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。

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。

インタビュー：遼寧省大連の3Dプリンターメーカー、Ukudovのゼネラルマネージャー、ヤン・イェ氏

モーガン・アドバンスト・マテリアルズがリソズのセラミック3Dプリンター製造システムを購入

MakerBot Replicator+が「プロダクトデザインのオスカー」と呼ばれるiFプロダクトデザイン賞を受賞

材料研究ニュース | 李文亜教授が「コールドスプレー+」複合付加製造技術に関するレビュー論文を発表

濃厚な味わい！おしゃれな外国人が、実際に鳥肌を再現できる代替服を3Dプリント

先行販売価格はたったの9999元！ Chuangxiang 3Dの350mm大型FDMマルチカラーフラッグシップ3DプリンターK2 Plusが発売開始

4Dプリントされた潜水艦は電気や石油なしでも航行可能

Mindray Orthopedics の 3D プリント寛骨臼カップシステムは、西安 Sailon 電子ビーム装置を使用してクラス III 医療機器登録証明書を取得しました。

ウルフ・ウォリアーズ：3Dプリントで武夷を手に持つ方法を学ぶ

ミズーリ科学技術大学、折りたたみ式電子機器の積層造形で進歩

推薦する

日本のネットユーザーが3Dプリンターを使って遊戯王のフィギュアを作る

3D プリントとイノベーション教育アンケートに参加して 3D プリント賞品を獲得しましょう

プーマは高度な3Dプリント技術を使用してクラシックなモストロシューズをリニューアル

UNIZ、500倍高速な3Dプリント技術と5台の新型マシンを発表

3Dプリントされたシェア自転車タイヤがモバイル広告印刷機に変身

マルチステーションが新しいバイオセラミック 3D 印刷プロセスを紹介

3Dプリントに基づく高多孔性月面土壌3次元模擬体の小位相角における光散乱特性の研究

SCIとCyBeが協力し、コンクリート3Dプリント技術を活用して手頃な価格の住宅建設を支援

BLTは中国航空ショーで航空宇宙産業チェーンのサポートとエンジニアリングアプリケーションにおける成果を発表します。

ナノスケール金属3Dプリント技術は、ウイルスと同じくらい小さいが超強力という驚くべき利点をもたらす

シャン先生が光硬化型3Dプリントの遊び方をみんなに教えるシリーズ【第1部】

技術の未知の領域を探る: MCFang のマイクロナノ 3D 印刷技術がソフトロボットに力を与える

研究者らは、MEMSとマイクロロボットにメリットをもたらすナノスケール3Dプリンティングを開発

積層造形部品の後処理技術の概要 - バッチ仕上げが今後の開発トレンド

Recarbonは3Dプリントを使用してプラズマ炭素反応器を製造し、クリーンエネルギーの新しいソリューションを提供します。