3Dプリント格子構造で部品性能を向上：軽量化・高強度・衝撃吸収を実現

3Dプリント格子構造は、積層造形の最大のセールスポイントの一つです。3Dプリンティング独自のプロセスで容易に造形でき、実用的なメリットが数多くあります。

格子構造とは、3Dプリント部品の内部形状を構成するインフィルパターンの一種です。プラスチックや金属のソリッドブロックを造形する代わりに、エンジニアは重なり合うインターロックパターンを用いて、部分的に中空の内部構造を作れます。適切に設計された格子は、部品の機械的特性を大幅に向上させ、より軽く、より強い部品を実現します。

重要なのは、格子構造はあらゆるプロフェッショナルグレードの3Dプリンターで造形可能だということです。さらに重要なのは、これらの構造を他の製造技術で適切に造形することはできないという点です。切削加工では外部を切削せずに内部を切削できず、金型では液体材料が単純に「満たされる」だけで、3Dプリンターのように材料の配置を制御できません。

本記事では、3Dプリント格子構造の作り方と、航空宇宙産業などでなぜこれほど有用になりつつあるのかを解説します。

3Dプリント格子はどう作るか？

格子構造は、橋梁や木造住宅など身近なところに見られます。エッフェル塔は、重なり合う梁が安定した中空構造を形成する、世界で最も有名な格子・トラス構造の例と言えるでしょう。

このような構造を3Dプリント部品内部に再現することは可能です。そして、格子フレームワークを手動で設計する必要は一般的にありません。ユーザーがパラメータを指定すれば、自動的に格子パターンを生成するツールがいくつか存在します。市販ツールには、nTopology（旧Topology）、Autodesk Within、Meshifyなどがあります。

ただし、すべての格子が同じというわけではありません。実は格子構造には多くのバリエーションがあり、主な変数は以下の通りです。

セル構造

セルは格子構造を構成する個々の単位です。通常、立方体、星形、六角形、八角形などの認識しやすい幾何学形状ですが、特定の力学的用途向けに複数形状を組み合わせることもあります。時には、まったく非均一で、明確なパターンを持たないセルもあります。

究極的には、セル構造（形状とサイズの両方）が、部品の強度、重量、弾性などの振る舞いに影響を与えます。

セル方向

セルの構造とサイズを決めるのは半分の話に過ぎません。格子内の形状をどの向きで配置するかによっても、最終的な部品性能は変わります。方向決定時には、造形制約も考慮すべきです。特定の方向では、より多くのサポート構造が必要になるなどの理由からです。

格子材料

すべての材料がすべての格子構造を造形できるわけではありません。柔らかく弾性のある材料で、大型のセル構造を造形すべきではありません。大きな多孔質セクションが部品のたわみを招くためです。多くの場合、格子材料はシェル（外殻）材料と同じになりますが、マルチエクストルーダープリンターならある程度の柔軟性が得られます。

3Dプリント格子のメリット

部品に格子構造を取り入れることで、エンジニアは軽量化、強度向上、衝撃吸収といったメリットを得られます。

軽量化はこれらの中で最も重要なメリットであり、エンジニアがパターン化された内部形状でプリント構造を最適化したがる主な理由です。格子構造の鍵は部分的な中空性にあり、セルには空間が含まれるため、内部格子パターンを持つ部品は、ソリッドインフィルの同等部品より全体的な材料量が少なくなります。

材料量が減れば質量も減り、自動車や航空宇宙のような産業では、わずか数グラムの軽量化が部品性能に大きな差をもたらすため、これは大きなアドバンテージです。実際、最もエキサイティングな格子研究の一部は航空宇宙分野で進んでおり、ボeingのような企業が超軽量先進格子材料を開発しています。

材料が減ることはコスト削減も意味します。格子構造を持つ部品を作れば、劣るソリッド部品より低コストで、より優れた部品を製造できます。

しかし、格子構造の真の狙いは、部品の完全性を損なわずに質量を減らすことです。単に無造作に穴を開ければ脆くなって破損しやすくなりますが、3Dプリント格子構造は、材料を構造的に最も効果的な方法で配置するよう設計されており、中空部分が弱点ではなく、それ自体が強みとなります。

格子構造を持つ部分的中空部品は、ソリッド部品より強くなることさえあります。格子の空間が衝撃吸収を改善し、衝撃応力を低減するためです。大型セル格子を持つ部品は高い柔軟性と弾性を示し、脆性と破損リスクを低減します。

それほど重要ではありませんが、格子の美観も見逃せません。これらの複雑なパターンは、3Dプリンターで作れる最も印象的な形態の一つであり、プリント格子を持つ部品は、実用的であると同時に視覚的にも魅力的です。

3Dプリント格子のメリットまとめ：

• 軽量
• 材料使用量削減
• 高強度
• 衝撃吸収
• 美観

CNC工作機械で格子構造は作れるか？

結論から言えば、できません。CNC工作機械をはじめとする切削加工技術では、3D格子構造を造形できません。固体ブロックから切削工具で材料を除去するためです。CNC工作機械なら、格子セルの最初の列の中空部分を削り取れますが、次にソリッド部分が邪魔をして、次の列の中空部分へ切削工具が到達できません。

3Dプリンターは、スライスや断面で部品を造形し、無から積み上げるのではなく、固体ブロックから削り出すのではなく、ゼロから積み上げるため、この問題に遭遇しません。したがって、積層造形は格子構造の造形に圧倒的に適した製造技術です。

ただし、CNC工作機械でもグリルのような2D格子構造を効果的に作れます。これら特定のCNC切削格子は、3Dプリント格子より強度が高い場合もあります。

3Dプリント格子の実用用途

3Dプリント格子構造は、エンジニアやプロダクトデザイナーが常に部品の軽量化と強化を求めているため、多くの産業で既に応用されています。

重量削減は特に航空宇宙と自動車産業で重要です。重い部品は一般に車両速度を低下させ、燃料消費を増大させるため、軽量部品が強く求められます。

トラス構造が建築で数百年の歴史を持つことを考えれば、格子の小型版が現代の建築分野で人気を博しているのも当然です。また、格子構造は精密に設計できるため、騒音を低減する3Dパターンを作る研究も進んでおり、建築用断熱材の改良につながる可能性があります。

3Dプリント格子は衣類とフットウェアでも見られます。アディダスなどは、3Dプリントエラストマー格子をスニーカーのミッドソールに採用しています。これらの格子は、軽量なクッション性と大きな反発力を提供し、1990年代に流行した「エアバブル」より遥かに優れ、科学的に正当化されたソリューションです。

3ERPでの3Dプリント格子

3ERPは3Dプリント部品と試作の経験豊富なプロバイダーであり、多様な用途向けに高品質な格子部品を製造できます。

弊社の積層造形サービスにはFDM、SLA、SLS、SLMが含まれ、すべて複雑な内部形状の造形に対応可能です。

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