この研究の目的は、高い寸法精度と所定のプロセスコストを備えた自動レーザー加工プロセスを開発することです。この研究には、PMMA の内部 Nd:YVO4 マイクロチャネルのレーザー製造と、マイクロ流体デバイス製造のためのポリカーボネートの内部レーザー加工のサイズとコストの予測モデルの分析が含まれます。これらのプロジェクト目標を達成するために、ANN と DoE は CO2 レーザー システムと Nd:YVO4 レーザー システムのサイズとコストを比較しました。エンコーダからのフィードバックによるサブミクロン精度の線形位置決めによるフィードバック制御の完全な実装が実装されています。特に、レーザー照射とサンプルの位置決めの自動化は FPGA によって制御されます。Nd:YVO4システムの操作手順とソフトウェアに関する深い知識により、コントロールユニットをCompact-Rioプログラマブルオートメーションコントローラ（PAC）に置き換えることができました。これは、LabVIEWコード制御サブミクロンエンコーダの高解像度フィードバック3D位置決めステップで実現されました。 。LabVIEWコードによるこのプロセスの完全な自動化は開発中です。現在および将来の研究には、設計システムの寸法精度、精度および再現性の測定、および化学/分析用途および分離科学のためのマイクロ流体および実験用デバイスオンチップ製造のためのマイクロチャネル形状の関連最適化が含まれます。
半硬質金属 (SSM) 成形部品の多くの用途には、優れた機械的特性が必要です。耐摩耗性、高強度、剛性などの優れた機械的特性は、超微細粒子サイズによって作り出される微細構造の特徴に依存します。この粒径は通常、SSM の最適な加工性に依存します。ただし、SSM 鋳造物には残留気孔が含まれることが多く、これは性能に極めて悪影響を及ぼします。この研究では、より高品質の部品を得るために半硬質金属を成形する重要なプロセスを検討します。これらの部品は、気孔率が減少し、超微細粒径、硬化析出物の均一な分布、合金化微量元素組成などの微細構造特性が改善されている必要があります。特に、所望の微細構造の発達に対する時間と温度の前処理方法の影響が分析されます。強度、硬度、剛性の増加など、質量の向上に起因する特性が調査されます。
この研究は、パルス レーザー加工モードを使用した H13 工具鋼の表面のレーザー改質の研究です。実行された最初の実験的スクリーニング計画により、より最適化された詳細な計画が作成されました。波長10.6μmの炭酸ガス（CO2）レーザーを使用します。研究の実験計画では、直径 0.4、0.2、0.09 mm の 3 つの異なるサイズのレーザー スポットが使用されました。その他の制御可能なパラメータには、レーザーのピークパワー、パルス繰り返し率、およびパルスのオーバーラップがあります。常に圧力0.1MPaのアルゴンガスがレーザー加工をサポートします。サンプル H13 は、CO2 レーザー波長での表面吸収率を高めるために、加工前に粗面化および化学エッチングが施されています。レーザー処理されたサンプルは金属組織学的研究用に準備され、その物理的および機械的特性が特徴付けられました。金属組織学的研究と化学組成の分析は、エネルギー分散型 X 線分光分析と組み合わせた走査型電子顕微鏡を使用して実行されました。修飾された表面の結晶化度と位相の検出は、Cu Kα 放射線および波長 1.54 Å の XRD システムを使用して実行されました。表面プロファイルはスタイラスプロファイリングシステムを使用して測定されます。改質された表面の硬度特性は、ビッカース ダイヤモンド マイクロインデンテーションによって測定されました。特別に製造された熱疲労システムを使用して、改質された表面の疲労特性に対する表面粗さの影響が研究されました。500nm未満の超微細サイズを有する改質された表面粒子を得ることが可能であることが観察されている。レーザー処理された H13 サンプルでは、35 ～ 150 μm の範囲の表面深さの改善が達成されました。改質された H13 表面の結晶化度は大幅に低下します。これは、レーザー処理後の結晶子のランダムな分布に関連しています。H13 Ra の最小修正平均表面粗さは 1.9 μm です。もう 1 つの重要な発見は、改質された H13 表面の硬度が、さまざまなレーザー設定で 728 ～ 905 HV0.1 の範囲であることです。レーザーパラメータの影響をさらに理解するために、熱シミュレーション結果 (加熱速度および冷却速度) と硬度結果の間の関係が確立されました。これらの結果は、耐摩耗性や遮熱コーティングを向上させる表面硬化方法の開発にとって重要です。
GAA スリオタール用の典型的なコアを開発するためのソリッド スポーツ ボールのパラメトリック衝撃特性
