Казанские ученые впервые применили 4D-рентгеновскую компьютерную томографию для изучения пористости материалов
Ученые Института математики и механики им. Н.И. Лобачевского Казанского федерального университета (ИМиМ КФУ) впервые применили экспериментальную 4D-рентгеновскую компьютерную томографию для изучения образцов, напечатанных методом послойного наплавления (FDM). Новый подход позволяет с высокой точностью оценивать, как ведут себя поры внутри материала при различных нагрузках, что открывает новые перспективы для разработки пористых имплантов в медицине, а также легких несущих конструкций для промышленного применения.
Аддитивные технологии стали неотъемлемой частью современной инженерии. Достоверные данные о том, как поры ведут себя под нагрузкой, необходимы для создания изделий с повышенной надежностью и долговечностью — ортопедических имплантатов, деталей для аэрокосмической, автомобильной и энергетической отраслей.
Для проведения in situ 4D-рентгеновской компьютерной томографии казанские ученые создали инновационную систему нагружения образцов, позволяющая отслеживать динамику пористых структур в реальном времени.
«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», — рассказал один из авторов разработки, заведующий кафедрой компьютерной математики и информатики ИМиМ КФУ, старший научный сотрудник лаборатории механики оболочек НИЦ НИИММ им. Н.Г. Чеботарева ИМиМ КФУ Оскар Саченков.
Эксперименты на сжатие выявили, что при упругих деформациях в первую очередь изменяется объем пор, а при пластических — их форма и ориентация. Особенно заметным оказалось, 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.
Описанные авторами аналитические зависимости позволяют оценивать влияние пористости на механические свойства материала с беспрецедентной точностью: теперь можно предсказывать изменение объема проектируемых макропор внутри образца и межслойных пустот под нагрузкой, а значит рассчитывать жесткость и предел текучести изделий, напечатанных с помощью аддитивных технологий.
«В отличие от традиционных методов изготовления, они позволяют формировать материал с заданной, неоднородной внутренней структурой. Уровень контроля, описанный в статье, открывает широкие возможности для детального анализа и оптимизации свойств пористых материалов», — отметила участвовавшая в исследовании младший научный сотрудник лаборатории Ксения Спиридонова.
Работа выполнена в рамках государственного задания Казанского федерального университета.