JP7788035B2 - 入力衝撃波を操作するための構成要素の製造方法 - Google Patents

入力衝撃波を操作するための構成要素の製造方法

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Description

本発明は、入力衝撃波を操作するための構成要素の製造方法に関し、特に、エネルギーの高い局所的集中を生成するための方法及び装置に使用される構成要素の製造方法に関する。
特許文献１には、非気体媒体と気体媒体の衝撃波間の相互作用によって、気体媒体を通じて移動する非気体媒体の高速横断噴流が生成可能となることを示した。これは、例えば、ターゲットに対して、所定体積の気体媒体に衝突してそれを捕捉する噴流をもたらし、これが気体内にエネルギーの強力な集中を生じさせる。
国際公開第２０１１／１３８６２２号
本発明は、局所的エネルギー集中を生成する代替技術での使用のための構成要素の製造方法を提供することを目的とする。
第１の態様から見ると、本発明は入力衝撃波を操作するための構成要素を製造する方法を提供し、該方法は、
複数のプレートを形成するステップであって、各プレートがサブキャビティを画定する、ステップと、
前記サブキャビティの１以上を１以上のキャビティ充填材で少なくとも部分的に充填するステップと、
前記サブキャビティが少なくとも部分的に整列されかつ該サブキャビティが結合して前記１以上のキャビティ充填材を収容する層状の構成要素キャビティを画定するように、前記複数のプレートを積層して構成要素を形成するステップと、
を備える。
したがって、本発明は、衝撃波が構成要素に入射する場合に衝撃波を操作する構成要素を製造する方法を提供する。構成要素キャビティは、好ましくは、キャビティの入力部に入射する（入力）衝撃波を受けるように配置された入力部（例えば、開口）を備える（画定する）。構成要素キャビティは、衝撃波が構成要素キャビティを通過する際に衝撃波を操作するように配置（例えば、形成）される。構成要素キャビティは、好ましくは、操作衝撃波を出力するように配置された出力部（例えば、開口）を備える（画定する）。
プレートは、第１の材料で構成される（第１の材料を備え、例えば、第１の材料からなる）。サブキャビティの１以上は、キャビティ充填材である第２の材料を収容する（例えば、第２の材料で少なくとも部分的に充填される）。したがって、キャビティ（の形状）は（第１の材料で構成された）プレート（例えば、その内壁）によって画定され、キャビティ充填材はキャビティの体積内に位置する。
したがって、構成要素は、キャビティ（例えば、その形状）並びに第１及び第２の材料の衝撃インピーダンスの差に起因して、入力衝撃波を操作する（例えば、その形状及び／又は強度を修正する）のに使用可能であることが分かるはずである。このように、キャビティの出力部から伝達される衝撃波は、キャビティの入力部で受けた入力衝撃波よりも大きな（例えば、エネルギー）強度を有し得る。
方法は、サブキャビティの１以上（例えば、サブキャビティの全て又は部分集合）を１以上の（例えば、単一の又は複数の異なる）キャビティ充填材で充填するステップ（例えば、１以上のキャビティ充填材によって画定される体積を部分的に充填するステップ又は完全に充填するステップ）を備える。好ましくは、サブキャビティの１以上を１以上のキャビティ充填材で充填するステップは、複数のプレートを積層して構成要素を形成するステップの前に実行される。
方法は、サブキャビティが少なくとも部分的に整列され（例えば、重なって）かつサブキャビティが結合して、１以上のキャビティ充填材を収容する層状の構成要素キャビティ（例えば、各層がサブキャビティによって画定される層からなるキャビティ全体）を画定するように、複数のプレートを積層して（例えば、平行に配置して）構成要素を形成するステップを備える。好ましくは、複数のプレートを積層して構成要素を形成するステップは、サブキャビティの１以上を１以上のキャビティ充填材で充填するステップの後に実行される。
層状の構成要素キャビティを有する構成要素は、単一の本体を形成し、本体をフライス削りしてキャビティを形成し、その後に層をキャビティに適合させることによって形成され得る。一方で、小さな寸法（例えば、ｍｍスケール未満）を有する構成要素については、この態様では、層同士の間及び層とキャビティ壁部の間の公差が許容可能となるように構成要素を形成するのは困難である。構成要素の小さな不完全性は構成要素が入力衝撃波を操作する態様（例えば、その形状及び／又は強度を修正する態様）に大きく影響し得るため、これらの不完全性は望ましくない。
独立したプレートの積層体から構成要素を製造して組み立てることで、層状の構成要素キャビティをより容易にかつより高い製造精度で形成可能としやすくなる。また、構成要素の分解可能性は、品質保証及び試験目的のために有用である。
実施形態では、複数のプレートの１枚以上（例えば、その全て又は部分集合）は、高密度材料（例えば、材料が入力衝撃波を概ね反射するような高衝撃インピーダンスを有する材料）で構成される（その材料を備え、例えば、その材料からなる）。
