MTS に在籍する科学者の Erik Schwarzkopf 博士は、材料試験、冶金学、システムエンジニアリングの分野において 25 年以上の経験を持ち、独自の専門知識を顧客に提供しています。MTS の上級設計エンジニアである Steve Lemmer は、23 年以上にわたって革新的な試験ソリューションを開発し、MTS が世界中に設置した 15 台の平面 2 軸試験システムの設計に貢献しました。この Q&A では、平面 2 軸試験の起源、課題、利点について説明します。
質問平面 2 軸試験とはどんな試験でしょうか。従来の 1 軸試験との違いは何でしょうか。
Schwarzkopf 氏: 平面 2 軸試験の発想は、現実の世界において大半の構造物や部品は複数の方向に荷重を受けているという考え方です。実環境のシミュレーションを行うためには、テストエンジニアはプロセスにわたり大きな制御を働かせながら試験片を多方向に引っ張る必要があります。この場合の「制御」とは、試験片の中心を正確に保ち、追加の曲げ応力のリスクを取り除くことです。弊社の平面 2 軸システムでは、これを実現するためにひとつの平面に 4 台のアクチュエーターを使用しています。通常、平面 2 軸試験用の試験片は十字形の形状で 4 つの取り付け点があり、アームの長さが等しいという特徴があります。これは、試験片の中心付近が均一に伸びる必要があるからです。均一に伸びなければ、テストで正しい結果を得ることができません。
質問平面 2 軸試験はどのようにして生まれたのですか？その起源について教えてください。
Schwarzkopf 氏: 平面 2 軸試験は、1960年代のジェットエンジンの出現により必要となりました。航空宇宙メーカーの間では、航空機構造の応力状態に関する関心が高く、また、初期は自動車製造におけるシートメタルの結晶構造の解析のために実施されていました。平面 2 軸試験を行う前は、エンジニアは複数の 1 軸試験を個別に行い、外挿法を用いて実際の多軸挙動を予測していました。
質問平面 2 軸試験技術の改良において、MTS はどのような役割を果たしましたか？
Schwarzkopf 氏: MTS が改良に関わったのは1980年代の時です。弊社は、単体のロードユニットを使ってねじりと引っ張りを同時に実施できる初の 2 軸試験システムを開発したパイオニアです。さらに横荷重を加えたため、4 台のアクチュエータが必要になります。このようなテストを正確に実現するためには、複数の軸を同時に制御できる弊社のソリューションが不可欠でした。自動車業界での経験から、MTS は複数のアクチュエータの位相関係の制御に精通していました。そして、弊社では特定の幾何学的関係を確保するために負荷フレームを追加しました。1990 年代には、お客様が適切な重心制御を簡単に行うためのソフトウェア、デジタルコントローラ、制御方式を開発しました。それ以前でも重心制御は可能でしたが、多くの研究室では非常に難しく非効率的でした。
質問平面 2 軸試験はどのようなニーズに対応していますか？
Schwarzkopf 氏: エンジニアは、材料の強度と厚さに関する重要な設計上の決定を行うために、平面 2 軸試験データを利用しています。主に金属の検査を中心に多くの業界で応用されています。多くの場合、破壊力学や疲労亀裂成長などの動的試験が焦点です。お客様は、様々な負荷条件の下でどのくらいの速さで亀裂が成長し臨界寸度に達するのかを知る必要があります。他にも、平面2 軸シミュレーションは実物の部品を試験するために実施されます。これらの試験は軸方向やねじり方向だけでなく真の二軸方向でも実施でき、これらの力は同期する場合も対抗する場合もあります。この中には、材料に開いた大きな穴からのクラックの成長を測定するために損傷許容性試験を実施し、その後損傷を修復して修復の持ちの確認や同じ穴を何回修復できるか試したいお客様もいます。平面 2 軸試験の利点は、必要なデータを得るために、どんな方法でも力を制御するように調整できる点です。
質問お客様は平面 2 軸試験のデータをどのように活用していますか？
