Carbon® ホワイトペーパー: グリッドイノベーション、3D プリントによる部品製造の実現

出典: カーボン

約 80 年前、オットー・バイヤー博士がポリウレタンフォームの化学を発見しました。その後、フォームは自動車、包装、建設、電子機器、寝具、家具などの産業に徐々に応用されるようになりました。現在、Carbon は、プログラム可能な樹脂とソフトウェア設計のエラストマーメッシュの革新により、エラストマー材料の開発を進めています。 Carbon の細かく調整されたグリッドにより、既存のフォームアプリケーションの快適性、パフォーマンス、安全性が大幅に向上します。

伝統的なフォーム技術<br /> 人間工学の研究者は、快適さを定量化する構造化された方法を模索してきました。フォームは、最も用途が広く普及している製品の 1 つです。座席やヘッドフォンなどの多くの用途において、フォームは構成、位置、厚さなどの要因に応じてさまざまな性能特性を実現できます。この材料は広く採用されているにもかかわらず、従来のフォーム設計と実験方法はすべて、フォームに適用される圧縮力が直線的に増加するという同じ重大な制限に悩まされており、厳しい設計上の制約につながっています。

フォームの荷重と圧縮の線形関係

独立気泡エラストマーフォームを開発することで、一定の非線形荷重を実現できます。このアプローチにより、製品をある程度より適切に設計できるようになります。しかし、これにはかなりのコストがかかり、製品の通気性にも影響を及ぼします。

密閉セルエラストマーフォームの圧縮応力-ひずみ応答の概略図

カーボンのグリッドイノベーション
Carbon の技術は 3D 製造では前例がなく、機能的な弾性材料のメッシュを製造できるため、幅広い可能性が開かれます。メッシュを使用する製品設計者は、ソフトウェアツールを活用して、メッシュの種類、形状、ストラットサイズなどの設計における理想的なメッシュパラメータを最適化し、部品の望ましい機械的応答と製造可能性を実現します。

これまでの製造上の限界に対処することで、Carbon のテクノロジーは、複雑な形状の格子構造や建築材料の設計と製造における新たな境地を切り開きます。これにより、航空宇宙、自動車、電子機器、包装、建設、ファッションなど、多くの業界で一般的に使用されているポリマーおよびフォームベースの部品の実現可能な設計空間が大幅に拡大します。この拡張された空間を完全に探索するには、製品設計者は、複雑な形状と材料の非線形性を持つ構造の動作を分析、予測、最適化する必要があります。 Carbon のグリッドソフトウェアは、計算モデリングと分析を通じてこのニーズを満たすように設計されています。このソフトウェアパッケージは、デジタル製造、テスト、調整という面倒なプロセスをシミュレートし、製品開発の時間とコストを大幅に削減します。

計算力学
Carbon のソフトウェアチームは、格子構造と材料の機械的動作をモデル化および予測するための非線形有限要素 (FE) コードを開発しています。このコードは、複雑な形状や材料の非線形性をメッシュ化して解析することができます。有限要素解析は、構造内の座屈後、破壊、接触を捉えることができる非線形ビーム、2D および 3D 連続体力学モデルに基づいています。格子構造および構造化材料のこのプロセスには通常、弾性、降伏条件、硬度、衝撃、振動、許容誤差などの特性が含まれ、追加の機能的、幾何学的、およびパフォーマンス上の制約も考慮されます。最初に、機械的応答をモデル化し、設計特性に対するその感度を評価しました。反復的なプロセスで、設計パラメータ、つまりメッシュのサイズやメッシュの形状などの幾何学的パラメータを徐々に変更して、その特性を微調整します。ゴールデン属性との正確な一致が必要な場合、このプロセスでは勾配ベースの最適化手法が使用されます。また、シミュレーション技術を使用して、さまざまな機械的特性を持つメッシュのライブラリを開発しました。これを使用して、合理的な初期設計を選択し、計算コストを最小限に抑えることができます。

次のスクリーンショットは、非線形フレームのシミュレーションを示しています。

Carbon は、たとえば単一の部品の可変応答を実現するために、1 つの部品に複数のグリッドパターンを組み合わせることにも取り組んでいます。 Carbon の合理化されたアプローチでは、従来の試行錯誤のプロセスではなく、部品の望ましい機械的応答と、重量やサイズなどのその他の設計上の制約のみが必要です。ソフトウェアツールは、Carbon の検証済みメタマテリアルライブラリを使用して、部品の機械的荷重要件を満たし、製造可能性がチェックされた格子構造を出力します。さらに、このツールを使用すると、同じコンポーネント内で異なる機械的特性を割り当てることができるため、複数の機能領域が可能になります。

