JP2019002433A - 三次元構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】特定の方向に対する強度が他の方向に対する強度よりも弱く（強度に対する異方性を有し）、特定の方向に作用する衝撃力を壊れることによって吸収することができる三次元構造体を提供する。【解決手段】三次元構造体１は、ａ．環状の枠状体部を対向するように一対離して配置し、一対の枠状体部を複数の棒状部によって接続することによってラティス構造単位体６（７）を形成し、ｂ．ラティス構造単位体６（７）を複数接続して、一対の縦側骨組み部４，４とこれら一対の縦側骨組み部４，４を接続する横側骨組み部５とでＨ状のラティス構造体２を形成し、ｃ．ラティス構造体２は、ラティス構造単位体６（７）の棒状部が横側骨組み部５の延びる方向に沿うように位置し、ｄ．ラティス構造体２の横側骨組み部５が同一方向に揃うように、ラティス構造体２を複数接続することで形作られている。【選択図】図１

Description

この発明は、ラティス構造（格子構造）で立体的に形作られた三次元構造体に関する。

近年、機械構造部品、製造用治具等の三次元構造体は、剛性の低下を抑えつつ、軽量化を図るため、３Ｄプリンターを使用して、全体構造の一部をラティス構造で立体的に形作ったものが知られている（特許文献１参照）。

特開２０１５−９３４６１号公報

しかしながら、従来の三次元構造体は、強度に対する等方性を有するものの、強度に対する異方性を有するものが開発されていなかった。

そこで、本発明は、特定の方向に対する強度が他の方向に対する強度よりも弱く（強度に対する異方性を有し）、特定の方向に作用する衝撃力を壊れることによって吸収することができる三次元構造体を提供する。

本発明に係る三次元構造体１は、
ａ．環状の枠状体部６ａ（７ａ）を対向するように一対離して配置し、前記一対の枠状体部６ａ，６ａ（７ａ，７ａ）を複数の棒状部６ｂ（７ｂ）によって接続することによってラティス構造単位体６（７）を構成し、
ｂ．前記ラティス構造単位体６（７）を複数接続して、一対の縦側骨組み部４，４とこれら一対の縦側骨組み部４，４を接続する横側骨組み部５とでＨ状のラティス構造体２を構成し、
ｃ．前記ラティス構造体２は、前記ラティス構造単位体６（７）の前記棒状部６ｂ（７ｂ）が前記横側骨組み部５の延びる方向に沿うように位置し、
ｄ．前記ラティス構造体２の前記横側骨組み部５が同一方向に揃うように、前記ラティス構造体２を複数接続してなる、ことを特徴としている。

本発明の三次元構造体は、Ｈ形状のラティス構造体のＺ軸方向（ラティス構造単位体の棒状部の延びる方向）の強度が、Ｈ形状のラティス構造体のＺ軸方向に直交する方向（Ｘ軸方向とＹ軸方向）に対する強度よりも大きくなっている。その結果、複数のＨ形状のラティス構造体を横側骨組み部が同一方向に揃うように（Ｚ軸方向に揃うように）接続してなる三次元構造体は、Ｚ軸方向に沿って作用する外力に対する強度が、Ｘ軸方向とＹ軸方向に沿って作用する外力に対する強度よりも大きいため、Ｚ軸方向に沿って作用する外力で壊れにくく、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に沿って作用する外力によって壊れやすくなっている。

