インターロック設計、プログラマブルレーザーの製造および建築セラミックスのテスト

Oct 07, 2023

Scientific Reports volume 12、記事番号: 17330 (2022) この記事を引用

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強靱で耐衝撃性のあるセラミック システムは、従来の脆性セラミックが提供するものを超えて、幅広い注目に値する機会を提供します。 しかし、その期待にもかかわらず、このような高度なセラミック構造を高度に制御可能かつ拡張可能な方法で製造するための従来の製造技術の利用可能性は、重大な製造ボトルネックを引き起こしている。 この研究では、正確でプログラム可能なレーザー製造システムを使用して、トポロジー的に連動するセラミックを製造しました。 この製造戦略は、特に拡張性を考慮した場合に、正確な材料アーキテクチャと定量的なプロセス制御のための実現可能なメカニズムを提供します。 ニアネットシェーピングにアプローチする最適化された材料除去方法を採用して、低強度の加工が施されたさまざまなアーキテクチャ（つまり、噛み合い角度やビルディングブロックのサイズ）を備えたトポロジカルに連動するセラミックシステム（接触と摩擦によって相互作用するビルディングブロックの耐荷重アセンブリ）を製造しました。速度衝撃条件。 これらの影響は、3D デジタル画像相関を使用して評価されました。 最適なインターロックされたセラミックは、柔軟な保護に有利な他のインターロックされたセラミックよりも高い変形 (最大 310%) を示しました。 連動角度やブロックサイズを制御し、摩擦滑りを調整し、ビルディングブロックへのダメージを最小限に抑えることで性能をチューニングしました。 さらに、開発されたサブトラクティブ製造技術により、優れた多用途性と拡張性を備えた、丈夫で耐衝撃性、耐損傷性のあるセラミック システムの製造が可能になります。

丈夫で耐衝撃性のあるセラミック システムは、航空宇宙、海洋、自動車、建設、および装甲用途の材料と構造における継続的な革命を表しています1。 優れた特性 (低密度、高圧縮強度、高熱安定性、高耐酸化性および耐食性など) に加え、強化された靭性と複数衝撃耐性により、従来の硬質セラミック システムに比べて独自の利点が得られます。 数多くの可能性の中で、ガスタービンエンジン、前縁、またはノズルエンジンコンポーネントの熱保護システムなど、極端な熱機械条件に最適な候補として、強靭なセラミックが浮上しています2。 特に、建築セラミックスは、その高い機械的性能 (つまり、堅く、丈夫で、複数の衝撃に強く、損傷に強い) により、高度なエンジニアリング用途で大きな注目を集めています3。 骨 4、真珠層 5、歯のエナメル質 6、またはスポンジの棘 7 などの生体材料に見られるように、個々の構成要素レベルでの固有の硬くて脆い性質は、生物インスピレーションを介して全体の構造レベルでの靭性の向上にうまく変換できます。 靭性の強化を提供するバイオインスピレーション戦略のうち、「トポロジー的に連動する概念」は、弱い界面に沿って結合された硬くて硬い構成要素で構成されています8、9、10。 課題は、このような機械的に強化された構造を正確かつ工業的に拡張可能な製造にある8、11、12、13。

高度なサブトラクティブ マニュファクチャリング技術とアディティブ マニュファクチャリング技術は両方とも、洗練されたアーキテクチャ設計を備えたアーキテクチャド セラミックスの製造に対する有望なソリューションとして浮上しています 14,15。 検討されているサブトラクティブ製造技術には、先進的なレーザー システムを使用して脆性材料 (ガラスなど) に 3 次元 (3D) 構造を開発することが含まれており、その結果、準静的および低速の衝撃荷重に対する耐性が向上します 16。 しかし、脆性材料の機械加工におけるサブトラクティブ製造技術の使用には、重大な欠点があります。 これらのエンジニアリング上のハードルの例には、さまざまな異なるレーザー設定、材料の組成と厚さ、幾何学的/トポロジカルな目的に対するプロセス パラメーターの最適化の複雑さが含まれます。 アブレーション速度に対するフルエンスの影響17、18、表面粗さに対するラスターピッチの影響19、切断品質に対するトラバース速度と焦点位置の影響20など、さまざまなファイバーレーザーパラメータのパラメトリック効果について重要な研究が行われてきました。 この研究からの発見は、アブレーション切断中の波紋の最小化と亀裂の除去につながりました。 トポロジー的に組み合わされたガラスやセラミックの設計と組み立て (機械加工、鋳造、積層造形など) については多くの研究が行われてきましたが 10,21、精密なニアネット成形や工業的に拡張可能なサブトラクティブ マニュファクチャリング技術の開発についてはあまり考慮されていませんでした。このような建築セラミックスの製造。

