Projeto de intertravamento, fabricação de laser programável e teste para cerâmica arquitetônica

Oct 07, 2023

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 17330 (2022) Citar este artigo

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Os sistemas cerâmicos duros e resistentes ao impacto oferecem uma ampla gama de oportunidades notáveis ​​além daquelas oferecidas pelas cerâmicas quebradiças convencionais. No entanto, apesar de sua promessa, a disponibilidade da técnica de fabricação tradicional para fabricar tais estruturas cerâmicas avançadas de maneira altamente controlável e escalável representa um gargalo de fabricação significativo. Neste estudo, um sistema de fabricação a laser preciso e programável foi usado para fabricar cerâmicas topologicamente interligadas. Essa estratégia de fabricação oferece mecanismos viáveis ​​para uma arquitetura de material precisa e controle de processo quantitativo, especialmente quando a escalabilidade é considerada. Um método otimizado de remoção de material que se aproxima da modelagem quase líquida foi empregado para fabricar sistemas cerâmicos topologicamente interligados (conjuntos de blocos de construção que suportam carga interagindo por contato e fricção) com diferentes arquiteturas (isto é, ângulos de intertravamento e tamanhos de bloco de construção) submetidos a baixa condições de impacto de velocidade. Esses impactos foram avaliados usando correlação de imagem digital 3D. A cerâmica intertravada ótima exibiu uma deformação maior (até 310%) do que as outras intertravadas vantajosas para proteções flexíveis. Seu desempenho foi ajustado controlando o ângulo de intertravamento e o tamanho do bloco, ajustando o deslizamento por fricção e minimizando os danos aos blocos de construção. Além disso, a técnica de fabricação subtrativa desenvolvida leva à fabricação de sistemas cerâmicos robustos, resistentes a impactos e tolerantes a danos, com excelente versatilidade e escalabilidade.

Os sistemas cerâmicos rígidos e resistentes a impactos representam uma revolução contínua em materiais e estruturas para aplicações aeroespaciais, marítimas, automotivas, de construção e blindagem1. Suas excelentes propriedades (por exemplo, baixa densidade, alta resistência à compressão, alta estabilidade térmica e alta resistência à oxidação e corrosão), bem como maior tenacidade e resistência a múltiplos impactos oferecem vantagens exclusivas sobre os sistemas cerâmicos rígidos convencionais. Entre inúmeras possibilidades, as cerâmicas resistentes surgiram como candidatas ideais para as condições termomecânicas extremas, como sistemas de proteção térmica em motores de turbina a gás, componentes de ponta ou bicos de motores2. Cerâmicas arquitetônicas, em particular, têm atraído atenção significativa devido ao seu alto desempenho mecânico (ou seja, rígido, resistente, resistente a múltiplos impactos e tolerante a danos) em aplicações avançadas de engenharia3. A natureza intrínseca rígida e frágil no nível do componente individual pode ser traduzida com sucesso para a tenacidade aprimorada no nível estrutural geral via bioinspiração, como visto em materiais biológicos como osso4, nácar5, esmalte dentário6 ou espículas de esponja7. Das estratégias de bioinspiração que oferecem um aumento de tenacidade, o "conceito de intertravamento topológico" consiste em blocos de construção duros e rígidos ligados ao longo de interfaces fracas8,9,10. O desafio reside na fabricação precisa e industrialmente escalável de tais estruturas melhoradas mecanicamente8,11,12,13.

As tecnologias avançadas de fabricação subtrativa e aditiva surgiram como soluções promissoras para a fabricação de cerâmicas arquitetônicas com designs sofisticados14,15. A técnica de fabricação subtrativa considerada abrange o uso de sistemas avançados de laser para desenvolver arquiteturas tridimensionais (3D) em materiais frágeis (por exemplo, vidro), resultando na melhoria da resistência contra cargas de impacto quase estáticas e de baixa velocidade16. No entanto, existem desvantagens consideráveis ​​no uso de tecnologias de fabricação subtrativas para a usinagem de materiais frágeis. Exemplos desses obstáculos de engenharia incluem a complexidade da otimização de parâmetros de processo para várias e diferentes configurações de laser, composições e espessuras de materiais e objetivos geométricos/topológicos. Houve uma investigação significativa sobre os efeitos paramétricos de vários parâmetros do laser de fibra, incluindo o efeito da fluência na taxa de ablação17,18, do passo raster na rugosidade da superfície19 e da velocidade transversal e posição focal na qualidade do corte20. Os resultados desta pesquisa levaram à minimização de ondulações e à eliminação de trincas durante o corte por ablação. Embora muitos estudos tenham sido realizados sobre o projeto e a montagem (por exemplo, usinagem, fundição ou fabricação aditiva) de vidros ou cerâmicas topologicamente intertravados10,21, menos consideração foi dada ao desenvolvimento de técnicas de fabricação subtrativas precisas, quase líquidas e escaláveis ​​industrialmente para fabricar tais cerâmicas arquitetônicas.