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Sep 07, 2023

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Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 6929 (2023) Diesen Artikel zitieren 449 Zugriffe auf Metrikdetails Es werden geschlossenzellige Schaumstoffblöcke aus Aluminium mit einem Volumen von 1 Zoll3 hergestellt, die aus Aluminium bestehen

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 6929 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Es werden geschlossenzellige Aluminiumschaumblöcke mit einem Volumen von 1 Zoll3 hergestellt, die aus Aluminiumschaumteilen bestehen, die mit einem Teil eines Aluminiumrohrs abgeschirmt und bei einigen Typen mit inneren Aluminiumrohren verstärkt sind. Um einige bestehende Probleme bei Metallschaum zu überwinden, der als Opferteil zum Schutz einiger Anwendungsteile vor Stößen verwendet wird, wurden Blöcke hergestellt. Metallschaum besteht aus drei Hauptkategorien: Sandwichplatten, gefüllte Rohre und Wellbleche. Quasistatische Drucktests wurden an 12 Blöcken unterschiedlicher Form durchgeführt und mit Blöcken aus reinem Aluminiumschaum als Referenz verglichen. Die Ergebnisse zeigen die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Blöcken wie Streckgrenze (SY), Druckfestigkeit (Sc) und Verdichtungsfestigkeit (Sd), Kompression bei Dehnung 70 % sowie absorbierte Energie (Kompressionsfläche unter der Kurve). Der höchste Wert für die Streckgrenze (5,87 MPa) wurde für den Fingerphalanx-Würfelblock (FP – 0,1 Quadratfuß) registriert. Der höchste Wert für die Verdichtungsfestigkeit (21,7 MPa) wurde für den Spine-Zylinderblock (SV8 – 0,17 C25) registriert. Die registrierten Ergebnisse für Proben zeigen, dass der höchste Wert für die Energiedissipationsdichte (Edd) 40,52 J/in3 (91 % Steigerung) beträgt und die Druckfestigkeit (8,61 MPa) für den Fingerphalanx-Zylinderblock (FP – 0,17 C25) registriert wurde. Der niedrigste Wert für Edd beträgt 14,16 J/in3 (um 33 % niedriger als der Wert für reine Aluminiumschaumblöcke), SY = 0,42 MPa, Sc = 3,21 MPa und Sd = 4,46 MPa, registriert für dünnwandige Gehörgang-Zylinderblöcke (EC8 – 0,075 C26,5). Die besten mechanischen Eigenschaften wurden für den Finger-Phalanx-Zylinderblock (FP – 0,17 C25) und den Wirbelsäulen-Zylinderblock (SV8 – 0,17 C25) erreicht.

Aluminiumschaum (Al) wurde Mitte des letzten Jahrhunderts hergestellt. Es wurde in vielen Anwendungen eingesetzt, beispielsweise zur Unterstützung einiger Teile von Autos und Containern, um Stöße zu absorbieren und die Isolierung von Schall und Wärme zu verbessern. Geschlossenzelliger Al-Schaum (ACCF) gilt als Verbrauchsmaterial in Anwendungen, in denen er als Opferteil fungiert, das Energie absorbiert, um Teile oder Maschinen vor harten Stößen zu schützen. Obwohl es verschiedene Formen davon wie Sandwichplatten, gefüllte Rohre und Wellbleche gibt, die in industriellen Anwendungen verwendet werden, bestehen immer noch einige Herausforderungen wie hohe Produktionskosten und die hohen Kosten für Gussteile oder Füllrohre, da Teile oder Bleche nach Stößen fehlerhaft sind Wenn möglich, wird es wie üblich durch ein neues ersetzt, wenn es nicht repariert werden kann, was zu hohen Wartungskosten führt (z. B. werden Al-Schaumteile verformt, wenn sie einer Biegebeanspruchung ausgesetzt werden, und müssen vollständig ersetzt werden). Al-Schaum wurde in vielen Anwendungen eingesetzt, von leichten Gebäudewänden und -dächern (z. B. Stahl-Al-Sandwichplatten (SAS) und Al-Schaum-Sandwichplatten (AFS)) bis hin zur Unfallsicherheit in Automobilen.

Abbildung 1 zeigt einige Anwendungen für Aluminiumschaumteile, die zum Schutz von Fahrzeugrahmen vor Stößen verwendet werden. Außerdem wird Schaumstoff in Knautschzonen verwendet, wo er leicht ist und die Fähigkeit hat, beim Aufprall hohe Energie zu absorbieren. Die wichtigste Anwendung von Metallschaum sind Crashboxen, die die vordere Stoßstange von Autos abschirmen. Der gebräuchlichste Typ ist ein mit Schaum gefüllter zylindrischer oder vieleckiger Kanister, wie in Abb. 1e dargestellt. Für diese Box wurden viele Formen und Modelle mit unterschiedlichen Techniken hergestellt, wie z. B. dem Hinzufügen von zwei Schaumstoffteilen mit unterschiedlichen Zellgrößen, wobei der Schaumstoff mit der großen Fläche dem Aufprall ausgesetzt wird und dann der Schaumstoff mit der geringeren Größe eingesetzt wird (Abb. 1f), um die Energieabsorption durch allmähliche Aufprallwirkung zu verbessern Absorption. Die Herausforderung besteht immer noch in den Kosten für die Wartung der betroffenen Teile sowie in den hohen Kosten für die Herstellung dieses Schildes mit kontrolliert begrenzten Abmessungen.

Einige Anwendungen von Al-Schaum (a) Abgeschirmte Teile durch Schaum in der Automobilindustrie1, (b) Abschirmung des Autorahmens durch Schaum, (c) Abgeschirmte Krümelzone durch Schaum in Zügen, (d) Crashboxen der vorderen Stoßstange von Autos2, (e) Zylindrisch und polygonale Crashboxen und (f) Crashboxen mit zwei Schaumstoffteilen mit unterschiedlichen Zellgrößen3.

