在開發(fā)先進(jìn)3D打印材料的過程中，消除猜測(cè)的研究可以幫助加速新型“自我感知”飛機(jī)、機(jī)器人、橋梁等的開發(fā)。

由格拉斯哥大學(xué)的研究人員領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)工程師團(tuán)隊(duì)開發(fā)了第一個(gè)能夠?qū)?d打印復(fù)合材料的復(fù)雜物理建模的系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠僅使用電流測(cè)量來檢測(cè)應(yīng)變，負(fù)載和損壞。

通過允許材料科學(xué)家第一次提前預(yù)測(cè)如何微調(diào)新結(jié)構(gòu)以產(chǎn)生強(qiáng)度，剛度和自傳感特性的特定組合，它可以幫助催化該技術(shù)革命性新應(yīng)用的發(fā)展。

在航空航天和汽車領(lǐng)域，利用該團(tuán)隊(duì)的見解生產(chǎn)的新材料可以實(shí)時(shí)監(jiān)控飛機(jī)、航天器和車輛部件的結(jié)構(gòu)完整性，從而提高安全性和維護(hù)效率。

對(duì)于土木工程來說，這些材料可以通過對(duì)橋梁、隧道和高層建筑的結(jié)構(gòu)進(jìn)行持續(xù)評(píng)估，在導(dǎo)致倒塌之前就發(fā)現(xiàn)問題，從而促進(jìn)智能基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展。它們可以為自動(dòng)化制造中的機(jī)器人提供類似的好處，甚至可以幫助戰(zhàn)場(chǎng)上的士兵密切關(guān)注他們防彈衣的完整性。

3D打印，也被稱為增材制造，可以通過使用塑料、金屬或陶瓷等材料一層一層地構(gòu)建復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

隨著技術(shù)的發(fā)展，研究人員已經(jīng)能夠創(chuàng)造出具有獨(dú)特性能的越來越復(fù)雜的材料。例如，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部引入蜂窩狀室的晶格，可以使材料巧妙地平衡重量和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

將碳納米管的細(xì)鏈編織在材料中，可以讓材料攜帶電流，通過一種叫做壓阻性的現(xiàn)象，使材料具有監(jiān)測(cè)自身結(jié)構(gòu)完整性的能力。當(dāng)電流的讀數(shù)發(fā)生變化時(shí)，它可以表明材料已被壓碎或拉伸，從而允許采取行動(dòng)來解決故障。

格拉斯哥大學(xué)詹姆斯瓦特工程學(xué)院的Shanmugam Kumar教授領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究，研究結(jié)果發(fā)表在《高級(jí)功能材料》雜志上。他說:“將壓阻行為賦予3d打印的細(xì)胞材料，使它們能夠在沒有任何額外硬件的情況下監(jiān)測(cè)自身的性能。

這意味著我們可以給便宜、相對(duì)容易制造的材料注入非凡的能力，檢測(cè)它們何時(shí)受到損害，并測(cè)量它們的受損程度。這些類型的晶格材料，我們稱之為自主傳感結(jié)構(gòu)材料，具有巨大的未開發(fā)潛力，可以在各個(gè)領(lǐng)域創(chuàng)造先進(jìn)的應(yīng)用。

“雖然研究人員已經(jīng)知道這些特性有一段時(shí)間了，但我們無法做到的是提供一種方法，提前知道創(chuàng)造新型自我傳感材料的新嘗試有多有效。相反，我們經(jīng)常依靠反復(fù)試驗(yàn)來確定開發(fā)這些材料的最佳方法，這既耗時(shí)又昂貴。”

在論文中，研究人員描述了他們是如何通過一系列嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和建模來開發(fā)他們的系統(tǒng)的。

他們使用一種被稱為聚醚酰亞胺(PEI)的塑料與碳納米管混合，創(chuàng)造了一系列四種不同的輕質(zhì)晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。然后測(cè)試了這些設(shè)計(jì)的剛度、強(qiáng)度、能量吸收和自感知能力。

利用復(fù)雜的計(jì)算機(jī)建模，他們開發(fā)了一個(gè)系統(tǒng)，旨在預(yù)測(cè)材料對(duì)各種負(fù)載的反應(yīng)。然后，他們驗(yàn)證了他們的多尺度有限元模型的預(yù)測(cè)，通過在現(xiàn)實(shí)世界條件下對(duì)材料進(jìn)行深入分析，利用紅外熱成像實(shí)時(shí)可視化流過材料的電流，利用這些材料內(nèi)部熱量和電流之間的類比。

他們發(fā)現(xiàn)，他們的模型可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)材料對(duì)各種應(yīng)力和應(yīng)變組合的反應(yīng)，以及它們的電阻將如何受到影響。該結(jié)果可以通過在第一個(gè)真實(shí)世界的原型打印之前提供對(duì)擬議新材料如何表現(xiàn)的見解，從而幫助支撐增材制造的未來發(fā)展。

該研究建立在該團(tuán)隊(duì)之前的發(fā)展基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)最近發(fā)表了一篇論文，展示了另一種建模方法，使研究人員能夠預(yù)測(cè)增材制造引起的缺陷如何影響任何新設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)完整性。

Kumar教授補(bǔ)充說:“通過這項(xiàng)研究，我們開發(fā)了一個(gè)全面的系統(tǒng)，能夠模擬自傳感3d打印材料的性能。通過嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)和理論，它代表了同類系統(tǒng)中第一個(gè)能夠跨多個(gè)尺度建模3d打印材料并結(jié)合多種物理類型的系統(tǒng)?！?/p>

“雖然我們?cè)谡撐闹袑Ｗ⒂谇度胩技{米管的PEI材料，但我們的結(jié)果所基于的多尺度有限元建模可以很容易地應(yīng)用于其他材料，這些材料也可以通過增材制造制造出來。

“我們希望這種方法能鼓勵(lì)其他研究人員開發(fā)新的自主傳感結(jié)構(gòu)材料，在廣泛的行業(yè)中釋放這種方法在材料設(shè)計(jì)和開發(fā)中的全部潛力?！?/p>