Эдуард Михайлович Фарбер – к.т.н., инженер лаборатории «Синтез новых материалов и конструкций»
Россия, 195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29
Eduard M. Farber – Cand. Sci. (Eng.), Engineer, Laboratory of Synthesis of New Materials and Structures
29 Polytechnicheskaya Str., St. Petersburg 195251, Russia
Алексей Валерьевич Орлов – науч. сотрудник лаборатории «Дизайн материалов и аддитивного производства»
Россия, 195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29
Alexey V. Orlov – Researcher, Materials Design and Additive Manufacturing Laboratory
29 Polytechnicheskaya Str., St. Petersburg 195251, Russia
Анатолий Анатольевич Попович – д.т.н., профессор, директор Института машиностроения, материалов и транспорта
Россия, 195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29
Anatoly A. Popovich – Dr. Sci. (Eng.), Professor, Director of the Institute of Machinery, Materials and Transport
29 Polytechnicheskaya Str., St. Petersburg 195251, Russia
В настоящее время одним из перспективных и инновационных подходов в сфере проектирования механических метаматериалов различного назначения является использование геометрий на основе природных структур. В природе существует большое количество геометрических форм и структур, появившихся в течение длительной эволюции для различных целей, в том числе для защиты. Примером таких структур являются микроструктура кожуры фрукта помело и геометрия тропического плода дерева карамбола, предназначенные для защиты плода от падения с высоты. На основе подобных структур можно разрабатывать метаматериалы, обладающие малой массой, высокой прочностью и повышенными свойствами энергопоглощения. Аддитивные технологии позволят изготавливать подобные метаматериалы с геометрией единичных элементов любой сложности. В настоящей работе в качестве исходной геометрии для проектирования метаматериалов использовалась микроструктура кожуры помело. Образцы метаматериалов, состоящие из 5×5×5 единичных ячеек, с исходной пористостью в 80 %, изготавливались из сплава ВТ6 с помощью селективного лазерного плавления. Были проведены квазистатические и динамические испытания на сжатие для определения механических характеристик и удельного поглощения энергии метаматериалов. Установлено, что значение условного предела прочности на сжатие для образцов метаматериалов составило 116 МПа, условный предел текучести – 102 МПа, условный модуль упругости – 6 ГПа. Уровень энергопоглощения метаматериалов при квазистатическом сжатии был 2,57 Дж/г, при динамическом – 2,71 Дж/г. Полученные результаты свидетельствуют об общей перспективности применения принципа природоподобности при проектировании энергопоглощающих метаматериалов и станут основой для дальнейших исследований и разработок энергопоглощающих систем и изделий.
One promising and innovative approaches to designing mechanical metamaterials for a range of applications is to draw on geometries found in natural structures. Nature offers a wide variety of geometries and structures that have evolved over long periods to serve different functions, including protection. Two such protective structures are the microstructure of pomelo peel and the geometry of carambola fruit, both of which help cushion the fruit against impact when it falls from a height. These structures can serve as prototypes for lightweight, high- strength metamaterials with enhanced energy absorption performance. Additive manufacturing enables the fabrication of such metamaterials with unit-cell geometries of arbitrary complexity. In this study, the microstructure of pomelo peel was used as the reference geometry for metamaterial design. Metamaterial samples comprising 5×5×5 unit cells with a nominal porosity of 80 % were fabricated from VT6 (Ti–6Al–4V) alloy by selective laser melting. Quasi-static and dynamic compression tests were performed to determine the mechanical properties and specific energy absorption of the metamaterials. The ultimate compressive strength of the metamaterial samples was 116 MPa, the yield strength was 102 MPa, and the effective elastic modulus was 6 GPa. Their specific energy absorption was 2.57 J/g under quasi-static compression and 2.71 J/g under dynamic compression. These findings demonstrate the potential nature-inspired design principle for developing energy-absorbing metamaterials and provide a basis for further research and the development of energy-absorbing systems and components.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.