第一原理設計とジェネレーティブデザイン：AM熱交換器ではどちらが良い結果をもたらすか？

コンフラックス・テクノロジー創設者、マイケル・フラー著

コンフラックスの存在そのものが、熱交換のパイオニアとしてアディティブ・マニュファクチャリングを活用したいという深い願望から築かれたものです。私たちは、第一原理設計の重要性と、最先端の熱交換器を作るためのアプローチにどのように第一原理設計を用いるかについて、しばしば公の場で議論しています。

お客様との会話の中で、First Principles Designを使うか、Generative Design Toolsに傾倒するかという議論がしばしば浮上します。それはもっともな質問ですが、どちらか一方ということではありません。この2つのアプローチは敵対するものではありません。熱設計の専門家が戦略的に組み合わせることで、熱システムのイノベーションと産業化を大幅に加速することができます。

コンフラックスの焦点は、高性能で認証可能なAM熱交換器の連続生産にあります。コンフラックスは、これをスケールアップさせるイノベーションを常に推進しています。効率的かつ信頼性の高い連続生産を実現するには、物理学に基づいた厳密な設計と、高度な計算ツールの賢い活用の両方が必要です。

道具は魔法ではない。ツールが優れているのは、それを導く思考があってこそだ。それぞれの方法をいつ、どのように適用し、どのように統合するかを知ることが、私たちが成功し続けるための基本なのです。私たちは、ニッチな試作品ではなく、連続生産用の熱交換器を製造しています。

それを念頭に置いて、掘り下げて分解してみよう。

第一原理設計は、コンフラックス熱交換器の開発に不可欠で強固な基礎を提供する。

第一原理設計の規律

ファースト・プリンシプル・デザインとは何か？

第一原理設計、すなわち「第一原理からの推論」は、問題を基本的な物理的真実にまで分解し、解決策を一から再構築する工学的アプローチである。従来の仮定や過去の設計の反復的な微調整に頼るのではなく、第一原理を使用するエンジニアは、性能目標とそれを達成する物理的メカニズムとの間の正確な関係を定義する。

コンフラックスは、第一原理設計を採用し、モータースポーツ用に環状構造のウォーターチャージエアクーラーを開発しました。

第一原理設計はいかにインサイトを促進するか

熱交換器の第一原理からの設計は、熱力学、流体力学、材料科学といった核となる物理学から始まります。熱伝達がどのように起こるか、何が圧力損失を引き起こすか、そして形状がどのようにそれらの効果を操作できるかを理解するのです。 実際には、必要な熱伝達率、許容圧力損失、空間的制約、動作荷重下での機械的完全性、AM特有の製造性パラメーターなど、設計の重要な境界を特定することを意味します。この基礎は、ジェネレーティブ・デザインを含む後続のツールが動作するための「言語」となります。

当社のジオメトリーは、長年にわたって改良を重ねてきたAMプロセスに特化したものです。過去10年にわたり構築された当社の「デザイン・ライブラリー」には、実際の製造と実際の流体条件下で各形状がどのように振る舞うかについての知識が含まれています。新しいアプリケーションの概要ごとに、私たちは第一原理から構築されたフレームワークから始め、私たちの製造能力に直接結びつけます。

重要なことは、第一原理を通してAM熱交換器を設計することは、計算ツールを無視することを意味しないということです。むしろ、それらのツールが解くべき正しい問題と制約条件を定義することなのです。

ジェネレーティブ・デザイン・ツールの役割

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ツールは、アルゴリズムと人工知能を使用して、ユーザーが定義したパラメータと制約に基づいて幅広い設計オプションを探索する高度なソフトウェアアプリケーションです。これらのツールは、設計変数の幅広いパラメトリックスイープを探索し、新しい形状を迅速に作成することができます。

ジェネレーティブ・デザイン・ツールの限界

しかし、ジェネレイティブ・デザインは単独では機能しない。アルゴリズムには、基本的な制約、境界条件、パラメータ、熱伝達効率、低圧力損失、流動抵抗、およびソリューションが実行可能かどうかを定義するその他の物理的原則など、情報に基づいた「種」が必要です。これらのことは、あなたが教えない限り、「ツール」にはわかりません。この基礎がないと、数学的にはエレガントでも物理的には役に立たない、あるいは製造不可能な形状を簡単に生成してしまいます。

例えば、生成アルゴリズムは表面積を最適化するかもしれないが、表面積を増やすと特定の用途で許容できない圧力損失が発生することに気づかないかもしれない。同様に、肉厚が選択したAMプロセスで製造可能かどうかも、明示的な入力がなければ直感的にわからない。

ジェネレーティブツールは専門家でなくても使えるという考えとは裏腹に、提案された形状が本当に性能を向上させるかどうかを評価するには、熱工学の深い専門知識が不可欠です。この専門知識がなければ、専門家でなくても、有望に見えても実行可能な熱性能や製造性を実現できない結果に惑わされてしまう危険性があります。

