研究者らがモジュール式3Dプリント複合中空梁を設計

出典: 広西付加製造協会

記事「ラップ複合中空梁のモジュール式 3D プリントの設計と強化」では、チェコ共和国の研究者がバイオプリント複合材を使用して製造しました。彼らの目標は、構造薄壁と中空梁の構造複合材を作成するための新しい、完全に自動化されたプロセスを作成することでした。最終的に必要だったのは、すでに外部形状を持つ梁の断面形状の基本的な最適化でした。

この種の研究はまったく新しいものではありません。実際、ここ数十年で、多くの構造最適化問題は半決定論的な手順になりました。ここで、研究チームは「せん断および座屈壁の不安定性の影響を受けやすい薄壁フィラメント巻き複合工作機械部品の最小重量の内部構造を設計するという産業上の問題」を検討しました。梁の積層板は、自由振動の固有振動数として定義される壁の不安定性を伴う動的荷重に耐えるように作成されました。ここでは、クロスビームにフォームコア構造を挿入することで問題が解決されました。しかし、そうすることはコストがかかり、労力もかかります。

「その代わりに、私たちの目標は、従来の低コストの 3D プリンターを使用して簡単に製造できる、構造的に効率的な内部構造を自動的に設計することです」と研究者らは述べています。彼らはまた、線形半正定値計画法を拡張して、最小重量の全体的に最適な格子内部構造を作成しました。

より効率的な「凸線形定式化」を使用して、より軽量な内部構造を持つプロトタイプを作成することで、剛性を高めることができます。これにより、複数の固有値の典型性を回避しながら、基本自由振動周波数を一定レベル以上に高めることができます。ここでのサンプルの基本構造は、長さ 1000 mm、断面 80×80 mm、厚さ 2.2 mm の「角柱状」積層複合梁です。

(a) 外形寸法と単純なサポート境界条件、(b) 角柱断面、(c) ダイ荷重ボックスのスタディ設定例。
研究者らは、内部構造と炭素複合材との間に強固な接続を形成する際には注意が必要であると指摘している。成功したプロトタイプを作成した後、チームはロービングハンマーテストから始めて段階的に開発を進めました。曲げ、ねじり、せん断については「モデル予測と良好な一致」が見られました。
複合梁設計の全体構造が考慮されます。内部構造 (壁の不安定性を低減し、最小自由振動周波数を高めるために使用)、内部梁構造の外殻 (最終複合層の巻き付けを可能にする)、および梁に適用された作業荷重を伝達する複合層です。

「不均一に分布した格子状の内部構造の最適化された出力は、さらに自動的に後処理され、サポートフリーの積層造形に使用できるソリッドモデルに変換されます。」

「元のCFRPよりも2桁も強度の高い材料を使用することで構造応答が改善されたことは、今後の研究努力ではABSを高強度の連続炭素繊維に置き換えることに重点を置くべきであることを示唆している」と研究者らは結論付けた。「もう一つの重要な今後の機能強化は、内部構造のセグメントベースの分解に関連する範囲空間のスパース性を活用して、最適化アルゴリズムを高速化することです。」

実験的に決定された選択された固有振動数とモード形状 (a)～(h) 上部、および固有モードと固有振動数の有限要素モデル予測 (a)～(h) 下部。
現在、研究者たちは複合材料の作成によって 3D 印刷プロセスがどのように改善されるかに非常に興味を持っています。これらの方法は主に、ガラス複合材の使用から銅金属複合材、金属線の集合体に至るまで、材料を強化するために使用されます。

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