衝撃吸収のためのアーキテクテッド・マテリアル：完全ガイド
アーキテクテッド・マテリアルとアディティブ・マニュファクチャリングは、衝撃吸収を管理するための新しい扉を開きます。適切なツールと設計手法により、崩壊を最大限に制御しましょう。
nTopology
September 21, 2022
衝撃が吸収されるときは、何かが破壊されるときでもあります。たいていはヘルメットのような保護構造物か、もしくはヘルメットによって保護されている繊細な物体（例えば、人の体や頭）のどちらかとなってしまいます。幸いなことに、前者についてはエンジニアがある程度の影響力を持ち、構造物の変形を調整することで衝撃エネルギーを吸収・軽減することができます。
このような設計制御のレベルは、アディティブ・マニュファクチャリングなどの技術によって急速に拡大しています。特にアーキテクテッド・マテリアルは、この変形能力とその結果生じるエネルギー吸収能力を調整し、最適化するための広大な設計空間を提供します。この記事では、衝撃保護用に設計された素材を最適化するのに役立つ、いくつかの設計原則を探っていきます。
衝撃吸収のためのアーキテクテッド・マテリアルに関する詳細のプレゼンテーション。
アーキテクテッド・マテリアルとは？
アーキテクテッド・マテリアルは、機械的、熱的、電磁気的、あるいは生物学的な性能特性を調整した高度な構造物です。自然界に存在しない組み合わせでも、空間的または時間的に変化させることができるプログラムを可能な特性を持つことができます。
アディティブ・マニュファクチャリングと組み合わせた場合、アーキテクテッド・マテリアルは高度な製品設計の新たな可能性を切り開きます。そこには衝撃吸収用の3Dプリントフォームであったり骨の成長を促進する多孔質構造、さらにはソフトロボットからエキゾチックなメタマテリアルまで、あらゆるものが含まれます。
アーキテクテッド・マテリアルの応用例
アーキテクテッド・マテリアルは、航空、自動車、バイオメカニクスなど、さまざまな産業や用途において多くの潜在的用途があります。
アーキテクテッド・マテリアルは大量の力学的エネルギーを吸収できるため、衝突安全性やエネルギーの保存・拡散が重要視される用途に適しています。例えばラティス構造は、梱包用やヘルメットなどの保護具に常用されています。
アーキテクテッド・マテリアルはまた、再生医療においても高い期待が寄せられています。構造体内部の孔や溝によって、再生に不可欠な血液や栄養素を拡散させることができるのです。さらに、高いポロシティと表面積／体積比は、成長因子を生体材料の体積中に配置するための必要条件を提供します。
設計された材料の目的ごとに、特定の材料特性の設計は、秩序パターン、確率的パターン、クローズドセル、またはオープンセルでアプローチすることができます。例えばクローズドセルアプローチの場合セル内に空気が存在することが多く、この空気がクッション効果を生み出すため、衝撃吸収に関する目的には有効となるでしょう。
アーキテクテッド・マテリアルの製造
この10年間で、製造・加工方法は大きく進歩しました。これらの開発により、様々なアディティブ・マニュファクチャリング手法で、アーキテクテッド・マテリアルの複雑な構造を製造することが可能になりました。
- 光造形（ステレオリソグラフィー、SLA）、デジタルライトプロセッシング（DLP）、その他のバット光重合プロセスのバリエーションは、材料を追加して複雑な構造体を構築する最も柔軟な方法の一つである。
- 溶融積層造形法（FDM）などの押し出しベースの製造プロセスも、低～中程度の複雑さのアーキテクテッド・マテリアルを低コストで製造するのに適している。
- 選択的レーザー焼結（SLS）、マルチジェット融合（MJF）、選択的レーザー溶融（SLM）、電子ビーム溶融（EBM）などの高分子・金属粉末床融合技術も、高性能な人工材料の作製に用いられている。
これらの方法はそれぞれ長所と短所がありますが、いずれも高品質なアーキテクテッド・マテリアルを製造する可能性を秘めています。今後も技術の進化に伴い、さらに多くの手法が開発されることが予想され、設計者は革新的な製品を生み出すための多くの選択肢を手に入れることができます。
アーキテクテッド・マテリアルの特性
