연동 설계, 프로그래밍 가능한 레이저 제조 및 건축 세라믹 테스트

Oct 07, 2023

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 17330(2022) 이 기사 인용

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견고하고 충격에 강한 세라믹 시스템은 기존의 부서지기 쉬운 세라믹이 제공하는 것 이상의 다양한 놀라운 기회를 제공합니다. 그러나 이러한 약속에도 불구하고 고도로 제어 가능하고 확장 가능한 방식으로 이러한 고급 세라믹 구조를 제작하기 위한 전통적인 제조 기술의 가용성은 상당한 제조 병목 현상을 야기합니다. 본 연구에서는 정밀하고 프로그래밍 가능한 레이저 제조 시스템을 사용하여 위상적으로 연동된 세라믹을 제조했습니다. 이 제조 전략은 특히 확장성을 고려할 때 정밀한 재료 구조와 정량적 공정 제어를 위한 실현 가능한 메커니즘을 제공합니다. Near-net 성형에 접근하는 최적화된 재료 제거 방법은 낮은 하중을 받는 다양한 아키텍처(즉, 연동 각도 및 빌딩 블록 크기)를 사용하여 위상적으로 연동된 세라믹 시스템(접촉 및 마찰에 의해 상호 작용하는 빌딩 블록의 하중 전달 어셈블리)을 제작하는 데 사용되었습니다. 속도 충격 조건. 이러한 영향은 3D 디지털 이미지 상관관계를 사용하여 평가되었습니다. 최적의 연동 세라믹은 유연한 보호에 유리한 다른 연동 세라믹보다 더 높은 변형(최대 310%)을 나타냈습니다. 맞물림 각도와 블록 크기 조절, 마찰 미끄럼 조절, 블록 손상 최소화 등을 통해 성능을 조정했다. 또한, 개발된 절삭 가공 기술을 통해 뛰어난 다용성과 확장성을 갖춘 견고하고 충격에 강하며 손상에 강한 세라믹 시스템을 제작할 수 있습니다.

견고하고 충격에 강한 세라믹 시스템은 항공우주, 해양, 자동차, 건설 및 갑옷 응용 분야의 재료 및 구조에서 지속적인 혁명을 나타냅니다1. 뛰어난 특성(예: 저밀도, 높은 압축 강도, 높은 열 안정성, 높은 산화 및 부식 저항성)과 향상된 인성 및 다중 충격 저항성은 기존의 견고한 세라믹 시스템에 비해 고유한 이점을 제공합니다. 수많은 가능성 중에서 견고한 세라믹은 가스 터빈 엔진, 첨단 또는 노즐 엔진 부품의 열 보호 시스템과 같은 극단적인 열-기계적 조건에 이상적인 후보로 나타났습니다2. 특히 건축 세라믹은 고급 엔지니어링 응용 분야에서 높은 기계적 성능(즉, 강성, 견고성, 다중 충격 방지 및 손상 내성)으로 인해 상당한 주목을 받았습니다3. 뼈4, 진주층5, 치아 법랑질6 또는 스폰지 스피큘7과 같은 생물학적 재료에서 볼 수 있듯이 개별 구성 요소 수준의 고유한 견고하고 부서지기 쉬운 특성은 생체 영감을 통해 전체 구조 수준에서 향상된 인성으로 성공적으로 변환될 수 있습니다. 강인성 향상을 제공하는 생체 영감 전략 중에서 "위상학적으로 맞물리는 개념"은 약한 인터페이스를 따라 결합된 단단하고 견고한 빌딩 블록으로 구성됩니다8,9,10. 문제는 기계적으로 강화된 구조를 정확하고 산업적으로 확장 가능한 제조에 있습니다8,11,12,13.

고급 절삭 및 적층 제조 기술은 모두 정교한 건축 디자인14,15을 갖춘 건축 세라믹 제조를 위한 유망한 솔루션으로 등장했습니다. 고려된 절삭 가공 기술에는 고급 레이저 시스템을 사용하여 취성 재료(예: 유리)의 3차원(3D) 아키텍처를 개발하여 준정적 및 저속 충격 하중16에 대한 저항력을 향상시키는 것이 포함됩니다. 그러나 취성 재료 가공에 절삭 가공 기술을 사용하는 데에는 상당한 단점이 있습니다. 이러한 엔지니어링 장애물의 예로는 다양하고 서로 다른 레이저 설정, 재료 구성 및 두께, 기하학적/위상학적 목표에 대한 프로세스 매개변수 최적화의 복잡성이 포함됩니다. 절제율17,18에 대한 플루언스의 영향, 표면 거칠기에 대한 래스터 피치의 영향, 절단 품질에 대한 이동 속도 및 초점 위치20를 포함하여 다양한 파이버 레이저 매개변수의 매개변수 효과에 대한 중요한 조사가 진행되었습니다. 이번 연구 결과에 따르면 절제 절단 시 잔물결이 최소화되고 균열이 제거되는 것으로 나타났습니다. 위상적으로 연동된 유리 또는 세라믹10,21의 설계 및 조립(예: 기계 가공, 주조 또는 적층 제조)에 대한 많은 연구가 수행되었지만 정밀하고 거의 그물에 가까운 성형 및 산업적으로 확장 가능한 절삭 제조 기술을 개발하는 데는 덜 고려되었습니다. 그러한 구조의 도자기를 제작합니다.