実施形態では、サブキャビティの１以上は、それぞれのプレートの深さ全体を通じて（例えば、プレートの一方の面からプレートの対向面まで）延在する。実施形態では、サブキャビティの１以上は、それぞれのプレートの深さ全体を通じては延在しない（例えば、サブキャビティは、それぞれのプレートの凹部又は窪みとして形成される）。
実施形態では、複数のプレートの１枚以上（例えば、その全て又は部分集合）は（例えば、遷移）金属で構成される（その金属を備え、例えば、その金属からなる）。
実施形態では、複数のプレートの１枚以上（例えば、その全て又は部分集合）は、重金属、例えば、タンタル、タングステン、銅、鋼鉄又は白金で構成される（例えば、その重金属を備え、例えば、その重金属からなる）。
実施形態では、当該又は各キャビティ充填材は、複数のプレートの１枚以上（例えば、全て）よりも低い密度（例えば、低い衝撃インピーダンス）を有する。したがって、衝撃波はサブキャビティ及び／又はプレートの間の境界から長手方向に並びに（サブキャビティの縁部において）キャビティ壁部から横断方向にも反射され得るため、入力衝撃波の形状及び／又は強度は構成要素キャビティによって操作され得る。
実施形態では、方法は、プラスチック材料でサブキャビティの１以上（例えば、その全て又は部分集合）を充填する（例えば、それによって画定される体積部を部分的に充填し又は完全に充填する）ステップを備える。
サブキャビティは、付加製造又は射出成形などの任意の適宜の製造方法を用いて充填され得る。
実施形態では、方法は、注入可能材料（例えば、液体形態のプラスチック）でサブキャビティの１以上（例えば、その全て又は部分集合）を充填し（例えば、それによって画定される体積部を部分的に充填し又は完全に充填し）、その後、例えば、その注入可能材料を硬化させる（例えば、凝固させる）ステップを備える。実施形態では、注入可能材料を硬化させるステップは、注入可能材料をＵＶ光に曝露するステップを備え得る。実施形態では、注入可能材料を硬化させるステップは、注入可能材料を（例えば、オーブンから又はヒートガンからの）熱に曝露するステップを備え得る。
１以上のキャビティを注入可能材料で充填することで、キャビティ充填材がサブキャビティの形状に正確に一致しやすくなる。また、構成要素を層状に形成することによって、１以上のサブキャビティを個々に充填することで、注入時の気泡の形成、又はＵＶ光が注入可能材料の深さ全体を通じて浸透しないことによって注入可能材料が不均一に硬化されることなど、注入可能材料の深い層に関連する困難を緩和しやすくなる。
実施形態では、１以上のサブキャビティ（例えば、その全て又は部分集合）は、過充填される（例えば、キャビティ充填材の体積がサブキャビティの体積を超える）。したがって、好ましくは、方法は、１以上のサブキャビティを過充填するステップを備える。好ましくは、方法は、複数のプレートの１枚以上の表面をフライス削りする（例えば、やすりをかける、研磨する、削る、レーザーによって除去する）ことで、余剰の材料を除去し（例えば、余剰の（サブ）キャビティ充填材及び余剰のプレート材料を除去し）、プレートの表面を平滑にする（例えば、表面の不完全性を除去する）ステップを備える。
実施形態では、プレートを形成するステップは、プレートを必要な最終寸法よりも（それらの平面に垂直な寸法において）若干厚く形成するステップを備え得る。好ましくは、プレート（の第１の材料）及び、例えば、余剰のキャビティ充填材は、ともにフライス削りされる。これにより、表面仕上げの品質が向上しやすくなる。キャビティ充填材及びプレート自体の材料がともにフライス削りされるので、サブキャビティの縁部における段差を回避しやすくなる。
注入可能材料は任意の適宜の材料を備え得るが、実施形態では、注入可能材料は注入可能なプラスチック材料、例えば、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）又はエポキシ樹脂からなる。
本発明は、ここに概説される方法によって製造された構成要素にも及ぶ。適用可能な場合には、方法に関してここに概説される任意の（例えば、任意選択的かつ好適な）特徴は、構成要素にも同様にあてはまり、逆もまた同様であることが分かるはずである。
実施形態では、構成要素キャビティは（入力）衝撃波を受けるための（例えば、それを受けるように設計された）入力部（例えば、開口）及び衝撃波を出力するための（例えば、それを出力するように設計された）出力部（例えば、開口）を備え、構成要素キャビティは、入力部の断面積が（例えば、対応する）出力部の断面積よりも大きくなるように形成される（例えば、サブキャビティは相互に対して形成及び配置される）。
入力部及び／又は出力部の断面領域は、例えば、入力部の断面領域が出力部の断面領域に略平行となるように、入力部と出力部の間の方向に略垂直な平面内に画定され得る。入力部と出力部の間の方向は、（例えば、本発明の実施形態では）入力衝撃波が構成要素に入射するように伝搬されるように配置される方向に略平行であり得る。
実施形態では、各サブキャビティは衝撃波を受けるための入力部（例えば、開口）及び衝撃波を出力するための出力部を有し、サブキャビティの１以上は、入力部の断面積が出力部の断面積よりも大きくなるように形成される。
