새로운 이소표면 지지대 기반 격자 구조의 설계: 효과적인 강성, 강도, 비등방성 및 피로 특성

이 논문은 이소표면으로부터 유도된 지지대 기반 격자 구조의 가족을 설계하기 위한 새로운 방법론을 제안합니다. 여기서 이 방법론은 삼중 주기 최소 표면(TPMS)에서 얻어진 이소표면에 적용됩니다. 쇼엔의 기오이드 TPMS 형태가 이소표면 지지대 격자 구조(ISLS)를 생성하는 데 사용되었습니다. ISLS의 구조 요소는 고체 사면체 및 빔 요소로 모델링되었습니다. 유한 요소 시뮬레이션을 통해 강성, 비등방성 지수 및 피로 특성과 같은 효과적인 기계적 특성을 상대 밀도 범위(즉, 5%에서 35%)에 대해 계산했습니다. 기계적 특성의 일관성을 위해 필요한 메시 포인트 수를 결정하기 위해 이소표면 지지대 메시 민감도 연구가 수행되었습니다. 신장 지배 시트 기오이드는 문헌에서 기계적 특성에 대해 가장 우수한 격자로 밝혀졌으며, 따라서 트러스 기반 ISLS는 시트 기오이드와 비교됩니다. 스케일링 법칙은 빔 요소와 고체 요소 모두로 모델링된 기오이드 ISLS가 굽힘 지배 행동을 보였으며, ISLS 고체 요소는 신장 지배 시트 기오이드에 비해 탄성 계수, 체적 계수 및 전단 계수가 유사하다는 것을 보여주었습니다. 비등방성 분석은 ISLS가 모든 상대 밀도에서 거의 등방성 행동을 보인다는 것을 보여주었습니다. 결과는 동일한 상대 밀도에서 빔 요소로 모델링된 ISLS가 고체 요소에 비해 낮은 탄성 계수를 보였으나 더 높은 피로 성능을 나타냈습니다. 높은 다공성, 낮은 탄성 계수 및 우수한 피로 저항성은 ISLS 빔이 생체 재료 스캐폴드로서의 적합성을 나타내며, 반면 ISLS 고체는 강화된 기계적 강도가 요구되는 응용에 유용합니다.