分析、4種類の細胞モデリング

セル構造は積層造形における重要な研究分野です。3D Science Valleyの以前の記事「3Dプリントセル構造のモデリングにおける6つの大きな課題」で述べたように、建築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、軽量化が効果的に達成されます。同時に、機械的特性の要件が依然として満たされていることをどのように保証するかは、モデリングコミュニティで長らく続いている重要な問題となっています。次に、いくつかの一般的な構造とその応用特性を見てみましょう。

ハニカム<br /> ハニカム構造は、蜂の巣の基本構造です。一連の正六角形の単室で構成され、すべての部屋の開口部は下向きまたは片側を向き、背中合わせに対称的に配置されます。この構造は優れた幾何学的機械的特性を備えているため、材料科学で広く使用されています。

ミツバチの巣の構造は非常に繊細で、実用的であり、材料を節約します。ハニカムは、同じ大きさの無数の細胞で構成されており、それらはすべて正六角形です。各細胞は他の細胞に囲まれており、細胞と細胞の間にはワックスの壁しかありません。驚いたことに、チャンバーの穴の底は平らでも丸くもなく、尖っています。ベースは 3 つの同一の菱形で構成されています。ある人が菱形の角度を測定したところ、鈍角は両方とも 109° で、鋭角は両方とも 70° であることがわかりました。驚くべきことに、世界中の蜂の巣はすべて、この均一な角度とパターンに従って作られています。

ハニカムの構造は科学者の間で大きな関心を集めています。蜂の巣について徹底的に研究した結果、科学者たちは、隣接する巣室が壁と底を共有していることを発見して驚きました。これにより、多くの建築資材を節約できます。巣室は正六角形で、蜂の体は基本的に円筒形であるため、蜂は巣室に余分なスペースがなく、窮屈さも感じません。ハニカム構造は宇宙船の設計者に多大なインスピレーションを与えました。宇宙船の開発では、まず金属を使ってハニカムを作り、次にそれを2枚の金属板の間に挟んでハニカム構造を形成します。このハニカム構造は非常に強度が高く軽量で、防音や断熱にも効果があります。そのため、今日のスペースシャトルや人工衛星、宇宙船には内部にハニカム構造が多く使われており、衛星の外殻もほぼすべてハニカム構造になっています。そのため、これらの宇宙船は総称して「セルラー宇宙船」と呼ばれます。

図：BMW i3の衝突構造設計
オープンセルフォーム

含まれるセルの大部分は相互接続された発泡プラスチックです。オープンセル構造は、次の条件が満たされた場合にのみ得られます：（1）各球形または多角形セルには少なくとも2つの穴または2つの破壊面が必要です。（2）セルエッジの大部分は、少なくとも3つの構造単位で共有されている必要があります。

オープンセルフォームは、クローズドセルフォームと比較して、水分や湿気を吸収する能力が高く、ガスや蒸気の透過性が高く、熱や電気を遮断する能力が低く、音を吸収して減衰させる能力に優れています。設計上の意味合いでは、ハニカムとは異なり、オープンセルフォームは予測できない刺激（ストレス、流れ、熱）での使用に適した設計になっています。エネルギーを吸収する「武器」として、オープンセルフォームは複雑な構造での使用に適しています。オープンセルフォーム材料間の相互接続により、流体が構造内をよりスムーズに流れることも可能になります。

図：金属発泡材料の走査型電子顕微鏡画像

図: 曲げの主な変形モードを考慮した圧縮下のオープンセルフォームセルの有限要素シミュレーション
クローズドセルフォーム

独立気泡フォームのセルは、セル壁とセルエッジに囲まれた閉じた構造です。構造は完全で、セルは互いに促進しますが、互いに接続されていません。しかし、現実には、フォーム内にオープンセル構造とクローズドセル構造が同時に存在する場合もありますが、発生確率は異なります。したがって、フォーム内のオープンセル構造とクローズドセル構造の割合に応じて、クローズドセル構造が 90% を超えるフォームはクローズドセルフォームと定義され、それ以外のフォームはオープンセルフォームと定義されます。

気孔構造は発泡プラスチックの性能に大きな影響を与えます。一般的に、密閉気泡発泡プラスチックは機械的強度が高く、断熱性と衝撃緩衝性に優れ、吸水性が低いのに対し、開放気泡発泡プラスチックは柔らかく、弾力性があり、遮音性に優れています。発泡プラスチックの一般的な特性に加えて、独立気泡発泡プラスチックは熱伝導率と吸水性も低くなります。独立気泡フォーム材料は、一般的に断熱材、遮音材、包装材、浮力材、衝撃吸収材、構造材として使用されます。

ラティス<br /> 格子の外観はオープンセルフォームと非常に似ていますが、格子メンバーの変形は曲げではなく主に伸張であるという違いがあります。格子構造の材料特性は、軽量、高強度比、高比剛性です。また、さまざまな熱力学的特性をもたらします。格子構造の超軽量構造は、耐衝撃/爆発システム、または放熱媒体、音響振動、マイクロ波吸収構造、駆動システムとしての使用に適しています。

ボーイングは、航空機の壁や床などの非機械部品に、格子構造を持つ超軽量の 3D プリント材料を使用しています。これにより、航空機の重量が大幅に軽減され、燃料効率が向上します。格子構造のユニークな特性と体積容量の小ささにより、格子構造と機能部品の設計の組み合わせは、積層造形がその可能性を実現するのに有利な領域であることが証明されています。

Thales Alenia Space 社は、重さ 1.7 kg、寸法 134×28×500 mm の格子を含む金属構造物も印刷しました。ヨーロッパ最大の衛星メーカーであるThales Alenia Space社の衛星に使用されています。

出典: 3D Science Valley 詳しい情報:
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