Просмотр сведений о научной статье
Обложка номера
Заголовок
Проектирование, изготовление и механические испытания ячеистых структур на основе трижды периодической минимальной поверхностиАвторы
1Д.В. Сорокин, 2Е.В. МосквичевОрганизации
1Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнёваг. Красноярск, Российская Федерация
2Федеральный исследовательский центр информационных и вычислительных технологий
г. Красноярск, Российская Федерация
Аннотация
Трижды периодические минимальные поверхности (Triply Periodic Minimal Surfaces) в последние десятилетия привлекают значительный интерес исследователей во многих областях, таких как автомобилестроение, авиа-, ракетостроение, химическая промышленность, медицина, биоматериалы и другие. Ячеистые структуры, полученные из таких поверхностей, обладают широкими возможностями в настройке физико-механических свойств для создания новых материалов и элементов конструкций. В данной работе авторами рассматриваются основные вопросы моделирования ячеистых структур типа Gyroid, Schwarz Primitive, I-WP (I-graph-wrapped package) и Schwarz Diamond. Для двух выбранных типов ячеистых структур Gyroid и I-WP был исследован диапазон параметров, влияющих на относительную плотность (объемную долю) материала в кубической элементарной ячейке. На основе элементарной ячейки были созданы геометрические модели образцов с периодически повторяющейся структурой для проведения механических испытаний. Образцы были напечатаны на 3D-принтере и испытаны на сжатие до разрушения с фиксацией диаграмм нагружения и перемещений точек образца. Экспериментальные исследования позволили сделать вывод, что механические свойства образцов существенно зависят от относительной плотности (объемной доли) элементарной ячейки рассматриваемого типа. Управление относительной плотностью может быть полезным инструментом для достижения требуемых механических характеристик проектируемых материалов и элементов конструкций с уникальными свойствами.Ключевые слова
трижды периодические минимальные поверхности, ячейки, ячеистые структуры, 3D-печать, аддитивные технологии, механические испытанияСписок литературы
[1] Чжоу С., Жэнь Л., Сун З., Ли Г., Чжан Дж., Ли Б., Ву Ц., Ли В., Жэнь Л., Лю Ц. Достижения в области 3D/4D-печати механических метаматериалов: от производства к применению // Композиты Часть Б: Инженерия. 2023. № 254. DOI 10.1016/j.compositesb.2023.110585
[2] Mиао X., Ху Дж., Ху Ю., Су Дж., Джинг Ю. Обзор механических свойств ячеистых структур из металла // Композитные конструкции. 2024. № 342. DOI 10.1016/j.compstruct.2024.118267
[3] У Ю., Фан Дж., Ву К., Ли К., Сунь Г., Ли Ц. Материалы и конструкции, изготовленные аддитивным способом: современный обзор их механических характеристик и поглощения энергии // Международный журнал механических наук. 2023. № 246. DOI 10.1016/j.ijmecsci.2023.108102
[4] Вьявахаре С., Махеш В., Махеш В., Харурсампат Д. Метабиоматериалы, полученные аддитивным способом: современный обзор // Композитные конструкции. 2023. № 305. DOI 10.1016/j.compstruct.2022.116491
[5] Ли З., Чен З., Чен С., Чжао Р. Проектирование и оценка 3D-печатных каркасов на основе TPMS для создания костной ткани: обеспечение механических свойств и свойств массообмена // Композитные конструкции. 2024. № 327. DOI 10.1016/j.compstruct.2023.117638
[6] Се Х., Чен Дж., Лю Ф., Ван Р., Тан Ю., Ван Ю., Луо Т., Чжан К., Цао Дж. Композиты взаимопроникающей фазы Ti-PEEK с минимальной поверхностью для улучшения свойств ортопедических имплантатов // Композитные конструкции. 2024. № 327. DOI 10.1016/j.compstruct.2023.117638
[7] Форуги А. Х., Лю Д., Разави М. Одновременная оптимизация жесткости, проницаемости и площади поверхности металлических костных каркасов // Международный журнал инженерных наук. 2023. № 193. DOI 10.1016/j.ijengsci.2023.103961
[8] Ли Ц., Ган В., Ху Л., Лю С., Мао К., Ху Х., Ли Д. Сферические пористые структуры для осевого сжатия // Международный журнал механических наук. 2024. № 261. DOI 10.1016/j.ijmecsci.2023.108681