Das feste Schaumstoffmaterial wird in (1) natürliche Materialien wie menschliche und tierische Knochen, Spongiosaknochen, Tintenfischknochen und Korallen eingeteilt. (2) Künstliche Materialien wie Stahlschaum, Aluminiumschaum und einige Zellpolymere4. ACCFBs wurden aus herkömmlichen Komponenten erfunden, um die Kosten für die Schaumstoffherstellung bei ungleichmäßigen Formen und die Wartungskosten für gleichmäßige Formen zu senken. Knochen sind das optimale Design, das von großen Schöpfern geschaffen wurde und kompakte Knochen mit schwammigen Knochen kombiniert. Es kann Belastungen standhalten und während der Bewegung hohe Energie absorbieren. Das Tolle daran ist die genaue Verteilung der Knochenabmessungen, die als Gruppe von Blöcken mit begrenzter Größe betrachtet werden, wodurch jedes Teil seine Funktion auf einfache Weise erfüllen kann.

Es wurden drei Kategorien von Aluminiumschaum mit unterschiedlichen Formen und Größenverteilungen für das gleiche Volumen simuliert (1). Fingerphalanx-Blöcke, bei denen in realen Fällen beim Sammeln der Fingerphalanx in Schlagposition die Energieabsorption der Knochen um das 4- bis 5-fache erhöht werden kann. (2) Wirbelsäulenblöcke, die teure Drähte oder Kabel einsparen und den Biegewinkel steuern können, indem flexible Abstandshalter zwischen den Wirbelsäulenknochen angebracht werden, die Bandscheiben in der Realität simulieren. Die Wirbelsäule schützt das Rückenmark trotz ihrer flexiblen Bewegung im Körper vor Stößen. (3) Gehörgangsblöcke sind in der Lage, teure Kabel ebenso abzuschirmen wie Wirbelsäulenblöcke, jedoch mit den gleichen Bedingungen rund um ihre Oberfläche. Abbildung 2 zeigt die Knochenbildung der Fingerphalanx, das Foto und den Querschnitt der Lendenwirbelsäule, den im Schädel platzierten Gehörgang und dessen Querschnitt sowie den Querschnitt des Femurknochens. Aus mechanischer Sicht gelten Muskeln, Fett und Haut als dämpfende Materialien, die dazu beitragen, die Belastung der Knochen zu reduzieren.

(a) Handanatomie, Phalanx-Knochenbildung5, (b) Wirbelsäule (Lendenwirbel)6, (c) Struktur und Komponenten des Gehörgangs6,7 und (d) vorderer Abschnitt des Femurknochens7.

Zu den Problemen könnten hohe Kosten für die Schaumproduktion, die Wartung und eine hohe Wärmeisolierung führen, die für einige Anwendungen schädlich ist. Daher werden Blöcke erstellt, um einige Knochenideen im menschlichen Skelett zu simulieren, wie z. B. Knochen der Fingerphalanx, der Wirbelsäule (Wirbel) und Gehörgangsknochen im Schädel. Die Idee zu dieser Forschung entstand aus der Meditation über Skelettknochen, bei der Knochen aus Kalziumschaum (schwammiger Knochen) hergestellt werden, der mit einer harten Kalziumschicht (kompakter Knochen) geschützt ist, und manchmal werden Knochen in ihrem Teil je nach Funktion und ausgeübten Belastungen durch kompakte Knochen verstärkt geschaffen, um es wie Gehörgangsknochen und Wirbelsäulenknochen zu tragen.

Die Vorteile von Al-Schaum sind eine hohe Energieabsorption durch plastische Verformung, eine hervorragende Schwingungsdämpfung, Wärme- und Schalldämmung bei einer Dichte von mehr als 400 kg/m3 und die Möglichkeit des Recyclings. Die Vorteile von ACCFBs sind: Verfügbarkeit von Rohren in verschiedenen Materialien, Größen und Dicken auf dem traditionellen Markt. Außerdem kann der Schaum je nach Typ, Dichte und Zellgröße ausgewählt werden. ACCFBs bestehen aus Aluminiumschaum, der schwammigen Knochen simuliert, und kleinen Teilen aus Al-Röhren, um kompakte Knochenschilde zu simulieren. Al-Rohre haben rechteckige und kreisförmige Formen für äußere Abschirmungen und innere Verstärkungsrundrohre mit Rohren mit kleinem Durchmesser von 8 und 10 mm.

Aluminiumschaum ist ein Verbundwerkstoff, der als Sonderfall poröser Metalle definiert ist und bei dem ein fester Schaum aus einem flüssigen Schaum entsteht, in dem Gasblasen in einer Flüssigkeit mit halbgleicher Größe fein verteilt sind. Die relative Dichte (Prel) des porösen Metalls sollte nicht mehr als 70 % betragen. Metallschaum kann im Allgemeinen bis zu 30 %8 erreichen. Beachten Sie, dass eine höhere Dichte des Schaums zu einer Erhöhung der Steifigkeit und einer Verringerung der Energieabsorptionsfähigkeit führt.

Schaum wird aufgrund seiner Kristallstruktur als amorphe Legierung definiert, bei der die Atome keine Möglichkeit haben, ein Kristallgitter zu bilden und aufgrund der Schaumblasenbildung ungeordnet erstarren. Schaumzellen bestehen aus Zellwänden, Plateaurändern und Knoten (siehe Abb. 3). Zellwand: trennt zwei Gasblasen auf einer Länge von etwa dem Blasendurchmesser und weist eine Krümmung auf, die viel kleiner ist als die mittlere Krümmung der beiden Blasen. Im Allgemeinen ist die mittlere Zellwanddicke viel kleiner als der Blasendurchmesser. Plateaugrenzen: definiert als die Schnittpunkte der Wände. Knoten: sind Knotenpunkte von mindestens den vier Plateaugrenzen, Knoten, die entstehen, wenn Plateaugrenzen ungeordnet sind und ein Netzwerk bilden9.

(a) Geschlossenzelliger Al-Schaum, hergestellt auf dem Vorläuferweg mit TiH210 und (b) Bestandteil von Schaumzellen.

