Казанские ученые исследовали поведение жидкостей внутри 3D-печатных конструкций

Ученые Казанского федерального университета (КФУ) и Казанского национального исследовательского технического университета имени А. Н. Туполева (КНИТУ-КАИ) провели исследование влияния жидкости, заключенной в замкнутых порах, на механическое поведение 3D-печатных конструкций. По оценкам исследователей, открытие изменит подход к проектированию имплантатов, строительных панелей и аэрокосмических деталей.

Используя метод 4D-рентгеновской компьютерной томографии in situ, исследователи в режиме реального времени проследили за структурной эволюцией пористых элементарных ячеек при одноосном сжатии, сообщает Министерство науки и высшего образования РФ. Эксперимент показал, что наличие воды в макропорах меняет характер деформации. Гидростатическое давление несжимаемой жидкости стабилизирует структуру, предотвращая схлопывание межслойных пустот и замедляя разрушение материала.

Технологии аддитивного производства позволяют создавать детали практически любой геометрии, однако внутренняя структура таких объектов остается гетерогенной, в ней присутствуют поры, пустоты и межслойные зазоры. С одной стороны, поры снижают прочность, с другой — позволяют уменьшать вес конструкции, сохраняя ее несущую способность.

В качестве модельной системы исследователи выбрали кубическую элементарную ячейку с длиной ребра двадцать миллиметров, внутри которой была создана закрытая эллипсоидная полость — макропора. Всего изготовили семь типов ячеек, отличавшихся только углом наклона этой поры относительно оси сжатия — от нуля до девяноста градусов. Половина образцов содержала внутри поры воздух, другая половина — воду с добавлением небольшого количества йода для контрастности при рентгеновском сканировании.

«Данная структура является наиболее удобной и предсказуемой в плане проведения численных расчетов. Кроме того, кубическая форма идеально подходит для сборки последующих больших моделей, состоящих из множества таких пористых ячеек. Подобная геометрическая стандартизация существенно упрощает анализ и позволяет легко экстраполировать результаты испытаний одиночной ячейки на масштабные периодические решетки, которые применяются в реальных конструкциях», — рассказал научный сотрудник лаборатории механики оболочек Института математики и механики КФУ Никита Харин.

Ученые использовали метод 4D-рентгеновской компьютерной томографии in situ. Образцы сканировали авторским устройством. В процессе поэтапного сжатия в режиме реального времени специалисты фиксировали состояние ячеек в четырех точках — в исходном, свободном состоянии, на двух этапах упругой деформации и на одном этапе пластической деформации. Размер вокселя (трехмерного пикселя) составлял семьдесят микрометров, что позволяло видеть мельчайшие межслойные пустоты, возникающие в процессе 3D-печати.

Исследователи отметили, что присутствие жидкости не позволяло межслойным порам схлопываться. Такой эффект полностью отсутствовал у образцов с воздухом, где межслойные поры активно схлопывались при достижении предела текучести материала.

«Вода является несжимаемой жидкостью, и за счет гидростатического давления центральная пора практически не изменяет свою форму вплоть до достижения предела прочности материала. После превышения этого предела в материале образуются трещины, жидкость вытекает, и только после этого начинается деформация макропоры», — рассказал младший научный сотрудник лаборатории механики оболочек Института математики и механики КФУ Кирилл Акифьев.

Модуль упругости у образцов с водой оказался в среднем на 3,6% выше, чем у «воздушных» аналогов. Верхний предел текучести вырос на 4,83%, а нижний — на 6,89%. Наибольший прирост механических свойств зафиксирован для ячеек с ориентацией поры девяносто и ноль градусов.

Эксперимент проводился на полилактиде (PLA), однако ученые убеждены, что выявленные механизмы имеют фундаментальный характер.

«В реальной практике никто не производит и не устанавливает имплантаты, заранее заполненные жидкостью, однако как только пористый костный имплантат устанавливается в тело человека, его структура естественным образом пропитывается биологическими жидкостями. Наши результаты показывают, что наличие жидкости внутри пор принципиально меняет механический отклик структуры под внешними нагрузками. Теоретически предложенный подход и выявленные механизмы можно экстраполировать и на другие классы материалов, такие как металлы или керамика. Фундаментальные физические принципы гидростатической поддержки замкнутой жидкостью универсальны, однако степень выраженности этого эффекта будет напрямую зависеть от свойств базового материала и его производства, поэтому для точной количественной оценки того, насколько значимым окажется вклад жидкости в металлических или керамических пористых структурах, безусловно, требуются отдельные практические эксперименты и исследования», — рассказал ведущий научный сотрудник лаборатории механики оболочек Института математики и механики КФУ Оскар Саченков.

Источник: Министерство науки и высшего образования РФ