研究人員開發(fā)新型多尺度計算機模擬平臺，可評測3D打印導電元件熱電機械性能

2025年2月12日，南極熊獲悉，馬德里卡洛斯三世大學、倫敦帝國理工學院、牛津大學和BCMaterials的研究人員開發(fā)了一種新的計算機模擬平臺，它提供了一個多尺度計算框架，用于評估 3D 打印導電元件的熱電機械性能。計算模型將材料成分、打印參數(shù)和外部條件集成到一個預測工具，可模擬導電聚合物復合材料 (CPC) 在電、熱和機械應力下的行為。

相關研究以題為“In-silico platform for the multifunctional design of 3D printed conductive components”的論文發(fā)表在《自然》期刊上。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-56707-y

熔融長絲制造 (FFF) 引入了微觀結構變化，影響了材料的導電性和機械完整性。雖然先前的研究已經研究了電阻變化或機械應力效應等單個因素，但這種新方法將這些相互作用綜合到一個統(tǒng)一的框架中，從而可以進行精確的設計調整以優(yōu)化功能性能。

△具有不同打印方向的 FFF 樣品的多物理特性。圖片來自《自然》。

導電熱塑性塑料由嵌入導電填料（如炭黑）的聚合物基質組成，形成允許電流流動的網(wǎng)絡。然而，這些網(wǎng)絡的導電性取決于細絲沉積模式和細絲間粘合質量。研究發(fā)現(xiàn)，打印方向、層高和粘合強度顯著影響關鍵特性，包括電阻率、應變靈敏度和焦耳熱。

實驗驗證表明，縱向打印樣品（其中細絲與電場對齊）表現(xiàn)出較低的電阻率和較高的機械彈性。相比之下，橫向樣品（細絲垂直于電負載）由于導電通路中斷和細絲間粘合較弱而具有較高的電阻。

△用于導電熱塑性塑料的計算機多尺度平臺。圖片來自《自然》。

機械行為也會隨著打印方向而變化�？v向樣品在機械應力下電阻率呈線性增加，而橫向樣品的響應則更加不穩(wěn)定，受空隙區(qū)域中局部應變集中的影響。這些發(fā)現(xiàn)強調了戰(zhàn)略性細絲沉積在導電 3D 打印組件設計中的重要性。

連接介觀和宏觀特性

新的計算機模擬平臺采用了多尺度建模框架，能夠預測中觀結構空隙和細絲間粘附如何影響塊體材料特性。在中觀層面，全場均質化模型量化了單個打印細絲的行為，而宏觀連續(xù)模型則考慮了焦耳熱效應、熱膨脹和實際條件下的機械變形。

通過將這些尺度聯(lián)系起來，模擬框架消除了實驗測試中的反復試驗過程。工程師現(xiàn)在可以在開始制造之前調整擠出寬度、層高和打印速度等參數(shù)，以優(yōu)化導電性和機械穩(wěn)定性。

△多物理計算機模擬平臺的預測能力。圖片來自《自然》。

先前的研究調查了打印缺陷如何影響機械性能，并分別分析了導電聚合物中的電熱和機電響應。然而，之前的研究還沒有將這些因素系統(tǒng)地關聯(lián)到一個預測模型中。

CPC 中的導電通路依賴于導電填料的滲透網(wǎng)絡，但 FFF 引入了其他因素（空隙形成、不完美粘附和細絲排列），這些因素會改變電阻和機械性能。新框架考慮了這些介觀結構破壞，可以更準確地預測電阻、機械故障和熱導率隨時間的變化。

△中觀尺度上 3D 打印導電熱塑性塑料的全場均質化分析。圖片來自《自然》。

優(yōu)化 3D 打印組件和未來應用

新模型的一項關鍵驗證測試涉及優(yōu)化用于直接墨水書寫 (DIW) 打印機的 3D 打印電加熱打印墨盒。組件通過焦耳加熱來調節(jié)墨水粘度，其中施加的電流產生受控熱量。

初始設計產生的溫度分布不均勻，電極接觸點附近過熱，其他區(qū)域加熱不足。利用計算機框架，研究人員優(yōu)化了燈絲沉積策略，使電勢分布更均勻。最終設計展示了改進的熱調節(jié)，確保了墨水粘度的一致控制，并消除了加熱不均勻造成的缺陷。

△將計算機模擬平臺應用于 DIW 打印機的 3D 打印可加熱墨盒的最佳設計。圖片來自《自然》。

這種計算-實驗混合框架為設計 3D 打印電子元件、可穿戴傳感器和智能材料的增材制造工程師提供了寶貴的工具。在制造之前模擬和優(yōu)化多功能響應的能力可能會推動航空航天、生物醫(yī)學設備和柔性電子產品的發(fā)展。

通過將微尺度材料行為與大規(guī)模結構特性聯(lián)系起來，新的計算機模擬平臺為導電聚合物設計提供了一種系統(tǒng)方法。未來的研究可能會將模型擴展到具有替代導電填料（如石墨烯或銀納米線）的復合材料，從而將其適用范圍擴大到下一代電子和結構部件。