プレートは、サブキャビティを画定する任意の適宜かつ所望の形状（例えば、それを有する（内）壁）を備え得る。実施形態では、サブキャビティの１以上（例えば、その全て又は部分集合）は錐台を備え、例えば、１枚以上のプレートは錐台形状のサブキャビティを画定するように形成される。
錐台は、任意の適宜かつ所望のタイプの錐台を備え得る。実施形態では、１以上のサブキャビティは、円錐台を備える。したがって、好ましくは、サブキャビティの１以上（例えば、その全て又は部分集合）は、サブキャビティを通る軸周りに回転対称である。好ましくは、プレート又はサブキャビティの軸は、入力部と出力部の間の方向に平行である。
実施形態では、１以上のサブキャビティ（の断面及び／又は壁部）は、サブキャビティの軸（例えば、サブキャビティがその周りに回転対称となる軸、例えば、軸は入力部と出力部の間の方向に平行である）に対してそれぞれ異なる角度の２以上の部分を備える。したがって、例えば、１以上のサブキャビティは、２以上の（例えば、共通軸を共有する）錐台を備えていてもよく、２以上の錐台はサブキャビティの軸に対してそれぞれの異なる角度を有する側壁を有する。異なる角度を設けることで、特定の態様で入力衝撃波を操作しやすくなり、例えば、入力衝撃波を入力部から出力部に加速しやすくなり得る。
１以上のサブキャビティが３以上の錐台部分を有する実施形態では、各部分は、他の部分の各々に対して異なる角度にあってもよい。ただし、２以上の部分が同じ角度にあり、サブキャビティの１以上の中間部分を異なる角度で有してもよい。
実施形態では、（断面において）１以上の直線側方部分を有する１以上のサブキャビティに代えて又はそれに加えて、１以上のサブキャビティは、湾曲壁部を有する１以上の部分を有する断面を有してもよい。例えば、１以上のサブキャビティはフレア状（例えば、円錐状）の錐台を備えていてもよく、サブキャビティ壁部は（例えば、楕円状に）湾曲する。これらのタイプの形状によって、出力部において、衝撃波面及び衝撃形状の、より高い均一性を与えやすくなり得る。
実施形態では、複数のプレートの２枚以上は、整列部材（例えば、ピン）を受容するように構成された（例えば、そのように設計されたサイズ及び形状を有する）１以上の整列孔（例えば、貫通孔）を備える。方法は、１以上の整列部材を１以上の整列孔に挿通することによって２枚以上のプレートを整列するステップを備える。
実施形態では、複数のプレートの２枚以上は、締結部材（ロッド又はボルトなど）を受容するように構成された（例えば、そのように設計されたサイズ及び形状を有する）１以上の締結孔（例えば、貫通孔）を備える。方法は、１以上の締結部材を１以上の締結孔に挿通することによって２枚以上のプレートを相互に固定するステップを備える。プレートの締結孔を貫通する締結部材を用いて２枚以上のプレートを相互に締結することで、プレートを相互に固定しやすくなる一方で、プレートの整列を相互に対して維持しやすくもなる。
代替の実施形態では、複数のプレートは、締め具又は接着剤を用いるなど、他の態様で相互に締結されてもよい。
複数のプレートは、任意の適宜かつ所望の厚さ（プレートが延在して相互に平行な平面に垂直な寸法）を有し得る。例えば、複数のプレートの各々は、同じ厚さを有する。実施形態では、複数のプレート（例えば、その各々）は、異なる厚さを有する。
実施形態では、複数のプレート（例えば、サブキャビティを画定するプレート）の厚さは、入力部から出力部まで（例えば、漸進的に）減少する。
構成要素を構成する各（例えば、全）プレートは、サブキャビティを画定し得る。一方で、実施形態では（各々がサブキャビティを画定する）複数のプレートは複数の第１のプレートであり、方法は、サブキャビティを備えない（例えば、画定しない）１枚以上の第２のプレートを形成し、第２のプレートを第１のプレートに積層する（例えば、平行に配置する）ステップをさらに備える。
実施形態では、第２のプレートは、第１のプレートと同じ材料（例えば、タンタル、白金、銅、鋼鉄又はタングステンなどの重金属）で構成される（その材料を備え、例えば、その材料からなる）。
実施形態では、複数の第１のプレート及び１枚以上の第２のプレートは、プレートが第１のプレートと第２のプレートが交互となるように積層され、例えば、第１のプレート（の１枚以上の各々）が２枚の第２のプレートに隣接し（その間に挟まれ）かつ／又は第２のプレート（の１枚以上の各々）が２枚の第１のプレートに隣接する（その間に挟まれる）。これにより、キャビティ充填材の層と第２のプレート材料の層とが交互となる複数の平行な層を収容する構成要素キャビティが得られる。
複数の平行な層を構成要素キャビティ内に設けることで、平行な層の間の境界から反射される入力衝撃波の成分を重畳させやすくなる。これにより、構成要素キャビティの入力部と出力部の間の衝撃波の強度を増幅しやすくなる。
このような実施形態では、各サブキャビティは隣接するサブキャビティから第２のプレートによって分離されているが、入力衝撃波に対する構成要素キャビティの効果は単一キャビティを画定する単一片として本体が構成されてから当該キャビティが（例えば、キャビティ充填材層及び第２のプレート材料層を備える）複数の平行な層で充填された場合と依然として同じとなり得るため、サブキャビティは依然として結合して結合構成要素キャビティを構成することが理解されるはずである。
