Влияние геометрических параметров на энергопоглощающие свойства природоподобной ячеистой структуры с геометрией «примитив Шварца» из стеклонаполненного полиамида

В работе проведено исследование энергопоглощающих ячеистых структур с геометрией трижды периодической поверхности минимальной энергии типа «примитив Шварца», изготовленных из стеклонаполненного полиамида методом селективного лазерного спекания. В результате исследования проанализированы различия в деформации и механических свойствах структур при испытаниях на сжатие в зависимости от геометрического параметра t. Предложены критерии отбора ячеистых структур, при их использовании в условиях упругого и пластического деформирования. 

1. Лорд Э. Э., Маккей А. Л., Ранганатан С. Новая геометрия для новых материалов / Под ред. В. Я. Шевченко, В. Е. Дмитриенко. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. – 260 с.

2. Feng J. et al. Triply periodic minimal surface (TPMS) porous structures: from multi-scale design, precise additive manufacturing to multidisciplinary applications // International Journal of Extreme Manufacturing. – 2022. – V. 4. – N 2. – Art. 022001. DOI: 10.1088/2631-7990/ac5be6

3. Yang W., An J., Chua C. K. et al. Acoustic absorptions of multifunctional polymeric cellular structures based on triply periodic minimal surfaces fabricated by stereolithography // Virtual and Physical Prototyping. – 2020. – V. 15. – Is. 2 . – P. 242–249. DOI: 10.1080/17452759.2020.1740747

4. Сысоев Е. И., Сычев М. М., Шафигуллин Л. Н., Дьяченко С. В. Проектирование звукопоглощающих сотовых материалов с геометрией трижды периодических поверхностей минимальной энергии (ТППМЭ) // Акустический журнал. – 2024. – Т. 70. – № 5. – С. 765–777. DOI: 10.31857/S0320791924050111

5. Surendra S. R., Balkrishna M., Pradeep K. et al. Flow Characterization in Triply-Periodic-Minimal-Surface (TPMS) based Porous Geometries: Part 2 // Heat Transfer. – 2023. – P. 1–31. DOI: 10.21203/rs.3.rs-2427715/v1

6. Zhou N. et al. Stereolithographically 3D Printed SiC Metastructure for Ultrabroadband and High Temperature Microwave Absorption // Advanced Materials Technologies. – 2022. – V. 8. – Is. 4. – Art. 2201222. DOI: 10.1002/admt.202201222

7. DeValk T., Lakes R. Poisson’s ratio and modulus of gyroid lattices // Physica status solidi (b). – 2021. – V. 258. – Is. 12. – P. 1–7. DOI: 10.1002/pssb.202100081

8. Корнейчук А. Н. и др. Исследование прочностных свойств термостойких стеклопластиковых сотовых заполнителей для конструкции аэродинамического экрана // Авиационные материалы и технологии. – 2019. – № 4 (57). – С. 35–40. DOI: 10.18577/2071-9140-2019-0-4-35-40

9. Васильев А. В. и др. Выбор оптимального программного обеспечения для численного моделирования работы энергопоглощающих элементов перспективных систем амортизации специальных объектов в контексте импортозамещения средств инженерного анализа // Вестник Концерна ВКО «Алмаз-Антей». – 2022. – № 3. – С. 5–21. URL: https://doi.org/10.38013/2542-0542-2022-3-5-21

10. Алешин В. Ф. и др. Посадочные устройства космических аппаратов (КА) на основе пенопластов и сотоблоков // Машиностроение и компьютерные технологии. – 2010. – № 4. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/posadochnye-ustroystva-kosmicheskih-apparatov-ka-na-osnove-penoplastov-i-sotoblokov (дата обращения: 20.06.2024)

11. Rawat P., Zhu D., Rahman Dr., Barthelat F. Structural and mechanical properties of fish scales for the bio-inspired design of flexible body armors: A review // Acta Biomaterialia. – 2021. – V. 121. – P. 41–67. DOI: 10.1016/j.actbio.2020.12.003

12. Корниевский А. С., Наседкин А. В. Сравнение моделей пен, составленных из регулярных и нерегулярных массивов открытых ячеек Гибсона – Эшби // Вестник ПНИПУ. Механика. – 2021. – № 3. – С. 70–83.

