Ineinandergreifendes Design, programmierbare Laserfertigung und Prüfung für Architekturkeramik

Oct 07, 2023

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 17330 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Zähe und schlagfeste Keramiksysteme bieten eine Vielzahl bemerkenswerter Möglichkeiten, die über die herkömmlicher spröder Keramik hinausgehen. Doch trotz ihrer Versprechen stellt die Verfügbarkeit traditioneller Fertigungstechniken zur Herstellung solch fortschrittlicher Keramikstrukturen auf eine gut kontrollierbare und skalierbare Weise einen erheblichen Fertigungsengpass dar. In dieser Studie wurde ein präzises und programmierbares Laserfertigungssystem zur Herstellung topologisch ineinandergreifender Keramiken verwendet. Diese Fertigungsstrategie bietet praktikable Mechanismen für eine präzise Materialarchitektur und quantitative Prozesskontrolle, insbesondere unter Berücksichtigung der Skalierbarkeit. Eine optimierte Materialentfernungsmethode, die sich einer endkonturnahen Formgebung nähert, wurde eingesetzt, um topologisch ineinandergreifende Keramiksysteme (tragende Anordnungen von Bausteinen, die durch Kontakt und Reibung interagieren) mit unterschiedlichen Architekturen (d. h. ineinandergreifenden Winkeln und Bausteingrößen) herzustellen, die niedrigen Temperaturen ausgesetzt sind. Geschwindigkeitsaufprallbedingungen. Diese Auswirkungen wurden mithilfe der 3D-Digitalbildkorrelation bewertet. Die optimal ineinandergreifenden Keramiken zeigten eine höhere Verformung (bis zu 310 %) als die anderen ineinandergreifenden Keramiken, die für flexible Schutzvorrichtungen vorteilhaft sind. Ihre Leistung wurde durch die Steuerung des Verriegelungswinkels und der Blockgröße, die Anpassung des Reibungsgleitens und die Minimierung von Schäden an den Bausteinen optimiert. Darüber hinaus führt die entwickelte subtraktive Fertigungstechnik zur Herstellung robuster, schlagfester, schadenstoleranter Keramiksysteme mit hervorragender Vielseitigkeit und Skalierbarkeit.

Robuste und schlagfeste Keramiksysteme stellen eine ständige Revolution bei Materialien und Strukturen für Luft- und Raumfahrt-, Schifffahrts-, Automobil-, Bau- und Panzerungsanwendungen dar1. Ihre herausragenden Eigenschaften (z. B. geringe Dichte, hohe Druckfestigkeit, hohe thermische Stabilität sowie hohe Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit) sowie erhöhte Zähigkeit und Mehrfachschlagfestigkeit bieten einzigartige Vorteile gegenüber herkömmlichen starren Keramiksystemen. Unter den zahlreichen Möglichkeiten hat sich zähe Keramik als idealer Kandidat für extreme thermomechanische Bedingungen herausgestellt, beispielsweise für Wärmeschutzsysteme in Gasturbinentriebwerken, Vorderkanten- oder Düsentriebwerkskomponenten2. Insbesondere Architekturkeramiken haben aufgrund ihrer hohen mechanischen Leistung (d. h. steif, zäh, mehrfach schlagfest und schadenstolerant) in fortschrittlichen technischen Anwendungen große Aufmerksamkeit auf sich gezogen3. Die intrinsische Starrheit und Sprödigkeit auf der Ebene der einzelnen Komponenten kann durch Bioinspiration erfolgreich in eine erhöhte Zähigkeit auf der Ebene der Gesamtstruktur übertragen werden, wie dies bei biologischen Materialien wie Knochen4, Perlmutt5, Zahnschmelz6 oder Schwammnadeln7 der Fall ist. Unter den Bioinspirationsstrategien, die eine Steigerung der Zähigkeit bieten, besteht das „topologisch ineinandergreifende Konzept“ aus harten und steifen Bausteinen, die entlang schwacher Grenzflächen verbunden sind8,9,10. Die Herausforderung liegt in der präzisen und industriell skalierbaren Herstellung solcher mechanisch verbesserten Strukturen8,11,12,13.

