3Dプリント材料のブレイクスルーにより車両の安全に新たな展開をもたらす可能性

December, 2, 2025, Glasgow--スコットランド(University of Glasgow)とイタリアの大学(Polytechnic University of Marche, the University of L’Aquila and the National Institute for Nuclear Physics)の研究者らがこの3Dプリントされたねじれメタマテリアル材料の開発に取り組んでおり、独自の格子形状により、様々な衝撃の種類や重大度から効果的に保護できる。

Advanced Materials誌に掲載された論文で概説されている研究チームの「適応的ねじれメタマテリアル」アドバンスト・マテリアルズ現在使用されている衝撃保護材料に対して異なるアプローチをとっている。

衝撃に対する所定の耐性を提供する従来のフォームやクランプルゾーンとは異なり、打撃に対するチームの材料の反応を機械的に制御できるため、エネルギー吸収が変化する。微調整して、激しい衝突に対する耐性を高めたり、衝撃を軽くしたりするために柔らかいクッション性を提供することができる。

材料は、3Dプリンティングプロセスである積層造形(ＡＭ)を使用して鋼から作られている。このプロセスにより、チームは材料の構造をきめ細かく制御できるようになり、ジャイロイド格子(gyroid lattice)として知られる複雑で多孔質の形状を材料全体に織り込むことができる。

材料が外力によって圧縮されると、コルク栓抜きのような動きでねじれ、衝撃エネルギーを吸収する。実験室での実験では、研究チームは材料の3つのバージョンをテストして、急速な衝撃とゆっくりと着実に増加するひずみという2種類の荷重に対する反応を評価した。

メタマテリアルが衝撃に反応してねじれないように制約された場合、メタマテリアルは最大の剛性を提供し、最も多くのエネルギーを吸収した-材料のグラムあたり15.36ジュール(joules)のエネルギーである。代わりに材料を自由にねじると、剛性とエネルギー吸収が約10%減少した。材料の3番目の構成では、過度にねじれを強いられ、エネルギー吸収が33%減少した。結果は、この材料が剛性シールドからより柔らかいエネルギー吸収まで、様々な保護を提供する可能性があることを示している。

チームの実世界テストは、様々なひずみ速度下でのジャイロイド格子のねじれの複雑な挙動を正確に予測できる包括的な理論および計算モデルによってサポートされている。正確な数値と実験のアライメントのために、積層造形中に導入された幾何学的欠陥は、プリントされた格子のマイクロCT再構成を統合することによって定量化された。

グラスゴー大学James Watt School of Engineering工学部のShanmugam Kumar教授が研究を主導した。同氏は、次のようにコメントしている。
「現在、ほとんどの車両に使用されている保護材は静的であり、特定の衝撃シナリオ向けに設計されており、多様な条件に適応することができない。

「この研究では、適応するために複雑な電子機器や油圧を必要としない新しいクラスのメタマテリアルとして適応撚りメタマテリアルを紹介する。代わりに、回転を機械的に制御するだけで適応できる。圧縮を加えると、ジャイロイド格子がそれをねじれに変換し、境界条件を変えることでエネルギー吸収特性を調整することができる。これらの材料は、影響を軽減するために、影響の種類と重大度に応じて独自の特性を適応および変更できる。

「この材料は将来的に自動車と航空宇宙の安全の両方に応用され、必要に応じて様々なニーズに適応できる単一の新しいクラスの材料を提供する可能性があると信じている。また、衝撃を回転運動エネルギーに変換することで、新しい形態のエネルギーハーベスティングの開発をサポートすることもできる。」