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可逆的に組み立てられるセルラー複合材料（RCCM）は、部分的に分解して修理やその他の変更を可能にするモジュール構造の3次元格子です。各セルは構造材料と可逆的なインターロックを組み込んでおり、任意のサイズと形状の格子を可能にします。RCCMは、リンクされた形状から派生した3次元対称性を示します。[ 1 ] [ 2 ]
可逆的に組み立てられるセルラー複合材料の離散的な構築は、異種コンポーネントの局所的な配置から全体的な機能特性を決定する新しい自由度を導入します。個々の部品は文字通り有限要素であるため、階層的分解によって部品の種類と構造内でのそれらの組み合わせが記述されます。[ 1 ]
RCCMは、離散的な部品が離散的な相対位置と向きのセットでリンクする「デジタル」材料と見なすことができます。組立作業者は、局所的な情報のみを使用して部品を配置できます。配置エラーは、組立の反転によって検出および修正できます。これらの材料は、複合材料のサイズと強度、セルラー材料の低密度、および積層造形の利便性を兼ね備えています。[ 1 ]
RCCMは2013年にMIT Center for Bits and Atomsの研究者によって導入されました。[ 2 ]
RCCM格子は、引張と圧縮の両方において弾性固体として振る舞います。線形領域と非線形超弾性変形モードの両方を提供し、その弾性率は超軽量材料よりも1桁大きい値です（密度7.2 mg/立方センチメートルで12.3メガパスカル）。バルク特性は、部品の測定値から予測でき、変形モードは部品タイプの配置によって決定されます。サイトの位置は局所的に制約され、炭素繊維複合材料、セルラー材料、および積層造形の望ましい特性を融合した構造が得られます。[ 1 ]
非線形弾性挙動は、格子の多軸弾性不安定性、すなわち支柱部材の複雑な協調弾性座屈に由来する。結果として生じる形状は、八面体中心の向きに関して八面体複合体のヤーン・テラー歪みに類似している。弾性折り畳みまたはプリーツは3次元で発生する可能性があり、おそらく協調的な反対称ねじり応力応答および/または塑性変形である。[ 1 ] [ 3 ]
一般的に壊滅的に破壊する従来の複合材料とは異なり、RCCM は非線形変形フェーズと多数のジョイントおよびリンクのために段階的に破壊します。これらの結果は、細かくメッシュ化された剛体モデルを使用した有限要素シミュレーション[ 4 ]と一致しました。観測された協調座屈モードへの収束に加えて、これらのシミュレーションは、荷重試験実験で観測された相対強度スケーリングを正確に予測します。これらの結果は、開気孔格子材料が σmax ∝ の微細構造支柱曲げ破壊によって破壊するという観測と一致しています。シミュレーションはまた、協調座屈現象と弾性率の測定がエッジ効果によって支配されておらず、特性長さが数単位を超える場合を除いて全体的な結果への影響が最小限であることを示唆しています。[ 1 ]
剛性の高い要素と低い要素の位置を変えることで、純粋な軸方向圧縮、単純な一方向オイラー座屈、および複雑な座屈を引き起こすことができます。[ 1 ] [ 3 ]
セルラー複合材料は、伸縮が支配的な格子構造を超軽量領域（1立方センチメートルあたり10ミリグラム未満）まで拡張します。性能は、格子構造のフレームワーク剛性、ノードの接続性、支柱部材の細長、および機械的接続の密度コストのスケーリングに正比例します。[ 1 ]
従来の繊維複合材料は、サブ構造を接着して組み立てるか、繊維を連続的に巻き付けることで、トラス構造のコアや構造フレームを形成する。このようなトラス構造のコアの例として、連続的な二次元（2D）幾何学的対称性と、ほぼ理想的ではあるものの非常に異方性の高い比弾性率スケーリングが報告されている。
三次元の開放セル格子材料は、自然界や人工のシステムで、さまざまな長さスケールにわたって存在します。その機械的特性は、形状に応じて相対密度に応じて変化します。周期的な力学モデルに基づくと、これらの材料は、伸張支配型または横梁曲げ支配型の微細構造挙動を示します。ヤング率E については、密度 ρ に対する理想的な伸張支配型のスケーリングは比例法則 E∝ρ に従いますが、一般的な確率的フォームは、横梁曲げ支配型の挙動に関連する二次法則 E∝ρ² に従います。超低密度では、エアロゲルやエアロゲル複合材料のように、さらに縮小された三次スケーリング法則 E∝ρ³ が一般的です。[ 1 ]
