ガラス繊維/アルミニウムメッシュで強化されたエポキシ複合材料の耐力強度に対する穴あけプロセスパラメータの影響

Jun 27, 2023

Scientific Reports volume 13、記事番号: 12143 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

現在の研究では、2 つのさまざまな構成を備えた、ニート GFRP (NG) およびハイブリッド GFRP/アルミニウム (Al) ワイヤ メッシュの両方の耐力強度に対する掘削パラメータと層間剥離の影響を評価することを試みました。最初は、外面に Al メッシュを使用しました。試験片 (AG) と試験片のコアに Al メッシュを備えた試験片 (GA) があります。 穴あけ手順は、3 つの異なる先端角度 (90°、120°、135°)、および 3 つの異なる速度と送り (1000、2000、および 3000 rpm) を備えた \(\varnothing\) 6 mm 超硬ツイスト ドリルを使用して実行されます。それぞれ（20、40、および60 mm/分）。 タグチ分析と分散分析は、処理パラメーターの影響を分析するために使用されます。 その結果、AG 試験片の層間剥離損傷が最も少ないことがわかりました。 最大耐力強度は NG 試験片を指し、AG 試験片と GA 試験片よりそれぞれ 9.6% および 8.7% 増加しています。 ドリル先端角度は、AG 試験片と GA 試験片の両方で軸受強度に主な影響を及ぼしますが、NG 試験片では送り速度が主な影響を及ぼします。 開発された回帰モデルは、平均予測誤差が 3% 未満という高いレベルの適合性を示しました。

