近日，一組國際科研團(tuán)隊(duì)在《自然·通訊》雜志上發(fā)表了一篇題為《用于3D打印導(dǎo)電部件的多功能設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)模擬平臺(tái)》的研究論文，介紹了一種全新的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)平臺(tái)，該平臺(tái)能夠優(yōu)化3D打印導(dǎo)電部件的多功能性能，為智能材料和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了新的思路和工具。

研究背景

近年來，隨著增材制造（3D打?。┘夹g(shù)的快速發(fā)展，利用導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料（CPCs）制造具有定制幾何形狀和導(dǎo)電性能的部件成為可能。這些材料通過在熱塑性基體中添加導(dǎo)電填料（如碳黑、金屬粉末等），在微觀尺度上形成導(dǎo)電通路，從而實(shí)現(xiàn)宏觀電流的有效傳導(dǎo)。然而，3D打印過程中形成的微觀結(jié)構(gòu)缺陷（如層間空隙、纖維間粘附不完全等）會(huì)對材料的電、熱和力學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響。此外，打印方向等工藝參數(shù)也會(huì)導(dǎo)致材料性能的各向異性，使得部件的多功能響應(yīng)（如電熱效應(yīng)、應(yīng)變敏感性等）與打印參數(shù)密切相關(guān)。因此，開發(fā)一種能夠預(yù)測和優(yōu)化3D打印導(dǎo)電部件性能的工具具有重要意義。

研究方法

研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種結(jié)合實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的多尺度平臺(tái)，用于預(yù)測和優(yōu)化3D打印導(dǎo)電部件的熱-電-力耦合性能。實(shí)驗(yàn)部分通過制備不同打印方向（縱向、橫向和斜向）的樣品，研究了在不同物理場（電場、溫度場和應(yīng)力場）作用下的性能變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，打印方向?qū)Σ牧系某跏茧娮杪省?yīng)變敏感性以及熱穩(wěn)定性等性能有顯著影響。例如，縱向樣品在電場方向與纖維方向一致時(shí)，展現(xiàn)出最低的電阻率和應(yīng)變敏感性，而橫向樣品則表現(xiàn)出最高的電阻率和應(yīng)變敏感性。

數(shù)值模擬部分則采用了多尺度建模方法，包括在微觀尺度上的全場均勻化框架和在宏觀尺度上的連續(xù)介質(zhì)模型。微觀模型通過生成代表性體積單元（RVE），考慮了纖維相、層間粘附相、纖維間粘附相和微觀結(jié)構(gòu)空隙等特征，能夠捕捉打印參數(shù)對材料性能的影響。宏觀模型則考慮了材料的正交各向異性，能夠模擬材料在不同方向上的電、熱和力學(xué)響應(yīng)，并通過優(yōu)化算法調(diào)整打印參數(shù)以實(shí)現(xiàn)最佳性能。

研究成果

該研究成功開發(fā)了一種能夠預(yù)測和優(yōu)化3D打印導(dǎo)電部件性能的計(jì)算機(jī)模擬平臺(tái)。該平臺(tái)不僅能夠準(zhǔn)確預(yù)測材料在不同打印方向下的熱-電-力耦合性能，還能夠通過優(yōu)化打印參數(shù)實(shí)現(xiàn)定制化的多功能響應(yīng)。例如，在一項(xiàng)針對直接墨水寫入（DIW）打印機(jī)加熱套筒的設(shè)計(jì)優(yōu)化中，研究團(tuán)隊(duì)利用該平臺(tái)優(yōu)化了打印方向，使得加熱套筒在通電后能夠均勻地產(chǎn)生熱量，從而提高了打印墨水的流動(dòng)性和打印質(zhì)量。

此外，該平臺(tái)還展示了在不同微觀結(jié)構(gòu)特征（如層高、層寬和空隙形狀）下的性能預(yù)測能力。通過調(diào)整這些參數(shù)，可以進(jìn)一步優(yōu)化材料的導(dǎo)電性和力學(xué)性能，為復(fù)雜3D打印部件的設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)大的工具。

研究意義

這項(xiàng)研究為3D打印導(dǎo)電部件的設(shè)計(jì)和制造提供了全新的視角和方法。通過結(jié)合實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，研究團(tuán)隊(duì)不僅揭示了打印參數(shù)與材料性能之間的復(fù)雜關(guān)系，還開發(fā)出了一種能夠優(yōu)化這些性能的工具。這一成果有望在智能材料、柔性電子和生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，為未來的智能制造和材料科學(xué)的發(fā)展提供了重要的技術(shù)支持。