3D格子構造：高度な積層造形における設計原則と力学的挙動

公開日：2022年5月3日

元記事はfastradius.comで2022年5月3日に公開

格子構造とは、複雑な三次元幾何学を形成する周期的なフレームワークです。積層造形において、コンプライアント（柔軟性を持つ）格子は、これまで実現不可能だった形状の製作を可能にし、エンジニアに前例のない設計の自由度をもたらします。

エラストマーで造形されたこれらの格子は、驚くべき変形能力を示します。アーキテクチャを調整することで、設計者は剛性、座屈挙動、エネルギー吸収を細かく制御し、幅広い産業の要求に応えることができます。

コンプライアントな3D格子の作成には、製造の専門知識と高度な設計ツールの両方が必要です。SyBridgeでは、複数の製品カテゴリにわたるエラストマー格子の包括的なライブラリを設計・検証し、構造と力学性能の相関を示す膨大なシミュレーションデータで裏付けています。

適切な格子アーキテクチャを選択するには、各設計変数が部品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。以下のガイドでは、重要な設計要素を整理し、カタログから代表的な4種類の格子を紹介します。

エラストマー3D格子構造の主要設計要素

エラストマー格子プロジェクトでは、通常以下のコア要素を評価します：

• 幾何学： ストラットとノードの空間配置（ユニットセルのサイズ、形状、全体のトポロジーを含む）が、荷重経路と変形モードを直接支配します。
• 剛性／弾性率： 小さな弾性変形域で定義され、所定のひずみを生じさせるために必要な力を示します。荷重支持用途では極めて重要です。
• 座屈応答： 圧縮荷重下で格子要素が座屈する傾向により、構造が弾性的に振る舞うか、応力プラトーを示すか、あるいは漸進的に崩壊するかが決まります。
• エネルギー散逸： 荷重・除荷サイクルで機械的エネルギーを吸収・散逸する能力により、特定の格子は衝撃緩和や振動隔離に最適です。

3Dプリント格子構造の代表的なタイプ

単純立方格子

ユニットセル7.5mm、トラス幅2mmで、弾性率は0.72MPaです。

座屈応答： 明確な座屈不安定性を示し、ひずみ約0.05以降で応力が25kPaのプラトーに達し、それ以上の変形では弾性率が上昇しません。

エネルギー散逸： 非弾性的な座屈挙動によりヒステリシスループを生成するため、衝撃吸収を必要とする用途に適しています。

用途： 個人用防護具やセンシティブなコンポーネントを守る犠牲層として最適。アセンブリ内のコンポーネント間隙を埋める充填材としても機能します。

ケルビンセル格子

ユニットセルサイズ10mm、トラス幅2mm、弾性率0.44MPa。

座屈応答： 明確なプラトーはなく、ビームが完全に圧密されるまで弾性的に伸長し、滑らかな圧縮曲線を示します。

エネルギー散逸： エネルギーを弾性的に蓄え、速やかに元の形状に戻るため、レジリエントなスプリングのように振る舞います。

用途： シートクッションやボディパッドなどの静的圧縮製品におけるフォーム代替材として適しており、六方最密充填に近い幾何学はファッション性の高いデザインにも魅力的です。

体心格子

ユニットセルサイズ10mm、トラス幅2mm、弾性率0.07MPa。

座屈応答： 完全圧密まで変位あたりの力が増大する漸進的な伸長挙動を示し、応力プラトーは観測されません。

エネルギー散逸： ケルビンユニットと同様にスプリングのように振る舞い、荷重後に形状復帰します。

用途： 高ひずみ・弾性的応答により、静的圧縮用フォーム代替材として最適。傾斜ストラットが均一な力学性能をもたらします。

体心立方（BCC）格子

体心格子と単純立方格子のトポロジーを組み合わせたハイブリッド構造で、ユニットセル7.5mm、トラス幅1mm。弾性率は0.23MPaで、単純立方および体心格子単独よりも高くなります。

座屈応答： 単純立方成分から座屈特性を受け継ぎ、0.12MPaでプラトーを示しますが、座屈後の挙動はより安定的です。

エネルギー散逸： 弾性モードと座屈モードを融合させることで、エネルギー蓄積と放出を特定用途向けに精密にチューニング可能です。

用途： 弾性的レジリエンスと制御されたエネルギー散逸の組み合わせを必要とする製品に最適。純粋な座屈格子よりも予測可能な応答を提供します。

SyBridgeで新たな可能性を切り拓く

以上の4つの格子は、エラストマー3D格子設計が実現できることのほんの一部に過ぎません。3Dプリントプロジェクトを開始する準備ができたら、今すぐご連絡ください。次のプロジェクトを成功に導きます。