3Dプリントにおける格子構造の可能性とAltair Inspireの利点

3Dプリントの大きなメリットの一つは「デザインの自由度」だ。その中でも、特に格子構造（ラティス）は、軽量化や強度の最適化といった点で3Dプリント特有の特性を活かした設計が可能で、注目されている分野だ。ここでは、格子構造の種類や用途に加え、Altair Engineeringが提供する設計ソフト「Altair Inspire」が格子構造の生成でどのような利点を持つかを解説してみたい。

格子構造の魅力と用途

格子構造は、材料を最小限に抑えながら高い強度と軽量化を実現する点が最大の特徴だ。また、エネルギー吸収能力が高いため、スポーツ用品や医療分野、熱交換器、航空宇宙産業など多岐にわたる分野で利用されている。3Dプリントならではの設計自由度により、従来の製造技術では実現できなかった複雑な形状も可能になる。

格子構造には大きく分けて以下の4種類がある。

1. サーフェス格子（Surface Lattice）

サーフェス格子は、1つまたは複数の曲面から形成されるセル構造を特徴とする。特に、熱交換器のようなアプリケーションで使用されることが多い。例えば、TPMS（周期的最小曲面）やジャイロイド構造は、表面積が非常に大きいため効率的な熱管理が可能だ。ただし、ストラット格子（後述）と比較すると、均一な仕上がりを得るのが難しい場合がある。

2. 平面格子（Planar Lattice）

平面格子は、2D断面を押し出した形状で構成される。例えば、ハニカム構造や一部のサーフボードに見られるように、特定の方向で高い剛性を発揮する特徴がある。3Dプリント以外の製造方法（押出成形など）でも作成可能な唯一の格子構造である。

3. ストラット格子（Strut Lattice）

ストラット格子は、ノード（点）をビームで接続して形成される構造で、基本セルが1次元、2次元、または3次元で繰り返されることで格子全体が構成される。航空宇宙産業などで見られるように、高い強度と軽量化を実現できるため、構造用フレームとしての用途が多い。体心立方（BCC）や八面体（Octet）など、多様な形状が可能だ。

4. 確率的格子（Stochastic Lattice）

確率的格子は、ランダムに分布したノードとビームから構成される自然界に近い格子構造である。特に骨組織の再現や医療用インプラントに適しており、骨の内部構造である「海綿骨（トラベキュラ）」を模倣した設計が可能だ。骨の成長（オッセオインテグレーション）を促進する特性から、医療分野での利用が進んでいる。

Altair Inspireの特徴と格子構造設計の利点

米国に本社を置くAltair Engineeringが提供するAltair Inspireは、3Dプリントの設計に特化したソフトウェアで、格子構造の生成が簡単に行える点を大きな特徴としている。インターフェース上で格子の種類を選択し、必要なボディを指定するだけで、サーフェス格子やストラット格子などを短時間で生成できるのが利点だ。

Altair Inspireは、暗黙モデリング（Implicit Modeling）を採用しており、従来型のBREP（境界表現）CADと比較して、以下の利点がある。

スムーズな設計プロセス
従来のCADでは、NURBS（非一様有理Bスプライン）を用いた表面パッチの組み合わせが必要だが、Altair Inspireではフィールドデータを利用し、格子全体を一括で生成できる。

大規模な格子構造でも処理が高速
従来型CADでは、セルの数が増えると処理速度が遅くなる問題があるが、暗黙モデリングはGPUによるハードウェアアクセラレーションを活用し、高速で安定した処理が可能だ。

グラデーションやモーフィングのサポート
格子内で密度やセルサイズを滑らかに変化させたり、異なる格子形状を組み合わせたりする設計が簡単に行える。

格子構造の設計でAltair Inspireがもたらす価値

Altair Inspireを使用することで、格子構造の生成と最適化が従来よりもはるかに簡単になる。例えば、TPMSのような複雑な表面格子や、生物にインスパイアされた確率的格子を作成する際にも、従来型CADでは困難だったスムーズな設計が可能だ。

さらに、Altair Inspireは格子構造を単に生成するだけでなく、設計した構造をテストするためのシミュレーションツールも備えている。これにより、軽量化、強度の最適化、エネルギー吸収特性など、目的に応じた格子構造の効果を正確に検証できる。

まとめ

格子構造は3Dプリントならではの特性を活かし、軽量化や強度の最適化、エネルギー吸収といった幅広い用途に応用されている。Altair Inspireは、その設計と最適化を直感的に行える強力なツールであり、サーフェス、平面、ストラット、確率的といったさまざまな格子構造を効率的に生成できる。

3Dプリントを用いた製造や設計に格子構造を取り入れることで、新しい製品デザインや革新的なソリューションの可能性が広がるだろう。Altair Inspireは、その可能性を最大限に引き出すための現状で最も優れた選択肢の一つだ。

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