この研究の主な目的は、衝撃時のスリオタール コアの動的挙動を特徴付けることです。ボールの粘弾性特性は、衝撃速度の範囲について実行されました。最新のポリマー球はひずみ速度の影響を受けやすいのに対し、従来の多成分球はひずみに依存します。非線形粘弾性応答は、初期剛性とバルク剛性という 2 つの剛性値によって定義されます。速度にもよりますが、伝統的なボールは現代のボールよりも 2.5 倍硬いです。従来のボールは剛性の増加速度が速いため、最新のボールと比較して速度に対する COR がより非線形になります。動的剛性の結果は、準静的試験とバネ理論方程式の適用可能性が限られていることを示しています。球体の変形挙動を解析すると、重心の変位と直径方向の圧縮がすべてのタイプの球体で一貫していないことがわかります。広範なプロトタイピング実験を通じて、ボールの性能に対する製造条件の影響が調査されました。さまざまなボールを製造するために、温度、圧力、材料組成などの製造パラメータが変化しました。ポリマーの硬度は剛性には影響しますが、エネルギー散逸には影響しません。剛性を高めるとボールの剛性も高まります。核形成添加剤はボールの反応性に影響を与え、添加剤の量が増加するとボールの反応性が低下しますが、この影響はポリマーのグレードに影響されます。インパクトに対するボールの反応をシミュレートするために、3 つの数学モデルを使用して数値解析が実行されました。最初のモデルは、以前は他のタイプのボールでうまく使用されていましたが、ボールの挙動を限られた範囲でしか再現できないことが判明しました。2 番目のモデルは、テストしたすべてのタイプのボールに一般的に適用できるボールの衝撃応答の妥当な表現を示しましたが、力と変位の応答の予測精度は大規模な実装に必要なほど高くありませんでした。3 番目のモデルは、ボールの反応をシミュレートするときに精度が大幅に向上しました。このモデルのモデルによって生成された力の値は、実験データと 95% 一致しています。
この作業により 2 つの主な目標が達成されました。1 つは高温毛細管粘度計の設計と製造で、2 つ目は設計を支援し、比較目的でデータを提供するための半固体金属流動シミュレーションです。高温毛細管粘度計が構築され、初期テストに使用されました。この装置は、工業で使用されているものと同様の高温およびせん断速度の条件下で半硬質金属の粘度を測定するために使用されます。キャピラリー粘度計は、粘度が圧力降下に正比例し、流量に反比例するため、キャピラリーを通過する流量と圧力降下を測定することで粘度を計算できるシングルポイント システムです。設計基準には、800℃までの適切に制御された温度、10,000 s-1を超える射出せん断速度、および制御された射出プロファイルの要件が含まれます。2 次元 2 相理論時間依存モデルは、数値流体力学 (CFD) 用の FLUENT ソフトウェアを使用して開発されました。これは、半固体金属が設計された毛細管粘度計を射出速度 0.075、0.5、1 m/s で通過するときの粘度を評価するために使用されています。0.25 ～ 0.50 の金属固形分率 (fs) の影響も調査されました。Fluent モデルの開発に使用されたべき乗則粘度方程式では、これらのパラメーターと結果として得られる粘度との間に強い相関関係が認められました。
この論文では、バッチ堆肥化プロセスにおける Al-SiC 金属マトリックス複合材 (MMC) の製造に対するプロセス パラメーターの影響を調査します。研究されたプロセスパラメータには、スターラー速度、スターラー時間、スターラー形状、スターラー位置、金属液体温度 (粘度) が含まれます。MMC Al-SiC の製造については、視覚的シミュレーションを室温 (25±C)、コンピュータ シミュレーションおよび検証テストで実行しました。視覚的シミュレーションとコンピューター シミュレーションでは、液体アルミニウムと半固体アルミニウムをそれぞれ表すために水とグリセリン/水が使用されました。1、300、500、800、および 1000 mPa s の粘度および 50、100、150、200、250、および 300 rpm の撹拌速度の影響を調査しました。1個あたり10ロール入り。アルミニウム MMK で使用されるものと同様の % 強化 SiC 粒子が視覚化テストと計算テストに使用されました。画像テストは透明なガラスビーカー内で実施されました。計算シミュレーションは、Fluent (CFD プログラム) とオプションの MixSim パッケージを使用して実行されました。これには、オイラー (粒状) モデルを使用した生産ルートの 2D 軸対称多相時間依存シミュレーションが含まれます。粒子の分散時間、沈降時間、渦の高さの混合形状とスターラーの回転速度への依存性が確立されています。°at パドルを備えたスターラーの場合、粒子の均一な分散を迅速に得るには、60 度のパドル角度がより適していることがわかっています。これらの試験の結果、SiCを均一に分散させるには、撹拌速度は水-SiC系では150rpm、グリセロール/水-SiC系では300rpmであることが判明した。粘度を 1 mPa・s (液体金属の場合) から 300 mPa・s (半固体金属の場合) に増加させると、SiC の分散と堆積時間に大きな影響を与えることがわかりました。ただし、300 mPa・s から 1000 mPa・s にさらに増加しても、この時間にはほとんど影響がありません。この作業の重要な部分には、この高温処理方法専用の急速硬化鋳造機の設計、構築、および検証が含まれます。この機械は、60 度の角度で 4 つの平らなブレードを備えたスターラーと、抵抗加熱を備えた炉室内のるつぼで構成されています。この設備には、処理された混合物を素早く消火するアクチュエーターが含まれています。Al-SiC複合材料の製造に使用される装置です。一般に、視覚化、計算、および実験的テストの結果の間には良好な一致が見られました。
