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

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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．