Integrated design, simulation, and experimental validation of advanced cellular metamaterials

Novak, Nejc (avtor), Ren, Zoran (avtor), Vesenjak, Matej (avtor)

Cellular metamaterials offer supreme properties for engineering, medicine, and defence, but their transition to industrial use faces design, fabrication, and characterisation challenges. This review provides an overview of 20 years of advancements in cellular structures, from open-cell foams to triply periodic minimal surfaces (TPMS), presenting novel fabrication techniques (e.g., explosive compaction for UniPore structures) and demonstrating validated computational models for optimising graded auxetic and hybrid TPMS lattices. The study indicates that porosity and base material primarily govern energy absorption, with closed-cell foams and TPMS outperforming other geometries. Additive manufacturing enables spatially graded designs with tailored mechanical properties. This work accelerates the development of next-generation metamaterials for crash absorption, blast protection, and biomedical devices.

• Jezik: Angleški jezik
• Ključne besede: cellular structures, metamaterials, experimental testing, computational simulations, mechanical properties
• Vrsta gradiva: Članek v reviji
• Tipologija: 1.01 - Izvirni znanstveni članek
• Organizacija: FS - Fakulteta za strojništvo
• Status publikacije: Objavljeno
• Različica publikacije: Objavljena publikacija
• Leto izida: 2025
• Št. strani: 9 str.
• Številčenje: Vol. 71, no. 9/10
• PID: 20.500.12556/RUL-177377
• UDK: 539.2:620.1
• ISSN pri članku: 2536-3948
• DOI: 10.5545/sv-jme.2025.1363
• COBISS.SI-ID: 259520259
• Datum objave v RUL: 22.12.2025

Gradivo je del revije

• Naslov: Strojniški vestnik
• Skrajšan naslov: Stroj. vestn.
• Založnik: Fakulteta za strojništvo
• ISSN: 2536-3948
• COBISS.SI-ID: 294943232

Licence

• Licenca: CC BY 4.0, Creative Commons Priznanje avtorstva 4.0 Mednarodna
• Povezava: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.sl
• Opis: To je standardna licenca Creative Commons, ki daje uporabnikom največ možnosti za nadaljnjo uporabo dela, pri čemer morajo navesti avtorja.

Sekundarni jezik

• Jezik: Slovenski jezik

Izvleček

Celični metamateriali nudijo vrhunske lastnosti za inženirstvo, medicino in obrambo, vendar njihov prehod v industrijsko uporabo otežujejo izzivi pri razvoju, izdelavi in karakterizaciji. Ta pregled ponuja povzetek 20 let napredka na področju celičnih struktur, od pen z odprtimi celicami do struktur s trojno periodičnimi minimalnimi površinami (TPMS). Predstavlja nove tehnike izdelave (npr. eksplozijsko varjenje za strukture UniPore) in prikazuje validirane računalniške modele za optimizacijo gradiranih avksetičnih in hibridnih TPMS metamaterialov. Študija kaže, da na absorpcijo energije vplivata predvsem poroznost in osnovni material, pri čemer se zaprto-celične pene in TPMS strukture izkažejo bolje kot druge geometrije. Dodajalne tehnologije omogočajo prostorsko gradiranje s prilagojenimi mehanskimi lastnostmi. To delo pospešuje razvoj metamaterialov naslednje generacije za absorpcijo trkov, zaščito pred eksplozijami in biomedicinske naprave.

• Ključne besede: celične strukture, metamateriali, eksperimentalno testiranje, računalniške simulacije, mehanske lastnosti

Projekti

• Financer: ARIS - Javna agencija za znanstvenoraziskovalno in inovacijsko dejavnost Republike Slovenije
• Številka projekta: P2-0063
• Naslov: Konstruiranje celičnih struktur

• Financer: ARIS - Javna agencija za znanstvenoraziskovalno in inovacijsko dejavnost Republike Slovenije
• Številka projekta: J2-60049
• Naslov: Razvoj naprednih celičnih metamaterialov