13. Wang W. et al. Material extrusion 3D printing of large-scale SiC honeycomb metastructure for ultra-broadband and high temperature electromagnetic wave absorption // Additive Manufacturing. – 2024. – V. 85. – P. 104158. URL: https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104158

14. Shevchenko, V.Y., Sychev, M.M., Lapshin, A.E. et al. Ceramic Materials with the Triply Periodic Minimal Surface for Constructions Functioning under Conditions of Extreme Loads // Glass Phys Chem. – 2017. – V. 43. – P. 605–607. URL: https://doi.org/10.1134/S1087659617060153

15. Diachenko S. V., Dolgin A. S., Khristyuk N. A. et al. 3D Printing of Ceramic Elements with Q-Surface Geometry for the Fabrication of Protective Barrier // Ceramics. – 2023. – V. 6. – N 2. – P. 912–921. DOI: 10.3390/ceramics6020053

16. Arsentev M. Yu., Sysoev E. I., Vorobyov S. A., Balabanov S. V., Diachenko S. V., Sychov M. M., Skorb E. V. Crystal-inspired cellular metamaterials with reduced Poisson’s ratio as analogues of TPMS // Composite Structures. – 2025. – V. 363. – P. 119097. DOI: 10.1016/j.compstruct.2025.119097

17. Balabanov S. V., Kuropiatnik A. M., Sychov M. M. et al. Gradient energy-absorbing nature-inspired metamaterial based on the “Schwarz Primitive” geometry // Materials Physics and Mechanics. – 2025. – V. 53. – N 2. – P. 157–167. DOI: 10.18149/MPM.5322025_14

18. Borovkov A. I. et al. Finite element analysis of elastic properties of metamaterials based on triply periodic minimal surfaces // Materials Physics and Mechanics. – 2024. – V. 52. – N 2. – P. 11–29. http://dx.doi.org/10.18149/MPM.5222024_2

19. Nefedova L. A., Ivkov V. I., Diachenko S. V. et al. Additive manufacturing of ceramic insulators // Materials Today: Proceedings : 2019 International Scientific Conference on Materials Science: Composites, Alloys and Materials Chemistry, MS-CAMC 2019. – St Petersburg, 2020. – V. 30. – P. 520–522. DOI: 10.1016/j.matpr.2020.01.040

20. Арсентьев М. Ю., Балабанов С. В., Макогон А. И., Сычев М. М. Экспериментальное и теоретическое исследование механических свойств полиамидных изделий с топологией «примитив Шварца», изготовленных методом 3D-печати // Физика и химия стекла. – 2019. – Т. 45. – № 6. – С. 596–600. DOI: 10.1134/S0132665119060027

21. Balabanov S. V. et al. Mechanical properties of 3D printed cellular structures with topology of triply periodic minimal surfaces // Materials Today: Proceedings. 2019 International Scientific Conference on Materials Science: Composites, Alloys and Materials Chemistry, MS-CAMC 2019. – St Petersburg., 2020. – P. 439–442.

22. Yoo D. J. Recent trends and challenges in computer-aided design of additive manufacturing-based biomimetic scaffolds and bioartificial organs // Int. J. Precis. Eng. Manuf. – 2014. – V. 15. – P. 2205–2217. DOI: 10.1007/s12541-014-0583-7

23. Сычев М. М., Лебедев Л. А., Дьяченко С. В. и др. Аддитивные технологии. – СПб.: СПбГТИ(ТУ), 2018. – 36 с.

