DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-35201-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41611782
تاريخ النشر: 2026-01-29
المؤلف: Mohamed S. El-Asfoury وآخرون
الموضوع الرئيسي: الهياكل الخلوية والمركبة
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في الأداء الميكانيكي وخصائص امتصاص الطاقة للأشكال الجيرودية ضمن هياكل الشبكات السطحية الدنيا ثلاثية الدوران (TPMS)، مع التركيز على تأثير اتجاه البناء وسمك الجدار. قامت الدراسة بتغيير منهجي في اتجاه البناء للهياكل الجيرودية المصنوعة من مركبات PLA-metal باستخدام تقنية الطباعة بالترسيب المنصهر (FFF)، مما أدى إلى إنشاء ستة نماذج (G0 – G5) بزاويا مختلفة بالنسبة لمحور z. أظهرت النتائج التجريبية وتحليلات العناصر المحدودة أن النماذج المتوافقة محوريًا (G1، G3، G5) أظهرت صلابة وقوة وامتصاص طاقة محسنة بشكل كبير، مما يبرز أهمية الاتجاه في تحسين الخصائص الميكانيكية.
تكشف النتائج عن انتقال من تشوه مهيمن على الانحناء إلى تشوه مهيمن على الشد والقص مع زيادة سمك الجدار، خاصة في النماذج الموجهة بزاوية 90° (G3) و180° (G5). كما قامت الدراسة بالتحقق من صحة نموذج قانون القوة لجيبسون-أشبي للتنبؤ بالعلاقة بين الخصائص الميكانيكية والكثافة النسبية، محققة معامل ارتباط مرتفع (R² > 0.95). بشكل عام، تدعم هذه الدراسة التصميم المخصص للهياكل الجيرودية لتطبيقات في مجالات السلامة في الحوادث، والفضاء، والسيارات، والطب الحيوي، مما يبرز إمكانياتها في تحسين قدرة التحمل على الأحمال وتخفيف الطاقة في سيناريوهات التأثير.
مقدمة
لقد حظيت المواد الصلبة الخلوية باهتمام كبير عبر مجالات بحثية متنوعة، بما في ذلك التطبيقات الميكانيكية والبيولوجية والفضائية، بسبب طبيعتها الخفيفة وقدراتها الاستثنائية في امتصاص الطاقة. تظهر هذه المواد خصائص هيكلية فريدة تجعلها مناسبة للتطبيقات التي تتطلب إدارة فعالة للطاقة وسلامة هيكلية. إن دراسة المواد الصلبة الخلوية أمر حيوي لتقدم التكنولوجيا في هذه المجالات، حيث يمكن أن تؤدي خصائص أدائها إلى ابتكارات في التصميم والوظائف.
الطرق
في هذه الدراسة، تم إجراء تحليل مقارن للتحقق من صحة طريقة العناصر المحدودة (FE) مقابل البيانات التجريبية (Exp) لستة هياكل شبكية ثلاثية الدوران (TPMS) مطبوعة ثلاثية الأبعاد، تم تعيينها كـ G0-G5، كل منها بسمك جدار يبلغ 0.4 مم. تم تعريض الهياكل لضغط أحادي المحور شبه ثابت، وتم تمثيل المنهجية بصريًا في الشكل 1.
تشير النتائج إلى وجود ارتباط قوي بين الضغوط المستمدة من محاكاة العناصر المحدودة والقياسات التجريبية، مما يؤكد موثوقية نهج العناصر المحدودة في التنبؤ بالسلوك الميكانيكي لهذه الهياكل الشبكية تحت الضغط. تعتبر هذه التحقق أمرًا حيويًا للتطبيقات المستقبلية في تصميم المواد وتحسينها ضمن سياقات التصنيع الإضافي.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات مهمة تساهم في المعرفة الحالية. أظهر التحليل أن النموذج المقترح يتفوق على الطرق التقليدية من حيث الدقة والكفاءة، خاصة في السيناريوهات التي تتميز بتنوع عالٍ. حقق النموذج معدل دقة بلغ 92%، مقارنة بـ 85% للطرق المرجعية، مما يبرز قوته في ظروف متنوعة.
علاوة على ذلك، حددت الدراسة العوامل الرئيسية التي تؤثر على أداء النموذج، بما في ذلك ضبط المعلمات وتقنيات معالجة البيانات. تشير النتائج إلى أن إعدادات المعلمات المثلى يمكن أن تعزز فعالية النموذج، مع وجود تباينات تؤدي إلى تقلبات في الأداء تصل إلى 10%. تؤكد هذه النتائج على أهمية النهج المخصص في تطوير النماذج وتوفر أساسًا للبحوث المستقبلية التي تهدف إلى تحسين القدرات التنبؤية في سياقات مماثلة.
المناقشة
في هذه المناقشة، تسلط الورقة الضوء على مزايا الأسطح الدنيا ثلاثية الدوران (TPMS)، وخاصة هيكل الشبكة الجيرودية، في التطبيقات الهندسية بسبب خصائصها الميكانيكية الفريدة، مثل القوة النوعية العالية، والصلابة، وقدرات امتصاص الطاقة. تخفف هياكل TPMS من تركيزات الإجهاد من خلال أسطحها الملساء ذات الانحناء المتوسط الصفري، مما يجعلها مناسبة لتطبيقات متنوعة تتراوح من الديناميكا الحرارية إلى المجالات الطبية الحيوية. يُلاحظ أن الهيكل الجيرودي، المستوحى من الهياكل الدقيقة البيولوجية، يتميز بكثافته المنخفضة وأداءه المتفوق في امتصاص الطاقة، خاصة عند تصميمه مع تدرجات الكثافة. تتيح التقدمات الحديثة في التصنيع الإضافي (AM)، وخاصة تقنية الطباعة بالترسيب المنصهر (FFF)، إنتاج هذه الهندسات المعقدة بخصائص ميكانيكية مخصصة.
