3D-печатный материал: новый подход к безопасности автомобилей

Разработан новый вид 3D-печатного твистингового метаматериала, способного смягчать удары, что может привести к улучшению защиты автомобилей в авариях в ближайшие годы.

Исследователи из университетов Шотландии и Италии представили материал с уникальной решетчатой структурой, которая позволяет ему скручиваться, эффективно защищая от различных типов и степеней воздействия.

В отличие от традиционных пен или зон деформации, которые обеспечивают предсказуемое сопротивление ударам, этот материал позволяет механически управлять его реакцией на воздействие, изменяя тем самым его энергопоглощающие свойства. Материал можно настроить для обеспечения более жесткого сопротивления сильным столкновениям или более мягкой амортизации при слабых ударах.

Изготовленный из стали с помощью аддитивного производства (3D-печати), материал дает возможность точно контролировать его архитектуру. Это позволяет создавать сложную, высокопористую структуру, известную как гироидная решетка.

При сжатии под действием внешней силы материал скручивается подобно штопору, поглощая энергию удара. В лабораторных экспериментах были протестированы три варианта материала для оценки их реакции на два типа нагрузок: быстрые удары и более медленные, постепенно нарастающие деформации.

Когда метаматериал был полностью ограничен в скручивании при ударах, он демонстрировал максимальную жесткость и поглощал наибольшее количество энергии — 15,36 Дж/г. При свободном скручивании жесткость и энергопоглощение материала снижались примерно на 10%.

В третьей конфигурации материал подвергался чрезмерному скручиванию, что привело к снижению энергопоглощения на 33%. Результаты показывают, что материал способен обеспечивать различный уровень защиты: от жесткого экранирования до мягкой амортизации.

Реальные испытания дополняются комплексной теоретической и вычислительной моделью, которая точно предсказывает сложное поведение скручивающихся гироидных решеток при различных скоростях деформации. Для точного сопоставления численных и экспериментальных данных геометрические несовершенства, возникающие при аддитивном производстве, были количественно оценены с помощью микро-КТ реконструкций напечатанных решеток.

Профессор Шанмугам Кумар из Школы инженерии Джеймса Ватта при Университете Глазго отметил: «Защитные материалы, используемые в большинстве современных автомобилей, статичны, рассчитаны на конкретные сценарии столкновений и не способны адаптироваться к меняющимся условиям.

«Это исследование представляет адаптивные твистинговые метаматериалы как новый класс метаматериалов, которым не требуется сложная электроника или гидравлика для адаптации. Вместо этого они могут адаптироваться просто за счет механического контроля вращения.

«При приложении сжатия гироидная решетка преобразует его во вращение, и, изменяя граничные условия, мы можем регулировать характеристики поглощения энергии. Эти материалы могут адаптироваться и изменять свои характеристики в зависимости от типа и степени удара для смягчения последствий.

«Мы считаем, что этот материал может найти применение как в автомобильной, так и в аэрокосмической безопасности в будущем, предоставляя новый класс материалов, способных адаптироваться к различным потребностям по мере необходимости. Он также может способствовать разработке новых форм сбора энергии путем преобразования ударов во вращательную кинетическую энергию».

В исследовании приняли участие исследователи из Политехнического университета Марке, Университета Л'Акуилы и Национального института ядерной физики в Италии, которые также выступили соавторами статьи.