近年、特に航空宇宙産業や航空産業において、複合材料の使用が大幅に増加しています。 この申請は、構造物の重量を軽減できる鋼およびアルミニウム合金の代替材料の要件に焦点を当てていました1。 このようにして、金属と繊維強化複合材料の利点を組み合わせて、繊維金属ラミネート (FML) として知られる優れたハイブリッド複合材料を作成するハイブリッド複合材料が製造されています。 このタイプの複合材料で最も頻繁に使用される金属はアルミニウムです2。 FML ファミリは、使用される強化繊維に基づいて多くのグループに分類できます。たとえば、ARALL、CARALL、GLARE は、それぞれアラミド、カーボンファイバー、グラスファイバーの略称です 3。金属合金に対する FML の主な利点は、金属合金に対する亀裂の成長に対する耐性が優れていることです。金属ラミネートの周囲の繊維とポリマーが、金属の亀裂の発生を防ぐ力圧縮機構として機能するため、疲労が起こりにくくなります4。 その他の特徴としては、さまざまな複合材料製造プロセスを利用して複雑な形状を製造できること、FML 複合材料の強力な耐食性による軽量化とメンテナンスコストの削減が可能であることが挙げられます5,6。 シートの代わりに金属ワイヤーメッシュを使用すると、繊維強化複合材料と同じ製造プロセスを使用して、より複雑な構造を構築することが可能になります。 金属メッシュの塑性屈曲能力は、破壊の開始を遅らせ、追加のエネルギー吸収体として機能する7だけでなく、樹脂と樹脂の間の界面相互作用を強化するため、結合を改善し、剥離のマイナス面を制限することができるため、衝撃の際に望ましいと考えられます。金属メッシュにより、複合層間の結合が破壊されにくくなります8。 Al ワイヤ メッシュを追加すると、引張伸び率が最大 54%、曲げ伸び率が 117% 向上し、エネルギー吸収が強化されます9。 これらのハイブリッド複合材料は金属と FRP の最高の品質を組み合わせており、従来のラミネートに比べて優れた機械的性能を提供します。 そのため、軍事、輸送、航空宇宙、潜水艦部品、その他のバリア用途など、さまざまな実用的で重要な用途に使用できます9,10。 これらの構造は、リベットやボルトなどの機械的接続と他の方法を使用して結合されます。 構造を組み立てるには、これらの接合部に穴を開ける必要がありました。 穴の品質、幾何公差、および材料の厚さは、継手の強度に大きな影響を与えます。ただし、最も重要な要素は穴の作成プロセスまたは穴の品質であり、その結果、穴の境界付近に大きな残留応力が生じ、構造強度が低下します。 さらに、製造中に不合格となる部品の 60% は、穴の品質が悪いために発生します11。 FML 複合材の穴あけは、硬くて摩耗性の繊維や熱に敏感なマトリックスを含む不均一な構造をドリルが貫通するため、困難な作業であり、穴あけプロセスに非常に問題が生じます。 さらに、著しい侵食によるドリルビットの再研磨が頻繁に行われるため、掘削費用が高額になります12。 成型穴やパンチ穴、レーザーやアブレシブウォータージェットなどの革新的な非従来技術など、さまざまな方法で複合材料の穴あけに関する研究が数多く行われてきましたが、積層複合材料に穴を形成する最も一般的で最も簡単な方法は依然として穴あけです13。 従来の穴あけ加工では、内部亀裂や積層間の剥離、熱損傷、工具の摩耗、穴寸法の誤差など、さまざまな問題が発生します。 これらの欠陥により、ドリル穴の品質が損なわれ、ボルト接続の荷重を支える能力が低下します。 機械的ファスナーが積層複合材料の耐力強度にどのような影響を与えるかを調べるために、さまざまな研究が行われてきました。 掘削作業によってもたらされる残留応力、疲労、繊維劣化の結果として構造接合部で頻繁に起こる破壊の開始が、これらの研究のインスピレーションとなっています 14。 層間剥離は、積層体間に作用する力が材料の層間強度を超えて層間破壊を引き起こすときに発生する積層体層の解離として定義され、一般に複合材穴あけ加工の主な損傷であると考えられています15。 層間剥離は、過剰な負荷に耐える材料の強度を低下させるため、アセンブリ部品やボルト接続に固有のものです16。 ドリルによる剥離であるピールアップ剥離とプッシュアウト剥離は、いずれも穴の入り口と出口で発生します17。 Khashaba et al.18 によれば、プッシュアウト剥離はピールアップ剥離よりも深刻です。 ドリルツールの材質と形状、切断速度、送り速度、バックアップ機構などのいくつかの重要な側面を制御することが、複合積層板を穴あけする際の層間剥離を最小限に抑える鍵となります。 これらのパラメータは、穴あけ穴の品質と穴あけプロセスに影響を与えます。 による研究19によると、層間剥離は送り速度に直接関係しています。 Sakthivel らによって実証された結果 20 では、ガラス繊維強化ステンレス鋼メッシュポリマー複合材料の穴あけにおいて、送り速度が最も重要な変数であると述べられています。 これらの発見は、Jenarthanan et al.21 による研究と一致しました。 スピンドル速度が低いと損傷は少なくなりますが、低い送り速度で高速を使用すると層間剥離を軽減できます22。 工具の形状と操作条件の選択が穴あけによる損傷に及ぼす影響は著者によって証明されており、研究に基づいて、先端角度 23 が小さく、送り速度が低いほど層間剥離が少ない穴と関連していると述べています。 24、25 で明らかなように、先端角が小さくなると推力が減少し、これが損傷の軽減につながります。 超硬ドリルは、層間剥離や摩耗が少ないため、HSS ドリルよりも複合材の穴あけに最適な代替品と考えられています26。 穴あけが不十分だと支持強度が低下し、その逆も同様です。 19 によれば、低い送り速度と高速度は軸受の強度を高めるため、送り速度は軸受に大きな影響を与えます。 ネット張力、剪断、劈開、ベアリングなど、機械的に締結された接合部によってさまざまなタイプの破損モードが発生します27。これらの破損メカニズムは非常に複雑で、ワッシャーの寸法や横方向のクランプ力などのいくつかの要因の影響を受けます。 タグチ統計手法は、S/N 比を使用して規定の基準から逸脱した応答品質特性を測定する必要がある工学的な最適化問題に適しています 28,29。