RU2771391C1 - Method for producing a three-dimensional auxetic with a cellular structure (variants) - Google Patents
Method for producing a three-dimensional auxetic with a cellular structure (variants) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2771391C1 RU2771391C1 RU2020135811A RU2020135811A RU2771391C1 RU 2771391 C1 RU2771391 C1 RU 2771391C1 RU 2020135811 A RU2020135811 A RU 2020135811A RU 2020135811 A RU2020135811 A RU 2020135811A RU 2771391 C1 RU2771391 C1 RU 2771391C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- dimensional
- auxetic
- printing
- ratio
- cellular structure
- Prior art date
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 10
- 210000003850 cellular structure Anatomy 0.000 title abstract 4
- 238000010146 3D printing Methods 0.000 claims abstract description 15
- 239000004433 Thermoplastic polyurethane Substances 0.000 claims abstract description 12
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 12
- 229920002803 thermoplastic polyurethane Polymers 0.000 claims abstract description 12
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 6
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 claims abstract description 6
- 239000000806 elastomer Substances 0.000 claims abstract description 6
- 238000007639 printing Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000011960 computer-aided design Methods 0.000 claims abstract description 5
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims abstract description 5
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 claims abstract description 5
- 229910000789 Aluminium-silicon alloy Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 230000004927 fusion Effects 0.000 claims description 4
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 4
- 238000010276 construction Methods 0.000 claims description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 8
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 5
- 230000006835 compression Effects 0.000 abstract description 4
- 238000007906 compression Methods 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 239000000654 additive Substances 0.000 abstract description 3
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 abstract description 3
- 238000002844 melting Methods 0.000 abstract description 3
- 230000008018 melting Effects 0.000 abstract description 3
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 abstract description 3
- 239000003814 drug Substances 0.000 abstract description 2
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 abstract description 2
- 230000000399 orthopedic effect Effects 0.000 abstract description 2
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 abstract description 2
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 abstract 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 15
- 238000012669 compression test Methods 0.000 description 8
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 8
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 5
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 4
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 4
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 3
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 3
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 2
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 238000007731 hot pressing Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
- B22F3/10—Sintering only
- B22F3/105—Sintering only by using electric current other than for infrared radiant energy, laser radiation or plasma ; by ultrasonic bonding
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
- B29C64/10—Processes of additive manufacturing
- B29C64/141—Processes of additive manufacturing using only solid materials
- B29C64/153—Processes of additive manufacturing using only solid materials using layers of powder being selectively joined, e.g. by selective laser sintering or melting
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
- B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
- B33Y80/00—Products made by additive manufacturing
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P10/00—Technologies related to metal processing
- Y02P10/25—Process efficiency
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области формирования методами 3D-печати в форме трехмерной (3D) сотовой структуры сложной геометрии с отрицательным коэффициентом Пуассона, которая может использована в областях различного применения, в том числе областях спорта и медицины, в качестве элементов средств индивидуальной защиты, а также в импланталогии и ортопедии.The invention relates to the field of formation by 3D printing methods in the form of a three-dimensional (3D) honeycomb structure of complex geometry with a negative Poisson's ratio, which can be used in various fields, including the fields of sports and medicine, as elements of personal protective equipment, as well as in implantology and orthopedics.
Вследствие геометрических особенностей построения, ауксетики показывают отрицательное отношение Пуассона, т.е. они увеличиваются в объеме при растяжении и наоборот уменьшаются в объеме при сжатии.Due to the geometric features of the construction, auxetics show a negative Poisson ratio, i.e. they increase in volume when stretched and vice versa decrease in volume when compressed.
Известно изобретение (US 8652602 В1 опублик. 18.02.2014), представляющее собой трехмерные, цилиндрические и сферические (полярная система координат) ауксетики с сотовой структурой, которые потенциально могут использоваться в аэрокосмической и биомедицинской отраслях промышленности.An invention is known (US 8652602 B1 published on February 18, 2014), which is a three-dimensional, cylindrical and spherical (polar coordinate system) auxetics with a honeycomb structure, which can potentially be used in the aerospace and biomedical industries.