24. Dolgin A. S., Makogon A. I., Bogdanov S. P. Development of 3d printing technology with ceramic paste and study of properties of printed corundum products // Materials Science Forum. – 2021. – V. 1040 MSF. – P. 178–184. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.1040.178

25. Pronin I. A., Averin I. A., Karmanov A. A. et al. Control over the Surface Properties of Zinc Oxide Powders via Combining Mechanical, Electron Beam, and Thermal Processing // Nanomaterials. – 2022. – V. 12. – Is. 11. DOI: 10.3390/nano12111924

26. Al-Ketan O., Rowshan R. Abu Al-Rub R. K. Topology-mechanical property relationship of 3D printed strut, skeletal, and sheet based periodic metallic cellular materials // Addit. Manuf. – 2018. – V. 19. – P. 167–183. DOI: 10.1016/j.addma.2017.12.006

27. Lin Z.-H., Pan J.-H., Li H.-Y. Mechanical Strength of Triply Periodic Minimal Surface Lattices Subjected to Three-Point Bending // Polymers. – 2022. – V. 14. – N 2885. URL: https://doi.org/10.3390/polym14142885

28. Arsentev M. Yu. et al. High-throughput screening of 3D-printed architected materials inspired by crystal lattices: procedure, challenges, and mechanical properties // ACS Omega. – 2023. – V. 8. – N 28. – P. 24865–24874. DOI: 10.1021/acsomega.3c00874

29. Zhu L. Y., Li L., Li Z. A., Shi J. P., Tang W. L., Yang J. Q. Jiang Q. Design and biomechanical characteristics of porous meniscal implant structures using triply periodic minimal surfaces // J. Transl. Med. – 2019. – V. 17. – Art. 89. DOI: 10.1186/s12967-019-1834-2

30. Государственная регистрация программы для ЭВМ № 2023663731, Российская Федерация. Программный комплекс для анализа структуры материала (ПК «АнСМат») – № 2023662565, заявл. 16.06.2023, опубл. 27.06.2023, бюл. № 7.

31. Diachenko S. V., Balabanov S. V., Sychov M. M. et al. The impact of the geometry of cellular structure made of glass-filled polyamide on the energy-absorbing properties of design elements // Strojniski Vestnik. – 2024. – V. 70. – Is. 11–12. – P. 607–619. DOI: 10.5545/sv-jme.2024.975

32. Markov M. A. et al. Investigation of the Microstructure of Reaction-Sintered Silicon Carbide Ceramics Using Approaches of Digital Materials Science // Journal of Machinery Manufacture and Reliability. – 2024. – V. 53. – N 6. – P. 624–631.

33. Markov M. A., Nikolaev A. N., Chekuryaev A. G., Sychev M. M., Dyuskina D. A., Bykova A. D., Belyakov A. N. Research on the Method of Obtaining Ceramics of Reaction-Sintered Materials Based on SiC–MoSi2 Using Analytical Approaches of Digital Materials Science // Glass Physics and Chemistry. – 2024. – V. 50, N 3. – P. 260–269.

34. Chekuryaev A. G., Sychov M. M., Myakin S. V. Analysis of the Structure of Composite Systems by Means of Fractal Characteristics Using the BaTiO3–Fullerenol–CEPVA System as an Example // Phys. Solid State. – 2021. – V. 63. – P. 789–795. URL: https://doi.org/10.1134/S1063783421060032

35. Chekuryaev A. G. et al. Analysis of Microstructure and Fractal Characteristics of Polymer Based Dielectric Composites with Graphene-Modified Barium Titanate Filler by Box-Counting Method // Glass Phys. Chem. – 2022. – V. 48. – P. 659–663. URL: https://doi.org/10.1134/S1087659622600892

36. Chekuryaev A. G. et al. Digital Characteristics of Microstructure of Diamond-Silicon Carbide Composites // Ceramics. – 2023. – V. 6. – P. 1067–1077. URL: https://doi.org/10.3390/ceramics6020063

37. Sychov M. M. et al. Digital Materials Science: Numerical Characterization of Steel Microstructure / Khakhomov, S., Semchenko I., Demidenko O., Kovalenko D. (Ed.) // Research and Education: Traditions and Innovations (Inter-academia, 2021). Lecture Notes in Networks and Systems, Springer, Singapore. – 2022. – V. 422. – P. 159–169.

38. Gibson L. J., Ashby M. F. The Mechanics of Three-Dimensional Cellular Materials. // Proceedings of the Royal Society of London. Series A. Mathematical and Physical Sciences. – 1982. – V. 382. – Is. 1782. – P. 43–59.