熱変形 — CAE用語解説

まさにそれが熱変形だよ。モーターやベアリングの発熱で主軸まわりの温度が上がると、機械構造が微妙に膨張して加工位置がズレる。精密工作機械だとμmオーダーの変形が加工誤差として表面化するんだ。

鋼のCTEは約12×10⁻⁶/Kだから、1mの鋼が10℃温度上昇すると0.12mm伸びる。光学系のレンズ鏡筒なら数℃の変化でアライメントが崩れるし、半導体露光装置ではnmレベルの熱変形が問題になる。

2段階のアプローチだ。まず熱解析で温度分布を求める。

次にその温度場を構造解析のサーマルロードとして適用する。熱膨張ひずみ$\varepsilon_{th} = \alpha \Delta T$が各要素に生じ、拘束条件との兼ね合いで変形と熱応力が計算される。

そう、それがポイント。均一に温まれば寸法変化だけで形状は保たれるけど、不均一だと反りやねじれが出る。例えば基板のリフローはんだ付けでは上面と下面の温度差で反りが発生して実装不良の原因になる。

そう。対策としてはインバー（CTE≈1.2ppm/K）のような低膨張材の採用、対称構造で変形を相殺する設計、あるいはウォームアップ運転で定常状態にしてから使うという運用面の対策もある。設計・材料・運用の3方向から攻めるのが熱変形対策の鉄則だよ。