新しい本が出版されました: 3 周期の最小表面バイオニックメタマテリアルの付加製造

出典：華中機械

シリーズの背景

「3Dプリントの最先端技術」シリーズは、「中国製造2025」を背景に、3Dプリント分野の専門家や学者がまとめた理論と技術の進歩を反映した書籍集です。呂炳衡院士がシリーズの主任顧問、史宇勝教授がシリーズの編集長を務めています。

このシリーズの英語版はエルゼビアと共同で出版されています。

公開された品種

継続的な蓄積を経て、このシリーズは現在17冊（中国語12冊、英語5冊）出版されています。「3周期極小表面バイオニックメタマテリアルの積層造形」は17番目で、残りの3つのトピックも順次公開されています。

序文

積層造形（AM）は、機械、コンピューター、数値制御、材料などのさまざまな分野を統合した新しいデジタル先進製造技術です。積層造形と層ごとの積み重ねの原理を採用し、理論的にはあらゆる複雑な構造を形成できます。この新しい高度な製造技術は、従来のプロセス指向の部品設計をまったく新しいパフォーマンス指向の設計に変えることができ、今日の製造業界における革命として知られています。選択的レーザー溶融 (SLM) は、金属粉末層を選択的に溶融することで、ほぼ完全に高密度で幾何学的に複雑な金属部品を製造できる粉末床溶融付加製造プロセスです。したがって、従来の製造技術と比較して、SLM 技術は、制御可能な単位トポロジー、サイズ、および多孔性を備えた金属周期格子構造を形成する上で明らかな利点があります。

近年、積層造形プロセスを利用して、さまざまな種類の格子構造を設計および形成するようになりました。三周期極小面 (TPMS) は、空間を自己交差のない 2 つの領域に分割し、3 つの座標軸で周期的な滑らかな無限面です。 TPMS 構造は、蝶の羽、甲虫の外骨格、その他の生物などの自然界の生物系に広く存在し、それらはすべて、最小曲面に類似した関連構造を持っています。 TPMS は、その複雑かつ高度に対称的なトポロジー構造と、優れた物理的、化学的、機械的、光学的特性により、幅広い注目を集め、さまざまな分野で応用されてきました。例えば、TPMS構造は、比強度が高く、エネルギー吸収能力が強いという特徴があり、その曲面特性を利用することで、並外れたキラル光学特性、高い触媒効率、エネルギー変換効率が得られます。

専門知識を体系的に導入し、関連する科学技術研究者を育成するために、華中科技大学のラピッドマニュファクチャリングセンター（RMC）チームと中国地質大学のジュエリー先進製造チームは、TPMS格子構造の付加製造に関する研究結果をまとめ、このモノグラフ「3周期最小表面バイオニックメタマテリアルの付加製造」を作成しました。本書では、レーザー選択溶融積層造形法で製造されるTPMS格子構造の設計、製造、微細構造、機械的特性、応用例設計などを詳しく紹介しています。

著者: Yan Chunze、Yang Lei、Wu Siqi、Hao Liang、
Li Zhaoqing、Li Yan、Song Bo 書籍番号: 9787568075848

導入

本書では、選択的レーザー溶融積層造形技術によって製造される3周期極小表面（TPMS）生体模倣メタマテリアルの設計、製造、微細構造、機械的特性、応用例などを詳しく紹介しています。まず、積層造形に基づくメタマテリアルの設計方法を紹介し、TPMSバイオニックメタマテリアルの利点を分析します。次に、TPMSバイオニックメタマテリアルの数学的モデリングの方法を示し、さまざまな金属材料から調製された均一なTPMSバイオニックメタマテリアルの精密分析、微細構造、静的機械特性、およびTPMS複合バイオニックメタマテリアルの製造方法と性能分析を紹介します。次に、数値解析方法に基づいて、均一および勾配TPMSバイオニックメタマテリアルの機械特性を予測するための有限要素モデルを確立し、それを使用してさまざまな荷重方向での静的機械特性を分析します。最後に、均一および勾配TPMSバイオニックメタマテリアルの動的疲労特性について説明し、疲労破壊メカニズムと強化メカニズムを明らかにし、TPMSバイオニックメタマテリアルの応用を展望します。

この本は、3 周期の極小表面バイオニックメタマテリアルの付加製造に特化した、非常に専門的な本です。 3 周期極小表面バイオニックメタマテリアルは光学、音響、触媒などの分野での応用が期待できるため、本書は他の関連産業の参考書としても使用できます。

目次

第1章はじめに（1）
1.1 はじめに (1)
1.2 レーザー選択溶融技術の原理と開発状況（4）
1.3 三周期極小曲面の概要（6）
1.4 3周期極小表面格子構造の機械的性質と研究状況（12）
1.5 本の概要 (16)
この章の参考文献 (18)

第2章 TPMSマトリックス構造の設計（27）
2.1 はじめに（27）
2.2 MATLABソフトウェアの紹介 (28)
2.3 均一な細孔TPMS格子構造を生成する方法（30）
2.4 勾配細孔TPMS格子構造の生成方法（31）
2.5 章の要約 (32)
この章の参考文献 (32)

第3章金属合金の均一TPMS格子構造（33）
3.1 はじめに（33）
3.2 SLM技術を用いたTPMS格子構造の加工性に関する研究（34）
3.3 TPMS格子構造の微細構造研究（52）
3.4 TPMSラティス構造の機械的挙動評価（65）
3.5 表面改質とハイドロキシアパタイトコーティング（76）
この章の参考文献 (86)

第4章 TPMSラティス構造複合材料（92）
4.1 はじめに (92)
4.2 電磁干渉用Cu合金/グラフェン複合材料（92）
4.3 Ni-Cu合金/グラフェン足場の熱的応用（97）
4.4316L 複合材料の軽量化への応用（103）
この章の参考文献 (116)