Недостатком упомянутого изобретения является то, что данная ауксетическая структура не адаптирована под основные существующие технологии производства, такие как формующее, субтрактивное и аддитивное производство, вследствие строения и расположения элементарных ячеек в конструкции.The disadvantage of the mentioned invention is that this auxetic structure is not adapted to the main existing production technologies, such as forming, subtractive and additive production, due to the structure and arrangement of elementary cells in the structure.
Известно изобретение (US 7910193 В2 опублик. 22.03.11), представляющее собой описание трехмерного ауксетика с элементарной ячейкой в виде пирамиды, которые потенциально можно использовать в качестве демпфера механической энергии.An invention is known (US 7910193 B2 published on March 22, 2011), which is a description of a three-dimensional auxetic with an elementary cell in the form of a pyramid, which can potentially be used as a mechanical energy damper.
Недостатком упомянутого изобретения является то, что ауксетическая структура не адаптирована под основные технологии производства.The disadvantage of the mentioned invention is that the auxetic structure is not adapted to the main production technologies.
Известно изобретение (US 9908295 В2 опублик. 06.03.18), представляющее собой описание процесса цифровой подготовки трехмерных ауксетиков к 3D-печати.An invention is known (US 9908295 B2 publ. 03/06/18), which is a description of the process of digital preparation of three-dimensional auxetics for 3D printing.
Недостатком упомянутого изобретения является то, что исходя из описания данный процесс направлен на подготовку трехмерных ауксетиков к методу 3D-печати сразу несколькими материалами, в частности методу FDM (Fusion Deposition Modeling). Метод печати несколькими материалами обладает узким набором материалов, поскольку от материалов требуется физическое и химическое взаимодействие, следовательно это значительно сужает интервал температур печати.The disadvantage of the mentioned invention is that, based on the description, this process is aimed at preparing three-dimensional auxetics for the 3D printing method with several materials at once, in particular, the FDM method (Fusion Deposition Modeling). The multi-material printing method has a narrow set of materials, since the materials require physical and chemical interaction, therefore this significantly narrows the printing temperature range.
Прототипом является изобретение (ЕР 2702884 А1 опублик. 02.08.13), представляющее собой двумерный ауксетик с сотовой структурой для использования в элементах одежды и спортивного оборудования, полученные методом горячего прессования.The prototype is an invention (EP 2702884 A1 publ. 08/02/13), which is a two-dimensional auxetic with a honeycomb structure for use in clothing and sports equipment, obtained by hot pressing.
Недостатком упомянутого изобретения является ограниченность технологий производства.The disadvantage of the mentioned invention is the limited production technology.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в создании сложной трехмерной геометрии, обладающей периодичной структурой с возможностью изготовления ее из различного рода материалов, включая полимеры и металлы и возможностью производства трехмерного ауксетика с помощью аддитивных технологий, в частности 3D-печати при высоких показателях механических свойств на сжатие (металлы): предел прочности ауксетической конструкции более 150 МПа; устойчивости к длительным циклическим нагрузкам на сжатие (эластомеры, металлы): до 500 циклов (эластомеры) и до 2000 циклов (металлы).The technical result of the claimed invention is to create a complex three-dimensional geometry with a periodic structure with the possibility of manufacturing it from various types of materials, including polymers and metals and the possibility of producing a three-dimensional auxetic using additive technologies, in particular 3D printing with high mechanical properties in compression ( metals): ultimate strength of the auxetic structure is more than 150 MPa; resistance to long-term cyclic compressive loads (elastomers, metals): up to 500 cycles (elastomers) and up to 2000 cycles (metals).
Технический результат в первом объекте изобретения достигается следующим образом.The technical result in the first object of the invention is achieved as follows.
Способ получения трехмерного ауксетика с сотовой структурой включает построение элементарной ячейки на основе полимеров или эластомеров заданного размера от 20×20×10 до 250×250×150 мм с поворотным углом между ребрами, равным 60, при помощи твердотельного моделирования в системах автоматизированного проектирования и дальнейшее формирование трехмерного ауксетика путем 3D-печати методом послойного наплавления нити в диапазоне толщин слоя 100-1000 мкм со скоростью печати 15-50 мм/с при температуре экструзии 195-225°С.A method for producing a three-dimensional auxetic with a honeycomb structure includes building a unit cell based on polymers or elastomers of a given size from 20 × 20 × 10 to 250 × 250 × 150 mm with a rotation angle between the ribs equal to 60 using solid modeling in computer-aided design systems and further formation of a three-dimensional auxetic by 3D printing by layer-by-layer deposition of a filament in the layer thickness range of 100–1000 µm at a printing speed of 15–50 mm/s at an extrusion temperature of 195–225°C.