[9] Маконачи Т., Лири М., Лозановски Б., Чжан К., Цянь М., Фарук О., Брандт М. Сетчатые структуры SLM: свойства, характеристики, приложения и проблемы // Материалы и дизайн. 2019. № 183. DOI 10.1016/j.matdes.2019.108137
[10] Томпсон М. К., Морони Г., Ванекер Т., Фадель Г., Кэмпбел Р. И., Гибсон И., Бернард А., Шульц Дж., Граф П., Ахуджа Б., Мартина Ф. Проектирование для аддитивного производства: тенденции, возможности, соображения и ограничения // Анналы CIRP. 2016. № 65. С. 737–760. DOI 10.1016/j.cirp.2016.05.004
[11] Сорокин Д. В., Бабкина Л. А., Бразговка О. В. Проектирование элементов конструкций различного назначения на основе топологической оптимизации // Космические аппараты и технологии. 2022. Т. 6. № 2. С. 61–82. DOI 10.26732/j.st.2022.2.01
[12] Чжан Ю., Ван Дж., Ван К., Цзэн Ю., Чен Т. Устойчивость бионических фрактальных иерархических структур // Материалы и дизайн. 2018. № 158. С. 147–159. DOI 10.1016/j.matdes.2018.08.028
[13] Чжоу Дж., Лю Х., Дир Дж. П., Фальзон Б. Г., Казанчи З. Сравнение различных условий квазистатического нагружения аддитивно изготовленных композитных гексагональных и ауксетических ячеистых структур // Международный журнал механических наук. 2023. № 244. DOI 10.1016/j.ijmecsci.2022.108054
[14] Пак К-М., Мин К-С., Ро Ю-С. Оптимизация проектирования сетчатых структур при сжатии: исследование типов и расположения ячеек // Материалы. 2022. Т. 15. № 97. DOI 10.3390/ma15010097
[15] Тунай М. Изгибное поведение сэндвич-структур, напечатанных на 3D-принтере с различной геометрией сердцевины и продолжительностью термического старения // Тонкостенные конструкции. 2024. № 194. DOI 10.1016/j.tws.2023.111329
[16] Цуй З., Чжао Дж., Сюй Р., Дин Ю., Сунь З. Механическая конструкция и характеристики поглощения энергии новых пластинчато-стержневых гибридных сетчатых структур // Тонкостенные конструкции. 2024. № 194. DOI 10.1016/j.tws.2023.111349
[17] Саремян Р., Бадроссамай М., Фороозмер Э., Кадходаи М., Форооги Ф. Экспериментальные и численные исследования сетчатых структур, изготовленных методом селективного лазерного плавления при квазистатических и динамических нагрузках // Международный журнал передовых производственных технологий. 2021. № 112. С. 2815–2836. DOI 10.1007/s00170–020–06112–0
[18] Инь Х., Чжан В., Чжу Л., Мэн Ф., Лю Дж., Вэнь Г. Обзор сетчатых структур по свойствам поглощения энергии // Композитные конструкции. 2023. Т. 1. № 304. DOI 10.1016/j.compstruct.2022.116397
[19] Ван З., Цао С., Ян Х., Ду С., Ма Б., Чжэн Ц., Ван З., Ли Ю. Материалы на основе трехмерных ферменных решеток, изготовленные методом аддитивного производства для улучшения механических характеристик и управляемой анизотропии: моделирование и эксперименты // Тонкостенные конструкции. 2023. № 183. DOI 10.1016/j.tws.2022.110439
[20] Цзэн К., Ван В., Б. К. Х., Ма С. Легкая бортовая конструкция отражающего зеркала с заполнением из TPMS для низкой термической деформации // Композитные конструкции. 2024. № 327. DOI 10.1016/j.compstruct.2023.117665
[21] Чжан К., Цяо Х., Ян Л., Оуян В., Хэ Т., Лю Б., Чен С., Ван Н., Ян К. Вибрационные характеристики сетчатых TPMS структур IWP-типа, изготовленных аддитивным способом // Композитные конструкции. 2024. № 327. DOI 10.1016/j.compstruct.2023.117642
[22] Лю С., Ван Ю., Лю С., Жэнь Ю., Цзян Х. Синергетический механизм управления для повышения поглощения энергии сетчатыми структурами, напечатанными на 3D-принтере // Международный журнал механических наук. 2024. № 262. DOI 10.1016/j.ijmecsci.2023.108711
[23] Чжан Ц., Сунь Ю. Новые конструкции из метаматериалов с отрицательным тепловым расширением и управляемыми механическими свойствами // Международный журнал механических наук. 2024. № 261. DOI 10.1016/j.ijmecsci.2023.108692
[24] Куреши З. А., Аль-Омари С. А. Б., Эльнаджар Э., Аль-Кетан О., Аль-Руб Р. А. О влиянии пористости и функциональная оценка сетчатых структур на основе тройной периодической минимальной поверхности (TPMS), изготовленных методом 3D-печати со встроенным материалом с фазовым переходом // Международный журнал тепломассообмена. 2022. № 183. DOI 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2021.122111