Carbon の技術力により、靴のミッドソール、ヘルメットのライナー、ヘッドセット、シート、ヘッドフォン、矯正パッドなど、さまざまな用途でフォームの代わりにメッシュを効果的に使用できます。

安全性<br /> 発泡ポリスチレン (EPS) フォームは、衝撃エネルギーを吸収して人体を保護することができるため、ヘルメットや車のシートなどの安全用途に使用されます。カーボングリッドシステムを利用することで、製品開発チームはモノリシック部品を作成できるだけでなく、衝撃エネルギーを吸収できる設計も作成できます。

従来、安全製品では、単一の製品内に異なる機能パフォーマンス領域を作成するために、複数のフォームコンポーネントを高価に組み立てる必要がありました。 Carbon の Tunable Mesh ソリューションを使用すると、設計者は複数の機能パフォーマンス領域を実現するように設計された、同じ材料から製造された単一のモノリシック部品を 3D で製造できるようになりました。このアプローチにより、より高い安全性能を備えた製品が実現し、従来は部品の故障の原因となっていた複数のフォームインターフェースが排除されます。さらに、設計者は、ヘルメットやパッドなどのスポーツ用具における高衝撃アプリケーション向けに、個々のアスリートの生理学的データに基づいてメッシュをカスタマイズできます。

カーボングリッドによって改善され調整可能な衝撃吸収の恩恵を受ける可能性のあるアプリケーションの例

リデルのフットボールヘルメット。ヘルメットのライナーを作成するためのグリッド構造で、カーボンカスタム設計の高減衰エラストマー。 Carbon の Grid Engine は、物理シミュレーションと最適化技術を使用して構造を調整し、線形および回転の衝撃エネルギーを管理します。各ヘルメットは 140,000 本を超える個別の支柱で構成されており、衝撃力を緩和しながら優れた快適性とフィット感を提供するパターンに注意深く振り付けられています。

パフォーマンス
Carbon のグリッド革新のもう一つの重要な領域はパフォーマンスです。このフォームは性能仕様を満たす能力を備えているため、フットボールパッドや靴のミッドソールなどのスポーツ用途に最適で、クッション性とエネルギーリターンに役立ちます。運動靴のミッドソールに使用される最も一般的なフォームは、EVA (エチレンビニルアセテート) と呼ばれる独立気泡フォームです。歴史的には、ミッドソール全体の製造には単一の EVA フォーム構造が使用されてきました。
Carbon の技術を使用することで、エンジニアは初めて、同一のモノリシック部品内に複数の独自の機能領域を 3D で製造し、各領域内の機械的特性を個別に調整できるようになります。

カーボンと提携する以前、アディダスは、靴全体のクッション性を微調整し、最終的にはカスタマイズされたスニーカーのラインを大量生産できるプラットフォームを探していた。アディダスは、ミッドソール設計に関する数十年にわたる経験とデータを活かし、従来の靴製造の制約から解放されるようなものを作りたいと考えていました。

Carbon と adidas は、Futurecraft 4D の導入により、フットウェアの機能性を新たなレベルに引き上げました。このシューズはミッドソール内に精密に調整された機能エリアを備えています。ミッドソールは、かかとと前足部に異なる格子構造を採用し、ランニング中に足のこれらの部分に求められるさまざまなクッション性のニーズに対応します。 Carbon のテクノロジーは、単一の高性能モノリシックミッドソールで adidas の複雑なパフォーマンス設計要件を解決します。

結論 Carbon を使用すると、これまでフォームの特性によって制限されていた製品開発チームは、新しい素材、設計の自由度、製造能力にアクセスして、快適性、安全性、パフォーマンスを再考できるようになります。自転車のシート、靴のミッドソール、車のシート、ヘルメット、整形外科用パッド、ヘッドフォンなどのアプリケーションは、製品開発チームの出発点です。さまざまな樹脂材料に調整可能なグリッドを印刷できる Carbon の機能は、製品開発チームにエンドユーザーエクスペリエンスを向上させる大きな機会を提供します。

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