Аддитивно изготовленные био-вдохновленные многослойные сэндвич-структуры с различной конфигурацией сердечника при внеплоскостном сжатии

Почему важно защитное решение, вдохновлённое природой

От бамперов автомобилей до кабин самолётов — во многих современных транспортных средствах используются скрытые «сэндвич»-панели, которые должны быть лёгкими, но при этом способными рассеивать огромные силы при столкновении. В этом исследовании рассматривается новый класс таких панелей, вдохновлённых грубой защитной «чашечкой», окружающей желудь дуба. Копируя эту природную форму с помощью 3D-печати и тщательно настраивая внутренний узор, учёные показали, как создавать пластиковые конструкции, которые лёгкие, пригодны для переработки и значительно лучше гасят удары.

Уроки от дуба

Отправной точкой стала чешуйчатая чашечка дуба, которая удерживает желудь при падении. В природе эта оболочка распределяет ударные силы через сеть тонких перегородок и полостей. Команда перенесла эту идею в изделия, выполненные по сэндвич-принципу: две плоские жёсткие внешние пластины и пустотелый узорный сердечник между ними. Вместо пеноматериала сердечник состоит из множества небольших клеточных форм, сложенных в несколько слоёв. Эти формы были выбраны, чтобы имитировать природные узоры и проверить, какие из них наиболее плавно переносят разрушающие нагрузки.

Создание сложных сердечников с помощью 3D-печати

Чтобы превратить эти проекты в реальные детали, исследователи использовали порошковый процесс 3D-печати, называемый Multi Jet Fusion, работая с прочным инженерным пластиком Nylon PA12. Этот метод позволяет получать сложные внутренние узоры без клея и болтов, поэтому пластины и сердечник выходят единым целым. Команда напечатала многослойные панели с четырьмя базовыми схемами сердечников: ромбическая, шестиугольная, квадратная и круглая ячейки. Они также варьировали размер каждой ячейки, расстояние между соседними ячейками и то, выравнены ли гофры слоёв в одном направлении или повернуты относительно соседних слоёв.

Испытания на сжатие и их выводы

Панели затем медленно сжимали между плоскими стальными плитами, измеряя силу и перемещение. Эти испытания имитируют ситуацию, когда стенка или пол транспортного средства сдавливаются извне при столкновении. Сначала каждая панель реагирует упруго и возвращается в исходное состояние при снятии нагрузки. По мере роста нагрузки тонкие внутренние стенки начинают сгибаться, прогибаться и трескаться, и панель входит в длительную «плато»-фазу, в которой она продолжает поглощать энергию при разрушении. Отслеживая кривую силы и площадь под ней, команда вычисляла как суммарно поглощённую энергию, так и энергию, поглощённую на грамм материала — ключевой показатель для конструкций, чувствительных к массе.

Какие формы работают лучше всего

Выделялись ромбическая и шестиугольная схемы. Панели с ромбическими ячейками поглощали около 440 джоулей и показали наивысшую энергию на грамм, а шестиугольные оказались немного позади. Их наклонённые или гранёные стенки обеспечивают множество путей для перераспределения сил, способствуя плавному пошаговому складыванию вместо внезапного разрушения. Квадратные и круглые сердечники поглощали заметно меньше энергии, отчасти потому, что острые углы или полностью изогнутые стенки концентрируют напряжения и вызывают ранний локальный обрушение. Уменьшение размера отдельных ячеек при сохранении общего размера панели повышало пик силы и поглощённую энергию для круглых и шестиугольных структур. Умеренное увеличение зазора между ячейками дополнительно задерживало взаимодействие соседних стенок и удлиняло стадию плавного разрушения.

Слои, работающие сообща

Расположение слоёв также играет большую роль. Когда все гофры были направлены в одну сторону, многие стенки ячеек прогибались одновременно, что приводило к резким падениям нагрузки. Поворот каждого слоя относительно следующего распространял нестабильности по толщине панели. Такое чередование заставляло силы перераспределяться между слоями и увеличивало трение и скольжение между ними. Как в круглых, так и в шестиугольных сердечниках, чередующийся узор увеличивал суммарное поглощение энергии примерно на одну пятую и повышал энергию на грамм более чем на десять процентов. Шестиугольные сердечники с маленькими ячейками, большим межъячеистым пространством и чередующимися слоями обеспечили наиболее сбалансированные характеристики, сочетая высокую пиковой прочность с очень эффективным гашением ударов.

Что это означает для более безопасных и лёгких конструкций

Для неспециалиста главный вывод таков: внутренняя архитектура и расположение слоёв в панели могут быть не менее важны, чем количество использованного материала. Заимствуя мотивы из чашечки желудя дуба и изготавливая их с помощью 3D-печати, команда показала, что продуманно сформованные и многослойные ячейки могут превратить лёгкий пластиковый лист в высокоэффективный поглотитель ударной энергии. Такие панели могут помочь будущим автомобилям, поездам и самолётам лучше защищать людей, одновременно сокращая расход топлива и количество отходов материалов.

Цитирование: Taghizadeh, S., Cheng, L., Askari, M. et al. Additively manufactured bioinspired multilayer sandwich structures with varied core configurations under out-of-plane compression. Sci Rep 16, 15833 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41021-4

Ключевые слова: биовдохновлённые структуры, сэндвич-панели, поглощение энергии, аддитивное производство, корректность при авариях