この研究では、ニアネット成形材料除去システムを提供する効果的かつ効率的な製造ツールを使用して、トポロジカルに連動するセラミックを製造しました。 ピコ秒パルスファイバーレーザーシステムを使用して、カーフテーパー（カット角度）を制御し、製造期間を短縮しながら深く高品質なカット（つまり、弱い界面）を実現しました。 この調査ではトポロジカルに連結されたパネルが選択され、いくつかのビルディング ブロック サイズと連結角度がテストされました。 設計されたアーキテクチャのたわみ特性を評価するために、パネルに低速衝撃荷重が加えられました。 製造された各パネルの構造と特性の関係を理解するために、変形と強化のメカニズムがさらに調査されました。 この研究はトポロジー的に連動したパネルの実装に焦点を当てていますが、描写された方法を使用して広範囲のアーキテクチャジオメトリを開発できます。

トポロジカルに連結されたセラミック パネルの製造は、基板 (アルミナなど) の光学特性の基本的な理解を必要とする複雑なプロセスです。 以前に開発された 1 つの方法 22,23 では、レーザー スキャナーによって制御される円形のウォブル パターンを使用して、残留熱の蓄積、微小亀裂の形成、および材料特性の変化を最小限に抑えました。 レーザー加工プロセスにはイッテルビウム ピコ秒ファイバー レーザー (YLPP-25-3-50-R、IPG Photonics、米国) が使用されました (図 1a、b を参照)。 パラメトリック研究を実施して、カットの品質と精度を評価し、望ましい噛み合い角度を効果的に製造できることを確認しました。 したがって、アルミナサンプルのカーフテーパーの制御は、選択されたスキャンパラメータによって達成されました。 「V 字型」プロファイルを持つアブレーション カットの連動角度は、\(\theta =\mathrm{arctan}\left(\frac{W}{2\mathrm{H}}\right)\) を使用して決定できます。パネルの厚さ (H) とウォブル振幅 (W) の関数です。 図 1a に示すように、さまざまなアブレーション実験から収集されたデータが幾何学的近似に対してプロットされています。 プロットされた実験データは、テストされたウォブル振幅の理論的公式との強い相関関係を示し、カーフ テーパーと連動角度制御の方法論を示しています。 たとえば、0.3 ～ 2.0 mm の範囲のウォブル振幅を使用したスルー カットでは、理論的には 3.4° ～ 21.5° の範囲の連動角度を生成できます。 ただし、カットのテーパー面による入射レーザースポットのクリッピングにより、ウォブル振幅が 1.0 mm 未満になるという実際的な制限が存在します。 クリッピング現象により、切断中にレーザー スポットの一部が焦点から外れ、切断領域のエネルギー密度が低下します。 ウォブル振幅が減少すると、クリッピングがより顕著になり、切断領域内の材料をアブレーションし、厚さ 2.54 mm のセラミック パネルでスルー カットを実行するレーザーの能力が妨げられます。 したがって、効率の低下によって処理時間が長くなり、1.2 mm を超える切り込み深さの場合に実行可能な 0.5 mm 以下のウォブル振幅による予測連動角度は得られません。 最後に、円形のぐらつきの振幅が増加するにつれて、より広いカット形状によりビームクリッピングが減少します。 したがって、より深い切断は、厚さ 2.54 mm のセラミック タイルを切断するのに必要な 220 パス (1.5 mm のぐらつき振幅を使用) で、より大きなぐらつき振幅の場合にのみ達成できます。

