南洋理工大学: 積層造形による微細構造設計による軽量機械メタマテリアルの機械的特性向上

出典: マテリアルサイエンスネットワーク

はじめに: 積層造形 (AM) の出現により、複雑な幾何学的特徴を持つ軽量の機械的メタマテリアルの製造が容易になりました。ここで、南洋理工大学の周坤教授のチームは、メタマテリアルの大幅な性能向上に対する微細構造と構造設計の貢献に焦点を当てました。レーザー粉末床融合技術により、球状の穴を持つ立方板格子を作製しました。熱履歴と結果として生じる特性を変更するために一般的に使用される AM パラメータの最適化とは異なり、Zhou Kun 教授らは、結晶学と AM 特性にヒントを得た、構築方向を傾けるというシンプルな戦略を採用しました。通常の建築方向と比較して、傾斜建築方向では、印刷板格子の微細構造が（100）優位から（111）および（101）優位に変化し、粒径が大幅に微細化され、印刷板格子の圧縮強度とひずみがそれぞれ30％と10％増加します。メタマテリアルの性能をさらに調整するために、波状プレートのトポロジー設計を統合し、性能の等方性を改善し、衝撃の減衰を高めました。これにより、微細構造と構造設計を組み合わせることで、最適化された付加製造メタマテリアルへの道が開かれます。

機械的メタマテリアルは、合理的に設計された形状によって実現される優れた機械的特性と独自の応答を特徴とする新しいクラスの建築材料です。これらの材料には、高い剛性、極めて高い強度対重量比、強化されたエネルギー吸収能力、調整可能な波動伝播特性、荷重に依存する負のポアソン比、形状変形応答など、多くの利点があります。計算モデリングの進歩、特に人工知能の統合は設計分野に革命をもたらし、複雑な形状の作成や機械的メタマテリアルの逆機能設計を可能にしました。大きな可能性を秘めているにもかかわらず、複雑な特性のため、鋳造、鍛造、機械加工などの従来の製造方法では生産できません。電気化学堆積や直接レーザー書き込みなどの他の高度な製造技術も有望視されていますが、その拡張性には依然として限界があります。さまざまな業界で機械的メタマテリアルの利点を最大限に活用するには、スケーラブルな製造方法が不可欠です。

新たな付加製造 (AM) 技術のレイヤーごとの製造モードでは、非常に高い精度で複雑な形状を作成できます。この進歩により、マイクロスケールのユニットセルのほぼ等方性ネットワークを通じて超軽量かつ超剛性の機械的特性を実現する八面体トラスマイクロラティスが開発されました。フォトポリマーマイクロラティスは、投影マイクロステレオリソグラフィーを使用して製造され、サポートサイズが約 40 μm の高精度を実現しました。同様に、2 光子リソグラフィー直接レーザー書き込み技術を使用して、8 メンバートラス設計のセラミックナノラティスを準備し、5 ～ 60 nm の範囲のサポート厚さを形成しました。ポリマーやセラミックで作られたこれらのマイクロ/ナノ格子は優れた機械的特性を備えているため、バイオメディカルや半導体産業における微視的用途に適しています。しかし、構造工学においては、重要な部品に対する工業規格の厳格な要件として、大型の金属部品の使用が求められています。レーザー粉末床溶融結合（LPBF）プロセスは、優れた機械的特性を持つ大型金属メタマテリアルの製造に効果的に使用されています。現在、金属積層造形プロセスの解像度は、レーザービームのサイズ、粉末粒子のサイズ、金属プリンターの層の厚さなどの要因によって制限されています。通常、マイクロレーザーのスポットサイズの最終解像度は約 15 μm、粉末サイズは 5 ～ 25 μm、層の厚さは 10 μm、平均壁の厚さは約 100 μm です。これらの制限にもかかわらず、高性能メタマテリアルの継続的な開発は、積層造形プロセスのプロセスエンジニアリングを通じて実現可能です。この開発により、現在の制限に対処し、航空宇宙、海洋、オフショアなどの業界の厳しい要件を満たす、構造工学アプリケーション向けのより大きく複雑な金属構造物の製造が可能になる可能性があります。

