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JP7785288B2 - Impact absorbing member and manufacturing method thereof - Google Patents
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JP7785288B2 - Impact absorbing member and manufacturing method thereof - Google Patents

Impact absorbing member and manufacturing method thereof

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JP7785288B2 JP2022016569A JP2022016569A JP7785288B2 JP 7785288 B2 JP7785288 B2 JP 7785288B2 JP 2022016569 A JP2022016569 A JP 2022016569A JP 2022016569 A JP2022016569 A JP 2022016569A JP 7785288 B2 JP7785288 B2 JP 7785288B2
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Description

本発明は、衝撃吸収部材及びその製造方法に関する。 The present invention relates to an impact absorbing member and a manufacturing method thereof.

衝撃吸収部材は様々な用途に用いられている。例えば、宇宙開発では、探査機を着陸時の衝撃から守るための衝撃吸収部材の開発が重要課題となっている。また、従来、自動車等の車両においては、乗員の保護対策のために様々な衝撃吸収部材が用いられている。 Shock-absorbing materials are used for a variety of purposes. For example, in space development, the development of shock-absorbing materials to protect probes from impacts during landing is an important issue. Furthermore, various shock-absorbing materials have traditionally been used in automobiles and other vehicles to protect passengers.

現在、多くの衝撃吸収部材は1次元または2次元の衝撃吸収部材である(例えば、特許文献1~3参照)。しかし、落下衝撃時に姿勢が変わる場合など3次元的に衝撃方向が特定しない場合では、それらを衝撃吸収材として用いるのは好ましくなく、また、重力天体への着陸ミッションでは起伏の大きな着地面にも対応できるように、3次元的な衝撃吸収特性を有する部材の使用が望ましい。 Currently, most shock-absorbing materials are one-dimensional or two-dimensional (see, for example, Patent Documents 1 to 3). However, in cases where the impact direction cannot be determined three-dimensionally, such as when the attitude changes during a drop impact, it is not desirable to use them as shock-absorbing materials. Furthermore, for landing missions on gravitational celestial bodies, it is desirable to use materials with three-dimensional shock-absorbing properties so that they can also accommodate landing surfaces with large undulations.

特開2021-099116号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2021-099116 特開2021-098464号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2021-098464 特開2021-085462号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2021-085462 特開2021-070206号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2021-070206 特開2019-157916号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2019-157916

従来、3次元吸収特性を持つ部材として、発泡材(例えば、特許文献4参照。)やラティス構造体(以下、「規則ラティス構造体」という。例えば、特許文献5参照。)が知られている。発泡材は比較的良好な衝撃吸収特性を示すが、気孔率を高くするにつれて空孔のサイズや分布の制御が難しくなり、特性の制御も難しくなる。また、規則ラティス構造体は規則的または周期的なユニットセルの繰り返し構造であり、セルのサイズや分布の制御は容易だが、その規則性や周期性に依存した圧縮変形異方性を有する。しかし、衝撃方向が特定しない場合において、圧縮変形特性は等方的であることが望まれる。 Conventionally, foam materials (see, for example, Patent Document 4) and lattice structures (hereinafter referred to as "regular lattice structures"; see, for example, Patent Document 5) are known as materials with three-dimensional absorption properties. Foam materials exhibit relatively good impact absorption properties, but as the porosity increases, it becomes more difficult to control the size and distribution of the pores, making control of the properties more difficult. Furthermore, regular lattice structures have a repeating structure of regular or periodic unit cells, and while it is easy to control the cell size and distribution, they exhibit anisotropic compressive deformation that depends on this regularity and periodicity. However, when the impact direction is not specified, it is desirable for the compressive deformation properties to be isotropic.

本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、従来より等方的な圧縮変形特性を有する衝撃吸収部材及びその製造方法を提供する。 The present invention was made in consideration of the above circumstances, and provides an impact absorbing component with more isotropic compressive deformation characteristics than conventional components, as well as a method for manufacturing the same.

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。 To solve the above problems, the present invention provides the following means.

本発明の第1態様に係る衝撃吸収部材は、不規則ラティス構造を有する。 The shock-absorbing member according to the first aspect of the present invention has an irregular lattice structure.

上記態様に係る前記衝撃吸収部材は、不規則ラティス構造の各セルが凸包であってもよい。 In the impact absorbing member according to the above aspect, each cell of the irregular lattice structure may be a convex hull.

上記態様に係る前記衝撃吸収部材は、下記式(1)で表されるCV値が0.05~0.35の範囲の体積分布のセルを有してもよい;
ここで、vmeanは衝撃吸収部材を構成するセルの平均体積、Ncellは衝撃吸収部材を構成するセルの総数である。
The impact absorbing member according to the above aspect may have cells with a volume distribution in which the CV value represented by the following formula (1) is in the range of 0.05 to 0.35:
Here, v mean is the average volume of the cells that make up the impact absorbing member, and Ncell is the total number of cells that make up the impact absorbing member.

上記態様に係る前記衝撃吸収部材は、エネルギー吸収量の異方性が10%以下であってもよい。 The impact absorbing member according to the above aspect may have an anisotropy of energy absorption of 10% or less.

本発明の第2態様に係る衝撃吸収部材の製造方法は、不規則ラティス構造を有する衝撃吸収部材の製造方法であって、前記衝撃吸収部材の3次元構造体データを作成する構造体データ作成工程と、前記3次元構造体データに基づいて衝撃吸収部材を造形する造形工程と、を有し、前記構造体データ作成工程は、所定の規則ラティス構造の3次元ボロノイ分割法における母点配置に対して変位を与えることによって不規則ラティス構造を作成する。 A second aspect of the present invention relates to a method for manufacturing an impact absorbing member having an irregular lattice structure, and includes a structure data creation process for creating three-dimensional structure data for the impact absorbing member, and a modeling process for modeling the impact absorbing member based on the three-dimensional structure data. The structure data creation process creates the irregular lattice structure by applying displacements to the arrangement of generating points in the three-dimensional Voronoi tessellation method of a predetermined regular lattice structure.

上記態様に係る前記衝撃吸収部材の製造方法は、前記変位を、下記式(1)で表されるCV値が所定の値になるように決定してもよい;
ここで、vmeanは衝撃吸収部材を構成するセルの平均体積、Ncellは衝撃吸収部材を構成するセルの総数である。
In the method for manufacturing the impact absorbing member according to the above aspect, the displacement may be determined so that a CV value expressed by the following formula (1) becomes a predetermined value:
Here, v mean is the average volume of the cells that make up the impact absorbing member, and Ncell is the total number of cells that make up the impact absorbing member.

本発明によれば、従来より等方的な圧縮変形特性を有する衝撃吸収部材を提供できる。 The present invention provides an impact absorbing component with more isotropic compressive deformation characteristics than conventional components.

