に沿った縞模様
固定ピッチ

レーザ描画
レーザでベースを部分剥離し導体パターンを描画

選択的プレーティング
導体パターンを元に選択的に熱伝導率を上げる

613電磁場制御デバイス
微小コイルの配列による電磁気構造体により，特定周波数の漏洩磁場を反射，吸収．
 EMC（ノイズ）対策デバイスとして利用．
 構造体の面外等価透磁率を０に近づけ，特性発現．
 フェライトを樹脂・金属複合体で置き換え

軽量化、機械的特性向上、コスト低減
シェル構造体に拡張して、実用化を目指す

Figures: Sci Rep. 2014 Jan 10;4:3642.

*Sci Rep. 2015; 5: 12764.

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６軸超精密加工機の構成と特長

6軸精密加工機

曲面上微細加工のワーク例

5軸加工機では製造困難であった微細形状を自由曲面上に形成することが可能となる．

7

15

構造力学問題を対象とした方法論のシステム化


汎用性を考慮したシステムを念頭に置き開発
取り扱う構造に常に汎用性を要求される，構造力学問題を対象にシステム開発，汎用CADに搭載．
CADモデルおよびSTLモデルを介したコンピュータ支援技術との有機的統合化は，汎用性をもつことを念頭に開発．

最適化
CAD上の操作・設定

STL・CADモデル化

CADモデルを作成可能なソフトウェアの改良
16

最適構造から，自動的に解析曲面（平面・円筒面等）を含んだCADモデルを生成する手法を検討・開発．

トポロジー最適化
結果（STLモデル）

解析曲面で構成したCADモデル

解析曲面を適宜トリムしただけでは、曲面間に貫入や隙間が生じてしまう

解析曲面の領域境界となる三角形辺に基づいて隙間を設けることにより，隙間を自由曲面で埋める手法を開発．

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17

実装システム18

本年度からの新設課題
トポロジー最適設計法と超微細三次元造形法の統合化
横浜国立大学 丸尾教授代表のプロジェクト：「超３D造形技術プラットフォームの開発と高付加価値製品の創出」との連携を実施．
 限られた微小な空間でも動作可能という新しい付加価値を持ったデライトなマイクロデバイスのプロトタイプの作製．」


トポロジー最適設計法に基づくデライトものづくり
システムの構築

COMSOL上で実装したシステムのプロトタイプを横展開．



大阪府立産業技術総合研究所において拠点設立．



設計者とのインタラクション環境の構築を行うためのトポロジー
最適化データマイニング手法を開発．

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超3D造形技術プラットフォームの開発と高付加価値製品の創出
サブ100nmから100μmの加工線幅でマルチスケールな3D造形を実現①２光子マイクロ光造形による超高精細・微細3D造形②光ファイバを用いた全方位造形

光硬化性樹脂樹脂モデル5μm

3μm

10mm

究極の付加加工

マルチ加工線幅の実証

フェムト秒パルスレーザ
一方向積層造形（段差あり）

ヤクルト中央研究所の3Dモデル③マイクロ光造形を用いた3Dセラミックス鋳型技術

全方位造形（段差を大幅低減）④青色半導体レーザによる普及型3D造形装置

マイクロ光造形
により3D樹脂型
セラミックススラリーを注入1mm
圧電セラミックス

1mm
バイオセラミックス

樹脂
モデル

1mm

光硬化性樹脂青色半導体レーザ

シリカ

樹脂型を熱分解10mm

3D構造体を形成
さまざまなセラミック材料を用いて微小な3D構造体を形成
幅広い応用（医療、Lab-on-a-chip、MEMS）

10μm

5μm

1mm

高分解能・低分解能2つの造形を統合
神奈川県産業技術センターに設置・運用

20①超3D造形ものづくネットワーク
設立とオープンイノベーション③共同研究の実施例（株）協同インターナショナル
ナノインプリント
フィルムに3D付加加工↓マイクロニードルアレイ

材料メーカー（A社）

3D造形に関する相談窓口開設②普及型3D造形装置の公開

微細3D造形に適したセラミックス含有樹脂の開発

30μm

福田研究室（横国大）＆本間研究室（関東学院大）神奈川県産業技術センターに設置・運用（2015年10月運用開始）

1 mm

1 mm

人工血管作製用ニードルアレイ、3D足場を試作

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トポロジー最適化と超3D造形技術の統合化
丸尾研究室との共同研究
マイクロピンセットの創成設計・開発
設計例
固定部設計
領域

駆動部

ステップ:1回

ステップ:30回

ステップ:10回

ステップ:60回

ステップ:20回

ステップ:100回

先端部
作用荷重
赤矢印の方向に作用荷重を負荷した場合に，先端部が青矢印の方向に最大限変形

トポロジー最適化と超3D造形技術の統合化
最適化ピンセットの設計例

ピンセットの簡易駆動装置

マイクロ光造形による試作ピンセッ
トピンセットの開閉実験

11２光子マイクロ光造形による微細ピンセットの試作と駆動検証
試作例

先端幅：3.6μm
20μm

20μm

サイズ：120x108x10μm

駆動検証実験
ガラスニードルを用いた微小ピンセットの開閉を実証↓
微小物体の把持実験に応用予定

革新的設計生産技術の実用化

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・研究成果のツール化【ソフトウェア（プログラム等）、ハードウェア（装置等）】
・開発した技術等を拠点に設置し、活用事例の作成を中心に研究成果の実用化を進めていく
ハブ拠点【ハードウェア】
新機能・複雑造形等【ソフトウェア】
感性、潜在価値等

サテライト拠点

情報共有【イノベーションスタイル】
研究開発成果を使用した企業や個人ユーザの意見を得て新たな問題点を洗い出し、研究開発に迅速にフィードバックする、一連の試行錯誤を繰り返す仕組み【仕組の構築】拠点による成果普及

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COMSOL上で実装したシステムのプロトタイプ

25

アプリケーションビルダーの利用システムの実行
Runを押すと最適化がスタート

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トポロジーデータマイニング手法
デライト性を評価しながら設計者の創造性を発揮できる設計者とのインタラクション環境の構築．
 設計者の力学的理解を支援．
F2
40

160
(a) Case 1

F1(b) Case 2

マルチローディング問題（三つの荷重を別々に作用させる）(c) Case 3F328

多目的最適化

6,612個のパレート最適解
F3

F2
F1

 クラスター分析

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29

クラスター分析結果(K-means法）
6,612個の非劣解
8個のグループ

F3

F2
1.
2.

F1

最適解が得られた力学的根拠が理解できる．
境界条件が変更された場合に最適解がどのように変化するかが理解できる．

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イノベーションスタイル
京都大学・東北大学（提案する構想設計法）

フィードバック（株）豊田中央研究所
高性能・高機能デバイス設計法の開発（株）くいんと
最適設計ソフトウエア開発

岐阜県産業経済振興センター
企業支援・ユーザー意見取りまとめ
アイシン・エイ・ダブリュ（株）
自動車産業・電機産業への事業化(株)くいんと（株）アルモニコス（アドバイザー）

汎用CADを利用したシステム化（株）岐阜多田精機，ナガセインテグレックス（株）
製造法の開発国際競争に打ち勝つ
製品開発

デバイス・材料開発における事業化
新しい地域産業の創成

ソフトウエアの商用化
中小企業を含めた設計技術の革新

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