主に過去 10 年間に大規模な使用を目的として開発された、さまざまなラピッド プロトタイピング (RP) 技術があります。現在市販されているラピッド プロトタイピング システムでは、紙、ワックス、光硬化樹脂、ポリマー、新しい金属粉末を使用したさまざまな技術が使用されています。このプロジェクトには、1991 年に初めて商用化されたラピッド プロトタイピング手法である溶融堆積モデリングが含まれていました。この研究では、ワックスを使用した表面仕上げによるモデリング システムの新しいバージョンが開発され、使用されました。このプロジェクトでは、システムの基本設計とワックスの堆積方法について説明します。FDM マシンは、加熱されたノズルを通して、半溶融した材料を所定のパターンでプラットフォーム上に押し出すことによって部品を作成します。押出ノズルは、コンピューター システムによって制御される XY テーブルに取り付けられます。プランジャー機構とデポジッターの位置の自動制御と組み合わせることで、正確なモデルが作成されます。単一のワックス層を積み重ねて 2D および 3D オブジェクトを作成します。モデルの製造プロセスを最適化するために、ワックスの特性も分析されています。これらには、ワックスの相転移温度、ワックスの粘度、および加工中のワックス滴の形状が含まれます。
過去 5 年間にわたり、ダブリン市立大学科学クラスター部門の研究チームは、再現可能なミクロンスケールの解像度でチャネルとボクセルを作成できる 2 つのレーザー微細加工プロセスを開発しました。この研究の焦点は、カスタム材料を使用して標的生体分子を単離することにあります。予備研究では、毛細管混合および表面チャネルの新しい形態を作成して分離能力を向上できることが実証されています。この研究は、生物学的システムの分離と特性評価を改善する表面形状とチャネルを設計するための利用可能なマイクロマシニング ツールの応用に焦点を当てます。これらのシステムの応用は、生物診断目的のラボオンチップアプローチに従います。この開発された技術を使用して作成されたデバイスは、チップ上のプロジェクトのマイクロ流体研究室で使用されます。このプロジェクトの目標は、実験計画、最適化、およびシミュレーション技術を使用して、レーザー加工パラメーターとマイクロおよびナノスケールのチャネル特性の間の直接的な関係を提供し、この情報をこれらのマイクロテクノロジーにおける分離チャネルの改善に使用することです。研究の具体的な成果には、分離科学を改善するためのチャネル設計と表面形態が含まれます。統合されたチップ内のポンピングと抽出のモノリシックステージ。統合チップ上で選択および抽出された標的生体分子を分離します。
ペルチェアレイと赤外線サーモグラフィーを使用した、キャピラリ LC カラムに沿った時間的温度勾配と長手方向プロファイルの生成と制御
キャピラリーカラムの正確な温度制御のための新しい直接接触プラットフォームは、直列に配置され個別に制御される熱電ペルチェセルの使用に基づいて開発されました。このプラットフォームは、キャピラリおよびマイクロ LC カラムの高速温度制御を提供し、時間的および空間的温度の同時プログラミングを可能にします。このプラットフォームは、10 個のペルチェ セルのそれぞれについて約 400 ℃/分の昇温速度で 15 ～ 200 ℃の温度範囲で動作します。このシステムは、静的カラム温度勾配と時間的温度勾配、精密な温度制御勾配、重合キャピラリーモノリシックなどの線形および非線形プロファイルによる温度勾配の直接適用など、いくつかの非標準キャピラリーベースの測定モードで評価されています。固定相、およびマイクロ流体チャネル（チップ上）でのモノリシック相の製造。この機器は標準およびカラムクロマトグラフィーシステムで使用できます。
微量分析物の事前濃縮のための二次元平面マイクロ流体デバイスにおける電気流体力学的集束
この研究には、プレ濃縮と種の同定の開発を支援するための電気流体力学集束 (EHDF) と光子移動が含まれます。EHDF は、流体力学と電気力の間のバランスを確立することに基づいたイオンバランス型集束法であり、対象のイオンが静止します。この研究では、従来のマイクロチャネル システムの代わりに 2D オープン 2D 平面空間平面マイクロ流体デバイスを使用する新しい方法を紹介します。このような装置は大量の物質を事前に濃縮することができ、製造が比較的簡単です。この研究では、COMSOL Multiphysics® 3.5a を使用して新しく開発されたシミュレーションの結果を示します。これらのモデルの結果を実験結果と比較して、特定された流れの形状と高濃度領域をテストしました。開発されたマイクロ流体数値モデルは、以前に発表された実験と比較され、結果は非常に一貫していました。これらのシミュレーションに基づいて、EHDF に最適な条件を提供する新しいタイプの船が研究されました。このチップを使用した実験結果は、モデルのパフォーマンスを上回りました。作製されたマイクロ流体チップでは、研究対象の物質が印加電圧に対して垂直に焦点を合わせたときに、横方向EGDPと呼ばれる新しいモードが観察されました。なぜなら、検出と画像化は、このような事前濃縮および種識別システムの重要な側面だからです。二次元マイクロ流体システムにおける光伝播と光強度分布の数値モデルと実験的検証を示します。開発された光伝播の数値モデルは、システムを通る実際の光の経路と強度分布の両方の観点から実験的に検証され、光重合システムや光学検出システムの最適化にとって興味深い結果が得られました。毛細血管を使って。。