ボロノイ分割法を説明するための図である。 規則ラティス構造のユニットセルを示す模式図であり、(a)はボロノイ分割法における母点配置をBCC配置として得られたものであり、(b)は母点配置をFCC配置として得られたものであり、(c)は母点配置をHCP配置として得られたものである。 VG値とCV値との関係を示すグラフである。 規則ラティス構造から成る円柱サンプルの投影図であり、(a)は、図2(aで示したユニットセルを〔001〕方向にユニットセルを積層していった円柱サンプルであり、(b)は、図2(a)で示したユニットセルを〔101〕方向にユニットセルを積層していった円柱サンプルであり、(c)は、図2(a)で示したユニットセルを〔111〕方向にユニットセルを積層していった円柱サンプルであり、(d)は、図2(b)で示したユニットセルを〔001〕方向にユニットセルを積層していった円柱サンプルであり、(e)は、図2(b)で示したユニットセルを〔101〕方向にユニットセルを積層していった円柱サンプルであり、(f)は、図2(b)で示したユニットセルを〔111〕方向にユニットセルを積層していった円柱サンプルであり、(g)は、図2(c)で示したユニットセルを〔0001〕方向にユニットセルを積層していった円柱サンプルであり、(h)は、図2(c)で示したユニットセルを にユニットセルを積層していった円柱サンプルである。
不規則ラティス構造から成る円柱サンプルの投影図であり、(a)はBCC配置に3次元的な変位を与えてボロノイ分割し、円柱軸方向とBCC〔001〕方向が一致し、CV値が0.10となる円柱サンプルであり、(b)はBCC配置に3次元的な変位を与えてボロノイ分割し、円柱軸方向とBCC〔001〕方向が一致し、CV値が0.21となる円柱サンプルであり、(c)はBCC配置に3次元的な変位を与えてボロノイ分割し、円柱軸方向とBCC〔001〕方向が一致し、CV値が0.34となる円柱サンプルであり、(d)はBCC配置に3次元的な変位を与えてボロノイ分割し、円柱軸方向とBCC〔001〕方向が一致し、CV値が0.39となる円柱サンプルであり、(e)はFCC配置に3次元的な変位を与えてボロノイ分割し、円柱軸方向とFCC〔001〕方向が一致し、CV値が0.13となる円柱サンプルであり、(f)はFCC配置に3次元的な変位を与えてボロノイ分割し、円柱軸方向とFCC〔001〕方向が一致し、CV値が0.27となる円柱サンプルである。 不規則ラティス構造から成る円柱サンプルの投影図であり、(g)はFCC配置に3次元的な変位を与えてボロノイ分割し、円柱軸方向とFCC〔001〕方向が一致し、CV値が0.37となる円柱サンプルであり、(h)はFCC配置に3次元的な変位を与えてボロノイ分割し、円柱軸方向とFCC〔001〕方向が一致し、CV値が0.41となる円柱サンプルであり、(i)はHCP配置に3次元的な変位を与えてボロノイ分割し、円柱軸方向とHCP〔0001〕方向が一致し、CV値が0.09となる円柱サンプルであり、(j)はHCP配置に3次元的な変位を与えてボロノイ分割し、円柱軸方向とHCP〔0001〕方向が一致し、CV値が0.20となる円柱サンプルであり、(k)はHCP配置に3次元的な変位を与えてボロノイ分割し、円柱軸方向とHCP〔0001〕方向が一致し、CV値が0.33となる円柱サンプルであり、(l)はHCP配置に3次元的な変位を与えてボロノイ分割し、円柱軸方向とHCP〔0001〕方向が一致し、CV値が0.38となる円柱サンプルである。 圧縮試験で用いた構成を示す断面模式図である。 図3(a)~(c)に示した規則ラティス構造の円柱サンプルおよび図4(a)~(l)に示した不規則ラティス構造の円柱サンプルを含む構造について得た50%ひずみまでのエネルギー吸収量を示すグラフである。(a)はBCC配置をベースの母点とした規則・不規則ラティス構造の平均エネルギー吸収を示し、(b)はFCC配置をベースの母点とした規則・不規則ラティス構造の平均エネルギー吸収を示し、(c)はHCP配置をベースの母点とした規則・不規則ラティス構造の平均エネルギー吸収を示し、(d)は規則・不規則ラティス構造におけるエネルギー吸収の異方性を示す。
FIG. 1 is a diagram illustrating the Voronoi division method. 1A and 1B are schematic diagrams showing unit cells of a regular lattice structure, in which (a) is obtained when the kernel point arrangement in the Voronoi tessellation method is a BCC arrangement, (b) is obtained when the kernel point arrangement is an FCC arrangement, and (c) is obtained when the kernel point arrangement is an HCP arrangement. 1 is a graph showing the relationship between VG value and CV value. 2(a) is a projection view of a cylindrical sample having a regular lattice structure, in which (a) is a cylindrical sample obtained by stacking the unit cells shown in FIG. 2(a) in the [001] direction, (b) is a cylindrical sample obtained by stacking the unit cells shown in FIG. 2(a) in the [101] direction, (c) is a cylindrical sample obtained by stacking the unit cells shown in FIG. 2(a) in the [111] direction, and (d) is a cylindrical sample obtained by stacking the unit cells shown in FIG. 2(b) in the [001] direction. ] direction, (e) is a cylindrical sample in which the unit cells shown in FIG. 2(b) are stacked in the [101] direction, (f) is a cylindrical sample in which the unit cells shown in FIG. 2(b) are stacked in the [111] direction, (g) is a cylindrical sample in which the unit cells shown in FIG. 2(c) are stacked in the [0001] direction, and (h) is a cylindrical sample in which the unit cells shown in FIG. 2(c) are stacked in the [0001] direction. This is a cylindrical sample in which unit cells are stacked.
10. (b) is a cylindrical sample obtained by applying a three-dimensional displacement to the BCC arrangement and Voronoi division, where the cylinder axis direction and the BCC [001] direction coincide with each other, resulting in a CV value of 0.21; and (c) is a cylindrical sample obtained by applying a three-dimensional displacement to the BCC arrangement and Voronoi division, where the cylinder axis direction and the BCC [001] direction coincide with each other, resulting in a CV value of 0.3. (d) is a cylindrical sample obtained by applying a three-dimensional displacement to the BCC arrangement and performing Voronoi triangulation, so that the cylinder axis direction coincides with the BCC [001] direction and the CV value is 0.39; (e) is a cylindrical sample obtained by applying a three-dimensional displacement to the FCC arrangement and performing Voronoi triangulation, so that the cylinder axis direction coincides with the FCC [001] direction and the CV value is 0.13; and (f) is a cylindrical sample obtained by applying a three-dimensional displacement to the FCC arrangement and performing Voronoi triangulation, so that the cylinder axis direction coincides with the FCC [001] direction and the CV value is 0.27. These are projections of cylindrical samples consisting of an irregular lattice structure. (g) is a cylindrical sample obtained by applying a three-dimensional displacement to the FCC arrangement and performing Voronoi division, where the cylindrical axis direction coincides with the FCC [001] direction and the CV value is 0.37. (h) is a cylindrical sample obtained by applying a three-dimensional displacement to the FCC arrangement and performing Voronoi division, where the cylindrical axis direction coincides with the FCC [001] direction and the CV value is 0.41. (i) is a cylindrical sample obtained by applying a three-dimensional displacement to the HCP arrangement and performing Voronoi division, where the cylindrical axis direction coincides with the HCP [0001] direction and the CV value is 0.09. (j) is a cylindrical sample obtained by applying a three-dimensional displacement to the HCP arrangement and performing Voronoi division, so that the cylindrical axis direction and the HCP [0001] direction coincide with each other, and the CV value is 0.20; (k) is a cylindrical sample obtained by applying a three-dimensional displacement to the HCP arrangement and performing Voronoi division, so that the cylindrical axis direction and the HCP [0001] direction coincide with each other, and the CV value is 0.33; and (l) is a cylindrical sample obtained by applying a three-dimensional displacement to the HCP arrangement and performing Voronoi division, so that the cylindrical axis direction and the HCP [0001] direction coincide with each other, and the CV value is 0.38. FIG. 1 is a cross-sectional schematic diagram showing a configuration used in a compression test. 4(a)-(l) are graphs showing the energy absorption up to 50% strain obtained for structures including the cylindrical samples of the regular lattice structure shown in Figures 3(a)-(c) and the cylindrical samples of the irregular lattice structure shown in Figures 4(a)-(l). (a) shows the average energy absorption of the regular and irregular lattice structures based on the BCC configuration, (b) shows the average energy absorption of the regular and irregular lattice structures based on the FCC configuration, (c) shows the average energy absorption of the regular and irregular lattice structures based on the HCP configuration, and (d) shows the anisotropy of the energy absorption in the regular and irregular lattice structures.

以下、本発明を適用した実施形態に係る衝撃吸収部材及びその製造方法について図面を用いて詳細に説明する。 The following describes in detail, with reference to the drawings, an impact absorbing member and a manufacturing method thereof according to an embodiment of the present invention.

(衝撃吸収部材)
本実施形態に係る衝撃吸収部材は、不規則ラティス構造を有する。
ここで、本明細書において、規則的な「ラティス(lattice)構造」(以下、「規則ラティス構造」という。)とは、周期的なユニットセルの繰り返し構造をいう。このユニットセルは中実のものではなく、内部に気孔あるいは隙間を有するものである。
これに対して、本明細書において「不規則ラティス構造」とは、所定の規則ラティス構造に対して、そのユニットセルの形状及び体積の少なくとも一方が同じではないセルが含まれている構造をいう。「不規則ラティス構造」は例えば、3次元ボロノイ(Voronoi)分割法を用いて設計した規則ラティス構造に対して、そのユニットセルの形状及び体積の少なくとも一方が同じではないセルが含めることによって作製することができる。
(shock absorbing member)
The impact absorbing member according to this embodiment has an irregular lattice structure.
In this specification, a regular "lattice structure" (hereinafter referred to as a "regular lattice structure") refers to a structure in which unit cells are periodically repeated. These unit cells are not solid, but have pores or gaps inside.
In contrast, the term "irregular lattice structure" used in this specification refers to a structure in which cells whose unit cells are different in at least one of the shape and volume are included in a given regular lattice structure. For example, an "irregular lattice structure" can be created by including cells whose unit cells are different in at least one of the shape and volume in a regular lattice structure designed using the three-dimensional Voronoi tessellation method.

ここで、ボロノイ分割法とは、要素の代表点(母点)を任意の空間位置に設定し、すべての分割線がその両側の母点から等距離になるように分割する方法である。ボロノイ分割法によって得られた図をボロノイ図という。 Here, the Voronoi tessellation method is a method in which the representative point (kernel point) of an element is set at an arbitrary spatial position, and the element is divided so that all division lines are equidistant from the kernel point on both sides. The diagram obtained by the Voronoi tessellation method is called a Voronoi diagram.