第5章均一TPMS格子構造の機械的特性の有限要素解析（123）
5.1 はじめに (123)
5.2 有限要素解析（124）
5.3 分析的分析（132）
5.4 章の要約 (146)
この章の参考文献 (147)

第6章機能勾配TPMS格子構造（154）
6.1 はじめに（154）
6.2316L勾配ジャイロイド格子構造（155）
6.3 純チタン傾斜TPMS格子構造（175）
6.4 勾配TPMSにおける単位セルサイズの影響（183）
6.5 勾配ジャイロイドTPMS格子構造の機械的応答（195）
この章の参考文献 (202)

第7章均一TPMS格子構造の疲労性能（213）
7.1 はじめに（213）
7.2 方法と手順 (214)
7.3 実験結果 (216)
7.4 格子構造の疲労破壊機構と強化機構（228）
7.5 章の要約 (234)
この章の参考文献 (235)

第8章傾斜ジャイロイド格子構造の圧縮疲労強化機構に関する研究（244）
8.1 はじめに (244)
8.2 この章の方法と実験（245）
8.3 ラティス構造の製造精度の解析（246）
8.4 静的圧縮性能の影響（252）
8.5 疲労特性（254）
8.6 章の要約 (271)
この章の参考文献 (272)

第9章応用と展望（276）
9.1 潜在的な応用 (276)
9.2 研究の展望 (280)
この章の参考文献 (281)

著者について

ヤン・チュンゼ氏は華中科技大学の教授および博士課程の指導者であり、教育部の「長江学者計画」の特任教授、湖北省百人計画の特任教授、材料成形および金型技術国家重点実験室の副所長、教育部の積層造形セラミック材料工学研究センターの所長を務めています。彼は、中国国家自然科学基金総括プロジェクトや航空宇宙共同基金重点プロジェクトなど、数多くの国家、省、省庁レベルのプロジェクトを主宰してきました。彼は、60 以上の SCI 論文を発表し、65 件の発明特許を認可し、6 冊のモノグラフと教科書を出版し、3 つの国家標準の策定を主導または参加しました。主に粉末床溶融レーザー積層造形技術の研究に従事し、開発された積層造形材料と装置は産業化されています。

楊磊氏は、武漢理工大学交通・物流工学学院の准教授および修士課程の指導者であり、機械設計製造学部の副学部長です。彼の主な研究対象は、最小表面格子構造の材料、構造、性能の統合のための積層造形技術とシミュレーション解析手法の研究です。彼は、国立自然科学基金青年プロジェクト、国防科学技術革新区、基礎フロンティアプロジェクトなど、数多くの国家および省レベルのプロジェクトを主宰してきました。彼は、22 本の SCI 論文を発表し、12 件の発明特許を申請し、2 件のソフトウェア著作権を申請し、2 つの学術論文を執筆しました。

Wu Siqi 氏は、華中科技大学材料科学工学学院の博士課程の学生で、Yan Chunze 教授と Yang Lei 准教授の指導を受けています。彼の研究対象には、付加製造、機械的特性分析、最小表面格子構造の有限要素シミュレーションが含まれます。華中科技大学2020年度イノベーション研究所イノベーション基金、2021年度イノベーションチームのプロジェクトリーダー。華中科技大学志星奨学金、名誉称号「三大優秀大学院生」などを獲得。

ハオ・リャン氏は、中国地質大学（武漢）ジュエリー学部の副学長、教授、博士課程の指導者、湖北省百人計画の人材、「双起業と革新戦略チーム」のリーダー、武漢市の「3551」人材、湖北省ジュエリー工学技術研究センターの執行理事を務めている。主な研究分野は、先進製造、材料工学、ジュエリーデザイン、ウェアラブルヘルスです。彼は、総投資額が300万ポンドを超える海外研究プロジェクトや中国国家自然科学基金の一般プロジェクトを主宰、参加し、国内外の主要ジャーナルや重要な会議で100本以上の論文を発表し、10件以上の発明特許を取得し、多数の学術論文を執筆しています。

李肇青氏は華中科技大学の博士研究員です。蘭州大学を卒業し、学士、修士、博士の学位を取得しました。国家自然科学基金青年プロジェクトの責任者であり、国家自然科学基金航空宇宙共同基金プロジェクトなどの国家、省、省レベルのプロジェクトに主要プロジェクトリーダーとして参加しています。SCI論文6本、認可された発明特許12件、国際特許2件を発表し、3つのモノグラフの出版に参加しました。彼は主にセラミック積層造形に関する研究に従事しており、その業績により中国産学研革新功績賞をはじめ数々の賞を受賞しています。

李燕氏は、中国地質大学（武漢）の准教授および修士課程の指導者であり、中国地質大学（武漢）実験教育センターの所長です。主に積層造形複合材料に関する研究に従事し、国立自然科学財団ユースプロジェクトなど、数多くの科学研究プロジェクトを主宰、中心人物として参加。彼は Additive Manufacturing などの国際ジャーナルの査読者を務めており、52 本の学術論文を発表し、2 冊の英語のモノグラフを執筆しています。

宋波氏は華中科技大学の教授および博士課程の指導者であり、湖北省の楚田大学の学生です。主に積層造形のための先端材料と構造最適化設計・成形の研究に従事。中国国家自然科学基金優秀若手学者基金プロジェクトやボーイング国際協力プロジェクトなどのプロジェクトを主宰。70本以上のSCI論文を発表し、15件の国家発明特許を取得し、2冊のモノグラフを編集。彼は Nano Materials Science などのジャーナルの編集委員を務めており、積層造形に関する 3 つの国家標準の策定に携わっています。

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