積層造形（3Dプリンティング）には、どのようなラティス（格子）構造が適しているのでしょうか。また、ラティス構造の種類を正しく選ぶことは、なぜ重要なのでしょうか。積層造形の利点の1つは、精密で細かな形状を作成できることです。この利点を活かして、部品にラティス構造やセル構造を加えることで、従来の製造方法では実現できなかった性能を部品に持たせることができるようになります。
ここでは、積層造形エンジニアがラティス構造に関して使用する用語について説明します。
積層造形技術を用いたラティス構造とは？
ラティス構造とは、3D空間における繰り返し単位セル要素からなる中間スケールの設計要素と定義されています。積層造形を利用することで、ラティス構造には多くの利点があります。物体の質量を減らし、使用材料を削減することが可能になります。また、セル構造は物体の強度を増すこともできます。この概念は、コルク、ウニ、ハニカム構造、海綿骨など、自然界の構造にも見られます。
軽量かつ強固な設計であるラティス構造は、製造コスト、燃料使用量、材料廃棄物を削減します。さらに、最適化された構造を目指す中で、当初見られた製造上の課題を克服しつつ、さまざまな利点が得られるようになっています。
一般的な3つのラティス構造
ラティス構造は、部品の物理的特性を形作るために利用されるため、あらゆる産業で非常に重要です。積層造形向けのラティス構造には3つの種類があります。これらは、目的の特性に応じて使い分けられます。
最も一般的な3つのラティス構造は以下の通りです。
- 表面ベースのラティス：三角関数の式から生成されるラティス構造。式を修正することで、3D構造の形状、サイズ、密度を制御できます。
- ストラットラティス：棒状の形状がさまざまな方向で接続されている構造で、異なる単位セルを形成します。
- 平面ベースのラティス：2D平面に周期的なパターンを作成し、それを1つの方向に押し出して3D構造を作る構造です。
3種類の異なるラティス構造の例。左側は表面ベースのラティス構造（特にTPMS構造）、中央はストラットベースのラティス構造、右側は平面または2.5Dのラティス構造
1.表面ベースのラティス構造
表面ベースのラティス構造のひとつに、三重周期最小曲面（TPMS: Triply Periodic Minimal Surfaces）があります。TPMS構造は数式を用いて定義されます。有名な例として、上図（左）に示されているジャイロイドラティス構造があります。ジャイロイド構造は次の数式で定義されます。sin(x)cos(y) + sin(y)cos(z) + sin(z)cos(x)=0
TPMS構造
表面ベースのラティス構造のひとつ、TPMS構造には2つの異なる形態があり、シート型とスケルトンベース型の表面ラティス構造として知られています。それぞれのTPMSラティス構造は、Altair Sulis内で「ダブルスキン」チェックボックスを切り替えることで形態を変更できます。
シート型とスケルトン型のTPMSラティス構造は、それぞれ異なる用途に利用します。例えば、スケルトン型ラティス構造はバイオスキャフォールド（生体足場）として使用されることが多く、一方でシート型TPMS構造は高い表面積対体積比を持つため、熱管理用途に最適です。
2種類のTPMSジャイロイドラティス構造。左側のラティス構造はスケルトン型、右側はジャイロイド構造のシート型
数式を修正することで、さまざまな構造を作成できます。長年にわたり、研究者や数学者はこの形式に基づいて多くの異なる構造を導き出してきました。
Altair Sulisで作成されたさまざまなTPMSジャイロイド構造の例。これらの構造は、三角関数を操作することで作成できます
2.ストラットベースのラティス構造
次に紹介するラティス構造ファミリーは、ストラットベースのラティス構造です。これらは、棒状の形状をさまざまな向きで接続することで、異なる単位セルを形成する構造です。
以下は、Sulisを使用して作成されたこれらの構造の例です。
さまざまな単位セルタイプを持つストラットベースのラティス構造の例
棒の接続方法は、ラティス構造の機械的特性に大きな影響を与える可能性があります。伝統的に、ストラットベースのラティス構造は最も一般的なラティス構造として使われてきました。しかし、ストラットベースのラティス構造を正確に設計することが難しい場合もあります。
周期的ラティス構造と確率的ラティス構造
棒の接続方法に基づいて、ストラットベースのラティス構造をさらに分類できます。部品全体にわたって同じ単位セルが繰り返されているラティス構造は「周期的ラティス構造」と呼ばれます。一方、単位セルが全体の構造にランダムに接続されている場合は「確率的ラティス構造」と呼ばれます。
確率的ラティス構造は、人体の骨の特性に近い設計が可能であるため、バイオメディカル分野でよく使用されます。この構造は、体内で骨構造を再接続するのに非常に優れています。
周期的ラティス構造と確率的ラティス構造
左は、同じ単位セルが繰り返される均一な周期的ラティス構造。右は、ストラットの方向や構造にランダム性が組み込まれた確率的ラティス構造
3.平面ベースのラティス構造
中間スケールの設計要素である3D空間の繰り返し単位セル要素の最後のカテゴリは、平面ベースのラティス構造です。2Dまたは2.5Dラティス構造と呼ばれることもあります。この構造は、2D平面上に周期的なパターンを作成し、それを1つの方向に押し出すことで3D構造を作り出します。以下がその例です。
平面ベースのラティス構造の例
平面ベースのラティス構造は、材料の使用量を最小限に抑える設計において非常に有用です。これは、積層造形の設計における4つの重要な原則の1つです。この構造は、大量の材料を要する部分で使用することで、部品の質量とプリントに必要な材料を削減できます。
平面ベースのラティス構造は最もシンプルなタイプであり、通常は従来のCADソフトウェアを使用してBREP（境界表現）モデルとして作成できますし、複雑な形状の場合は、Sulisを使って作成できます。このチュートリアルでは、Altair Sulisを使った様々なラティス構造の設計について学べます。
ラティス構造はすべて均一？
これまでに、さまざまなラティス構造の基本的な用語についてご紹介しましたが、まだ知っておくべき重要な用語がいくつかあります。まず、部品全体にわたってラティス構造が均一であるか、変化しているかを記述する必要があるため、それを説明する「均質ラティス構造」と「異質ラティス構造」という用語を紹介します。
均質ラティス構造
均質ラティス構造は、部品全体でラティスの特性が均一である構造を指します。一方で、異質ラティス構造では、ラティスの特性の1つ以上が変化しています。変更を選択できる一般的な特性としては、単位セルの密度、壁の厚さ、サイズなどが挙げられます。
均質および不均質なラティス構造の例
不均質なラティス構造
不均質なラティスは、部品の特定の領域で格子の特性を調整できるため有用です。例えば、格子の密度は有限要素解析（FEA）によって決定できます。部品の応力が高い領域では、格子の密度を増加させることで、その位置の強度を高めることができます。
順応ラティス
この投稿で紹介する最後のラティスの種類は順応ラティスです。ラティスは設計空間内で均一であるか、部品の形状に順応するように設定できます。順応ラティスは部品の輪郭に沿って設計されることがあり、これにより格子はより魅力的に見えるだけでなく、部品の境界での応力集中を減少させることができます。
TPMS（三重周期最小曲面）構造は、立方体構造内で円筒座標系を使用して作成されます。座標参照フレームを操作することで、興味深い形状を作成でき、これがさまざまな用途に役立つ場合があります。この例は、ヒートシンクの設計に使用されることがあります
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*本ブログは、米国本社のブログ記事「Types of Lattices for Additive Manufacturing – Terms Engineers Need to Know」を翻訳したものです。
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