図1に示す平面のボロノイ図を使ってボロノイ分割法について具体的に説明する。図1に示す例では、平面上に5個の母点が配置されている。隣接する2個の母点から等距離になるように分割線が引かれている。分割線に囲まれた領域はボロノイ領域をいう。分割線はボロノイ境界という。ボロノイ境界の交点をボロノイ点という。図1に示すボロノイ図では5個のボロノイ領域を有する。一般的なボロノイ図では、母点数とボロノイ領域数とは一致する。 The Voronoi tessellation method will be explained in detail using the Voronoi diagram of a plane shown in Figure 1. In the example shown in Figure 1, five kernel points are placed on a plane. Partition lines are drawn so that they are equidistant from two adjacent kernel points. The area surrounded by the division lines is called a Voronoi region. The division lines are called Voronoi boundaries. The intersections of the Voronoi boundaries are called Voronoi points. The Voronoi diagram shown in Figure 1 has five Voronoi regions. In a typical Voronoi diagram, the number of kernel points and the number of Voronoi regions are the same.

本実施形態に係る衝撃吸収部材は、各セルが凸包であることが好ましい。
ここで、凸包(凸多面体ともいう)とは、全ての辺(稜)における二面角が180°未満であり、かつ自己交差を持たない多面体である。逆に、いずれかの辺における二面角が180°を超える要素を含む多面体を凹多面体と称する。
各セルが凸包(凸多面体)であると、応力集中を生じる要素を含まないセルとなるため、衝撃吸収部材として好ましい。これに対して、凹多面体の場合、二面角が180°を超える要素において応力集中が生じるためセルが破壊しやすく、エネルギー吸収特性が低くなる。
ボロノイ分割法を用いて3次元構造体データを作成すると、ラティス構造の各セルは必ず凸包となる。
In the impact absorbing member according to this embodiment, each cell is preferably a convex hull.
Here, a convex hull (also called a convex polyhedron) is a polyhedron whose dihedral angles on all edges (edges) are less than 180° and which has no self-intersections. Conversely, a polyhedron containing elements whose dihedral angles on any edge exceed 180° is called a concave polyhedron.
When each cell is a convex hull (convex polyhedron), the cells do not contain elements that cause stress concentration, making them preferable for impact absorbing components.In contrast, when each cell is a concave polyhedron, stress concentration occurs in elements with dihedral angles exceeding 180°, making the cells more susceptible to fracture and reducing energy absorption characteristics.
When three-dimensional structure data is created using the Voronoi division method, each cell of the lattice structure is always a convex hull.

本実施形態に係る衝撃吸収部材は、下記式(1)で表されるパラメータCVが0.05~0.35の範囲の体積分布を有することが好ましい。 The impact absorbing member according to this embodiment preferably has a volume distribution in which the parameter CV, expressed by the following formula (1), is in the range of 0.05 to 0.35.


ここで、vmeanは衝撃吸収部材を構成するセルの平均体積、Ncellは衝撃吸収部材を構成するセルの総数である。CVは式(1)の通り、(衝撃吸収部材を構成するセルの体積分布の標準偏差)/(衝撃吸収部材を構成するセルの平均体積)として表されるものであり、セル体積の均一さの程度を示す指標である。CVの値が小さいほど均一さの程度が高く、値が大きいほど均一さの程度が低いことを示す。CVはセル体積分布の変動係数である。

Here, v is the average volume of the cells that make up the impact absorbing member, and N is the total number of cells that make up the impact absorbing member. CV is expressed as (standard deviation of the volume distribution of the cells that make up the impact absorbing member) / (average volume of the cells that make up the impact absorbing member) as in formula (1), and is an index that indicates the degree of uniformity of the cell volume. A smaller CV value indicates a higher degree of uniformity, and a larger CV value indicates a lower degree of uniformity. CV is the coefficient of variation of the cell volume distribution.

規則ラティス構造は構造の制御は容易だが、圧縮特性に異方性がある。圧縮特性の異方性は同じセルを規則的に繰り返す構造(ユニットセル構造)に由来しているため、セルの均一さの程度を低下させて不規則さを導入することで圧縮特性の異方性が低減して、より等方的になる。しかし、ユニットセル構造を制御なく無作為に不規則にすると部材のエネルギー吸収特性を大きく低下させてしまう。そこで、ユニットセル構造が等方性を示す程度に不規則にし、エネルギー吸収特性が下がりすぎない程度の不規則さに抑える必要がある。式(1)で表されるCVが0.05以上、0.35以下の範囲に入るように不規則なセル構造を制御して部材を設計することによって、式(1)で表されるCVが0.05以上、0.35以下の範囲の体積分布を有する不規則ラティス構造を得ることができる。 Regular lattice structures are easy to control, but have anisotropic compression properties. The anisotropy of the compression properties comes from the unit cell structure, which consists of the same cells repeated regularly. Therefore, reducing the uniformity of the cells and introducing irregularity reduces the anisotropy of the compression properties, making them more isotropic. However, making the unit cell structure randomly irregular without control significantly reduces the energy absorption properties of the component. Therefore, it is necessary to make the unit cell structure irregular enough to exhibit isotropy, but not so irregular that the energy absorption properties are excessively reduced. By controlling the irregular cell structure and designing a component so that the CV expressed by equation (1) is in the range of 0.05 to 0.35, an irregular lattice structure with a volume distribution in which the CV expressed by equation (1) is in the range of 0.05 to 0.35 can be obtained.

式(1)で表されるCVは、不規則ラティス構造を構成するセル群のセルの体積分布のみによって規定されるパラメータであり、セル形状のバラつきに拠らないパラメータである。 The CV expressed by equation (1) is a parameter determined only by the volume distribution of the cells in the cell group that makes up the irregular lattice structure, and is not dependent on variations in cell shape.

不規則ラティス構造が、所定の規則ラティス構造のユニットセルを形成するボロノイ分割法における母点に変位を導入して得られた構造体の場合で、CV値が小さいときは、ベースとされた当該ユニットセルあるいは当該所定の規則ラティス構造を特定することができる。
所定の規則ラティス構造のユニットセルは任意にとることができるが、例えば、結晶構造の格子点を母点としたボロノイ分割法によって得られる構造と相似な構造をとることができる。すなわち、三斜晶系、単斜晶系、斜方晶系、正方晶系、立方晶系、六方晶系、三方晶系の結晶構造の格子点を母点としたボロノイ分割法によって得られる構造に相似する構造を規則ラティス構造のユニットセルに用いることができる。具体的には、三斜晶系の結晶構造に属する単純三斜格子、単斜晶系の結晶構造に属する単純単斜格子、底心単斜格子、斜方晶系の結晶構造に属する単純斜方格子、体心斜方格子、底心斜方格子、面心斜方格子、正方晶系の結晶構造に属する単純正方格子、体心正方格子、立方晶系の結晶構造に属する単純立方格子、体心立方格子(BCC)、面心立方格子(FCC)、六方晶系に属する単純六方格子(最密六方格子:HCP)、三方晶系の結晶構造に属する単純三方格子の格子点を母点としたボロノイ分割法によって得られる構造に相似する構造を規則ラティス構造のユニットセルに用いることができる。
In the case where the irregular lattice structure is a structure obtained by introducing displacements into the generating points in the Voronoi tessellation method that forms the unit cells of a specified regular lattice structure, if the CV value is small, the unit cell or the specified regular lattice structure that was used as the base can be identified.
The unit cells of a predetermined regular lattice structure can be any structure, but for example, a structure similar to a structure obtained by Voronoi tessellation using the lattice points of a crystal structure as the generating points can be used. In other words, a structure similar to a structure obtained by Voronoi tessellation using the lattice points of a triclinic, monoclinic, orthorhombic, tetragonal, cubic, hexagonal, or trigonal crystal structure as the generating points can be used for the unit cells of the regular lattice structure. Specifically, structures similar to those obtained by Voronoi tessellation using the lattice points of a simple triclinic lattice belonging to a triclinic crystal structure, a simple monoclinic lattice belonging to a monoclinic crystal structure, a base-centered monoclinic lattice, a simple orthorhombic lattice belonging to an orthorhombic crystal structure, a body-centered orthorhombic lattice, a base-centered orthorhombic lattice, a face-centered orthorhombic lattice, a simple square lattice belonging to a tetragonal crystal structure, a body-centered tetragonal lattice, a simple cubic lattice belonging to a cubic crystal structure, a body-centered cubic lattice (BCC), a face-centered cubic lattice (FCC), a simple hexagonal lattice (hexagonal close-packed lattice: HCP) belonging to a hexagonal crystal structure, or a simple trigonal lattice belonging to a trigonal crystal structure as generating points can be used for the unit cells of the regular lattice structure.

