解析事例 均質化法によるラティス構造の材料設計
3Dプリンタ技術とCAEの融合

目次

  1. はじめに
  2. 均質化法によるラティス構造の材料挙動予測
  3. ラティス構造の材料設計例
  4. まとめ

1. はじめに
3Dプリンタを用いた製造技術がものづくりのプロセスを劇的に変えようとしています。これまで伝統的に行われてきた旋盤やフライスなどの切削による加工方法とは大きく異なり、素材を積層することで製造されるため、AdditiveManufacturing(積層造形)とも呼ばれます。積層造形がものづくりにインパクトを与えている背景の一つに、切削加工では実現することが困難な複雑な形状を容易に製造できる点があります。複雑な曲面を持った部材や、複数の部材を接合しないと実現できなかったアセンブリパーツも、たった1 度の積層造形プロセスで全て製造することができます。CADデータと3Dプリンタさえあれば、その他特別な製造技術装置も技術的ノウハウも必要とされない点も大きな魅力です。本製造技術が世に誕生したばかりの頃は、利用できる材料や製造速度および製造可能なサイズに制限があったため、大量生産には向かず限られた用途にのみ活用されるであろうと評価されていました。しかし、最近の技術向上により、これらの制約はかなり改善され、今では高い信頼性を要求されるエンジン部品にも3Dプリンタを活用しようとする動きさえあるようです。
このような魅力的な積層製造技術ですが、利用用途は必ずしも複雑な外形を持つ部品に留まりません。その代表的な例が部材のラティス構造化です。ラティス構造とは枝状に分岐した格子が周期的に並んだものを指します。形状はトラス構造に類似していますが、積層造形で用いられるラティス構造は、必ずしも三角形状に並んだ状態ではなくもっと広義に解釈されます。また、積層造形では一般的なトラス構造よりも小さな数ミリメートルオーダーの枝状構造を指すのが一般的です。従来は中実であった構造物をこのようなラティス構造にすることによって、外形は元の形状を保ちつつも大きな軽量化を図ることができます。
さらに、ラティス構造を変えることによって、ラティス構造を構成する素材を変えることなく、みかけの剛性やポアソン比などの材料挙動を制御することもできます。任意の材料挙動を埋め込むことができるという見方から、ラティス構造からなる材料のことをプログラマブルマテリアルと呼ばれることもあります。さらに、ラティス構造を工夫することで、ソリッドな素材単体では実現のできない0.5 を超えるポアソン比や、負の屈折率など...

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