Ученые Института математики и механики им. Н.И. Лобачевского Казанского федерального университета впервые применили экспериментальную 4D-рентгеновскую компьютерную томографию (XCT) для изучения образцов, напечатанных методом послойного наплавления (FDM).

Разработанные ими 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 напечатанных изделий.

Для проведения in situ 4D XCT-исследования была создана инновационная система нагружения образцов, позволяющая отслеживать динамику пористых структур в реальном времени. 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.

Исследование имеет ключевое значение, поскольку именно с помощью разработанной оснастки ученые зафиксировали наличие межслойных пор в образцах, созданных аддитивными технологиями FDM. Важнейшим достижением стало не только наблюдение этого эффекта, но и успешный учет его в численных моделях, что открывает путь к более точному прогнозированию свойств напечатанных конструкций.

«Публикация – важный шаг в понимании сложных механизмов деформирования пористых материалов. Мы уверены, что наши результаты найдут практическое применение в создании более надежных и долговечных конструкций, включая имплантируемые медицинские изделия», – прокомментировал автор исследования, разработчик оснастки, научный сотрудник лаборатории механики оболочек НИЦ НИИММ им. Н.Г. Чеботарева Института математики и механики КФУ Никита Харин.

Аддитивные технологии стали неотъемлемой частью современной инженерии, отметила младший научный сотрудник лаборатории, староста СНК «Малое студенческое конструкторское бюро» ИМиМ Ксения Спиридонова.

«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», – сообщила ученый.

Специалисты в области ортопедии отмечают, что современные пористые импланты требуют скрупулезного контроля размеров и форм пор, а производители заявляют, что подобные структуры все шире применяются в аэрокосмической, автомобильной и энергетической отраслях. Новые данные о том, как поры ведут себя под нагрузкой, позволят проектировать изделия с повышенной надежностью и долговечностью.

«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, открыв новые горизонты для исследования свойств метаматериалов. Я уверен, что разработки коллег найдут применение в медицине и промышленности, способствуя созданию более надежных и функциональных конструкций», – подчеркнул заведующий кафедрой компьютерной математики и информатики ИМиМ, старший научный сотрудник лаборатории Оскар Саченков.

Работа выполнена в рамках государственного задания Казанского федерального университета (проект FZSM-2023-0009) и открывает новые перспективы для разработки пористых имплантов в медицине, а также легких несущих конструкций для промышленного применения.