形状に応じて、微細構造は通信、マイクロ流体工学、マイクロセンサー、データウェアハウス、ガラス切断、装飾マーキングなどに使用できます。この研究では、Nd:YVO4 および CO2 レーザー システムのパラメーターの設定と微細構造のサイズおよび形態の関係が調査されました。レーザー システムの研究パラメータには、パワー P、パルス繰り返し率 PRF、パルス数 N、スキャン レート U が含まれます。測定された出力寸法には、等価ボクセル直径、マイクロチャネル幅、深さ、表面粗さが含まれます。Nd:YVO4 レーザー (2.5 W、1.604 μm、80 ns) を使用して 3D 微細加工システムを開発し、ポリカーボネート試験片内部に微細構造を作製しました。微細構造ボクセルの直径は 48 ～ 181 µm です。このシステムは、顕微鏡の対物レンズを使用して、ソーダ石灰ガラス、石英ガラス、サファイアのサンプルに 5 ～ 10 μm の範囲の小さなボクセルを作成することにより、正確な焦点合わせも行います。CO2 レーザー (1.5 kW、10.6 μm、最小パルス幅 26 μs) を使用して、ソーダ石灰ガラスサンプルにマイクロチャネルを作成しました。マイクロチャネルの断面形状は、V 字溝、U 字溝、および表面アブレーション部位の間で大きく異なりました。マイクロチャネルのサイズも大きく異なり、設置方法に応じて幅 81 ～ 365 μm、深さ 3 ～ 379 μm、表面粗さ 2 ～ 13 μm となります。マイクロチャネルのサイズは、応答曲面法 (RSM) と実験計画法 (DOE) を使用したレーザー加工パラメーターに従って検査されました。収集された結果は、体積および質量アブレーション速度に対するプロセス パラメーターの影響を研究するために使用されました。さらに、熱プロセスの数学的モデルが開発され、プロセスの理解を助け、実際の製造前にチャネル トポロジを予測できるようになりました。
計測業界は、モデリングやリバース エンジニアリングのための表面粗さパラメータの計算や点群 (1 つまたは複数の表面を表す 3 次元の点のセット) の作成など、表面トポグラフィーを正確かつ迅速に調査およびデジタル化する新しい方法を常に模索しています。システムは存在し、光学システムは過去 10 年間で人気が高まっていますが、ほとんどの光学プロファイラーは購入と維持に費用がかかります。システムの種類によっては、光学式プロファイラーの設計が難しい場合もあり、その脆弱性がほとんどの店舗や工場の用途には適していない可能性があります。このプロジェクトでは、光学三角測量の原理を使用したプロファイラーの開発について説明します。開発したシステムのスキャンテーブル面積は200×120mm、垂直測定範囲は5mmです。ターゲット表面上のレーザーセンサーの位置も 15 mm 調整可能です。ユーザーが選択した部品および表面領域を自動スキャンするための制御プログラムが開発されました。この新しいシステムの特徴は寸法精度です。システムの測定された最大コサイン誤差は 0.07° です。システムの動的精度は、Z 軸 (高さ) で 2 μm、X 軸と Y 軸で約 10 μm と測定されます。スキャンされた部品 (コイン、ネジ、ワッシャー、ファイバー レンズ ダイ) 間のサイズ比は良好でした。プロファイラーの制限やシステム改善の可能性など、システム テストについても説明します。
このプロジェクトの目的は、表面欠陥検査用の新しい光学式高速オンライン システムを開発し、その特性を評価することです。この制御システムは光学三角測量の原理に基づいており、拡散表面の 3 次元プロファイルを決定するための非接触方法を提供します。開発システムの主なコンポーネントには、ダイオード レーザー、CCf15 CMOS カメラ、および PC 制御の 2 つのサーボ モーターが含まれます。サンプルの移動、画像キャプチャ、および 3D 表面プロファイリングは LabView ソフトウェアでプログラムされます。3Dスキャンした表面を仮想的に描画するプログラムを作成し、必要な表面粗さパラメータを計算することで、取り込んだデータの確認が容易になります。サーボモーターは、0.05 μm の分解能でサンプルを X および Y 方向に移動するために使用されます。開発された非接触オンライン表面プロファイラーは、高速スキャンと高解像度の表面検査を実行できます。開発されたシステムは、さまざまなサンプル材料の表面の自動 2D 表面プロファイル、3D 表面プロファイル、および表面粗さ測定を作成するために使用されています。自動検査装置のXYスキャンエリアは12×12mmです。開発されたプロファイリング システムの特性を評価し、校正するために、システムによって測定された表面プロファイルが、光学顕微鏡、双眼顕微鏡、AFM、およびミツトヨ サーフテスト-402 を使用して測定された同じ表面と比較されました。