Schwarzkopf 氏: 平面 2 軸試験のデータは、お客様による新しい製造技術の開発、複合材などの新素材の挙動を把握、より優れたモデルの開発に役立ちます。数多くの実践的な用途があり、通常は大規模な研究開発施設で使われています。航空宇宙メーカーでは、航空機の構造や部品の検討を行っています。ガスタービンメーカーは、航空機のジェットエンジンや発電ユニットに使用する部品をテストします。大手の国立研究所は、平面 2 軸試験に強い興味を示します。平面 2 軸試験のデータは 1 軸試験では得られない実際の使用環境に近いリアリズムを提供します。航空宇宙や発電所のように、構造物や部品の故障が悲惨な結果を招くような場合に、平面 2 軸試験は実施されています。
質問平面 2 軸試験における主な技術的課題は何ですか？
Lemmer 氏： 平面 2 軸試験における困難な課題には、緻密な重心制御、適切なシステムアライメント、そして試験の再現性が含まれます。
質問重心制御について教えてください。
Lemmer 氏： 重心制御とは、研究者が望む位置に試料の中心を正確に保つ能力のことで、必ずではありませんが通常は試験空間の中心に位置します。MTS の平面 2 軸システムは、重心の位置をミクロン単位で制御できます。大半の用途では、お客様は周期的なテストでエッジの出し入れや、絞ったり引っ張ったりを行いたいと考えています。しかし、中心は静止していなければなりません。この試験は何日も続きます。弊社の平面 2 軸システムは、通常 1 万サイクルの低サイクル疲労試験用に最適化されています。これらの試験の標準的な周波数は 1Hz です。
質問システムアライメントが重要である理由を教えてください。
Lemmer 氏： 試験で試験片を 2 方向に押したり引いたりする場合、それらの力の印加は同一平面上で行う必要があります。そうしないと、適切に制御な不可能で分析でも考慮されない曲げ力やせん断応力が発生します。意図しない応力がかかると早期に試験片が破損するため、データが損なわれてしまいます。故障するまでのサイクルを数えても、その数字は正確ではありません。また、意図しない応力により、試験片が座屈する危険性があります。多くの業界、特に航空宇宙業界では、試験片の交換には非常に高い費用がかかります。MTS は、すべての同一平面、同心円、角度を調整するためのグリップ間の位置合わせ用アライメント治具で、適切なアライメントを確保します。MTS はアクチュエータとその取り付け位置を精密に加工することで曲げひずみを最小限に抑えていますが、わずかなずれでも試験に影響を与えるため、微調整が必要となります。アライメント治具により、その微調整を簡単に実施できます。
質問アライメント治具により、テストの再現性を保証できますか？
Lemmer 氏： フレームの位置を完璧に合わせた後は、実際に試料を置いてアライメントが正しいか確認しなければなりません。弊社では標準的な油圧式ウェッジグリップを使用しており、毎回同じ方法で試験片をクランプしています。試験片のどの脚にも同じ力が加わります。つまり、再現性が高いということです。また、様々なサイズの試験片に対応できるように設計されています。もう一つの方法は、ボルトで固定された機械式固定具を使用することですが、柔軟性はほとんどなく、グリップによるアライメントの再現性も得られません。MTS では、数分以内で試験片の位置を調整できます。他のシステムでは半日かかる場合もあります。
質問これらの課題に対して、MTS の平面 2 軸製品はどんな工夫がされていますか？
Lemmer 氏： テストデータの整合性を確保するために、弊社のシステムは最高レベルの制御と調整を追求して設計されています。これらのシステムは横方向の優れた剛性を発揮します。アクチュエータには静圧軸受が採用されていて、アクチュエータから試験空間までの距離を最短にするために入れ子構造になっています。過負荷保護装置は、面外事象が発生した際に各アクチュエータをサポートします。これらは、荷重トレイン内の固定具を受け止め、ロードセルやアクチュエータを傷つけずに力を地上に戻します。どんなに気をつけていても、試験片の脚は不意に折れてしまう場合があるので、弊社のシステムはフレームに傷がつかないような設計になっています。また、システムはアクチュエータの摩擦がほとんどない堅牢な設計です。これは波形の忠実性や制御ソフトウェアにとっても重要なポイントです。
