層ごとに異なるコア構成を持つ付加製造された生体模倣多層サンドイッチ構造の面外圧縮挙動

自然由来の衝突保護が重要な理由

自動車のバンパーから航空機の客室まで、多くの現代的な車両は見えない「サンドイッチ」パネルに依存しており、これらは軽量でありながら衝突時に大きな力を吸収できなければならない。本研究は、ドングリを包むざらついた保護殻に着想を得た新しいタイプのパネルを探る。自然の形状を3Dプリントで再現し内部パターンを精密に調整することで、研究者らは軽くリサイクル可能で衝撃緩和能力に優れたプラスチック構造の作り方を示した。

コナラから学ぶこと

出発点はドングリを包む鱗状の殻、いわゆる杯状被（カップュール）だ。自然界ではこの殻が薄い壁と空洞のネットワークを介して衝撃を広げる。研究チームはその考えを、人為的なサンドイッチ構造に翻訳した：平らで剛性のある外板が両面にあり、その間に中空でパターン化されたコアが挟まれている。コアには発泡体の代わりに小さなセル状の形状が多数、複数層に積まれている。これらの形状は自然に見られるパターンを模し、どの形状が圧壊に対してより穏やかに対処するかを検証するために選ばれた。

3Dプリントで複雑なコアを作る

設計を実部品に変えるため、研究者らは粉末床溶融の一種であるMulti Jet Fusionを用い、エンジニアリングプラスチックの頑強なナイロンPA12で製作した。この手法は接着剤やボルトを使わずに複雑な内部パターンを生成でき、外板とコアが一体の部品として成形される。チームはコア形状として菱形、六角形、正方形、円形の4種類の基本レイアウトを用いた多層パネルを印刷した。また各セルの大きさ、隣接セル間の間隔、波形層を同方向に合わせるか層ごとに回転させるかも変化させた。

圧壊試験とその示唆

パネルは平らな鋼板の間でゆっくりと押し潰され、力と変位が測定された。これらの試験は、衝突時に車両の壁や床が外側から押される状況を模している。最初は各パネルが弾性的に応答し、力を除けば元に戻る。荷重が増すと内部の薄い壁が曲がり、座屈し、ひび割れを生じてパネルは長い「プラトー」領域に入る—この間に崩壊しながらエネルギーを吸収し続ける。力の曲線とその下の面積を追跡することで、チームは総吸収エネルギーと材料1グラム当たりの吸収エネルギーを算出した。これは重量に敏感な設計で重要な指標だ。

どの形状が最も有効か

菱形と六角形のパターンが際立っていた。菱形コアのパネルは約440ジュールを吸収し、グラム当たりのエネルギーが最も高かった。六角形コアもそれに近い性能を示した。斜めや面取りされた壁は力の流れる経路を多数提供し、突然の破壊ではなく滑らかで段階的な折りたたみを促す。一方、正方形や円形コアは顕著に少ないエネルギーしか吸収しなかった。これは鋭角の角や完全に曲面をなす壁が応力を集中させ、局所的な早期崩壊を誘引するためである。パネル全体の大きさを固定したまま各セルを小さくすると、円形と六角形の両コアでピーク力と吸収エネルギーが上昇した。セル間の間隔を適度に広げると隣接する壁同士の相互作用が遅れ、穏やかな崩壊段階が長く続いた。

協調する層構成

層の積み方も大きな役割を果たす。すべての波形が同じ方向を向くと、多くのセル壁が同時に座屈し、荷重の急激な低下を招いた。各層を次の層に対して回転させると不安定性が厚さ方向に広がり、力がある層から別の層へ再分配されやすくなる。これが層間の摩擦や滑りを増し、円形や六角形のコアでは交互配列が総吸収エネルギーを約2割向上させ、グラム当たりのエネルギーを10％以上高めた。小さなセル、広い間隔、交互の層配列を持つ六角形コアは、ピーク強度が高く効率的な緩衝性能を備えた最もバランスの取れた性能を示した。

より安全で軽量な構造への意義

非専門家にとっての主なメッセージは、パネル内部のパターンと層の配列が使用する材料の量と同じくらい重要になり得るということだ。ドングリの杯状被のモチーフを借用し、それを3Dプリントで製造することで、巧妙に形作られ積層されたセルは軽量なプラスチック板を高性能な衝撃吸収体へと変えられることをチームは示した。こうしたパネルは将来の自動車、列車、航空機が人々をよりよく保護しつつ、燃料消費や材料廃棄を抑えるのに役立つ可能性がある。

引用: Taghizadeh, S., Cheng, L., Askari, M. et al. Additively manufactured bioinspired multilayer sandwich structures with varied core configurations under out-of-plane compression. Sci Rep 16, 15833 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41021-4

キーワード: 生体模倣構造, サンドイッチパネル, エネルギー吸収, 付加製造, 衝突安全性