これらの結晶構造のうち、立方晶系、とくにBCCを母点としたボロノイ分割法によって得られる構造は図2に示す切頂八面体構造であり、セル体積に対するセル表面積の比が大きく、その比が球形状の比に近いことにより比較的エネルギー吸収量の異方性が小さいため、立方晶系が好ましい。 Of these crystal structures, the cubic system, particularly the structure obtained by the Voronoi tessellation method using BCC as the generating point, is the truncated octahedron structure shown in Figure 2. The cubic system is preferred because it has a large ratio of cell surface area to cell volume, which is close to that of a spherical shape, resulting in relatively small anisotropy in energy absorption.

本実施形態に係る衝撃吸収部材は、エネルギー吸収量の異方性が10%以下であることが好ましく、5%以下であることがより好ましい。
本明細書において、「エネルギー吸収量の異方性が10%以下である」における“エネルギー吸収量の異方性”とは、衝撃吸収部材の任意の2つの選択された方向のエネルギー吸収量を比べたときに、以下の式(2);
{(大きい方のエネルギー吸収量-小さい方のエネルギー吸収量)/(2つのエネルギー吸収量の平均)}×100(%)・・・(2)
によって評価される値によって当該2つの方向のエネルギー吸収量の違いを求め、 “最大の2つの方向のエネルギー吸収量の違い”を意味するものとする。すなわち、「エネルギー吸収量の異方性が10%以下である」とは、式(2)で表される衝撃吸収部材の任意の2つの選択された方向のエネルギー吸収量の違いのうち、最大のエネルギー吸収量の違いが10%以下であることを意味する。
The impact absorbing member according to this embodiment preferably has an anisotropy of the amount of energy absorption of 10% or less, and more preferably 5% or less.
In this specification, the "anisotropy of energy absorption amount" in "the anisotropy of energy absorption amount is 10% or less" means that, when comparing the energy absorption amounts of the impact absorbing member in any two selected directions, the anisotropy is determined by the following formula (2):
{(larger energy absorption amount - smaller energy absorption amount) / (average of the two energy absorption amounts)} × 100 (%) ... (2)
The difference in the amount of energy absorption in the two directions is calculated using the value evaluated by the formula (2), and the difference in the amount of energy absorption in the two directions is defined as "the maximum difference between the amounts of energy absorption in the two directions." In other words, "the anisotropy of the amount of energy absorption is 10% or less" means that, among the differences in the amounts of energy absorption in any two selected directions of the impact absorbing component expressed by the formula (2), the difference in the maximum amount of energy absorption is 10% or less.

衝撃吸収部材の材料としては、衝撃吸収部材の材料として用いられる公知の材料を用いることができる。3Dプリンターで造形する場合には、各種造形方式で用いることができる材料を採用する。例えば、樹脂、金属などが挙げられる。 The shock-absorbing member can be made from any known material used for shock-absorbing members. When modeling using a 3D printer, materials that can be used in various modeling methods are used. Examples include resin and metal.

樹脂としては例えば、高密度ポリエチレン(HDPE)、低密度ポリエチレン(LDPE)、ポリプロピレン(PP)、ナイロン樹脂(PA)、ポリアセタール(POM)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、液晶ポリマー(LCP)、ポリスチレン(PS)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ABS樹脂、アクリル樹脂(PMMA)、ポリカーボネート(PC)、ポリアリレート(PAR)、変性ポリフェニレンエーテル(PPE)などが挙げられる。 Examples of resins include high-density polyethylene (HDPE), low-density polyethylene (LDPE), polypropylene (PP), nylon resin (PA), polyacetal (POM), polybutylene terephthalate (PBT), polyphenylene sulfide (PPS), polyether ether ketone (PEEK), liquid crystal polymer (LCP), polystyrene (PS), polyvinyl chloride (PVC), ABS resin, acrylic resin (PMMA), polycarbonate (PC), polyarylate (PAR), and modified polyphenylene ether (PPE).

金属としては例えば、アルミニウム、クロム、コバルト、銅、金、鉄、マグネシウム、シリコン、モリブデン、ニッケル、パラジウム、白金、ロジウム、銀、錫、チタン、タングステンおよび亜鉛、ならびにこれらの元素を含む合金などが挙げられる。合金の例には、鋼やステンレスなどが含まれる。これらの金属材料は1種類のみ用いても、2種類以上を組み合わせて用いてもよい。
航空宇宙機部材や自動車部材としては軽量部材であることが望ましく、重量比強度の高いアルミニウム合金やチタン合金、マグネシウム合金が好ましい。また、重量比エネルギー吸収の高い鋼やステンレスも好ましい。
Examples of metals include aluminum, chromium, cobalt, copper, gold, iron, magnesium, silicon, molybdenum, nickel, palladium, platinum, rhodium, silver, tin, titanium, tungsten, and zinc, as well as alloys containing these elements. Examples of alloys include steel and stainless steel. These metal materials may be used alone or in combination of two or more.
Lightweight materials are desirable for aerospace and automotive components, and aluminum alloys, titanium alloys, and magnesium alloys with high strength-to-weight ratios are preferred, as are steel and stainless steel, which have high energy absorption-to-weight ratios.

(衝撃吸収部材の製造方法)
本発明に係る衝撃吸収部材の製造方法は、衝撃吸収部材の3次元構造体データを作成する工程と、その3次元構造体データに基づいて衝撃吸収部材を造形する工程とを有する。
(Method for manufacturing impact absorbing member)
The method for manufacturing a shock absorbing member according to the present invention includes a step of creating three-dimensional structural data of the shock absorbing member, and a step of forming the shock absorbing member based on the three-dimensional structural data.

衝撃吸収部材の3次元構造体データの作成方法としては例えば、3次元ボロノイ分割法や3次元ドロネー分割法を用いることができる。3次元ドロネー分割法ではユニットセルが四面体になるため、衝撃吸収部材を製造するためには3次元ボロノイ分割法の方が好ましい。 Methods for creating three-dimensional structural data for impact absorbing components include, for example, three-dimensional Voronoi tessellation and three-dimensional Delaunay tessellation. In the three-dimensional Delaunay tessellation, the unit cells are tetrahedrons, so the three-dimensional Voronoi tessellation is preferable for manufacturing impact absorbing components.

3次元ボロノイ(Voronoi)分割法によって、不規則ラティス構造の3次元構造体データを作成する方法を、図を用いて説明する。 This article uses illustrations to explain how to create 3D structure data with an irregular lattice structure using the 3D Voronoi tessellation method.

まず、3次元ボロノイ分割法によって、不規則性導入前の規則ラティス構造のユニットセルを作成する。
次に、ボロノイ分割法における母点配置が、所定の構造をなすように母点配置を決定する。このとき、所定の構造として、BCC、FCC、HCPなどの結晶構造を用いることができる。後述する図2で示した規則ラティス構造は、ボロノイ分割法における母点配置をBCC配置、FCC配置、HCP配置として得られた構造である。こうして得られた規則ラティス構造は、均一のセル体積のセル群からなる規則ラティス構造である。
次に、各母点に対して、所定のCV値(ゼロではない)になるように、3次元的な変位を与える。こうして得られた各セルはその体積が所定のCV値(ゼロではない)を有するように分布しており、不均一のセル体積のセル群からなる不規則ラティス構造の3次元構造体データが得られる。
First, a unit cell of a regular lattice structure before introducing irregularity is created by the three-dimensional Voronoi tessellation method.
Next, the arrangement of the kernel points in the Voronoi tessellation method is determined so that the arrangement of the kernel points forms a predetermined structure. At this time, a crystalline structure such as BCC, FCC, or HCP can be used as the predetermined structure. The regular lattice structure shown in FIG. 2, which will be described later, is a structure obtained by using the BCC arrangement, FCC arrangement, or HCP arrangement as the arrangement of the kernel points in the Voronoi tessellation method. The regular lattice structure obtained in this way is a regular lattice structure consisting of a group of cells with uniform cell volume.
Next, a three-dimensional displacement is applied to each generating point so that the displacement becomes a predetermined CV value (not zero). The volume of each cell obtained in this way is distributed so that it has the predetermined CV value (not zero), and three-dimensional structural data of an irregular lattice structure consisting of a group of cells with non-uniform cell volumes is obtained.

衝撃吸収部材の製造方法で用いる造形方法としては、不規則ラティス構造を有するように造形することができる造形方法であれば、特に制限はなく、公知の造形方法を用いることができるが、3次元ソフトウェアで作成された3次元形態データに基づいて断面形状を積層し、立体造形することができる3Dプリンターが好ましい。 The molding method used in the manufacturing method of the impact absorbing member is not particularly limited as long as it can be used to create an irregular lattice structure, and any known molding method can be used, but a 3D printer is preferred, as it can layer cross-sectional shapes based on three-dimensional form data created with three-dimensional software to create a three-dimensional object.