Sowohl fortschrittliche subtraktive als auch additive Fertigungstechnologien haben sich als vielversprechende Lösungen für die Herstellung von Architekturkeramik mit anspruchsvollen Architekturdesigns herausgestellt14,15. Die betrachtete subtraktive Fertigungstechnik umfasst den Einsatz fortschrittlicher Lasersysteme zur Entwicklung dreidimensionaler (3D) Architekturen in spröden Materialien (z. B. Glas), was zu einer verbesserten Widerstandsfähigkeit gegen quasistatische und langsame Stoßbelastungen führt16. Der Einsatz subtraktiver Fertigungstechnologien zur Bearbeitung spröder Materialien weist jedoch erhebliche Nachteile auf. Beispiele für diese technischen Hürden sind die Komplexität der Prozessparameteroptimierung für verschiedene und unterschiedliche Laseraufbauten, Materialzusammensetzungen und -dicken sowie geometrische/topologische Ziele. Es wurden umfangreiche Untersuchungen zu den parametrischen Auswirkungen verschiedener Faserlaserparameter durchgeführt, einschließlich der Auswirkung der Fluenz auf die Ablationsrate17,18, des Rasterabstands auf die Oberflächenrauheit19 und der Verfahrgeschwindigkeit und Fokusposition auf die Schnittqualität20. Erkenntnisse aus dieser Forschung haben zur Minimierung von Wellen und zur Beseitigung von Rissen beim Ablationsschneiden geführt. Obwohl viele Studien zum Design und Zusammenbau (z. B. Bearbeitung, Gießen oder additive Fertigung) topologisch ineinandergreifender Gläser oder Keramiken durchgeführt wurden10,21, wurde der Entwicklung präziser, endkonturnaher Formgebung und industriell skalierbarer subtraktiver Fertigungstechniken dafür weniger Aufmerksamkeit geschenkt Herstellung solcher Architekturkeramiken.

In dieser Studie wurde ein effektives und effizientes Fertigungswerkzeug mit einem nahezu endformenden Materialentfernungssystem zur Herstellung topologisch ineinandergreifender Keramiken verwendet. Ein gepulstes Pikosekunden-Faserlasersystem wurde verwendet, um die Schnittfugenverjüngung (Schnittwinkel) zu steuern und tiefe, hochwertige Schnitte (dh die schwachen Grenzflächen) bei verkürzter Herstellungszeit zu erzielen. Für diese Untersuchung wurden topologisch ineinandergreifende Paneele ausgewählt, wobei verschiedene Bausteingrößen und Verriegelungswinkel getestet wurden. Die Platten wurden Stoßbelastungen mit niedriger Geschwindigkeit ausgesetzt, um die Durchbiegungseigenschaften der entworfenen Architekturen zu bewerten. Die Verformungs- und Verfestigungsmechanismen wurden weiter untersucht, um ein Verständnis der Struktur-Eigenschafts-Beziehung für jede der hergestellten Platten zu entwickeln. Während sich diese Arbeit auf die Implementierung topologisch ineinandergreifender Panels konzentriert, kann mit den beschriebenen Methoden eine breite Palette architektonischer Geometrien entwickelt werden.