[25] Куреши З. А., Аль-Омари С. А. Б., Эльнаджар Э., Аль-Кетан О., Аль-Руб Р. А. Вдохновленные природой тройные периодические минимальные поверхностные структуры в виде оболочек и тел для улучшения фазового перехода материала с низкой теплопроводностью для хранения скрытой тепловой энергии // Международный журнал тепломассообмена. 2022. № 173. DOI 10.1016/j.ijthermalsci.2021.107361
[26] Ху Б., Ван З., Ду К., Цзоу В., Ву В., Тан Дж., Ай Дж., Чжоу Х., Чен Р., Шан Б. Многокритериальная байесовская оптимизация для ускоренного проектирования структур TPMS // Международный журнал механических наук. 2023. № 244. DOI 10.1016/j.ijmecsci.2022.108085
[27] Ван М., Ху Д., Чжан Х., Пи Б., Е X. Исследование ударопрочности трубчатых сетчатых конструкций на основе тройных периодических минимальных поверхностей при квазистатическом осевом разрушении // Композитные конструкции. 2024. № 327. DOI 10.1016/j.compstruct.2023.117703
[28] Ченг Л., Бай Дж., То А. К. Оптимизация топологии функционально-градиентной сетчатой структуры для проектирования компонентов аддитивным методом с ограничениями по напряжениям // Компьютерные методы в прикладной механике и технике. 2019. № 344. С. 334–359. DOI 10.1016/j.cma.2018.10.010
[29] Чен З., Се Ю. М., Ву С., Ван З., Ли Ц., Чжоу С. О гибридных ячеистых материалах на основе тройных периодических минимальных поверхностей с экстремальными механическими свойствами // Материалы и дизайн. 2019. № 183. DOI 10.1016/j.matdes.2019.108109
[30] Чжао М., Чжан Д. З., Лю Ф., Ли З., Ма З., Жэнь З. Механические характеристики и характеристики поглощения энергии аддитивно изготовленных функционально-градиентных листовых сетчатых конструкций с минимальными поверхностями // Международный журнал механических наук. 2020. № 167. DOI 10.1016/j.ijmecsci.2019.105262
[31] Новак Н., Аль-Кетан О., Боровиншек М., Крстулович-Опара Л., Роушан Р., Весеньяк М., Рен З. Разработка новых гибридных ячеистых сетчатых структур TPMS и их механические характеристики // Журнал исследований материалов и технологий. 2021. № 15. С. 1318–1329. DOI 10.1016/j.jmrt.2021.08.092
[32] Аль-Кетан О., Пеланкони М., Ортона А., Аль-Руб Р. К. А. Аддитивное производство каталитических керамических подложек специального назначения на основе тройных периодических минимальных поверхностей // Журнал Американского керамического общества. 2019. № 102. С. 6176–6193. DOI 10.1111/jace.16474
[33] Аль-Кетан О., Ли Д., Роушан Р., Аль-Руб Р. К. А. Функционально-градиентные листовые TPMS решетки с мультиморфологией: проектирование, производство и механические свойства // Журнал механического поведения биомедицинских материалов. 2020. № 102. DOI 10.1016/j.jmbbm.2019.103520
[34] Трижды периодические минимальные поверхности (TPMS) // Геометрия Алана Шона URL: https://schoengeometry.com/e-tpms.html (дата обращения: 16.07.2024).
[35] Вольгемут М., Юфа Н., Хоффман Дж., Томас Э. Л. Морфология по симметрии трижды периодических двояко непрерывных кубических микродоменов // Макромолекулы. 2001. № 34 (17). С. 6083–6089. DOI 10.1021/ma0019499
[36] Фон Шнеринг Х. Г., Неспер Р. Узловые поверхности рядов Фурье: фундаментальные инварианты структурированной материи // Журнал физики Б. Конденсированное вещество. 1991. № 83. С. 407–412. DOI 10.1007/bf01313411
[37] Аль-Кетан О., Аль-Руб Р. К .А. MSLattice: бесплатное программное обеспечение для создания однородных и градиентных сеток на основе трижды периодических минимальных поверхностей // Дизайн материалов и обработка коммуникаций. 2021. № 3 (6). DOI 10.1002/mdp2.205
Дополнительные сведения
Работа выполнена в рамках государственного задания Минобрнауки России для Федерального исследовательского центра информационных и вычислительных технологий.
Цитирование данной статьи
Сорокин Д.В., Москвичев Е.В. Проектирование, изготовление и механические испытания ячеистых структур на основе трижды периодической минимальной поверхности // Космические аппараты и технологии. 2024. Т. 8. № 3. С. 170-184.
Данная статья лицензирована по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.