Влияние внутренней архитектуры на упругие свойства аддитивно изготавливаемых пористых структур

Испытания композитных элементов конструкций летательных аппаратов

2026. Т. 33. № 3. С. 196-205.

Авторы

Ильина Е. Э.1*, Маслов Л. Б.1, 2**

1. ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина»,
2. Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, ул. Политехническая, 29, Санкт-Петербург, 195251, Россия

*e-mail: tipm@ispu.ru
**e-mail: leonid-maslov@mail.ru

Аннотация

Статья посвящена исследованию аддитивно изготавливаемых прототипов скаффолдов из полимерного материала методом послойной укладки (FDM-печать). Анализируются физические характеристики и упругие свойства разработанных пористых структур на основе скелетных и пластинчатых трижды периодических минимальных поверхностей из полилактида PLA+. Определение упругих и прочностных свойств образцов скаффолдов с заданными значениями пористости осуществлялось путем проведения испытаний на одноосное сжатие на открытом воздухе. Проведено сравнение с теоретическими значениями эффективных упругих модулей, полученных на ячейке периодичности метаматериала на основе трижды периодических минимальных поверхностей.

Ключевые слова:

скаффолды, трижды периодические минимальные поверхности, аддитивные технологии, сжатие, модуль упругости

Список источников

  1. Zhang Z, Yu C, Ren G, et al. Laser Additive Manufacturing of three-dimensional porous structures: Structural design, microstructure, mechanical properties and applications. Journal of Materials Research and Technology. 2025;36:3684-3725. DOI: 10.1016/j.jmrt.2025.04.003
  2. Varghese MG, Thomas A, Rupesh S, et al. Fabrication Techniques for Scaffolds Applied in Regenerative Medicine. In: Vizureanu P, Bălțatu MS. (eds) Novel Biomaterials for Tissue Engineering. IntechOpen. London; 2024; p. 1-13. DOI: 10.5772/intechopen.110827
  3. Antipova Ch, Lukanina K, Krasheninnikov S, et al. Study of highly porous poly‐l‐lactide‐based composites with chitosan and collagen. Polymers for advanced technologies. 2020;32(2):853-860. DOI: 10.1002/pat.5136
  4. Hollister SJ. Porous scaffold design for tissue engineering. Nature Materials. 2005;4:518–524. https://doi.org/10.1038/nmat1421
  5. Loh QL, Choong C. Three-dimensional scaffolds for tissue engineering applications: role of porosity and pore size. Tissue Engineering Part B Reviews. 2013;19(6):485-502. DOI: 10.1089/ten.TEB.2012.0437
  6. Elenskaya N, Koryagina P, Tashkinov M, et al. Effect of degradation in polymer scaffolds on mechanical properties: Surface vs. bulk erosion. Computers in Biology and Medicine. 2024;174:108402. DOI: 10.1016/j.compbiomed.2024.108402
  7. Borovkov AI, Maslov LB, Zhmaylo MA, et al. Elastic properties of additively produced metamaterials based on lattice structures. Materials physics and mechanics. 2023;51(7):42-62. DOI: 10.18149/MPM.5172023_6
  8. Zadpoor AA. Bone tissue regeneration: the role of scaffold geometry. Biomaterials Science. 2015;3(2):231-245. DOI: 10.1039/C4BM00291A
  9. Borovkov AI, Maslov LB, Zhmaylo MA, Tarasenko FD, Nezhinskaya LS. Finite element analysis of elastic properties of metamaterials based on triply periodic minimal surfaces. Mater Phys Mech. 2024;52(2): 11-29. DOI: 10.18149/MPM.5222024.2
  10. Pinheiro J, Castro APG, Ruben RB, et al. Mechanical properties assessment for TPMS based scaffolds using homogenization methods. 6th European Conference on Computational Mechanics: Solids, Structures and Coupled Problems (June 11-15, 2018; Glasgow, Scotland, UK). p. 1468-1474. 