本発明の第１実施例に係る三次元構造体を示す図であり、図１（ａ）は三次元構造体の平面図、図１（ｂ）は三次元構造体の正面図、図１（ｃ）は三次元構造体の側面図、図１（ｄ）は図１（ｂ）に示した三次元構造体の正面側拡大図である。 本発明の第１実施例に係る三次元構造体のラティス構造体の詳細を示す図であり、図２（ａ）はラティス構造体の平面図、図２（ｂ）はラティス構造体の側面図、図２（ｃ）はラティス構造体の正面図、図２（ｄ）はラティス構造体の縦側骨組み部の平面図、図２（ｅ）はラティス構造体の横側骨組み部の平面図（Ａ１−Ａ１線に沿って切断して示す断面図）である。 本発明の第１実施例に係る三次元構造体を構成する第１ラティス構造単位体と第２ラティス構造単位体を重ねて示す図であり、図３（ａ）は第１ラティス構造単位体と第２ラティス構造単位体の平面図、図３（ｂ）は第１ラティス構造単位体と第２ラティス構造単位体の正面図、図３（ｃ）は第１ラティス構造単位体と第２ラティス構造単位体の側面図、図３（ｄ）は第１ラティス構造単位体と第２ラティス構造単位体の底面図である。 本発明の第２実施例に係る三次元構造体を示す図であり、図４（ａ）は三次元構造体の平面図、図４（ｂ）は三次元構造体の正面図、図４（ｃ）は三次元構造体の側面図、図４（ｄ）は図４（ｂ）に示した三次元構造体の正面側拡大図である。 本発明の第２実施例に係る三次元構造体のラティス構造体の詳細を示す図であり、図５（ａ）はラティス構造体の平面図、図５（ｂ）はラティス構造体の側面図、図５（ｃ）はラティス構造体の正面図、図５（ｄ）はラティス構造体の縦側骨組み部の平面図、図５（ｅ）はラティス構造体の横側骨組み部の平面図（Ａ２−Ａ２線に沿って切断して示す断面図）である。 本発明の他の実施例に係る三次元構造体を示す図であり、図１（ｄ）及び図４（ｄ）に対応する図である。 図７（ａ）は本発明の第１実施例及び第２実施例に係る三次元構造体を構成するラティス構造体の第１の変形例を示す図であり、図７（ｂ）は本発明の第１実施例及び第２実施例に係る三次元構造体を構成するラティス構造体の第２の変形例を示す図である。

以下、本発明の実施例を図面に基づき詳述する。

（第１実施例）
図１は、本発明の第１実施例に係る三次元構造体１を示す図である。なお、図１（ａ）は三次元構造体１の平面図であり、図１（ｂ）は三次元構造体１の正面図であり、図１（ｃ）は三次元構造体１の側面図であり、図１（ｄ）は図１（ｂ）に示した三次元構造体１の正面側拡大図である。また、図１に示す三次元構造体１は、図２に示すラティス構造体２の三次元の直交座標系と対応するように記載してある。

この図１に示すように、三次元構造体１は、平面視した形状が矩形形状の板状体であり、複数のラティス構造体２を三次元の直交座標系における各軸方向に沿って複数接続することによって形成されている。なお、図１に示す三次元構造体１は、射出成形機から成形品を取り出すために使用される成形品取り出しアームを例示しているが、この成形品取り出しアームに限定されず、強度に対する異方性が要求される構造物に広く適用が可能である。また、この図１において、三次元構造体１は、成形品取り出しアームを例示しているため、成形品取り出し機に固定するためのボルト穴３が形成されているが、ボルトで成形品取り出し機に直接固定する必要がない場合、ボルト穴３を省略してもよい。

図２は、三次元構造体１を構成するラティス構造体２の詳細を示す図である。なお、図２（ａ）はラティス構造体２の平面図であり、図２（ｂ）はラティス構造体２の側面図であり、図２（ｃ）はラティス構造体２の正面図であり、図２（ｄ）はラティス構造体２の縦側骨組み部４の平面図であり、図２（ｅ）はラティス構造体２の横側骨組み部５の平面図（Ａ１−Ａ１線に沿って切断して示す断面図）である。また、図２（ａ）において、縦側骨組み部４の平面図を太い実線で示し、横側骨組み部５の平面図を細い実線で示している。また、図２（ａ）に示すように、縦側骨組み部４及び横側骨組み部５は、矩形形状の仮想線９の内側に位置し、且つ矩形形状の仮想線９に接するようになっており、以下の説明において、縦側骨組み部４及び横側骨組み部５の平面形状を矩形形状として表現する。また、図２に示すラティス構造体２は、説明を明確にするため、三次元の直交座標系に対応させて記載してある。

この図２に示すように、ラティス構造体２は、一対の縦側骨組み部４，４と、これら一対の縦側骨組み部４，４を接続する横側骨組み部５と、を有している。そして、このラティス構造体２は、一対の縦側骨組み部４，４と横側骨組み部５とでＨ形状の立体を形作っている。縦側骨組み部４及び横側骨組み部５は、平面視した形状（横側骨組み部５が延びる方向である−Ｚ軸方向に沿って見た形状）が矩形形状であり、正面側及び側面側から見た形状がＨ形状になっている。また、ラティス構造体２は、縦側骨組み部４が複数の第１ラティス構造単位体６で構成されている。また、ラティス構造体２は、横側骨組み部５が複数の第２ラティス構造単位体７と、複数の接続用棒状部８と、を有している。接続用棒状部８は、図２（ａ）において、縦側骨組み部４及び横側骨組み部５を平面視した場合に、第１ラティス構造単位体６の枠状体部６ａと第２ラティス構造単位体７の枠状体部７ａとが交差する部分に位置し、第１ラティス構造単位体６の枠状体部６ａと第２ラティス構造単位体７の枠状体部７ａとをＺ軸方向（第１ラティス構造単位体６の棒状部６ｂ及び第２ラティス構造単位体７の棒状部７ｂの延びる方向）に沿って接続している（図３参照）。なお、図２（ａ）に示すように、第１ラティス構造単位体６の枠状体部６ａ及び第２ラティス構造単位体７の枠状体部７ａは、矩形形状の仮想線９の右上コーナー部分を基準位置とし、その基準位置からＸ−Ｙ平面上に連続して配置されている。

