image description
English version

竹澤晃弘

広島大学大学院工学研究科
輸送・環境システム専攻
准教授



Design for Additive Manufacturing: 高熱伝導・高剛性金属ラティス構造


トポロジー最適化は対象構造の最適化問題をある領域における材料分布問題に置き換えることで,トポロジー(位相,穴の数)を含めた抜本的な構造変更が可能な構造最適化法です.非常に自由度が高く高性能な解が導出できる反面,得られる最適形状が複雑で,一般的な加工方法では最適解をそのまま作れないという課題がありました.しかし,近年技術発達が著しい3Dプリンタを使えば複雑な形状でもそのまま造型できてしまいます.

大阪大学の小泉雄一郎先生に最適グリッパをチタン合金で造型頂いた例です.もちろんびくともしません.

また,近年の装置性能向上により,金属でかなりの微細スケールでの造型が可能になっています.そこで当研究室では,3Dプリンタで造型するラティス構造(ポーラス材料)の開発を行っております.次の材料はレーザー積層造型タイプの金属3Dプリンタで造型した,熱伝導及び剛性を最適化した金属ポーラス材料の例です.

熱伝導率を最大化したラティス構造の最適解と試験片.

剛性(体積弾性率)を最大化したラティス構造の最適解と試験片.

次の材料は電子ビーム造形向けに粉抜き穴を大きくとりました.強度は上の写真のものに劣りますが,どの方向からの荷重に対しても等しい剛性と強度を有する等方的ラティスです.

等方的な剛性と強度を有するラティス構造の最適解と試験片.

関連文献:


A. Takezawa, M. Kobashi, Y. Koizumi, M. Kitamura, Porous metal produced by selective laser melting with effective isotropic thermal conductivity close to the Hashin-Shtrikman bound, Int. J. Heat. Mass. Tran., 105 (2017) 564-572. [STL files]
A. Takezawa, Y. Koizumi, M. Kobashi, High-stiffness and strength porous maraging steel via topology optimization and selective laser melting, Addit. Manuf. , 18 (2017) 194-202. [STL files]
A. Takezawa, K. Yonekura, Y. Koizumi, X. Zhang, M. Kitamura, Isotropic Ti-6Al-4V lattice via topology optimization and electron beam melting, Addit. Manufact., 22 (2018) 634-642.