Die Herstellungsdaten und Eigenschaften des in ACCFBs verwendeten Al-Schaums, die auf Typ, chemische Zusammensetzung (Basismaterial, Verstärkungsmaterial, Vorläufer), Zellgröße, Dichte und Druckfestigkeit bei 70 % Dehnung schließen, sind in Tabelle 1 aufgeführt. Um sicherzustellen, dass alle Proben Alle Blöcke haben gleiche Eigenschaften und wurden aus einer Platte aus Al-Schaum mit einer Dichte von 400 kg/m3 und einer Wandstärke im Bereich von 0,2 bis 0,23 mm geschnitten. Abbildung 4 zeigt die Verfahren zur Herstellung von Al-Schaum durch Herstellung: Schmelzen einer reinen Aluminiummatrix bei 680 °C, dann Zugabe von Verdickungsmaterial (1,5 Gew.-% Ca) und Mischen mit der Aluminiumschmelze, anschließend Überführung der Schmelzmischung vom Schmelzofen in den Schäumofen zur Viskosifizierung und Schaumprozess durch Zugabe von Schaummittel (1,6 Gew.-% TiH2) und Mischen mit rotierendem Laufrad. Unter Hitzeeinwirkung zersetzt sich die Schmelze und es entsteht Wasserstoffgas. Dadurch dehnt sich der Schaum aus und füllt die Form innerhalb von 15 bis 20 Minuten aus. Nachdem die Form die angegebene Zellgröße erreicht hat, beginnt der Kühlprozess mit Luft oder Wasser, woraufhin die Platte entsprechend den erforderlichen Abmessungen zum Sägen bereit ist11,12.

Verfahren zur Herstellung von geschlossenzelligem Al-Schaum.

Aluminiumrohre sind in den traditionellen Marktabmessungen erhältlich, die in Tabelle 2 aufgeführt sind. Die chemische Zusammensetzung und Bezeichnung sind in Tabelle 3 aufgeführt, die mit der Norm DIN EN 755-2 – AS/NZS 186613 übereinstimmt. Abbildung 5 zeigt das Foto von Al-Rohren, die dies getan haben verwendet wurde.

Hohlrohre aus Aluminium 6060.

ACCFBs wurden mit Bearbeitungswerkzeugen (z. B. Säge, Feilen, Bohrer und Gummihammer) für Al-Schaum- und Rohrteile hergestellt. Die Blöcke wurden gemäß den vorgesehenen Abmessungen zusammengebaut und an den Enden der Blöcke wurde klebendes Epoxidmetall verwendet, um zu bestätigen, dass die Teile gut zusammengebaut sind zusammen. Tatsächlich gibt es zwei Methoden zur Herstellung von Blöcken, wie in Abb. 6 dargestellt. Die erste Methode besteht darin, sowohl Al-Schaum- als auch Rohrteile zu bearbeiten und sie dann durch sanftes Hämmern zusammenzusetzen14. Die zweite Methode besteht darin, Schaum im Rohrprofil aufzubauen, indem zunächst pulvermetallurgisches Matrixmaterial, Schaummittel (TiH2 oder ZrH) und Zusatzstoffe (Mg, Si usw.) gemischt, dann kalt verdichtet und anschließend bei etwa 400–480 ° heiß extrudiert werden C. Dadurch wird der Schaumbildner gleichmäßig verteilt und gasdicht in der Metallmatrix eingebettet. Der Extrusionsprozess trägt dazu bei, die Oxidfilme auf der Oberfläche der Metallpulver aufzubrechen, was die Konsolidierung erleichtert. Das Produkt kann als Vorläufermaterial betrachtet werden, das selbst nicht weit von der vollen Dichte entfernt ist, sich aber leicht in Schaum umwandeln lässt. Diese Umwandlung wird durch einfaches Erhitzen des Vorläufers auf eine Temperatur bewirkt, bei der die Legierung flüssig ist. Das Treibmittel entwickelt Gas und erzeugt so einen Schaum, der durch sehr feine Oxidpartikel stabilisiert wird, die nach der Extrusion gleichmäßig im Vorläufer verteilt sind. Nach dem Schmelzen und Schäumen wird die geschäumte Platte schnell abgekühlt, um ein Zusammenfallen der geschäumten Struktur zu verhindern15. Obwohl mit der zweiten Methode stärkere Blöcke hergestellt werden und die Gesamtherstellungskosten günstiger sind als mit der ersten Methode, ist sie für die Massenproduktion und präzise Teile wie Prothesen geeignet und zuverlässiger. Die erste Methode ist einfach, allgemein und bietet vielfältige Einsatzmöglichkeiten, da jede Art von Schaumstoff mit den erforderlichen Eigenschaften ausgewählt werden kann16 und die Auswahl von Rohren mit unterschiedlichen Abmessungen ist für den Durchschnittsmenschen mit einer begrenzten Anzahl von Blöcken je nach Bedarf einfach durchzuführen.

Schematische Darstellung der schaumgefüllten Röhrenherstellung mit (a) externer und (b) interner Schaumfüllung.

Es wurden zwanzig ACCFB-Proben hergestellt, wie in Abb. 7 dargestellt. Zwölf davon wurden für die Anwendung des seitlichen Kompressionstests (quasistatisch) und den Vergleich der Ergebnisse mit reinen Schaumstoffblöcken ausgewählt, um die Verbesserungswerte festzulegen. Die Proben simulieren vier Kategorien von Knochen: reiner Schaumstoffblock, Fingerglieder, Wirbelsäule und Gehörgang mit unterschiedlichen Formen (Würfel, Parallelogramm und Zylinder), wie in Tabelle 4 dargestellt. Es wurde ein quasistatischer Test angewendet und alle Kurvendaten auf skaliert Fläche cm2.

Muster von Aluminiumschaumblöcken mit begrenzten Größen.

Auf der Universalprüfmaschine (WDW-300 KN, China) wurden quasistatische Druckversuche durchgeführt. Die Prüfgeschwindigkeit betrug 1 mm/min. Der Aluminiumschaum-Drucktest wurde gemäß der Norm „DIN 50.134:2008-10“ „Prüfung metallischer Werkstoffe – Druckversuch metallischer Zellwerkstoffe“20 durchgeführt. Dabei ist die Druckspannung (Ɛ) gleich der Längenänderung/ursprünglichen Länge.

