3Dプリンティングと伝統産業の格子構造
1. 格子構造特性とエネルギー吸収能
1)格子材料の最も重要な特性の1つは、圧縮中に機械的エネルギーを吸収または放散する能力によって特徴付けられるエネルギー吸収能力である。ピラミッド格子、3次元カゴメ格子、四面体格子、ダイヤモンド格子などの格子構造のほとんどは、アスペクト比や単位セルサイズなどの幾何学的パラメータを変更することで、非常に優れたエネルギー吸収性能を達成できることが確認されています。
2)格子構造を持つ設計可能なサンドイッチパネルは、優れたエネルギー吸収特性を有することも示されている。幾何学的パラメータに加えて、エネルギー吸収性能は、傾斜構造、金属発泡体充填構造、多層構造、および異なる単位セル構造などの複雑な構造によっても調整することができ、これらは、単一の格子構造よりもエネルギー吸収において効率的であることが示されている。
3)機械的特性またはエネルギー吸収能を向上させる方法は、支柱をつなぐ節点構造を改質することである。圧縮荷重または衝撃荷重を受けると、応力集中が通常発生します。この方法は比較的簡単ですが、金属格子構造のエネルギー吸収能を向上させることができます
2. 従来型プロセスと3Dプリンティングの格子構造の比較
従来のプロセスで金属格子構造を製造するには、スタンピング、押出ボンディングワイヤ切断、膨張シート折り畳み、インベストメント鋳造など、いくつかの技術があります。鋳造に加えて、これらの技術は、格子構造を形成するために支柱を組み立てるために接合または溶接技術を使用しなければならない。加工中、接合部は気泡やマイクロクラックなどの欠陥に敏感であることが多く、格子構造の全体的な機械的特性が弱まります。インベストメント鋳造技術の場合、電解槽の構成は、技術自体の限界のために複雑になりすぎることはありません。
ラティスには、従来の設計技術では再現がほとんど不可能な部品や製品を設計する際に非常に便利なユニークな特性がいくつかあります。研究によると、ポリグレイン構造は単一の標準格子オブジェクトよりも最大7倍強く、3D印刷のみが達成できる特定の形状を再配置するための大きな強度差があります。他の製造方法ではこれらの構造を生成できないことが判明しました。
3. 3Dプリントされた格子構造を選ぶ理由
1)材料使用量の削減
設計で格子を使用すると、重要でない領域の材料の大部分を除去することで、使用される材料の量を大幅に削減できます。
2)軽量
材料使用量の削減により、重量が削減されます。多くのアプリケーションでは、部品またはアセンブリの重量は通常、可能な限り軽くなります。部品の作成に使用される材料が少ないほど、価格は低くなります
3)エネルギー吸収
格子構造は、エネルギーを吸収するのに有益な多くの特性を有する。異なる領域の密度、さらには細胞型を変えることで、設計は異なる方向のエネルギーを効率的に吸収することができます。複雑な格子タイプは、現代の積層造形樹脂のさまざまな特性を活用しながら、複数の方向にエネルギーを分散させて衝撃力を吸収することができます。
4)表面積を増やす
一部のアプリケーションでは、機械的強度よりも表面積を最大化することに重点を置いています。例えば、熱伝達または化学反応が主な標的であり得る。格子構造は、全体的なフットプリントを増やすことなく、部品により多くの表面を与えるため、ここで便利です。
5) オッセオインテグレーション
これは、骨の成長を促進するために医療用インプラントに格子構造を作成する方法を指す。結果として生じるインプラントは、患者自身の骨構造とより強い結合を形成する。
4. 格子構造タイプ
格子はすべて単位セルに基づいています。これは、全体を形成するために多方向に繰り返される繰り返し単位である。格子タイプは、その特性に基づいてカテゴリに分類されます
1) TPMS格子
三重周期最小サーフェス(TPMS)格子は、三角方程式を使用して単位セルが生成されたときに作成されます。
2)ストラット格子
支柱の格子は、相互接続されたビームで構成され、セルによって定義されたさまざまなパターンで接続されています。柱は立方体要素の頂点、エッジ、面によって接続でき、これらの接続点の異なる組み合わせは異なるタイプになります。
3) 平面格子
平面格子は最も単純なタイプの格子で、2D 単位セルを 3D に押し出すときに作成されます。平面格子の最も一般的なタイプは、ハニカム構造である。
3D印刷の格子構造は、この問題に対する理想的な解決策です。精密に設計された格子構造、事実上無制限のマトリックス材料、最適化された特性を持ち、多くの産業規模の技術によって製造できるため、自動車、医療、スポーツ用品、熱交換器、消費者製品の重要な用途での使用に最適です。