Die Herstellung topologisch ineinandergreifender Keramikplatten ist ein komplexer Prozess, der ein grundlegendes Verständnis der optischen Eigenschaften des Substrats (z. B. Aluminiumoxid) erfordert. Eine zuvor entwickelte Methode22,23 nutzte ein kreisförmiges Wackelmuster, das vom Laserscanner gesteuert wurde, um den Aufbau von Restwärme, die Bildung von Mikrorissen und Änderungen der Materialeigenschaften zu minimieren. Für den Laserbearbeitungsprozess wurde ein Ytterbium-Pikosekundenfaserlaser (YLPP-25-3-50-R, IPG Photonics, USA) verwendet (siehe Abb. 1a, b). Eine Parameterstudie wurde durchgeführt, um die Qualität und Präzision der Schnitte zu bewerten und sicherzustellen, dass die gewünschten ineinandergreifenden Winkel effektiv hergestellt werden konnten. Die Steuerung der Schnittfugenverjüngung in den Aluminiumoxidproben wurde somit über ausgewählte Scanparameter erreicht. Der Verriegelungswinkel abgetragener Schnitte mit „V-förmigen“ Profilen kann mit \(\theta =\mathrm{arctan}\left(\frac{W}{2\mathrm{H}}\right)\) a bestimmt werden Funktion der Plattendicke (H) und der Taumelamplitude (W). Die aus verschiedenen Ablationsexperimenten gesammelten Daten werden gegen die geometrische Näherung aufgetragen, wie in Abb. 1a dargestellt. Die aufgezeichneten experimentellen Daten zeigen eine starke Korrelation mit der theoretischen Formulierung für die getesteten Wackelamplituden und veranschaulichen die Methodik für die Schnittfugenverjüngung und die Steuerung des Verriegelungswinkels. Beispielsweise könnte ein durchgehender Schnitt mit einem Wackelamplitudenbereich von 0,3–2,0 mm theoretisch Verriegelungswinkel im Bereich von 3,4° bis 21,5° erzeugen. Es gibt jedoch eine praktische Grenze für Wobble-Amplituden von weniger als 1,0 mm, da die einfallenden Laserpunkte durch die konischen Oberflächen der Schnitte abgeschnitten werden. Durch das Clipping-Phänomen wird ein Teil des Laserpunkts während des Schnitts unscharf, wodurch die Energiedichte des Schnittbereichs verringert wird. Mit abnehmenden Wobble-Amplituden wird das Clipping stärker, was die Fähigkeit des Lasers beeinträchtigt, Material innerhalb des Schnittbereichs abzutragen und durchgehende Schnitte auf 2,54 mm dicken Keramikplatten durchzuführen. Daher führen die langen Bearbeitungszeiten, die sich aus der verminderten Effizienz ergeben, nicht dazu, dass der vorhergesagte Eingriffswinkel durch die Taumelamplituden von 0,5 mm oder weniger für Schnitttiefen von mehr als 1,2 mm realisierbar ist. Wenn schließlich die Amplitude des kreisförmigen Wackelns zunimmt, nimmt die Strahlbeschneidung aufgrund der breiteren Schnittgeometrie ab. Tiefere Schnitte können daher nur bei größeren Schwankungsamplituden mit den 220 Durchgängen erreicht werden, die zum Durchschneiden der 2,54 mm dicken Keramikfliese erforderlich waren (bei einer Schwankungsamplitude von 1,5 mm).

(a) Geometrische Abhängigkeit des Verriegelungswinkels von der Plattendicke, (b) das Lasersystem und seine Ausrüstung, (c) schematische Darstellung der entwickelten Schnittprofile und (d) kreisförmige Taumelmusterformen und ihre Parameter.

In Abb. 1a–d wird ein Ansatz zur Vorhersage einer hochwertigen Architektur vorgeschlagen, der auf Wobble-Amplituden, Wobble-Frequenz, linearer Verfahrgeschwindigkeit und Anzahl der Durchgänge basiert. Erstens kann durch Eingabe eines Verriegelungswinkels (θ) und der Dicke der Keramikfliese (H) ein Satz praktisch realisierbarer Wackelamplituden berechnet werden, basierend auf \(\theta =\mathrm{arctan}\left(\frac{W} {2\mathrm{H}}\right)\), wobei W die Breite des Laserschnitts (oder die Wobble-Amplitude) ist. Um der Materialabtragsrate Vorrang vor der Bearbeitungszeit zu geben, wird eine Reihe niedriger Taumelfrequenzen und entsprechender linearer Geschwindigkeiten gewählt, sodass die Taumelteilung kleiner oder gleich 30 µm ist, um Keramikartefakte entlang der Schnittlinie zu minimieren und eine akzeptable Schnittqualität aufrechtzuerhalten. Anschließend wird anhand der Amplitude die spezifische Anzahl der Durchgänge ermittelt, um den endgültigen Eingriffswinkel zu erhalten. Schließlich kann der experimentelle Verriegelungswinkel mit den anfänglichen Eingaben verglichen werden, um die Wobble-Amplitude oder die Anzahl der Durchgänge anzupassen.