3Dプリンターとしては例えば、サポート材がなくても高精細で複雑な造形が可能な粉末床溶融結合方式(PBF:Powder Bed Fusion)のものを用いることができる。粉末焼結積層造形方式(SLM:Selective Laser Melting)ということもある。この方式では、樹脂または金属の粉末粒子を平らに敷き詰めて粉末層を形成し、この粉末層の造形部分にレーザを照射して、粉末粒子を焼結または溶融させて結合させることで固化層を形成する。こうして形成された固化層の上に、さらに粉末粒子を敷き詰めて次の粉末層を形成し、この粉末層にレーザを照射して粉末粒子を溶融結合させることで、次の固化層を形成し、この手順を繰り返して、固化層を積み上げていくことで、所望形状の構造体を製造することができる。
ここで「固化層」は、「溶融凝固層」または「溶融結合層」、「焼結層」を意味する。
As a 3D printer, for example, a powder bed fusion (PBF) printer can be used, which can create high-resolution, complex shapes without support materials. This method is also known as selective laser melting (SLM). In this method, resin or metal powder particles are laid flat to form a powder layer, and a laser is irradiated onto the shaped portion of this powder layer to sinter or melt the powder particles and bond them together, forming a solidified layer. Further powder particles are laid on top of this solidified layer to form a next powder layer, which is then irradiated with a laser to melt and bond the powder particles, forming a next solidified layer. This process is repeated, stacking the solidified layers to produce a structure of the desired shape.
Here, the term "solidified layer" refers to a "melted and solidified layer", a "melted and bonded layer", or a "sintered layer".

レーザの強度の調整、レーザ走査の走査間隔の調整、粉末径の調整などによって、ポーラス状の構造体など複雑な形状の構造体を成形することができる。 By adjusting the laser intensity, the laser scanning interval, and the powder diameter, it is possible to form structures with complex shapes, such as porous structures.

粉末床溶融結合方式の3Dプリンターを用いる場合、粉末材料とする樹脂としては例えば、高密度ポリエチレン(HDPE)、低密度ポリエチレン(LDPE)、ポリプロピレン(PP)、ナイロン樹脂(PA)、ポリアセタール(POM)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、液晶ポリマー(LCP)、ポリスチレン(PS)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ABS樹脂、アクリル樹脂(PMMA)、ポリカーボネート(PC)、ポリアリレート(PAR)、変性ポリフェニレンエーテル(PPE)などを用いることができる。 When using a powder bed fusion 3D printer, examples of resins that can be used as the powder material include high-density polyethylene (HDPE), low-density polyethylene (LDPE), polypropylene (PP), nylon resin (PA), polyacetal (POM), polybutylene terephthalate (PBT), polyphenylene sulfide (PPS), polyether ether ketone (PEEK), liquid crystal polymer (LCP), polystyrene (PS), polyvinyl chloride (PVC), ABS resin, acrylic resin (PMMA), polycarbonate (PC), polyarylate (PAR), and modified polyphenylene ether (PPE).

また、粉末材料とする金属としては例えば、アルミニウム、クロム、コバルト、銅、金、鉄、マグネシウム、シリコン、モリブデン、ニッケル、パラジウム、白金、ロジウム、銀、錫、チタン、タングステンおよび亜鉛、ならびにこれらの元素を含む合金などが挙げられる。合金の例には、鋼やステンレスなどが含まれる。これらの金属材料は1種類のみ用いても、2種類以上を組み合わせて用いてもよい。 In addition, examples of metals that can be used as powder materials include aluminum, chromium, cobalt, copper, gold, iron, magnesium, silicon, molybdenum, nickel, palladium, platinum, rhodium, silver, tin, titanium, tungsten, and zinc, as well as alloys containing these elements. Examples of alloys include steel and stainless steel. These metal materials may be used alone or in combination of two or more types.

3Dプリンターとしては その他、光硬化タイプの液体樹脂に対し、紫外線を当て、一層ごとに樹脂を硬化させながら立体物を造形する光造形方式(SLA:Stereo Lithography Apparatus)、インクジェットプリンターのインク部分を紫外線硬化性の樹脂に置き換えて造形するインクジェット方式(マルチジェット・プリント方式)、インクジェット方式と同様に、プリントヘッドから着色材や接着剤を吐出し、石膏粉末を硬化させながら積層していって造形するインクジェット粉末積層方式(カラージェット・プリント方式)、ABS樹脂やPLA(ポリ乳酸)といった熱可塑性樹脂を融解させ、0.1mm~0.8mm程度の細いノズルの先端から溶解した樹脂を吐出し、積層して造形する熱溶解積層方式(FDM:Fused Deposition Modeling)のものを用いることができる。 Other 3D printers that can be used include the Stereo Lithography Apparatus (SLA), which uses ultraviolet light to cure photo-curable liquid resin, layer by layer, to create a three-dimensional object; the inkjet printer (multi-jet printing), which replaces the ink in an inkjet printer with UV-curable resin; the inkjet powder layering method (color-jet printing), which, like the inkjet printer, ejects coloring material and adhesive from the print head and builds up layers of plaster powder while it hardens; and the Fused Deposition Modeling (FDM), which melts thermoplastic resins such as ABS resin and PLA (polylactic acid), ejects the molten resin from the tip of a thin nozzle about 0.1 to 0.8 mm in diameter, and builds up layers to create a model.

次に、本発明の具体的な実施例について説明する。ただし、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 Next, specific examples of the present invention will be described. However, the present invention is not limited to these examples.

(サンプルの作製)
3次元ボロノイ分割法を用いて、規則ラティス構造、不規則ラティス構造を設計した。
(Sample Preparation)
Regular and irregular lattice structures were designed using the 3D Voronoi tessellation method.

規則ラティス構造のユニットセルは図2に示すように、ボロノイ分割法における母点配置を結晶構造のBCC配置、FCC配置、HCP配置として得られる立体の稜(辺)から成る構造とした。このBCC配置の格子間隔は7.50mm、FCC配置の格子間隔は9.45mm、HCP配置の格子間隔は6.68mmとし、単位体積当たりの母点数が同じである。
図2は規則ラティス構造のユニットセルを示す模式図であり、(a)はボロノイ分割法における母点配置をBCC配置として得られたものであり、(b)は母点配置をFCC配置として得られたものであり、(c)は母点配置をHCP配置として得られたものである。
The unit cell of the regular lattice structure is a structure consisting of the edges (edges) of solids obtained as the BCC, FCC, and HCP configurations of the crystal structure, with the kernel point configuration in the Voronoi tessellation method, as shown in Figure 2. The lattice spacing for this BCC configuration is 7.50 mm, the lattice spacing for the FCC configuration is 9.45 mm, and the lattice spacing for the HCP configuration is 6.68 mm, and the number of kernel points per unit volume is the same.
FIG. 2 is a schematic diagram showing a unit cell of a regular lattice structure, in which (a) is obtained when the kernel point arrangement in the Voronoi tessellation method is a BCC arrangement, (b) is obtained when the kernel point arrangement is an FCC arrangement, and (c) is obtained when the kernel point arrangement is an HCP arrangement.

また、不規則ラティス構造は、上記BCC配置およびFCC配置、HCP配置に3次元的な変位を与えた点群をボロノイ母点としてボロノイ分割法を用いることで得た。なお、この変位には空間XYZ方向それぞれに対して以下の式(2)で示される正規分布のランダム変位uを与えた。

式(2)中のVGはBCC配置およびFCC配置、HCP配置の格子間隔の10%、20%、40%、60%の値とした。
図3に、VG値とCV値との関係を示すグラフを示す。VG値という不規則さを制御する設計パラメータを大きくするとCV値も大きくなる。VG値が十分に大きいとCV値は飽和する。理論的には不規則さが大きくなると母点数密度が同じなのでBCC、FCC、HCPのいずれがベースとなったかわからなくなる。これをランダム状態と考えて、グラフからCV値が0.35以上でランダムラティス構造とみなすことができる。
The irregular lattice structure was obtained by using the Voronoi tessellation method to create a group of points obtained by three-dimensionally displacing the BCC, FCC, and HCP configurations. The displacement was given a random displacement u of normal distribution in each of the X, Y, and Z directions in space, as shown in the following equation (2).

VG in the formula (2) was set to 10%, 20%, 40%, and 60% of the lattice spacing of the BCC configuration, FCC configuration, and HCP configuration.
Figure 3 shows a graph showing the relationship between the VG value and the CV value. Increasing the VG value, a design parameter that controls the irregularity, also increases the CV value. When the VG value is sufficiently large, the CV value saturates. Theoretically, when the irregularity increases, the density of the mother points remains the same, so it becomes unclear whether the base is BCC, FCC, or HCP. This can be considered a random state, and a CV value of 0.35 or more can be considered a random lattice structure from the graph.

