3Dプリントされた格子構造の性能と設計ルールを理解する

セル構造は積層造形における重要な研究分野です。建設に使用される中空レンガと同様に、セルの適用により材料の使用量が削減され、軽量化が効果的に実現されます。一般的なセル構造には、ハニカム、オープンセルフォーム、クローズドセルフォーム、ラティス構造の 4 つがあります。

格子構造材料は、熱的、電気的、光学的特性における利点と軽量材料としての可能性により注目を集めています。格子構造により、コンポーネントのさまざまな外観とパフォーマンスを実現できるようになります。格子構造の固有の複雑さにより、積層造形/3D 印刷技術は製造と自然に組み合わせられます。 3D プリントの主な利点の 1 つは、その柔軟性と、印刷コストが製品の複雑さに左右されないことです。これが、複雑な格子構造が 3D プリントの分野で人気の研究方向となった主な理由です。

格子構造を製造する方法として 3D プリント技術を使用すると、設計者は格子構造の機能と可能性を解き放ち、探求することができ、それによって製品のパフォーマンスを向上させることができます。同時に、格子構造の設計アイデアは、より多くの設計空間を探索するために、設計者に部品に求められる性能を再考するよう促すこともできます。

構造と機能の組み合わせ 格子構造は骨や金属結晶など自然界のいたるところに見られます。製品を設計する際に、大きな表面積、優れた衝撃吸収性、衝撃保護などの格子の機械的利点を活用することで、従来の製造の限界を克服し、より高性能な新しい製品を生み出すことができます。

優れた強度対重量比 一般的に、コンポーネントの強度対重量比を改善するには 2 つのアプローチがあります。従来の製造では、重要でない領域での材料の使用を減らすことで重量が軽減されます。ただし、格子設計では、部品の重要な部分の材料を同時に削減して重量を減らすことができます。これにより、部品の全体的な強度が低下する場合もありますが、強度対重量比は向上します。

非常に大きな表面積 格子構造の材料は軽量であるだけでなく、広い表面積を解放し、熱交換や化学反応を促進します。格子構造により有効表面積が大幅に増加し、ラジエーター内に冷たい空気が満たされると、熱を素早く逃がすこともできます。たとえば、コンピューターの熱交換器を考えてみましょう。コンピューターのプロセッサのパフォーマンスは、発生する熱の量に左右されることが多いです。熱交換器の役割は、ファンの助けを借りて、チップから熱を取り除き、大気中に放出することです。システム全体の効率は、ヒートシンクの表面積と密接に関係しています。しかし、3D プリント技術がなければ、大きな表面積を持つ「小さな」特徴を実現することは困難です。

現在、自動車、航空宇宙、エネルギー、電子機器などさまざまな業界で、格子構造を利用して熱交換効率を向上させようとしています。たとえば、UTC ユナイテッドテクノロジーズは、市場調査に基づいて、ガスタービンエンジン部品の内部に格子構造を設計しました。その機能は、ガスタービンエンジン部品に効果的な局所対流冷却を提供し、部品がコアフローパスを通過する高温の燃焼ガスの高温に耐えられるようにすることです。これらの格子構造は、粉末床レーザー溶融 3D 印刷技術を使用して製造できるほか、電子ビーム溶融 (EBM) プロセスを使用して製造することもできます。格子構造により、エンジンは広い熱交換面を維持し、高い放熱面積/体積比を実現できます。

優れた衝撃吸収性と衝撃保護

ドット構造のスポーツシューズミッドソール、画像提供：Carbon
ドットマトリックスはエネルギーをよりよく吸収することで製品を保護します。例えば、スポーツシューズのミッドソールのドットマトリックス構造やフットボールヘルメットの緩衝構造は、外力を受けたときに衝撃力を吸収し、安全保護を提供します。

理想的な振動吸収と騒音低減 騒音や振動は不快であり、場合によっては振動によって機械の性能が低下することもあります。付加的に製造された格子は、機械的な騒音や振動も低減できます。格子は剛性が低く、大きな歪みに耐えて回復する能力が高いため、振動を抑制するのに非常に効果的です。たとえば、ドットマトリックスを重機の絶縁パッドに組み込むことで、製造システムに入るエネルギーの量を削減できます。マトリックスは調整可能なため、エンジニアは特定のアプリケーション要件に合わせて設計を改良することもできます。

格子構造は高度な制振材として使用できます。市場調査に基づき、ボーイングとHRL研究所は共同で超軽量のマイクロラティス減衰材料を開発しました。これは、独自の3Dプリントマイクロラティス構造材料の大きな可能性を示しています。 HRL Labs が 3D 印刷技術を使用して作成した画期的な金属構造は、紫外線硬化ポリマーを使用して形成されたテンプレートに基づいています。次に、テンプレートは化学電気メッキを使用して極薄のニッケル層でコーティングされ、熱可塑性ポリマーのテンプレート材料が除去されて、中空の金属構造だけが残ります。金属構造の99.99%は空気で、ナノ固体構造はわずか0.01%を占めています。中空管壁の厚さはわずか100ナノメートルで、髪の毛の1,000分の1の薄さです。 HRL Labs の研究成果は、中空チューブの曲げによるエネルギー吸収メカニズム (マイクロラティスなど) を利用することで、特に音響、振動、衝撃の分野での減衰アプリケーションに適した高い減衰性能を提供できます。