また、図２に示すように、平面視した形状が矩形形状の横側骨組み部５は、対向する側面５ａ，５ａ間の幅寸法が一対の縦側骨組み部４，４から離れるに従って滑らかに漸減するようになっている。すなわち、横側骨組み部５は、縦側骨組み部４の横側骨組み部側端縁１０から円弧状に切り欠かれたような形状になっている。

図３は、ラティス構造体２を構成する第１ラティス構造単位体６及び第２ラティス構造単位体７を重ねて示す図である。なお、この図３は、第１ラティス構造単位体６を実線で示し、第２ラティス構造単位体７を点線で示している。また、この図３において、図３（ａ）は第１ラティス構造単位体６と第２ラティス構造単位体７の平面図であり、図３（ｂ）は第１ラティス構造単位体６と第２ラティス構造単位体７の正面図であり、図３（ｃ）は第１ラティス構造単位体６と第２ラティス構造単位体７の側面図であり、図３（ｄ）は第１ラティス構造単位体６と第２ラティス構造単位体７の底面図である。

この図３に示すように、第１ラティス構造単位体６は、平面視した形状が六角形状の枠状体部６ａ（環状の枠状体部６ａ）が一対離れて位置し、この一対の枠状体部６ａ，６ａを６本の棒状部６ｂが接続する構造になっている。棒状部６ｂは、一対の枠状体部６ａ，６ａの対向するコーナー部分６ｃ，６ｃを接続している。第２ラティス構造単位体７は、第１ラティス構造単位体６のサイズを小さくしたものであり、第１ラティス構造単位体６と同様に、平面視した形状が六角形状の枠状体部７ａ（環状の枠状体部７ａ）が一対離れて位置し、この一対の枠状体部７ａ，７ａを６本の棒状部７ｂが接続する構造になっている。

以上のような構造の三次元構造体１は、３Ｄプリンターを使用した粉末積層法によって形成される。すなわち、本実施例の三次元構造体１は、プラスチック又は金属の粉末を造形テーブル上に敷き詰めて、その造形テーブル上のプラスチック又は金属の粉末にレーザー光を照射し、レーザー光を照射した部分のプラスチック又は金属の粉末を焼き固めて積層することによって形成される。

本実施例に係る三次元構造体１は、Ｈ形状のラティス構造体２がＺ軸方向（第１ラティス構造単位体６の棒状部６ｂ及び第２ラティス構造単位体７の棒状部７ｂの延びる方向）の強度が、Ｈ形状のラティス構造体２のＺ軸方向に直交する方向（Ｘ軸方向とＹ軸方向）に対する強度よりも大きくなっている。その結果、複数のＨ形状のラティス構造体２を横側骨組み部５が同一方向に揃うように（Ｚ軸方向に揃うように）接続してなる三次元構造体１は、幅方向（図１のＺ軸方向）に沿って作用する外力に対する強度が、板厚方向（図１のＸ軸方向）と長手方向（図１のＹ軸方向）に沿って作用する外力に対する強度よりも大きいため、幅方向（図１のＺ軸方向）に沿って作用する外力で壊れにくく、板厚方向（図１のＸ軸方向）及び長手方向（図１のＹ軸方向）に沿って作用する外力によって壊れやすくなっている。なお、本実施例に係るラティス構造体２及びそのラティス構造体２で形作られた三次元構造体１は、ＳＴＬ形式の三角形のパッチを四角形のパッチに変更するクアッド処理を施した後、ＣＡＥ（構造解析ソフト）によって強度を解析した。

以上のような本実施例に係る三次元構造体１は、成形品取り出しアームとして使用される場合、強度が弱い板厚方向が金型の型締め方向（固定型に対する可動型の移動方向）と合致するように成形品取り出し機に取り付けられることにより、固定型と可動型との間に挟まれたとしても、壊れることによって衝撃力を緩和し、金型が損傷するのを防止することができる。

