目的
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。
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。
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。
こちらの記事を参考にするとABSの非積層方向の引張強さが57Mpaになるということだったので、引張強さの項目を編集しました。
②固定する部分とかける負荷を設定する
まず、下の写真の青い面が動かないように固定します。
次に、反対側に押し付ける力（青い矢印）を追加します。
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。
④シミュレーションにかける
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。
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に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。
一般的な製品では3～4に設定されており、無理な負荷をかけても壊れにくいように設計されています。
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。
つまり安全率が1を下回らないので、塑性変形を起さないということがわかります。
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。
設計を変えた場合や、もっと負荷をかけ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
部品の厚さを2倍にしてみました。
シミュレーション結果
同じ1Nをかけましたが、厚みを2倍にしたことであまり変形しなくなりました。
その分強度が増していることがわかります。
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、10倍の10N（約1Kg)の力で押してみます。
シミュレーション結果
よくわかりませんが、とにかく壊れそうだということはわかります。
プリント
完成品
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。
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。
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。
このことからシミュレーション結果が妥当であると考えられます！
試してみる
完成したのでグリスを塗ります。
いい感じに塗れました！
結論
シミュレーションをたぶん使いこなしていい感じに作ることができました！
個人でこの程度の部品を作るのにいちいちシミュレーションしてる人いなそう。
今回行ったのは静的な荷重のシミュレーションですが、Fusion360にはさまざまなシミュレーション機能があるので、他の機能も使いこなせるようになってみたいです！
参考資料