普渡大學等利用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(yù)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(guān)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(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(shù)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(jié)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(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(yīng)來識別巖石。

Jiang評論說："因為有了新的3D打印技術(shù)，我們能夠?qū)r石進行測試，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(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(yù)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(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(shù)攻克技術(shù)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(shè)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(yīng)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(yīng)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(shè)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