フェリックス・リー（CEO） Forgecise — 2026年5月22日
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簡単な要約（直接的な回答）
3Dプリンティングにおける計算工学設計とは何ですか？ 計算工学設計では、手動のCAD図面ではなく、数学関数とアルゴリズムを用いて3Dプリント用の形状を構築します。エンジニアは、温度制限、構造荷重、流体流量などの物理的な境界条件を入力します。すると、コードが自動的に理想的な形状を生成し、3Dプリンターで継ぎ目のないロケット冷却チャネル、マイクロチャネル冷却プレート、医療用インプラントといった複雑な内部構造を製作することが可能になります。
テキストと図が失敗する理由：先進的な積層造形
昨日、コードから直接ヒートシンクの形状を生成することについての記事を公開しました（「ラジエーター設計にCADは不要に ― コードによる直接計算」数名の読者から、具体的な使用方法の詳細を尋ねる返信がありました。
彼らの言う通りだった。テキストや静止画像だけでは、計算工学を完全に説明することはできない。
エンジニアにCADソフトウェアをコードスクリプトに置き換えるように言うのは抽象的に聞こえる。 符号付き距離場（SDF）、 暗黙曲面、 または ボクセルグリッドそうなると、画面の裏側で実際に何が起こっているのかを想像するのが難しくなる。
そこで、長文の記事を書く代わりに、インタラクティブなウェブアプリを作成しました。 5回の全面的な改訂 数時間で、それぞれの微調整は金属3Dプリンティングにおける実際的な問題と結びついていた。その結果、計算論的思考のための実践的なメンタルモデルとして機能するようになった。
ハードウェアを実際の物理的環境に配置する
突破口が開けたのは5回目の改訂版で、私が厳格なルールを設けた時だった。
各部品を単独の3D形状としてではなく、実際の動作環境の中で表示してください。
洗練されたビジュアルよりも、文脈の方が重要です。部品が何であるか、どこに設置されるか、熱や負荷がどのように伝わるかを見れば、特定のパラメータがなぜ重要なのかが理解できます。
TRADITIONAL CAD:
[ Concept ] ---> [ Sketch in CAD ] ---> [ Run CAE Simulation ] ---> [ Redraw ]
* Geometry comes first | Physics is checked later
COMPUTATIONAL DESIGN:
[ Physics Constraints + Domain Rules ] ---> [ Run Code ] ---> [ Generated Shape ]
* Geometry comes last | Physics drives the shape
4つの実用的な工学事例
当社のウェブシミュレーターは、金属積層造形がハードウェアの製造方法を変革する4つの主要なアプリケーションを紹介しています。
1. 航空電子機器用液体冷却プレート（熱流体力学）
- 問題： 航空機に搭載される電子機器は高温になるが、スペースと重量の制限は厳しい。1グラムたりとも無駄にできない。
- シミュレーションの設定：
- 航空電子機器用冷却板の断面図を表示する。
- 最上層：高出力 FPGAチップのTDPは350Wです。。
- 液体の流れ：左側の入口 25℃右側のコンセントに届く 85℃。
- 緑色の破線は、活発な流体の動きを示しています。
- 内部チャンネルの色は、冷たい青から温かい赤へと滑らかに変化します。
- リアルタイム指標：
- チャンネル設定を変更すると、 気温上昇（デルタT）、 流速（$v$）、 そして 圧力降下（ΔP） 即座に。
- 実世界への応用： 金属3Dプリンティング技術を用いることで、エンジニアは液体冷却プレート内部に、従来のCNCフライス加工では到底不可能なほど緻密なマイクロチャネルを詰め込むことが可能になる。
2. ロケットエンジンノズル（高度な熱管理）
- 問題： ロケットの燃焼室は3000Kに達する。従来の冷却ジャケットは数百本の溶接されたチューブを必要とするため、数百箇所で漏洩のリスクが生じる。
- シミュレーションの設定：
- 高温燃焼による点火の全過程を示します。
- チャンバー入口は 3000K ノズル壁の明確な境界に沿って。
- 内部空間は高温ガスの色で輝き、躍動感のある排気炎が描かれる。
- 内部冷却通路は、金属壁の内側に2列に並んだ動く青い点として見える。
- 下部のインジケーターは $\text{LH}_2$ を示しています （液体水素）90K入口。
- リアルタイム指標：
- 喉部の直径を調整すると、排気炎の幅が変わります。
