DESIGN, 3D PRINTING AND EXPERIMENTAL STUDY OF PERCOLATIONFRACTAL COMPOSITE STRUCTURAL ELEMENTS
DOI:
https://doi.org/10.37406/2706-9052-2025-2.27Keywords:
3D printing (FDM), fractal honeycomb composites, filling density, mechanical propertiesAbstract
The paper presents the results of studies of fractal-honeycomb composite structural elements manufactured by additive 3D printing. The main attention is paid to the study of the influence of the internal fractal structure and the level of filling on the mechanical characteristics of the samples. The research is aimed at determining the relationship between the parameters of internal filling (Q = 10%, 30%, 50%, 100%) and such indicators as mass, density, strength, and bearing capacity of the material. A methodology has been developed for modeling, designing, and calculating fractal structures with regard to operational reliability requirements, which allows the structures to be adapted to different mechanical loading conditions. The created digital models were used for 3D printing of physical samples using a composite filament based on a polymer matrix. A series of experimental compression tests were conducted, which showed a natural increase in the mechanical efficiency of the samples with an increase in the density of the internal filling. The maximum strength values are achieved at full filling, while at lower levels (Q = 10% and 30%) a significant decrease in bearing capacity and a decrease in resistance to deformation are observed. The results confirm that the relative bearing capacity of the samples increases with increasing bulk density, which is critical for the predicted use of structures in critical technical systems. The data analysis also revealed the optimal correlations between the indicators of lightness, strength, and stability, which opens up prospects for further improvement of design solutions. In particular, it is advisable to use fractal-honeycomb composite materials in medicine (orthopedic implants, prostheses), in high-tech engineering, in aerospace and unmanned aerial vehicles, where the parameters of mass and dimensional efficiency are critically important, as well as in the creation of energy-efficient, biocompatible and functionally adaptive engineering systems of a new generation.
References
Гліненко Л. К., Сухоносов О. Г. Основи моделювання технічних систем. Львів : Бескид Біт, 2003. 210 с.
Грабар І. Г. Перколяційно-фрактальні моделі в сучасному матеріалознавстві. Наукові нотатки. 2015. Вип. 49. С. 35–37.
Грабар І. Г. Прискорене прогнозування ресурсу конструкцій на стадії проєктування та універсальна діаграма. Вісник Національної академії наук України. 2014. № 10. С. 22–27.
Грабар І. Г. Синтез мультифракталів. Житомир : Поліський національний університет, 2023. 94 с.
Грабар І. Г., Грабар О. І. Моделювання кінетики хаотизації аттрактора Фейгенбаума і динаміка нелінійних систем. Фізико-математичний журнал. 2012. Т. 14, № 3. С. 142–156.
Сергієнко В. В. Філософські проблеми наукового пізнання. Кременчук : Кременчуцький національний університет імені Михайла Остроградського, 2011. 96 с.
Соколовський В. С., Романова Н. О., Юшковська О. П. Лікувальна фізична культура. Одеса : Одеський державний медичний університет, 2005. 160 с.
Язловецький В. С. Основи діагностики функціонального стану та здоров’я : навч. посіб. для студ. ф-тів фіз. виховання вищих навч. закл. Кіровоград : РВВ КДПУ ім. В. Винниченка, 2003. 112 с.
Ячнюк І. О., Воробйов О. О., Романів Л. В., Ячнюк Ю. Б. Відновлювальні засоби працездатності у фізичній культурі і спорті. Чернівці : Книги XXI, 2009. 248 с.
Andrew J. J., Han K. A., Umer R., Schiffer A. Energy absorption and piezoresistive characteristics of 3D-printed hybrid honeycomb structures. Advanced Materials Processing. 2024. Vol. 12. P. 324–337. https://doi.org/10.1080/17452759.2024.2342430
Dobrescu G., Papa F., State R. Fractal analysis and fractal dimension in materials chemistry. Fractal and Fractional. 2024. Vol. 8. P. 583–590. https://doi.org/10.3390/fractalfract8100583
Dong H., Wang S., Wang A., Lin C., et al. Low-frequency band gap and vibration suppression mechanism of a novel square hierarchical honeycomb metamaterial. Applied Mechanics. 2024. Vol. 41. P. 1841–1856. https://doi.org/10.1007/s10483-024-3168-7
Huang S., Zhang Y., Hou Z., Song Y., et al. HoneyComb: A flexible LLM-based agent system for materials science. arXiv preprint. 2024. https://doi.org/10.48550/arXiv.2409.00135
Oftadeh R., Haghanipour B., Vella D., Boudaoud A., Vaziri A. Optimal fractal-like hierarchical honeycombs. Physical Review Letters. 2014. Vol. 113. P. 104301–104315. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.104301
Roman G. E., Chezura F., Mariam R., Levchenko I., Oleksandr K., Riccardi C. Fractal geometry of polymer material surfaces: Surface area and roughness. Soft Matter. 2024. Vol. 20. P. 3082–3096. https://doi.org/10.1039/D3SM01497E
Song H., Hong S., Wang J., Zhu H., et al. Mechanical properties of Fe₃O₄-dispersed nanomaterial honeycomb structures printed by 3D printer. ACS Omega. 2024. Vol. 9. P. 14287–14296. https://doi.org/10.1021/acsomega.3c10138
Yang L., He R., Wang C., Zhao H., et al. Analysis of chaotic characteristics in dynamic gravitational model with fractal structures. Fractal and Fractional. 2023. Vol. 7. P. 278–290. https://doi.org/10.3390/fractalfract7030278
Zhang C., Chen S., Dong T., Hao T., Wang J. Study of vibration characteristics of metamaterials with fractal honeycomb structures. Vibration and Acoustics. 2024. Vol. 35. P. 909–924. https://doi.org/10.1007/s42417-023-00883-y
Zhang Y., Yang S. H., Xin Y., Cai B., et al. Design of symmetric gradient honeycomb structures with high-efficiency microwave absorption. Nano-Micro Letters. 2024. Vol. 16. P. 234–245. https://doi.org/10.1007/s40820-024-01435-z