製品とそれに使用される材料の品質に対する要件はますます厳しくなっています。多くの視覚的品質保証 (QA) 問題の解決策は、リアルタイムの自動表面検査システムの使用です。これには、高いスループットでの均一な製品品質が必要です。したがって、材料と表面をリアルタイムで 100% テストできるシステムが必要です。この目標を達成するには、レーザー技術とコンピュータ制御技術の組み合わせが効果的なソリューションを提供します。今回は、高速・低コスト・高精度な非接触レーザー走査システムを開発した。このシステムは、レーザー光学三角測量の原理を使用して、固体の不透明な物体の厚さを測定できます。開発されたシステムは、マイクロメートルレベルでの測定の精度と再現性を保証します。
このプロジェクトの目的は、表面欠陥検出用のレーザー検査システムを設計および開発し、高速インライン アプリケーションの可能性を評価することです。検出システムの主なコンポーネントは、照明源としてのレーザー ダイオード モジュール、検出ユニットとしての CMOS ランダム アクセス カメラ、および XYZ 移動ステージです。さまざまなサンプル表面をスキャンして得られたデータを分析するためのアルゴリズムが開発されました。制御システムは光学三角測量の原理に基づいています。レーザー光は試料表面に対して斜めに入射します。表面の高さの差は、サンプル表面上のレーザー スポットの水平方向の動きとして取得されます。これにより、三角測量法を使用して高さを測定できるようになります。開発された検出システムは、センサーによって測定された点の変位と表面の垂直変位の間の関係を反映する変換係数を取得するために最初に校正されます。実験は、真鍮、アルミニウム、ステンレス鋼などのサンプル材料のさまざまな表面で実行されました。開発されたシステムは、稼働中に発生する欠陥の 3D 地形図を正確に生成できます。約70μmの空間分解能と60μmの深さ分解能を達成しました。システムのパフォーマンスは、測定距離の精度を測定することによっても検証されます。
高速ファイバー レーザー スキャン システムは、自動化された工業製造環境で表面欠陥を検出するために使用されます。表面欠陥を検出するためのより現代的な方法には、照明と部品検出に光ファイバーを使用することが含まれます。この論文には、新しい高速光電子システムの設計と開発が含まれています。この論文では、LED (発光ダイオード) とレーザー ダイオードという 2 つの LED 源について調査します。5 つの発光ダイオードと 5 つの受信フォトダイオードの列が互いに向かい合って配置されています。データ収集は、LabVIEW ソフトウェアを使用して PC によって制御および分析されます。このシステムは、さまざまな材料の穴 (1 mm)、止まり穴 (2 mm)、ノッチなどの表面欠陥の寸法を測定するために使用されます。結果は、このシステムは主に 2D スキャンを目的としていますが、限定的な 3D イメージング システムとしても動作できることを示しています。このシステムは、研究されたすべての金属材料が赤外線信号を反射できることも示しました。傾斜したファイバーのアレイを使用する新開発の方法により、システムは最大約 100 μm (集光ファイバー直径) のシステム解像度で調整可能な解像度を達成できます。このシステムは、さまざまな材料の表面プロファイル、表面粗さ、厚さ、反射率の測定に使用されて成功しています。このシステムでは、アルミニウム、ステンレス鋼、真鍮、銅、タフノール、ポリカーボネートをテストできます。この新しいシステムの利点は、迅速な検出、低コスト、小型サイズ、高分解能、および柔軟性です。
新しいシステムを設計、構築、テストして、新しい環境センサー技術を統合して導入します。糞便細菌モニタリング用途に特に適しています
シリコン太陽光発電パネルのマイクロ・ナノ構造を改変してエネルギー供給を改善
今日の地球社会が直面している主要な工学的課題の 1 つは、持続可能なエネルギー供給です。社会が再生可能エネルギー源に大きく依存し始める時期が来ています。太陽は地球に無料のエネルギーを提供しますが、このエネルギーを電気の形で使用する現代の方法にはいくつかの制限があります。太陽電池の場合、主な問題は太陽エネルギーの収集効率が不十分であることです。レーザー微細加工は、ガラス基板、水素化シリコン、酸化亜鉛層などの太陽光発電活性層間の相互接続を作成するために一般的に使用されます。また、微細加工などにより太陽電池の表面積を増やすことで、より多くのエネルギーを得ることができることも知られています。ナノスケールの表面プロファイルの詳細が太陽電池のエネルギー吸収効率に影響を与えることが示されています。この論文の目的は、より高い電力を提供するためにマイクロ、ナノ、メソスケールの太陽電池構造を適応させる利点を調査することです。このようなマイクロ構造やナノ構造の技術パラメータを変化させることで、表面トポロジーに対するそれらの影響を研究することが可能になります。細胞は、実験的に制御されたレベルの電磁光にさらされたときに生成されるエネルギーについてテストされます。セル効率と表面テクスチャーの間には直接的な関係が確立されます。
