DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-36003-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41606022
تاريخ النشر: 2026-01-28
المؤلف: Amir Shahmorad وآخرون
الموضوع الرئيسي: الهياكل الخلوية والمركبة
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة فئة جديدة من المواد الميتامادية المطبوعة ثلاثية الأبعاد (3D) المصممة لزيادة امتصاص الطاقة تحت تأثير التحميل. تم تصنيع المواد الميتامادية باستخدام تقنية النمذجة بالترسيب المنصهر (FDM) مع حمض البولي لاكتيك (PLA) ودمجت تكوينات مختلفة من خلايا الوحدة – مثل خلية العسل، والترا-كيرال، والمكعب. أظهرت اختبارات التأثير التجريبية التي أجريت على ارتفاعات 1 و3 و5 سم أن تكوين خلية العسل-الترا-كيرال-المكعب (HTC) حقق أعلى امتصاص طاقة محدد (SEA) بلغ 5.13 جول/جرام، أي حوالي 18% أكبر من التصاميم الأخرى. أشارت النتائج إلى زيادة غير خطية في التسارع الأقصى مع ارتفاع السقوط، مما يبرز التأثير الكبير لطاقة التأثير على الأداء.
تؤكد النتائج فعالية دمج هندسات خلايا الوحدة المتميزة لتحسين سلوك المواد الميتامادية وقدرة امتصاص الطاقة. حددت تحليل الحساسية ارتفاع التأثير كأهم عامل يؤثر على التسارع الأقصى، مع ملاحظة زيادة بنسبة 33%، بينما ساهمت التغيرات في طوبولوجيا خلايا الوحدة بحوالي 30%. تختتم الدراسة بأن هذه المواد الميتامادية الهجينة، التي تتميز بهندسات مصممة وخصائص مسامية محكومة، تقدم تطبيقات واعدة في معدات الحماية الشخصية، ومكونات السيارات، وأنظمة الفضاء، حيث يكون امتصاص الطاقة العالي والوزن المنخفض أمرين أساسيين. ستهدف الأبحاث المستقبلية إلى تعزيز هذه المواد من خلال تحسين متعدد المقاييس وتنوع المواد لتطبيقات صناعية محددة.
مقدمة
المواد الميتامادية هي مواد مصممة تتمتع بخصائص تتجاوز تلك الموجودة في الطبيعة، ويرجع ذلك أساسًا إلى تكويناتها الهندسية الفريدة. يتم تصنيفها إلى أربعة أنواع رئيسية: المواد الكهرومغناطيسية (EM)، والحرارية (TM)، والصوتية (AMM)، والميكانيكية (MM). من بين هذه الأنواع، تشمل المواد الميكانيكية هياكل متنوعة، بما في ذلك المواد الميتامادية المساعدة، ومواد البنتامود، وتلك التي تظهر قابلية انضغاط سلبية وصلابة.
تم تطوير الهياكل المساعدة، التي تتوسع جانبيًا عند الشد، بأشكال متنوعة مثل خلية العسل، والكيرال، والشكل النجمي، والفراكتال، والأوريغامي-الكيريجامي، والتروس غير المكتملة، والتكوينات الدورانية، القابلة للتطبيق في التصاميم ثنائية وثلاثية الأبعاد. يتم تحقيق تصميم هذه الهندسات المعقدة من خلال النمذجة الرياضية، وتحسين الطوبولوجيا، أو المنهجيات المستوحاة من الطبيعة، وغالبًا ما يتم تصنيعها باستخدام تقنيات التصنيع الإضافي.
طرق
في هذه الدراسة، تم اختيار حمض البولي لاكتيك (PLA) لتصنيع عينات المواد الميتامادية بسبب خصائصه الميكانيكية المعروفة، وتحديدًا كثافة تبلغ 1240 كجم/م³ ونسبة بواسون تبلغ 0.36. تم إجراء اختبارات الضغط وفقًا لمعيار ASTM D695 عند ثلاث معدلات إجهاد مختلفة، والتي، على الرغم من تصميمها بشكل أساسي للمواد البلاستيكية الصلبة، تم استخدامها على نطاق واسع لتقييم الخصائص الانضغاطية للبوليمرات المطبوعة ثلاثية الأبعاد مثل PLA. تسهل هذه الطريقة المقارنات المباشرة مع الأبحاث السابقة وتؤسس قاعدة موثوقة للتقييمات الميكانيكية.
تم تصنيع هياكل المواد الميتامادية باستخدام تقنية النمذجة بالترسيب المنصهر (FDM) مع طابعة Creality K1، التي تتمتع بحجم بناء أقصى يبلغ 220 × 220 × 250 مم وسرعة طباعة تبلغ 250 مم/ث. تم اختيار معلمات الطباعة، بما في ذلك ارتفاع الطبقة البالغ 0.2 مم ودرجة حرارة الفوهة البالغة 180 درجة مئوية، بعناية بناءً على تأثيرها على الخصائص الميكانيكية، كما هو موثق في الأدبيات. تم الحفاظ على اتساق معلمات التصنيع عبر جميع العينات، مما يضمن التوحيد في عملية الاختبار التجريبية.