Технический результат во втором объекте изобретения достигается следующим образом.The technical result in the second object of the invention is achieved as follows.
Способ получения трехмерного ауксетика с сотовой структурой включает построение элементарной ячейки на основе металлических сплавов заданного размера от 20×20×10 до 250×250×150 мм с поворотным углом между ребрами, равным 60 градусам, при помощи твердотельного моделирования в системах автоматизированного проектирования и дальнейшее формирование трехмерного ауксетика путем 3D-печати методом селективного лазерного сплавления с толщиной слоя 30-100 мкм со скоростью сканирования 400-1700 мм/с при мощности лазера 300-400 Вт.A method for producing a three-dimensional auxetic with a honeycomb structure includes building a unit cell based on metal alloys of a given size from 20 × 20 × 10 to 250 × 250 × 150 mm with a rotation angle between the ribs equal to 60 degrees using solid modeling in computer-aided design systems and further formation of a three-dimensional auxetic by 3D printing by selective laser fusion with a layer thickness of 30–100 μm at a scanning speed of 400–1700 mm/s at a laser power of 300–400 W.
В предлагаемой трехмерной ауксетической структуре («Ауксетик - 90» и «Ауксетик - 45») достижение указанных характеристик происходит за счет геометрического строения элементарной ячейки. В частности, за счет поперечного сечения ребер, а также расположения бокового ребра к горизонтальному под углом 60 градусов, далее поворотный угол. Подобное расположение ребер создает ауксетический эффект, т.е. всестороннее сжатие и растяжение конструкции. Выравнивание боковых ребер вдоль горизонтального направления (по направлению приложения нагрузки) заставляет их смещаться вдоль вертикального направления, тем самым приводя к ауксетическому эффекту. Изгиб ребер в одной элементарной ячейке одинаково приводит к ауксетическому поведению во всей структуре. Используемое значение поворотного угла создает оптимальное соотношение коэффициент Пуассона/механические свойства.In the proposed three-dimensional auxetic structure ("Auxetic - 90" and "Auxetic - 45"), these characteristics are achieved due to the geometric structure of the elementary cell. In particular, due to the cross section of the ribs, as well as the location of the side rib to the horizontal at an angle of 60 degrees, then the turning angle. Such an arrangement of the ribs creates an auxetic effect, i.e. all-round compression and tension of the structure. Aligning the side ribs along the horizontal direction (in the direction of application of the load) causes them to shift along the vertical direction, thereby leading to an auxetic effect. The bending of edges in one unit cell equally leads to auxetic behavior in the entire structure. The turning angle used creates the optimum Poisson's ratio/mechanical properties.
Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 схематически показана трехмерная ячейка «Ауксетика - 90» с сотовой структурой, на фиг.2 показан внешний вид 3D модели трехмерной ячейки «Ауксетика - 90». На фиг.3 показана схематически трехмерная элементарная ячейка «Ауксетика - 45» с сотовой структурой. На фиг.4 показан внешний вид 3D модели трехмерной элементарной ячейки «Ауксетика - 45». На фиг.5 показана фотография трехмерного «Ауксетика - 90» с сотовой структурой, полученного путем 3D-печати методом послойного наплавления нити с толщиной слоя 300 мкм, со скоростью печати 15 мм/с при температуре экструзии 225°С на основе термопластичного полиуретана (ТПУ). На фиг.6 показана диаграмма циклических испытаний на сжатие трехмерного «Ауксетика - 90» с сотовой структурой на основе ТПУ. На фиг.7 показаны микрофотографии участков трехмерного «Ауксетика - 90» на основе ТПУ при проведении циклических испытаний на сжатие. На фиг.8 показана фотография трехмерного «Ауксетика - 45» с сотовой структурой, полученного путем 3D-печати методом селективного лазерного сплавления на основе сплава алюминия AlSi11Cu. На фиг.9 и 10 показаны диаграммы деформации трехмерного «Ауксетика - 45» на основе сплава алюминия AlSi11Cu при сжатии. На фиг.11 показана диаграмма циклических испытаний на сжатие трехмерного «Ауксетика - 45» с сотовой структурой на основе сплава алюминия AlSi11Cu.The invention is illustrated by the drawing, where figure 1 schematically shows a three-dimensional cell "Auxetics - 90" with a honeycomb structure, figure 2 shows the appearance of a 3D model of a three-dimensional cell "Auxetics - 90". Figure 3 shows a schematic three-dimensional elementary cell "Auxetic - 45" with a honeycomb structure. Figure 4 shows the appearance of a 3D model of a three-dimensional elementary cell "Auxetics - 45". Figure 5 shows a photograph of a three-dimensional "Auxetic - 90" with a honeycomb structure, obtained by 3D printing by layer-by-layer deposition of a thread with a layer thickness of 300 μm, with a print speed of 15 mm / s at an extrusion temperature of 225 ° C based on thermoplastic polyurethane (TPU ). Figure 6 shows a diagram of cyclic compression tests of a three-dimensional "Auxetic - 90" with a honeycomb structure based on TPU. Figure 7 shows micrographs of sections of the three-dimensional "Auxetic - 90" based on TPU during cyclic compression tests. Figure 8 shows a photograph of a three-dimensional "Auxetic - 45" with a honeycomb structure, obtained by 3D printing by selective laser melting based on aluminum alloy AlSi 11 Cu. Figures 9 and 10 show diagrams of deformation of the three-dimensional "Auxetic - 45" based on aluminum alloy AlSi 11 Cu under compression. Figure 11 shows a diagram of cyclic compression tests of a three-dimensional "Auxetic - 45" with a honeycomb structure based on aluminum alloy AlSi 11 Cu.
На фиг.1 схематически показаны виды 1 2 3 4 5 6 7 трехмерной ячейки «Ауксетика - 90» «сверху», «слева», «спереди» «справа», «изометрический» «снизу» «изометрический». На фиг.5 схематически показаны виды 8 9 10 11 12 13 14 трехмерной ячейки «Ауксетика - 45» «сверху», «слева», «спереди» «справа», «изометрический» «снизу» «изометрический». На фиг.10 показаны микрофотографии 15 16 17 участков трехмерного «Ауксетика - 90» при проведении циклических испытаний на сжатие до начала испытаний - 0 циклов, в середине испытаний - 250 циклов и после проведения испытаний - 500 циклов соответственно.Figure 1 schematically shows
Из диаграммы циклических испытаний на сжатие трехмерного «Ауксетика - 90» на фиг.6 следует, что после 500 циклов максимальное значение напряжения составляет 14 МПа, при деформации 0,5%. По микрофотографиям на фиг.7 можно судить о том, что в процессе испытания не наблюдается каких-либо разрушений структуры. На фиг.8 показана фотография трехмерного «Ауксетика - 45» с сотовой структурой, полученного путем 3D-печати методом селективного лазерного сплавления с толщиной слоя 30 мкм, со скоростью сканирования 1650 мм/с при мощности лазера 370 Вт на основе сплава алюминия AlSi11Cu. Из диаграмм на фиг.9 и 10 следует, что предел прочности ауксетика составляет более 150 МПа. Из диаграммы на фиг.11 следует, что после 2000 циклов максимальное значение напряжения составляет 100 МПа, при деформации 8%, соответственно полное разрушение структуры наступает при 12 кН.From the diagram of cyclic compression tests of the three-dimensional "Auxetic - 90" in Fig.6 it follows that after 500 cycles the maximum stress value is 14 MPa, with a deformation of 0.5%. According to the micrographs in Fig.7, it can be judged that during the test no structural damage is observed. Figure 8 shows a photograph of a three-dimensional "Auxetic - 45" with a honeycomb structure, obtained by 3D printing by selective laser melting with a layer thickness of 30 μm, with a scanning speed of 1650 mm / s at a laser power of 370 W based on aluminum alloy AlSi 11 Cu . From the diagrams in Fig.9 and 10 it follows that the tensile strength of the auxetic is more than 150 MPa. From the diagram in Fig.11 it follows that after 2000 cycles the maximum stress value is 100 MPa, with a deformation of 8%, respectively, the complete destruction of the structure occurs at 12 kN.
