3D プリント格子について理解する:プロパティ、パフォーマンス、設計上の考慮事項

積層造形 (AM) プロセスにより、エンジニアは格子構造の能力を解き放ち、製品の性能を向上させることができます。ラティスは、ノードとビーム、またはストラットのネットワークで構成される 2 次元または 3 次元のマイクロ アーキテクチャであり、重量を大幅に削減し、構造的完全性を維持します。

無数のラティス タイプが利用可能です

独自の特性 (変形モード、材料効率など) と美学を備えた無数のラティス タイプが利用可能です。これらの格子構造の多くは、自然に発生する結晶構造に着想を得ています。また、格子は本質的に小さな機能であるため、従来の製造方法で作成することは困難 (またはほぼ不可能) です。

ラティス構造を組み込むことで、エンジニアは部品の望ましい性能を再考することで、設計空間をさらに探求することができます。

ラチシング技術により、パーツの物理的負荷に合わせてラティス パラメーターを正確に調整することで、パーツ全体の質量を 90% 以上削減できます。

機械的メリット

ラティスの利点は、昔からよく知られています。よく見ると、自然界の格子 (骨、金属の結晶構造など) や現代建築が見られます。エッフェル塔の例を見てみましょう。塔の金属構造は、空に届くようにその重量を効率的に支えます。単純な格子と同様に、この自立構造は体積によるもので、ほとんどが空気です。格子で可能な高い強度対重量比により、この途方もない建築上の成果が可能になりました。

同様に、製品設計において、格子の機械的利点 (例:高表面積、優れた衝撃吸収、衝撃保護) により、製品設計者は従来の製造の制約を無視して、新しい (そして多くの場合、より高性能な) 製品を作成できます。

優れた強度対重量比

特定の部品の強度対重量比を改善するには、一般に 2 つの方法があります。伝統的な製造を通じて、重要でない領域の材料を減らして材料の使用を最適化することによって達成されます。ラチシングにより、部品の重要な領域の材料を除去できます。ラチシングは部品の全体的な強度を低下させますが、軽量化によりこの強度対重量比を改善できます。

高表面積

格子は軽量であるだけでなく、大きな表面積を解放します。これは、熱交換と化学反応を促進する製品にとって重要な利点です。

サーバーやデータセンターのコンピューターで使用される熱交換器を考えてみましょう。通常、プロセッサのパフォーマンスは、生成される熱量によって制限されます。目標は、チップから熱を取り除き、通常はファンの助けを借りて大気中に排出することです。このシステムの全体的な効率は、ヒートシンク (チップから熱を逃がす金属片) の表面積の量に関連しています。格子は、利用可能な表面積の量を劇的に増加させるか、代わりに、複雑なツール手順を回避することにより、その量の表面積をより手頃な価格で生成できます。実際、この効率の向上は、多くの異なるタイプの熱交換器アプリケーションで実現できます。このアプリケーションでは、大きな表面積を持つ小さなフィーチャを積層造形なしでは作成することが困難またはほぼ不可能です。

優れた衝撃吸収と衝撃保護

格子は、衝撃エネルギーをよりよく吸収することにより、落下や衝突から製品を保護するのにも役立ちます。ラティスは、サッカー ヘルメットなどの製品に組み込んで衝撃応力を軽減することも、製品の重要なコンポーネントを保護するための犠牲機能として使用することもできます。たとえば、ラティスは電子部品の周囲または内部で使用して、非常に一般的な偶発的な落下などの動的なイベントから保護することができます。

望ましい振動と騒音の減衰

また、付加製造されたラティスは、振動などの機械的ノイズを排除する新しい方法をエンジニアに提供します。これは、ユーザーにとって不快であり、機械のパフォーマンスを低下させることさえあります。

格子は、剛性が低く、大きな歪みに耐えて回復する能力があるため、振動の減衰に効果的です。たとえば、格子を重機の絶縁パッドに組み込んで、製造システムに入るエネルギー量を減らすことができます。ラティスの調整可能な性質により、エンジニアは特定のアプリケーションに合わせて設計を改良できます。

DFAM の原則を順守することで格子の可能性を解き放つ

アディティブ マニュファクチャリングによって多くの新製品の可能性が開かれることは事実ですが、機能的な格子を印刷する前に確認する必要がある設計要素があります。ここで、アディティブ マニュファクチャリングの設計 (DFAM ) が登場します。DFAM は、設計エンジニアが印刷された部品が設計意図と一致することを確認するのに役立ちます。

DFAM に関する重要な考慮事項には、格子セル構造、セルのサイズと密度、材料の選択、セルの向きなどがあります。

• 細胞構造
  膨大な数のセル構造があり、格子内で繰り返される単位です。細胞構造のリストは非常に長く、増え続けています。最も一般的なセル構造には、キュービック、スター、オクテット、六角形、ダイアモンド、テトラヘドロンなどがあります。セル構造を調整したり、組み合わせたりして、システムに必要な応答を得ることができますが、選択には影響があります。より効率的な構造 (剛性と重量の比率が高い) もあれば、エネルギーをより適切に減衰させる構造もあれば、見た目が少し美しいものもあります。自分にとって適切な選択を行うには、強みと利点を比較検討する必要があります。
• セルのサイズと密度
  セルのサイズと密度は、個々の単位セルのサイズと、空間内で繰り返されるセルの数を指します。セルのサイズ自体は、そのメンバーと接続ノードの厚さと長さに依存します。セルが大きいほど印刷が容易になりますが、動作が硬くなります。同様に、セルが小さいほどシステム応答が均一になりますが、機能サイズによって制限されます。

• 材料の選択
  選択した材料によって、可能な格子特性を定義できます。弾性材料または軟質材料は、一般に、印刷中のたるみを減らすために、より小さく高密度のセル集団を必要とします。あるいは、より剛性の高い材料で印刷された格子は、一般に、より薄い部材とより大きなセルサイズで、より広い設計範囲を可能にします.
• セルの向き
  細胞が印刷される角度は、必要なサポートの量と配置に影響を与えるため、印刷の成功に影響を与える可能性があります。一般に、適切に選択され、方向付けされた格子は自己支持型であり、個別の支持を必要としません。多くの場合、構造を回転させてサポートを減らすことができます。大きな立方トラスについて考えてみてください。ビルド プラットフォームに直接印刷すると、水平部材はサポートされなくなります。ただし、構造を 45 度回転させるだけで、部材は自立します。

格子の繰り返される単位セルは、無数のサイズ、形状、およびパフォーマンス属性への扉を開きます。格子が本来持つ複雑な性質により、アディティブ マニュファクチャリング以外の方法で作成することはほぼ不可能です。

これまでラティスを使用して設計したことがない場合は、開始を支援できる専門家を利用することをお勧めします。 Fast Radius のチームは、ラティスを使用したより高性能な製品の開発から、オンデマンド生産や仮想倉庫によるサプライ チェーンの効率化まで、添加剤の総価値を最大化することを専門としています。添加剤の潜在的な価値について詳しく知りたい場合、または AM プロセス用の製品の設計を開始したい場合は、今すぐお問い合わせください。

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