Aluminiumoxidkeramikplatten (Abmessungen = 113,24 × 113,24 × 2,54 mm3, gebrannte, nicht poröse Aluminiumoxidkeramik mit hoher Toleranz und einer Materialzusammensetzung von 96 % und einer Dichte von 3875 kg/m3, McMaster-Carr) wurden mit einer Diamantsäge in kleinere quadratische Platten geschnitten (M0D31, Struers, Dänemark). Die quadratischen Platten wurden so zugeschnitten, dass die Endabmessungen der endgültigen topologisch ineinandergreifenden Platten 50 × 50 mm2 betrugen. Die Daten in Tabelle 1 geben Aufschluss über die Größe der quadratischen Platten basierend auf der angestrebten Schnittfugenverjüngung oder dem angestrebten Verriegelungswinkel. Darüber hinaus wird die Abhängigkeit der Schnittfugenverjüngung von der Wobble-Amplitude des kreisförmigen Lasermusters dargestellt. Abbildung 2 veranschaulicht die Herstellungsschritte zur Herstellung der topologisch verzahnten Aluminiumoxidplatte mithilfe des Pikosekundenlasers. Zwei Linien im Abstand von Parameter β werden durch die Aluminiumoxidproben geschnitten (dh > 2,54 mm). Beispielsweise wird ein Endverzahnungswinkel von 15° angestrebt und die entsprechende Taumelamplitude von 1,337 mm eingestellt. Dies ergab einen gemessenen Schnittwinkel von 30° der durchgeschnittenen Probe. Die quadratische Probe wird dann um 90° um die vertikale Achse gedreht und auf der Unterseite umgedreht, um zwei zusätzliche Schnitte durch die Probe zu machen. Das endgültige Verbundpaneel wird durch Drehen der Randplatten zusammengebaut, wie in Abb. 2b gezeigt. Die Probe wurde dann mit Klebeband versehen und auf eine Stahlvorrichtung übertragen, die mit Kraftbolzen ausgestattet war, die so eingestellt wurden, dass sie die Platten ohne angelegte Vorkomprimierung einschlossen. Sobald die Bausteine ​​in der Halterung platziert waren, wurde das Klebeband entfernt.

(a) Herstellung einer topologisch verzahnten 15°-Keramik mit dem Laser-Materialentfernungssystem. Das kreisförmige Muster wurde zur besseren Veranschaulichung übertrieben dargestellt; in Wirklichkeit entspricht der Durchmesser der Schnittbreite. (b) Schematische Darstellung des Montageaufbaus für ein Architekturpaneel und die Vorrichtung. Die vier Profile mit den Kraftschrauben an den Seiten der Struktur wurden verwendet, um eine feste Eingrenzung in der Ebene zu erzwingen, die für die Verriegelung erforderlich ist, und (c) den Linienabstand, um eine Verriegelungsplatte von 50 × 50 mm2 zu erreichen.

