付加的に製造された金属メタマテリアル:設計、製造、特性および用途

付加的に製造された金属メタマテリアル:設計、製造、特性および用途
出典: SCIシミュレーションスタジオ

メタマテリアルは、天然素材には見られない並外れた物理的特性を持つ人工素材です。付加製造 (AM) 技術の継続的な発展により、複雑なメタマテリアル構造を製造し、従来の方法では実現できない優れた特性を実現する新たな可能性が開かれました。この目的のために、本論文では、文献に記載されている金属メタマテリアルの設計、製造、性能試験、分類に関する最新の研究結果を収集し、さらに金属メタマテリアルの応用展望を詳しく説明して、将来のエンジニアリング応用の参考資料を提供します。さらに、金属メタマテリアルの製造には、複数の材料の融合など、注意を要するいくつかの困難があります。より複雑な負荷下でのメタマテリアルの機械的挙動をより深く理解するには、実験とシミュレーションの両方によるさらなる研究が必要です。



現在、研究者たちは、優れた機械的特性、エネルギー吸収性能、生体適合性など、金属メタマテリアルの多機能性の探求にますます関心を寄せています。この記事では、金属メタマテリアルの設計、製造、特性、および応用における最近の進歩について説明します。実験結果は、構造設計を変更することで適切な製造プロセスを選択できることを示しています。この記事ではいくつかのメタマテリアル設計構造について言及していますが、それらの目的はエンジニアリング要件を満たすことです。しかし、金属メタマテリアルの設計に関連するいくつかの側面については、まだ調査が必要です。将来の設計トレンドには、より複雑な微細構造設計、多機能統合設計、より正確な性能調整と革新的なアプリケーションのための最適化アルゴリズムの適用が含まれます。

さらに、積層造形技術は複雑な構造のメタマテリアルを作製するための理想的な選択肢であり、金属メタマテリアルの製造をより便利かつ効率的にします。しかし、メタマテリアルの応用には一定の限界がある。(1)複雑な構造物に残留する金属粉末を除去することは困難である。例えば、SLMやSLS技術を用いて板状メタマテリアルを作製する場合、キャビティ内の粉末を除去することが困難であり、成形精度が低下する。(2)作製したマルチマテリアルメタマテリアルの性能が低下する。成形原理と 2 つの材料の熱物理係数の違いによって制限されるため、効果的なインターフェースの組み合わせを実現することは困難です。たとえば、SLM、DED、FDM も、マルチマテリアル メタマテリアルを準備するときに同じ問題に直面します。将来的には、金属メタマテリアルの付加製造技術はより効率的かつ低コストになり、より高い精度と解像度を実現し、金属メタマテリアルの大規模な応用を促進するでしょう。過去の研究では、金属メタマテリアルの機械的特性のテストにおいて大きな進歩が遂げられてきました。さまざまな試験方法(圧縮、衝撃、曲げ)とシミュレーション方法を通じて、金属メタマテリアルの強度、靭性、弾性率などの機械的特性について深く研究しました。ただし、検出方法が不完全であるなど、一定の制限もあります。その他の機械的特性(疲労、ねじり、せん断など)も考慮する必要があり、エンジニアリングアプリケーションでは同様に重要です。シミュレーション手法は、メタマテリアルの機械的挙動を予測する上で重要な役割を果たします。複雑な構造の応力分布と変形モードを考慮し、実験研究に役立つ補足とガイダンスを提供できます。さらに、シミュレーションに機械学習を導入すると、複雑な機械的動作を予測するのにも役立ちます。

金属メタマテリアルは、そのユニークな特性により、防衛、航空、生物医学などの分野で幅広い応用が期待されています。例えば、国防分野では、メタマテリアルはステルス材料の製造に使用され、航空分野では、高速航空機の熱保護システムの製造に使用されます。技術の継続的な進歩により、金属メタマテリアルの応用分野は拡大し続け、人類社会の発展に新たな機会と課題をもたらします。

付加的、バイオニック

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