نتائج
تكشف نتائج اختبارات الضغط والتأثير للهياكل المطبوعة ثلاثية الأبعاد من PLA عن رؤى هامة حول خصائصها الميكانيكية. أظهرت اختبارات الضغط التي أجريت عند معدلات إجهاد تبلغ 1 و1.3 و1.6 مم/دقيقة تطورًا غير خطي في الصلابة، يُعزى إلى تكثيف الخلايا وإعادة ترتيب الهندسة أثناء التحميل. أشارت اختبارات التأثير عند ارتفاعات سقوط متفاوتة (1 سم، 3 سم، و5 سم) إلى أنه بينما ظلت جميع العينات سليمة عند الارتفاعات المنخفضة، فقط عينات HTC تحملت أعلى سقوط دون فشل، مما يظهر قدرات امتصاص طاقة متفوقة. تم حساب الطاقة الممتصة من منحنيات القوة-الإزاحة، مع امتصاص الطاقة المحدد (SEA) الذي تم تطبيعه حسب كتلة العينة لتسهيل المقارنات العادلة عبر تصاميم الشبكات المختلفة.
أكدت نتائج المحاكاة النتائج التجريبية، حيث أظهرت قيم التسارع الأقصى انحرافًا طفيفًا عن البيانات التجريبية، مما يدل على موثوقية نموذج المحاكاة في تمثيل السلوك الديناميكي. سلط تحليل الحساسية الضوء على أهمية نوع الخلية، ونسبة بواسون، وارتفاع التأثير على التسارع الأقصى، مع كون ارتفاع التأثير هو العامل الأكثر تأثيرًا. تؤكد هذه النتائج التفاعل المعقد بين خصائص المواد وتصميم الهياكل في تحسين أداء امتصاص الطاقة في هياكل الشبكات المطبوعة ثلاثية الأبعاد.
نقاش
في قسم النقاش، يقوم المؤلفون بتلخيص التقدمات الحديثة في تصميم وأداء المواد الميتامادية الشبكية، وخاصة تلك التي تظهر نسبة بواسون السلبية (NPR) وقدرات امتصاص الطاقة المحسنة. تشمل الدراسات البارزة تطوير خلايا وحدة متنوعة بقيم NPR تتراوح من -0.3 إلى -0.6، واستكشاف المواد الميتامادية السداسية تحت الضغط. يؤكد المؤلفون على أهمية التصميم الهندسي وتحسين الطوبولوجيا، مشيرين إلى أن الهياكل الشبكية الهجينة التي تجمع بين هندسات مختلفة يمكن أن تحسن بشكل كبير من مقاييس الأداء الميكانيكي مثل امتصاص الطاقة المحدد (SEA) والصلابة تحت ظروف التحميل شبه الثابت والديناميكي.
كما يقدم المؤلفون نتائج من تحقيقهم المنهجي في أداء التأثير للهياكل المساعدة، مما يكشف أن التصميم الأمثل للضغط الثابت لا يترجم بالضرورة إلى أداء مثالي تحت ظروف التأثير. باستخدام نهج تصميم التجارب (DOE)، يقيمون بشكل كمي تأثيرات المعلمات الهندسية الرئيسية على امتصاص الطاقة، مما يظهر أن الهياكل الهجينة، وخاصة تلك التي تجمع بين خلايا العسل، والترا-هيرال، والشبكات المكعبة، تظهر قدرات امتصاص طاقة متفوقة. تختتم الدراسة بأن الاستجابة الميكانيكية لهذه الهياكل تتأثر بهندستها الداخلية وآليات التشوه، التي تختلف بشكل كبير بين سيناريوهات التحميل شبه الثابت والديناميكي، مما يبرز ضرورة التصاميم المخصصة في التطبيقات التي تتطلب امتصاص طاقة التأثير.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-36003-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41606022
Publication Date: 2026-01-28
Author(s): Amir Shahmorad et al.
Primary Topic: Cellular and Composite Structures
Overview
This study presents a novel class of three-dimensional (3D) printed auxetic metamaterials designed for enhanced energy absorption under impact loading. The metamaterials were fabricated using the Fused Deposition Modeling (FDM) technique with polylactic acid (PLA) and incorporated various configurations of unit cells—honeycomb, tetra-chiral, and cubic. Experimental impact tests conducted at heights of 1, 3, and 5 cm revealed that the honeycomb-tetra-chiral-cubic (HTC) configuration achieved the highest specific energy absorption (SEA) of 5.13 J/g, approximately 18% greater than other designs. The results indicated a nonlinear increase in maximum acceleration with drop height, emphasizing the significant influence of impact energy on performance.
