[論文レビュー] On the additive manufacturing, post-tensioning and testing of bi-material tensegrity structures

Ada Amendola, Everth Hernández-Nava+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2015

Structural Analysis and Optimization参考文献 19被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、二段階の製造プロセスを用いたバイマテリアルテンスグリティ構造体の新規な作製法を提示する。まず、電子ビーム溶融法（EBM）を用いてチタン合金（Ti6Al4V）の角柱を添加製造で作成し、一時的な補助支持を施す。次に、Spectra繊維を用いて後処理で引張りをかける。得られた構造体は、軸方向圧縮荷重下で幾何学的非線形性と弾性的な剛性化挙動を示し、理論的予測を確認するとともに、スマートデバイスや音響応用向けの機械的メタマテリアルとしての可能性を示している。

ABSTRACT

An investigation on the additive manufacturing and the experimental testing of 3D models of tensegrity prisms and columns is presented. An electron beam melting facility (Arcam EBM S12) is employed to 3D print structures composed of tensegrity prisms endowed with rigid bases and temporary supports, which are made out of the titanium alloy Ti6Al4V. The temporary supports are removed after the additive manufacturing phase, when Spectra cross-strings are added to the 3D printed models, and a suitable state of internal prestress is applied to the structure. The experimental part of the study shows that the examined structures feature sitffening-type elastic response under large or moderately large axial strains induced by compressive loading. Such a geometrically nonlinear behavior confirms previous theoretical results available in the literature, and paves the way to the use of tensegrity prisms and columns as innovative mechanical metamaterials and smart devices.

研究の動機と目的

• 添加製造と後処理引張りを用いて、複雑なバイマテリアルテンスグリティ構造体をスケーラブルかつ高精度に作製するための方法を開発すること。
• 従来の手作業によるテンスグリティシステムの組立において生じる、ジョイントの偏心、摩擦、ずれといった課題を克服すること。
• テンスグリティ角柱および柱体が軸方向圧縮荷重を受ける際の幾何学的非線形性と剛性化する機械的挙動を実験的に検証すること。
• テンスグリティに基づくシステムが、波制御、衝撃保護、構造健全性モニタリングなどの応用分野における機械的メタマテリアルとしての可能性を検討すること。
• 今後の多材質AM技術における内在的プレストレスとマイクロスケールテンスグリティ構造体の作製に向けた基盤を築くこと。

提案手法

• CADソフトウェアを用いて、剛性のあるTi6Al4Vベースと3本のストラットを有する3次元テンスグリティ角柱モデルを設計し、EBM工程中の構造的安定性を確保するための犠牲的補助支持を含める。
• 層厚さ100 µm未満のTi6Al4V粉末を用い、Arcam EBM S12システムを用いて電子ビーム溶融（EBM）により中間モデルを製造する。
• 後処理：EBM後、犠牲的補助支持を除去した後、高強度Spectra繊維を手作業で挿入・引張り、引張部材とする。
• 後処理による制御された内部プレストレスを適用し、所望の自己平衡状態を達成する。
• 単一の角柱および複数角柱柱（3LRLおよび3LLL構成）に対して、準静的軸方向圧縮試験を実施し、機械的挙動を評価する。
• 大変位または中程度の大きな軸方向変位および非線形変形パターンを捉えるために、デジタル画像相関（DIC）および変位測定を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二段階の添加製造と後処理引張りプロセスは、制御された内部プレストレスを有する複雑なバイマテリアルテンスグリティ構造体を信頼性高く製造可能か？
• RQ2 テンスグリティ角柱の幾何学的配置（例：3LRL対3LLL）は、軸方向圧縮下での荷重-変位応答にどのように影響するか？
• RQ3 EBMで製造されたテンスグリティ構造体は、大きな軸方向ひずみ下でも理論的に予測された幾何学的非線形性と弾性的な剛性化挙動を示すか？
• RQ4 多角柱テンスグリティ柱の主な破壊モードは何か？また、構造的配置と応力集中との関係はいかなるものか？
• RQ5 テンスグリティシステムの機械的挙動は、音響的または保護用途の機械的メタマテリアルとして、どの程度チューニング可能か？

主な発見

• 製造されたテンスグリティ柱は顕著な幾何学的非線形応答を示し、軸方向圧縮が増加するにつれて剛性が上昇し、理論的予測を確認した。
• 3LLL構成（全角柱が同じ方向にねじれている）は、3LRL構成（反対方向にねじれている）と比較して、破壊前により大きな軸方向変位（最大δ ≈ 12 mm）を耐えられた。3LRL構成は、応力集中によりより小さな変位で破壊した。
• 3LLL試料の破壊は、上部の角柱バーが上部ジョイントから剥がれる形で発生した。一方、3LRL試料は、中央の角柱の上部および下部ジョイントから同時に剥がれることで破壊した。
• 3LRL試料は、端部の角柱が逆方向にねじられているため、非線形性が強く、不安定化の発生が早期に到来し、界面に高い応力集中が生じた。
• 3LLL構成は、広い変位範囲にわたり単一の角柱と類似した機械的挙動を示し、より良好な荷重分散と安定性を示した。
• 実験結果は、剛性ベースを有するテンスグリティシステムの理論的枠組みを裏付け、圧縮下でチューナブルで剛性化する挙動を示すエラスティックメタマテリアルとしての可能性を実証した。