Das entwickelte Laserbearbeitungsschema basiert auf früheren Arbeiten, die die Verwendung eines kreisförmigen Wackelmusters zur Erzielung präziser tiefer Schnitte beinhalten. Die Ablation für Tiefen bis zu 2,54 mm erfordert die Anpassung der Parameter während des Laserprozesses, primäre Erhöhungen der Laserenergiedichte und der Fokusposition. Schnitte mit flachem Winkel (z. B. 20° oder weniger) erfordern im Vergleich zu Schnitten mit größerem Winkel (z. B. 25° und 30°) aufgrund der geringeren Materialabtragsraten und der fortlaufenden Parameteranpassung längere Bearbeitungszeiten. Das für das verwendete spezifische Pikosekundenlasersystem implementierte Schema ist in Tabelle 2 dargestellt. Die Energiedichte der abgetragenen Schnitte wurde durch Verringerung der Wobble-Frequenz und -Geschwindigkeit geändert, um einen ausreichenden Materialabtrag in größeren Tiefen zu erreichen. Für flachere Winkel wurden diese mehrfach angepasst, um Durchschnitte zu erzielen. Die Fokusposition wurde nach 300 Durchgängen geändert, um den Gaußschen Strahl auf die Schnittgeometrie auf der Aluminiumoxidoberfläche neu zu fokussieren. Bei den größeren Winkeln war nur ein Einstellschritt erforderlich, um durchgehende Schnitte zu erzielen. Folglich hängt die Bearbeitungszeit zur Herstellung jedes Paneels vom Verzahnungswinkel und der Anzahl der Fliesen ab. Bei Paneelen mit den ineinandergreifenden Platten 3 × 3, 5 × 5 und 7 × 7 werden unterschiedliche Linienlängen und Linienabstände verwendet, um sicherzustellen, dass die endgültige Größe der ineinandergreifenden Paneele gleichbleibend 50 × 50 mm2 beträgt. Diese Abmessungen werden anhand der in Abb. 2c dargestellten geometrischen Beziehungen berechnet. Diese Abbildung stellt auch die beiden unterschiedlichen Verjüngungen der Keramikfliesen dar, die dafür sorgen, dass die Kanten mit benachbarten Fliesen ineinandergreifen. Der Wert für β entspricht dem Linienabstand der Schnitte des Pikosekundenlasers und variiert je nach Anzahl der Kacheln und Verzahnungswinkel. Vor der Herstellung der Platten wird in der Software des Pikosekundenlasers ein Schema entworfen, um den Abstand der Schnittlinien und die Abmessungen der Platte mithilfe des berechneten β-Werts zu steuern. In dieser Studie wurden die Architekturen (dh der Verriegelungswinkel und die Blockgröße) der Paneele geändert, ihre Gesamtabmessungen wurden jedoch konstant gehalten. Zusätzlich zu den Architekturkeramiken wurden zu Vergleichszwecken monolithische Keramiken mit identischen Gesamtabmessungen und einer identischen Dicke (dh 2,54 mm) hergestellt und getestet. Zugeschnittene Platten werden mithilfe einer Stahlvorrichtung mit vier verstellbaren Klemmen zusammengebaut. Abbildung 2b zeigt die 3 × 3-Plattenanordnung auf der Stahlbefestigung, bei der in den Ebenenrichtungen keine Druckkräfte ausgeübt werden. Die ineinandergreifenden Platten werden dann unter Stoßbelastung getestet.

Die strukturierten Keramiken wurden mit einer Fallgewichtsmaschine mit niedriger Geschwindigkeit auf der Grundlage der Richtlinien der ASTM-Norm D376324 bearbeitet. Der 5 mm große halbkugelförmige Impaktor mit einer Masse von 1030 g wurde verwendet, um die Last auf die Struktur aufzubringen. Die Halbkugel wurde in der Mitte der Struktur positioniert. Die anfängliche Aufprallgeschwindigkeit wurde auf 1,70 m/s eingestellt. Die Belastung des Impaktors und die Geschwindigkeit des Impaktors während des Tests wurden mithilfe einer Kraftmessdose (piezoelektrischer Penetrationslastsensor mit einer Lastkapazität von 22,5 kN) bzw. eines Geschwindigkeitsdetektors (einem Fotodetektorblock und einer Flagge) überwacht und aufgezeichnet.

Bei den Aufpralltests wurde ein 3D-DIC-System (Digital Image Correlation) verwendet, um die Verschiebung der Keramikplatten außerhalb der Ebene zu messen, wie in Abb. 3 dargestellt. Das stereoskopische DIC-System bestand aus zwei Hochgeschwindigkeitskameras (Photron SA- X) mit zwei Sigma-Objektiven (28–135 mm f/3,8–5,6 asphärisches IF-Makro), die auf die Aufnahme von Bildern mit 12.500 Bildern pro Sekunde (fps) und einer Auflösung von 1024 × 1024 Pixel eingestellt sind. Für eine gleichmäßige Ausleuchtung wurden zwei hochintensive LED-Leuchten (JAB Bullet) verwendet. Mit einem schwarzen Marker mit dünner Spitze wurde ein stochastisches Fleckenmuster auf die Oberseite der Keramik aufgetragen25. DIC-Daten wurden mit der Vic-3D-Software (Version 9, Corlated Solutions Inc.) analysiert.

Topologisch ineinandergreifende Keramiken: (a) 3 × 3, (b) 5 × 5, (c) 7 × 7 Anordnungen von Blöcken (30°) und (d) Aufpralltest bei niedriger Geschwindigkeit und DIC-Konfigurationen.