Возможность применимости предлагаемого ауксетика и оценки его механических свойств подтверждается следующими примерами.The applicability of the proposed auxetic and evaluation of its mechanical properties is confirmed by the following examples.
Пример 1.Example 1
В качестве исходных материалов использовался термопластичный полиуретан (ТПУ) марки (REC 3D, Россия). Сформирован трехмерный «Ауксетик - 90» с сотовой структурой в количестве 5 штук с толщиной слоя 300 мкм методом послойного наплавления нити со скоростью печати 15 мм/с при температуре экструзии 225°С. Трехмерные ауксетики были выполнены в виде кубов размером 39×39×35 мм (Фиг. 5).Thermoplastic polyurethane (TPU) brand (REC 3D, Russia) was used as starting materials. A three-dimensional "Auxetic - 90" with a honeycomb structure in the amount of 5 pieces with a layer thickness of 300 μm was formed by layer-by-layer fusing of a thread with a printing speed of 15 mm/s at an extrusion temperature of 225°C. Three-dimensional auxetics were made in the form of cubes measuring 39×39×35 mm (Fig. 5).
Для оценки механических свойств трехмерного «Ауксетика - 90» на основе ТПУ 5 образцов подвергали малоцикловым (до 500 циклов) испытаниям на сжатие. Для проведения испытаний использовалась универсальная испытательная машина Zwick/Roell Z020 (Zwick GmbH & Co. KG, Germany) при скорости испытания 10 мм/мин, с фиксированным значением смещения 5 мм («жесткий» режим испытания). Образцы были разрезаны после циклических испытаний на сжатие для получения микрофотографий узлов с использованием сканирующего электронного микроскопа Hitachi ТМ 1000 (Фиг. 7). Также для качественной оценки и сравнения результатов, дополнительно проектировались и формировались образцы трехмерного неауксетика с сотовой структурой. После 500 циклов, образцы трехмерного ауксетика теряли устойчивость при напряжении 14 МПа и деформации 0,4%, что соответствует неауксетическим образцам (напряжение 14 МПа, деформация 0,5%).To assess the mechanical properties of the three-dimensional "Auxetic - 90" based on TPU, 5 samples were subjected to low-cycle (up to 500 cycles) compression tests. For testing, a Zwick/Roell Z020 universal testing machine (Zwick GmbH & Co. KG, Germany) was used at a testing speed of 10 mm/min, with a fixed offset value of 5 mm ("hard" testing mode). The samples were cut after cyclic compression tests to obtain photomicrographs of the nodes using a scanning electron microscope Hitachi TM 1000 (Fig. 7). Also, for a qualitative assessment and comparison of the results, samples of a three-dimensional non-auxetic with a honeycomb structure were additionally designed and formed. After 500 cycles, the 3D auxetic specimens buckled at 14 MPa stress and 0.4% strain, which is consistent with non-auxetic specimens (14 MPa stress, 0.5% strain).
Пример 2.Example 2
В качестве исходных материалов использовался порошок сплава алюминия AlSi11Cu, размер частиц составлял 40 мкм. Сформирован трехмерный «Ауксетик - 45» с сотовой структурой в количестве 5 штук с толщиной слоя 30 мкм методом селективного лазерного сплавления со скоростью сканирования 1650 мм/с и мощности лазера 370 Вт.Трехмерные ауксетики были выполнены в виде прямоугольных брусков размером 10×10×35 мм (Фиг. 8).AlSi 11 Cu aluminum alloy powder was used as starting materials; the particle size was 40 μm. A three-dimensional "Auxetic - 45" with a honeycomb structure in the amount of 5 pieces with a layer thickness of 30 μm was formed by selective laser fusion with a scanning speed of 1650 mm/s and a laser power of 370 W. Three-dimensional auxetics were made in the form of rectangular bars measuring 10 × 10 × 35 mm (Fig. 8).