アーキテクテッド・マテリアルでは、プリントできるジオメトリや素材の組み合わせが無限にあるため、設計上の課題はすぐクリアできてしまうでしょう。以下に示す有名なAshbyチャート図は有名ですが、アーキテクテッド・マテリアルの目的をよく表しています。
この図は、発泡体、木材、プラスチック、複雑な合金など、エンジニアが利用できるあらゆる材料を表しています。アーキテクテッド・マテリアルの目的は、この図の空白部分を埋めることです。例えば、木材で印刷することはできませんが、木材の特性を模倣する必要があるとします。アーキテクテッド・マテリアルを使えば、木材の特性を再現しつつ別の素材でプリントすることができるのです。
自然界は常に、その目的をサポートするために材料を最適化する新しい方法を見つけ出しています。この最適化には時間がかかりますが、自然は多機能設計に非常に効果的です。例えば、骨、木、ハニカムなどです。これらの素材は、構造的な利点だけでなく、流体の貯蔵や移動を容易にする効果もあります。この特性の組み合わせは、建築用材料の究極の目標である「より少ないものでより多くのことを行う」ことを最もよく表しており、多くの場合、複数の機能を導入することによって実現されています。
異方性の特性：流れに沿うように
異方性とは、異なる方向から測定したときに異なる値を持つ物理的特性を持つ物体や材料のことです。このような異方性材料の最適化は、一般に等方性材料（異なる方向から測定しても同じ値を持つ物理特性）を考慮するトポロジー最適化などの従来のツールでは困難でした。
木材や繊維複合材に木目や偏りがあり、その結果として方向性が生じるように、アーキテクテッド・マテリアルにも等方性があることは非常に稀です。木材の場合、木目に沿って配向した場合と逆らって配向した場合の圧縮強度には大きな差が出ることがあります。繊維複合材料は、繊維層を戦略的に配向させることで、面内の特性をコントロールすることが可能です。しかし、面外荷重がかかると剥離しやすくなるため、面外荷重がかからないように構造全体を設計する必要があります。
しかし、アディティブ・マニュファクチャリングによるラティスは、製造プロセス、設計ツール、そしてあなたの想像力によって、方向性をカスタマイズできる究極の可能性を持っています。
一つのユニットセルがその材料特性を思い通りに変化させるだけでなく部品全体を空間的に変化させることで、各々の仕様に合わせた局所的なカスタマイズを行うことができます。その可能性は無限大です。では、何から始めればいいのでしょうか？
衝撃吸収のためのラティス設計
3Dで自由に材料特性をチューニングできるため、用途に合わせて材料特性を設計することができます。ラティスの中に十分な単位セルがあれば、その構造を新しい材料として扱うことができます。以下の図は、これをユニットセルレベルで視覚的に表現したものです。グレーは製造する物理的な単位セルで、色のついた形状はその方向性のある材料特性を示しています。
この設計プロセスでは、材料に準静的荷重がかかることを想定しています。しかし、衝撃条件下では、材料の特性が変化する可能性があります。多くの基材はひずみ速度に敏感で、負荷速度によって異なる特性を示す。
製品を設計する際、3Dプリント可能な材料をすでにいくつか選んでいると思います。それによって、その材料アーキテクチャをベースにした設計に集中させることができます。同じような考えで、温度範囲も選択されていることでしょう。アーキテクチャに主眼を置くことで比較対象が明確になり、予想以上の結果を得られるのです。
エネルギー散逸のタイプ
衝撃吸収のための格子を設計する場合、エネルギーの散逸を考慮する必要があります。例えば、アメフト選手がヘルメットをかぶって他の選手と衝突した場合を考えてみましょう。その衝撃のエネルギーは、ヘルメットか保護されている物体（この場合、アメフト選手の頭）を通して放散されることになります。
こうした構造物は一般的に、エネルギーを吸収するために、弾性的に（衝撃を吸収して元に戻る）あるいは塑性的に（変形したまま、一度だけ使用するのに適している）変形するものです。後者は、衝突時に塑性変形する自動車によく見られる現象です。
どんなに軽いラティスでもニュートンの運動法則からは逃れられません。建築資材の支柱や要素はすべて慣性を持ち、力が作用しない限り静止したままです。このような構造では材料が複雑に配置されているため、力や衝撃が伝わるバネのような迷路ができているようなものです。