金属マトリックス複合材料 (MMC) は、エンジニアリングおよびエレクトロニクスにおける構造材料の役割の主要な候補となりつつあります。アルミニウム (Al) と銅 (Cu) は、優れた熱特性 (例: 低い熱膨張係数 (CTE)、高い熱伝導率) と改善された機械的特性 (例: 高い比強度、優れた性能) により SiC で強化されています。耐摩耗性と比弾性率により、さまざまな産業で広く使用されています。最近、これらの高セラミック MMC は、電子パッケージの温度制御アプリケーションのもう 1 つのトレンドになっています。通常、パワーデバイスパッケージでは、チップおよび関連するピン構造を搭載するセラミック基板に接続するためのヒートシンクまたはベースプレートとしてアルミニウム (Al) または銅 (Cu) が使用されます。セラミックとアルミニウムまたは銅の間の熱膨張係数 (CTE) の大きな差は、パッケージの信頼性を低下させ、また基板に取り付けられるセラミック基板のサイズも制限するため、不利です。
この欠点を考慮すると、熱的に改良された材料に対するこれらの要件を満たす新しい材料を開発、調査、特性評価することが可能になりました。熱伝導率と熱膨張係数 (CTE) 特性が向上した MMC CuSiC および AlSiC は、現在エレクトロニクス パッケージング用の実行可能なソリューションです。この研究では、これらの MMC の独特な熱物理的特性と、電子パッケージの熱管理に対する MMC の応用可能性を評価します。
石油会社は、炭素鋼および低合金鋼で作られた石油およびガス産業システムの溶接ゾーンで重大な腐食を経験しています。CO2 を含む環境では、腐食損傷は通常、さまざまな炭素鋼の微細構造に堆積する保護腐食膜の強度の違いに起因すると考えられます。溶接金属 (WM) および熱影響部 (HAZ) の局部腐食は、主に合金組成と微細構造の違いによるガルバニック効果によるものです。軟鋼溶接継手の腐食挙動に対する微細構造の影響を理解するために、母材 (PM)、WM、および HAZ の微細構造特性を調査しました。腐食試験は、室温 (20±2℃) および pH 4.0±0.3 の脱酸素条件下、CO2 で飽和した 3.5% NaCl 溶液中で実施されました。腐食挙動の特性評価は、開路電位、動電位走査および直線分極抵抗を決定するための電気化学的方法と、光学顕微鏡を使用した一般的な金属組織学的特性を使用して実施されました。検出された主な形態相は、WM で針状フェライト、残留オーステナイト、マルテンサイト - ベイナイト構造です。HAZ ではあまり一般的ではありません。PM、VM、HAZ では電気化学的挙動と腐食速度が大きく異なることがわかりました。
このプロジェクトの対象となる作業は、水中ポンプの電力効率を向上させることを目的としています。最近、業界全体に新たなより高いレベルの効率の達成を要求する新しい EU 法の導入により、この方向に進むというポンプ業界への要求が高まっています。この文書では、ポンプ ソレノイド領域を冷却するための冷却ジャケットの使用を分析し、設計の改善を提案します。特に、作動中のポンプの冷却ジャケット内の流体の流れと熱伝達が特徴付けられます。ジャケット設計の改良により、ポンプモーター領域への熱伝達が向上し、誘導抵抗を低減しながらポンプ効率が向上します。この作業のために、ドライピットに取り付けられたポンプテストシステムが既存の 250 m3 テストタンクに追加されました。これにより、高速カメラによる流れ場の追跡とポンプ ケーシングの熱画像が可能になります。CFD 解析によって検証された流れ場により、動作温度を可能な限り低く保つための代替設計の実験、テスト、比較が可能になります。M60-4 ポール ポンプの元の設計は、最大外部ポンプ ケーシング温度 45°C および最大ステータ温度 90°C に耐えました。さまざまなモデル設計を分析すると、どの設計がより効率的なシステムに役立つのか、どの設計を使用すべきでないのかがわかります。特に、統合された冷却コイルの設計は、元の設計から何の改善もありません。インペラーブレードの数を 4 枚から 8 枚に増やすと、ケーシングで測定される動作温度が 7 ℃低下しました。
金属加工における高い出力密度と曝露時間の短縮の組み合わせにより、表面の微細構造が変化します。レーザープロセスパラメータと冷却速度の最適な組み合わせを取得することは、粒子構造を変化させ、材料表面のトライボロジー特性を改善するために重要です。この研究の主な目的は、市販の金属生体材料のトライボロジー特性に対する高速パルスレーザー加工の影響を調査することでした。この研究は、ステンレス鋼 AISI 316L および Ti-6Al-4V のレーザー表面改質に特化しています。1.5 kW パルス CO2 レーザーを使用して、さまざまなレーザー プロセス パラメーターの影響と、結果として生じる表面の微細構造と形態を研究しました。円筒状のサンプルをレーザー放射方向に対して垂直に回転させて、レーザー放射強度、露光時間、エネルギー束密度、パルス幅を変化させました。特性評価は、SEM、EDX、針粗さ測定、および XRD 分析を使用して実行されました。