3D 格子構造:設計要素と機械的応答

格子構造は、接続すると 3 次元形状を形成するパターンの繰り返しです。アディティブ マニュファクチャリングのコンテキストでは、コンプライアントな格子構造は、デザイナーが 3D プリント技術を利用して以前は「作ることができなかった」形状や部品を作成するため、エキサイティングな製品設計の可能性を切り開きます。 3D プリントされた格子構造は、エラストマーで作られている場合、非常に変形しやすく、その機械的特性により、幅広い応答に合わせて調整でき、さまざまな業界で使用されます。

ただし、準拠した 3D ラティス構造を設計するには、適切なソフトウェア ツールは言うまでもなく、製造に関する専門知識が必要です。 Fast Radius では、さまざまな製品や用途向けに 3D プリントされた格子構造を設計およびテストしてきました。コンピューター シミュレーションを使用して、さまざまな格子構造とその機械的特性を分類する大規模なデータ ライブラリを作成しました。

製造プロジェクトに適したタイプの 3D 格子構造を探している場合、さまざまな設計要素が完成品の機械的応答にどのように影響するかを理解することが重要です。そのことを念頭に置いて、プロジェクトのアディティブ マニュファクチャリングの可能性を探るのに役立つように、主要な 3D 格子設計要素の短いガイドと、ライブラリから選択された適合格子構造の 4 つの例をまとめました。

エラストマー 3D 格子構造の主要な設計要素

エラストマー 3D 格子構造プロジェクトでは、通常、次の 4 つの設計要素の一部またはすべてが考慮されます。

• 形状: ラティスのジオメトリは、コンポーネントの物理的なサイズと形状、およびそれらのパターンがパーツの構造全体にどのように配置されているかを表します。それらが繰り返される場合、格子構造内の単一の単位は単位セルとしてまとめて知られています。これは、格子構造が自然界に見られる細胞および結晶構造に触発されている方法を参照しています。
• 剛性/係数: 格子の剛性、または弾性率は、その構造を変形させるために必要な力を指します。弾性係数は通常、格子応答が完全に弾性である場合の小さな変形に対して定義されます。
• バックリング応答: 座屈応答は、格子構造が生じる方法を表し、格子要素が変形する際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、座屈は必ずしも望ましい特徴ではありません。
• エネルギー消費: 格子構造のエネルギー散逸とは、変形中にエネルギーを吸収する能力を指します。

3D プリントされた格子構造の例

単純な立方体の 3D 格子構造

この単純立方格子の単位セル サイズは 7.5 mm、トラス幅は 2 mm です。弾性率は 0.72 MPa です。

バックリング応答: 単純立方格子のこの構造は、座屈不安定性を示します。約 0.05 のひずみの後、弾性率は 25 kPa の応力プラトーで一定です。追加の変形はモジュラスを増加させません.

エネルギー散逸: 単純な立方格子には非弾性的な座屈動作があり、負荷がかかっているときと負荷がかかっていないときに異なる応答を生成します。非弾性的な挙動は、エネルギー散逸を含む多くの目的に使用できます。

アプリケーション: この単純な立方格子の座屈応答は、個人保護用途や敏感なコンポーネントのシールドに適した力のしきい値を生成します。この格子タイプは、アセンブリ内のコンポーネント間の隙間を埋めるのにも効果的です.

ケルビン セルの 3D ラティス構造

このケルビン セル格子の単位セル サイズは 10 mm、トラス幅は 2 mm です。弾性率は 0.44 MPa です。

バックリング応答: 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、力に応じて梁が伸びます。ケルビン セル格子にはプラトーがなく、完全に圧縮されるまで単純な弾性剛性で連続的に圧縮されます。

エネルギー散逸: ケルビン セル ラティスは、弾性変形によってエネルギーを蓄え、力が取り除かれると、バネのように元の形状にすばやく戻ります。

アプリケーション: ケルビン セル ラティスは、シート クッションやボディ パッドなどの静的圧縮下にある製品のフォーム代替品として適しています。複雑な六角形のセルを持つケルビン セル ラティスは視覚的に非常に印象的で、審美的およびファッション アプリケーションのオプションとなっています。

身体中心の 3D ラティス構造

この体心格子の単位セル サイズは 10 mm、トラス幅は 2 mm です。弾性率は 0.07 MPa です。

バックリング応答: Body-Centered ラティス構造にはストレッチ応答があります。つまり、完全に圧縮されるまで、単位変位あたりの力が増加します。そのモジュラスは単純な立方格子に比べてはるかに低く、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によってエネルギーを蓄え、力が取り除かれるとバネのように元の形状に戻ります。

アプリケーション: Body-Centered ラティスは、その高いひずみ弾性応答により、静的圧縮下の製品のフォームの代替品として適しています。セルの中心に向けて角度を付けたストラットは、その反応を均一で一貫性のあるものにします。

体心立方 (BCC) 3D ラティス構造

体心立方 (BCC) ラティスは、体心立方格子とシンプル キュービック ラティスを 1 つの構造に組み合わせたものです。この格子の単位セル サイズは 7.5 mm、トラス幅は 1 mm です。モジュラスは 0.23 MPa です。これは、上記の単純立方格子および体心立方格子よりも高くなっています。

バックリング応答: BCC ラティスは 2 種類の 3D プリント ラティスを組み合わせているため、その応答は両方の組み合わせになります。この格子は、プラトー応力 (0.12 MPa) を持つ単純な立方格子のように座屈しますが、座屈後の動作はより安定しています。

エネルギー散逸: BCC ラティスは弾性応答と座屈応答の両方を組み合わせているため、特定の用途に合わせてエネルギーの貯蔵と消散を調整することができます。

アプリケーション: BCC 格子は、調整された弾性および座屈応答から恩恵を受けるアプリケーションに特に役立ちます。また、製品が単純立方格子で見られる純粋な座屈よりも安定した応答でエネルギー散逸を必要とする場合にもうまく機能します。

Fast Radius で新しいことを可能にする

上で強調した 4 つの構造は、エラストマーの 3D 格子構造設計で可能なことのほんの一部にすぎません。詳細については、ケース スタディを調べて、Rawlings や Steelcase などの企業が 3D プリントされた格子構造を使用して革新的な新製品をどのように作成したかを調べてください。独自の 3D プリント プロジェクトを開始する準備ができている場合は、今すぐご連絡いただき、次のプロジェクトを可能にしてください。

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