受け取ってください、結構です！ラティスモデリングと製造における「ビッグ」サイエンス

現在、私たちが目にする格子材料のほとんどは、橋や建物など、私たちがよく知っている軽量上部構造のフレームに似た、細長い部品の配列で構成されています。格子形状の選択が、効果的な軽量化の鍵となります。

フォームなどの多孔質材料は確かに軽量ですが、部品の性能要件を満たすほどの剛性がないことがよくあります。格子には多くの知識があります。たとえば、一部の多孔質構造は「曲げ優位」と呼ばれます。これらの構造は曲げたときに優れた靭性を持ち、エネルギーを吸収するのに最適です。この号では、3D Science Valleyとその仲間が格子の設計と製造について詳しく学びます。

格子成長のあらゆるステップ

格子の世界は非常に繊細です。「曲げが支配的な」格子構造を例に挙げてみましょう。中央に水平方向のサポートを追加すると、「伸張が支配的な」構造になります。このような構造はクロスサポートを提供し、張力または圧縮のいずれの場合でもノードの相対的な動きを防ぎます。このメソ構造は、重量と強度の比率を最適にすることができます。

▲左側が「曲げ重視」、右側が「伸び重視」のデザインです<br /> これらの従来の格子設計に加えて、単純なサポートとノードの設計も含まれます。設計者は、小さなローターのような構造など、複雑なデザインを試すこともできます。 3D Science Valley の市場調査によると、国際的には、HiETA Technologies とエクセター大学がこれらの小型ローター構造をラジエーターに適用しようとしているとのことです。彼らは CFD ソフトウェアを使用して、ローターセルを通る流体圧力をモデル化して分析し、熱交換を正確にシミュレートしました。実験テストはセルサイズ 4 mm、体積分率 30% の構造で実施され、実験結果は良好な性能を示しました。

小さなローターなどの独創的なデザインに加えて、建築が美学に多くのインスピレーションをもたらすのと同じように、格子デザインにも並外れた革新的な基盤を提供します。積層造形の柔軟性により、建築用メソ構造を積層造形のモデリング設計に適用し、これらのメソ構造を通じて特定の機械的特性を提供できるようになりました。

▲：繊維構造の材質は、さまざまな方向に剛性を提供します。材質は316Lステンレス鋼で、使用される加工装置はレニショーAM250です。
建築美学のインパクトだけでは不十分だと思うなら、より奥深いハイブリッドグリッド構造もあります。Friends of the Valley は、格子が製品デザインに統合され、軽量化の重要な要素になることを知っています。また、トポロジー最適化などの他のモデリング技術と組み合わせることもできます。これにより、全体的な外観が従来の製品設計と区別されるだけでなく、製品の局所構造からより柔軟な構造が実現され、重量がさらに軽減され、格子の微細構造を通じてさまざまな位置での機械的特性要件を満たすことができます。

▲チタン合金の「スパイダー」フレームは、Altair OptistrutソフトウェアとMaterialise Magicsソフトウェアによって生成され、使用された加工装置はRenishaw AM250です。
小さな格子、大きな知識。頭脳を開く設計に加えて、現在デザイナーが直面しているもう 1 つの重要な計算上の課題は、格子設計ファイルを印刷デバイスで読み取れる印刷ファイルに変換することです。巨大なモデルを作成し、無限のビルドファイルを準備するプロセスにすぐに行き詰まってしまうのは簡単です。このようなトラブルを回避するために、現在の専門家は、新しい印刷ファイルの作成とカスタマイズされたレーザー露光戦略を通じて、格子印刷ファイルの生成と製造のプロセスを簡素化しています。
▲Betatypeが提供するカスタムレーザー露光戦略は、製品の機械的特性を改善し、構築プロセスをスピードアップするために使用されます。<br /> 積層造形プロセスでは、格子の細部を具体化するためにレーザーエネルギーの正確な制御が必要です。各層の格子溶融を確立するには、通常、数千のスパース分布のリスクが伴い、機器に負担がかかります。レニショーの装置を例にとると、システム変調レーザーは 70 ミクロンのスポットサイズに焦点を合わせることができ、140 ミクロンという薄さの壁の構築能力を実現できます。

格子のデザインが複雑になるにつれ、製造上の課題はさらに大きくなります。特に、チタン合金などの材料は残留応力が顕著になることがあります。そのため、1 つの層を作った後、次の層に使用する材料が硬くなりすぎないように注意する必要があります。塗装が硬すぎると、残留応力による熱変形で格子の微細構造が簡単に変形し、作ったばかりの構造がさらに破壊される可能性があります。
▲体積8000立方センチメートルのチタン合金格子構造。Betatype CAD-CAMでモデル化され、Renishaw AM250で製造された。
今後の課題

格子は魅力的で魅力的ですが、実際の部品製造で格子デザインを使用することを困難にするいくつかの障害がまだあります。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。格子には多くの表面と鋭い交差部があり、応力集中につながります。このような破損の可能性のある事象は、実際の用途における大量生産部品には許容されません。

関連する質問は、製造品質をどのように検証するかということです。格子の複雑さにより、従来の方法で検査することは困難です。 CT スキャンは、時間はかかりますが、解決策となります。

現在の課題にもかかわらず、複雑な格子構造は、効率性と機能性の両面で優れた製品性能を提供できます。また、軽量コンポーネントの設計の可能性が広がり、熱伝達、エネルギー吸収、断熱、接続性能も向上します。いつの日か、ラティスが積層造形において重要な位置を占めるようになると信じる理由があります。

国際的には、Renishaw、Altair、Materialise などの企業が格子構造を積極的に研究しています。 3Dサイエンスバレーの市場調査によると、ポリライトや中国宇宙科学院などの国内企業は、困難な探究を続け、その過程で独自のノウハウを蓄積している。これらのノウハウは、格子の重要性と製造の実現可能性が高まるにつれて、これらの企業が将来の市場で競争するための貴重な利点となるだろう。

出典: 3Dサイエンスバレー

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