付加製造によって得られる製造の自由度により、強化されたメタマテリアルの多くの新しい設計が促進されました。「メタ結晶」格子構造は、粒界、析出、異種第 2 相硬化などの単位セルからの硬化メカニズムを可能にするように設計および製造されています。この硬化プロセスは、面心立方 (FCC) と体心立方 (BCC) の格子セル間の境界と、固有の硬度を持つ内部格子析出物を組み合わせることによって実現されます。研究者らはさらに、格子構造の降伏破壊を減らすために、「メタ粒子」格子界面付近の格子空間配向の設計を研究した。局所的なせん断帯によって引き起こされる全体的な破損の可能性が大幅に減少し、要素粒子のサイズを縮小することで格子構造の強度を向上させることができます。機械的メタマテリアルの設計は、生体材料や複合材料の概念からもインスピレーションを得ています。たとえば、柔らかいマトリックスと硬い格子を組み合わせた二相複合格子構造が開発され、剛性、強度、靭性が向上し、比エネルギー吸収が 2.5 倍に増加しました。初期設計からテスト段階まで、複雑な形状の構造をうまく製造することは、超強力な機械的メタマテリアルの開発における重要なケーススタディです。しかし、等方性弾性メタマテリアルの理論的限界は、分析実験やマイクロスケール実験においてロッドベースの格子よりも高い全体的な剛性を示すプレートベースの格子によって挑戦されてきました。したがって、大規模なプレートベースの格子を製造する技術の開発は、近い将来、超強力な機械的メタマテリアルの産業的導入に貴重な洞察をもたらすでしょう。

付加製造プロセスのもう 1 つの利点は、冷却速度が速いことです。これにより、特定の材料が大幅に改善される可能性があります。たとえば、AM で製造されたステンレス鋼や高エントロピー合金は、通常、鋳造合金や鍛造合金に比べて強度と延性が同時に向上します。これらの微細構造の特徴は、使用される AM プロセスパラメータによって決まります。さらに、これらのプロセスパラメータは、他の材料特性に悪影響を及ぼす可能性のある印刷欠陥、残留応力、異方性動作を最小限に抑えるために重要です。積層造形用の金属機械メタマテリアルの設計に関する現在の研究は、主に構造設計に焦点を当てており、最終製品の微細構造的特徴や印刷戦略の最適化についてはほとんど考慮されていません。したがって、機械的な強化に対する AM の可能性を最大限に活用するには、微細構造、印刷プロセス、およびアーキテクチャ設計の間で微妙なバランスを同時に達成する必要があります。この多次元最適化アプローチにより、マクロスケールの格子構造からマイクロスケールの固有の微細構造まで、優れた特性を持つ機械的メタマテリアルの追求が可能になります。

この研究は、LPBF システムを使用した積層造形設計を通じて、プレート格子の機械的特性を改善することを目的としています。構造形状と微細構造の特徴を戦略的に統合することにより、ビルド方向を傾けるというシンプルでありながら効果的な印刷戦略を通じて、プレート格子の特性を微調整できます。その結果、このアプローチにより、微細な粒子を持つ自然に多様な結晶構造が生成され、エネルギー吸収が大幅に向上します。このアプローチは、プレート波形を備えたプレート格子の製造にまで拡張され、この戦略の汎用性を実証します。この戦略では、さまざまな荷重方向での優れた均一性と、より柔軟な変形メカニズムによって、等方性と衝撃減衰を同時に強化できます。この研究は、付加的に製造された機械的メタマテリアルのマルチスケール最適化のための革新的な方向性を示しています。

関連する研究結果は、「微細構造と構造設計によって実現される機械的特性を強化した金属メタマテリアルの付加製造」というタイトルで、International Journal of Machine Tools and Manufacture に掲載されました。