また、本実施例に係る三次元構造体１は、複数のラティス構造体２によって形作られているため、射出成形品やダイキャスト品と比較し、空隙率が大きく、大幅な軽量化を図ることができる。

（第２実施例）
図４は、本発明の第２実施例に係る三次元構造体１を示す図である。なお、図４（ａ）は三次元構造体１の平面図であり、図４（ｂ）は三次元構造体１の正面図であり、図４（ｃ）は三次元構造体１の側面図であり、図４（ｄ）は図４（ｂ）に示した三次元構造体１の正面側拡大図である。また、図４に示す三次元構造体１は、図５に示すラティス構造体２の三次元の直交座標系と対応するように記載してある。

この図４に示すように、三次元構造体１は、第１実施例に係る三次元構造体１と同様の外観形状に形成されており、複数のラティス構造体２を三次元の直交座標系における各軸方向に沿って複数接続することによって形成されている点も同様である。しかしながら、本実施例に係る三次元構造体１は、ラティス構造体２が第１実施例に係る三次元構造体１のラティス構造体２と相違する。

すなわち、図５に示すように、本実施例に係るラティス構造体２は、縦側骨組み部４の横側骨組み部５寄りの端部に位置する枠状体部６ａを第１枠状体部６ａとし、横側骨組み部５の縦側骨組み部４寄りの端部に位置する枠状体部７ａを第２枠状体部７ａとすると、第１枠状体部６ａと第２枠状体部７ａは同一の仮想平面上に位置している。そして、本実施例に係るラティス構造体２は、第１枠状体部６ａと第２枠状体部７ａの重なり合う位置が一体化（第１実施例の接続用棒状部８を形成することなく固定）されている。

このような本実施例に係るラティス構造体２は、一対の縦側骨組み部４，４を形作る第１ラティス構造単位体６が第１実施例に係るラティス構造体２の第１ラティス構造単位体６と同一であり、横側骨組み部５を形作る第２ラティス構造単位体７が第１実施例に係るラティス構造体２の第２ラティス構造単位体７と同一である（図３参照）。

以上のような構造の本実施例に係る三次元構造体１は、第１実施例に係る三次元構造体１と同様に、３Ｄプリンターを使用した粉末積層法によって形成される。

本実施例に係る三次元構造体１は、Ｈ形状のラティス構造体２がＺ軸方向（第１ラティス構造単位体６の棒状部６ｂ及び第２ラティス構造単位体７の棒状部７ｂの延びる方向）の強度が、Ｈ形状のラティス構造体２のＺ軸方向に直交する方向（Ｘ軸方向とＹ軸方向）に対する強度よりも大きくなっている。その結果、複数のＨ形状のラティス構造体２を横側骨組み部５が同一方向に揃うように（Ｚ軸方向に揃うように）接続してなる三次元構造体１は、幅方向（図４のＺ軸方向）に沿って作用する外力に対する強度が、板厚方向（図４のＸ軸方向）と長手方向（図４のＹ軸方向）に沿って作用する外力に対する強度よりも大きいため、幅方向（図４のＺ軸方向）に沿って作用する外力で壊れにくく、板厚方向（図４のＸ軸方向）及び長手方向（図４のＹ軸方向）に沿って作用する外力によって壊れやすくなっている。なお、本実施例に係るラティス構造体２及びそのラティス構造体２で形作られた三次元構造体１は、第１実施例の三次元構造体１と同様に、ＳＴＬ形式の三角形のパッチを四角形のパッチに変更するクアッド処理を施した後、ＣＡＥ（構造解析ソフト）によって強度を解析した。

以上のような本実施例に係る三次元構造体１は、第１実施例に係る三次元構造体１と同様に、成形品取り出しアームとして使用される場合、強度が弱い板厚方向が金型の型締め方向（固定型に対する可動型の移動方向）と合致するように成形品取り出し機に取り付けられることにより、固定型と可動型との間に挟まれたとしても、壊れることによって衝撃力を緩和し、金型が損傷するのを防止することができる。

