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連続的内部構造変調による機能構造体の光造形

鈴木, 博祐 東京大学 DOI:10.15083/0002004576

2022.06.22

概要

本研究の目的は,理想的な機能構造体の実現である.なお本研究の成果である新規AMデータ処理プロセス,新規構造定義については,特許申請済みである.

機能構造体とは,内部構造や表面構造により,中実構造では本来有することのない機能を持つ構造体である.例えば骨や樹木は,高度に最適設計された内部構造を持つ極めて優れた機能構造体であり,近年研究が盛んなメタマテリアルも機能構造体である.

近年注目を浴びているAdditive Manufacturing (AM,3Dprinting)技術を活用すれば,既存の製造プロセスでは実現困難な,複雑な内部構造を持つ構造体が実現可能である.これは,旧来,造形不可能とされていた,より微細な領域に対する設計行為によるマクロスコピックな物性制御が可能になったことを意味する.つまり骨のように,環境に対し,剛性や柔軟性が最適化された微細な構造を持つ,機能構造体の設計・実現も可能となり,新たな設計思想でのマクロスコピックな物性の制御が行える可能性を有している.即ち,既存のプロセスでは実現し得なかった革新的な機能構造体を実現できる可能性がある.

しかしながら,AMによって造形の自由度は大きく拡大したが,その自由度を活かす設計手法は確立していない.例えば,ユニットセルを周期配置する構造定義を用いた設計では,ユニットセル毎に物性が離散化され,またユニットセル間の接続面が不連続になるため,骨のように,異なる物性を持つ構造を連続的に接続させた構造を実現することは困難である.つまり,微細な内部構造から,大きな外形まで,全設計領域で任意に設計可能なマルチスケールな構造定義手法の確立が肝要である.加えて,微細な内部構造を有する三次元構造体についてAM造形やシミュレーションを行う場合,構造体の微細化に伴って,データ量や計算コストが指数関数的に増加する問題が挙げられる.これらは微細な内部構造設計によるマクロスコピックな物性制御を行う上で大きな課題である.

本研究では,理想的な機能構造体の実現のために,新規AMデータ処理プロセスと新規構造定義を提案し,提案手法の有用性を実証した.

骨の構造は階層的な多孔質構造となっており,内部構造が約100μm,外形スケールが10〜100cm程度である.内部構造スケールと外形スケールの比を微細度と定義すると,骨の微細度は103~4といえる.また骨の内部構造は,局所的に異なる空孔の空隙率,空孔径,異方性を持っていながら,内部構造全体としては連続的に接続された構造となっている,本研究ではこのような構造を非周期的異方性多孔質構造と呼ぶ.即ち,理想的な機能構造体の実現を目的とし,少なくとも骨を超える機能を有する機能構造体であるためには,微細度103~4以上の非周期的異方性多孔質構造である必要がある.しかしながら,そのような構造体の実現のためには
1.構造体の高微細度化が従来のAMデータ処理プロセスでは困難
2.マルチスケールな非周期的異方性多孔質構造体の構造定義の不在
という2つの課題が存在する.

本研究では,これらの課題を新規AMデータ処理プロセス,新規構造定義を確立することで解決した.

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