アルミ押出成形の形材設計を効率化し、試作コストと時間を削減 ― 株式会社FAI、加藤軽金属工業株式会社と「次世代の形材設計支援システム」の共同研究開発を開始

株式会社FAI

2025年4月29日 13時18分

株式会社FAI（代表取締役：海老原寛）と加藤軽金属工業株式会社（取締役社長：加藤大輝）とは、アルミ押出成形の型材設計における課題を解決するため、トポロジー最適化技術を活用した新たな型材形状の最適化システムの開発に着手しました。

本システムは、設計要件と形材の設計領域を入力することで、横方向の荷重に対する耐性を解析し、最適な押出形材の断面形状を導出するものです。これにより、設計の試行錯誤を大幅に削減し、設計精度の向上、コスト削減、製品品質の向上を目指します。

プロジェクト背景と目的

従来の金型設計では、以下のような課題がありました。

・試作やシミュレーションの繰り返しによる時間の浪費

・材料の無駄によるコスト増

・横荷重に対する強度不足の懸念

このような問題を解決するため、本システムでは、トポロジー最適化技術を活用し、材料の配置を最適化することで、必要な部分に強度を集中させながら、不要な部分を削減することを可能にします。

技術概要

・トポロジー最適化

最適な「かたち（材料配置）」を力学の原理と数値シミュレーションで出す技術です（図１）。

トポロジー最適化は、強度や剛性を維持しつつ、応力のかからない部分や構造的に重要でない部分の材料を削り取ることで軽量化を実現します。

材料の配置を最適化し、無駄な材料を削減して軽量化を図り、必要な部分に適切な強度を確保します。

・今回開発したシステム

断面形状のデータを基に、横方向の荷重に対する耐性を計算し、曲げに強い最適な形状を計算します。

図２のように、押出成形においてZ方向に一様な形状を前提とし、型材の断面における最適な形状を解析するシステムを新たに開発しました。

技術検証および進捗状況

1. ３点曲げに強い押出断面形状の最適化

３点曲げに強い（変形しづらい）断面形状をトポロジー最適化によって計算を実施しました（図３）。

材料の体積率を変更して複数回最適計算を実施することで、結果を比較し、設計案を検討することが可能となります。

さらに、他部品の干渉などを考慮した最適設計も可能です（図４）。

図４　単純に剛性を最大化させた最適計算結果（上）と他部品の干渉を考慮した場合の結果（下）

2. 熱伝導性能の最適化

60×60mmの断面に材料使用量100mm²の制約を与え、熱伝導性能が最大となる形状を計算します（図５）。熱伝達の最大化を目的とした一般的なトポロジー最適化特徴的な構造（図５左）ですが、細かい枝分かれ部分は製造困難です。今回新たに開発したトポロジー最適化技術によって製造可能な断面構造を得ることに成功しました。特に、最小寸法制約を加えた形状（特に図５右の最小寸法3.0mm）は、シンプルで実用的な構造となる可能性があることがわかりました。