3D格子構造の設計：原理、力学、応用

格子構造とは、接続された際に三次元形状を形成する繰り返しパターンです。積層造形の文脈では、コンプライアント（柔軟な）格子構造が、設計者が3Dプリント技術を活用してこれまで「製造不可能」だった形状やパーツを創造することを可能にし、エキサイティングな製品設計の可能性を開きます。エラストマーで作られた3Dプリント格子構造は高変形可能で、その力学的特性により幅広い応答にチューニングでき、多様な業界で使用されています。

しかし、コンプライアント3D格子構造の設計には製造専門知識、そして適切なソフトウェアツールが必要です。Fast Radiusでは、多種多様な製品とアプリケーション向けに3Dプリント格子構造を設計・テストしてきました。コンピュータシミュレーションを用いて大規模なデータライブラリを作成し、さまざまな格子構造とその力学的特性を分類しています。

あなたの製造プロジェクトに適した3D格子構造のタイプを探しているなら、さまざまな設計要素が完成パーツの力学的応答にどう影響するかを理解することが不可欠です。そこで、あなたのプロジェクトの積層造形ポテンシャルを探るお手伝いとして、主要な3D格子設計要素の簡単なガイドと、ライブラリから選んだコンプライアント格子構造の4つの例をまとめました。

エラストマー3D格子構造の主要設計要素

エラストマー3D格子構造プロジェクトでは、一般的に以下の4つの設計要素の一部またはすべてを考慮します：

• 幾何学： 格子の幾何学とは、その構成要素の物理的サイズと形状、およびそれらのパターンがパーツ構造全体にどう配列されているかを指します。格子構造内で繰り返される単一ユニットは、自然界に見られる細胞構造や結晶構造に着想を得たことから、総称して「ユニットセル」と呼ばれます。
• 剛性/弾性率： 格子の剛性、または弾性率とは、その構造を変形させるために必要な力を指します。弾性率は通常、格子応答が完全に弾性である小さな変形に対して定義されます。
• 座屈応答： 座屈応答とは、格子構造がどう降伏するかを記述し、変形時の格子要素の構造的不安定性に依存します。すべての格子構造が座屈を示すわけではなく、座屈が常に望ましい特徴というわけでもありません。
• エネルギー散逸： 格子構造のエネルギー散逸とは、変形時にエネルギーを吸収する能力を指します。

3Dプリント格子構造のタイプ例

単純立方格子構造

この単純立方格子は、ユニットセルサイズ7.5mm、トラス幅2mmです。弾性率は0.72MPaです。

座屈応答： この単純立方格子構造は座屈不安定性を示します。ひずみ約0.05以降、弾性率は25kPaの応力プラトーで一定になります。追加変形でも弾性率は増加しません。

エネルギー散逸： 単純立方格子は非弾性座屈挙動を示し、荷重時と除荷時で異なる応答を示します。この非弾性挙動は、エネルギー散逸など多くの目的に利用できます。

用途： この単純立方格子の座屈応答が生み出す力の閾値は、個人防護用途やセンシティブなコンポーネントのシールドに適しています。アセンブリ内のコンポーネント間隙を埋めるのにも効果的です。

ケルビンセル格子構造

このケルビンセル格子は、ユニットセルサイズ10mm、トラス幅2mmです。弾性率は0.44MPaです。

座屈応答： 単純立方格子とは異なり、ケルビンセル格子構造は座屈点が低く、力に対してビームが伸びる応答を示します。ケルビンセル格子にはプラトーがなく、単純な弾性剛性で完全に圧密されるまで連続的に圧縮されます。

エネルギー散逸： ケルビンセル格子は弾性変形でエネルギーを蓄え、力が除去されるとバネのように素早く元の形状に戻ります。

用途： ケルビンセル格子は、シートクッションやボディパッドなど静的圧縮下にある製品でのフォーム代替に適しています。複雑な六方最密充填セル構造を持つため視覚的に印象的で、美観・ファッション用途の選択肢にもなります。

体心格子構造

この体心格子は、ユニットセルサイズ10mm、トラス幅2mmです。弾性率は0.07MPaです。

座屈応答： 体心格子構造は伸び応答を示し、単位変位あたりの力が完全圧密まで増加し続けます。単純立方格子と比較して弾性率ははるかに低く、プラトー応力はありません。

エネルギー散逸： ケルビンユニットと同様に、体心格子は弾性変形でエネルギーを蓄え、力が除去されるとバネのように元の形状に戻ります。

用途： 高ひずみ弾性応答を持つため、静的圧縮下にある製品でのフォーム代替に適しています。セル中心に向かう傾斜ストラットにより、応答が均一で一貫しています。

体心立方（BCC）格子構造

体心立方（BCC）格子は、体心格子と単純立方格子を単一構造で組み合わせたものです。ユニットセルサイズ7.5mm、トラス幅1mmです。弾性率は0.23MPaで、上記の単純立方格子と体心立方格子より高くなっています。

座屈応答： BCC格子は2タイプの3Dプリント格子を組み合わせるため、その応答は両者の組み合わせです。この格子は単純立方格子のように座屈し、プラトー応力（0.12MPa）を持ちますが、座屈後の挙動はより安定しています。

エネルギー散逸： BCC格子は弾性応答と座屈応答の両方を組み合わせるため、特定用途に合わせてエネルギー蓄積と散逸を調整可能です。

用途： BCC格子は、調整可能な弾性と座屈応答が有益な用途に特に有用です。また、単純立方格子で見られる純粋な座屈より安定した応答でエネルギー散逸が必要な製品にも適しています。

Fast Radiusで新しいことを可能にする

上記で紹介した4つの構造は、エラストマー3D格子構造設計で可能なことのほんの一部に過ぎません。詳細はケーススタディをご覧ください。RawlingsやSteelcaseのような企業が、3Dプリント格子構造を用いて如何に革新的な新製品を創造したかを紹介しています。あなた自身の3Dプリントプロジェクトを始める準備ができたら、今すぐお問い合わせください。次のプロジェクトを実現しましょう。

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