Разработка ученых КФУ повысит точность оценки влияния пористости на свойства 3D-печатных изделий

Ученые Института математики и механики имени Н. И. Лобачевского Казанского федерального университета применили экспериментальную 4D-рентгеновскую компьютерную томографию (XCT) для изучения образцов, изготовленных методом экструзионной 3D-печати полимерными филаментами (FDM).

Разработанные аналитические зависимости позволяют оценивать влияние пористости на механические свойства материала с высокой точностью: можно предсказывать изменение объема проектируемых макропор внутри образцов и межслойных пустот под нагрузкой, а значит рассчитывать жесткость и предел текучести 3D-печатных изделий, сообщает пресс-служба вуза.

Учеными создана система нагружения образцов, позволяющая отслеживать динамику пористых структур в режиме реального времени. Эксперименты на сжатие выявили, что при упругих деформациях в первую очередь изменяется объем пор, а при пластических — форма и ориентация. Особенно заметно, что при малых деформациях основную потерю модуля упругости обеспечивают межслойные поры, однако по мере роста пластической деформации они закрываются и более не влияют на дальнейшее поведение материала.

С помощью разработанной оснастки ученые зафиксировали наличие межслойных пор в образцах, созданных по технологии FDM. Наблюдение этого эффекта и его успешный учет в численных моделях открывает путь к более точному прогнозированию свойств 3D-печатных конструкций.

«Публикация — важный шаг в понимании сложных механизмов деформирования пористых материалов. Мы уверены, что наши результаты найдут практическое применение в создании более надежных и долговечных конструкций, включая имплантируемые медицинские изделия», — прокомментировал научный сотрудник лаборатории механики оболочек Никита Харин.

«В отличие от традиционных методов изготовления, [аддитивные технологии] позволяют формировать материал с заданной неоднородной внутренней структурой. Уровень контроля, описанный в статье, открывает широкие возможности для детального анализа и оптимизации свойств пористых материалов», — рассказала младшая научная сотрудница лаборатории механики оболочек Ксения Спиридонова.

Современные пористые имплантаты требуют скрупулезного контроля размеров и формы пор. Подобные структуры также все шире применяются в аэрокосмической, автомобильной и энергетической отраслях. Новые данные о том, как поры ведут себя под нагрузкой, позволят проектировать изделия с повышенной надежностью и долговечностью.

«Разработанная оснастка для 4D-рентгеновской компьютерной томографии продемонстрировала выдающиеся результаты, обеспечив высокую точность анализа динамики пористых структур под нагрузкой. Эта инновационная система подтвердила свою надежность и эффективность, открывая новые горизонты для исследования свойств метаматериалов. Я уверен, что разработки коллег найдут применение в медицине и промышленности, способствуя созданию более надежных и функциональных конструкций», — прокомментировал заведующий кафедрой компьютерной математики и информатики Института математики и механики Оскар Саченков.

Исследование выполнена в рамках государственного задания Казанского федерального университета, результаты опубликованы в издании International Journal of Mechanics and Materials in Design.

А у вас есть интересные новости? Поделитесь с нами своими разработками, и мы расскажем о них всему миру! Ждем ваши идеи по адресу news@3Dtoday.ru.