熱交換用のジャイロイドは？

ほとんどの場合、ジャイロイドをめぐる会話は、どのアプリケーションがこれらのジオメトリーから恩恵を受け、どのアプリケーションが恩恵を受けないかについて、より明確な知識と主要市場におけるより良い理解によって、より簡潔なものになった。

ジャイロイドとは？

ジャイロイド幾何学は、その連続的な3重周期の極小曲面を持ち、付加製造が達成できることの象徴であると考える人もいる。数学的方程式によって導き出され、多くの場合、計算設計ツールを使用して生成されるジャイロイド形状は、複雑で高効率な構造を印象的に視覚的に表現します。高い表面積対体積比と自己支持性により、特定の熱交換器用途には特に魅力的である。しかし、その性能は用途に大きく依存する。

コンフラックスはジャイロイドを作っていますか？

コンフラックスの性能主導型アプローチは、各形状をターゲット環境の熱的、機械的、流量的要件に照らして評価します。モータースポーツや航空宇宙などの高性能アプリケーションの多くでは、圧力損失を厳密に制御する必要があります。このようなシステムでは、多くの場合、小型、軽量、最小限の流動抵抗で効果的な熱伝達が要求されます。さらに、ジャイロイドは、流体ドメイン間の表面積分布に固有の対称性を課します。これは、流体の熱伝導率が大きく異なり、非対称な伝熱面が必要な場合に問題となることがあります。例えば、伝熱効率を向上させるために、伝導率の低い流体により多くの表面積を割り当てる必要があります。したがって、このような状況では、ジャイロイドは圧力損失が大きすぎて、目的に合った選択肢とはならないことが多い。とはいえ、私たちは形状にこだわらない。

コンフラックスが設計したジャイロイド構造

コンフラックスのアプローチ両方の長所を組み合わせる

コンフラックスの方法論は、一つのアプローチを選択することではない。統合することなのだ。

私たちは第一原理から始めます。私たちのチームは、独自の知識ベース、拡大し続ける設計ライブラリーと性能データベース、数十年にわたる熱流体に関する専門知識を駆使して、正確な性能目標と物理的限界を定義します。

この知識は有益だ：

• コンフラックスのコア形状に必要な単位面積当たりの熱伝導率
• 特定のAMプロセスに関連する製造上の制約
• 自動化された後処理を含む、連続積層造形におけるプロセス最適化の具体的なニュアンス。
• 航空宇宙産業のような業界で要求される認証パスウェイ

そして、ジェネレーティブ・デザインは強力な加速器となる。問題空間が正しく定義されれば、最適化されたコンフィギュレーションを迅速に探索するための計算ツールを導入し、設計サイクルを短縮し、連続生産の市場投入までの時間を短縮することができる。しかし、繰り返しになりますが、これらのツールを活用して性能を最適化できるのは、深い専門知識があるからこそなのです。

さらに、当社のコンフラックス・プロダクション・システム（CPS）が、この統合的アプローチを支えています。CPSは、先進的なDesign for Serial Additive Manufacturing（DfSAM）と独自の製造ノウハウおよびプロセスの自動化を組み合わせたものです。これにより、非常に複雑な形状であっても、認証された産業用アプリケーションに必要な品質レベルで、一貫して、大規模に製造できることが保証されます。

パガーニ・ユートピア向けのコンフラックスのカートリッジ式熱交換器は、先進的なDfSAM（Design for Serial Additive Manufacture）と独自の製造ノウハウおよびプロセスの自動化を組み合わせたものです。

高性能で認証可能な熱交換器のエンジニアリングに関しては、第一原理設計が不可欠です。第一原理設計は、設計を正確に制御し、最初から製造可能であることを保証し、厳しい性能要件や規制要件を満たすことを可能にします。

自動化されたツールは有望な形状を提案することができるが、モータースポーツ、航空宇宙、産業界のクライアントに最適な、用途に特化したソリューションを提供するために必要な微妙な理解を持つのは、これらのツールのユーザーだけである。

ジェネレーティブデザインツールは強力な機能を提供しますが、AM熱交換器の設計においては、深い専門知識がなければその価値は非常に限定的です。提案されたものを批判的に評価できなければ、見た目は素晴らしいが実際には失敗する設計によって道を踏み外す危険性があります。アウトプットを批判的に評価する能力がなければ、これらのツールは、高度なアプリケーションの初期コンセプトには危険です。

真のチャンスは、この2つのアプローチを融合させることにある。一方、ジェネレーティブ・デザイン・ツールは、最適化されたソリューションを短時間で探求し、改良するのに役立ちます。この2つを併用することで、単に補完し合うだけでなく、相互に依存し合うことができるのです。高性能熱交換器と連続積層造形で何が可能かを再定義するイノベーションを提供できるのは、第一原理による洞察とジェネレーティブデザインによる探求の組み合わせによるものです。