Alle Arten von Aluminiumschaum weisen bei quasistatischen Drucktests bei einer Dehnung zwischen 65 und 75 % plastische Kollapsbereiche auf. Sie hängt von der relativen Dichte, Zellgröße und Materialzusammensetzung der Schaummatrix ab. Daher wurden alle ACCFB-Kategorien bei einer Belastung von 70 % getestet. Es gibt zwei Arten von Energieabsorptionskriterien: die spezifische Energieabsorptionskapazität (Es) und die volumetrische Energieabsorption (Edd). Es kann als die insgesamt absorbierte Energie pro Masseneinheit definiert werden und ist ein Leistungsindex, der zur Messung der Fähigkeit eines Materials verwendet wird, Energie aus einer auftreffenden Last zu absorbieren. Sie ist definiert als das Verhältnis der maximalen Energie, die pro Einheit Schaummasse (mf) dissipiert werden kann, und Ea wird als potenzielle Absorptionsenergie beschrieben, die gleich der Fläche unter der „Spannungs-Dehnungs-Kurve“21,22 ist.

Die Energieabsorptionskapazität kann auch als durchschnittliche Schaumstauchfestigkeit (Sc) ausgedrückt werden, die in Schaum definiert ist: Spannung, bei der ein kontinuierlicher Kunststoffkollaps beginnt. Also über einen Bereich der Schaumverformung. Es kann anhand der durch Tests erstellten Spannungs-Dehnungs-Kurven berechnet werden, vorausgesetzt, dass eine gleichmäßige Belastung erreicht wird.

Dabei ist V das Schaumblockvolumen (cm3), Vc das komprimierte Volumen des Schaumblocks (cm3), d die Schaumverformung, Vc/V (dimensionslos), ρ die Schaumdichte (g/cm3).

Die statische Energiedissipationsdichte von Schaumstoffen (Edd) ist ein nützlicher Index zur Messung der Energieabsorptionseigenschaften von Aluminiumschaum. Dies ist die maximale Energie, die eine Schaumvolumeneinheit durch einen Aufprall absorbieren kann8.

Das Volumen der ACCFBs wurde auf 1 Zoll3 gewählt, um das Ausmaß der Energieabsorption aufgrund der Dimensionsumverteilung auf verschiedenen geometrischen Formen zu untersuchen. Manche Körperschaften haben möglicherweise einen soliden Schlagtest, der auf die betroffene Fläche angewendet wird, um die Schlagzähigkeit von massiven Metallen oder Verbundwerkstoffen zu testen (z. B. Charpy-Test oder Izod-Tests), aber in Bezug auf die tatsächliche Energieabsorption in Schaumstoffmaterialien, die allgemein von Edd definiert werden.

Tatsächlich wird Stoß in der Materialmechanik als dynamische Biegebeanspruchung aufgrund seiner Geschwindigkeit definiert. Blöcke werden von vielen Faktoren beeinflusst, wie z. B. der Verteilung der ausgeübten Kraft auf die Blockform, der Steifigkeit und Festigkeit der Rohre, der Energieabsorption sowohl der Rohre als auch des Schaums. Beim quasistatischen Test wird der Schaum komprimiert, während die Rohre einer Biegebeanspruchung ausgesetzt werden. Daher kann das Flächenmoment nicht der einzige Parameter zur Messung des Spannungsverhaltens am Block sein, sondern Formabmessungen, Steifigkeit, Festigkeit, Biegesteifigkeit und der Einfluss der Position des Verstärkungsrohrs (Innenrohrs) steuern den Energieabbruch von ACCFBs. Die Mindestgrenze für das Blockvolumen beträgt 1/2 bis 2/3 Zoll3, abhängig von der Schilddicke und -steifigkeit, wobei unter dieser Grenze Edd um etwa 20 % reduziert wird. Wenn also die Blockgröße auf 1/2 Zoll3 reduziert werden muss, ist dies vorzuziehen Verwenden Sie Schaumstoff mit einer relativen Dichte von mindestens 24 bis 30 %. Dies erhöht die Dichte des Schaums und die Masse des Blocks und erhöht auch die Wärmeisolationskapazität des Schaums. Daher ist die Auswahl des Blockvolumens auf 1 Zoll3 optimal.

Die Aluminiumschaum-Kompressionskurve unten zeigt die Bereiche der Spannungs-Dehnungs-Kurve, wie in Abb. 8 dargestellt. Der Plateau-Kollapsbereich könnte durch (Sc) unter Anwendung von Gl. spezifiziert werden. (4) oder (5). Die Druckspannungs-Dehnungs-Kurve von Metallschaum weist drei Hauptbereiche auf: einen linearen elastischen Bereich, einen plastischen Bereich, in dem das Plateau an dessen Ende zusammenbricht, und einen Verdichtungsbereich, in dem die Schaumdichte aufgrund der vollständigen Zerstörung der Schaumzellen zunimmt. Der erste Bereich (lineare elastische Zone) trat bei einer geringen Dehnung (2–3 %) auf. Der zweite Bereich (plastische Verformung) setzt sich bis zu einer Dehnung von etwa 70 % fort. Der dritte Bereich (Verdichtung) wird bis zum festen Zustand andauern23.

Spannungs-Dehnungs-Kurvenbereiche von Aluminiumschaum.

Abbildung 9 zeigt die technische Spannungs-Dehnungs-Kurve eines reinen Aluminiumschaumwürfels. Es ist klar, dass die Streckgrenze 0,71 MPa beträgt, die Druckfestigkeit 8,4 MPa (bei 70 % Dehnung), die Druckfestigkeit (Sc) 4,53 MPa (bei 64,6 % Dehnung) und die Energieabsorption (Kompressionsfläche unter der Kurve). Ea = 1,36 J und Edd = 21,25 J/Zoll3.

Spannungs-Dehnungs-Kurve eines reinen Aluminiumschaumblocks (Pure – Sq.).