BCC配置でVGを10%(0.750mm)として得られる構造のCV値はおよそ0.10であり、FCC配置でVGを10%(0.945mm)として得られる構造のCV値はおよそ0.13であり、HCP配置でVGを10%(0.668mm)として得られる構造のCV値はおよそ0.09であり、BCC配置でVGを20%(1.50mm)として得られる構造のCV値はおよそ0.21であり、FCC配置でVGを20%(1.89mm)として得られる構造のCV値はおよそ0.27であり、HCP配置でVGを20%(1.336mm)として得られる構造のCV値はおよそ0.20であり、BCC配置でVGを40%(3.00mm)として得られる構造のCV値はおよそ0.34であり、FCC配置でVGを40%(3.78mm)として得られる構造のCV値はおよそ0.37であり、HCP配置でVGを40%(2.672mm)として得られる構造のCV値はおよそ0.33であり、BCC配置でVGを60%(4.50mm)として得られる構造のCV値はおよそ0.39であり、FCC配置でVGを60%(5.67mm)として得られる構造のCV値はおよそ0.41であり、HCP配置でVGを60%(4.008mm)として得られる構造のCV値はおよそ0.38である。 The CV value of the structure obtained with a BCC configuration and a VG of 10% (0.750 mm) is approximately 0.10, the CV value of the structure obtained with an FCC configuration and a VG of 10% (0.945 mm) is approximately 0.13, the CV value of the structure obtained with an HCP configuration and a VG of 10% (0.668 mm) is approximately 0.09, the CV value of the structure obtained with a BCC configuration and a VG of 20% (1.50 mm) is approximately 0.21, the CV value of the structure obtained with an FCC configuration and a VG of 20% (1.89 mm) is approximately 0.27, and the CV value of the structure obtained with an HCP configuration and a VG of 20% (1.336 mm) is approximately 0.20. The CV value of the structure obtained with a BCC configuration and a VG of 40% (3.00 mm) is approximately 0.34, the CV value of the structure obtained with an FCC configuration and a VG of 40% (3.78 mm) is approximately 0.37, the CV value of the structure obtained with an HCP configuration and a VG of 40% (2.672 mm) is approximately 0.33, the CV value of the structure obtained with a BCC configuration and a VG of 60% (4.50 mm) is approximately 0.39, the CV value of the structure obtained with an FCC configuration and a VG of 60% (5.67 mm) is approximately 0.41, and the CV value of the structure obtained with an HCP configuration and a VG of 60% (4.008 mm) is approximately 0.38.

規則ラティス構造、不規則ラティス構造について、以上のように設計することで、ラティス構造の単位体積当たりの母点数を同じにした。なお、ボロノイ分割法を用いることによって、ラティス構造の各セルは必ず凸包となる。また、規則ラティス構造のCV値は0(ゼロ)である。 By designing both regular and irregular lattice structures in the above manner, the number of kernel points per unit volume of the lattice structure is the same. Furthermore, by using the Voronoi tessellation method, each cell in the lattice structure is guaranteed to be a convex hull. Furthermore, the CV value of a regular lattice structure is 0 (zero).

次に、図4および図5に示すように、規則ラティス構造、不規則ラティス構造のそれぞれから成る外形φ40mm×H40mm(直径×高さ)の円柱サンプルを設計した。図4および図5は各構造の投影図である。
なお、各円柱サンプルの気孔率が90%となるように、ラティス構造のストラト(strut)径を調整した。なお、このストラトの断面形状は円であり、その径は円柱サンプル内に含まれるストラトの全長に依存し、およそ1mmである。
Next, cylindrical samples with an outer dimension of φ40 mm × H40 mm (diameter × height) were designed, each consisting of a regular lattice structure and an irregular lattice structure, as shown in Figures 4 and 5. Figures 4 and 5 are projection views of each structure.
The strut diameter of the lattice structure was adjusted so that the porosity of each cylindrical sample was 90%. The cross-sectional shape of the strut was circular, and its diameter was approximately 1 mm, depending on the total length of the struts included in the cylindrical sample.

図4(a)~(c)は、積層していく(繰り返していく)図2(a)のユニットセルの配列方向に対して円柱軸方向が異なる3種類の規則ラティス構造の円柱サンプルである。
図4(a)は、図2(a)で示したユニットセルの〔001〕方向に対して円柱軸方向が向いた規則ラティス構造の円柱サンプルであり、図4(b)は、図2(a)で示したユニットセルの〔101〕方向に対して円柱軸方向が向いた規則ラティス構造の円柱サンプルであり、図4(c)は、図2(a)で示したユニットセルの〔111〕方向に対して円柱軸方向が向いた規則ラティス構造の円柱サンプルである。従って、図4(a)~(c)のそれぞれの円柱サンプルの円柱軸方向はボロノイ母点であるBCC配置の[001]方向、[101]方向、[111]方向に対して平行である。
なお、[001]方向、〔101〕方向及び〔111〕方向は方位対称性を有する。
図4(d)~(f)は、積層していく(繰り返していく)図2(b)に示すユニットセルの配列方向に対して円柱軸方向が異なる3種類の規則ラティス構造の円柱サンプルである。
図4(d)は、図2(b)で示したユニットセルの〔001〕方向に対して円柱軸方向が向いた規則ラティス構造の円柱サンプルであり、図4(e)は、図2(b)で示したユニットセルの〔101〕方向に対して円柱軸方向が向いた規則ラティス構造の円柱サンプルであり、図4(f)は、図2(b)で示したユニットセルの〔111〕方向に対して円柱軸方向が向いた規則ラティス構造の円柱サンプルである。従って、図4(d)~(f)のそれぞれの円柱サンプルの円柱軸方向はボロノイ母点であるFCC配置の[001]方向、[101]方向、[111]方向に対して平行である。
図4(g)~(h)は、積層していく(繰り返していく)図2(c)に示すユニットセルの配列方向に対して円柱軸方向が異なる2種類の規則ラティス構造の円柱サンプルである。
図4(g)は、図2(c)で示したユニットセルの〔0001〕方向に対して円柱軸方向が向いた規則ラティス構造の円柱サンプルであり、図4(h)は、図2(c)で示したユニットセルの
に対して円柱軸方向が向いた規則ラティス構造の円柱サンプルである。従って、図4(g)~(h)のそれぞれの円柱サンプルの円柱軸方向はボロノイ母点であるHCP配置の[0001]方向、
に対して平行である。なお、同種の円柱サンプルは5個ずつ設計した。
4(a) to 4(c) show three types of cylindrical samples of regular lattice structure, each having a different cylindrical axis direction relative to the direction of arrangement of the unit cells shown in FIG. 2(a) that are stacked (repeated).
Figure 4(a) shows a cylindrical sample with a regular lattice structure whose axis direction is oriented to the [001] direction of the unit cell shown in Figure 2(a), Figure 4(b) shows a cylindrical sample with a regular lattice structure whose axis direction is oriented to the [101] direction of the unit cell shown in Figure 2(a), and Figure 4(c) shows a cylindrical sample with a regular lattice structure whose axis direction is oriented to the [111] direction of the unit cell shown in Figure 2(a). Therefore, the axis directions of the cylindrical samples in Figures 4(a) to 4(c) are parallel to the [001], [101], and [111] directions of the BCC configuration, which are the Voronoi generating points.
The [001], [101] and [111] directions have azimuthal symmetry.
4(d) to 4(f) show three types of cylindrical samples of regular lattice structure with different cylindrical axis directions relative to the arrangement direction of the unit cells shown in FIG. 2(b) that are stacked (repeated).
Figure 4(d) shows a cylindrical sample with a regular lattice structure whose axis direction is aligned with the [001] direction of the unit cell shown in Figure 2(b), Figure 4(e) shows a cylindrical sample with a regular lattice structure whose axis direction is aligned with the [101] direction of the unit cell shown in Figure 2(b), and Figure 4(f) shows a cylindrical sample with a regular lattice structure whose axis direction is aligned with the [111] direction of the unit cell shown in Figure 2(b). Therefore, the axis direction of each of the cylindrical samples in Figures 4(d) to 4(f) is parallel to the [001], [101], and [111] directions of the FCC configuration, which are the Voronoi generating points.
4(g) and 4(h) show two types of cylindrical samples of regular lattice structure, which have different cylindrical axis directions relative to the arrangement direction of the unit cells shown in FIG. 2(c) that are stacked (repeated).
FIG. 4(g) shows a cylindrical sample of a regular lattice structure in which the cylinder axis direction is oriented to the [0001] direction of the unit cell shown in FIG. 2(c), and FIG. 4(h) shows a cylindrical sample of a regular lattice structure in which the cylinder axis direction is oriented to the [0001] direction of the unit cell shown in FIG.
The cylindrical samples in Figures 4(g) and 4(h) are cylindrical samples with a regular lattice structure in which the cylindrical axis direction is oriented to the [0001] direction of the HCP arrangement, which is the Voronoi generating point.
Five cylindrical samples of the same type were designed.

