16

あいち産業科学技術総合センター

研究報告2023

研 究 ノート

パ ラメ トリッ クモ デリン グ による 積 層 造 形 とその 機 能梅 田 隼 史 *1 、 杉 山 儀 *1


A d diti ve M an u fac tu r in g with Par a me tr ic M odelin g an d its Fu n c tion sJunji UMEDA *1 and Tadashi SUGIYAMA *1
Research Support Department * 1
 昆虫や甲殻類等の外骨格に存在する自然由来の 3 次元周期構造を基にした構造を、パラメトリックモデ
リ ン グ に よ り 設 計 し 、 CAD モ デ ル を 作 成 し た 。 そ の 際 、 設 計 者 の 意 図 す る 条 件 を 変 数 と し て 設 定 し て お
くことで、変数の入力値変更により類似形状を容易に生成することが可能であった。設計したモデルから、積 層 造 形 装 置 に よ り 圧 縮 試 験 用 の 造 形 物 (試 験 体 )を 作 製 し 、 万 能 試 験 機 に よ り 圧 縮 試 験 を 行 っ た 結 果 、 パ
ラメータ変更により作製した試験体は異なる圧縮特性を示すことがわかった。

1. はじめに

McNeel & Associates) お よ び そ の プ ラ グ イ ン で あ る 近年、積層造形技術は、従来の除去加工や変形加工でGrasshopper により設計した。Grasshopper では、設は実現が困難な、複雑形状の製品を製造できる新たなも計者のアルゴリズムに沿ってプログラムを視覚的に構築のづくり技術として注目されている。これまでは製品のしていくことができる。その際、設計者の意図する条件

剛性や強度などの機械特性は、材料により固定されるこを変数パラメータとして設定しておくことで、変数の値とが前提であったが、積層造形技術により、製品内部やを変更するだけで類似形状を容易に作成できるパラメト一部にユニークな構造を意図的に配置することで、機械リックモデリングが可能である。設計したモデルを粉末特性を大きく調整することや必要強度を維持しながら製床溶融結合型積層造形装置 sPro60 HD-HS(3D Systems)品の軽量化を図るなどといったことが可能となる。

を用いて造形した。

 ラティス構造のように、ある単位構造が 3 次元に周期 造形した試験体は、万能試験機 AGX-50kNVD((株)島的に並んだ形状はデジタルデザインとの相性が良く、か津製作所)を用いて圧縮特性を評価した。上部圧盤は球つ積層造形装置により製造が可能であるため、製品内部座式、下部圧盤は固定式を用いた。試験中に試験体が滑に配置して軽量化を図る目的や、製品に柔軟性を付与することを防ぐため、下部のみ圧盤と試験体の間を両面テる目的などのためにこのような構造が実用され始めていープで固定した。クロスヘッド速度は 10mm/min とし、る。

試験は N=2 で実施した。

 自然界に存在する生物や鉱物等には 3 次元周期構造に基づく高度に効率化された組織や構造が存在することが3 . 実験結 果 及び考 察 

よく知られている。これらは、エネルギー最小化といっ

3 . 1 自 然 由 来 構 造 の パ ラ メト リ ッ ク モデ リ ン グ

た原則や、長年の進化や淘汰の過程で形成されたもので

 昆虫等の外骨格を構成するクチクラには積層材型と呼ある。本研究では、そのような自然界に存在する 3 次元ばれる積層構造があることが知られている 1)。クチクラ

周期構造に倣ったモデルを 3D CAD により設計し、積内薄層では繊維が平行に並んだ層が、前の薄層に対して層造形装置による造形を実施した。設計の際はパラメト繊維方向を回転させながら積層されている。クチクラのリックモデリングという手法により、特定の項目をパラ構造はマイクロメートルスケールであるが、本研究ではメータ(数値変数)化し、設計者の意図によりそのパラメそれに倣った構造を積層造形可能なミリメートルスケーータを容易に変更できる設計とした。さらにその造形物

ルにスケールアップし、繊維ではなく半径 1mm の丸棒の圧縮試験を実施し、圧縮時の機械特性を調査した。

を積み重ねたモデルとして Grasshopper によりパラメ
図 1 に Grasshopper
トリックモデリングを実施した。図

2 . 実験方 法 によるモデル設計画面を示す。図中左下のように、本研 CAD モ デ ル は 、 3D CAD ソ フ ト Rhino6(Robert究では積層回転角を変数として設定した。これにより、*1 共同研究支援部

試作評価室

17
入力数値を変更することで容易に積層回転角を変えたモ

図 3)。積層し、粉末床溶融結合法により造形を行った(図図 2 に示す 0°、デルを生成することが可能となり、今回は図造形装置を用いることで設計モデル通りの造形物を得る

15°、45°、90°の 4 種類のモデル作成を行った。変数をことができた。

設定したパラメトリックモデリングとすることで、この3. 3 試験体の圧 縮特 性の評 価ような派生モデルを容易に生成することが可能となる。

図 1 Grasshopper による設計画面
図 4 造形物の圧縮試験結果
積層回転角(a)0°、(b)15°、(c)45°、(d)90°
 積層回転角を 0°、15°、45°、90°として設計・造形した 4 種類の造形物を試験体として万能試験機により圧縮試験を行い、その圧縮時の特性を評価した。圧縮試験結
図 4 に示す。4 種類の試験体について、それぞれ果を図N=2 で圧縮試験を実施し、図中の実線と破線はそれぞれ同形状試験体における圧縮試験の 1 回目、2 回目の結果を示している。回転角 0°の試験体は試験の早い段階
図 2 積層回転角を変化させた 4 種類の CAD モデル(a)0°、(b)15°、(c)45°、(d)90°

で横倒れ、または座屈により試験力が低下した。回転角45°および 90°の試験体は試験のばらつきの範囲が比較的大きく、明確な違いは見られなかったが、いずれも時3 . 2 積 層 造 形 によ る 試 験 体 の 作 製間(変位)とともに試験力が増加した。回転角 15°の試験



体は、回転角 45°および 90°の試験体と同様に時間とともに試験力が増加したが、比較的低い試験力で推移した。
これらの結果から、積層回転角により圧縮特性が変化することがわかった。

4 . 結び 自然由来構造の 3 次元周期構造をパラメトリックモデリングすることで、類似モデルを容易に生成できる設計が可能となった。作成した CAD モデルを積層造形することで、設計通りの 3 次元周期構造を持ち、圧縮試験が可能な試験体を造形することが可能であった。設計時に積層回転角を変数として設定し、それを変化させた造形物(試験体)は異なる圧縮特性を有することがわかった。
今後、シミュレーション等を活用した詳細な解析および、部品軽量化や衝撃吸収材料等への活用可能性を検討する。
図 3 積層造形により作製した 4 種類の造形物
積層回転角(a)0°、(b)15°、(c)45°、(d)90°
 作成した CAD モデルは円柱状に切り出し、STL ファイルに変換することで積層造形可能なデータファイルと文献1) 岡本秀穂: 高分子, 36(12), 836(1987)