3Dプリントされたアコーディオンのような素材：超伸縮性を実現する設計アプローチ

出典: ポリマー材料の機械的性質

伸縮性材料は、ソフトロボット、電子機器などの分野で広く使用されています。大きな変形に耐えられる耐久性のある構造を設計するためには、伸縮性材料の引張特性と耐損傷性を向上させる必要があります。既存の積層造形（3D プリント）技術を使用すると、複雑な幾何学的形状を持つ部品を設計および製造することができ、内部構造を導入することで、材料の全体的な機械的特性（剛性、強度、靭性など）を調整することができます。

マギル大学のAHアクバルザデ教授のチームは、アコーディオンのような構造を導入することで脆いポリマーの延性を高めた。まず、研究者らは複数の構造（図1および図2に示すように、従来のハニカム構造、凹角構造、矢印構造、正弦波アコーディオン構造を含む）を設計し、ステレオリソグラフィー（SLA）と熱溶解積層法（FDM）によって対応するメタクリレートポリマー試験片（脆性）とナイロン試験片（柔軟）を作製し、さまざまな試験片の引張特性を評価するために引張実験を実施しました。準静的一軸引張下でのさまざまな構造の変形メカニズムをよりよく理解するために、有限要素解析を実施しました。

実験結果によると（図3参照）、脆性ポリマー材料はアコーディオン状構造の正弦波周期（n値）を変化させることで構造全体の剛性を調節できることがわかります。 n 値が大きいほど、より高い延性を実現できます。同じ質量の場合、n = 3 のアコーディオンのような構造の破壊ひずみは、従来のハニカム構造の 20 倍に達する可能性があります。柔軟なナイロン材料（図4参照）が一定の応力範囲（±1.3MPa）内で引張および圧縮の周期的荷重を受けると、正弦波アコーディオンのような構造のエネルギー散逸は従来のハニカム構造よりもはるかに高くなります。アコーディオンのような構造は、周期的荷重による損傷に抵抗する上で一定の利点があります。シミュレーション結果では、正弦波ユニットセルが構造の内部応力を効果的に低減できることも示されています。

本研究では、構造設計から始めて、ハニカム構造やアコーディオンのような構造などの内部特徴が材料の引張特性に与える影響を詳細に議論しました。設計されたアコーディオンのような構造により、脆性ポリマーの引張特性が大幅に改善され、高延性材料のエンジニアリング用途にとって大きな意義を持ちます。本研究では、実験とシミュレーションの観点から、より大きな正弦波周期を持つアコーディオンのような構造が優れた引張特性を持つことを検証しましたが、構造の幾何学的パラメータが引張特性に与える影響のメカニズムについては十分に議論されていません。さらなる研究を行う必要があります。より大きな正弦波周期を持つアコーディオンのような構造は、伸張中にエネルギー散逸を増加させることができます。したがって、このタイプの波状構造が 3D 材料の破壊エネルギーを増加させ、靭性を高めることができるかどうかは、実験的および理論的検証に値します。

図 1. 六角形、凹角、矢印を持つハニカム構造の単位セル (各単位の合計の長さと高さは等しい)。
図 2 実験と数値シミュレーションに使用したグリッド構造、(a) 矢印形状のモザイクセル材料、(b) 矢印形状と正弦波状のアコーディオン形状の単位セル、(c) 異なる周期の正弦波状のアコーディオン形状の単位セル。
図 3 さまざまな印刷構造の応力-ひずみ曲線、(a) 従来のハニカム構造、凹角構造、矢印構造、(b) さまざまな正弦波周期を持つアコーディオン型構造。
図 4 連続的な伸張と圧縮下における 3D プリント構造のエネルギー散逸。
この研究論文は、「3D プリントされたアコーディオンのような材料: 超伸縮性を実現するための設計ルート」というタイトルで Additive Manufacturing に掲載されました。

全文リンク: 10.1016/j.addma.2020.101215

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