積層造形法に基づく新しい3次元積層構造の圧縮機械的特性

出典: COMSOL マルチフィジックスシミュレーションテクノロジー

オーセティックメタマテリアルは、人工的に設計された内部オーセティック構造によって負のポアソン比 (NPR) 性能を実現した機能性材料の一種です。優れた耐衝撃性、高い比剛性、独自の機械的挙動により、航空宇宙、造船などの分野で幅広い応用が期待されています。本研究では、2次元（2D）ARTに基づいた新しい3次元（3D）格子非対称凹角三角形（LART）構造（LART）を提案し、液晶ディスプレイ（LCD）3D印刷技術によってサンプルを製造しました。実験と有限要素 (FE) シミュレーションを組み合わせて、準静的圧縮下での LART の圧縮応答と構造パラメータが機械的特性に与える影響を研究します。結果は、LART が明らかな NPR 性能を持ち、パラメータを変更することで LART の機械的特性を調整できることを示しています。さらに、FE シミュレーションを使用して、壁の厚さと要素数が LART に与える影響を調査しました。最後に、LART を 2D-ART および 3D リエントラント格子構造 (3D-RE) と比較し、設計上の利点を強調します。結果によると、LART は他の 2 つの構造よりも耐荷重性に優れており、比エネルギー吸収 (SEA) 値はそれぞれ 2D-ART と 3D-RE の 17 倍と 2.34 倍です。本論文で検討した LART 構成では、片側座屈による不安定な変形は見られず、ソフトロボットや電子デバイスなどの分野での応用の可能性を実証しました。

本論文では、2D ART に基づく革新的な 3D 自己拡張格子構造を提案し、LCD 3D 印刷技術を使用してサンプルを準備します。実験とシミュレーションを組み合わせて、y方向の準静的圧縮下でのLARTの変形モードと機械的特性を研究します。壁の厚さと要素数が LART に与える影響と、損傷のない変形モードでのポアソン比の連続変化傾向についても調査します。最後に、2 × 2 × 2 セルの LART の圧縮応答を 2D-ART および 3D-RE の圧縮応答と比較し、同じ ρr を確保して、新しい 3D 構造の設計上の利点を強調します。実験結果によれば、次のような結論が導き出されます。

1. LART の応力曲線は、弾性段階、第 1 プラットフォーム段階、ピーク応力段階、第 2 プラットフォーム段階の 4 つの段階に分けられます。材料自体の脆さにより、LART は第 2 段階のプラットフォームで深刻な破壊破損を起こし、突然の座屈に似た荷重支持特性を示しました。ピーク応力が発生する前は、理想的な弾塑性材料モデルによって LART の圧縮応答を適切にシミュレートすることができ、これは構造の連続変形モードとポアソン比を研究するのに役立ちます。

2. 圧縮が進むにつれて、LART は構造の周辺から中心に向かって収縮し、砂時計型の変形を示し、優れた自己膨張特性を示します。 LART を y 方向に圧縮すると、対称性により x 方向と z 方向のポアソン比はほぼ同じになります。接続方法の変更により、LART のユニットセルは元の設計戦略と同じ変形メカニズムを示さなくなり、異なるミラーリング方法は LART の機械的特性にほとんど影響を与えません。

3. パラメータ a、θ1、および S は、単位セルの非対称構成を変更することによって LART の機械的特性に共同で影響を及ぼし、θ2 は三角形の回転角度を変更することによって LART の機械的特性を制御します。 LART に対するパラメータの影響は、主に、最初のプラットフォームステージ、EM の長さと強度、ピークストレスの大きさ、およびピークストレスに到達する速度に反映されます。これらのパラメータを設計することにより、LART はさまざまなエンジニアリングアプリケーションシナリオに適応する特性を持つことができます。

4. LART の機械的特性は t の変化に対してより敏感です。 t の増加により、LART の耐荷重能力とエネルギー吸収能力が大幅に向上しますが、自己拡張性が犠牲になります。 nx を減少させたり ny を増加させると LART の EM が減少し、ny を増加させると構造変形が不均一になります。 nx と ny を増やすと、第 3 段階のピーク応力は減少しますが、LART の実際の荷重力は nx が小さいほどさらに小さくなります。 nx/ny を減少させると、自己拡張が大きくなります。

5. 同じρrの下では、LARTの収容力とエネルギー吸収能力は2D-ARTと3D-REよりもはるかに高く、その中でLARTのSEAはそれぞれ2D-ARTと3D-REの17倍と2.34倍です。 LART と 2D-ART のポアソン比は同じ傾向で増加し、LART は 3D-RE と比較して大きな自己拡張を達成しました。

6. 本論文で検討したすべての LART 構成は、変形プロセス中に片側座屈することなく安定した変形を示し、大きな自己拡張を実現しており、この設計方法はソフトロボット、プログラム可能なダンパー、フレキシブル電子デバイスの分野で幅広い応用の見込みがあることを示しています。

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