Для оценки механических свойств трехмерного ауксетика на основе AlSi11Cu 5 образцов подвергали ступенчатым циклическим испытаниям на сжатие. Одна ступень испытаний включала в себя 500 циклов, наращивание количества циклов продолжалось до полного разрушения образцов. Для проведения испытаний использовалась универсальная испытательная машина Zwick/Roell Z020 (Zwick GmbH & Co. KG, Germany) при скорости испытания 10 мм/мин (что соответствует 0,2 Гц), с фиксированным значением нагрузки («мягкий» режим испытания). Выбор величины нагрузки для первой ступени испытаний производился с учетом результатом статических испытаний (Фиг. 9), в областях потери устойчивости и появления пластического течения материала. Минимальная эффективная площадь поперечного сечения металлических элементов использовалась для оценки величины напряжений, поскольку максимальные напряжения возникают в локальных областях, где площадь поперечного сечения минимальна. Также для качественной оценки и сравнения результатов, дополнительно проектировались и формировались образцы трехмерного неауксетика с сотовой структурой. Ауксетик показывает потерю устойчивости при нагрузке 12 кН (после 2000 циклов) и деформацию 8% при номинальном напряжении 110 МПа (Фиг. 11). В свою очередь неауксетик с сотовой структурой показал потерю устойчивости при нагрузке 8 кН (после 1000 циклов) и деформацию 2-4% при номинальном напряжении 70 МПа.To evaluate the mechanical properties of a three-dimensional auxetic based on AlSi 11 Cu 5 , the samples were subjected to stepwise cyclic compression tests. One test stage included 500 cycles, the increase in the number of cycles continued until the complete destruction of the samples. For testing, a Zwick/Roell Z020 universal testing machine (Zwick GmbH & Co. KG, Germany) was used at a testing speed of 10 mm/min (corresponding to 0.2 Hz), with a fixed load value ("soft" testing mode). The choice of the load value for the first stage of testing was made taking into account the result of static tests (Fig. 9), in the areas of buckling and the appearance of plastic flow of the material. The minimum effective cross-sectional area of metallic elements was used to estimate the magnitude of the stresses, since the maximum stresses occur in local areas where the cross-sectional area is minimal. Also, for a qualitative assessment and comparison of the results, samples of a three-dimensional non-auxetic with a honeycomb structure were additionally designed and formed. The auxetic shows buckling at a load of 12 kN (after 2000 cycles) and a deformation of 8% at a nominal stress of 110 MPa (Fig. 11). In turn, non-auxetic with a honeycomb structure showed buckling under a load of 8 kN (after 1000 cycles) and a deformation of 2-4% at a nominal stress of 70 MPa.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020135811A RU2771391C1 (en) | 2020-10-30 | 2020-10-30 | Method for producing a three-dimensional auxetic with a cellular structure (variants) |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020135811A RU2771391C1 (en) | 2020-10-30 | 2020-10-30 | Method for producing a three-dimensional auxetic with a cellular structure (variants) |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2771391C1 true RU2771391C1 (en) | 2022-05-04 |
Family
ID=81459036
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020135811A RU2771391C1 (en) | 2020-10-30 | 2020-10-30 | Method for producing a three-dimensional auxetic with a cellular structure (variants) |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2771391C1 (en) |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7910193B2 (en) * | 2008-11-10 | 2011-03-22 | Mkp Structural Design Associates, Inc. | Three-dimensional auxetic structures and applications thereof |
US8544515B2 (en) * | 2008-11-10 | 2013-10-01 | Mkp Structural Design Associates, Inc. | Ultralightweight runflat tires based upon negative poisson ratio (NPR) auxetic structures |
US8652602B1 (en) * | 2007-02-28 | 2014-02-18 | William Jacob Spenner Dolla | Rotational expansion auxetic structures |
EP2702884B1 (en) * | 2012-08-31 | 2016-05-25 | Under Armour, Inc. | Articles of apparel including auxetic materials |
US20170042295A1 (en) * | 2014-04-28 | 2017-02-16 | Sony Corporation | Attachable and detachable structure and product including the same |
US9908295B2 (en) * | 2015-04-29 | 2018-03-06 | Autodesk, Inc. | 3D printed auxetic structures |