１枚以上の第２のプレートは、任意の適宜かつ所望の厚さ（第２のプレートが延在して第１のプレートと平行な平面に垂直な寸法）を有し得る。例えば、第２のプレートの各々は、同じ厚さを有する。実施形態では、１枚以上の第２のプレート（例えば、その各々）は、異なる厚さを有する。好ましくは、少なくとも１層の第２の層のうちの１層以上（例えば、全て）（例えば、その各々）は、少なくとも１層の第１の層のうちの１層以上（例えば、全て）の（例えば、各々の）厚さよりも大きい厚さを有する。
複数の平行な層が複数の第１の層及び／又は複数の第２の層を備える実施形態では、複数の第１の層の各々は同じ厚さを有していてもよくかつ／又は複数の第２の層の各々は同じ厚さを有していてもよく、好ましくは、複数の第２の層（例えば、その各々）は、複数の第１の層の（例えば、各々の）厚さよりも大きい厚さを有する。実施形態では、複数の第２のプレートの厚さは、入力部から出力部まで（例えば、漸進的に）減少する。
構成要素は、任意の適宜かつ所望の寸法を有し得るものであり、その寸法は構成要素の特定の用途によって決定されることになる。一実施形態では、構成要素（例えば、その層状の構成要素キャビティ）は、０．１ｍｍ～１００ｍｍ、例えば、１ｍｍ～５０ｍｍ、例えば、２ｍｍ～１０ｍｍ、例えば、約３ｍｍ、５ｍｍ又は８ｍｍの厚さ、直径及び／又は最大寸法を有する。
ここで使用される場合、用語「衝撃インピーダンス」は「単位粒子速度を媒体の一部に与えるために媒体に付与されるべき圧力」を意味するものであることが理解されるはずである（Ｈｅｎｄｅｒｓｏｎ、「Ｏｎ ｔｈｅ ｒｅｆｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｈｏｃｋ ｗａｖｅｓ」Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｆｌｕｉｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ、第１９８巻、１９８９年１月、３６５－３８６頁）。これは、衝撃速度と非衝撃材料の密度の積に等しい。
入力衝撃波は構成要素（例えば、その要素）の外部で形成されて構成要素内に伝搬し得るが、追加的又は代替的に、例えば、構成要素（例えば、その要素）が（例えば、発射体によって）打撃されることによって構成要素内で生成されてもよいことが理解されるはずである。両代替例とも、文言「入力衝撃波」に包含される。
構成要素の実施形態は、例えば、核融合に適した条件を生成する目的のために（例えば、局所的エネルギー集中を生成するために）衝撃波を操作する（例えば、増幅する）のに適し得る。ただし、構成要素は、これに限定されず、他の用途、例えば、クラッシュヘルメットなどの安全装備の試験にも使用され得る。一例では、構成要素は、米国特許第１０６５３１９３号明細書に示される衝撃力減衰及び拡散構造を試験するための衝突衝撃波を与えるのに使用され得る。
本発明に係る方法を用いて製造されていない入力衝撃波を操作するための構成要素の切り通し斜視図を示す。 本発明の実施形態に係る方法を用いて製造された入力衝撃波を操作するための構成要素の切り通し斜視図を示す。 図２の構成要素を組み込むシステムを示す。 図２の構成要素の単一の層の切り通し斜視図を示す。 図２の構成要素の他の単一の層の切り通し斜視図を示す。 図２の構成要素のプレートを分解図で示す。 本発明の一実施形態に係る方法を示すフローチャートを示す。 図２の構成要素の変形例を示す。 図２の構成要素の他の変形例を示す。
本発明の特定の実施形態を、添付図面を参照して、例示のみとしてここに説明する。
入力衝撃波を操作する（例えば、入力衝撃波から局所的エネルギー集中を生成する）ための構成要素の製造方法をここに説明する。
図１は、入力衝撃波から局所的エネルギー集中を生成するための構成要素２０１の切り通し斜視図を示す。構成要素２０１は、キャビティ壁部２０６を有する中空円錐台形状の構成要素キャビティ２０５を画定する本体２０３を備える。本体２０３は、高い衝撃インピーダンスを有する材料で構成される。キャビティ２０５は、低い衝撃インピーダンスを有するキャビティ充填材２０７を収容する。キャビティ充填材２０７は、本体２０３の衝撃インピーダンスよりも低い衝撃インピーダンスを有する。キャビティ２０５内に、複数の平行な高衝撃インピーダンス層２３２が設けられる。複数の高衝撃インピーダンス層２３２は、キャビティ充填材２０７を複数の低衝撃インピーダンス層２３０に分離する。
本体２０３はタンタルで構成され得るが、本体は任意の適宜の材料、例えば、白金、銅、鋼鉄又はタングステンなどの任意の他の適宜の（重）金属で構成されてもよい。
例示的実施形態では、キャビティ充填材２０７はポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）であるが、キャビティ充填材２０７は任意の適宜の材料であってもよい。