スケーリングの幾何学的依存性は、ほぼ理想的な E∝ρ スケーリングを示し、確率的フォームに比べてノードの接続性が高い周期的な格子ベースの材料に見られます。これらの構造は、これまで比較的密度の高いエンジニアリング材料でのみ実装されていました。超軽量領域では、より密度の高い確率的セル材料に見られる E∝ρ2 スケーリングが、電気めっきされた管状ニッケルマイクロ格子、およびカーボンマイクロチューブエアログラファイトやグラフェンコルクなどの炭素ベースのオープンセル確率的フォームに適用されます。[ 1 ]
接続部を支柱部材よりも剛性が高く強くすることは、応力応答が支柱によって支配されることを意味します。[ 3 ]寸法スケーリング法を拡張して接続部を含めると、支柱の断面積に比例する堅牢な接続部の質量密度コストは、支柱の直径が質量密度スケーリングを支配する超軽量材料では低いことがわかります。これらの材料の相対密度 (ρ/ρs) は、支柱部材の相対密度寄与 (ρm/ρs) と接続部の相対密度寄与 (ρc/ρs) の合計です。支柱部材は厚さ t、長さ L を持ちます。接続部は荷重支持面接触を介して力を伝達するため、接続部の特性寸法は、接続された支柱部材の断面積 t2 に比例する必要があります。これは、この寸法がジョイントを介して伝達可能な最大応力を決定するためです。[ 1 ]
これらの定義は、ジョイントの相対質量寄与と支柱の厚さ対長さ比の間に3次スケーリング関係を与えます（ρc/ρs ∝ Cc(t/L)3、ここでCcは格子形状によって決定される接続寄与定数です）。支柱の相対密度寄与は、支柱の厚さ対長さ比の2乗に比例します（ρm/ρs ∝ Cm (t/L)2）。これは、古典的なセルラー材料に関する文献と一致します。機械的特性（弾性率や強度など）は全体の相対密度に比例し、これは主に支柱に比例し、接続には比例しません。ただし、幾何学的定数CcとCmが同じオーダーであると仮定すると、細長い支柱を持つ開放セル格子のみを考慮します[t/L < 0.1 (7)] [ρ/ρs ∝ Cc (t/L)3 + Cm (t/L)2]。[ 3 ]機械的接合部の密度コストは、支柱部材の細長比の増加（t/L の減少）および相対密度の減少に伴って減少します。[ 1 ]
十字形の部品をタイル状に並べると格子構造が形成される。各部品は、局所的に中央のノードに4本の連結された支柱部材を、4つの周辺ノードに1本の支柱部材を提供する。4つの一致する接続穴に挿入されたせん断クリップがセルを連結する。[ 1 ]
各セルは、整列した繊維複合材ビームとループ状の繊維荷重支持孔から構成され、これらが可逆的に連結して体積充填格子を形成します。量産されたセルは、任意の構造形状を満たすように組み立てることができ、その解像度は、用途の境界応力の変動に合わせた部品スケールによって規定されます。アセンブリの周期性により、挙動解析と予測が簡素化されます。[ 1 ]
ペロブスカイト鉱物構造に似た、頂点で接続された八面体の「cuboct」立方格子は、マックスウェルの剛性基準を満たし、配位数zが8である正多面体単位セルを提供する。相対密度の配位数への依存性は、支柱の直径への依存性に比べて小さい。接続穴の周りに補強繊維を巻き付けることで、その耐荷重能力が最適化され、同時に、繊維の単軸配向を維持する支柱に結合する。[ 1 ]
炭素繊維強化複合材料は、所定の強度と剛性要件に対して構造重量を削減することで、エンジニアリングシステム（例えば、航空機の機体）の効率を向上させることができますが、製造と認証に課題があります。高性能複合部品は、部品の形状全体にわたって多数の連続繊維を使用し、樹脂マトリックスに埋め込まれています。このような部品は通常、カスタムツール、固化のための加圧、加熱硬化を必要とします。このような部品を接合すると、複雑さが増し、構造的な脆弱性が生じます。[ 1 ]
RCCMは、部品を段階的に追加/削除できるため、カスタムツールの必要性を排除します。その構築、変更、修理、再利用はすべて、同じ可逆的な連結プロセスを使用できます。異種要素を構造に組み込むことができ、その機能は相対的な配置によって決まります。離散的なセルラー複合材の正確な組み立てにより、材料を連続的に堆積または除去するアナログ方式では得られない新しい特性と性能が得られます。[ 1 ]