- 冷却通路の数を変更することで、壁内部の青色チャネルの密度を調整できます。
- 実世界への応用： 民間宇宙企業は、ロケットエンジンの燃焼室を一体成形で製造している。内部冷却チャネルを壁面に直接印刷することで、脆弱な溶接継ぎ目をなくすことができる。
3. ジャイロイド格子構造の航空宇宙用翼ブラケット（軽量化と力学）
- 問題： 従来の金属製ブラケットは、航空機の構造に重い自重を加えることになる。
- シミュレーションの設定：
- チタン合金（Ti-6Al-4V）製の翼ブラケットをモデル化したものです。
- 上部と下部の頑丈なプレートには、取り付け用の標準的なボルト穴が設けられています。
- 中心核は連続的に満たされる ジャイロイドTPMS（三重周期最小曲面） 格子。
- 上部の赤い矢印は、空力荷重ベクトルを示しています。 4.5グラム。
- リアルタイム指標：
- 壁の厚さとセルサイズを調整すると、強度面でのトレードオフがすぐに明らかになる。
- 体重を減らす 40%以上 維持しながら 元の剛性の90%以上。
- 実世界への応用： ジャイロイド格子構造は応力を均等に分散するため、粉末床溶融（PBF）システムでは内部サポート構造なしで造形できます。
4. 頸椎インプラント（C5-C6固定ケージおよび生体力学）
- 問題： 脊椎ケージは、患者の骨の形状に合うように設計すると同時に、内部に実際の骨が成長できるように開口部を確保しておく必要がある。
- シミュレーションの設定：
- 表示 C5-C6頸椎固定ケージ 上下の椎骨の間に位置する。
- 形状スライダーを使用すると、インプラントの形状を円形から正方形に変更でき、標準的な手術設定に合わせることができます。
- 緑色の矢印は、骨の自然な成長方向を示しています。
- リアルタイム指標：
- いつ 多孔度が55％を超える そして 細孔径が250μmを超える緑色の矢印が明るい緑色に変わり、 「骨の成長に最適な条件」。
- これらのしきい値を下回ると、ステータスアラートが発生します。 「多孔性または孔径が不十分」。
- 実世界への応用： 電子ビーム溶融（EBM）と選択的レーザー溶融（SLM）は、天然の骨構造を模倣した多孔質チタンケージを3Dプリントする。
従来型CADと計算工学の比較
| メトリック | 従来型CAD | コード駆動型計算工学 |
|---|---|---|
| 形状作成 | マウスの手動クリック、スケッチ、ブール演算 | 数式、SDF、コード関数 |
| 複雑な特徴 | 高密度ラティスでパフォーマンスが低下したり、クラッシュが発生したりする | 数百万もの微細な機能をスムーズに処理します |
| 設計手順 | 図形を描画する $\rightarrow$ 物理をテストする $\rightarrow$ 再描画する | 物理ルールを設定する $\rightarrow$ コード $\rightarrow$ 結果の形状 |
| システムコンテキスト | 分離された3Dパーツファイル | アクティブ物理法則によって直接形作られた部分 |
| ファイル出力 | 固定されたSTEPまたはSTLメッシュ | 再利用可能で編集可能なアルゴリズム |
計算論的デザイン思考を理解する
このツールの開発を通して、ハードウェアの製造方法における根本的な変化が浮き彫りになった。
- 伝統的な考え方（あらかじめ決められた形状）： CADで形状をスケッチし、シミュレーションソフトウェアに送信して、どこで破損するかを確認し、手動で線を微調整する。形状が最優先で、性能チェックは後回しだ。
- 計算的思考（計算された形状）： まず目標を設定します。熱制限、荷重、体積境界を数学的なルールとして入力します。すると、コードが形状を計算します。
その形状は、物理的な制約の自然な結果として生じる。
論文を読むだけでは、このような考え方は身につきません。自分でパラメーターを調整し、物理法則によって形状がどのように変化していくかを観察する必要があるのです。
インタラクティブWebシミュレーターの内部
このウェブツールは、6つの主要分野にわたって明確な視覚的フィードバックを提供します。
- ヘッダーナビゲーション: コールドプレート、ロケットノズル、ウィングブラケット、脊椎インプラントを切り替えるための4つのタブ。
- メインディスプレイ： リアルタイムの温度、力の矢印、流体の動きを示すライブ物理ビュー。
- 距離フィールドビュー: メイングラフィックの下に、リアルタイムの符号付き距離場（SDF）マップが表示されます。
- 主要数値： パフォーマンス指標を示す、明るい金色の数値表示。
- コントロールパネル： 右側のスライダーは物理法則に直接連動しています。
- コードウィンドウ: 画面下部に表示される擬似コードは、スライダーを動かすと自動的に更新されます。