構成要素１は、本体２０３をフライス削りしてキャビティ２０５を形成し、その後に低衝撃インピーダンス層２３０及び高衝撃インピーダンス層２３２をキャビティ２０５内に適合させることによって形成され得る。一方で、小さな寸法（例えば、ｍｍスケール未満）のために、この態様では、層同士の間及び層とキャビティ壁部２０６の間の公差が許容可能となるように構成要素２０１を形成するのは困難である。また、高衝撃インピーダンス層を適所に配置することは、それらを変形又は破壊せずには困難である。構成要素２０１の小さな不完全性は構成要素が入力衝撃波を操作する態様に大きく影響し得るため、これらの不完全性は望ましくない。
図２は、図１に示す構成要素１と実質的に同様であるが層で構成される構成要素１の切り通し斜視図を示す。したがって、本発明の実施形態によると、構成要素は、（例えば、図１に示す構成要素２０１のように）キャビティを有する本体として形成されてから層で充填されるわけではない。そうではなく、構成要素は、結合された場合に図１に示すのと実質的に同じキャビティを形成する独立した層の積層体として、ただし、より高い製造精度で製造されて組み立てられる。
図２の実施形態では、低衝撃インピーダンス層３０は、第１のプレート３１によって画定されるサブキャビティによって形成され、高衝撃インピーダンス層３２は第２のプレート３３として形成される。第１のプレート３１及び第２のプレート３３の双方は構成要素１の断面領域に広がるが、第１のプレート３１の各々はサブキャビティ５０を画定し、一方、第２のプレート３３は中実である。したがって、本体３自体は、平行な層で構成される。構成要素キャビティ５は、衝撃波を受けるように構成された入力部９、及び衝撃波が構成要素１を通じて伝搬した後に衝撃波を出力するように構成された出力部１１を有する。入力部９の断面積は、出力部１１の断面積よりも大きい。同様に、図４から分かるように、各サブキャビティは入力部５０９及び出力部５１１を有し、各サブキャビティ５０の入力部５０９の断面積は当該サブキャビティ５０の出力部５１１の断面積よりも大きい。図示する実施形態では、各サブキャビティ５０は、円錐台として形成される。
構成要素１自体は、キャビティ５の入力部９に近位の入力面１０及びキャビティ５の出力部１１に近位の出力面１２を有する。
キャビティ５は、低い衝撃インピーダンスのキャビティ充填材７（図示する実施形態ではＰＭＭＡ）で構成された低衝撃インピーダンス層３０及び高い衝撃インピーダンスの材料（図示する実施形態ではタンタル）プレートで構成された高衝撃インピーダンス層３２で充填される。高衝撃インピーダンス層３２は、低衝撃インピーダンス層３０を構成する材料よりも高い衝撃インピーダンスを有する材料で構成される。
図示する実施形態では、各サブキャビティ５０は隣接するサブキャビティ５０から第２のプレート３３によって分離されているが、入力衝撃波に対する構成要素キャビティ５の効果は（例えば、図１のように）単一キャビティを画定する単一片として本体が構成されてから当該キャビティが、高衝撃インピーダンス層と低衝撃インピーダンス層が交互となる複数の平行な層で充填された場合と依然として同じとなるため、サブキャビティ５０は依然として結合して結合構成要素キャビティ５を構成することが理解されるはずである。
平行な層は、低衝撃インピーダンス層３０から高衝撃インピーダンス層３２へと１層ずつ交互となる。図示する実施形態では、構成要素１の入力面１０を構成する入力層３４は、低衝撃インピーダンス層３０である。これは、高衝撃インピーダンス層３２で構成される入力面１０によって、より大きな部分の衝撃波が入力面１０によって反射されることになるので、構成要素１内には伝達されないためである。一方で、代替例も想定される。
図示する実施形態では、高衝撃インピーダンス層３２及び低衝撃インピーダンス層３０は、入力層３４を除いて、入力面１０から出力面１２まで漸進的に減少する厚さを有する。厚さは層間で異なり得るが、各個々の層はその幅にわたって均一の厚さを有することが理解されるはずである。
ここで構成要素１の動作を、図３を参照して説明する。入力部９は、衝撃波を受けるように構成される。図３に示す実施形態では、この衝撃波は、ディスク形状発射体１３によって構成要素１の入力面１０を打撃することによって生成される。この打撃は、構成要素１によってターゲット１５に集束される平面衝撃波を構成要素１内に生成し、ターゲット１５の位置においてエネルギーの局所的集中を生じさせる。
キャビティ５内への入力があると、入力衝撃はキャビティ壁部６から、不規則な衝撃反射（マッハ反射）として反射し、それはキャビティ壁部６から伝搬して、最終的にはキャビティ５の中心軸に重なる。中心軸に対するこの径方向対称な波動の重なりは、キャビティ充填材７内に高圧点を形成し、それが拡張して衝突マッハ反射と相互作用し、キャビティ５の出力部１１に向かって伝搬する軸方向準平面マッハステムの発生をもたらす。
層３０、３２は、高衝撃インピーダンス層３２からの反射の結果として、構成要素１の入力面１０において生成された衝撃波が積層体内で反響し、衝撃波が相互を通過する際に建設的及び破壊的干渉の領域をもたらすように、配置される。衝撃が低衝撃インピーダンス層１３０から高衝撃インピーダンス層１３２に通過すると、衝撃の一部は高衝撃インピーダンス層１３２内に伝達される一方で、一部は低衝撃インピーダンス層１３０内に反射されて戻る。
