[論文レビュー] 3D printable multimaterial cellular auxetics with tunable stiffness

Krishna Kumar Saxena, Raj Das+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2017

Cellular and Composite StructuresEngineering参考文献 11被引用数 22

ひとこと要約

本論文では、ユニットセル内の材料配分を制御することにより、調整可能な剛性を示す3Dプリンティング可能なマルチマテリアル多孔質アUXETIC構造を提示する。有限要素解析を用いて、複数材料設計による剛性勾配の導入が機械的特性の正確なチューニングを可能にし、カスタマイズ可能な衝撃吸収デバイスへの応用を可能にすることを著者らが示している。

ABSTRACT

Auxetic materials are a novel class of mechanical metamaterials which exhibit an interesting property of negative Poisson ratio by virtue of their architecture rather than composition. It has been well established that a wide range of negative Poisson ratio can be obtained by varying the geometry and architecture of the cellular materials. However, the limited range of stiffness values obtained from a given geometry restricts their applications. Research trials have revealed that multi-material cellular designs have the capability to generate range of stiffness values as per the requirement of application. With the advancements in 3D printing, multi-material cellular designs can be realized in practice. In this work, multi-material cellular designs are investigated using finite element method. It was observed that introduction of material gradient/distribution in the cell provides a means to tune cellular stiffness as per the specific requirement. These results will aid in the design of wearable auxetic impact protection devices which rely on stiffness gradients and variable auxeticity.

研究の動機と目的

• 3Dプリンティング可能なセルラー型アUXETIC構造を、調整可能な機械的剛性を有するように開発すること。
• 単一材料のアUXETIC材料に比べて限られた剛性範囲を克服するため、マルチマテリアル設計を用いること。
• ウェアラブル型衝撃吸収デバイスにおけるアプリケーション固有の機械的性能を可能にすること。
• 材料配分が剛性およびアUXETIC挙動に与える影響を、有限要素モデルを用いて調査すること。
• アディティブマニュファクチャリング技術を用いたこのような構造の製造可能性を実証すること。

提案手法

• マルチマテリアルセルラー型アUXETICユニットセルの機械的応答をシミュレートするために、有限要素法（FEM）が用いられる。
• 高・低弾性率材料の体積分率を変化させることで、ユニットセル内に材料勾配を導入する。
• 再入口型または類似再入口型のセルラー構造を採用することで、負のポisson比（アUXETIC挙動）を示すように幾何形状が設計される。
• シミュレーションでは、異なる材料配分設定における剛性およびポisson比の評価が行われる。
• 3Dプリント適合性を最適化し、マルチマテリアルアディティブマニュファクチャリングを用いた製造可能性を確保する。
• パラメトリックスタディを実施し、材料配分と機械的出力の相関関係を調査する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マルチマテリアルセルラー型アUXETIC構造は、単一材料の対比において、より広い剛性値の範囲を達成できるか？
• RQ2 高・低弾性率材料の空間的分布が、セルラー構造の有効剛性にどのように影響するか？
• RQ3 剛性をチューニングする過程で、アUXETIC挙動（負のポisson比）はどの程度維持されるか？
• RQ4 3Dプリンティングは、提案されたマルチマテリアルセルラー型アUXETIC設計を、制御された機械的勾配を有する形で実現できるか？
• RQ5 材料勾配と、その結果生じるアUXETICセルラー構造の機械的性能との関係は何か？

主な発見

• セルラー型ユニットセル内に材料勾配を導入することで、広範囲の剛性値に対する効果的なチューニングが可能になる。
• 有限要素解析の結果、高・低弾性率材料の分布を調整することにより、剛性を正確に制御できることを確認した。
• 負のポisson比として特徴づけられるアUXETIC挙動は、さまざまな材料配分設定においても維持されている。
• 提案された設計は3Dプリンティングに適しており、複雑な機能的勾配を持つセルラー構造の製造が可能である。
• 本研究では、単一材料の類似構造に比べて、マルチマテリアルセルラー型アUXETIC構造が優れた機械的チューニング性を示すことを実証した。
• 結果から、アプリケーション固有の剛性およびエネルギー吸収特性を有するウェアラブル型衝撃吸収デバイスの開発が支援される。