役に立つ情報: 3D プリントされた格子が製品の再形成を刺激する

この投稿は、Little Soft Bear によって 2016-12-13 11:28 に最後に編集されました。

積層造形技術の大きな特徴は複雑な細部を製造できることであり、格子構造はそのような複雑な構造の最も典型的な例です。軽量化の役割を果たすだけでなく、構造剛性の要件を満たしながら構造が最小限の材料充填量を得ることを可能にし、衝撃エネルギーを吸収して振動を低減したり、遮音の目的を達成したりすることもできます。 Antarctic Bear は、3D プリントの利点は、3D プリントされた部品が軽量でトポロジー的に最適化されている場合にのみ実現できると考えています。

超軽量の格子構造は、耐衝撃/耐爆発システム、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おり、非常に有用です。Antarctic Bearは、Renishawなどのいくつかの企業による研究を通じて、金属3Dプリントプロセスにおける格子の応用を探求し、格子の設計と製造の課題を経験しました。

画像クレジット: Renishaw、Lattice の繊細な照明スタイルラティスは軽量化に大きく貢献し、不要な材料を排除することで材料の無駄を減らし、高い剛性が求められる部品にはより強固なラティス構造を提供します。軽量構造部品を設計する際には、部品全体の機能実現を組み合わせ、隙間精度、空隙率、隙間形状、隙間サイズ、気孔分布、接続性などの要素を総合的に考慮する必要があります。

画像提供: HiETA Technologies
上の写真は、HiETA Technologies 社が設計・製造した、インコネル 625 合金製のヘリコプター排気ノズル冷却構造のプロトタイプです。格子は構造の剛性と熱伝達を実現するために構造内で使用されます。軽量設計により、材料の無駄が減って部品コストが削減されるだけでなく、製造時間が短縮されるため処理コストも削減されます (積層造形装置の耐用年数と減価償却を考慮)。

軽量化効果、画像提供：レニショー
機能格子 格子構造は、重量を軽減するだけでなく、エネルギー吸収、断熱、熱交換、生体適合性などの機能的効果ももたらします。

エネルギー吸収 有望な応用分野の 1 つはエネルギーの吸収です。これは格子の 2 つの動的特性、1 つは圧縮特性であり、もう 1 つは格子構造の弾性特性です。衝撃が加わると、弾性挙動と圧縮挙動が急速な集合的応答を示します。特にアプリケーションの特定のニーズに合わせて格子材料をカスタマイズ設計することで、特殊な格子材料を正確に設計および製造することができます。

格子構造の変形特性は、その形状（主に引張または曲げ）と構成材料（特に延性）によって決まります。この分野では、英国シェフィールド大学が「動力学における格子構造のエネルギー吸収：実験」という詳細な研究を行っています。

断熱材 格子構造を持つ製品の重量と格子構造を持たない製品の重量の比率から、残りは空気で満たされていることがわかります。多孔性は熱伝導を制限するのに役立ちます。通常、熱は金属部品を通じて素早く伝導しますが、より複雑な格子構造を持つ設計では、より回りくどい方法で伝導する傾向があります。

空気を介した熱伝導は金属よりもはるかに低くなります。これは、各小セル内で対流が確立されず、ガスがセルの柱の間に閉じ込められるためです。ガスを介して伝導される熱は比較的少なくなりますが、ガスの伝導率は金属よりもはるかに低くなります。

熱交換 格子により、冷却器は大きな表面積を確保し、熱流から周囲の空気に熱を伝達します。もうひとつの考え方は、金属が熱で満たされている場合は、冷たい空気で満たすことで熱を素早く取り除くことができるというものです。

図: スウォンジー大学の学生が設計した F1 レーシングカーのラジエーターレーシングカーのラジエーターに加え、上記の軽量ヘリコプター排気ノズルの例では、格子構造が熱伝達に使用されています。高温の排気ガスは中央のチャネルを流れ、低温のガスはローターから周囲の格子を通って流れ落ちるため、ヘリコプターの排気温度が低下します。

多孔質表面 整形外科用インプラントでは、骨の統合を促進するために多孔質の表面設計が必要になることが多く、インプラントの表面は、生きた骨細胞が成長できるように慎重に設計された層グリッドで覆われています。

画像出典: Betatype
上の写真は、Autodesk のジェネレーティブデザインソフトウェアと Betatype のラティスデザインソフトウェアを使用して設計され、Renishaw AM250 で加工された寛骨臼カップを示しています。

格子は複雑で繊細であるため、設計や製造には大きな課題があるものの、魅力的な性質を数多く備えていると言えます。ここでは、3D Science Valley は議論の出発点としてのみ機能します。

ラティスデザイン ほとんどの格子材料は、長くて細い部品の配列で構成されており、橋や建物などのよく知られた軽量上部構造のフレームに似ていますが、明らかに規模がはるかに小さいです。これらの複雑なメソ構造により、マイクロメートルからミリメートルに及ぶ追加の長さスケールを生成できます。

画像提供: Renishaw 上の画像は、体心立方格子のさまざまなスケールを示しています。どのくらい小さくできるかは、レーザースポットの直径と粉末の粒子サイズによって異なります。この写真の最小のものは、70ミクロンのレーザースポットで加工されています。

格子構造の分布は均一または不規則なサイズにすることができ、均質または不均質な特性を提供することを目指しています。異なる分布により、格子全体の体積が変化し、その特性、特に異なる場所での密度と剛性が調整されます。

画像出典: Betatype
上の写真は、英国のインペリアルカレッジ医療工学チームがレニショーの AM250 を使用して加工した大腿骨の断面です。大腿骨の骨梁は、自然の骨の構造を模倣した美しい内部の 3 次元格子を形成しています。

出典: 3D Science Valley 詳しい情報:
SView 軽量 3D 視覚化ソフトウェア – いつでもどこでも 3D モデルを表示
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