質問平面 2 軸試験用の MTS 製品はどのようなものがありますか？
Lemmer 氏： 弊社の製品には、25～500kN までの耐力があります。また、一方向に 250kN、他方向に 500kN の力を出せるシステムもあります。これらのシステムの多くは、ねじり機能も備えています。各ソリューションには、お客様の特定のテストアプリケーション要件を満たすために必要なアクセサリ、ソフトウェア、デジタル制御技術、ユーザーインターフェースが含まれています。包括的なソリューションなので、お客様に「ワンストップ」の体験により、すべてのコンポーネントがシームレスに相互作用するように設計されていることを確認していただけます。弊社では 1990 年以来、世界各地でこのシステムを 15 台導入した実績があり、テスト機器とテスト内容の両方を深く理解しています。
質問MTS が平面 2 軸システムに組み込むことができる機能強化の例を挙げてください。
Lemmer 氏： MTS 平面 2 軸システムの設計は、お客様の厳密な試験要件に合わせて簡単に変更できます。多くのお客様は、両方向の負荷を同じにしたいと考えていますが、違う考えのお客様もいます。例えば、平面 2 軸システムを使い荷重の比率をコントロールし、その比率を変えて亀裂の進展や方向性にどのような影響があるかを確認することに興味を持っているお客様もいました。これはモールの応力円としても知られています。主応力が斜めの剪断応力を作り出します。これらのケースでは、応力状態やクラックの成長速度が全く異なる場合があり、当然ながら設計上の影響があります。前述のように、平面 2 軸試験システムの構成に回転を加えることで、研究者は応力テンソルのはるかに広い部分を調査できます。弊社では長年にわたり、さまざまな環境シミュレーションシステムを平面 2 軸ソリューションに統合し、試験対象の試料に極端な温度、真空、湿度を適用してきました。最近では、研究者が固定された粒子ビームライン内に統合して関節を動かすことができる、コンパクトで低質量の25kN システムを設計しました。
平面 2 軸試験のソリューションについては、MTS までお問い合わせください。
質問平面 2 軸試験とはどんな試験でしょうか。従来の 1 軸試験との違いは何でしょうか。
Schwarzkopf 氏: 平面 2 軸試験の発想は、現実の世界において大半の構造物や部品は複数の方向に荷重を受けているという考え方です。実環境のシミュレーションを行うためには、テストエンジニアはプロセスにわたり大きな制御を働かせながら試験片を多方向に引っ張る必要があります。この場合の「制御」とは、試験片の中心を正確に保ち、追加の曲げ応力のリスクを取り除くことです。弊社の平面 2 軸システムでは、これを実現するためにひとつの平面に 4 台のアクチュエーターを使用しています。通常、平面 2 軸試験用の試験片は十字形の形状で 4 つの取り付け点があり、アームの長さが等しいという特徴があります。これは、試験片の中心付近が均一に伸びる必要があるからです。均一に伸びなければ、テストで正しい結果を得ることができません。
質問平面 2 軸試験はどのようにして生まれたのですか？その起源について教えてください。
Schwarzkopf 氏: 平面 2 軸試験は、1960年代のジェットエンジンの出現により必要となりました。航空宇宙メーカーの間では、航空機構造の応力状態に関する関心が高く、また、初期は自動車製造におけるシートメタルの結晶構造の解析のために実施されていました。平面 2 軸試験を行う前は、エンジニアは複数の 1 軸試験を個別に行い、外挿法を用いて実際の多軸挙動を予測していました。
質問平面 2 軸試験技術の改良において、MTS はどのような役割を果たしましたか？
