Казанские ученые оцифровали поведение жидкости внутри 3D-печатных конструкций
Ученые Казанского федерального университета (КФУ) в сотрудничестве с коллегами из КНИТУ-КАИ провели исследование влияния жидкости, заключенной в замкнутых порах, на механическое поведение 3D-печатных конструкций. Используя метод 4D-рентгеновской компьютерной томографии in situ, они в режиме реального времени проследили за структурной эволюцией пористых элементарных ячеек при одноосном сжатии. 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 (3D-печать) 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 уменьшить вес конструкции, сохранив ее несущую способность.
В качестве модельной системы исследователи выбрали кубическую элементарную ячейку с длиной ребра 20 мм, внутри которой была создана закрытая эллипсоидная полость — макропора. Всего было изготовлено 7 типов ячеек, различавшихся только углом наклона этой поры относительно оси сжатия — от 0 до 90 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», — объяснил один из авторов исследования, научный сотрудник лаборатории механики оболочек Института математики и механики (ИМиМ) 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 70 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 еще один из авторов статьи, младший научный сотрудник лаборатории механики оболочек ИМиМ КФУ Кирилл Акифьев.
Модуль упругости у образцов с водой оказался в среднем на 3,6 % выше, чем у их «воздушных» аналогов. Верхний предел текучести вырос на 4,83 %, а нижний – на 6,89 %. Наибольший прирост механических свойств был зафиксирован для ячеек с ориентацией поры 90 и 0 градусов.
Эксперимент проводился на полимере 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», — заключил ведущий научный сотрудник лаборатории механики оболочек ИМиМ КФУ Оскар Саченков.
По оценкам ученых, открытие изменит подход к проектированию имплантатов, строительных панелей и аэрокосмических деталей.