3Dプリントと形状記憶合金の組み合わせ:テキサスA&M大学とサンディア国立研究所がアクティブインターロッキングメタサーフェスを開発

3Dプリントと形状記憶合金の組み合わせ:テキサスA&M大学とサンディア国立研究所がアクティブインターロッキングメタサーフェスを開発
2024年11月、アンタークティックベアは、テキサスA&M大学とサンディア国立研究所の研究チームが最近、 Materials & Design誌にインターロッキングメタマテリアル(ILM)に関する重要な研究を発表したことを知りました。研究タイトルは「形状記憶合金によって実現されるアクティブなインターロッキングメタサーフェス」です。この研究では、形状記憶合金(SMA)と3Dプリント技術を使用して、航空宇宙、ロボット工学、バイオメディカルデバイスに革命的な変化をもたらすと期待される新しいタイプのアクティブ連動メタサーフェス技術を開発しました


背景 インターロッキング メタサーフェスは、一連のインターロッキング機能を通じて隣接するオブジェクト間の力を伝達し、動きを制限する新しい接続テクノロジーです。従来のインターロッキング メタサーフェスは通常、パッシブな設計になっており、接続または切断するには外部からの力が必要です。しかし、テキサス A&M 大学の研究チームは、形状記憶合金 (具体的にはニッケルチタン合金) を統合することで、特定の温度で自動的に開閉できるアクティブな連動メタサーフェスを実現することに成功しました。


△2つの連結メタ表面の単位構造

研究方法●研究チームは、ほぼ等原子比のニッケルチタン粉末とレーザー粉末ベッド融合(L-PBF)3D印刷技術を使用して、異なる構成の2つの連結メタサーフェスアレイを設計および製造しました。

●印刷部品の品質を確保するために、研究チームは体系的なプロセス最適化フレームワークに従い、シングルトラック実験から始めて、徐々に分析モデルを構築し、最終的に印刷実現可能性マップを構築しました。

●さらに、研究チームは有限要素解析(FEA)を使用して、係合・解放サイクル中に発生するひずみ値を予測しました。

熱機械試験により、準備されたインターロッキングメタサーフェスコンポーネントは、完全な形状回復能力と良好なサイクル安定性を備えながら、噛み合った状態で非常に高いロッキング力を示すことが研究で判明しました。デジタル画像相関 (DIC) により、FEA 予測の精度がさらに検証されました。光学顕微鏡分析により、印刷された部品にはほとんど欠陥がなく、密度は 99.9% 以上であることが示され、L-PBF 技術が高品質の NiTi 合金インターロッキング メタサーフェスを効果的に製造できることが実証されました


△ (a) Solidworks ニチノール材料モデルを使用したピンチグリップ (PG) 設計ユニット構造の 3D モデリングと等価ひずみのシミュレーション。(b) 原子比に近いニッケルチタン合金で作られた PG 設計の 3D モデル。(c) 拡張アンカー (EA) 設計ユニット構造の 3D モデリングと等価ひずみのシミュレーション。 (d) ほぼ等原子比の NiTi 粉末を使用して 3D プリントされた EA 設計モデル。

応募の見通し<br /> この新しい技術は、構造部品の接続強度と安定性を向上させるだけでなく、インテリジェントで適応性の高い構造の設計に新たな可能性をもたらします。例えば、航空宇宙分野では、アクティブインターロッキングメタサーフェスを使用して再構成可能な航空機部品を設計できます。ロボット工学では、より柔軟で適応性の高い関節を提供できます。バイオメディカルデバイスでは、体温や体の動きの変化に応じてインプラントやプロテーゼの状態を調整できるため、患者に優れた治療効果を提供できます。

結論 テキサス A&M 大学とサンディア国立研究所の研究結果は、形状記憶合金と 3D 印刷技術を使用してアクティブに連動するメタサーフェスを開発する大きな可能性を示しています。研究チームは今後も設計の最適化を続け、より多くの応用シナリオを模索し、この最先端技術の実用化と開発を推進していきます。
オリジナルリンク: https://www.sciencedirect.com/sc ... rr=8b0167a679c14632


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