低衝撃インピーダンス層１３０内の当該部分は、事前に衝撃を受けた材料を通じて進行しているため、加速し、その後に衝撃部分は低衝撃インピーダンス層の入力部における境界から反射される。反射部分は、加速されているため、最終的には高衝撃インピーダンス層１３２内に最初に伝達された衝撃の部分に追いつく。構成要素１は、低衝撃インピーダンス層３０及び高衝撃インピーダンス層３２の構成によって、複数の衝撃特徴が構成要素１の出力面１２に重畳し、構成要素出力面１２に隣接するターゲット内に通過可能とされた短時間の高衝撃圧状態をもたらすように配置可能となる。
平行な層３０、３２を有する錐台形状キャビティ５の集束形状の組合せによって、特徴物のいずれかに個々に対するよりも、出力部に対する衝撃圧を大幅に増加させることができることが示された構成要素の設計がもたらされる。キャビティ５の壁部からの衝撃反射は、高衝撃インピーダンス層３２からの軸方向衝撃反射と相互作用し、局所的に高い熱力学的圧力の領域を生じさせる。これらの高圧領域は、拡張し、構成要素１内の下流側で更なる衝撃反射と相互作用し、最終的にはキャビティ５の出力部１１を通過するさらに高い衝撃圧の領域を生じさせる。平行な層の材料及び厚さの構成並びにキャビティ５の形状を通じて、出力部１１における衝撃の圧力並びに衝撃状態及び形状の均一性を制御することができる。厚さは層間で異なり得るが、各個々の層はその幅にわたって均一の厚さを有することが理解されるはずである。
局所的な衝撃重畳及び建設的干渉のための条件を生成することに加えて、平行な層３０、３２は、構成要素１を通じて衝撃遷移時間を効果的に低減するようにも作用する。これにより、構成要素１からの出現に応じて、より多くの発射体１３からのエネルギーが回収されて単一の衝撃状態に結合可能となる。
シミュレーション及び実験は、図１の実施形態に則した構成要素設計について、約９の入力半径／出口半径比に対して少なくとも１５の圧力増倍率が達成可能であることを示した。例えば、シミュレーションでは、８３ＧＰａの圧力を有する入力衝撃波に対して、１２４０ＧＰａの出力圧力を達成した。
図４は、例えば、図２及び３に示す構成要素１で使用され得る単一の第１のプレート３１の切り通し斜視図を示す。第１のプレート３１は、平坦な円盤であり、その中心に円錐台サブキャビティ５０を画定する。サブキャビティ５０は、第１のプレート３１が積層される前にサブキャビティの入力部５０９及び出力部５１１が開放されるようにプレート３１の深さを貫通する。第１のプレート３１は、第１のプレート３１の周縁部付近にある複数の孔３５を備える。孔３５の長手軸は、サブキャビティ５０の長手軸に平行であり、第１のプレート３１の平面に垂直である。孔３５の各々は、ピンなどの整列部材を受容するように構成された整列孔３５ａ又はボルトなどの締結部材を受容するように構成された締結孔３５ｂのいずれかである。
図５は、例えば、図２及び２に示す構成要素１で使用され得る単一の第２のプレート３３の切り通し斜視図を示す。第２のプレート３３は、中実の平坦な円盤である。図４に示す第１のプレート３１のように、第２のプレート３３は、第２のプレート３３の周縁部の付近にある複数の孔３５を備える。孔３５の長手軸は、第２のプレート３３の平面に垂直である。第１のプレート３１及び第２のプレート３３の孔３５は、ボルトなどの締結部材又はピンなどの整列部材がその孔に挿通されて第１及び第２のプレート３１、３３をともに整列及び固定することができるように構成されて整列する。
図６は、例えば、図２及び３に示す構成要素１を構成するように配置されて積層される第１及び第２のプレート３１、３３の分解図を示す。図６に示すように、サブキャビティ５０は充填されていない。図６から分かるように、第１及び第２のプレート３１、３３は、第１のプレート３１と第２のプレート３３の間に１プレートずつ交互となる配置で積層される。また、第１及び第２のプレート３１、３３は、各プレートが回転対称となる長手軸が他方のプレートの長手軸と同軸となるように整列される。また、整列孔３５ａは、整列部材３７が挿入可能となるように整列される。図６では単一の整列部材のみを示すが、整列部材は整列孔３５ａの各組に対して設けられることが理解されるはずである。整列部材３７は、形成された構成要素において第１及び第２のプレート３１、３３の配列を維持する。
ここで、構成要素１の製造方法１００を、図７のフローチャートを参照して詳細に説明する。ステップ１０１において、複数の第１のプレート３１が形成される。第１のプレート３１は、任意の周知の態様で形成され得る。例えば、第１のプレート３１は鋳造され得る。代替的に、各第１のプレート３１は、より大きなシートの材料から切り取られて、サブキャビティ５０を形成するようにフライス削りされてもよい。孔３５は、任意の周知の態様で、例えば、穿孔によって形成され得る。
