Физика и химия стекла, 2019, T. 45, № 6, стр. 596-600

ВВЕДЕНИЕ

Решетчатые структуры обеспечивают относительно низкую плотность, сочетающуюся с высокой прочностью, энергопоглощающей способностью и теплопроводностью, потенциально могут применяться в аэрокосмической, автомобильной и биомедицинской областях [1, 2]. Изготовление таких структур традиционными методами сопровождается высокой стоимостью конечных изделий, а это, в свою очередь, сдерживает их массовое применение.

Трижды периодические поверхности минимальной энергии (ТППМЭ) типа “примитив Шварца” имеют строгое математическое уравнение, с помощью которого можно варьировать геометрию, а следовательно, и свойства получаемых изделий, изготавливаемых с использованием данной топологии:

Цель данного исследования – создание изделий с использованием топологии типа “примитив Шварца” из полиамида-12 методом 3D-печати, изучение их механических свойств экспериментально, а также расчетным методом (метод конечных элементов).

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Были созданы 3D-модели образцов с топологией “примитива Шварца” с разной величиной параметра t. Образцы получены методом селективного лазерного (SLS технология) спекания на 3D-принтере фирмы EOS (модель FORMIGAP110). Селективное лазерное спекание (SLS) – метод аддитивного производства, используемый для создания функциональных прототипов и мелких партий готовых изделий. Технология основана на последовательном спекании слоев порошкового материала с помощью лазеров высокой мощности. Условия печати: высота слоя 100 мкм, температура стола: 169.5°C, температура камеры: 150°C. После печати образцы очищали от остатков неспеченного порошка обработкой в пескоструйном аппарате.

Материал печати полиамид-12 (марка PA2200). Полиамид 12 представляет собой продукт полимеризации додекалактама. Это конструкционный кристаллизующийся материал с повышенной эластичностью. Температура плавления ненаполненных марок: 173–180°С, температура стеклования 35–37°С, степень кристалличности 40–70%. Этот материал характеризуется высокой стойкостью к растрескиванию, высокой износостойкостью, имеет низкое влагопоглощение, высокую стабильность размеров и хорошие диэлектрические свойства [3].

Образцы состояли из залитых 27 элементарных ячеек с топологией “примитив Шварца”. Габариты образцов 30 × 30 × 30 мм. Для исследования физико-механических свойств, образцы испытывали на прочность на сжатие в соответствии с ГОСТ 4651−2014 на электромеханической машине марки Walter + bai с максимально возможной нагрузкой до 400 kН, при температуре воздуха 26°C и скорости нагружения 5 мм/мин [4]. Изделия, изготовленные методом 3D печати, имеют различные механические свойства, в зависимости от направления испытания [5]. Испытания прочности для всех образцов проводили в направлении “выращивания” образцов (вдоль оси Z).

За прочность образцов брали точку перегиба, которая соответствует окончательному сминанию структуры (t = 0–25 МПа, t = 0.6–30МПа). В процессе механических испытаний образец с t = 0.6 разрушился, это связано с излишне тонкими перемычками между ячейками, в которых возникают большие напряжения.

В данной работе с использованием метода компьютерного моделирования в среде COMSOL [6] проведено исследование распределения напряжения в объектах с формой на основе трижды периодических поверхностей минимальной энергии. В работе был использован пример программного пакета COMSOL Multiphysics “распределение напряжений в ободе колеса при статическом и динамическом нагружении”. Данный пример был модифицирован для задач проекта: получения распределения напряжения в структурах различной топологии (в данном случае ТППМЭ). Было произведено импортирование трехмерных моделей нескольких ТППМЭ (“примитив Шварца”, гироид) в программный пакет COMSOL Multiphysics, построена сетка, проведена постановка задачи и получено распределение напряжений.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Особенности поведения полимерных материалов, подвергнутых эластическим деформациям, обычно рассматривают с помощью кривых сжатия (деформационных кривых). Деформационные кривые, полученные при испытании образцов, имеют свою специфику, обусловленную сложной геометрией образцов. В результате физико-механических испытаний образцов получены зависимости напряжений от степени деформации (рис. 1–3).

Рис. 1.

Деформационная кривая для образца с t = 0.6.

Рис. 2.

Деформационная кривая для образца с t = 0.

Рис. 3.

Деформационная кривая для образца с t = –0.6.

При сравнении экспериментальных деформационных кривых установлено, что при уменьшении характерного размера повторяющегося структурного элемента (при увеличении параметра t) прочность образцов уменьшается. Это связано с уменьшением площади опасного сечения. Под термином “опасное сечение” подразумевается поперечное сечение, в котором действуют наибольшие внутренние напряжения.

Согласно результатам компьютерного моделирования в программе ComsolMultiphisics, при приложении сжимающей нагрузки механические напряжения распределяются в образцах неравномерно (рис. 4). Наибольшие значения механических напряжений достигается между ячейками, в наиболее узких частях перемычек.

Рис. 4.

Распределение механических напряжений в объекте с формой на основе примитива Шварца с залитым внутренним объемом (ячейки 3 × 3 × 3) со значениями параметра t = 0 (а), t = 0.6 (б), t = –0.6 (в, г).

Анализ распределения механических напряжений в объекте с формой на основе примитива Шварца с залитым внутренним объемом (ячейка 3 × 3 × 3) (рис. 5) показывает, что наиболее сильно подверглись деформации участки, в которых наблюдалась наибольшая концентрация напряжений (перешейки), при этом малонагруженные имеют большую способность к сохранению формы.

Рис. 5.

Распределение механических напряжений в объекте с формой на основе примитива Шварца с залитым внутренним объемом со значением параметра t = 0 (ячейка 3 × 3 × 3) (а). Вид ячейки размером 3 × 3 × 3 при относительной деформации 0.2, 0.5 и 0.9, соответственно (б–г).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате исследования выявлено, что при уменьшении характерного размера повторяющегося структурного элемента (при увеличении параметра t) прочность образцов уменьшается. Экспериментальные данные хорошо коррелируют с результатами компьютерного моделирования в программе ComsolMultiphisics. С помощью компьютерного моделирования выявлено, что при приложении сжимающей нагрузки механические напряжения распределяются в образцах неравномерно. Наибольших значений величина механических напряжений достигает между ячеек, в наиболее узких частях перемычек. Наибольшей пластической деформации подвергаются участки, которые содержат большую концентрацию напряжений.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 17-13-01382).