3D プリントを使用して、高温用途向けの高感度ひずみゲージを作成します。

飛行機、橋、計量所の共通点は何でしょうか?ひずみゲージと答えた方は正解です。これらの単純な装置は、物体にかかるひずみ、つまり引っ張る力を測定します。ひずみゲージに変形（伸張）を加えると、物体の抵抗が変化し、物体（飛行機の翼、橋、車など）が現在どの程度変形しているかがわかります。 3D プリントされたひずみゲージやセンサーはこれまでにも見られましたが、カーネギーメロン大学 (CMU) の機械工学准教授である Rahul Panat 氏は、感度を向上させながら高温アプリケーションでの使用を可能にする 3D プリントひずみゲージの新しい方法を開発した共同研究者チームを率いています。

「機械システムでたわみがあるところならどこでも、ひずみゲージが見られます。実際、多くの場所で見られます」と、同大学の NextManufacturing Center の一員でもあるパナット氏は言う。チームは、CMU (3D プリントに関する知識がある)、ワシントン州立大学、テキサス大学エルパソ校の研究者で構成されている。研究チームが開発した方法は、材料が別の方向に伸びたときにどれだけ縮むかを表す、いわゆるポアソン比を約40パーセント上回る。この比率は固体ひずみゲージの感度の限界であり、Pahat 氏によれば、固体材料の最大ポアソン比は約 0.5 です。

「収縮が大きいほど感度も高まるため、この新しい製造方法を使うことで、より感度の高いひずみゲージを作ることができます。この方法では、材料のナノ粒子を印刷し、制御された焼結によってこの多孔性を作り出します」とパナット氏は説明した。

従来の製造方法で作られたひずみゲージは、固体の薄膜の形をとります。しかし研究チームは、熱を利用して部分的に合体したナノ粒子の焼結を制御して多孔質フィルムを形成する、エアロゾルジェット3Dプリンティングを使用してひずみゲージを作成した。 3Dプリント方式により微細な気孔を多数含むこのフィルムは、伸ばすと固体フィルムよりも大きく縮みます。「フィルムの多孔性により、有効ポアソン比は約 0.7 になります。つまり、フィルムの所定の変形に対して、横方向の収縮が約 40 パーセント増加するということです。これにより、ひずみゲージの測定感度が大幅に向上します」とパナット氏は語った。

研究チームは最近、新しいアプローチに関する論文「高温用途向け 3D プリント高性能ひずみセンサー」を Journal of Applied Physics に発表しました。共著者には、Md Taibur Rahman、Russell Moser、Hussein M. Zbib、C.V. Ramana、Panat が含まれます。

要約によると、「高温物理測定用センサーの実装は、ドリフト電流、材料の酸化、熱歪み、クリープによって引き起こされる電気的安定性の低下のため、多くの現行技術および新興技術では非常に困難です。この論文では、3D プリントされたセンサーがメタマテリアルのような動作を示し、高感度、低熱歪み、強化された熱安定性などの優れた性能をもたらすことを初めて実証しました。センサーは、高度なエアロゾルジェットベースの添加剤印刷法を使用して銀 (Ag) ナノ粒子 (NP) で製造され、その後熱焼結が行われます。」

研究者らは、Optomec AerosolJet 300 シリーズシステムでセンサーを印刷し、最高 500°C の温度で周期的ひずみテストを実行しました。ひずみゲージの感度が向上したことに加え、測定係数は市販のゲージよりも約 60% 高いことがわかりました。

「材料は加熱されると自然に膨張するため、熱ひずみが発生します。私たちの場合、熱のみによる多孔質膜の全体的な膨張は、固体膜の膨張よりもはるかに小さかったです」とパナット氏は語った。「この新技術で作られたフィルムはそれほど大きくならないので、高温アプリケーションでのエラーを大幅に削減できます。」

これらの結果は、3D プリンティング技術が、原子力、航空宇宙、発電システムなど、高温を必要とする用途向けの高性能で安定したセンサーの製造に使用できる可能性があることを示唆しています。従来製造された固体ひずみゲージは熱による干渉によって生じる誤差の影響を受けやすいが、研究チームの 3D プリントされた多孔質ひずみゲージには同じ問題がない。

出典: 航空宇宙インテリジェンス

3D プリントを使用して、高温用途向けの高感度ひずみゲージを作成します。

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