US20180311833A1 (en) * | 2017-04-27 | 2018-11-01 | Massachusetts Institute Of Technology | Non-planar shearing auxetic structures, devices, and methods |
-
2020
- 2020-10-30 RU RU2020135811A patent/RU2771391C1/en active
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8652602B1 (en) * | 2007-02-28 | 2014-02-18 | William Jacob Spenner Dolla | Rotational expansion auxetic structures |
US7910193B2 (en) * | 2008-11-10 | 2011-03-22 | Mkp Structural Design Associates, Inc. | Three-dimensional auxetic structures and applications thereof |
US8544515B2 (en) * | 2008-11-10 | 2013-10-01 | Mkp Structural Design Associates, Inc. | Ultralightweight runflat tires based upon negative poisson ratio (NPR) auxetic structures |
EP2702884B1 (en) * | 2012-08-31 | 2016-05-25 | Under Armour, Inc. | Articles of apparel including auxetic materials |
US20170042295A1 (en) * | 2014-04-28 | 2017-02-16 | Sony Corporation | Attachable and detachable structure and product including the same |
US9908295B2 (en) * | 2015-04-29 | 2018-03-06 | Autodesk, Inc. | 3D printed auxetic structures |
US20180311833A1 (en) * | 2017-04-27 | 2018-11-01 | Massachusetts Institute Of Technology | Non-planar shearing auxetic structures, devices, and methods |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Guessasma et al. | Anisotropic damage inferred to 3D printed polymers using fused deposition modelling and subject to severe compression | |
Li et al. | Mechanical properties of AlSi10Mg lattice structures fabricated by selective laser melting | |
Yan et al. | Evaluation of light-weight AlSi10Mg periodic cellular lattice structures fabricated via direct metal laser sintering | |
Lin et al. | Tunability and enhancement of mechanical behavior with additively manufactured bio-inspired hierarchical suture interfaces | |
Yang et al. | Non-stochastic Ti–6Al–4V foam structures with negative Poisson's ratio | |
Alomarah et al. | Compressive properties of a novel additively manufactured 3D auxetic structure | |
Merkt et al. | Mechanical response of TiAl6V4 lattice structures manufactured by selective laser melting in quasistatic and dynamic compression tests | |
Yan et al. | Advanced lightweight 316L stainless steel cellular lattice structures fabricated via selective laser melting | |
Jain et al. | Effect of delay time on part strength in selective laser sintering | |
Verma et al. | Additive manufacturing of lattice structures for high strength mechanical interlocking of metal and resin during injection molding | |
Ashraf et al. | Challenges and prospects of 3D printing in structural engineering | |
Rashid et al. | A comparative study of flexural properties of additively manufactured aluminium lattice structures | |
Sun et al. | Static and dynamic crushing of polymeric lattices fabricated by fused deposition modelling and selective laser sintering–an experimental investigation | |
Hedayati et al. | Semianalytical geometry-property relationships for some generalized classes of pentamodelike additively manufactured mechanical metamaterials | |
Wang et al. | Crushing behavior and deformation mechanism of additively manufactured Voronoi-based random open-cell polymer foams | |
Maharjan et al. | Compressive behaviour of 3D printed polymeric gyroid cellular lattice structure | |
Alomarah et al. | Mechanical properties of the 2D re-entrant honeycomb made via direct metal printing | |
US11001002B2 (en) | Powder bed additive manufacturing method of fabricating a porous matrix | |
RU2771391C1 (en) | Method for producing a three-dimensional auxetic with a cellular structure (variants) | |
Gu et al. | Laser powder bed fusion of bio-inspired reticulated shell structure: Optimization mechanisms of structure, process, and compressive property | |
Ainin et al. | Low-velocity impact behavior of sandwich composite structure with 3D printed hexagonal honeycomb core: varying core materials | |
Liu et al. | Compression and resilient behavior of graded triply periodic minimal surface structures with soft materials fabricated by fused filament fabrication | |
Loginov et al. | Anisotropy of additively manufactured Ti-6-4 lattice structure | |
Dairabayeva et al. | Flexural Performance of Mono-material and Multimaterial Fused Filament Fabrication Honeycomb Structures | |
Mustakangas et al. | Enhancement of the Compressive Strength of 3D-Printed Polylactic Acid (PLA) by Controlling Internal Pattern |