Die Abbildungen 10, 11, 12, 13 und 14 zeigen die technische Spannungs-Dehnungs-Kurve von Fingerphalanx-Blöcken. Es scheint klar zu sein, dass die Streckgrenze des mit einem Vierkantrohr abgeschirmten Schaumstoffwürfels (Block: FP – 0,1 Quadratfuß) aufgrund der Verformungsbeständigkeit der quadratischen Form den höchsten Wert (5,87 MPa) aufweist. während die niedrigste Streckgrenze (0,43 MPa) für Schaumstoffzylinder beträgt, die mit einem kreisförmigen Rohr abgeschirmt sind (Block: FP – 0,17 C30). Dies ist auf den großen Durchmesser dieses Schildes zurückzuführen. Außerdem ist ersichtlich, dass die höchste Druckfestigkeit (Sc) für Schaumstoffzylinder, die mit einem kreisförmigen Rohr (Block: FP – 0,17 C25) abgeschirmt sind, aufgrund der geringen Größe der Abschirmung (8,61 MPa) beträgt und die niedrigste (Sc) (5,54 MPa) beträgt ) für Schaumstoffzylinder, die mit einem kreisförmigen Rohr abgeschirmt sind (Block: FP – 0,17 C30) aufgrund der großen Abschirmung, bei der der Verformungswiderstand verringert ist und der Kollapsprozess der Schaumstoffzellen dominiert, wobei die Festigkeit von der Zellform, der Wandstärke, der Größe usw. abhängt Verteilung24.

Spannungs-Dehnungs-Kurve eines Fingerphalanx-Würfelblocks (FP – 0,1 Quadratfuß).

Spannungs-Dehnungs-Kurve des Fingerphalanx-Parallelogrammblocks (FP – 0,1 Pa).

Spannungs-Dehnungs-Kurve des Fingerphalanx-Zylinderblocks (FP – 0,17 C25).

Spannungs-Dehnungs-Kurve des Fingerphalanx-Zylinderblocks (FP – 0,075 C26,5).

Spannungs-Dehnungs-Kurve des Fingerphalanx-Zylinderblocks (FP – 0,17 C30).

Abbildung 15 zeigt die Zusammenfassung der Streckgrenze, Druck- und Druckfestigkeit für alle Fingerphalanx-Blöcke im Vergleich zu Blöcken aus reinem Aluminiumschaum. Die Energiedissipationsdichte (Edd) wurde für alle Fingerphalanxblöcke mit einem Volumen von 1 Zoll3 berechnet. Abbildung 16 zeigt die Werte der Energiedissipationsdichte (Edd) für reine Al-Schaumblöcke und Fingerphalanxblöcke mit einem Volumen von 1 Zoll3. Die auf die nächsten ganzen Zahlen gerundet wurden. Dies lässt sich leicht als Zähigkeitsindex für Blöcke definieren, wobei die Werte aus der absorbierten Energie stammen, die anhand der Fläche unter der Kurve berechnet und dann mit dem Volumen des Blocks multipliziert wird.

Nachgiebigkeit, Druck- und Druckfestigkeit von Fingerphalanxblöcken im Vergleich zu Al-Schaumblöcken.

Zähigkeitsindex der Al-Schaumblöcke und Fingerphalanxblöcke (absorbierte Gesamtenergie pro Volumen Zoll3).

Tabelle 5 zeigt die Edd-Verformungslänge bei einer Dehnung von 70 % und den Prozentsatz der Energieabsorptionssteigerung der Blöcke im Vergleich zu Aluminiumschaumblöcken, wobei:

Berechnungen der prozentualen Verstärkung zeigen, dass der höchste Wert für den Block FP-0,17 C25 um 91 % und der niedrigste Wert für den Block FP-0,075 C26,5 um 26 % unter dem reinen Al-Blockwert liegt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Energieabsorption (Edd) proportional zur Druckfestigkeit (Sc) ist, während die Verdichtungsfestigkeit (Sd) proportional zur Dichte, Form, Abmessungen und Dicke der Schildrohre der Blöcke ist. Außerdem kommt es bei rechteckigen und runden Rohren mit größeren Abmessungen bei gleicher Dicke leichter zum Versagen als bei Formen mit kleineren Abmessungen, die zum Versagen eine hohe Druckbelastung erfordern. Dünnwandige Rohre lassen sich bei gleicher Länge leichter verformen als dickwandige Rohre25,26. Block FP-0.17 C25 hat also den höchsten Sc und den höchsten Sd, während Block FP-0.075 C26.5 den niedrigsten Sc und den niedrigsten Sd hat.

Die Abbildungen 17, 18, 19 und 20 zeigen die technischen Spannungs-Dehnungs-Kurven von Wirbelsäulenblöcken. Es scheint klar, dass die Streckgrenze des Schaumstoffparallelogramms, das mit einem rechteckigen Rohr abgeschirmt ist und zwei versetzte Innenrohre enthält (Block: SV8 – 0,1 Pa), aufgrund des Widerstands der rechteckigen Form gegen Verformung den höchsten Wert (2,2 MPa) hat. Die niedrigste Streckgrenze beträgt (0,45 MPa) für Schaumstoffwürfel, die mit einem Vierkantrohr abgeschirmt sind und ein versetztes Innenrohr enthalten (Block: SV8 – 0,1 Quadratfuß). Dies ist auf den geringen Widerstand des Schaumstoffwürfels aufgrund seiner geringen Größe und des Vorhandenseins des Innenrohrs zurückzuführen. Es ist auch offensichtlich, dass die höchste Druckfestigkeit (Sc), Druckfestigkeit und Energieabsorption von 7,43 MPa, 21,7 MPa bzw. 2,38 J für Schaumstoffzylinder gilt, die mit einem kreisförmigen Rohr (Block: SV8 – 0,17 C25) abgeschirmt sind, aufgrund der geringen Größe Größe der Abschirmung und hoher Widerstand des Innenrohrs, wo es bis zu einer Dehnung von etwa 20 % komprimiert wird. Die niedrigsten (Sc) Druckfestigkeiten und Energieabsorptionen von 4,02 MPa, 9,47 MPa bzw. 1,48 J gelten für Schaumstoffzylinder, die mit einem kreisförmigen Rohr (Block: SV8 – 0,17 C30) abgeschirmt sind, aufgrund der großen Abschirmung, bei der der Verformungswiderstand groß ist verringert sich auch bei einer Dehnung von 70 %. Der Innenschlauch wird nicht komprimiert. Diese große Größe eignet sich also zum Schutz teurer Elektrokabel.

Spannungs-Dehnungs-Kurve des Wirbelsäulenwürfelblocks (SV8 – 0,1 Quadratfuß).

