3Dプリントで軽量化を実現する4つの方法

軽量構造の利点は理解しにくいものではありません。自動車の場合、軽量化により操縦性や加速性が向上し、制動距離も短くなります。一方、飛行機の場合、軽量化により燃費や積載量が向上します。

マクロレベルでの軽量化を実現するには、チタン合金、アルミニウム合金、マグネシウム合金、セラミック、プラスチック、ガラス繊維、炭素繊維複合材料などの軽量材料を使用します。ミクロレベルでは、高強度構造用鋼などの材料を使用することで、部品をよりコンパクトかつ小型化して設計することができ、軽量化につながります。

3Dプリントにより構造設計による軽量化が可能になります。具体的には、3D プリントによる構造設計による軽量化を実現する主な方法として、中空サンドイッチ/薄壁強化構造、中空格子構造、一体構造、特殊形状のトポロジー最適化構造の 4 つがあります。

アプローチ 1: 中空サンドイッチ、薄壁強化構造<br /> 中空サンドイッチ構造と薄壁強化構造は、通常、比較的薄い表面シートと比較的厚いコアで構成されます。曲げ荷重を受けると、表面材は主に引張応力と圧縮応力を負担し、芯材は主にせん断応力を負担し、圧縮応力も一部負担します。サンドイッチ構造は、軽量、高い曲げ剛性と強度、不安定性に対する強い耐性、疲労耐性、吸音性と断熱性などの利点があります。
航空、風力タービンブレード、スポーツ機器、造船、鉄道機関車などの分野では、軽量化のためにサンドイッチ構造が広く使用されています。

スキンとコアの材料にアルミニウムまたはチタン合金を使用する場合、このサンドイッチ構造は金属サンドイッチ構造と呼ばれます。西安ポリライトは、3Dプリントプロセスでサンドイッチ構造を使用して、コンポーネントの迅速な軽量化を実現します。設計されたサンドイッチ構造は、スキンに直接作用する引張荷重と圧縮荷重に対して優れた分散効果を発揮します。薄肉構造（壁厚1 mm未満など）も軽量化に貢献できます。サンドイッチなどの構造をラジエーターとして使用し、部品に適用すると、部品の熱交換面積が大幅に増加し、放熱効率が向上します。

アプローチ2: 中空格子構造<br /> 中空格子構造は、エンジニアリングの強度、靭性、耐久性、静力学、動力学、製造コストの完璧なバランスを実現できます。多数の単一セルを周期的に複製することで設計・製造を行い、格子の相対密度、セルの形状、サイズ、材質、荷重率を調整することで構造の強度、靭性などの機械的特性を調整します。

3次元中空構造は空間対称性が高く、外部荷重を均等に分散し、積載量を確保しながら軽量化を実現します。エンジニアリングのニーズに加えて、中空格子構造には空間的な細孔（細孔サイズは調整可能）があり、インプラント用途において人体（組織）とインプラント組織の融合を容易にすることができます。
中空格子ユニットの設計は柔軟性が高く、使用環境に応じて、さまざまな形状、サイズ、多孔度の格子ユニットを設計できます。西安ポリライトは、この点に関して継続的な努力を重ねてきました。部品に高い強度が求められる分野では、格子ユニットの密度を大きく調整し、構造強度の高い中空格子ユニットを選択します。部品に高い軽量化が求められる分野では、軽量範囲の広い中空格子構造を追加します。中空構造は規則的に配置できるだけでなく、ランダムに分布させて不規則な気孔を形成することもできます。さらに、中空構造は、コンポーネント全体の勾配強度要件を満たすために、可変の密度と厚さの勾配遷移配置を提供することもできます。

興味深いことに、ほとんどの人が格子構造によって必要な強度と柔軟性を実現する方法に注目している一方で、望ましい「脆弱性」を得る方法を研究している少数の人々がまだ存在します。以前、英国軽量プロジェクト連盟は格子構造を粉砕する方法を研究していました。その適用シナリオは、帰還する宇宙カプセルが地球の大気圏に入るときに、圧力と速度の変化がカプセルの機械構造に大きな課題をもたらすというものです。 Ti-6AI-4V の格子構造を積層造形することで、0.4k/cm3 という超軽量密度を実現しています。このような構造は、一定の圧力で「押しつぶされる」ように設計する必要があります。 3D プリンティングは、中空格子ユニットの機械的特性を実現するための新しい領域を開拓します。

アプローチ3: 統合構造の実装
3Dプリントは、もともと複数の部品で構成されていた部品を、1つの統合された形で印刷することができます。これにより、部品の統合構造が実現され、元の複数の部品を組み合わせたときに存在する接続構造（フランジ、溶接など）が回避されるだけでなく、設計者が制約を打ち破り、機能の最適化設計を実現するのに役立ちます。

一体構造の実現は軽量化の利点をもたらすだけでなく、組み立ての必要性を減らし、企業が生産効率を向上させるための実現可能なスペースを生み出します。この点に関する典型的な例としては、GE が 10 年以上にわたる調査を通じて、燃料インジェクターの設計を継続的に最適化、テスト、再最適化し、インジェクターの部品数を 20 個以上から 1 個に削減したことが挙げられます。 3Dプリントによる構造の統合により、インジェクターの過熱やカーボン堆積の問題が解決されるだけでなく、インジェクターの耐用年数が5倍に延び、LEAPエンジンの性能が向上します。

アプローチ4：特殊形状のトポロジー最適化構造<br /> トポロジー最適化は、積層造形設計プロセスを短縮するための重要な手段です。トポロジー最適化は、部品の剛性に影響を与えない領域から材料を決定して除去するために使用されます。トポロジカル手法は、境界条件、プレストレス力、負荷目標など、定義された設計領域内で最適な材料分布を決定します。
トポロジー最適化では、元の部品の材料を再配分し、多くの場合、軽量化の要件に基づいて機能の最適化を実現します。トポロジー最適化の後、最終的にシミュレーション解析によって特殊形状の構造がモデル化されます。これらの設計は従来の処理方法では処理が難しいことが多いですが、3D プリントでは実現できます。通常、3D プリント製品は従来の技術を使用して製造された部品を組み立てる必要があるため、設計プロセス中に 2 つの部品間の接合部の設計も考慮する必要があります。

上記の 4 つの 3D プリント構造は、機械の軽量化を実現するための 1 つの方向にすぎません。軽量化は実際には体系的なプロジェクトであり、各主要コンポーネントの設計の最適化と製造から軽量材料の研究開発と応用まで、すべてが不可欠です。

出典: 3Dサイエンスバレー

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