Schwarzkopf 氏: MTS が改良に関わったのは1980年代の時です。弊社は、単体のロードユニットを使ってねじりと引っ張りを同時に実施できる初の 2 軸試験システムを開発したパイオニアです。さらに横荷重を加えたため、4 台のアクチュエータが必要になります。このようなテストを正確に実現するためには、複数の軸を同時に制御できる弊社のソリューションが不可欠でした。自動車業界での経験から、MTS は複数のアクチュエータの位相関係の制御に精通していました。そして、弊社では特定の幾何学的関係を確保するために負荷フレームを追加しました。1990 年代には、お客様が適切な重心制御を簡単に行うためのソフトウェア、デジタルコントローラ、制御方式を開発しました。それ以前でも重心制御は可能でしたが、多くの研究室では非常に難しく非効率的でした。
質問平面 2 軸試験はどのようなニーズに対応していますか？
Schwarzkopf 氏: エンジニアは、材料の強度と厚さに関する重要な設計上の決定を行うために、平面 2 軸試験データを利用しています。主に金属の検査を中心に多くの業界で応用されています。多くの場合、破壊力学や疲労亀裂成長などの動的試験が焦点です。お客様は、様々な負荷条件の下でどのくらいの速さで亀裂が成長し臨界寸度に達するのかを知る必要があります。他にも、平面2 軸シミュレーションは実物の部品を試験するために実施されます。これらの試験は軸方向やねじり方向だけでなく真の二軸方向でも実施でき、これらの力は同期する場合も対抗する場合もあります。この中には、材料に開いた大きな穴からのクラックの成長を測定するために損傷許容性試験を実施し、その後損傷を修復して修復の持ちの確認や同じ穴を何回修復できるか試したいお客様もいます。平面 2 軸試験の利点は、必要なデータを得るために、どんな方法でも力を制御するように調整できる点です。
質問お客様は平面 2 軸試験のデータをどのように活用していますか？
Schwarzkopf 氏: 平面 2 軸試験のデータは、お客様による新しい製造技術の開発、複合材などの新素材の挙動を把握、より優れたモデルの開発に役立ちます。数多くの実践的な用途があり、通常は大規模な研究開発施設で使われています。航空宇宙メーカーでは、航空機の構造や部品の検討を行っています。ガスタービンメーカーは、航空機のジェットエンジンや発電ユニットに使用する部品をテストします。大手の国立研究所は、平面 2 軸試験に強い興味を示します。平面 2 軸試験のデータは 1 軸試験では得られない実際の使用環境に近いリアリズムを提供します。航空宇宙や発電所のように、構造物や部品の故障が悲惨な結果を招くような場合に、平面 2 軸試験は実施されています。
質問平面 2 軸試験における主な技術的課題は何ですか？
Lemmer 氏： 平面 2 軸試験における困難な課題には、緻密な重心制御、適切なシステムアライメント、そして試験の再現性が含まれます。
質問重心制御について教えてください。
Lemmer 氏： 重心制御とは、研究者が望む位置に試料の中心を正確に保つ能力のことで、必ずではありませんが通常は試験空間の中心に位置します。MTS の平面 2 軸システムは、重心の位置をミクロン単位で制御できます。大半の用途では、お客様は周期的なテストでエッジの出し入れや、絞ったり引っ張ったりを行いたいと考えています。しかし、中心は静止していなければなりません。この試験は何日も続きます。弊社の平面 2 軸システムは、通常 1 万サイクルの低サイクル疲労試験用に最適化されています。これらの試験の標準的な周波数は 1Hz です。
質問システムアライメントが重要である理由を教えてください。
Lemmer 氏： 試験で試験片を 2 方向に押したり引いたりする場合、それらの力の印加は同一平面上で行う必要があります。そうしないと、適切に制御な不可能で分析でも考慮されない曲げ力やせん断応力が発生します。意図しない応力がかかると早期に試験片が破損するため、データが損なわれてしまいます。故障するまでのサイクルを数えても、その数字は正確ではありません。また、意図しない応力により、試験片が座屈する危険性があります。多くの業界、特に航空宇宙業界では、試験片の交換には非常に高い費用がかかります。MTS は、すべての同一平面、同心円、角度を調整するためのグリップ間の位置合わせ用アライメント治具で、適切なアライメントを確保します。MTS はアクチュエータとその取り付け位置を精密に加工することで曲げひずみを最小限に抑えていますが、わずかなずれでも試験に影響を与えるため、微調整が必要となります。アライメント治具により、その微調整を簡単に実施できます。