ステップ１０３において、複数の第２のプレート３３が形成される。第２のプレート３３は、任意の周知の態様で形成され得る。例えば、第２のプレート３３は鋳造され得る。代替的に、各第２のプレート３３は、より大きなシートの材料から切り取られもよい。孔３５は、任意の周知の態様で、例えば、穿孔によって形成され得る。
ステップ１０５において、サブキャビティ５０の１以上は、液体キャビティ充填材７で充填される。キャビティ充填材７は、硬化性プラスチック又はグルーなどの硬化性の液体であり得る。１以上のサブキャビティ５０は、過充填される。その後、ステップ１０７において、液体キャビティ充填材が硬化される。キャビティ充填材７は、キャビティ充填材７に応じて、任意の周知の態様で硬化され得る。例えば、キャビティ充填材７は、ＵＶ光を用いて又は熱を用いて硬化され得る。キャビティ充填材７がエポキシ樹脂である実施形態では、キャビティ充填材７はＵＶ光を用いて硬化される。
実施形態では、サブキャビティ５０は、他の適宜の態様で充填されてもよいことが理解されるはずである。例えば、キャビティ充填材７は、射出成形又は付加製造を用いて付加され得る。
ステップ１０９において、余剰のキャビティ充填材７及びさらに第１のプレート３１自体の余剰の材料がフライス削りされる。第１のプレート３１が形成される際に、第１のプレート３１及び余剰のキャビティ充填材７が相互にフライス削り可能となるように、第１のプレート３１は必要な最終寸法よりも若干厚く形成される。これにより、表面仕上げの品質を向上しやすくなる。キャビティ充填材７及びプレート自体の材料が相互にフライス削りされるので、サブキャビティ５０の縁部には段差が存在しない。
ステップ１１１において、充填されるべきサブキャビティの全てが充填されると、第１及び第２のプレート３１、３３は、図６に示すように平行に配置され、結合構成要素キャビティ５を形成するように複数のサブキャビティが少なくとも部分的に整列するように積層される。プレートの整列は、整列孔３５ａへの整列部材３７の挿入によって補助され得る。
最後に、ステップ１１３において、締結部材、図示する実施形態ではボルトが、層を相互に固定するように締結孔３５ｂに貫通される。締結部材は、第１のプレート３１と第２のプレート３３の間の整列が正しくなることを保証する。
上記に与えられた説明は、構成要素１を個々に製造する観点で構成されていることが理解されるはずである。当業者であれば、大量生産のために、複数の構成要素１のための第１及び第２のプレート３１、３３が一度に作製され得ることを理解するはずである。例えば、単一のシートが各層のために形成されてもよく、第１のプレート３１に対応するシートは複数のフライス削りされたサブキャビティ５０を有する。完成した要素が複数の個々の構成要素１を備えて形成されるように、これらのサブキャビティ５０が充填され、シートがフライス削りされ、シートが積層されて相互に締結され得る。その後、構成要素１自体が要素全体から、例えば、レーザー切削によって切り出され得る。
図２に示す構成要素は単なる例示であること、及び図２の構成要素１の変形例も本発明に係る製造方法を用いて製造され得ることが理解されるはずである。
例えば、全てのサブキャビティ５０がキャビティ充填材７で（例えば、完全に）充填されない場合もあることが理解されるはずである。例えば、図８は、図２の構成要素１の変形例である構成要素３０１を示し、入力層３３３を構成するサブキャビティは充填されていない。キャビティ３０５における第１の充填層３３５は、低衝撃インピーダンス層３３０である。これは、高衝撃インピーダンス層３３２で構成される第１の充填層３３５では、より大きな部分の衝撃波は、第１の充填層３３５によって反射されることによって構成要素３０１の残余部には伝達されないことになるためである。一方で、代替例も想定され、高衝撃インピーダンス層３３２で構成される第１の充填層３３５によって、衝撃がより良好に構成要素３０１内に結合しやすくなる。これは、高衝撃インピーダンス層は、構成要素を打撃する発射体１３の衝撃インピーダンスにより近い衝撃インピーダンスを有し得るためである。
図８の実施形態では、衝突発射体１３は、構成要素３０１の本体３０３を直接打撃するだけである。これは発射体１３内での軸方向収束衝撃反射の生成につながることになり、その軸方向収束衝撃反射は、発射体１３の前面が第１の充填層３３５に接触すると、キャビティ充填材３０７内を通過する。これらの伝達された反射衝撃は、その後にキャビティ３０５内で中心軸に重畳し、出力部３１１に向かうマッハステムとして拡張する高圧状態の生成につながる。キャビティ３０５及び後続の平行な層３３０、３３２の機能は、図２に関連して上述した通りである。
シミュレーションにおいて、図８の実施形態に則した構成要素は、１４０ＧＰａの圧力を有する入力衝撃波及び７００ＧＰａの圧力を有する出力衝撃波により、圧力増倍率５を達成した。
図９は図２の実施形態の更なる変形例を示し、キャビティ４０５は異なる形状を有する。図９に示す構成要素４０１は、本発明に係る製造方法を用いて製造されてもよい。図２の実施形態のように、本体４０３は複数の層で構成され、各層は入力部４５０９及び出力部４５１１を有する錐台形状のサブキャビティ４５０を画定する。図示する実施形態では、各サブキャビティは円錐台であるが、他の形状も考えられる。図９の実施形態では、各サブキャビティ４５０の入力部４５０９の断面積は、先行のサブキャビティの出力部４５１１の断面積よりも大きい。これは、円錐台の実施形態では、各サブキャビティの入力部４５０９の半径が先行のサブキャビティの出力部４５１１の半径よりも大きいことを意味する。