ケンブリッジ大学の研究者であるCalladine氏とEnglish氏は、これらの効果を、構造物の材料特性とトポロジー特性にそれぞれ関連する「ひずみ速度効果」と「慣性効果」として初めて説明しました。
上図の2種類の構造物について、力ー変位とエネルギーー変位（つまり積分）の応答に注目してください。
- タイプIIは、出だしは強く早期にエネルギーを吸収するが、構造が座屈し、崩壊するにつれて急速に軟化する。
- タイプIは、最初は弱いが、倒れるまでこの安定したプラトーを維持する。
Calladine氏とEnglish氏は、検体に重いウエイトを落としました。同じエネルギーを加えた場合、湾曲したタイプIの方がよじれたタイプIIよりも大きく潰れ、直線的な壁を持つタイプIIの方が衝撃荷重に対する慣性抵抗が大きくなっているのがわかります。この理由はわりと直感的なことで、一般に荷重の方向と並んだ材料が多いほど、それを押しつぶすための方向転換（または慣性）質量が多くなります。
衝撃吸収＆AMラティス構造
下図に示すように、これらの理論は積層造形材料にも適用されます。適切なユニットセルを用いれば、この材料を荷重方向に合わせることで、タイプIやタイプIIの挙動の度合いを自由に変化させることができます。
慣性感度は、衝撃条件下で構造体が異なる性能を発揮することを意味します。実際、強度、エネルギー吸収、さらには変形メカニズムも、準静的圧縮と比較して大きく変化する可能性があります。
しかし、先にも述べたように、動的な世界での予測においても準静的応答は意外と有効な手段なのです。荷重-たわみ応答は構造物がタイプ I かタイプ II か、また、ひずみ速度効果か慣性効果か、どちらが支配的になるかを予測するためによく使われます。
多くの場合、硬くて強いユニットセル構造では、より慣性に敏感な構造を見つけることができます。より柔らかく、よりフォーム状的な構成では慣性があまり考慮されず、材料のひずみ速度感度がより考慮されるかもしれません。もちろん、この挙動も異方性となります。
下の画像を見ると、それがアーキテクテッド・マテリアルにも及び、同じ構造物でも異なる場合があることがおわかりいただけるでしょう。
何から始めるべきか
保護構造物の設計には、物理的な要因（材料のひずみ速度感度、衝撃サイクルの繰り返しによる疲労、オフアングルの脅威に対する保護、鈍的衝撃対貫通抵抗など）から人的要因（ヘルメットの装着、環境条件、あるいは装着しているかどうか）まで、非常に多くの要因が絡んでいます。
しかしながら、適切なツールを装備すればアーキテクテッド・マテリアルにおける異方性と慣性感度を実質的に制御し、その特性を部品設計に活かすことができるのです。この2つの要素を理解することで、残りの部分を最適化するための土台を築くことができます。
衝撃吸収のための設計を行う場合、まず次のような項目を考慮するところから始めてください。
- どれだけのエネルギーを吸収する必要があるのか？
- 保護するものの応力限界は？
- これを静的に実現するのに最適なユニットセルはどれか？
- どのように動的に変化するのか？
- 素材は重要であるか？
最後に、アーキテクテッド・マテリアルを使用した設計は、最適化するために多くのイテレーションが必要であるという現実を受け止め、覚悟を決めることです。ただこれは幸いなことに、最新の高度なエンジニアリング設計ソフトウェアでは、最大限の制御で無限のイテレーションと最適化が容易に行えます。
キーポイント
- アーキテクテッド・マテリアルは、機械的、熱的、電磁気的、あるいは生物学的な性能特性を調整した高度な構造物である。
- アディティブ・マニュファクチャリングによるラティスは、製造プロセス、設計ツール、そしてあなたの想像力があれば、方向性カスタマイズの可能性を秘めた究極の存在である。
- アディティブ・マニュファクチャリングは、アーキテクテッド・マテリアルの可能性を解き放ちますが、その反面この新たに発見された複雑さを管理するためには、適切な設計ソフトウェアが必要となる。
- nTopology は、エンジニアリングによる特性を持つ複雑なラティス構造を生成、制御、および微調整するためのツールを提供する。