Университет Глазго выпустил новый анализ механизмов деформации, приводящих к разрушению 3D-печатных материалов под действием напряжения, что может привести к созданию более прочных и легких пластиков. Исследование предлагает понимание структурных факторов, задействованных в проектировании и создании решетчатых материалов – сотовых структур, известных своей прочностью и поглощением энергии.
Команда разработала параметр проектирования, называемый «фактором улучшения», надежным предиктором для минимизации структурных дефектов и максимизации производительности в новых конструкциях решеток. Их выводы дают рекомендации по 3D-печати, которые могут помочь материаловедам разработать надежные новые 3D-печатные решетки с улучшенными свойствами. В статье описывается изучение процесса 3D-печати полиэфиримида (ПЭИ), прочного, пригодного для вторичной переработки термопластика, в четырех конструкциях решеток и трех относительных плотностях с использованием изготовления методом сплавления нитей.
Команда подвергла материалы стресс-тестам, выявив, что решетки с низкой плотностью изгибались и складывались под давлением, в то время как решетки с более высокой плотностью часто ломались вдоль линий, где встречались нити PEI. Это не позволяло материалам поглощать столько энергии, сколько ожидалось.
Используя данные испытаний, команда разработала компьютерные модели для проведения виртуальных испытаний, показывающих, что поглощение энергии PEI ограничено дефектами от перекрывающихся пластиковых нитей. Наиболее эффективные решетки имели стенки ячеек не более чем в два раза толще нити PEI.
Инструмент фактора улучшения, проверенный в ходе реальных экспериментов, помогает предсказать, как устранение производственных дефектов улучшает производительность решетки. Проектировщики могут использовать эти расчеты для создания оптимальных структур.
«3D-печать, или аддитивное производство, дает нам замечательный контроль над тем, как могут быть созданы материалы, и позволяет нам строить конструкции, которые трудно или невозможно изготовить любым другим способом. Однако конструкции, изготовленные с помощью аддитивного производства, могут быть подорваны дефектами, вызванными процессом, которые не позволяют им раскрыть весь свой потенциал. Целью этого исследования было создание всеобъемлющей картины того, как эти дефекты вносятся и какие шаги мы можем предпринять, чтобы учесть их на каждом этапе процесса проектирования для получения оптимальных результатов», — сказал профессор Шанмугам Кумар из Инженерной школы Джеймса Уотта Университета Глазго. «Мы надеемся, что наши выводы и разработанные нами руководящие принципы приведут к прорывным новым разработкам в области материалов, изготовленных с помощью аддитивного производства. Безупречно изготовленные решетчатые материалы могут открыть новые возможности в области безопасности дорожного движения, где их способность поглощать удары может помочь создать более устойчивые к столкновениям автомобили, или в области аэрокосмического проектирования, где их легкость может обеспечить более экономичные самолеты».
Исследование началось два года назад, совместными усилиями, включая вклады Кембриджского университета, Великобритания, и Политехнического университета Марке, Италия. Статья команды под названием «Многомасштабные эксперименты и предиктивное моделирование для смягчения отказов в аддитивном производстве решеток» была опубликовано в журнале Advanced Materials Technologies. Исследование финансировалось Европейским Союзом и Университетом Глазго, способствуя укреплению связей между Великобританией и Италией.