図９に示す構成要素４０１は図２に関連して上述したのと実質的に同じ態様で機能するが、重なる出力部４５１１及び入力部４５０９によって、サブキャビティ４５０のキャビティ充填材４０７から構成要素４０１の本体４０３内に伝達される衝撃が、後続のサブキャビティ４５０の入力部４５０９によって部分的に再捕捉され、当該サブキャビティ内に収容されるキャビティ充填材４０７に戻って集束されることが可能となる。これは、衝撃損失の量の低減及びそれによる構成要素４０１の高効率化につながり得る。また、サブキャビティ４５０が独立しているので、異なるサブキャビティ４５０は異なる入力径、出力径、厚さ、材質及びサブキャビティ壁部角度などの異なる特性を有し得る。厚さは層間で異なり得るが、各個々の層はその幅にわたって均一の厚さを有することが理解されるはずである。
上述した実施形態の各々では、図示する図面は３次元の構成要素を通る縦断面であり、したがって、それらは回転対称な実施形態を図示する。ただし、これは、本発明に必須ではない。
ここに明示的に開示される実施形態は例示となるものであることが理解されるはずであり、当業者であれば、ここに開示される実施形態の特徴が、新たな実施形態を構成するために明示的に記載されない組合せにおいても組み合わせられ得ることを理解するはずである。

Claims (16)

  1. 入力衝撃波を操作するための構成要素を製造する方法であって、
    複数のプレートを形成するステップであって、各プレートがサブキャビティを画定する、ステップと、
    前記サブキャビティの１以上を１以上のキャビティ充填材で少なくとも部分的に充填するステップと、
    前記サブキャビティが少なくとも部分的に整列されかつ該サブキャビティが結合して前記１以上のキャビティ充填材を収容する層状の構成要素キャビティを画定するように、前記複数のプレートを積層して構成要素を形成するステップと、
    を備える方法。
  2. 前記複数のプレートの１枚以上が高密度材料で構成された、請求項１に記載の方法。
  3. 前記複数のプレートの１枚以上が金属で構成された、請求項１に記載の方法。
  4. 前記又は各キャビティ充填材は、前記複数のプレートの１枚以上よりも低い密度を有する、請求項１に記載の方法。
  5. 前記サブキャビティの１以上を１以上のキャビティ充填材で充填するステップが、１以上のサブキャビティを注入可能材料で充填するステップを備える、請求項１に記載の方法。
  6. 前記注入可能材料を硬化させるステップをさらに備える請求項５に記載の方法。
  7. 前記１以上のサブキャビティを過充填するステップ及び前記複数のプレートの１枚以上の表面をフライス削りするステップをさらに備える請求項５に記載の方法。
  8. 前記構成要素キャビティは衝撃波を受けるための入力部及び衝撃波を出力するための出力部を備え、前記構成要素キャビティは、前記入力部の断面積が前記出力部の断面積よりも大きくなるように形成される、請求項１に記載の方法。
  9. 各サブキャビティは衝撃波を受けるための入力部及び衝撃波を出力するための出力部を有し、前記サブキャビティの１以上は、前記入力部の断面積が前記出力部の断面積よりも大きくなるように形成される、請求項１に記載の方法。
  10. 前記サブキャビティの１以上は錐台形状である、請求項９に記載の方法。
  11. 前記サブキャビティの１以上は円錐台である、請求項１０に記載の方法。
  12. 前記複数のプレートの２枚以上は締結部材を受容するように構成された１以上の孔を備え、前記方法は、１以上の締結部材を前記１以上の孔に挿通することによって２枚以上の前記プレートを相互に固定するステップを備える請求項１に記載の方法。
  13. 前記複数のプレートの２枚以上は整列部材を受容するように構成された１以上の整列孔を備え、前記方法は、１以上の整列部材を前記１以上の整列孔に挿通することによって２枚以上の前記プレートを相互に整列するステップを備える請求項１に記載の方法。
  14. 前記複数のプレートは複数の第１のプレートであり、前記方法は、サブキャビティを備えない１枚以上の第２のプレートを形成し、該第２のプレートを前記第１のプレートに積層するステップを備える請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法。
  15. 前記複数の第１のプレート及び前記１枚以上の第２のプレートを、該プレートが第１のプレートと第２のプレートとで交互となるように積層するステップを備える請求項１４に記載の方法。
  16. 前記第１のプレートの厚さが、前記構成要素キャビティ入力部から前記構成要素キャビティ出力部まで漸進的に減少する、請求項１４に記載の方法。
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