実験プロセスの初期パラメータを設定するために、表面温度予測モデルも実装されました。次に、プロセス マッピングを実行して、溶鋼表面のレーザー処理に関する多くの特定のパラメーターを決定しました。照度、露光時間、加工深さ、加工サンプルの粗さの間には強い相関関係があります。微細構造変化の深さと粗さの増加は、暴露レベルと暴露時間の増加に関連していました。処理領域の粗さと深さを分析することにより、エネルギーフルエンスと表面温度モデルを使用して、表面で発生する溶融の程度を予測します。レーザービームの相互作用時間が増加するにつれて、研究されたさまざまなパルスエネルギーレベルで鋼の表面粗さが増加します。表面構造は結晶の正常な配向を保持していることが観察されましたが、レーザー処理された領域では粒子の配向の変化が観察されました。
組織応力挙動の分析と特性評価、および足場設計へのその影響
このプロジェクトでは、骨構造の機械的特性、組織発達における役割、および足場内の応力と歪みの最大分布を理解するために、いくつかの異なる足場形状が開発され、有限要素解析が実行されました。CAD で設計された足場構造に加えて、海綿骨サンプルのコンピューター断層撮影 (CT) スキャンが収集されました。これらの設計を使用すると、プロトタイプを作成およびテストできるだけでなく、これらの設計の FEM を実行することもできます。微小変形の機械的測定は、作製された足場および大腿骨頭骨の小柱標本に対して実行され、これらの結果は、同じ構造について FEA によって得られた結果と比較されました。機械的特性は、設計された細孔形状 (構造)、細孔サイズ (120、340、および 600 μm)、および負荷条件 (負荷ブロックの有無) に依存すると考えられています。応力分布に対するそれらの影響を包括的に研究するために、8 mm3、22.7 mm3、および 1000 mm3 の多孔質フレームワークについてこれらのパラメーターの変化が調査されました。実験とシミュレーションの結果は、構造の幾何学的設計が応力の分散に重要な役割を果たしていることを示し、骨の再生を改善するためのフレームワーク設計の大きな可能性を強調しています。一般に、全体の最大応力レベルを決定する際には、気孔率レベルよりも気孔サイズの方が重要です。ただし、空隙率のレベルも足場構造の骨伝導性を決定する際に重要です。気孔率レベルが 30% から 70% に増加すると、同じ気孔サイズでも最大応力値が大幅に増加します。
足場の孔径も製造方法にとって重要です。最新のラピッドプロトタイピング方法にはすべて、一定の制限があります。従来の製造はより多用途ですが、より複雑で小型の設計は製造できないことがよくあります。これらの技術のほとんどは、現在、名目上、500 μm 未満の細孔を持続的に生成することができません。したがって、この研究における孔径 600 μm の結果は、現在の高速製造技術の生産能力に最も関連しています。提示された六角形の構造は、一方向のみで考慮されていますが、立方体や三角形に基づく構造と比較して最も異方性のある構造になります。立方体および三角形の構造は、六角形の構造と比較して比較的等方性です。異方性は、設計された足場の骨伝導性を考慮する際に重要です。応力分布と開口部の位置はリモデリングプロセスに影響し、荷重条件が異なると最大応力値とその位置が変化する可能性があります。主な荷重方向は、細胞がより大きな細孔内に成長し、栄養素と建築材料を提供できるように、細孔のサイズと分布を促進する必要があります。この研究のもう 1 つの興味深い結論は、柱の断面における応力の分布を調べることによって、中心に比べて柱の表面でより高い応力値が記録されているということです。この研究では、細孔サイズ、気孔率レベル、および荷重方法が、構造内で受ける応力レベルと密接に関連していることが示されました。これらの発見は、ストラット表面の応力レベルが大幅に変化し、細胞の付着と成長を促進できるストラット構造を作成できる可能性を示しています。
合成骨代替足場は、特性を個別に調整し、ドナーの利用可能性の制限を克服し、オッセオインテグレーションを改善する機会を提供します。骨工学は、大量に供給できる高品質の移植片を提供することで、これらの問題に対処することを目指しています。これらの用途では、内部および外部の両方の足場の形状が機械的特性、透過性、細胞増殖に大きな影響を与えるため、非常に重要です。ラピッドプロトタイピング技術により、高精度で製造された特定の最適化された形状を持つ非標準材料の使用が可能になります。この論文では、生体適合性のあるリン酸カルシウム材料を使用して骨格足場の複雑な形状を製造する 3D プリンティング技術の能力を調査します。独自の材料に関する予備研究により、予測された方向性の機械的挙動が達成できることが示されています。作製したサンプルの方向性機械的特性を実際に測定したところ、有限要素解析 (FEM) の結果と同じ傾向が示されました。この研究は、生体適合性リン酸カルシウムセメントから組織工学幾何学的足場を製造するための 3D プリンティングの実現可能性も示しています。フレームワークは、リン酸水素二ナトリウムの水溶液を、リン酸水素カルシウムと水酸化カルシウムの均質混合物からなる粉末層上に印刷することによって作成されました。