(a) パネル厚に対する連動角度の幾何学的依存性、(b) レーザー システムとその装置、(c) 開発された切断プロファイルの概略図、(d) 円形ウォブル パターンの形状とそのパラメータ。

図 1a ～ 図 1d で提案されているのは、ウォブル振幅、ウォブル周波数、線形トラバース速度、パス数に基づいて高品質のアーキテクチャを予測するアプローチです。 まず、噛み合い角度 (θ) とセラミック タイルの厚さ (H) を入力することにより、実際に実現可能な一連のウォブル振幅を \(\theta =\mathrm{arctan}\left(\frac{W}) に基づいて計算できます。 {2\mathrm{H}}\right)\)、ここで W はレーザー カットの幅 (またはウォブル振幅) です。 処理時間よりも材料の除去速度を優先するため、切断線に沿ったセラミックアーチファクトを最小限に抑え、許容可能な切断品質を維持するために、ウォブルピッチが 30 µm 以下になるように、一連の低いウォブル周波数と対応する線速度が選択されます。 その後、振幅に基づいて特定のパス数が決定され、最終的な連動角度が得られます。 最後に、実験的な連動角度を初期入力と比較して、ウォブル振幅またはパス数を調整できます。

アルミナ セラミック パネル (寸法 = 113.24 × 113.24 × 2.54 mm3、材料組成 96%、密度 3875 kg/m3 の高耐性焼成非多孔質アルミナ セラミック、McMaster-Carr) を、ダイヤモンド ソーを使用して小さな正方形のパネルに切断しました。 (M0D31、ストルアス、デンマーク)。 正方形のパネルは、トポロジカルに連結された最終的なパネルの最終寸法が 50 × 50 mm2 になるように切断されました。 表 1 のデータは、目標のカーフ テーパーまたはインターロッキング角度に基づいた正方形パネルのサイズを示しています。 さらに、円形レーザー パターンのウォブル振幅に対するカーフ テーパーの依存性が示されています。 図2は、ピコ秒レーザーを使用してトポロジカルに連動したアルミナパネルを製造する製造ステップを示しています。 パラメーター β の間隔で 2 本の線がアルミナ サンプル (つまり、> 2.54 mm) に切り込まれます。 たとえば、最終連動角度 15°が目標であり、対応するウォブル振幅 1.337 mm が設定されます。 これにより、スルーカットサンプルのカット角度の測定値は 30°となりました。 次に、正方形のサンプルを垂直軸を中心に 90°回転し、底面を反転して、サンプルにさらに 2 つのカットを加工します。 最終的な連結パネルは、図 2b に示すようにエッジ タイルを回転させることによって組み立てられます。 次に、サンプルをテープで貼り付け、予圧縮を加えずにパネルを拘束するように調整されたパワーボルトを備えたスチール製の固定具に移しました。 ビルディングブロックを固定具に配置したら、テープを剥がしました。

(a) レーザー材料除去システムを使用した 15° トポロジカルに連動したセラミックスの製造。 円形パターンは視覚化のために誇張されています。 実際には、直径は切断幅に対応します。 (b) 建築パネルと固定具のアセンブリセットアップの概略図。 構造の側面に動力ネジを備えた 4 つのプロファイルを使用して、インターロックに必要な面内固定閉じ込めを課し、(c) 50 × 50 mm2 のインターロック パネルを実現するためのライン間隔を設定しました。

