普渡大學(xué)等利用3D打印技術(shù)預(yù)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(xué)和Sandia國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員，利用3D打印機(jī)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(shí)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(yù)測斷裂的能力，對(duì)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(guān)重要。然而，研究人員表示，這對(duì)于了解其他星球上的橋梁和人類居住地等三維結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)完整性也可能很重要。

Pyrak-Nolte教授利用3D成像技術(shù)，在項(xiàng)目中工作，照片來自普渡大學(xué)

3D打印是如何實(shí)現(xiàn)突破的

在開始使用3D打印技術(shù)之前，普渡大學(xué)教授Pyrak-Nolte和學(xué)生 Liyang Jiang等不得不在天然巖石樣本上做實(shí)驗(yàn)，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(jié)果并不能為確定斷裂的原因提供可靠的依據(jù)，因?yàn)槊繅K巖石都有不同的特征和特點(diǎn)。其中一個(gè)特點(diǎn)是它們的 "礦物結(jié)構(gòu) "的取向，或者說構(gòu)成巖層和巖層的礦物成分的組織方式。

為了產(chǎn)生科學(xué)上有效的結(jié)果，研究人員可以從中得出結(jié)論，這些巖石需要具有相同的特征和相同的礦物結(jié)構(gòu)。研究人員制作了3D打印的巖石用于他們的實(shí)驗(yàn)，這使得他們可以控制人造巖石的每一個(gè)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(duì)所施加的壓力的反應(yīng)來識(shí)別巖石。

Jiang評(píng)論說："因?yàn)橛辛诵碌?D打印技術(shù)，我們能夠?qū)�巖石進(jìn)行測試，并收集到可重現(xiàn)的結(jié)果。我們可以在所有的維度上設(shè)計(jì)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(zhì)也是利用層層構(gòu)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(jī)制作了人工石膏巖，其特點(diǎn)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(lán)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(shí)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(shí)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(jī)使用了粘結(jié)劑噴射技術(shù)，即在巖石上鋪上一層貝殼石粉，然后在上面噴灑一層粘結(jié)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(jié)劑溶液發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生石膏結(jié)晶層層結(jié)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(yīng)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(tuán)隊(duì)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(yuǎn)程預(yù)測斷裂的幾何形狀和流體的優(yōu)先流動(dòng)路徑。"

雖然這項(xiàng)研究還在進(jìn)行中，但最新的研究結(jié)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(bào)告的作者是Liyang Jiang, Hongkyu Yoon, Antonio Bobet and Laura J. Pyrak-Nolte。

普渡大學(xué)和增材制造  

普渡大學(xué)在利用3D打印技術(shù)攻克技術(shù)難題方面有著良好的記錄。例如，該大學(xué)在去年8月的一次通用電氣贊助的比賽中進(jìn)入了決賽，該比賽挑戰(zhàn)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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(xué)機(jī)械工程學(xué)院的研究人員在3月初發(fā)表了一份研究報(bào)告，詳細(xì)介紹了可追蹤的3D打印微型機(jī)器人的發(fā)展。雖然其他的微型機(jī)器人由于體積小而在應(yīng)用上受到限制，但研究團(tuán)隊(duì)的新型圖案化方法有望使其適用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

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



編譯自：3dprintingindustry