Der DIC-Algorithmus benötigt zwei Parameter, um ein Verschiebungsfeld über den interessierenden Bereich (Area of ​​Interest, AOI) zu berechnen: Teilmengengröße und Schrittgröße. Die Teilmengengröße definiert die Größe der quadratischen Bereiche, in die das AOI unterteilt wird, und die Schrittgröße bestimmt die Datendichte des berechneten Verschiebungsfelds. Für diese Tests musste die Teilmengengröße für jede Platte sorgfältig ausgewählt werden, um sicherzustellen, dass die Daten für jede Keramikfliese nicht fälschlicherweise durch die benachbarten Fliesen beeinflusst wurden. Die für diese Tests verwendeten Teilmengen und Schrittgrößen in Pixeln waren (15, 3), (31, 5) und (29, 8) für die 3 × 3-, 5 × 5- und 7 × 7-Block-Panels. jeweils.

Diese DIC-Analyse führte zu räumlich und zeitlich dichten Vollfeldverschiebungskarten. Um die Durchbiegung über die Platten im Laufe der Zeit zu untersuchen, wurde ein Linienprofil über die Mitten jeder Platte gezeichnet und die Verschiebung aus der Ebene entlang dieses Linienprofils in drei Schlüsselstadien für jede Platte extrahiert: vor dem Aufprall, bei maximaler Durchbiegung, und am Ende des Tests. In den Intervallen zwischen diesen Phasen wurden auch Daten extrahiert, sodass pro Panel insgesamt fünf Linien extrahiert wurden.

Wenn eine Architekturplatte einer Stoßbelastung ausgesetzt wird, führen die relative Verschiebung und Drehung der einzelnen Blöcke zu insgesamt großen Verformungen, während sie sich nicht wesentlich verformen. Da diese Relativbewegungen Reibungsgleiten verursachen, absorbiert die strukturierte Platte auch viel mehr mechanische Energie als eine einfache Platte aus demselben Material. Für reine Keramik; Ein Großteil der Energie wird jedoch durch Bruch spröder Materialien verloren. Die Architekturen und kontrollierten Verformungen an den schwachen Grenzflächen der Blöcke führen zu Keramik, einem spröden Material mit großer Verformung und hohem Energieabsorptionsvermögen. Abbildung 4 zeigt die Durchbiegung der Platten in fünf Belastungsstadien (vor dem Aufprall, zwischen, maximale Durchbiegung, zwischen, Ende des Tests) entlang der x-Richtung und ihrer Mittelpunkte der topologisch ineinandergreifenden Keramiken (Verzahnungswinkel von θ = 20°, 25°). , 30° und 3 × 3, 5 × 5, 7 × 7 Anzahl der Blöcke). Es ist zu beachten, dass die maximale Auslenkung aufgezeichnet wird, bevor die Kraft abfällt. Die strukturierten Keramikplatten verdeutlichen deutliche Unterschiede. Insbesondere das 5 × 5-Block-Panel weist unter allen topologisch ineinandergreifenden Panels die höchste Durchbiegung auf. Darüber hinaus zeigen die Architekturkeramiken (wie das 5 × 5-Block-Panel mit θ = 20° und das 7 × 7-Block-Panel mit θ = 25°) eine glockenförmige Reaktion, die mit einem fortschreitenden Versagen und Anzeichen von Zähigkeit verbunden ist Strukturen. Die strukturierten Paneele versagten durch ein fortschreitendes Herausdrücken des Mittelblocks durch den Impaktor. Die Auswirkungen des Verriegelungswinkels auf die Schlageigenschaften der Architekturkeramik sind in Abb. 4 dargestellt. Die Platten mit den kleineren Verriegelungswinkeln weisen eine höhere Durchbiegung auf. Beim Vergleich der Anzahl der Blöcke weisen die Keramikplatten mit den 5 × 5-Blockanordnungen eine um 310 % höhere Durchbiegung auf als die Platten mit den 3 × 3-Blockanordnungen mit dem gleichen Verriegelungswinkel (siehe Abb. 4).

Die durch DIC ermittelte Durchbiegung über die Platten in fünf Belastungsstufen: Architekturkeramik mit den ineinandergreifenden Winkeln (θ = 20°, 25° und 30°) und der Anzahl der Blöcke (3 × 3, 5 × 5 und 7 × 7). ).

