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研究人員開發(fā)3D打印復合材料復雜物理特性模擬系統(tǒng),為材料研發(fā)打開新思路

3D打印動態(tài)
2024
10/08
22:14
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2024年10月8日,南極熊獲悉,來自格拉斯哥大學的工程師團隊開發(fā)出了首個能夠模擬3D 打印復合材料復雜物理特性的系統(tǒng),該系統(tǒng)僅通過測量電流就能檢測應變、負載和損壞。該研究消除了開發(fā)先進 3D 打印材料過程中的猜測,并有助于加速新型“自感知”飛機、機器人、橋梁等的開發(fā)。


該研究以團隊先前的進展為基礎,該團隊最近發(fā)表了一篇論文,展示了另一種建模方法,使研究人員能夠預測 AM 引起的缺陷如何影響任何新設計的結(jié)構(gòu)完整性。該團隊的研究成果以題為“Autonomous Sensing Architected Materials/自主感知架構(gòu)材料”論文發(fā)表在《先進功能材料》雜志上。論文作者Mattia Utzeri 曾是格拉斯哥可持續(xù)多功能材料和增材制造 (SM2AM) 實驗室的博士生,目前是意大利馬爾凱理工大學的研究員,他與土耳其伊斯坦布爾技術大學的合作者一起參與了這項工作。



通過讓材料科學家預測如何對新結(jié)構(gòu)進行微調(diào)以產(chǎn)生強度、剛度和自感應特性的特定組合,它可以幫助催化該技術革命性新應用的開發(fā)。

航空航天和汽車領域,利用該團隊的研究成果生產(chǎn)的新材料可以實時監(jiān)控飛機、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效率。

對于土木工程而言,這些材料可以促進智能基礎設施的發(fā)展,通過對橋梁、隧道和高層建筑的結(jié)構(gòu)進行持續(xù)評估,在問題導致倒塌之前就將其凸顯出來。它們可以為自動化制造中的機器人提供類似的好處,甚至可以幫助戰(zhàn)場上的士兵密切關注其防彈衣板的完整性。

隨著 3D 打印技術的發(fā)展,研究人員已經(jīng)能夠制造出具有獨特性能的越來越復雜的材料。例如,在結(jié)構(gòu)內(nèi)部引入蜂窩狀腔室的網(wǎng)格,可以讓材料在重量和結(jié)構(gòu)強度之間實現(xiàn)微妙的平衡。

細小的碳納米管編織到整個材料中,可以使它們傳輸電流,從而通過一種稱為壓阻的現(xiàn)象,賦予它們監(jiān)測結(jié)構(gòu)完整性的能力。當電流讀數(shù)發(fā)生變化時,它可以表明材料已被壓碎或拉伸,從而可以采取行動來解決故障。

格拉斯哥大學詹姆斯瓦特工程學院的 Shanmugam Kumar 教授說:“將壓阻行為賦予 3D 打印蜂窩材料,使它們能夠在無需任何額外硬件的情況下監(jiān)控自身的性能。這意味著我們可以為廉價、相對易于制造的材料注入非凡的能力,以檢測它們何時受到損害并測量它們的損壞程度。這些類型的晶格材料,我們稱之為自主傳感架構(gòu)材料,具有巨大的未開發(fā)潛力,可在各個領域創(chuàng)造高級應用。雖然研究人員已經(jīng)了解這些特性一段時間了,但我們無法提供一種方法來提前知道創(chuàng)造新型自感應材料的新嘗試將有多有效。相反,我們經(jīng)常依靠反復試驗來確定開發(fā)這些材料的最佳方法,這既耗時又昂貴!

可視化自感知材料的智能行為:該圖顯示了智能材料如何感知自身形狀/狀態(tài)的變化。當材料受到擠壓時(左圖:未受擠壓,右圖:受擠壓 20%),電流通過材料的方式會發(fā)生變化。這種“感知”和檢測變化的能力可用于汽車或航空航天等應用,以實時監(jiān)測車輛或飛機的健康狀況,從而提高安全性和性能。來源:格拉斯哥大學。

在論文中,研究人員描述了他們?nèi)绾瓮ㄟ^一系列嚴格的實驗室實驗和建模來開發(fā)他們的系統(tǒng)。他們使用一種稱為聚醚酰亞胺 (PEI) 的塑料與碳納米管混合,創(chuàng)建了一系列四種不同的輕質(zhì)晶格結(jié)構(gòu)設計。然后對這些設計的剛度、強度、能量吸收和自感應能力進行了測試。

采用增材制造技術制造 3 wt.% CNT 增強聚醚酰亞胺晶格復合材料,相對密度數(shù)學方程,具有六邊形 a)、I 形 b)、凹入 c) 和 S 形 d) 配置。中間一欄顯示了幾何模型,說明了各種單元拓撲的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

他們利用復雜的計算機建模開發(fā)了一個系統(tǒng),旨在預測材料如何響應各種負載。然后,他們通過在現(xiàn)實條件下對材料進行深入分析來驗證其多尺度有限元模型的預測——利用紅外熱成像實時可視化流過材料的電流,并利用這些材料中熱量和電流流動之間的類比。

他們發(fā)現(xiàn),他們的模型可以準確預測材料對各種應力和應變組合的反應,以及它們的電阻會受到怎樣的影響。這些結(jié)果有助于為增材制造的未來發(fā)展奠定基礎,因為它可以在打印出第一個真實原型之前,洞悉擬議的新材料的性能。

Kumar 教授說:“通過這項研究,我們開發(fā)出了一個全面的系統(tǒng),能夠?qū)ψ愿袘?3D 打印材料的性能進行建模。該系統(tǒng)以嚴格的實驗和理論為基礎,是同類系統(tǒng)中第一個能夠跨多個尺度對 3D 打印材料進行建模并結(jié)合多種物理類型的系統(tǒng)。雖然我們在本文中重點研究了嵌入碳納米管的 PEI 材料,但我們研究結(jié)果所基于的多尺度有限元建?梢暂p松應用于其他可以通過增材制造制造的材料。我們希望這種方法能夠鼓勵其他研究人員開發(fā)新的自主傳感架構(gòu)材料,充分發(fā)揮這種方法在廣泛行業(yè)的材料設計和開發(fā)中的潛力!


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