The findings underscore the effectiveness of integrating distinct unit-cell geometries to optimize auxetic behavior and energy absorption capacity. Sensitivity analysis identified impact height as the most critical factor affecting peak acceleration, with a 33% increase observed, while variations in unit-cell topology contributed approximately 30%. The study concludes that these hybrid metamaterials, characterized by tailored geometries and controlled porosity, present promising applications in personal protective equipment, automotive components, and aerospace systems, where high energy absorption and low weight are essential. Future research will aim to enhance these materials through multiscale optimization and material diversification for specific industrial applications.
Introduction
Metamaterials are engineered materials with properties that surpass those found in nature, primarily due to their unique geometric configurations. They are categorized into four main types: electromagnetic (EM), thermal (TM), acoustic (AMM), and mechanical metamaterials (MM). Among these, mechanical metamaterials encompass various structures, including auxetic materials, pentamode materials, and those demonstrating negative compressibility and stiffness.
Auxetic structures, which expand laterally when stretched, have been developed in diverse forms such as honeycomb, chiral, star-shaped, fractal, origami-kirigami, incomplete gear, and rotational configurations, applicable in both two-dimensional and three-dimensional designs. The design of these complex geometries is achieved through mathematical modeling, topology optimization, or nature-inspired methodologies, and they are frequently fabricated using additive manufacturing techniques.
Methods
In this study, Poly Lactic Acid (PLA) was selected for fabricating metamaterial specimens due to its established mechanical properties, specifically a density of 1240 kg/m³ and a Poisson’s ratio of 0.36. Compression tests were performed following the ASTM D695 standard at three different strain rates, which, despite being primarily designed for rigid plastics, has been widely utilized for assessing the compressive properties of 3D-printed polymers like PLA. This approach facilitates direct comparisons with previous research and establishes a reliable baseline for mechanical evaluations.
The metamaterial structures were fabricated using Fused Deposition Modeling (FDM) with a Creality K1 printer, which has a maximum build volume of 220 × 220 × 250 mm and a print speed of 250 mm/s. The printing parameters, including a layer height of 0.2 mm and a nozzle temperature of 180 °C, were meticulously selected based on their impact on mechanical properties, as documented in the literature. Consistency in fabrication parameters was maintained across all specimens, ensuring uniformity in the experimental testing process.
Results
The results of the compression and impact testing of 3D-printed PLA structures reveal significant insights into their mechanical properties. Compression tests conducted at strain rates of 1, 1.3, and 1.6 mm/min demonstrated a nonlinear evolution of stiffness, attributed to cell densification and geometric rearrangement during loading. Impact tests at varying drop heights (1 cm, 3 cm, and 5 cm) indicated that while all samples remained intact at lower heights, only the HTC samples withstood the highest drop without failure, showcasing superior energy absorption capabilities. The absorbed energy was calculated from force-displacement curves, with specific energy absorption (SEA) normalized by specimen mass to facilitate fair comparisons across different lattice designs.
Simulation results corroborated experimental findings, with maximum acceleration values showing minimal deviation from experimental data, indicating the reliability of the simulation model in representing dynamic behavior. A sensitivity analysis further highlighted the significance of cell type, Poisson’s ratio, and impact height on maximum acceleration, with impact height being the most influential factor. These findings underscore the complex interplay of material properties and structural design in optimizing energy absorption performance in 3D-printed lattice structures.
Discussion
In the discussion section, the authors synthesize recent advancements in the design and performance of lattice metamaterials, particularly those exhibiting a negative Poisson’s ratio (NPR) and enhanced energy absorption capabilities. Notable studies highlighted include the development of various unit cells with NPR values ranging from -0.3 to -0.6, and the exploration of octagonal auxetic metamaterials under compression. The authors emphasize the importance of geometric design and topology optimization, noting that hybrid lattice structures combining different geometries can significantly improve mechanical performance metrics such as specific energy absorption (SEA) and stiffness under both quasi-static and dynamic loading conditions.
The authors also present findings from their own systematic investigation into the impact performance of auxetic structures, revealing that the optimal design for static compression does not necessarily translate to optimal performance under impact conditions. Using a Design of Experiments (DOE) approach, they quantitatively assess the effects of key geometric parameters on energy absorption, demonstrating that hybrid structures, particularly those combining honeycomb, tetrahedral, and cubic lattices, exhibit superior energy absorption capabilities. The study concludes that the mechanical response of these structures is influenced by their internal geometry and deformation mechanisms, which differ significantly between quasi-static and dynamic loading scenarios, underscoring the necessity for tailored designs in applications requiring impact energy absorption.