開発されたレーザー加工スキームは、円形のウォブル パターンを使用して精密な深いカットを実現するという以前の研究に基づいています。 最大 2.54 mm の深さのアブレーションでは、レーザープロセス中のパラメータの調整、レーザーエネルギー密度と焦点位置の主な増加が必要です。 浅い角度のカット (例: 20° 以下) は、広い角度のカット (例: 25° および 30°) と比較して、材料除去速度が低く、連続的なパラメータ調整が行われるため、より長い処理時間が必要になります。 使用した特定のピコ秒レーザー システムに実装されたスキームを表 2 に示します。より深い領域で適切な材料除去を達成するために、ウォブル周波数と速度を減少させることにより、切除切断のエネルギー密度を変更しました。 浅い角度の場合は、スルーカットを実現するために数回調整されました。 300 回のパス後に焦点位置を変更し、アルミナ表面のカット形状にガウス ビームの焦点を合わせ直しました。 より広角の場合、スルーカットを実現するために必要な調整ステップは 1 つだけです。 したがって、各パネルを製造するための処理時間は、かみ合い角度とタイルの数によって異なります。 3 × 3、5 × 5、および 7 × 7 インターロッキング タイルを使用するパネルは、最終的なインターロッキング パネルの寸法が一貫した 50 × 50 mm2 になるように、異なる線の長さと線間隔を使用します。 これらの寸法は、図 2c に示す幾何学的関係を使用して計算されます。 この図は、セラミック タイル上の 2 つの異なるテーパーも示しています。これらのテーパーは、エッジが隣接するタイルと確実に噛み合うように製造されています。 β の値は、ピコ秒レーザーによるカットの線間隔に対応し、タイルの数と連動角度によって異なります。 パネルを製造する前に、計算されたβ値を使用してカットラインの間隔とパネルの寸法を制御するスキームがピコ秒レーザーのソフトウェアで設計されます。 この研究では、パネルの構造 (つまり、連結角度とブロック サイズ) が変更されましたが、全体の寸法は一定に保たれました。 構造化されたセラミックに加えて、比較の目的で、同一の全体寸法および厚さ（すなわち、２．５４ｍｍ）を有するモノリシックセラミックも製造され、テストされた。 カットパネルは、4 つの調整可能なクランプを備えたスチール製固定具を使用して組み立てられます。 図 2b は、平面方向に圧縮力が適用されていないスチール製固定具上の 3 × 3 パネル アセンブリを示しています。 次に、連結されたパネルに衝撃荷重を加えてテストします。

ASTM 規格 D376324 に規定されているガイドラインに基づいて、低速落下重量機械を使用して、建築されたセラミックに衝撃を与えました。 構造物に荷重を加えるために、質量 1030 g の 5 mm の半球状インパクターを使用しました。 半球は構造の中央に配置されました。 衝撃初速は１．７０ｍ／ｓに設定した。 試験中のインパクタ荷重とインパクタ速度は、それぞれロードセル (耐荷重 22.5 kN の貫通型圧電荷重センサー) と速度検出器 (光検出器ブロックとフラグ) を使用して監視および記録されました。

図3に示すように、衝撃試験中に3Dデジタル画像相関（DIC）システムを使用して、セラミックパネルの面外変位を測定しました。立体視DICシステムは、2台の高速カメラ（Photron SA- X) 2 つのシグマ レンズ (28–135 mm f/3.8–5.6 Aspherical IF Macro) を使用し、解像度 1024 × 1024 ピクセルで 12,500 フレーム/秒 (fps) で画像をキャプチャするように設定されています。 均一な照明を提供するために、2 つの高輝度 LED ライト (JAB Bullet) が使用されました。 確率的スペックル パターンは、先端が細い黒色のマーカーを使用してセラミックの上面に適用されました 25。 DIC データは、Vic-3D ソフトウェア (バージョン 9、Corrated Solutions Inc.) を使用して分析されました。

トポロジカルに連結されたセラミックス: (a) 3 × 3、(b) 5 × 5、(c) 7 × 7 アレイのブロック (30°)、および (d) 低速衝撃試験および DIC 構成。

DIC アルゴリズムでは、関心領域 (AOI) 全体の変位フィールドを計算するために、サブセット サイズとステップ サイズという 2 つのパラメーターが必要です。 サブセット サイズは、AOI が細分化される正方形領域のサイズを定義し、ステップ サイズは、計算された変位フィールドのデータ密度を決定します。 これらのテストでは、各セラミック タイルのデータが隣接するタイルによって誤って影響を受けないように、パネルごとにサブセット サイズを慎重に選択する必要がありました。 これらのテストに使用されたピクセル単位のサブセットとステップ サイズは、3 × 3、5 × 5、および 7 × 7 ブロック パネルの場合は (15, 3)、(31, 5)、および (29, 8) でした。それぞれ。

