3Dプリントを用いた軽量・衝撃吸収・形状記憶メタマテリアル開発

使用 3D 打印开发轻质、减震、形状记忆超材料

• 批准号: 22KJ2067
• 负责人: 鐘ヶ江 壮介
• 金额: $ 1.41万
• 依托单位: Osaka University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2023
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2023-03-08 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ2067/
• 关键词: メカニカルメタマテリアル; マルテンサイト変態; 弾性ひずみエネルギー; bistable; 大変形; 異方性; 有限要素法; パラメトリックモデリング; PXCM

材料の物性は，原子配列と原子を取り巻く電子の状態に由来する．原子や電子の振る舞いを模倣したメタマテリアルの創製によって，希少元素の特性を安価な元素に持たせることが期待される．これまでの研究で，原子の振る舞いを模倣した格子構造制御による機能化の試みとして，原子配列を模倣したメタマテリアルの新しい設計・創製の指針を示した．本研究では，結晶性材料の相転移を模擬した構造転移を発現するセル格子多孔体(PXCM)の設計手法を確立し，PXCMを3Ｄプリントにより造形し，その構造転移挙動の評価と設計手法の検証と改良を目的とする．PXCMに面心立方構造を組み合わせ多方向に構造転移できるよう設計したMulti-Axis PXCM (MA-PXCM)について，変形挙動の異方性を有限要素法を用いて解析した．周期境界条件を設けた単位格子モデルに対して種々のひずみを加えるシミュレーションを行い変形挙動の異方性を確認した．これまでの境界条件では，周期性の異方性を反映できないことがわかった．このため，構造自体の方向を回転し，歪みを与える有限要素モデルを作成した．現在，このモデルについて大変形を加味したシミュレーションを実行している．マルテンサイト変態や双晶変形の素過程であるせん断による原子配列変化に注目したPXCMとしてMartensitic PXCM（MPXCM）を設計した．MPXCMのせん断変形に伴う弾性ひずみエネルギー変化を解析し，MPXCMの設計条件を求め，設計したMPXCMを3Dプリンタし，設計指針の妥当性を検証した．MPXCMにおいてせん断変形時に生じる弾性ひずみエネルギー変化を梁の伸縮によるものと弾性ヒンジの曲げによるものに分けて計算することで，MPXCMが双安定となる条件を定式化することができた．また，MPXCMを熱可塑性ポリウレタンで3Dプリントし，求めた条件が妥当であることを確認した．

The physical properties of the material are と, the atomic arrangement is と, the number of atoms is を, the volume of electrons is く, the state of electrons is に, and the origin is する. Atomic vibration や electronic の る dance い を imitate し た メ タ マ テ リ ア ル の created に よ っ て, rare element の features を Ann 価 な element に hold た せ る こ と が expect さ れ る. で こ れ ま で の study, atomic vibration の る dance い を imitate し た lattice structure suppression に よ る function の try み と し て, atomic arrangement を imitate し た メ タ マ テ リ ア ル の new し い design, created の pointer を shown し た. This study で は, crystalline material planning の phase shift を simulation し た structure planning move を 発 now す る セ ル lattice porous body (PXCM) の design gimmick を し, PXCM を 3 d プ リ ン ト に よ り し, そ の structure planning 挙 move の review 価 と design gimmick の 検 card と improved を purpose と す る. PXCM に face-centered cubic structure を group み close わ せ direction に structure planning move で き る よ う design し た Multi - Axis PXCM (MA - PXCM) に つ い て, - shaped 挙 dynamic の square difference を を finite element method using い て parsing し た. Periodic boundary conditions set を け た 単 a grid モ デ ル に し seaborne て kind 々 の ひ ず み を plus え る シ ミ ュ レ ー シ ョ ン を line い - shaped 挙 move sex を の different confirm し た. The <s:1> realm condition で, periodic <s:1> anisotropic を reflects で を な な とがわ とがわ とがわ った. <s:1> ため ため, construct the self-<s:1> direction を return 転 ため, the tilting みを and the える finite element モデ モデ を を form a た. Now, こ の モ デ ル に つ い て big - shaped を flavored し た シ ミ ュ レ ー シ ョ ン を line be し て い る. マ ル テ ン サ イ ト - state や twin - process の element で あ る せ ん broken に よ る atoms with columns - the に attention し た PXCM と し て Martensitic PXCM MPXCM を design し た. MPXCM の せ ん - shaped に with broken う 弾 sex ひ ず み エ ネ ル ギ ー - analytical し を, MPXCM の め を design condition, design し た MPXCM を 3 d プ リ ン タ し, design a pointer の justice を 検 card し た. MPXCM に お い て せ ん break - shaped に raw じ る 弾 sex ひ ず み エ ネ ル ギ ー variations change を beam の telescopic に よ る も の と 弾 sex ヒ ン ジ の qu げ に よ る も の に points け て computing す る こ と で, MPXCM が double stable と な る conditions を demean す る こ と が で き た. ま た, MPXCM を hot plasticity ポ リ ウ レ タ ン で 3 d プ リ ン ト し, o め が た conditions appropriate で あ る こ と を confirm し た.

项目成果

原子配列を模倣した多軸bistable格子構造メタマテリアルの設計と機械学習による力学特性最適化

模拟原子排列的多轴双稳态晶格结构超材料设计及机器学习机械性能优化

• 发表时间: 2021
• 作者: Sosuke Kanegae;Masayuki Okugawa;Yuichiro Koizumi;鐘ヶ江壮介，永山隼，奥川将行，小泉雄一郎
• 通讯作者: 鐘ヶ江壮介，永山隼，奥川将行，小泉雄一郎

マルテンサイト変態を模倣したセル格子材料

模拟马氏体转变的细胞晶格材料

• 发表时间: 2022
• 作者: 鐘ヶ江 壮介;奥川 将行;小泉 雄一郎
• 通讯作者: 小泉 雄一郎

Evaluating Bistability of Phase Transforming Cellular Materials with Finite Element Analysis

用有限元分析评估相变多孔材料的双稳定性

• 发表时间: 2022
• 作者: Sosuke Kanegae;Masayuki Okugawa;Yuichiro Koizumi
• 通讯作者: Yuichiro Koizumi

メタマテリアルの設計、作製と 新材料、デバイス開発への応用

超材料的设计和制造及其在新材料和器件开发中的应用

• 发表时间: 2022
• 作者: 山村柊哉;五藤仁哉;安武茉子;圓福敬二;吉田敬;松井裕章
• 通讯作者: 松井裕章

Geometric Design, and Inverse Design of Multi-Axial Bistable Lattice Mechanical Metamaterial Inspired by Atomic Arrangement of Crystals

受晶体原子排列启发的多轴双稳态晶格机械超材料的几何设计和逆设计

• 发表时间: 2022
• 作者: S. Kanegae;M. Okugawa;Y. Koizumi
• 通讯作者: Y. Koizumi