5 月 26 日～6 月 10 日: 積層造形のための高度な設計とプロセスシミュレーションに関する 8 つの講義をお見逃しなく!

出典: 3Dプリンティング技術リファレンス

はじめに:高度な製造技術である積層造形は、層ごとの接続プロセスを通じて複雑な部品の設計と成形に前例のない機会を提供します。同時に、高度な構造設計手法としてのトポロジー最適化により、多孔質媒体の内部構造を任意に設計して、特定の機械的特性を実現することができます。中でも、金属三次元格子構造は、高い比強度、高い機械効率、強力なエネルギー吸収能力などの優れた機械的特性を備えているため、軽量航空宇宙、輸送構造、衝撃保護装置など、さまざまなエンジニアリング分野で幅広い応用の見通しを持っています。実際、金属格子構造は我が国の宇宙船構造製品に成熟して使用されています。

次に、著者は構造設計分野における積層造形の応用シナリオをまとめ、さまざまな分野における金属格子構造設計の強力な利点を紹介します。シミュレーションショー「2022DfAM 高度設計および製造プロセスシリーズ講義」にぜひ注目することをお勧めします。詳細は以下をご覧ください。

1. 格子構造特性とエネルギー吸収能力

格子材料の最も重要な特性の 1 つはエネルギー吸収能力であり、これは圧縮中に機械的エネルギーを吸収または消散する能力によって特徴付けられます。ピラミッド格子、3次元カゴメ格子、四面体格子、ダイヤモンド格子など、ほとんどの格子構造は、アスペクト比や単位格子サイズなどの幾何学的パラメータを変更することで、非常に優れたエネルギー吸収性能が得られることが確認されています。

さらに、格子構造を設計できるサンドイッチパネルも優れたエネルギー吸収特性を持つことが示されています。幾何学的パラメータに加えて、エネルギー吸収性能は、勾配構造、金属フォーム充填構造、多層構造、異なる単位セル構造などの複雑な構造を通じて調整することもできます。これらの構造は、単一格子構造よりもエネルギー吸収に効果的であることが示されています。

機械的特性やエネルギー吸収能力を向上させるもう 1 つの方法は、支柱を接続するノード構造を変更することです。応力集中は通常、圧縮または衝撃荷重を受けると発生します。この方法は比較的単純ですが、金属格子構造のエネルギー吸収能力を向上させるのに非常に効果的です。

図1. 3Dプリントされた勾配格子構造、格子構造および対応する製品
2. 格子構造の準備スキーム従来の技術と3Dプリントにはそれぞれ限界がある

現在までに、金属格子構造を製造するための技術としては、スタンピング、ワイヤーカットと組み合わせた押し出し、拡張シート折り畳み、インベストメント鋳造など、いくつかの技術が存在します。これらの技術では、鋳造に加えて、柱を組み立てて格子構造を形成するために接着または溶接技術を使用する必要があります。処理中、接続点は気泡や微小亀裂などの欠陥の影響を受けやすく、格子構造の全体的な機械的特性が弱まります。インベストメント鋳造技術の場合、技術自体の制限により、電解セルの構成をあまり複雑にすることはできません。

図2. 3Dプリントとインベストメント鋳造で作られた格子構造
3D プリント技術の登場により、格子構造の製造はもはや困難ではなくなり、従来のプロセスと組み合わせる必要がなくなりました。しかし、成形可能な材料が限られているため、この技術では格子構造の製造に依然として欠点があります。

積層造形法とインベストメント鋳造法の限界を克服するために、近年、3D プリントとインベストメント鋳造法を組み合わせた新しい技術が開発されました。この技術では、まず低融点樹脂ベースの格子構造を3Dプリントで作製し、それを用いてセラミックシェルモールドを作製します。最後に、溶融金属は圧縮空気の作用により金型キャビティ内に浸透し、金属が凝固した後、外殻が除去されて金属格子構造が得られます。この方法では、あらゆる複雑な構成を生成できるだけでなく、材料の選択にもほとんど制限がありません。

図3. 3Dプリント鋳造法で製造された鋳造アルミニウム格子構造格子構造の異なる作製方法によって引き起こされる機械的特性とエネルギー吸収の違いをさらに比較するために、3D Printing Technology Referenceは、中国科学院合肥物理科学研究所固体物理研究所材料物理重点研究室と中国科学技術大学大学院が協力し、インベストメント鋳造と直接金属積層造形を組み合わせた3Dプリントにより、3つの柱材の強化ピラミッド格子構造を作製し、有限要素シミュレーションを通じて圧縮挙動とエネルギー吸収特性の理論分析と実験検証を行ったことを知りました。

3. 異なるプロセスで作られた格子構造の性能の違い

格子構造サンプルは、直接 3D プリントと、インベストメント鋳造と組み合わせた 3D プリントを使用して作成されました。前者はBLT-A300プリンターを使用し、選択された材料は3Dプリントに適したAlSi10Mg粉末です。後者は鋳造AlSi10Mg合金と7005アルミニウム合金を使用します。

この研究で使用したさまざまなアルミニウム合金の機械的特性を理解するために、引張実験を実施しました。関連する応力-ひずみ曲線は、直接金属 3D プリントによって製造された AlSi10Mg は、強度と剛性が最も高いが、延性が最も低いことを示しています。逆に、鋳造 AlSi10Mg 合金は延性が最も高いが、強度が最も低く、7005 アルミニウム合金は他の 2 つの材料の中間の強度と延性しかありません。