この DIC 解析により、空間的および時間的に高密度の完全なフィールド変位マップが得られました。 時間の経過に伴うパネル全体のたわみを調べるために、各パネルの中心を横切る線プロファイルを描き、その線プロファイルにわたる面外変位を各パネルの 3 つの主要な段階 (衝撃前、最大たわみ時、そしてテストの終わりに。 データはこれらのステージ間の間隔でも抽出され、パネルごとに合計 5 つのライン抽出が提供されました。

建築パネルが衝撃荷重を受けると、個々のブロックの相対的な滑りと回転により、全体的に大きな変形が生じますが、ブロックは実質的に変形しません。 これらの相対運動により摩擦滑りが生じるため、建築パネルは同じ材料で作られた単純なパネルよりもはるかに多くの機械エネルギーを吸収します。 普通のセラミックの場合。 ただし、エネルギーの多くは脆性材料の破壊によって散逸されます。 ブロックの弱い界面での構造と制御された変形により、大きな変形と高いエネルギー吸収能力を備えた脆性材料であるセラミックスが生まれます。 図4は、x方向に沿った5段階の荷重（衝撃前、衝撃間、最大たわみ、間、試験終了）におけるパネルのたわみと、トポロジカルにかみ合ったセラミックスの中心（かみ合い角度θ = 20°、25°）を示しています。 、30°、ブロック数は3×3、5×5、7×7）。 最大たわみは力が低下する前に記録されることに注意してください。 建築されたセラミックパネルは大きな違いを示しています。 特に、5 × 5 ブロック パネルは、トポロジー的に連動したパネルの中で最もたわみが大きくなります。 さらに、建築されたセラミックス (θ = 20°の 5 × 5 ブロック パネルや θ = 25°の 7 × 7 ブロック パネルなど) は、進行性の破損とタフネスの兆候に関連したベル型の応答を示します。構造物。 建築されたパネルは、インパクターによるセンターブロックの漸進的な押し出しによって破壊されました。 連結角度が建築セラミックスの衝撃特性に及ぼす影響を図 4 に示します。連結角度が小さいパネルはたわみが大きくなります。 ブロックの数を比較すると、5 × 5 アレイのブロックを備えたセラミック パネルは、同じかみ合い角度の 3 × 3 アレイのブロックを備えたパネルと比較して、たわみが 310% 大きくなります (図 4 を参照)。

噛み合い角度（θ＝20°、25°、30°）とブロック数（3 × 3、5 × 5、7 × 7）を持つ建築セラミックスの 5 段階の荷重で DIC によって得られたパネル全体のたわみ）。

図 5 は、インターロックされたセラミックの z 方向の 3D DIC 変位フィールドを示しています。 構造化されたパネルは、ベル型の応答と進行性の故障を示します。 建築されたパネルは、インパクターによる中央タイルの漸進的な押し出しによって破損しましたが、残りのタイルは無傷のままでした。 建築パネルには曲げ亀裂は観察されていません。 パネルを構成ブロックに分割すると、曲げ応力が発生する範囲が減少し、曲げ亀裂を誘発するために必要な力が増加します。 曲げ亀裂の発生に必要な力が増加するため、建築されたパネルでは曲げ亀裂が観察されません。 建築されたセラミック パネルはビルディング ブロックで作られ、そのスパンは小さくなります (つまり、3 × 3、5 × 5、および 7 × 7 ブロック パネル = それぞれ 1.67、1、および 0.71 mm)。