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| [Tab 1: Cold Plate] [Tab 2: Rocket Nozzle] [Tab 3: Bracket] [Tab 4: Cage] |
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| | CONTROL PANEL |
| PHYSICAL WORKING DIAGRAM | - Thermal TDP: [ 350W ] |
| (Real-time Temp, Flow Vectors, Load Arrows) | - Channel Density: ===o |
| | |
| | PERFORMANCE NUMBERS |
|----------------------------------------------------| [ 85°C Peak ] [ 1.2Bar] |
| SIGNED DISTANCE FIELD (SDF) MAP | |
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| LIVE PSEUDOCODE (Updates line by line when sliders move) |
| > const coldPlate = SDF.box([100, 50, 10]).subtract(SDF.microchannels(8)); |
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よくある質問（FAQ）
3Dプリンティングにおける符号付き距離場（SDF）とは何ですか？
SDFとは、空間内の任意の点から形状の表面までの最短距離を計算する数学関数です。オブジェクトの外側では正の値、内側では負の値、境界ではゼロを用いることで、ソフトウェアが重い3Dメッシュファイルを使用することなく、滑らかで複雑な格子構造を生成できます。
なぜCADは積層造形におけるボトルネックになりつつあるのか？
従来のCADは単純なソリッドサーフェスはうまく扱えるものの、内部に数百万もの格子状の支柱やカスタム冷却チャネルがあると処理が困難になる。ファイルサイズはあっという間に膨れ上がり、複雑な形状を修正しようとするとソフトウェアの動作が不安定になったり、クラッシュしたりする。
コード主導型設計は、航空宇宙部品の軽量化にどのように貢献するのか？
このコードは、機能的な空間を金属の塊ではなく、ジャイロイド格子のような繰り返し構造パターンで埋め尽くします。アルゴリズムは、機械的応力が必要な箇所にのみ材料を配置することで、構造強度を維持しながら重量を最大40%削減します。
当研究室のプロジェクトをご覧ください
このシミュレーターは、当研究室のポータルサイトで公開されている、インタラクティブなハードウェアツールの継続的なコレクションの一部です。 amyidao.com/bslab。
このセッション（オープンソースのPicoGKフレームワークと同様の概念に基づいて構築されています）に加えて、他のインタラクティブツールもお試しください。
- ムーンタワー3Dプリンティングゲーム： 月面のレゴリス（地表の岩石）を使って月面居住施設を建設する体験型ゲーム。
- インタラクティブ業界の履歴書： Appleの経営陣向けに作成された、積層造形技術を紹介するウェブベースのプロフィール。
- NVIDIA GPU冷却シミュレーション： 高負荷のGPU環境下における液冷性能をテストするインタラクティブモジュール。
- 若い学生のための3Dプリンティング入門： 積層造形の基礎を紹介するインタラクティブな科学モジュール。
- 日本の積層造形防衛地図： 積層造形における防衛サプライチェーンの詳細な構造分析。
シミュレーターを試してみる
ハードウェアの概念の中には、自分でパラメーターを調整してみると、はるかに理解しやすくなるものがある。
注: シミュレーターは、 デスクトップブラウザ コントロール、コードウィンドウ、グラフィックがすべて見える状態です。
[Open the Computational Engineering Design Simulator at amyidao.com/bslab]
著者プロフィール
フェリックス・リー CEOは Forgeciseそこで彼は、ソフトウェア主導のハードウェア設計と高度な金属3Dプリンティングのワークフローに重点を置いている。
参考文献：
- AM易道 (2026). ラジエーター設計にCADは不要に ― コードによる直接計算。
- Leap71 (2024). PicoGK：計算工学のためのオープンソースのコンパクトカーネル。