  11. Li L, Wang L, Liang J, et al. Design of a Haversian system-like gradient porous scaffold based on triply periodic minimal surfaces for promoting bone regeneration. Journal of Advanced Research. 2023;54:89-102. DOI: 10.1016/j.jare.2023.01.004
  12. Maslov LB, Borovkov AI, Nezhinskaya LS, Zhmaylo MA, Tarasenko FD. Strength characteristics of additively manufactured meta-biomaterials made of titanium alloy under cyclic loading. Materials Physics and Mechanics. 2025;53(5):50-73. DOI: 10.18149/MPM.5352025.4
  13. Elenskaya N, Tashkinov M. Modeling of deformation behavior of gyroid and I-WP polymer lattice structures with a porosity gradient. Procedia Structural Integrity. 2021;32:171-178. DOI: 10.1016/j.prostr.2021.09.036
  14. Maskery I, Sturm L, Aremu AO, et al. Insights into the mechanical properties of several triply periodic minimal surface lattice structures made by polymer additive manufacturing. Polymer. 2018;152:62-71. DOI: 10.1016/j.polymer.2017.11.049
  15. Xu Z, Razavi SMJ, Ayatollahi MR. Functionally Graded Lattice Structures: Fabrication Methods, Mechanical Properties, Failure Mechanisms and Applications. In: Ferri Aliabadi MH & Soboyejo WO (eds) Comprehensive Structural Integrity. 2nd ed. Amsterdam: Elsevier Science; 2023. Vol. 2, p. 433-466. DOI: 10.1016/B978-0-12-822944-6.00019-0
  16. Krupnin AE, Zakirov AR, Sedush NG, et al. Theoretical and Experimental Investigation of 3D-Printed Polylactide Laminate Composites' Mechanical Properties. Materials. 2023;16(22):7229. DOI: 10.3390/ma16227229
  17. Monaldo E, Ricci M, Marfia S. Mechanical properties of 3D printed polylactic acid elements: Experimental and numerical insights. Mechanics of Materials. 2023;177:104551. DOI: 10.1016/j.mechmat.2022.104551
  18. Bartosiak R, Kaźmierczyk F, Czapski P. The Influence of Filament Orientation on Tensile Stiffness in 3D Printed Structures – Numerical and Experimental Studies. Materials. 2023;16(15):5391. DOI: 10.3390/ma16155391
  19. Stojković JR, Turudija R, Vitković N, et al. An Experimental Study on the Impact of Layer Height and Annealing Parameters on the Tensile Strength and Dimensional Accuracy of FDM 3D Printed Parts. Materials. 2023;16(13):4574. DOI: 10.3390/ma16134574
  20. Maslov LB. Biomechanical model and numerical analysis of tissue regeneration within a porous scaffold. Mechanics of Solids. 2020;55(7):1115-1134. DOI: 10.3103/S0025654420070158
  21. Maslov LB, Ilyina EE. Mathematical modeling of bone tissue regeneration processes under mechanical stimulation. Mechanics of Solids. 2025;60(7):5504-5525. DOI: 10.1134/S0025654425604252
  22. Ильина Е.Э., Маслов Л.Б. Исследование влияния раннего нагружения на регенерацию костной ткани в объеме пористого скаффолда // XXXVI Международная инновационная конференция молодых ученых и студентов (МИКМУС - 2024): Сборник трудов конференции (4 - 6 декабря 2024; Москва). М.: Изд-во ИМАШ РАН, 2024. С. 274-281.
  23. Ermolenko YuV, Semyonkin AS, Ulianova YuV, et al. Role of hydrolytic degradation of polylactide drug carriers in developing micro- and nanoscale polylactide-based drug dosage forms. Russian Chemical Bulletin. 2020;69(7):1243-1253. DOI: 10.1007/S11172-020-2918-0
  24. Tyler B, Gullotti D, Mangraviti A, et al. Polylactic acid (PLA) controlled delivery carriers for biomedical applications. Advanced Drug Delivery Reviews. 2016;107:163-175. DOI: 10.1016/j.addr.2016.06.018

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 1994-2026