図 4. 異なる格子構造の機械的応答の比較: (a、b) 圧縮応力-ひずみ曲線、(c) ヤング率と降伏強度、(d) エネルギー吸収図 5. 格子構造材料の機械的応答格子構造の機械的特性は、ノード強化によって改善できます。この研究では、調製方法と柱の材料の影響に焦点を当てています。強化ピラミッド格子構造を通常の構造と比較すると、ノードに向かって支柱の直径が徐々に大きくなることで強化が実現されていることがわかります。

図 6. ピラミッド格子構造の特徴: 左は通常の星型、右は強化された格子構造です。関連する幾何学的パラメータは次のように定義されます: de と dm はそれぞれ柱の端の直径と中間の直径を表します。L、H、θ はそれぞれ底辺の幅、単位格子の高さ、柱と底辺の間の角度を表します。Le と Lc はそれぞれ柱の有効長と等径長です。幾何学的パラメータの影響を調べるために、de の値は 1.4 mm から 1.8 mm まで 0.1 mm 間隔で変化しました。ここで、1.4 mm は比較のために一般的に使用されるピラミッド構造の直径でもあります。 de が増加すると、格子構造の相対密度が変化しないように dm が減少します。 θ値は10°間隔で35°から55°まで変化します。

図 7. 3 つのサンプルグループ、A、B、C ノード強化ピラミッド格子構造。図 8. 異なる格子構造のサンプルに対する繰り返し圧縮テスト。
格子構造サンプルの変形プロセスをより定量的かつ視覚的に説明するためにシミュレーションを実施しました。結果は次のとおりです。

図 9. 圧縮モデルの実験結果とシミュレーション結果の比較。3 つの柱材の強化格子構造は、2 つの製造方法で作成されました。製造方法、柱材、および幾何学的パラメータが圧縮挙動とエネルギー吸収に与える影響は、有限要素解析と圧縮実験を通じて体系的に研究されました。主な結論は次のようにまとめられます。

（１）金属積層造形法と比較して、インベストメント鋳造と組み合わせた３Ｄプリントの製造方法は、ピラミッド格子構造の応力−ひずみ曲線のプラットフォーム段階での応力変動を排除し、さらに大きな傾斜角度でのエネルギー吸収を増加させる。しかし、同時に圧縮強度も低下します。

（２）補強ピラミッド格子構造の傾斜角度を大きくすることで、耐荷重性の差を狭め、エネルギー吸収性を向上させることができる。鋳造7005アルミニウム合金の格子構造では、圧縮時に脆性破壊が発生し、エネルギー損失が発生します。

（３）強化ピラミッド格子構造の端部直径は、圧縮強度とエネルギー吸収にとって重要である。端部の直径を厚くすると、節点付近の応力集中がある程度軽減されます。

（４）エネルギー吸収図における傾斜角に対する肩点の包絡線は直線である。エネルギー吸収図は、AlSi10Mg の場合、σ/ES < 1.48 × 10 の場合、インベストメント鋳造と組み合わせた 3D プリントがより良い選択であり、代わりに金属付加製造を検討できることを示しています。 σ/ES>6.84×10の場合、鋳造7005アルミニウム合金を使用することは妥協策となります。

（５）理論式と有限要素解析は実験結果と一致しており、ノード強化ピラミッド型格子構造の機械的特性とエネルギー吸収特性を予測するために使用できる。

4. 2022DfAM 高度設計・製造プロセス講義シリーズ

ハニカム格子材料は、低密度、高比強度、多孔性などの利点により、重要な構造材料および機能材料となっています。従来のセルラー材料は主にフォーム、スポンジ、ハニカムであり、通常は防音壁、防振装置、衝撃保護装置などの機能目的に使用されます。3Dプリント技術の参考文献もこれまでに何度も報告されています。金属フォームやスポンジの場合、気孔の形状、サイズ、数、分布などの気孔構造は本質的にランダムであり、言い換えれば、ほとんど制御不可能ですが、ハニカムの場合、気孔の分布と機械的特性には強い異方性があります。これらの特性により、従来の金属ハニカム材料の用途はある程度制限されます。

3D プリントされた格子構造は、これらの問題に対する最も理想的な解決策の 1 つになります。精密に設計された格子構造、ほぼ無制限のマトリックス材料、最適化された特性、およびさまざまな工業規模の技術を使用して製造できる能力により、航空宇宙工学の多くの分野で重要な用途となっています。

航空宇宙産業などのハイエンド複合製造業の科学研究機関の研究開発担当者、理工系大学の航空、航空宇宙、機械、材料科学の学生と教員、および積層造形設計、プロセス、シミュレーションに関心のある技術者に、高度な積層造形の概念を紹介します。

5月26日から6月10日まで、Simulation Showと3D Printing Technology Referenceが共催する「2022 DfAM高度設計・製造プロセス講演シリーズ」では、Ansem Asia Pacificから8名の上級エンジニアを招き、ジェネレーティブデザイン、トポロジー最適化設計、多分野最適化設計、シミュレーション検証、積層プロセスシミュレーションなどのソリューションを含む、DfAMの積層設計統合ソリューションの全体像を紹介します。

ライブ放送スケジュールは以下の通りです

5 月 26 日～6 月 10 日: 積層造形のための高度な設計とプロセスシミュレーションに関する 8 つの講義をお見逃しなく!

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