[論文レビュー] An Origami-Inspired Design of Highly Efficient Cellular Cushion Materials

Ahmed S. Dalaq, Shadi Khazaaleh+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2023

Advanced Materials and Mechanics被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、Kreslingパターンに基づく折り紙にインspiredされた細胞構造のクッション素材を提案する。この設計により、制御された折りたたみと粘弾性ダンピングによって、エネルギー吸収効率（約70％）とエネルギー散逸（94％）が実現される。この素材は完全な形状回復、損傷耐性、および高度な製造技術による機械的応答のチューニングを可能にし、永久変形や力の変動を示す従来のフォームベースの素材の限界を克服する。

ABSTRACT

Current architectured cellular cushion materials rely mainly on damage and/or unpredictable collapse of their unit cells to absorb and dissipate energy under impact. This prevents shape recovery and produces undesirable force fluctuations that limit reusability and reduce energy absorption efficiency. Here, we propose to combine advanced manufacturing technologies with Origami principles to create a new class of architectured cellular viscoelastic cushion material which combines low weight and high energy absorption efficiency with damage resistance and full behavior customization. Each unit cell in the proposed material is inspired by the Kresling Origami topology, which absorbs impact energy by gracefully folding the different interfaces forming the cell to create axial and rotational motions. A large part of the absorbed energy is then dissipated through viscoelasticity and friction between the interfaces. The result is a nearly ideal cushion material exhibiting high energy absorbing efficiency (around 70%) combined with high energy dissipation (94% of the absorbed energy). The material is also tunable for optimal performance, reliable despite successive impact events, and achieves full shape recovery.

研究の動機と目的

• 従来の細胞構造クッション素材が、不可逆的損傷に依存し、衝撃時に力の変動を示すという限界を是正すること。
• 高エネルギー吸収効率と損傷耐性を備えた軽量で再利用可能なクッション素材を開発すること。
• 折り紙の原則と高度な製造技術を活用し、衝撃下でチューナブルで予測可能かつ繰り返し可能な機械的挙動を実現すること。
• 軸方向および回転変形を組み合わせ、粘弾性ダンピングを有することで、優れたエネルギー散逸を実現する素材の開発。
• 複数回の衝撃イベント後でも完全な形状回復を可能にし、再利用性と性能の一貫性を向上させること。

提案手法

• ユニットセルは、圧縮時に制御された折りたたみを可能にするKresling折り紙トポロジーに基づいて設計され、軸方向および回転運動を生成する。
• 幾何形状の正確性と再現性を確保するため、高度な製造技術（例：3Dプリンティング）を用いて材料を製造する。
• Abaqusを用いた有限要素モデルが、3次元の並進・回転および面内・面外変形を考慮した準静的挙動をシミュレートする。
• 数値的アーティファクトを回避し、安定したシミュレーションを確保するため、交互に配置された接合部での回転を制限し、倒れ込みを防止する。
• F-δ曲線を生成するために、0.15 mm/sの変位速度でInstron 5960マシンを用いた一軸準静的試験を実施する。
• 衝撃試験では、20 kHzのサンプリングレートでレーザーおよび力センサーを用いた自由落下インパクト装置を用い、力-時間、変位-時間、力-変位応答を測定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 折り紙にインspiredされた細胞構造素材は、衝撃後に完全な形状回復を維持しつつ、高いエネルギー吸収効率を達成できるか？
• RQ2 Kreslingトポロジーは、軸方向および回転変形を組み合わせることで、どのように制御された折りたたみとエネルギー散逸を実現するか？
• RQ3 幾何学的および材料的パrameterを用いることで、クッション素材の機械的応答をどの程度チューニングできるか？
• RQ4 永久的損傷が生じない状況下で、粘弾性および界面摩擦はエネルギー散逸にどのように寄与するか？
• RQ5 素材は複数回の衝撃イベントに耐えられ、性能劣化を示さず、回復挙動はいかなるものか？

主な発見

• 提案された素材は、エネルギー吸収効率が約70％に達し、従来のフォームベースの素材を著しく上回る。
• 吸収エネルギーの94％が粘弾性および摩擦によって散逸され、残留エネルギーと力の変動を最小限に抑える。
• 衝撃後、完全な形状回復を示し、性能劣化なしに再利用可能である。
• F-δ曲線は、エネルギー散逸が完全に終了するまでの力の過渡的上昇が最小限であり、密度化の兆候も認められないため、理想的なクッション特性を示している。
• 有限要素モデルは機械的挙動を正確に予測しており、設計およびシミュレーションアプローチの妥当性を裏付けている。
• 衝撃試験により、複数サイクルにわたり一貫した性能が確認され、信頼性の高い力応答と迅速な回復が得られた。