3Dプリント細胞構造モデリングにおける6つの課題

この投稿は Little Soft Bear によって 2016-12-6 16:38 に最後に編集されました。

3D プリントの主な利点の 1 つは、柔軟性と、製品の複雑さに印刷コストが影響されないことです。これが、複雑な細胞構造が 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。 Antarctic Bear は以前、3D プリント部品のトポロジー最適化について報告しており、スライスソフトウェアを使用してスライスするときにハニカム充填を選択できることは周知の事実です。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が、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。

力学、構造が大きな役割を果たす

1 継続的モデリング 構造の各ポイントに材料を均等に分散させると、これらのポイントでの材料特性も同じになると考えるかもしれません。ただし、ハニカム構造の接続ストラット/ノードの研究を無視すると、モデリングや印刷プロセスが不正確になります。これらの異方性は、モデリングプロセス中に考慮する必要がある要素であり、表面粗さ、局所構造、寸法公差などの問題は、厚さ 1 mm 未満のジョイントで特に顕著になります。同時に、処理技術の理解が特に重要になります。多くの場合、同じ形状でも、処理条件が異なると結果が大きく異なります。

図: ハニカム構造の圧縮時の不均一弾性ひずみ
2 サイズの影響 サイズ効果は大きく、サイズ関数の変化は奥深いテーマです。ハニカム構造において、精密で均一かつ等方性の材料を実現する方法は、単なる数学的な問題ではありません。弾性係数を例にとると、この特性の抽出は、実験特性評価プロセスに関与するセルの数に大きく依存します。実験作業を考慮して、多軸セルと縦方向セルの分布が変更され、下図のテストサンプルは六角形のハニカムで構成されました。これらのセルのサイズが製品のパフォーマンスにどのように影響するかを研究することは大きな課題であり、それ自体が専門分野になることもあります。これにより、セルの特性を特徴付けるための正しいサンプル設計とは何かという別の疑問も生じます。

図：圧力は構造が細胞数と強い相関関係にあることを示す3 接触効果 圧力テストでは、構造物の上部と下部の機械的分布が、構造物の中央の機械的分布と大きく異なる場合があります。セルの設計を調整することで、より優れた機械的圧力分布を実現できます。

図: 圧力分布
4 マクロ構造の影響 ミクロ分布がマクロ構造の機械的特性に影響を及ぼすだけでなく、マクロ構造もミクロ構造に影響を及ぼします。非常に高いアスペクト比を含むマクロレベルで発生する曲げなどのマクロ変形は、通常、セルの機械的特性に変化をもたらします。

5 寸法公差の影響 すべての製造プロセスではある程度の寸法公差が許容されますが、これらの寸法誤差は細胞構造を含む製品に非常に大きな影響を与える可能性があります。ここで、3D Science Valley は、典型的な産業用 3D 印刷プロセスを例に挙げます。許容誤差が 75 ミクロン (0.003 インチ) のハニカム構造 (特にマイクロセル) は、厚さの許容誤差が 250 ～ 750 ミクロンになることがよくあります。これらの「拡大された」誤差は、設計と製造の両方に二重の課題をもたらし、X 線スキャンなどの内部測定方法も必要になります。高価な検出方法に加えて、モデリングに対する高い要件に加えて、積層造形用の効率的なシミュレーションおよび分析ソフトウェアが特に重要になります。

図: 0.004 インチの寸法公差により 7% の厚さ誤差が生じる6 微細構造の影響 積層造形の層状印刷の性質により、一連の課題が生じます。たとえば、レーザー粉末床溶融プロセスでは、張り出した表面と水平面の間の角度によって表面状態が変化することが多く、それがハニカム構造に反映され、印刷方向によって厚さが変わることがあります。
図: 印刷方向によって影響を受ける印刷結果出典: 3D Science Valley 詳細な参考資料:
新技術: 抵抗率が数十万倍も低減した、より純粋な金ナノ構造の3Dプリント
オランダの研究者は、3Dプリントされた足場の構造を変えることで幹細胞の分化に影響を与えることに成功した。

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