3Dプリント格子構造で騒音・衝撃吸収を最大化

Fast Radius アプリケーションエンジニア Tristan Antonsen 著

格子構造は、交差するビームとノードのパターンによって作られる一連の繰り返し単位セルで構立される三次元構造です。これらのマイクロアーキテクチャは、近年、レガシーコンポーネントと同等の材料特性と構造的完全性を持ちながら、より少ない余剰材料で軽量部品の製造を可能にすることなど、多くの理由で人気を集めています。また、低剛性を持ち、ひずみを負担し回復する能力があるため、衝撃、騒音の吸収、振動減衰にも採用されています。

これにはおそらく驚くべき実用用途があります。Carbonの画期的なDigital Light Synthesis™技術で達成していることに感銘を受けたスポーツウェア大手Adidasが、格子構造が提供する高い衝撃吸収性を取り入れたアスレチックシューズのミッドソール設計を依頼してきました。材料要件は挑戦的でした：ソールは弾力性と柔軟性を備え、優れた反発性を提供し、アスリートの身体への衝撃を最小限に抑える必要がありました。Carbonの技術がこの挑戦に応え、見事で高性能なAdidas Futurecraft 4Dミッドソールが誕生しました。これは小さなコンポーネント体積で例外的な衝撃吸収を提供します。

ここでは、格子構造を用いて最大限の振動減衰とエネルギー減衰を実現するために、製品マネージャーが知っておくべきことを紹介します。

格子構造について

一般に、格子構造の小さなサイズと複雑な形状は、従来の減法製造法での作成を困難にします。したがって、格子構造は通常3Dプリントプロセスで製造されます。

アディティブ製造向け設計の主要な利点は、逆設計プロセスを実装できることです。つまり、既存の適切な材料を探すのではなく、与えられた用途に最適な材料特性を設計できます。

材料によって固有のエネルギー散逸能力が異なります。例えばEPU 40はEPU 41より優れた振動減衰材料です。用途に要求される特性に合致する材料を選ぶことで、メーカーはコンポーネントの衝撃吸収性を高められます。

材料選択が格子の振動減衰・エネルギー散逸能力に重要な役割を果たす一方、ほとんどの場合、格子の設計が部品の減衰効果により大きな影響を与えます。マクロレベルでは、格子構造は通常、衝撃時に曲げまたは座屈するように設計されます。曲げ型格子は非常に弾力的でバネのような挙動を示し、座屈型格子は個々のビームが屈服して曲がるため、エネルギー散逸に極めて効果的です。フリーレイヤー減衰処理も部品に適用可能です。

粒度レベルでは、格子を構成するビームとノードの繰り返しパターンを「単位セル」と呼びます。ノードとビームの組み合わせは膨大ですが、開放的で疎な単位セルは一般に柔らかい格子を作り、三角形とビームの濃度が高い単位セルは一般に剛性の高い構造を作ります。

セルタイプ、サイズ、方向は格子の材料減衰比に直接影響し、ビームの相対的厚さと単位セルサイズの比率の変化により、格子は劇的に異なる挙動を示します。これらすべてを考慮して、衝撃吸収とエネルギー散逸を最大化する必要があります。

製造向け格子設計

アディティブ手法により以前は不可能だったものが作れるようになりましたが、格子構造は意図した機能を効果的に果たすために適切に設計する必要があります。アディティブ製造向け設計（DFAM）原則を取り入れることで、エンジニアは3Dプリントプロセスの固有特性を活用し、格子構造が衝撃、音、振動の吸収に最大限効果的になるよう確保できます。

重要なDFAM考慮点は、格子単位セルの構造と方向です。まず第一に、格子はプリント可能でなければなりません。これには、プリントプロセス、プリント方向、場合によってはサポート構造などの考慮を設計に組み込み、部品の実現可能性を確保することが含まれます。

格子セルの方向性は本質的に異方性部品を生み、コンポーネントが一方向と他方向で異なる挙動を示します。これは必ずしも欠点ではなく、格子が特定方向で特定の挙動を示す必要がある場合（座屈型格子など）、製品マネージャーは構造のセル方向がその方向に適切に整列していることを確認すべきです。

適切に実装されれば、DFAMによりメーカーはレガシー製造法の制約を克服し、完全に新しいものを可能にできます。多くの場合、格子構造を取り入れたアディティブ製造部品は、レガシープロセスで作られた部品と同等か、それ以上の品質です。

Fast Radiusが推進する製造イノベーションを発見

格子構造は、衝撃、音、振動を吸収・散逸する部品を作る汎用的で効果的な方法です。格子設計の主要考慮点は、要件を明確に定義し、それらの要件と格子の望ましい機能性に基づいて適切な材料を選択し、それに応じて格子構造を設計することです。必要な性能特性に基づいて最適な振動減衰材料を選ぶのが理想的な出発点であり、これにより部品のエネルギー散逸と衝撃吸収能力を最大化できます。

Fast Radiusは、最先端技術と実証済み手法の両方を用いて、あらゆる製造をより効率的かつ効果的にすることにコミットしています。お客様と協働し、部品を設計と製造可能性の観点で最適化します。優れた品質のコンポーネントをオンタイム、競争力のある価格で提供することに誇りを持っています。今すぐお問い合わせください。私たちがどのように支援できるかをご確認ください。