（その他の実施例）
第１実施例及び第２実施例に係る三次元構造体１は、ラティス構造体２を幅方向（図１及び図４のＺ方向）に沿って同一個数（２個）積み重ねた形状になっているが、これに限られず、積み重ねるラティス構造体２の個数を幅方向に沿って変化させる形状でもよい。例えば、図６に示すように、三次元構造体１は、ラティス構造体２を積み重ねることなく複数接続したものでもよい。また、三次元構造体１は、ラティス構造体２を３個以上積み重ねた部分と、ラティス構造体２を積み重ねない部分と、を幅方向に沿って接続したものでもよい。また、第１実施例及び第２実施例に係る三次元構造体１は、幅寸法が長手方向（図１及び図４のＹ方向）に沿って一定であるが（幅方向に沿って接続されるラティス構造体２の個数が長手方向で変化しないが）、これに限られず、幅方向に沿って接続されるラティス構造体２の個数を長手方向に沿って変化させてもよい。

第１実施例及び第２実施例に係る三次元構造体１は、ラティス構造体２の横側骨組み部５の側面５ａを円弧状の凹面になるように形成してあるが、これに限られず、図７（ａ）に示すように、角棒状の横側骨組み部５の両端側を円弧面１１で縦側骨組み部４，４に滑らかに接続するか、又は、図７（ｂ）に示すように、角棒状の横側骨組み部５の両端側を傾斜面１２で縦側骨組み部４，４に接続してもよい。

第１実施例及び第２実施例に係る三次元構造体１は、第１ラティス構造単位体６の枠状体部６ａ及び第２ラティス構造単位体７の枠状体部７ａを平面視した形状が六角形になるように形成してあるが、これに限られず、第１ラティス構造単位体６の枠状体部６ａ及び第２ラティス構造単位体７の枠状体部７ａを平面視した形状が三角形、四角形、丸形（詳しくは、丸が一部重なり合うような形状）になるように形成してもよい。

第１実施例及び第２実施例に係る三次元構造体１は、ラティス構造体２の横側骨組み部５を縦側骨組み部４の第１ラティス構造単位体６よりもサイズが小さい第２ラティス構造単位体７で形成しているが、ラティス構造体２の横側骨組み部５を縦側骨組み部４の第１ラティス構造単位体６と同一のもので形成してもよい。

１……三次元構造体、２……ラティス構造体、４……縦側骨組み部、５……横側骨組み部、６……第１ラティス構造単位体、６ａ……枠状体部、６ｂ……棒状部、７……第２ラティス構造単位体、７ａ……枠状体部、７ｂ……棒状部

Claims (6)

1. ａ．環状の枠状体部を対向するように一対離して配置し、前記一対の枠状体部を複数の棒状部によって接続することによってラティス構造単位体を構成し、
   ｂ．前記ラティス構造単位体を複数接続して、一対の縦側骨組み部とこれら一対の縦側骨組み部を接続する横側骨組み部とでＨ状のラティス構造体を構成し、
   ｃ．前記ラティス構造体は、前記ラティス構造単位体の前記棒状部が前記横側骨組み部の延びる方向に沿うように位置し、
   ｄ．前記ラティス構造体の前記横側骨組み部が同一方向に揃うように、前記ラティス構造体を複数接続してなる、
   ことを特徴とする三次元構造体。
2. 前記環状の枠状体部は、平面視した形状が六角形状である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の三次元構造体。
3. 前記横側骨組み部の前記ラティス構造単位体は、前記縦側骨組み部の前記ラティス構造単位体よりもサイズが小さい、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の三次元構造体。
4. 前記縦側骨組み部の前記横側骨組み部寄りの端部に位置する前記枠状体部を第１枠状体部とし、前記横側骨組み部の前記縦側骨組み部寄りの端部に位置する前記枠状体部を第２枠状体部とすると、
   前記第１枠状体部と前記第２枠状体部とを前記棒状部の延びる方向に沿って離して配置し、前記第１枠状体部と前記第２枠状体部とを前記棒状部の延びる方向に沿って延びる接続用棒状部によって接続した、
   ことを特徴とする請求項３に記載の三次元構造体。
5. 前記縦側骨組み部の前記横側骨組み部寄りの端部に位置する前記枠状体部を第１枠状体部とし、前記横側骨組み部の前記縦側骨組み部寄りの端部に位置する前記枠状体部を第２枠状体部を第２枠状体部とすると、前記第１枠状体部と前記第２枠状体部は同一の仮想平面上に位置する、
   ことを特徴とする請求項３に記載の三次元構造体。
6. 前記ラティス構造体は、前記縦側骨組み部及び前記横側骨組み部を前記横側骨組み部の延びる方向に沿って見た形状が矩形形状であり、
   前記横側骨組み部は、前記矩形形状の対向する側面間の幅寸法が前記一対の縦側骨組み部から離れるに従って滑らかに漸減する、
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の三次元構造体。

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