図5(a)~(d)は、BCC配置に3次元的な変位を与えた点群をボロノイ母点としてボロノイ分割法を用いることで得た不規則ラティス構造で、円柱軸方向がBCC配置の〔001〕方向と一致し、CV値の異なる4種類の不規則ラティス構造の円柱サンプルである。
図5(a)は、図4(a)で示した規則ラティス構造に対してCV値が0.10になるように3次元的な変位を与えて不規則ラティス構造とした円柱サンプルであり、図5(b)は、図4(a)で示した規則ラティス構造に対してCV値が0.21になるように3次元的な変位を与えて不規則ラティス構造とした円柱サンプルであり、図5(c)は、図4(a)で示した規則ラティス構造に対してCV値が0.34になるように3次元的な変位を与えて不規則ラティス構造とした円柱サンプルであり、図5(d)は、図4(a)で示した規則ラティス構造に対してCV値が0.39になるように3次元的な変位を与えて不規則ラティス構造とした円柱サンプルである。
図5(e)~(h)は、FCC配置に3次元的な変位を与えた点群をボロノイ母点としてボロノイ分割法を用いることで得た不規則ラティス構造で、円柱軸方向がFCC配置の〔001〕方向と一致し、CV値の異なる4種類の不規則ラティス構造の円柱サンプルである。
図5(e)は、図4(d)で示した規則ラティス構造に対してCV値が0.13になるように3次元的な変位を与えて不規則ラティス構造とした円柱サンプルであり、図5(f)は、図4(d)で示した規則ラティス構造に対してCV値が0.27になるように3次元的な変位を与えて不規則ラティス構造とした円柱サンプルであり、図5(g)は、図4(d)で示した規則ラティス構造に対してCV値が0.37になるように3次元的な変位を与えて不規則ラティス構造とした円柱サンプルであり、図5(h)は、図4(d)で示した規則ラティス構造に対してCV値が0.41になるように3次元的な変位を与えて不規則ラティス構造とした円柱サンプルである。
図5(i)~(l)は、HCP配置に3次元的な変位を与えた点群をボロノイ母点としてボロノイ分割法を用いることで得た不規則ラティス構造で、円柱軸方向がHCP配置の〔0001〕方向と一致し、CV値の異なる4種類の不規則ラティス構造の円柱サンプルである。
図5(i)は、図4(g)で示した規則ラティス構造に対してCV値が0.09になるように3次元的な変位を与えて不規則ラティス構造とした円柱サンプルであり、図5(j)は、図4(g)で示した規則ラティス構造に対してCV値が0.20になるように3次元的な変位を与えて不規則ラティス構造とした円柱サンプルであり、図5(k)は、図4(g)で示した規則ラティス構造に対してCV値が0.33になるように3次元的な変位を与えて不規則ラティス構造とした円柱サンプルであり、図5(l)は、図4(g)で示した規則ラティス構造に対してCV値が0.38になるように3次元的な変位を与えて不規則ラティス構造とした円柱サンプルである。
Figures 5(a) to (d) show irregular lattice structures obtained by using the Voronoi tessellation method with a point cloud obtained by three-dimensionally displacing the BCC configuration as Voronoi generating points. The cylinder axis direction coincides with the [001] direction of the BCC configuration, and the four types of irregular lattice structure cylinder samples have different CV values.
5(a) shows a cylindrical sample in which the regular lattice structure shown in FIG. 4(a) is three-dimensionally displaced to form an irregular lattice structure such that the CV value becomes 0.10; FIG. 5(b) shows a cylindrical sample in which the regular lattice structure shown in FIG. 4(a) is three-dimensionally displaced to form an irregular lattice structure such that the CV value becomes 0.21; FIG. 5(c) shows a cylindrical sample in which the regular lattice structure shown in FIG. 4(a) is three-dimensionally displaced to form an irregular lattice structure such that the CV value becomes 0.34; and FIG. 5(d) shows a cylindrical sample in which the regular lattice structure shown in FIG. 4(a) is three-dimensionally displaced to form an irregular lattice structure such that the CV value becomes 0.39.
Figures 5(e) to (h) show irregular lattice structures obtained by using the Voronoi tessellation method with a point cloud obtained by three-dimensionally displacing the FCC arrangement as the Voronoi generating points. The cylinder axis direction coincides with the [001] direction of the FCC arrangement, and these are four types of cylindrical samples with different CV values.
FIG. 5( e ) shows a cylindrical sample obtained by three-dimensionally displacing the regular lattice structure shown in FIG. 4( d ) so that the CV value becomes 0.13, resulting in an irregular lattice structure. FIG. 5( f ) shows a cylindrical sample obtained by three-dimensionally displacing the regular lattice structure shown in FIG. 4( d ) so that the CV value becomes 0.27, resulting in an irregular lattice structure. FIG. 5( g ) shows a cylindrical sample obtained by three-dimensionally displacing the regular lattice structure shown in FIG. 4( d ) so that the CV value becomes 0.37, resulting in an irregular lattice structure. FIG. 5( h ) shows a cylindrical sample obtained by three-dimensionally displacing the regular lattice structure shown in FIG. 4( d ) so that the CV value becomes 0.41, resulting in an irregular lattice structure.
Figures 5(i) to (l) show irregular lattice structures obtained by using the Voronoi tessellation method with a point cloud that has been three-dimensionally displaced in the HCP configuration as the Voronoi generating points. The cylinder axis direction coincides with the [0001] direction of the HCP configuration, and these are four types of cylindrical samples with different CV values.
FIG. 5(i) shows a cylindrical sample in which the regular lattice structure shown in FIG. 4(g) has been three-dimensionally displaced to form an irregular lattice structure such that the CV value is 0.09; FIG. 5(j) shows a cylindrical sample in which the regular lattice structure shown in FIG. 4(g) has been three-dimensionally displaced to form an irregular lattice structure such that the CV value is 0.20; FIG. 5(k) shows a cylindrical sample in which the regular lattice structure shown in FIG. 4(g) has been three-dimensionally displaced to form an irregular lattice structure such that the CV value is 0.33; and FIG. 5(l) shows a cylindrical sample in which the regular lattice structure shown in FIG. 4(g) has been three-dimensionally displaced to form an irregular lattice structure such that the CV value is 0.38.

以上の図5の他、BCC配置、FCC配置、HCP配置に3次元的な変位を与えた点群をボロノイ母点としてボロノイ分割法を用いることで得られる不規則ラティス構造の、円柱軸方向が異なる外形φ40mm×H40mm(直径×高さ)の円柱サンプルを設計した。
BCC配置ではCV値がおよそ0.10、0.21、0.34、0.39となる不規則ラティス構造で、それぞれ円柱軸方向がBCC配置の〔001〕方向、〔101〕方向、〔111〕方向に平行な円柱サンプルを設計した。FCC配置ではCV値がおよそ0.13、0.27、0.37、0.41となる不規則ラティス構造で、それぞれ円柱軸方向がFCC配置の〔001〕方向、〔101〕方向、〔111〕方向に平行な円柱サンプルを設計した。HCP配置ではCV値がおよそ0.09、0.20、0.33、0.38となる不規則ラティス構造で、それぞれ円柱軸方向がHCP配置の〔0001〕方向、〔2110〕方向に平行な円柱サンプルを設計した。なお、同種の円柱サンプルはそれぞれ5個ずつ設計し、合計160種類の不規則ラティス構造の円柱サンプルを設計した。
In addition to the above-mentioned Figure 5, we designed cylindrical samples with an outer diameter of φ40 mm × H40 mm (diameter × height) and different cylindrical axis directions, which have an irregular lattice structure obtained by using the Voronoi tessellation method with point clouds that have been three-dimensionally displaced in the BCC arrangement, FCC arrangement, and HCP arrangement as Voronoi generating points.
For the BCC configuration, irregular lattice structures with CV values of approximately 0.10, 0.21, 0.34, and 0.39 were designed, with the cylinder axes parallel to the [001], [101], and [111] directions of the BCC configuration. For the FCC configuration, irregular lattice structures with CV values of approximately 0.13, 0.27, 0.37, and 0.41 were designed, with the cylinder axes parallel to the [001], [101], and [111] directions of the FCC configuration. For the HCP configuration, irregular lattice structures with CV values of approximately 0.09, 0.20, 0.33, and 0.38 were designed, with the cylinder axes parallel to the [0001] and [2110] directions of the HCP configuration. Five cylindrical samples of each type were designed, and a total of 160 types of cylindrical samples with irregular lattice structures were designed.

以上のように設計した円柱サンプルを、ナイロン粉末、PA12を使って粉末床溶融結合方式(PBF:Powder Bed Fusion)にて造形した。なお、リサイクル粉末の割合は80%である。 The cylindrical sample designed as described above was fabricated using powder bed fusion (PBF) with nylon powder and PA12. The recycled powder content was 80%.

(圧縮試験)
以上の円柱サンプルについて圧縮試験を行った。次いで、圧縮試験の荷重-変位曲線から、50%ひずみ(20mm変位)までのエネルギー吸収量を計算して、異方性の程度を確認した。
(Compression test)
A compression test was carried out on the cylindrical samples described above. Next, the amount of energy absorbed up to 50% strain (20 mm displacement) was calculated from the load-displacement curve of the compression test to confirm the degree of anisotropy.