リンク: https://www.sciencedirect.com/sc ... 24000580?via%3Dihub

表1.ジョンソン・クックひずみ硬化および速度感度パラメータ表 2。 SS316L粉末の化学組成。図1に示すように。プレートベースの中空単純立方 (HSC) 格子の設計原理と幾何学的構造、および細孔サイズが機械的特性に与える影響を紹介します。 (a) LPBFテクノロジープレートベースの単純な立方体構造の概念開発。 (b) SC 単位セルと (c) 小さな穴のある中空の単純立方単位セル内の粉末粒子の流動性の模式図。穴と粉末除去の可能性のある経路はそれぞれ赤い円と黒い矢印で表されます。プレートベースの HSC 構造の概念的なレイアウトと、その想定される粒成長、最大熱勾配方向、および (d) 垂直方向 (VO) と (e) 斜め方向 (TO) のスキャン戦略。黄色の矢印は、LPBF で製造されたサンプルの歪んだ水平プレートを指しています。 (図の凡例の色の説明については、この記事の Web 版を参照してください。) 図 2。 HSC グリッドの設計と構造解析。 (a) 単純な立方体プレートと 4 × 4 × 4 HSC 構造に基づく典型的な RVE モデルの等角図と正面図。幾何学的パラメータの注釈付き。 (b) 異なる細孔サイズ（S：小、M：中、L：大）におけるRVEモデルのヤング率。有限要素解析と実験結果の比較: (c) 異なる細孔サイズの HSC 構造に対応する比弾性率、(d) 特定のプラットフォーム応力、(e) エネルギー吸収容量、および (f) 異なる細孔サイズの HSC 構造の応力-ひずみ曲線。誤差バーは平均±SD（n = 3）を表します。図3に示すように。積層造形における構築方向を変更することで、プレートベースの SC 結晶構造の強度を大幅に向上させることができます。 (a) 準静的圧縮下におけるVOおよびTOサンプルの応力-ひずみ挙動。 (b) さまざまな SS316L 格子構造のエネルギー吸収能力の Ashby 図。図4に示すように。構築方向を変更して、HSC ラティス内の木目テクスチャを最適化します。 (a) VO モデルと (b) TO モデルにおける薄壁の結晶粒成長。逆極点図は、(c) vo-built 格子内の強い <100> 粒組織と (e) to-built 格子内の強い <101> および <111> 粒組織を示しています。 (d) vo 構築格子と (f) to 構築格子の逆極点図マッピングとシュミット因子マッピング。図5に示すように。準静的圧縮下における CSC 構造の機械的特性。 (a) 単純な立方体単位セルに適合した波状デザインの断面図。 CSC 設計の概略図: (b) CSC-SS と (c) CSC-MS および RVE モデルによって計算されたヤング率。 SS は小さい曲率と小さい絞りを意味し、MS は中程度の曲率と小さい絞りを意味します。 (d) ツェナー比は波長板の曲率が増加するにつれて向上します。 (e) TO戦略を等方性CSC-SS設計に調整した後のエネルギー吸収能力の回復。図6に示すように。準静的圧縮下での実験結果と数値結果を比較すると、CSC-MS 構造の応力分布がより均一であることが示されています。図7に示すように。 (a) xz 方向と (b) xy 方向の 5% 圧縮ひずみ、および (c) xz 方向と (d) xy 方向の 10% 圧縮ひずみにおける CSC-SS、CSC-MS、および CSC-LS の応力線図。図8に示すように。動的ドロップハンマー衝撃下における CSC 構造の機械的特性: (a) 時間の経過に伴う反力の数値比較、(b) 異なる波形パラメータ下における構造の応力 - ひずみ曲線。図9に示すように。初期力ピーク（ステージ I）と衝撃後プラトー（ステージ II）におけるさまざまなモデルの応力分布コンター。図10に示すように。さまざまな HSC および CSC 構造の衝撃エネルギー散逸率: (a) 塑性散逸エネルギーと (b) 運動エネルギー。図11に示すように。動的衝撃試験における HSC-S および CSC-SS 構造の実験的検証は、実験結果と数値結果を比較することによって行われます: (a) 時間の経過に伴う反力の変化、(b) 最初の衝撃前 (ステージ I) と後 (ステージ II) の CSC-SS 試験片の変形。この研究では、付加的に製造されたメタマテリアルの性能を向上させるために、微細構造設計と構造設計の組み合わせを提案しています。 LPBF プロセスを使用して、異なる波状性と粉末除去特性を持つプレートグリッドが作成されました。数値シミュレーションと実験検証により、機械的メタマテリアルの最適化された設計が検証されます。

1) 積層造形プロセスにおいて、結晶構造の制御に着想を得た傾斜した造形方向の印刷戦略により、(101)および(111)の優先テクスチャと微細粒子を備えた微細構造が構築されます。準静的圧縮テストでは、微細構造の変更により、通常の構築方向と比較して、強度が 30% 増加し、ひずみが 10% 増加し、エネルギー吸収が 45% 改善されました。

2) 構造設計をさらに改善し、波動カイラリティ設計にヒントを得た波板を導入することで、プリントプレートグリッドの衝撃減衰が微調整され、ツェナー比が 140% 向上しました。変形プロセスにより、波板のコンプライアンスが向上し、長期間にわたって高い衝撃力が緩和されます。

この革新的な研究は、微細構造、プロセス、アーキテクチャの設計を統合した積層造形技術によって製造される金属機械メタマテリアルの特性向上への道を開きます。この戦略は、高い強度、軽量化、高いエネルギー吸収能力を必要とするエンジニアリングアプリケーションに大きな進歩をもたらす可能性があります。

南洋理工大学: 積層造形による微細構造設計による軽量機械メタマテリアルの機械的特性向上

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