Fatigue of triply periodic minimal surface (TPMS) metamaterials – a review

Žnidarič, Žiga (author), Nečemer, Branko (author), Novak, Nejc (assignee), Vesenjak, Matej (author), Glodež, Srečko (author)

A review of the fatigue behavior of triply periodic minimal surface (TPMS) metamaterials with consideration for their fabrication is presented in this paper. The review analyses the most common TPMS geometries used due to their mechanical characteristics. Production methods and the base materials used are presented with the key advantages and drawbacks. Furthermore, the mechanical characteristics of cellular structures with emphasis on TPMS geometries are described. Lastly, the state-of-the-art findings of their fatigue behavior are analyzed and explained. Based on the findings in this article, cellular geometries based on TPMS are superior to conventional cellular structures when comparing their fatigue life. Because of the smooth transitions between struts or surfaces, the stress distribution is much more uniform without stress concentration zones.

• Language: English
• Keywords: cellular structures, TPMS metamaterials, production technologies, mechanical characterization, fatigue behavior
• Work type: Article
• Typology: 1.02 - Review Article
• Organization: FS - Faculty of Mechanical Engineering
• Publication status: Published
• Publication version: Version of Record
• Year: 2025
• Number of pages: 12 str.
• Numbering: Vol. 71, no. 9/10
• PID: 20.500.12556/RUL-177384
• UDC: 539.2
• ISSN on article: 2536-3948
• DOI: 10.5545/sv-jme.2025.1369
• COBISS.SI-ID: 260406275
• Publication date in RUL: 22.12.2025

Record is a part of a journal

• Title: Strojniški vestnik
• Shortened title: Stroj. vestn.
• Publisher: Fakulteta za strojništvo
• ISSN: 2536-3948
• COBISS.SI-ID: 294943232

Licences

• License: CC BY 4.0, Creative Commons Attribution 4.0 International
• Link: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Description: This is the standard Creative Commons license that gives others maximum freedom to do what they want with the work as long as they credit the author.

Secondary language

• Language: Slovenian

Abstract

Članek predstavlja celovit pregled obnašanja metamaterialov, zasnovanih na trojno-periodičnih minimalnih površinah (TPMS), pri obremenitvah zaradi utrujanja, s posebnim poudarkom na vplivu tehnologije njihove izdelave. V prispevku so podrobno analizirane različne geometrije TPMS, ki so v zadnjih letih pridobile veliko pozornosti zaradi izjemnega razmerja med trdnostjo in maso ter sposobnosti nadzora mehanskih lastnosti s prilagajanjem geometrijskih parametrov. Predstavljene so sodobne metode izdelave TPMS struktur s poudarkom na dodajalnih tehnologijah, kjer je za osnovni material privzeta titanova in jeklena zlitina. Za vsak material so navedene ključne prednosti, omejitve in vpliv proizvodnega procesa na končne mehanske lastnosti struktur. Poleg tega članek obravnava mehanske značilnosti celičnih gradiv, pri čemer je poseben poudarek namenjen TPMS strukturam, ki zaradi svoje topologije omogočajo enakomerno porazdelitev napetosti in visoko absorpcijo mehanske energije. V nadaljevanju so predstavljene najnovejše raziskave in ugotovitve glede vedenja TPMS metamaterialov pri utrujanju. Analiza kaže, da TPMS celične strukture izkazujejo bistveno boljšo odpornost proti utrujanju v primerjavi s konvencionalnimi celičnimi metamateriali. Ključni razlog za to je njihova gladka, zvezna geometrija brez ostrih robov ali stičnih točk, kar zmanjšuje koncentracijo napetosti in omogoča bolj homogeno porazdelitev napetosti skozi celotno strukturo. Na podlagi predstavljenih rezultatov lahko zaključimo, da TPMS metamateriali predstavljajo perspektivno smer razvoja naprednih lahkih konstrukcijskih materialov, ki združujejo visoko trdnost, odpornost proti utrujanju in prilagodljivost geometrije glede na specifične zahteve uporabe.

• Keywords: celične strukture, TPMS metamateriali, proizvodne tehnologije, mehanska karakterizacija, obnašanje pri utrujanju