Ученые Казанского федерального университета 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, известные как 3D-печать, сегодня позволяют создавать детали практически любой геометрии. 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 научный сотрудник лаборатории механики оболочек Института математики и механики КФУ Никита Харин.
Ученые использовали метод 4D рентгеновской компьютерной томографии in situ. Образцы сканировались авторским устройством. Внутри томографа 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.
Томографические данные обрабатывались с помощью алгоритмов многоклассовой сегментации, позволяющих разделить объем на четыре фазы: макропору, межслойные поры, твердый материал и внешний фон.
Мелкие межслойные поры диаметром около 0,03 мм расширялись, поры среднего размера (0,045 мм) схлопывались, а крупные пустоты (0,06–0,12 мм) расширялись, но только в ячейках с углом наклона поры 45 и 90 градусов. При этом общий объем материала в пластической зоне увеличивался на 2-5 процентов.
Иная картина наблюдалась у образцов, внутри макропор которых находилась вода. Объем макропор практически не менялся на всех этапах нагружения – отклонение не превышало 0,72 процентов. Объем твердого материала оставался постоянным с точностью до 1 процента. Межслойные поры, которые в «воздушных» образцах демонстрировали колебания до 80 процентов, в «водных» изменялись не более чем на 6 процентов.
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 ИМиМ Кирилл Акифьев.
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.
Модуль упругости у образцов с водой оказался в среднем на 3,6 процента выше, чем у их «воздушных» аналогов. Верхний предел текучести вырос на 4,83 процента, а нижний – на 6,89 процентов. Наибольший прирост механических свойств был зафиксирован для ячеек с ориентацией поры 90 и 0 градусов.
Специально для проведения этих экспериментов мы усовершенствовали разработанную систему 4D-нагружения. Было модернизировано управляющее устройство, а также оптимизировали логику управления для удобства проведения эксперимента. Более того, этот проект позволил вовлечь студентов младших курсов в проектную работу в рамках ряда задач, которые реализовывались в МСКБ, – сообщила лаборант-исследователь лаборатории механики оболочек и староста Малого студенческого конструкторского бюро Ксения Спиридонова.
Этот эксперимент проводился на полимере PLA, 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 Оскар Саченков.
Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Engineering Materials.
Источник: Минобрнауки России