セラミックパネルの衝撃試験: かみ合い角度 (θ = 20°、25°、および 30°) およびブロック数 (3 × 3、5 × 5、および7×7）。

図6a、bは、噛み合い角度（θ = 20°、25°、および30°）とブロックの数（3 × 3、5 × 5、および 7 × 7)。 観察された違いは、剛性、強度、エネルギー吸収の変化に変換されます。 プレーンパネルは、θ = 20°の 5 × 5 ブロックパネルと同じように変形します。 一般に、3 × 3 ブロック パネルを除き、かみ合い角度が小さいパネルほど最大変形量が大きくなりました。 図 6b から、5 × 5 および 7 × 7 ブロック パネルは、3 × 3 ブロック パネルと比較して、最大たわみに達するまでにより長い時間がかかったことがわかります。 5 × 5 および 7 × 7 ブロック パネルも、より高い最大たわみを示します (図 6a を参照)。 建築セラミックスの強度は、材料システム内の摩擦界面のため、プレーンパネルの強度よりも著しく低いことが予想されます。 ただし、これは個人用保護具などの柔軟な保護には有利です。 エネルギー吸収性の向上により、セラミックシステムに多段ヒットに対する耐性が与えられます。 重要なのは、アーキテクチャーされたセラミックはシステムに伝達される応答負荷を少なくできることです。これは、装甲およびシールドの用途にとってもう 1 つの利点です。 ブロック間の機械的相互作用が増加するため、パネルの剛性は連結角度とともに増加すると予想されます。

建築セラミックスとプレーンセラミックスの特性: (a) 最大変形、(b) 連動角度 (θ = 20°、25°、30°) とパネルの数の関数としてのパネルの最大変形対最大変形時の時間ブロック（3×3、5×5、7×7）。

私たちは、ピコ秒ファイバー レーザー システムを使用した、高効率で汎用性の高いサブトラクティブ マニュファクチャリング技術を実証しました。 材料除去システムにおける重要なレーザープロセスパラメータを最適化することにより、トポロジカルに連動するセラミックスによる変形特性強化の製造と概念が、潜在的な拡張性とともに提示されました。 開発されたレーザー システムの性質により、アーキテクチャを高精度で制御することが可能になります。 構築されたセラミックスのマルチスケールレベルでのこの正確な制御により、潜在的なスケールアップの高度なセラミック製造において当社の技術が独自の利点をもたらします。 この技術の堅牢性により、大幅に異なる材料の人工構造のハイブリッド製造がさらに可能になります。 連結パネルは、ビルディング ブロックのテーパー設計により、衝撃荷重がかかると横方向に拡張する傾向があることがわかります。 横方向の膨張は固定具によって制限されるため、セラミック内では面内圧縮が発生します。 構成要素が互いに押し付けられるため、面内圧縮 (または弾性エネルギー) の一部は試験完了後もパネル内に維持されます。 たわみは連動角度とともに減少し、ブロック数が増加すると増加します。 建築パネルの構成要素の数を増やすと、製造に時間がかかり、より困難になります。 ただし、より多くの構成要素を含む（剛性が低い）建築パネルは、快適性がより重要な役割を果たす用途（つまり、人員用保護具など）により適しています。 逆に、構成ブロックの数が少ない構造パネルは強度が高く、これは装甲やシールドの用途に有利です。 開発された設計戦略は、連結角度、ビルディングブロックのサイズを調整し、パネル幅全体にわたってサイズと角度を変えることにより、幅広い工学用途をカバーする建築セラミックスの新しい設計空間を実証します。 開発されたセラミックパネルは、装甲用途 (つまり、人員保護具)26 または遮熱システム 27 に使用できます。

現在の研究中に生成されたデータセット、および/または現在の研究中に分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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この研究は、カナダ国立研究評議会 (NRC) の安全保障材料技術 (SMT) プログラム、助成金番号 HYBA22 によって資金提供されています。 著者らは、衝撃試験の技術アシスタントとして R. Desnoyers に感謝します。

航空宇宙製造技術センター、カナダ国立研究評議会、5145 Decelles Avenue、モントリオール、QC、H3T 2B2、カナダ

H. ヤズダニ サルベスタニ、I. エスマイル、Z. カッツ、B. アシュラフィ

構造および材料性能研究所、カナダ国立研究評議会、1200 Montreal Road、オタワ、オンタリオ州、K1A 0R6、カナダ

S. ジェイン、JH Sa、D. バックマン

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H. ヤズダニ サルベスタニまたは B. アシュラフィへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

Yazdani Sarvestani, H.、Esmail, I.、Katz, Z. 他インターロック設計、プログラム可能なレーザーの製造、および建築セラミックスのテスト。 Sci Rep 12、17330 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-22250-9

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受信日: 2022 年 8 月 23 日

受理日: 2022 年 10 月 12 日

公開日: 2022 年 10 月 15 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-22250-9

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