質問アライメント治具により、テストの再現性を保証できますか？
Lemmer 氏： フレームの位置を完璧に合わせた後は、実際に試料を置いてアライメントが正しいか確認しなければなりません。弊社では標準的な油圧式ウェッジグリップを使用しており、毎回同じ方法で試験片をクランプしています。試験片のどの脚にも同じ力が加わります。つまり、再現性が高いということです。また、様々なサイズの試験片に対応できるように設計されています。もう一つの方法は、ボルトで固定された機械式固定具を使用することですが、柔軟性はほとんどなく、グリップによるアライメントの再現性も得られません。MTS では、数分以内で試験片の位置を調整できます。他のシステムでは半日かかる場合もあります。
質問これらの課題に対して、MTS の平面 2 軸製品はどんな工夫がされていますか？
Lemmer 氏： テストデータの整合性を確保するために、弊社のシステムは最高レベルの制御と調整を追求して設計されています。これらのシステムは横方向の優れた剛性を発揮します。アクチュエータには静圧軸受が採用されていて、アクチュエータから試験空間までの距離を最短にするために入れ子構造になっています。過負荷保護装置は、面外事象が発生した際に各アクチュエータをサポートします。これらは、荷重トレイン内の固定具を受け止め、ロードセルやアクチュエータを傷つけずに力を地上に戻します。どんなに気をつけていても、試験片の脚は不意に折れてしまう場合があるので、弊社のシステムはフレームに傷がつかないような設計になっています。また、システムはアクチュエータの摩擦がほとんどない堅牢な設計です。これは波形の忠実性や制御ソフトウェアにとっても重要なポイントです。
質問平面 2 軸試験用の MTS 製品はどのようなものがありますか？
Lemmer 氏： 弊社の製品には、25～500kN までの耐力があります。また、一方向に 250kN、他方向に 500kN の力を出せるシステムもあります。これらのシステムの多くは、ねじり機能も備えています。各ソリューションには、お客様の特定のテストアプリケーション要件を満たすために必要なアクセサリ、ソフトウェア、デジタル制御技術、ユーザーインターフェースが含まれています。包括的なソリューションなので、お客様に「ワンストップ」の体験により、すべてのコンポーネントがシームレスに相互作用するように設計されていることを確認していただけます。弊社では 1990 年以来、世界各地でこのシステムを 15 台導入した実績があり、テスト機器とテスト内容の両方を深く理解しています。
質問MTS が平面 2 軸システムに組み込むことができる機能強化の例を挙げてください。
Lemmer 氏： MTS 平面 2 軸システムの設計は、お客様の厳密な試験要件に合わせて簡単に変更できます。多くのお客様は、両方向の負荷を同じにしたいと考えていますが、違う考えのお客様もいます。例えば、平面 2 軸システムを使い荷重の比率をコントロールし、その比率を変えて亀裂の進展や方向性にどのような影響があるかを確認することに興味を持っているお客様もいました。これはモールの応力円としても知られています。主応力が斜めの剪断応力を作り出します。これらのケースでは、応力状態やクラックの成長速度が全く異なる場合があり、当然ながら設計上の影響があります。前述のように、平面 2 軸試験システムの構成に回転を加えることで、研究者は応力テンソルのはるかに広い部分を調査できます。弊社では長年にわたり、さまざまな環境シミュレーションシステムを平面 2 軸ソリューションに統合し、試験対象の試料に極端な温度、真空、湿度を適用してきました。最近では、研究者が固定された粒子ビームライン内に統合して関節を動かすことができる、コンパクトで低質量の25kN システムを設計しました。
平面 2 軸試験のソリューションについては、MTS までお問い合わせください。