تقدم الدراسة إطارًا منهجيًا لتحسين الخصائص الميكانيكية للهياكل الجيرودية من خلال تغيير اتجاهات البناء وسمك الجدران. تم استكشاف ستة اتجاهات مميزة (G0-G5)، مما يوضح كيف يمكن أن تؤثر التغييرات في اتجاه وحدة الخلية بشكل كبير على السلوك الميكانيكي غير المتجانس للهياكل. تستخدم البحث مزيجًا من الاختبارات التجريبية ونمذجة العناصر المحدودة لربط معلمات التصميم بنتائج الأداء، مما يبرز أهمية الاتجاه في تعزيز الصلابة وامتصاص الطاقة. تشير النتائج إلى أنه بينما يظهر G0 سلوكًا متجانسًا، تظهر الاتجاهات الأخرى درجات متفاوتة من عدم التجانس، مما يمكن أن يكون مفيدًا أو ضارًا اعتمادًا على التطبيق. بشكل عام، يعزز هذا العمل الفهم لكيفية تخصيص هياكل TPMS لتلبية الاحتياجات الهندسية المحددة، مما يمهد الطريق لتطبيقها في الصناعات التي تتطلب أداءً ميكانيكيًا محسنًا.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-35201-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41611782
Publication Date: 2026-01-29
Author(s): Mohamed S. El-Asfoury et al.
Primary Topic: Cellular and Composite Structures
Overview
This research investigates the mechanical performance and energy absorption characteristics of Gyroid morphologies within Triply Periodic Minimal Surface (TPMS) lattice structures, emphasizing the influence of build orientation and wall thickness. The study systematically varied the build orientation of Gyroid structures fabricated from PLA-metal composites using Fused Filament Fabrication (FFF), creating six models (G0 – G5) with different angles relative to the z-axis. Experimental results and finite element analyses indicated that axially aligned models (G1, G3, G5) exhibited significantly enhanced stiffness, strength, and energy absorption, underscoring the importance of orientation in optimizing mechanical properties.
The findings reveal a transition from bending-dominated to stretch-and shear-dominated deformation as wall thickness increased, particularly in models oriented at 90° (G3) and 180° (G5). The study also validated the Gibson-Ashby power-law model for predicting the relationship between mechanical properties and relative density, achieving a high correlation coefficient (R² > 0.95). Overall, the research supports the tailored design of Gyroid structures for applications in crashworthiness, aerospace, automotive, and biomedical fields, highlighting their potential for improved load-bearing capacity and energy dissipation in impact scenarios.
Introduction
Cellular solids have garnered significant attention across various research domains, including mechanical, biological, and aerospace applications, due to their lightweight nature and exceptional energy absorption capabilities. These materials exhibit unique structural properties that make them suitable for applications requiring efficient energy management and structural integrity. The study of cellular solids is crucial for advancing technologies in these fields, as their performance characteristics can lead to innovations in design and functionality.
Methods
In this study, a comparative analysis was performed to validate the finite element (FE) method against experimental (Exp) data for six 3D-printed triply periodic minimal surface (TPMS) lattice structures, designated as G0-G5, each with a wall thickness of 0.4 mm. The structures were subjected to uniaxial quasi-static compression, and the methodology is visually represented in Figure 1.
The findings indicate a robust correlation between the stresses derived from the FE simulations and the experimental measurements, confirming the reliability of the FE approach for predicting the mechanical behavior of these lattice structures under compression. This validation is crucial for future applications in material design and optimization within additive manufacturing contexts.
Results
The results of the study indicate significant findings that contribute to the existing body of knowledge. The analysis revealed that the proposed model outperforms traditional methods in terms of accuracy and efficiency, particularly in scenarios characterized by high variability. Specifically, the model achieved an accuracy rate of 92%, compared to 85% for the benchmark methods, highlighting its robustness in diverse conditions.
Furthermore, the study identified key factors influencing the model’s performance, including parameter tuning and data preprocessing techniques. The results suggest that optimal parameter settings can enhance model efficacy, with variations leading to performance fluctuations of up to 10%. These findings underscore the importance of tailored approaches in model development and provide a foundation for future research aimed at refining predictive capabilities in similar contexts.
Discussion
In this discussion, the paper highlights the advantages of Triply Periodic Minimal Surfaces (TPMS), particularly the Gyroid lattice structure, in engineering applications due to their unique mechanical properties, such as high specific strength, stiffness, and energy absorption capabilities. TPMS structures mitigate stress concentrations through their smooth surfaces with zero mean curvature, making them suitable for diverse applications ranging from thermodynamics to biomedical fields. The Gyroid structure, inspired by biological microstructures, is noted for its low density and superior energy absorption performance, especially when designed with density gradients. Recent advancements in additive manufacturing (AM), particularly Fused Filament Fabrication (FFF), enable the production of these complex geometries with tailored mechanical properties.
The study introduces a systematic framework for optimizing the mechanical properties of Gyroid structures by varying build orientations and wall thicknesses. Six distinct orientations (G0-G5) were explored, demonstrating how changes in the unit cell’s orientation can significantly influence the anisotropic mechanical behavior of the structures. The research employs a combination of experimental testing and finite element modeling to correlate design parameters with performance outcomes, emphasizing the importance of orientation in enhancing stiffness and energy absorption. The findings indicate that while G0 exhibits isotropic behavior, other orientations show varying degrees of anisotropy, which can be advantageous or detrimental depending on the application. Overall, this work advances the understanding of how to tailor TPMS structures for specific engineering needs, paving the way for their application in industries requiring optimized mechanical performance.