Abbildung 5 zeigt das 3D-DIC-Verschiebungsfeld in z-Richtung für die ineinandergreifenden Keramiken. Die strukturierten Panels zeigen eine glockenförmige Reaktion und einen progressiven Ausfall. Die architektonischen Paneele versagten, weil der Impaktor die mittlere Kachel nach und nach herausdrückte, während die restlichen Kacheln intakt blieben. In den Architekturplatten wurden keine Biegerisse beobachtet. Durch die Segmentierung der Platten in Bausteine ​​verringert sich die Spanne, über die sich die Biegespannungen entwickeln, was zu einem Anstieg der Kraft führt, die erforderlich ist, um Biegerisse auszulösen. Da die zur Entstehung von Biegerissen erforderliche Kraft zunimmt, sind in den Architekturplatten keine Biegerisse zu beobachten. Die strukturierte Keramikplatte besteht aus Bausteinen und ihre Spannweite verringert sich (d. h. 3 × 3-, 5 × 5- und 7 × 7-Block-Platte = 1,67, 1 bzw. 0,71 mm).

Schlagprüfung von Keramikplatten: das 3D-DIC-Verschiebungsfeld in z-Richtung für die ineinandergreifenden Keramiken mit den Verriegelungswinkeln (θ = 20°, 25° und 30°) und der Anzahl der Blöcke (3 × 3, 5 × 5 und 7 × 7).

Abbildung 6a,b zeigt die maximale Verformung und die maximale Verformung im Vergleich zur Zeit, wenn die maximale Verformung für die strukturierte und einfache Keramik auftritt, als Funktionen des Verriegelungswinkels (θ = 20°, 25° und 30°) und der Anzahl der Blöcke (3). × 3, 5 × 5 und 7 × 7). Die beobachteten Unterschiede werden in Variationen in der Steifigkeit, Festigkeit und Energieabsorption umgesetzt. Das einfache Paneel verformt sich genauso stark wie das 5 × 5-Block-Paneel mit θ = 20°. Im Allgemeinen zeigten die Platten mit einem kleineren Verriegelungswinkel eine höhere maximale Verformung, mit Ausnahme der 3 × 3-Blockplatte. Aus Abb. 6b ist ersichtlich, dass die 5 × 5- und 7 × 7-Blockplatten im Vergleich zur 3 × 3-Blockplatte mehr Zeit brauchten, um ihre maximale Durchbiegung zu erreichen. Auch die 5 × 5- und 7 × 7-Blockplatten weisen eine höhere maximale Durchbiegung auf (siehe Abb. 6a). Es wird erwartet, dass die Festigkeiten der Architekturkeramik aufgrund der Reibungsschnittstellen im Materialsystem deutlich geringer sind als die der einfachen Platte. Dies ist jedoch bei flexiblem Schutz, etwa bei persönlicher Schutzausrüstung, von Vorteil. Die Verbesserung der Energieabsorption verleiht dem Keramiksystem eine Mehrfachschlagfestigkeit. Wichtig ist, dass bei der strukturierten Keramik weniger Reaktionslast auf das System übertragen werden kann, was ein weiterer Vorteil für Panzerungs- und Abschirmungsanwendungen ist. Es wird erwartet, dass die Steifigkeit der Paneele aufgrund der zunehmenden mechanischen Interaktion zwischen den Blöcken mit dem Verriegelungswinkel zunimmt.

Die Eigenschaften der strukturierten und einfachen Keramik: (a) maximale Verformung und (b) maximale Verformung über der Zeit bei maximaler Verformung der Platten als Funktionen des Verriegelungswinkels (θ = 20°, 25° und 30°) und der Anzahl Blöcke (3 × 3, 5 × 5 und 7 × 7).

