消除开发先进 3D 打印材料过程中猜测的研究可以帮助加速新型“自我感应”飞机、机器人、桥梁等的开发。

由格拉斯哥大学研究人员领导的工程师团队开发出了第一个能够模拟 3D 打印复合材料复杂物理特性的系统，该系统仅使用电流测量就能检测应变、负载和损坏。

通过首次让材料科学家提前预测如何对新结构进行微调以产生特定的强度、刚度和自感应特性组合，它可以帮助催化该技术革命性新应用的开发。

在航空航天和汽车领域，利用该团队的见解生产的新材料可以实时监控飞机、航天器和车辆部件的结构完整性，提高安全性和维护效率。

对于土木工程而言，这些材料可以持续评估桥梁、隧道和高层建筑的结构，在问题导致倒塌之前就发现它们，从而推动智能基础设施的发展。它们可以为自动化制造中的机器人提供类似的好处，甚至可以帮助战场上的士兵密切关注防弹衣板的完整性。

3D 打印，也称为增材制造，能够通过使用塑料、金属或陶瓷等材料逐层构建来创建复杂结构。

随着技术的发展，研究人员已经能够创造出具有独特性能的越来越复杂的材料。例如，在结构内部引入蜂窝状腔室的网格，可以让材料巧妙地平衡重量和结构强度。

将细小的碳纳米管编织到整个材料中，可以使它们传输电流，通过一种称为压阻的现象，赋予它们监测自身结构完整性的能力。当电流读数发生变化时，它可以表明材料已被压碎或拉伸，从而可以采取措施解决故障。

格拉斯哥大学詹姆斯·瓦特工程学院的 Shanmugam Kumar 教授领导了这项研究，研究结果发表在《先进功能材料》杂志上。他表示：“将压阻行为赋予 3D 打印蜂窝材料，使它们能够在不添加任何硬件的情况下监控自身的性能。”

这意味着我们可以为廉价、相对容易制造的材料注入非凡的能力，以检测它们何时受到损害并测量其受损程度。这些类型的晶格材料，我们称之为自主传感架构材料，具有巨大的未开发潜力，可在各个领域创造先进的应用。

“虽然研究人员已经了解这些特性一段时间了，但我们无法提供一种方法来提前知道创造新型自感应材料的新尝试的有效性。相反，我们经常依靠反复试验来确定开发这些材料的最佳方法，这既耗时又费钱。”

在论文中，研究人员描述了他们如何通过一系列严格的实验室实验结合建模来开发他们的系统。

他们使用一种名为聚醚酰亚胺 (PEI) 的塑料与碳纳米管混合，制作出一系列四种不同的轻质晶格结构设计。然后对这些设计的刚度、强度、能量吸收和自感应能力进行了测试。

他们利用复杂的计算机建模开发了一个系统，旨在预测材料如何响应各种负载。然后，他们通过在现实条件下对材料进行深入分析，利用红外热成像实时可视化流过材料的电流，利用这些材料中热量和电流流动之间的相似性，验证了多尺度有限元模型的预测。

他们发现，他们的模型可以准确预测材料对各种应力和应变组合的反应，以及它们的电阻会受到怎样的影响。这些结果有助于为增材制造的未来发展奠定基础，因为它可以在打印出第一个真实原型之前，洞悉拟议的新材料的性能。

该研究以团队先前的进展为基础，该团队最近发表了一篇论文，展示了另一种建模方法，使研究人员能够预测增材制造引起的缺陷如何影响任何新设计的结构完整性。

库马尔教授补充道：“通过这项研究，我们开发了一个能够模拟自感应 3D 打印材料性能的综合系统。它以严格的实验和理论为基础，代表了同类系统中第一个能够在多个尺度上对 3D 打印材料进行建模并结合多种物理类型的系统。”

“虽然我们在本文中重点研究了嵌入碳纳米管的 PEI 材料，但我们的研究结果所基于的多尺度有限元建模可以轻松应用于可通过增材制造创建的其他材料。

“我们希望这种方法能够鼓励其他研究人员开发新的自主传感结构材料，充分发挥这种方法在广泛行业的材料设计和开发中的潜力。”

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