トポロジー駆動のPLAラティス補強モルタルの圧縮とエネルギー吸収
Topology-Driven Compression and Energy Absorption of PLA-Lattice-Reinforced Mortar
本研究では、セメント系複合材料の機械的特性を調整するために、トポロジーに基づいたセルラー構造の設計戦略を探求した。特に、再entrant的なオーグゼティック構造から従来のハニカム構造へのトポロジー遷移がモルタルの圧縮応答に与える影響を調査した。積層造形(FDM)を用いて、ストランド角度を-70°から+70°まで系統的に変化させたポリ乳酸(PLA)セルラー構造体を設計し、オーグゼティックからハニカムへのトポロジー遷移を生成した。独立したラティス、ラティス補強モルタル複合材、および未補強モルタル供試体に対して準静的圧縮試験を実施し、見かけの圧縮弾性率、見かけの降伏応力、エネルギー吸収密度、比エネルギー吸収を評価した。PLAラティスをモルタルに埋め込むことで、補強供試体はより大きなひずみ範囲で変形を持続し、マクロな降伏後挙動が変化した。この挙動は、周囲のマトリックスによる拘束効果と一致する。圧縮応答は、セルラー構造のトポロジーとマトリックス・ラティス間の相互作用の組み合わせ効果によって支配されることが示された。これらの知見は、トポロジー遷移がセメント系複合材料の準静的機械的特性を調整するための設計戦略となることを示している。
- FDM積層造形により、ストランド角度を-70°から+70°まで変化させたPLAセルラー構造体を設計し、オーグゼティック構造からハニカム構造へのトポロジー遷移を実現した。
- ラティス単体・ラティス補強モルタル複合材・未補強モルタルに対して準静的圧縮試験を実施し、見かけの圧縮弾性率、見かけの降伏応力、エネルギー吸収密度、比エネルギー吸収を評価した。
- PLAラティスをモルタルに埋め込むことで、補強供試体はより大きなひずみ範囲で変形を持続し、マクロな降伏後挙動が変化した(マトリックスによる拘束効果と一致)。
- 圧縮応答はセルラー構造のトポロジーとマトリックス・ラティス間の相互作用の組合せで支配され、トポロジー遷移がセメント系複合材料の準静的機械的特性を調整する設計戦略になり得ると示した。
学術的な材料研究であり、直接的・短期的な投資対象は乏しい。ただしFDM積層造形でPLAラティスのストランド角度を-70°〜+70°まで系統制御し、オーグゼティック→ハニカムのトポロジー遷移でモルタルのエネルギー吸収密度や比エネルギー吸収を調整できるという知見は、建設/インフラ向けセメント系複合材料の高靭性化・耐衝撃設計の方向性を示す。材料設計のデジタル化・アディティブマニュファクチャリングを手掛ける素材メーカーにとっては中長期の応用余地として押さえておきたい。