湿式化学堆積反応は、3D プリンターのパウダー ベッド内で行われます。製造されたリン酸カルシウムセメント (CPC) の体積圧縮の機械的特性を測定するために、固体サンプルが作成されました。このようにして製造された部品は、平均弾性率が３．５９ＭＰａ、平均圧縮強度が０．１４７ＭＰａであった。焼結により圧縮特性は大幅に向上しますが（E = 9.15 MPa、σt = 0.483 MPa）、材料の比表面積は減少します。焼結の結果、リン酸カルシウムセメントはβ-リン酸三カルシウム（β-TCP）とヒドロキシアパタイト（HA）に分解します。これは、熱重量分析および示差熱分析（TGA/DTA）および X 線回折分析のデータによって確認されます（ XRD）。この特性は、必要な強度が 1.5 ～ 150 MPa であり、圧縮剛性が 10 MPa を超える高負荷インプラントには不十分です。ただし、生分解性ポリマーの浸透などの後処理をさらに行うことで、これらの構造をステント用途に適したものにすることができます。
目的: 土壌力学の研究により、骨材に振動を加えると粒子がより効率的に整列し、骨材に作用するのに必要なエネルギーが減少することが示されました。私たちの目標は、骨埋伏プロセスに対する振動の影響を評価する方法を開発し、埋伏された移植片の機械的特性に対するその影響を評価することでした。
フェーズ 1: Noviomagus 骨ミルを使用して 80 頭のウシ大腿骨を粉砕します。次いで、移植片をふるいトレイ上でパルス生理食塩水洗浄システムを使用して洗浄した。金属シリンダー内に固定された偏心ウェイトを備えた 2 つの 15 V DC モーターを備えた振動衝撃装置が開発されました。一定の高さから重りを72回投げて、骨に当たる過程を再現します。振動チャンバー内に設置された加速度計で測定される振動周波数範囲をテストしました。次に、各せん断試験を 4 つの異なる垂直荷重で繰り返し、一連の応力-ひずみ曲線を取得しました。モールクーロン破壊包絡線が各試験に対して構築され、そこからせん断強度とブロッキング値が導出されました。
フェーズ 2: 血液を加えて実験を繰り返し、手術現場で遭遇する豊かな環境を再現します。
ステージ 1: すべての振動周波数で振動が増加したグラフトは、振動なしの衝撃と比較して、より高いせん断強度を示しました。60 Hz の振動が最も大きな影響を及ぼし、重大でした。
ステージ 2: 飽和骨材に追加の振動衝撃を加えたグラフト化では、すべての通常の圧縮荷重に対して、振動なしの衝撃よりも低いせん断強度が示されました。
結論：土木工学の原理は、移植骨の移植にも適用できます。乾燥骨材では、振動を加えることで衝撃粒子の機械的特性を向上させることができます。私たちのシステムでは、最適な振動周波数は 60 Hz です。飽和骨材では、振動の増加は骨材のせん断強度に悪影響を及ぼします。これは液状化プロセスによって説明できます。
この研究の目的は、これらの変化に対応する被験者の能力を評価するために、その上に立っている被験者を妨害できるシステムを設計、構築、テストすることでした。これは、人が立っている面を素早く傾けてから水平位置に戻すことで実行できます。これから、被験者が平衡状態を維持できたかどうか、またこの平衡状態を回復するのにどれくらいの時間がかかったかを判断することができます。この平衡状態は、被験者の姿勢の影響を測定することによって決定されます。自然な姿勢の揺れを足圧プロファイルパネルで測定し、テスト中の揺れの程度を測定しました。また、このシステムは、現在市販されているものよりも多用途で手頃な価格になるように設計されています。これは、これらの機械は研究にとって重要ですが、コストが高いため現在は広く使用されていないためです。この記事で紹介した新しく開発されたシステムは、最大 100 kg の重量の試験対象物を移動するために使用されています。
この研究では、学生の学習プロセスを改善するために、工学および物理科学における 6 つの実験が計画されました。これは、これらの実験用の仮想計測器をインストールして作成することによって実現されます。仮想機器の使用を従来の実験室での教育方法と直接比較し、両方のアプローチの開発の基礎について説明します。この研究に関連する同様のプロジェクトでコンピュータ支援学習 (CBL) を使用したこれまでの研究は、仮想計測器の利点の一部、特に学生の関心の向上、記憶保持、理解力、そして最終的には研究室レポートに関連する利点を評価するために使用されてきました。。関連するメリット。この研究で説明する仮想実験は、従来のスタイルの実験の改訂版であるため、新しい CBL テクニックと従来のスタイルのラボを直接比較することができます。実験の 2 つのバージョンの間に概念的な違いはありません。唯一の違いは、実験の提示方法です。これらの CBL メソッドの有効性は、従来の実験モードを実行している同じクラスの他の生徒と比較して、仮想楽器を使用している生徒のパフォーマンスを観察することによって評価されました。すべての学生は、レポート、実験に関連する多肢選択式の質問、およびアンケートを提出することによって評価されます。この研究の結果は、CBL 分野の他の関連研究とも比較されました。
投稿日時: 2023 年 2 月 19 日