Spannungs-Dehnungs-Kurve des Wirbelsäulen-Parallelogramm-Blocks (SV8 – 0,1 Pa.).

Spannungs-Dehnungs-Kurve des Spine-Zylinderblocks (SV8 – 0,17 C25).

Spannungs-Dehnungs-Kurve des Spine-Zylinderblocks (SV8 – 0,17 C30).

Abbildung 21 zeigt die Zusammenfassung der Streckgrenze, Druck- und Druckfestigkeit aller Rückenblöcke im Vergleich zu Blöcken aus reinem Aluminiumschaum. Die Energiedissipationsdichte wurde für alle Spine-Blöcke mit einem Volumen von 1 Zoll3 berechnet. Abbildung 22 zeigt die Werte der Energiedissipationsdichte (Edd) für reine Al-Schaumblöcke und Spine-Blöcke mit einem Volumen von 1 Zoll3, die auf die nächsten ganzen Zahlen gerundet wurden.

Nachgiebigkeit, Druck- und Druckfestigkeit von Rückgratblöcken im Vergleich zu Al-Schaumblöcken.

Al-Schaumblock und Spine-Blöcke Zähigkeitsindex (absorbierte Gesamtenergie pro Volumen Zoll3).

Tabelle 6 zeigt die Edd mit der Verformungslänge bei einer Dehnung von 70 % und der prozentualen Verbesserung der Energieabsorption der Blöcke im Vergleich zu Aluminiumschaumblöcken unter Anwendung von Gl. (7). Berechnungen der prozentualen Verstärkung ergeben, dass der höchste Verstärkungswert für Block SV8-0,17 C25 um 67 % und der niedrigste Wert für Block SV8-0,17 C30 um 14 % beträgt. Die Ergebnisse zeigen, dass Edd proportional zu Sc ist, während die Verdichtungsstärke (Sd) proportional zu Form, Abmessungen und Dicke der Abschirmrohre von Blöcken ist. Block SV8-0.17 C25 hat also den höchsten Sc und auch den höchsten Sd, während Block SV8-0.17 C30 aufgrund seines großen Schirmrohrdurchmessers den niedrigsten Sc und den niedrigsten Sd hat. Der rechteckige Block SV8-0,1 Pa ist die beste Wahl, da er zum Schutz vor Stößen zwei Drähte durch seine Innenrohre führen kann und eine gute Energieabsorption aufweist.

Die Abbildungen 23, 24 und 25 zeigen die technische Spannungs-Dehnungs-Kurve von Gehörgangsblöcken. Es scheint klar, dass die Streckgrenze und die Druckfestigkeit eines Schaumstoffwürfels, der mit Vierkantrohren abgeschirmt ist und Innenrohre in der Mitte enthält (Block: EC8 – 0,1 Quadratfuß), den höchsten Wert von 1,16 bzw. 5,3 MPa haben. Während die niedrigste Streckgrenze, Druckfestigkeit, Druckfestigkeit und Energieabsorption 0,42 MPa, 3,21 MPa, 4,46 MPa bzw. 0,96 J für Schaumstoffzylinder betragen, die mit einem dünnwandigen Rohr abgeschirmt sind, das in der Mitte ein Innenrohr enthält (Block: EC8 —0,075 C26,5). Dies ist auf den geringen Widerstand dünnwandiger Rohre und die Verteilung der Schaumzellen in Zylinderform mit 8 mm großen Poren in der Mitte zurückzuführen, was den Druckwiderstand verringert.

Spannungs-Dehnungs-Kurve des Ear Canal Cube-Blocks (EC8 – 0,1 Quadratfuß).

Spannungs-Dehnungs-Kurve des Gehörgangblocks (EC8 – 0,075 C26,5).

Spannungs-Dehnungs-Kurve des Gehörgangblocks (EC8 – 0,17 C30).

Abbildung 26 zeigt die Zusammenfassung der Streckgrenze, Druck- und Druckfestigkeit aller Gehörgangsblöcke im Vergleich zu Blöcken aus reinem Aluminiumschaum. Abbildung 27 zeigt die Werte der Energiedissipationsdichte (Edd) für reine Al-Schaumblöcke und Gehörgangblöcke mit einem Volumen von 1 Zoll3, die auf die nächsten ganzen Zahlen gerundet wurden.

Nachgiebigkeit, Druck- und Druckfestigkeit von Gehörgangsblöcken im Vergleich zu Al-Schaumblöcken.

Zähigkeitsindex für Al-Schaumblöcke und Gehörgangblöcke (absorbierte Gesamtenergie pro Volumen Zoll3).

Tabelle 7 zeigt die Edd mit der Verformungslänge bei einer Dehnung von 70 % und der prozentualen Verbesserung der Energieabsorption der Blöcke im Vergleich zu Aluminiumschaumblöcken unter Anwendung von Gl. (7). Berechnungen der prozentualen Verstärkung zeigen, dass der höchste Verstärkungswert für Block EC8-0,1Sq um 12 % und der niedrigste Wert für Block EC8-0,075 C26,5 um 33 % geringer ist als bei reinem Al-Schaum. Die Ergebnisse zeigen, dass Edd proportional zu Sc ist, während die Verdichtungsstärke (Sd) proportional zu Form, Abmessungen und Dicke der Abschirmrohre von Blöcken ist. Der Block EC8-0.1Sq hat also den höchsten Sc und den zweiten, der für den höchsten Sd angeordnet ist. Dies bezieht sich auf seine quadratische Form, die der Druckkraft durch eine gleichmäßige projizierte Fläche standhält. Dies bedeutet, dass die Last zur Verformung erhöht werden muss, obwohl er über eine dünne Wandabschirmung verfügt sein Verbesserungsprozentsatz ist relativ gering. Während Block EC8-0,075 C26,5 aufgrund seines dünnwandigen Abschirmrohrs, der relativ geringen Länge und der kreisförmigen Form den niedrigsten Sc und den niedrigsten Sd aufweist.

