ペンシルバニア大学は、無秩序な設計を導入することで、3Dプリント部品の強度と靭性を2.6倍に高めました。

ペンシルバニア大学は、無秩序な設計を導入することで、3Dプリント部品の強度と靭性を2.6倍に高めました。
この投稿は Bingdunxiong によって 2025-3-8 12:19 に最後に編集されました

2025 年 3 月 8 日、Antarctic Bear は、ペンシルバニア大学工学部の研究者が、3D プリントされた機械的メタマテリアルに制御された無秩序な幾何学的デザインを導入することで、材料の亀裂耐性を大幅に向上できることを知りました。

△乱れ具合が異なる代表的なデザイン3つ。中間設計により、秩序と無秩序のバランスが保たれ、3D プリント部品の靭性が最大限に高まります。機械メタマテリアルは、3D プリントやレーザー切断などのデジタル製造技術を使用して製造され、強度や剛性の向上などの独自の特性を備えています。しかし、その脆弱性が大きな制約となっていました。研究者たちは、材料そのものではなく内部形状を微調整することで、靭性を2.6倍に高めることができることを発見した。

△関連研究は、米国科学アカデミーのNexus誌に「無秩序が2次元機械的メタマテリアルの破壊靭性を高める」と題して掲載されている(ポータル)
自然は、構造上の無秩序性を利用して材料の耐久性を高めることがよくあります。この戦略は、たとえば骨、真珠層(貝殻の内側にある虹色の層)、ムール貝の足糸などに見られます。ペンシルバニア大学の研究者たちは、これらの生物学的材料にヒントを得て、3Dプリントされた機械的メタマテリアルの無秩序な構造の詳細なテストを実施しました。標準的な三角格子構造から出発して、彼らは三角ノードの交点の位置を体系的に調整することで、さまざまな程度の無秩序が材料特性に与える影響を調査しました。

△ペンシルバニア大学工学部のフルコ教授(右)とターナー教授(左)は、光を使ってメタマテリアルに対する機械的ストレスの影響を評価する方法を実演した。
不規則な形状設計により3Dプリント部品の強度が向上

「ひび割れが最も広がりにくい、最も優れた性能を示したサンプルは、規則的な繰り返しパターンで構成されていませんでした」と、論文の筆頭著者であるセージ・フルコ氏は説明しています。この設計手法は、微細な不規則性を利用して高い弾力性を実現する骨や真珠層などの天然素材を模倣したものです。

研究チームは、レーザーカットされたポリメチルメタクリレート(PMMA)サンプルを使用してコンセプトをテストし、何千もの計算シミュレーションを実行しました。結果によると、無秩序な構造は強度がわずかに低下しますが (≤25%)、従来の秩序だった格子と同レベルの剛性を維持しながら、亀裂耐性が大幅に向上します。

研究者らは光弾性画像法を用いて、無秩序な格子内の亀裂が、秩序だった構造によくある直線経路をたどるのではなく、より広い範囲に渡って伝播することを観察した。この分散した損傷パターンは、不規則なデザインの強化された靭性を説明するのに役立ちます。

△構造的に厳密な設計(上)と比較すると、より無秩序な設計(下)は、赤い点の分散によって証明されるように、ひび割れが発生しにくいです。従来の強化方法と比較すると、この新しい方法は、材料の追加や特殊なコーティングではなく、形状の変更のみに依存するため、実用的な利点があります。ペンシルバニア大学工学部のケビン・ターナー教授は、無秩序なシステムはより複雑な設計上の課題をもたらすが、3Dプリントやレーザー切断などの既存の製造方法を使用して実装できると述べた。

ペンシルバニア大学工学部による新たな研究は、靭性が極めて重要な航空宇宙産業などの産業における機械的メタマテリアルの広範な使用の基礎を築きます。エンジニアは、天然素材の原理を借用することで、強度と耐久性を兼ね備えた構造物を設計できるようになりました。研究者たちは、この発見が材料科学における無秩序パターンのさらなる探究を促し、現実世界での応用に向けてより強力で適応性の高い材料の開発につながることを期待している。

全体として、この発見は 3D プリントされた材料の耐久性を向上させるための新たな道を開くものであり、さらに、この進歩は材料の基本的な構成を変更することなく達成されました。


幾何学、デザイン、無秩序、構造、最適化

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