圧縮試験は、JIS K7220:2006に準拠して次のようにして測定した。
図6のように、円柱サンプルSを鋼鉄製のサンプル載置治具10上に載置し、円柱サンプル中央部の上面側から、鋼鉄製の圧縮子20により試験速度24mm/分の速度で圧縮試験を行い、荷重-変位曲線を得た。
50%ひずみ(20mm変位)までのエネルギー吸収量は、上記圧縮試験により得られた変位―荷重曲線を元に、20mm変位(50%ひずみ)まで荷重値を変位で積分することにより得ることができる。
The compression test was carried out in accordance with JIS K7220:2006 as follows.
As shown in FIG. 6, a cylindrical sample S was placed on a steel sample mounting jig 10, and a compression test was performed from the upper surface side of the center of the cylindrical sample using a steel compression tool 20 at a test speed of 24 mm/min, and a load-displacement curve was obtained.
The amount of energy absorption up to 50% strain (20 mm displacement) can be obtained by integrating the load value by the displacement up to 20 mm displacement (50% strain) based on the displacement-load curve obtained from the compression test.

図7に、以上の円柱サンプルについて得た50%ひずみまでのエネルギー吸収量およびエネルギー吸収量の異方性を示した。エネルギー吸収量の異方性は以下の式(3)から求めた。
図7(a)はBCC配置を母点とした規則ラティス構造(CV値:0)および不規則ラティス構造のエネルギー吸収を示す。CV値が0では、[001]方向、〔101〕方向及び〔111〕方向の各加重方向によってエネルギー吸収量が大きく異なり、強い異方性を有することがわかる。一方、図7(d)からCV値の増加に伴い異方性が小さくなり、各CV値での平均のエネルギー吸収はCV値が0.1以上では単調に低下することがわかる。CV値が0.10付近で異方性は8.3%であり、平均のエネルギー吸収は10.8Jであった。一方、CV値が0.39付近で異方性は2.1%であり、平均のエネルギー吸収は9.4Jであった。
図7(b)はFCC配置を母点とした規則ラティス構造(CV値:0)および不規則ラティス構造のエネルギー吸収を示す。CV値が0では、[001]方向、〔101〕方向及び〔111〕方向の各加重方向によってエネルギー吸収量が大きく異なり、強い異方性を有することがわかる。一方、図7(d)からCV値の増加に伴い異方性が小さくなるが、各CV値での平均のエネルギー吸収はCV値が0.1以上でわずかに減少することがわかる。CV値が0.13付近で異方性は13.4%であり、平均のエネルギー吸収は9.7Jであった。一方、CV値が0.41付近で異方性は5.7%であり、平均のエネルギー吸収は9.2Jであった。
図7(c)はHCP配置を母点とした規則ラティス構造(CV値:0)および不規則ラティス構造のエネルギー吸収を示す。CV値が0では、[0001]方向、
の各加重方向によってエネルギー吸収量が大きく異なり、強い異方性を有することがわかる。一方、図7(d)からCV値の増加に伴い異方性が小さくなり、各CV値での平均のエネルギー吸収も単調に低下することがわかる。CV値が0.20付近で異方性は1.5%であり、平均のエネルギー吸収は10.2Jであった。一方、CV値が0.38付近で異方性は1.8%であり、平均のエネルギー吸収は9.4Jであった。
The energy absorption amount up to 50% strain and the anisotropy of the energy absorption amount obtained for the cylindrical samples are shown in Figure 7. The anisotropy of the energy absorption amount was calculated using the following formula (3).
Figure 7(a) shows the energy absorption of a regular lattice structure (CV value: 0) and an irregular lattice structure with a BCC configuration as the generating point. At a CV value of 0, the energy absorption varies significantly depending on the weighting direction ([001], [101], and [111]), indicating strong anisotropy. Figure 7(d) shows that the anisotropy decreases with increasing CV value, and the average energy absorption at each CV value decreases monotonically above 0.1. At a CV value of around 0.10, the anisotropy was 8.3%, and the average energy absorption was 10.8 J. At a CV value of around 0.39, the anisotropy was 2.1%, and the average energy absorption was 9.4 J.
Figure 7(b) shows the energy absorption of a regular lattice structure (CV value: 0) and an irregular lattice structure with FCC configurations as the generating points. At a CV value of 0, the energy absorption varies significantly depending on the weighting direction ([001], [101], and [111]), indicating strong anisotropy. Figure 7(d) shows that the anisotropy decreases with increasing CV value, but the average energy absorption at each CV value decreases slightly above 0.1. At a CV value of around 0.13, the anisotropy was 13.4%, and the average energy absorption was 9.7 J. At a CV value of around 0.41, the anisotropy was 5.7%, and the average energy absorption was 9.2 J.
Figure 7(c) shows the energy absorption of the regular lattice structure (CV value: 0) and the irregular lattice structure with the HCP configuration as the generating point. When the CV value is 0, the [0001] direction and
It can be seen that the amount of energy absorption varies greatly depending on the loading direction, indicating strong anisotropy. On the other hand, Figure 7(d) shows that the anisotropy decreases as the CV value increases, and the average energy absorption at each CV value also decreases monotonically. When the CV value is around 0.20, the anisotropy is 1.5%, and the average energy absorption is 10.2 J. On the other hand, when the CV value is around 0.38, the anisotropy is 1.8%, and the average energy absorption is 9.4 J.

以上の通り、CV値が0.05以上で0.35以下の不規則ラティス構造は式(3)で示すエネルギー吸収量の異方性が10%以下と低くなり、かつ、CV値が0.35以上となる構造よりも大きなエネルギー吸収量を有することが確認できた。 As described above, it has been confirmed that irregular lattice structures with a CV value of 0.05 or greater and 0.35 or less have a low anisotropy of energy absorption, as shown in equation (3), of 10% or less, and have a greater energy absorption than structures with a CV value of 0.35 or greater.

本発明の衝撃吸収部材は、宇宙探査機、車両、電子機器、家具などの、衝撃から守ることが求められるあらゆる部位に適用することができる。 The shock-absorbing member of the present invention can be applied to any part that requires protection from impact, such as space probes, vehicles, electronic devices, and furniture.

10 サンプル載置治具
20 圧縮子
S 円柱サンプル
10 Sample mounting jig 20 Compressor S Cylindrical sample

Claims (5)

不規則ラティス構造を有し、
下記式(1)で表されるCV値が0.05~0.35の範囲の体積分布を有する、衝撃吸収部材
ここで、v mean は衝撃吸収部材を構成するセルの平均体積、Ncellは衝撃吸収部材を構成するセルの総数である。
It has an irregular lattice structure,
An impact absorbing member having a volume distribution in which the CV value represented by the following formula (1) is in the range of 0.05 to 0.35 :
Here, v mean is the average volume of the cells that make up the impact absorbing member, and Ncell is the total number of cells that make up the impact absorbing member.
前記不規則ラティス構造の各セルが凸包である、請求項1に記載の衝撃吸収部材。 The shock absorbing element of claim 1, wherein each cell of the irregular lattice structure is a convex hull. エネルギー吸収量の異方性が10%以下である、請求項1又は2のいずれかに記載の衝撃吸収部材。 3. The impact absorbing member according to claim 1, wherein the anisotropy of the energy absorption amount is 10% or less. 不規則ラティス構造を有する衝撃吸収部材の製造方法であって、
前記衝撃吸収部材の3次元構造体データを作成する構造体データ作成工程と、
前記3次元構造体データに基づいて衝撃吸収部材を造形する造形工程と、を有し、
前記構造体データ作成工程は、所定の規則ラティス構造の3次元ボロノイ分割法における母点配置に対して変位を与えることによって不規則ラティス構造を作成する、衝撃吸収部材の製造方法。
A method for manufacturing an impact absorbing member having an irregular lattice structure, comprising:
a structure data creation step of creating three-dimensional structure data of the impact absorbing member;
a modeling process of modeling an impact absorbing member based on the three-dimensional structure data,
In the structure data creation step, an irregular lattice structure is created by applying a displacement to a kernel point arrangement in a three-dimensional Voronoi division method of a predetermined regular lattice structure.
前記変位を、下記式(1)で表されるCV値が所定の値になるように決定する、請求項に記載の衝撃吸収部材の製造方法;
ここで、vmeanは衝撃吸収部材を構成するセルの平均体積、Ncellは衝撃吸収部材を構成するセルの総数である。
The method for manufacturing an impact absorbing member according to claim 4 , wherein the displacement is determined so that a CV value expressed by the following formula (1) becomes a predetermined value:
Here, v mean is the average volume of the cells that make up the impact absorbing member, and Ncell is the total number of cells that make up the impact absorbing member.
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