Wir haben eine hocheffiziente und vielseitige subtraktive Fertigungstechnik mit einem Pikosekunden-Faserlasersystem demonstriert. Durch die Optimierung kritischer Laserprozessparameter im Materialentfernungssystem wurde eine potenzielle Skalierbarkeit der Herstellung und des Konzepts zur Verbesserung der Verformungseigenschaften durch topologisch ineinandergreifende Keramiken ermöglicht. Die Art des entwickelten Lasersystems ermöglicht eine Steuerung der Architekturen mit einem hohen Maß an Präzision. Diese präzise Kontrolle auf der Multiskalenebene der Architekturkeramik macht unsere Technik zu einzigartigen Vorteilen bei der potenziellen Scale-up-Hochleistungskeramikherstellung. Die Robustheit der Technik ermöglicht außerdem die hybride Herstellung technischer Strukturen aus völlig unterschiedlichen Materialien. Es ist zu erkennen, dass das ineinandergreifende Paneel aufgrund der konischen Bauweise der Bausteine ​​dazu neigt, sich unter der Stoßbelastung seitlich auszudehnen. Da die seitliche Ausdehnung durch die Vorrichtung begrenzt wird, kommt es innerhalb der Keramik zu einer Kompression in der Ebene. Ein Teil der in der Ebene liegenden Kompression (oder elastischen Energie) bleibt nach Abschluss des Tests im Panel erhalten, da die Bausteine ​​ineinander gepresst werden. Die Durchbiegung nimmt mit dem Eingriffswinkel ab und nimmt mit zunehmender Anzahl der Blöcke zu. Durch die Erhöhung der Anzahl der Bausteine ​​eines Architekturpaneels wird die Herstellbarkeit zeitaufwändiger und anspruchsvoller. Für Anwendungen, bei denen der Komfort eine wichtigere Rolle spielt (z. B. Schutzausrüstung für Personal), eignet sich jedoch ein Architekturpaneel mit einer höheren Anzahl an Bausteinen (das weniger steif ist) besser. Im Gegenteil, die Architekturplatten mit der geringeren Anzahl an Bausteinen weisen eine höhere Festigkeit auf, was für Panzerungs- und Abschirmungsanwendungen von Vorteil ist. Die entwickelte Designstrategie demonstriert einen neuartigen Designraum für die Architekturkeramik, der ein breites Spektrum technischer Anwendungen abdeckt, indem der Verriegelungswinkel und die Bausteingröße abgestimmt und Größe und Winkel über die Plattenbreite variiert werden. Die entwickelten Keramikplatten können für Panzerungsanwendungen (z. B. Personenschutzausrüstung)26 oder für Wärmebarrieresysteme27 verwendet werden.

Die während der aktuellen Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

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Die Arbeit wird vom Security, Materials Technologies (SMT) Program, Kanada, unter der Fördernummer HYBA22 des National Research Council Canada (NRC) finanziert. Die Autoren danken R. Desnoyers für den technischen Assistenten für Aufpralltests.

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H. Yazdani Sarvestani, I. Esmail, Z. Katz & B. Ashrafi

Labor für Strukturen und Materialleistung, National Research Council Canada, 1200 Montreal Road, Ottawa, ON, K1A 0R6, Kanada

S. Jain, JH Sa & D. Backman

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HY: Konzeptualisierung; Datenkuration; Formale Analyse; Untersuchung; Methodik; Aufsicht; Visualisierung; Rollen/Schreiben – Originalentwurf; Schreiben – Überprüfen und Bearbeiten. IE: Datenkuration; Untersuchung; Methodik; Schreiben – Überprüfen und Bearbeiten. ZK: Datenkuration; Untersuchung; Methodik; Schreiben – Überprüfen und Bearbeiten. SJ: Datenkuration; Untersuchung; Methodik; Schreiben – Überprüfen und Bearbeiten. JHS: Datenkuration; Untersuchung; Methodik; Schreiben – Überprüfen und Bearbeiten. DB: Konzeptualisierung; Formale Analyse; Akquise von Fördermitteln; Untersuchung; Methodik; Ressourcen; Software; Aufsicht; Schreiben – Überprüfen und Bearbeiten. BA: Konzeptualisierung; Formale Analyse; Akquise von Fördermitteln; Untersuchung; Methodik; Ressourcen; Software; Aufsicht; Schreiben – Überprüfen und Bearbeiten.

Korrespondenz mit H. Yazdani Sarvestani oder B. Ashrafi.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Yazdani Sarvestani, H., Esmail, I., Katz, Z. et al. Ineinandergreifendes Design, programmierbare Laserfertigung und Prüfung für Architekturkeramik. Sci Rep 12, 17330 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-22250-9

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Eingegangen: 23. August 2022

Angenommen: 12. Oktober 2022

Veröffentlicht: 15. Oktober 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-22250-9

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