Schließlich steuern viele Parameter den Verformungsmechanismus von Blöcken im quasistatischen Test, der sich auf die Energieabsorptionswerte wie Schildform, Dicke und Materialart auswirkt. Außerdem Schaummaterial, Form- und Dimensionsverteilung, Zellgröße, Schaumdichte sowie Schaumkomponente und deren Zusammensetzung. Einfach alle oben genannten Proben können in einer Tabelle zusammengefasst werden, um die für verschiedene Anwendungen erforderlichen Energieabsorptionseigenschaften zu registrieren: Energieabsorption pro Volumen 1 Kubikzoll (Edd) bei 70 % Dehnung und Masse. Tabelle 8 zeigt die Eigenschaften aller Blöcke, die Verformungshöhe bei 70 % Dehnung, die Masse und die Energieaufnahme für jeden Block.

Die Hauptidee von ACCFBs ist ihre Flexibilität bei der Verwendung und einfachen Wartung, wobei entbehrliche Teile in drei Hauptkategorien zusammengefasst werden können, wie in Abb. 28 dargestellt: (1) Muster ähnlicher Blöcke, das aus einem Blocktyp besteht, (2) Muster mit mehreren Blöcken bestehend aus verschiedenen Blocktypen, (3) Das kombinierte Blockmuster besteht aus anderen Komponenten sowie Blöcken wie Memory-Schaum oder Silikonscheiben, Gummihülsen oder Metallkanistern. Tatsächlich sollte der Expansionsverformungsfaktor berücksichtigt werden, wenn sich Schildrohre je nach Rohrform verformen und in der Breite von 115 bis 140 % ausdehnen, während sich Schaum aufgrund von Stößen geringfügig um etwa 105 % in alle Richtungen ausdehnt.

Kategorien von ACCFBs-Mustern (a) ähnlich, (b) mehrere Blöcke, (c) kombiniert.

Die Gesamtenergieabsorption von Mustern kann bei einer Dehnung von 70 % leicht abgeschätzt werden, es sollten jedoch neben der Energiemusterfläche und der Gesamtmasse zwei Parameter angegeben werden. Beispiel für die Schätzung der Gesamtenergieabsorption des Musters in Abb. 28b unter Bezugnahme auf Tabelle 8 für die Berechnungen in Tabelle 9.

Die Ergebnisse der Gesamtenergieabsorption des Musters betragen 813 J. Wenn alle Blöcke durch einen Teil Aluminiumschaum ersetzt wurden, verringert sich diese Fläche auf die Hälfte, tatsächlich ergibt sich jedoch eine Gesamtenergieaufnahme von Edd = 756 J und die Masse verringert sich um etwa 35 % Muster. Im Ernst, es gibt einige Herausforderungen bei Aluminiumschaumplatten in Anwendungen, bei denen Schaum auch ein guter Wärmeisolator ist, keine Kabel oder Drähte hindurchführen kann und dies zu Einschränkungen bei der Verwendung großer Schaumteile in Fahrzeugen führt, insbesondere für weite Bereiche, in denen große Mengen benötigt werden Darüber hinaus ist es zulässig, Stöße in einer Ebene aufzunehmen. Dies bedeutet, dass zwei Ebenen (z. B. XZ, YZ) abgedeckt werden müssen. Bei schrägen Stößen sind zwei Oberflächen erforderlich, was sich auf die erforderliche Schaummenge auswirkt. Außerdem eignet sich Schaum als festes (nicht flexibles) Teil nicht für ungleichmäßige Formen, was zu teuren Prozessen wie Gießen oder präziser Bearbeitung führt.

Abbildung 29 zeigt die Auswertung der Kollisionstypen und ihren Prozentsatz27. Die Abbildungen 30, 31 und 32 veranschaulichen die vom Forschungsteam entwickelten Arten kombinierter Muster, bei denen Polyurethan-Memory-Schaum (PU-220) mit einer Dichte von 220 kg/m3 als Polsterungs- und Energieabsorbermaterial verwendet wurde. Die maximalen Dämpfungseffizienzeigenschaften beim quasistatischen Test waren Edd = 0,13 J/cm3 (2 J/in3), Dehnung 57 %, Druckspannung 0,44 MPa, 39 % Energierückgabe28. Es ist so konzipiert, dass es für die meisten Fahrzeuge geeignet ist und die oben genannten Herausforderungen berücksichtigt.

Bewertung der Kollisionsarten durch die Firma Volkswagen im Jahr 1993 vorgestellt.

Gefüllte Rohre durch Blöcke (a) einteiliges Vierkantrohr, (b) zweiteiliges Vierkantrohr (C-Form + flache Strebe).

Flexibles Muster (a) Litze für ungleichmäßige Formen, (b) flexible Abschirmung zum Schutz von Drähten wie Glasfaser.

(a) Musterarbeit in zwei Richtungen (b) Musterarbeit in zwei Plänen.

Abbildung 30 zeigt Beispiele für zwei Muster für gefüllte Röhren, die auf der Verwendung des höchsten Wertes der Energieabsorption für den Fingerphalanx-Block (FP-0,17 C25) mit PU-220 als Polstermaterial basieren, um eine leichte Dämpfung und Absorption von Energie zu bewirken und das Einführen des Blocks zu erleichtern und einfach in der Fixierung. Nach der Befestigung des Blocks im PU-220, der eine quadratische Form mit einer Segmentlänge von 28 mm hat, werden 4 Teile mit einer Gesamtlänge von 128 mm in einen Kanister oder ein Rohr mit den Abmessungen 160 × 30 × 30 mm3 und einer Dicke von 1 mm gesteckt. Viele verschiedene Formen von Kanistern oder Röhren, die aus einem Teil der Röhre oder aus zwei zusammengesetzten Teilen bestehen können. Die Länge des Rohrs und die Anzahl der verwendeten Blöcke sowie der PU-220-Abschirmung können je nach erforderlicher Länge oder Anwendung ausgewählt werden. Dieses gefüllte Rohrteil eignet sich für Autoschweller, vordere und hintere Stoßstangen, Rahmen von Bussen und Pickups. Für den Normalbürger ist es leicht, es herzustellen und zu reparieren. Es ist einfach, die Gesamtenergieabsorption, Masse und Fläche dieses Teils nach der Konstruktion zu berechnen. Dieser gefüllte Rohr-Edd entspricht dem Doppelten von Edd aus reinem Al-Schaum.

