ラティス構造の設計経験のまとめと共有

出典: 付加製造イノベーションデザイン

格子は周期的な多孔質構造であり、一定の形状で周期的に結合された多数の同一の格子単位から構成されていると考えられます。ラティス構造の性能により、高い設計柔軟性を実現します。格子の相対密度、ユニットセルの構成、コネクティングロッドのサイズを調整することで、構造の強度、剛性、靭性、耐久性、静的特性、動的特性の完璧なバランスを実現できます。

軽量かつ丈夫 格子構造は比強度と比剛性が高く、低密度構造において大きな機械的性能上の利点があります。従来の固体材料と比較して、金属格子材料の密度は大幅に低減され、同じ性能の格子構造では重量を 70% 以上削減できます。金属格子構造は金属発泡材料と比較して性能が制御可能であり、強度と弾性率は金属発泡材料より1桁高く、耐荷重効率も高くなります。

エネルギー吸収 格子サンドイッチ構造は、非常に理想的な耐爆発性と耐衝撃性を備えています。格子構造は一般に衝撃荷重を受けると動的不安定性が生じ、構造内部で大きな塑性/弾性変形が発生し、衝撃エネルギーの大部分を吸収します。この超弾性により、非常に高いエネルギー吸収能力が得られ、耐衝撃構造として使用できます。例えば、戦車の防護装甲にすることで、内部の人員や装備を効果的に保護することができます。

熱保護と断熱 格子構造空間は、放熱や能動冷却チャネルとして使用でき、強制対流下での熱伝達性能に優れ、高密度の熱流に耐える構造として使用できます。気孔に断熱繊維が充填されており、優れた断熱効果を発揮します。格子構造は、帰還する宇宙カプセルの熱保護システムに使用することが検討されています。

ノイズ低減 音波の振動が曲がりくねった細孔壁によって遮断されると、空気と細孔壁の間の摩擦によってエネルギー損失が発生します。複数の反射と屈折を経て、元の入射音波のエネルギーの大部分は熱に変換され、周囲に放散されます。エンジニアたちは3Dプリントを使って「音響クローキング装置」を作成した。

医療用インプラント チタンは一般的な医療用インプラント材料です。しかし、人間の骨よりも弾性率が高いため、インプラントと骨の間に弾性の不一致が生じやすいという問題があります。格子構造の弾性率は気孔サイズが大きくなるにつれて低下するため、格子構造の体積分率とサイズ分布を変更することで弾性率のマッチング問題を解決し、インプラントの機械的特性を人間の骨格に合わせて調整することができます。さらに、3D プリントされたオープンポーラス構造により、骨の成長とインプラント全体の統合が促進されます。

格子構造の多くの用途は、構造設計と切り離せません。

しかし、ラティス構造の機械的特性を解析する場合、内部に多数の微細構造が含まれているため、構造モデリングと応答解析の作業負荷は膨大です。さらに、材料の微細構造の幾何学的寸法は、構造解析と最適化設計の結果に大きな影響を与えます。従来の有限要素解析と構造最適化技術はもはや適用できません。

単位セル内のロッドのサイズが比較的大きく、数が少ない場合は、ソリッドユニットを直接解に使用できます。ロッドのサイズが徐々に小さくなり、数が増える場合は、ビームユニットを使用して解くことをお勧めします。ロッドのサイズがさらに小さくなり、数が多い場合は、材料特性が同等になった後に均質化法を使用して解くのが適切です。

有限要素シミュレーションに加えて、次の設計エクスペリエンスも注目に値します。

▌ユニットセル構成の選択 3D 印刷技術の制約により、ユニットセル構成に横方向のバーが存在しないことが最善です。したがって、3D プリントに適した単位セル構成には、主に体心立方 (BCC) 構造と面心立方 (FCC) 構造、およびそれらの変形構造が含まれます。

ユニットセルの最適な構成は、マクロ構造の幾何学的構成と荷重条件に密接に関連しています。一般的に言えば、体心立方構造は曲げが支配的な構造であり、エネルギー吸収能力が強く、耐衝撃構造の設計に適しています。一方、面心立方構造は張力が支配的な構造であり、剛性と強度特性が優れており、耐荷重構造の設計に適しています。

▌ロッド傾斜角度
3D プリントのプロセス特性により、オーバーハングの下面は多孔性が大きく、表面品質が粗くなります。

したがって、格子構造ロッドの傾斜角度は小さすぎてはなりません。傾斜角度が小さいほど、ロッドの性能は不均一になります。

AlSi10Mg 格子構造を例にとると、傾斜角が 90° のロッドの領域 A と領域 B 間の多孔度の差はそれほど大きくありませんが、傾斜角が 35.5° の場合は領域 A と領域 B 間の多孔度の差は 3.61% になります。

表面仕上げ表面仕上げは構造物の疲労性能に重要な影響を及ぼします。格子構造の内部表面の数が多いため、表面仕上げ処理に大きな課題が生じます。

現在、より効果的な処理方法は化学エッチングであり、表面の平滑度を 23.8～25.9μm まで向上させることができます。

しかし、化学侵食の副作用として、ロッドの直径が小さくなり、格子構造の相対密度が約 7% 減少します。

▌構造破壊モード 圧縮荷重下では、格子構造の破損モードは主にロッドの不安定性になります。構造の応力は主に節点付近に集中します。

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