デザインを通じて格子構造の可能性を引き出す

格子構造は部品の設計に統合することができ、全体的な外観の点で従来の製品設計と区別されるだけでなく、軽量化、放熱、クッション性などのさまざまな機能も実現します。さらに、異なる格子微細構造によっても異なる機械的特性が得られます。では、格子構造の可能性を最大限に引き出し、3D プリントされた部品が設計意図を満たすようにするにはどうすればよいでしょうか?この時点で、形状、サイズ、層構造、材料構成を体系的かつ包括的に設計することで製品のパフォーマンスを最大化するという、積層造形向け設計 (DfAM) の原則に従うことが特に重要になります。重要な DfAM 要素には、セル (格子の基本単位) の構造、サイズと密度、材料の選択、セルの方向などがあります。

格子セル構造 格子の基本単位である格子セル構造には多くの形式があります。一般的な格子セル構造には、立方体、星型、八角形、六角形、菱形、四面体などがあります。

Renishaw の AM250 を使用して製造されたチタン製「スパイダー」フレーム。Altair Optistrut と Materialise Magics を使用して生成されました。

格子セル構造は、コンポーネントの望ましい効果を得るために調整したり、混合したりすることができます。異なる構造を選択すると、異なる効果が得られます。たとえば、一部の構造では剛性対重量比が高くなり、一部の構造ではエネルギーをより効果的に抑制でき、一部の構造では見た目がより美しくなります。

格子セル構造の大きさと密度 格子セル構造のサイズと密度は、単一のセルのサイズと空間内のセルの数を指します。格子セル自体のサイズは、そのノードの厚さと長さ、およびノードを接続する梁によって決まります。セルが大きいほど印刷は簡単になりますが、硬くなります。同様に、セルが小さいほど均一性が増しますが、特徴のサイズによって制限されます。格子構造を設計する場合、単一製品上の異なる場所に異なる密度を設定することで、異なる機械的特性を実現できます。従来の製造技術でこれらの特性を実現するには複数の部品を組み立てる必要がありますが、3D プリントでは単一の製品にさまざまな機能性能領域を形成できます。

素材の選択 製造材料によって格子の特性が決まります。弾性のある素材や柔らかい素材は、印刷中にたるみを減らすために、より小さく密度の高いセルグループで設計する必要があることがよくあります。剛性材料はドットマトリックスを印刷する際の設計範囲が広く、セルのサイズを大きくしたり数を少なくしたりできます。

格子セル構造の方向 印刷時の配置方向は、ドットマトリックス構造が正常に印刷されるかどうかに影響します。配置方向は、印刷オブジェクトに必要なサポートの数と位置に影響します。一般的に、適切に配置されたドットマトリックス構造は自立しており、別途印刷サポート構造を追加する必要はありません。例えば、粉末床レーザー溶融3Dプリント技術では、一般的に、処理トレイに対して45度未満の角度の張り出し構造を支える必要があります。格子構造を配置するときは、最も理想的な部品の自立を実現できる配置方向を選択して、処理コストを最小限に抑え、後処理作業を減らす必要があります。

格子構造のモデリングと 3D プリントには、まだ多くの課題が残っています。主な課題は、特に疲労耐性の面で、設計のパフォーマンスの信頼性を実証することでした。格子構造には多数の表面と鋭い交差部があるため、応力集中が生じます。

ラティス構造設計に関しては、ソフトウェア企業、積層造形企業、ラティス構造応用企業が多くの検討を行ってきました。例えば、ソフトウェア企業では、安世中徳が積層造形におけるラティス構造のシミュレーション解析のためのマルチスケールアルゴリズムシミュレーションソフトウェア「Lattice Simulation」を開発しました。マルチスケールアルゴリズムに基づいて、ユーザーは等価均質化技術を使用してラティス構造の有限要素解析を実行し、非均質ラティス構造の等価材料パラメータを抽出できます。均質化された等価ソリッドモデルのマクロメカニクス解析後、ローカル解析を通じてセル構造の詳細な応力検証を実行できます。応用企業の中で、中国宇宙科学院総部は、三次元格子のセル形態の特徴と宇宙船構造における三次元格子の実際の応用に基づいて、三次元格子構造セルの表現仕様を提案した。つまり、三次元格子構造セルの設計情報は、セルが占める空間とセルロッドの直径の組み合わせで表現される。

出典: 3Dサイエンスバレー

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