Abbildung 31 zeigt Beispiele für zwei flexible Muster, eines für ungleichmäßige Formen und eines zum Schutz teurer Drähte. Der erste ist so konzipiert, dass er jede Profilform annehmen kann, und es können verschiedene Blöcke verwendet werden. Für schwere Anwendungen können sie auch mit Riemensträngen oder Kleber mit Kettensträngen abgedeckt werden. Die zweite Möglichkeit, den Biegewinkel von Schutzdrähten wie Glasfasern durch einen flexiblen Abstandshalter aus PU-220 oder weichem Silikon zu steuern, indem die maximale Dehnung zur Schätzung des Biegewinkels verwendet wird, sollte auch die Dehnung des Abdeckmaterials berechnen, um das Überschreiten kritischer Biegewinkel zu vermeiden.

Abbildung 32 zeigt Beispiele für zwei Doppelbewegungseffektmuster. Das erste ist für die Behandlung mit schrägem Aufprall konzipiert und kann in zwei Richtungen nach links und rechts mit hoher Effizienz arbeiten, indem es die Fähigkeit aller Blöcke zur Energieabsorption nutzt. Die zweite soll die Effizienz der Energieabsorption verbessern, indem sie Energie in zwei senkrechten Ebenen absorbiert. Sie eignen sich für geschützte Fahrzeuge mit großer Masse (z. B. Pickups und Lastkraftwagen) oder langsame Fahrzeuge für schwere Arbeiten, die aufgrund ihrer Arbeit in begrenzten Bereichen anfällig für Umkippen oder Kollisionen sind, wie z. B. Gabelstapler. Muster können mit zusätzlichen Blöcken in ihren Räumen unterstützt werden, aber es funktioniert auch in eine Richtung oder einen Plan. Kühlung sollte nicht für Geräte in Betracht gezogen werden, bei denen mehr Schaum eine bessere Wärmeisolierung bedeutet.

Schließlich können die Eigenschaften der ACCFBs durch die Materialauswahl für die Abmessungen und die Dichte von Metallschaum und Abschirmrohren angepasst werden. Bei Blöcken und Mustern sollten jedoch Korrosionspotenziale der Materialien berücksichtigt werden, um Korrosion, Wärmeübertragung, Arbeitsmedium und die beste Verteilung der Blöcke im Muster zu vermeiden um maximale Vorteile hinsichtlich Masse, Energieaufnahme und abgedeckter Fläche zu erzielen.

Die Energieabsorption der Aluminiumschaumblöcke wurde durch die Abschirmung durch herkömmliche Aluminiumschaumrohre verbessert.

Der Innenrohrdurchmesser sollte 1/3 der Höhe oder des Blockdurchmessers nicht überschreiten, um die Schaumeigenschaften als führende Eigenschaften für die Energieabsorption beizubehalten.

Der Block wurde so ausgewählt, dass er ein optimales Volumen von 1 Kubikzoll hat, um für alle Schaumarten geeignet zu sein und auch im Vergleich zu anderen Blockabmessungen und Energieabsorption einfach zu sein.

Jeder Block verfügt über einen eigenen Energieabsorptions- und Aufprallkraftwert, der eine vielfältige Verwendung in verschiedenen Anwendungen, insbesondere für Fahrzeuge, ermöglicht.

Die Druckfestigkeit ist direkt proportional zur Energieaufnahme.

Der höchste Wert für die Energieabsorption liegt bei dickwandigen Zylinderformen mit kleinen Durchmessern (25 mm, t = 1,7 mm), während der niedrigste Wert bei dünnwandigen Zylinderformen (26,5 mm, t = 0,75 mm) liegt, was geringer ist als bei Al-Schaumwürfeln um etwa 30 %.

Die geringste Aufprallkraft ist bei dünnwandigen kreisförmigen Formen zu verzeichnen, die höchste beim Fingerphalanx-Parallelogrammblock. Zu den besten Eigenschaften zählen runde, dicke Wandblöcke mit großem Durchmesser (30 mm, t = 1,7), die eine hohe Energieabsorption und eine relativ geringe Aufprallenergie aufweisen.

Die Aufprallkraft kann als Index für die Auswahl von Blöcken verwendet werden, bei denen der Block eine hohe Aufprallkraft hat. Er kann als Schutz für teure Drähte wie Wirbelsäulen- und Gehörgangsblöcke verwendet werden, während ein Block mit geringer Aufprallkraft geeignet ist, Energie in hohem Maße zu absorbieren, was für die Panzerung geeignet ist gegen Stöße.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel enthalten.

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Herr Taha

Tabbin Institute for Metallurgical Studies, Kairo, Ägypten

Ramadan N. Elsher

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Konzeptualisierung, MH Dadoura, AI Farahat, MR Taha und RN Elshaer; Methodik, MH Dadoura, AI Farahat und RN Elshaer; Validierung, MH Dadoura, AI Farahat und RN Elshaer; formale Analyse, MH Dadoura und RN Elshaer; Untersuchung, MH Dadoura und RN Elshaer; Ressourcen, MH Dadoura und AI Farahat; Datenkuration, MH Dadoura, AI Farahat und RN Elshaer; Vorbereitung des schriftlichen Originalentwurfs, MH Dadoura, AI Farahat, MR Taha und RN Elshaer; Schreiben, Rezension und Bearbeitung, MH Dadoura, AI Farahat, MR Taha und RN Elshaer; Visualisierung, MH Dadoura, AI Farahat und RN Elshaer; Aufsicht: MH Dadoura, AI Farahat, MR Taha und RN Elshaer. Alle Autoren haben die veröffentlichte Version des Manuskripts gelesen und ihr zugestimmt.

Korrespondenz mit Mohamed H. Dadoura oder Ramadan N. Elshaer.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Dadoura, MH, Farahat, AIZ, Taha, MR et al. Verbesserung der quasistatischen Druckfestigkeit für geschlossenzellige Aluminiumschaumblöcke, die durch Aluminiumrohre abgeschirmt sind. Sci Rep 13, 6929 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-33750-7

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Eingegangen: 11. Februar 2023

Angenommen: 18. April 2023

Veröffentlicht: 28. April 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-33750-7

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