研究者らは、金属3Dプリントハニカム格子構造に対する荷重率の影響を研究している。

この投稿は Bingdunxiong によって 2024-5-15 13:12 に最後に編集されました

2024年5月15日、アンタークティックベアは、アイルランドのリムリック大学の研究者が、異なる速度で圧力を加えたときの金属3Dプリントハニカム格子の機械的特性を評価したことを知りました。

△研究成果は「積層造形316L鋼ハニカム構造の面内圧縮特性に対する荷重速度の影響」（ポータル）と題して、エンジニアリング構造誌に掲載されました。
チームは、レーザー粉末ベッド融合法 (LPBF) と材料押し出し法 (ME) を使用して、316L ステンレス鋼からこれらの構造物を 3D プリントしました。次に、さまざまな荷重率が金属格子、特に材料押し出しを使用して製造された金属格子に与える影響を調べるための実験が行われました。

この試験を通じて、研究著者のソロモン・オバディム博士とキリアコス・コウロウシス准教授は、金属 3D 印刷における材料押し出しに関する理解のギャップを埋めたいと考えています。具体的には、材料の押し出しを使用して信頼性の高い金属構造を製造できるかどうか、またその機械的特性が LPBF を使用して製造されたものと異なるかどうかを調べました。

△ハニカムの模式図、面内（X1とX2）および面外（X3）の荷重方向
金属 3D プリントハニカムの荷重速度の影響

オバディム氏とコウロウシス氏は、金属積層造形は多くの産業用途で採用が進みつつある技術であり、学術研究者からの注目も高まっており、その多くは LPBF 技術に集中していると述べています。したがって、レーザーベースの方法に代わる手頃な代替手段となり得る材料押し出しなどの他の方法についての理解にはギャップがあります。

研究者らは、3D プリントされた金属ハニカム格子における材料押し出しに対する準静的荷重率の影響を評価することで、このギャップを埋めようとしました。実際の用途では、これらの構造物は非常に大きな圧縮圧力を受けることがよくあります。

これまでの研究で、リムリック大学の研究者らは、細胞壁の厚さ、細胞の大きさ、相対密度などハニカムの主要な特徴が圧縮挙動に関係していることを強調した。これには、経験的モデルと方程式を使用して、プレッシャーの下でのパフォーマンスを予測することが含まれます。

これらの研究結果に基づいて、研究者らは材料押し出し3Dプリント技術を使用して、ハニカムサイズが6mmから7mmの金属ハニカム構造を製造しました。研究者らはまた、LPBF を使用して 2.45 mm の個々のハニカムを 3D プリントし、材料押し出しを使用して作成された部品と比較しました。

次に、3D プリントされたハニカムの側面に 0.5 mm/分と 600 mm/分の速度で圧縮荷重を加えました。試験中、格子の破損モードが DIC を使用して観察および分析されました。

△圧縮荷重を受けたハニカムの模式図研究者らは、テストから得られたいくつかの重要な発見を強調した。まず、材料押し出しとレーザー粉末床融合の 3D プリントハニカムはどちらも圧縮速度の影響を受けます。単位体積あたりの吸収エネルギー、降伏応力、圧縮応力の増加は、荷重率の増加に直接関係します。しかし、構造の弾性係数と緻密化ひずみは圧縮率によって変化しませんでした。

研究者らは、材料押し出し法で 3D プリントされたハニカムの場合、密度と剛性が高い小型ハニカム (6 mm) の方が、大型ハニカム (6.5 mm と 7 mm) よりも圧縮時の強度が高いことも発見しました。この研究では、圧縮プロセス中の温度上昇が熱軟化につながる可能性も指摘されている。

さらに、DIC デジタル画像では、ハニカムが圧縮率に応じて変形していることが示されました。研究者らは、垂直の「I」字型、「X」字型の帯、斜めの剪断型変形を含む 3 つの特定の変形パターンを観察しました。

△ ユニットサイズが 6.0 mm、6.5 mm、7.0 mm の押し出しハニカムの異なる荷重率での降伏応力、圧縮応力、弾性率 (EH) の実験結果。最後に、この研究では、同じ形状とサイズのハニカムでも荷重率に対する感度が異なる可能性があることがわかりました。オバディム氏とコウロウシス氏はまた、構造の圧縮挙動が 3D 印刷プロセスによって影響を受けると結論付けました。たとえば、押し出し材料から作られたハニカムは、圧縮されるとより大きな変動を示します。

実験分析に続いて、研究者らは既存の経験モデルを使用して調査結果を検証しましたが、そのモデルは実験結果をほぼ反映していました。研究の著者らは、圧縮荷重中の準静的荷重状態におけるひずみ速度の影響を考慮した新しいモデルも提案した。実際、この新しいモデルにより、研究者は圧力下で非常にゆっくりとした速度で圧縮されたときに構造物がどのように反応するかをより正確に予測できるようになります。

研究者らは、金属3Dプリントハニカム格子構造に対する荷重率の影響を研究している。

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