普渡大學等利用3D打印技術預測巖石斷裂形成

2020年4月23日，南極熊從外媒獲悉，來自普渡大學和Sandia國家實驗室的研究人員，利用3D打印機開發(fā)了一種新的方法來了解巖石斷裂的發(fā)生方式和時間。

(a)波紋斷裂面草圖。(b)美國夏威夷火山巖中的波紋狀斷裂面。(c) 澳大利亞Lederderg公園沉積巖中的波紋狀斷裂面。(照片由Pyrak-Nolte提供)。

擁有檢測和預測斷裂的能力，對于提高采礦、天然氣作業(yè)和核廢料處理的安全性和效率至關重要。然而，研究人員表示，這對于了解其他星球上的橋梁和人類居住地等三維結構的結構完整性也可能很重要。

Pyrak-Nolte教授利用3D成像技術，在項目中工作，照片來自普渡大學

3D打印是如何實現(xiàn)突破的

在開始使用3D打印技術之前，普渡大學教授Pyrak-Nolte和學生 Liyang Jiang等不得不在天然巖石樣本上做實驗，或者用礦泉水和粉末制作巖石樣本來制作石膏。然而，用這種方法得到的結果并不能為確定斷裂的原因提供可靠的依據(jù)，因為每塊巖石都有不同的特征和特點。其中一個特點是它們的 "礦物結構 "的取向，或者說構成巖層和巖層的礦物成分的組織方式。

為了產(chǎn)生科學上有效的結果，研究人員可以從中得出結論，這些巖石需要具有相同的特征和相同的礦物結構。研究人員制作了3D打印的巖石用于他們的實驗，這使得他們可以控制人造巖石的每一個方面，使其完全相同。將這些巖石置于壓力下，研究小組發(fā)現(xiàn)了一些圖案，使他們能夠完全根據(jù)巖石對所施加的壓力的反應來識別巖石。

Jiang評論說："因為有了新的3D打印技術，我們能夠對巖石進行測試，并收集到可重現(xiàn)的結果。我們可以在所有的維度上設計形狀，這比用天然巖石或巖石的鑄件加工要精確得多。"

與巖石類似，3D打印的物質也是利用層層構建。在這種情況下，研究人員使用3D Systems公司的ProJet CJP 360 3D打印機制作了人工石膏巖，其特點是模仿自然形成的巖石中的層數(shù)。

△樣品幾何形狀的草圖。藍線表示層數(shù)，紅色虛線表示礦物織物的方向，黑線表示斷裂傳播過程中的斷裂痕跡。同時顯示的是大樣本（a）H、（b）VVV、（c）Halt、（d）VVValt、（e）V和（f）Valt）的拉伸斷裂的二維等高線圖和三維表面粗糙度值。中間是與斷裂傳播方向平行(y方向的陰影)和垂直(x方向的實心色)的微坡分布的全寬半最大值(FWHM)的比較。

為了制造這些巖石，3D打印機使用了粘結劑噴射技術，即在巖石上鋪上一層貝殼石粉，然后在上面噴灑一層粘結劑，再在上面鋪上另一層貝殼石粉。該工藝使粉末與水基粘結劑溶液發(fā)生反應，產(chǎn)生石膏結晶層層結合的樣品。

通過將不同方向的礦物織物打印成不同的樣品，并將其置于應力下，研究小組開始注意到它們的斷裂方式有了規(guī)律。研究團隊發(fā)現(xiàn)，他們只需要看一下巖石的斷裂類型和巖石的形狀或光滑度，或者是巖石的波紋，就能辨別出哪種樣品的斷裂方式。

Pyrak-Nolte說："如果我們了解了波紋是如何產(chǎn)生的，僅僅通過觀察巖石樣品，我們就可以遠程預測斷裂的幾何形狀和流體的優(yōu)先流動路徑。"

雖然這項研究還在進行中，但最新的研究結果已經(jīng)在《Scientific Reports》雜志上發(fā)表，題目為 "Mineral Fabric as a Hidden Variable in Fracture Formation in Layered Media"。 報告的作者是Liyang Jiang, Hongkyu Yoon, Antonio Bobet and Laura J. Pyrak-Nolte。

普渡大學和增材制造  

普渡大學在利用3D打印技術攻克技術難題方面有著良好的記錄。例如，該大學在去年8月的一次通用電氣贊助的比賽中進入了決賽，該比賽挑戰(zhàn)團隊設計出一種新型的3D打印金屬散熱器，以有效冷卻電子產(chǎn)品。

此外，該大學機械工程學院的研究人員在3月初發(fā)表了一份研究報告，詳細介紹了可追蹤的3D打印微型機器人的發(fā)展。雖然其他的微型機器人由于體積小而在應用上受到限制，但研究團隊的新型圖案化方法有望使其適用于生物醫(yī)學應用。

制藥公司也在利用普渡大學的專業(yè)知識，Aprecia制藥公司本月初宣布與該大學藥學院合作。他們的合作將專注于開發(fā)未來的3D打印制藥設備和藥物，使學院的教師、研究學者和學生一起交流，共同參與研究合作。



編譯自：3dprintingindustry