格拉斯哥大學(xué)工程團隊研發(fā)自感應(yīng)3D打印PEEK材料

2025年7月16日，南極熊獲悉，格拉斯哥大學(xué)的研究人員在智能自感應(yīng)3D打印塑料的研發(fā)方面取得了新的進展。團隊利用增材制造技術(shù)和PEEK（聚醚醚酮）材料，創(chuàng)造出具有可編程特性的膨脹結(jié)構(gòu)，適用于生物醫(yī)學(xué)和工程領(lǐng)域。

△相關(guān)成果已發(fā)表在《Materials Horizons》期刊上，題目為“具有可編程應(yīng)變傳感、輔助性和故障模式的拓撲設(shè)計壓阻晶格”（傳送門）

拉脹材料在3D打印領(lǐng)域越來越受到關(guān)注，因為它們具有獨特的變形特性，拉伸時寬度會增加，而不是變長。3D打印技術(shù)擅長創(chuàng)建復(fù)雜的幾何形狀，這對于實現(xiàn)拉脹結(jié)構(gòu)的精細調(diào)整至關(guān)重要。目前，內(nèi)衣設(shè)計師、頭盔制造商以及軟體機器人工程師都在積極探索利用這些材料的潛力。

△一種能夠感應(yīng)壓力變化、具有輔助特性和故障處理功能的壓阻晶格預(yù)覽圖

3D打印的膨脹PEEK結(jié)構(gòu)具備自我感知能力

研究人員表示，PEEK是一種廣泛應(yīng)用于工程和生物醫(yī)學(xué)的堅韌且生物相容的工業(yè)級熱塑性塑料，由此創(chuàng)建的結(jié)構(gòu)不僅具備拉脹特性，還通過集成碳納米管實現(xiàn)了自感應(yīng)功能。

該研究的通訊作者、格拉斯哥大學(xué)詹姆斯·瓦特工程學(xué)院材料與增材制造專家Shanmugam Kumar教授解釋說：“我們已經(jīng)證明，設(shè)計出不僅具有拉脹性，而且無需嵌入電子設(shè)備就能感知應(yīng)變和損傷的PEEK晶格是可能的。這有望在智能骨科植入物、航空航天蒙皮甚至可穿戴技術(shù)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)新的應(yīng)用?！?br />
這種自感知功能是通過壓阻原理實現(xiàn)的。簡單來說，壓阻效應(yīng)是由于機械應(yīng)變引起的電阻率變化。通過在3D打印的PEEK材料中添加碳納米管，工程師們有效地賦予了打印晶格電導(dǎo)率。當打印組件受到壓縮、沖擊和拉伸等各種應(yīng)變時，可以測量電導(dǎo)率變化，從而實時反饋結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。

△自感應(yīng)3D打印PEEK材料創(chuàng)建過程

除了以雙端“Y”形圖案為特征的自感應(yīng)結(jié)構(gòu)外，研究團隊還開發(fā)了一種計算模型，可以預(yù)測材料在各種應(yīng)變和負載條件下的行為。這意味著團隊可以在“打印”之前準確預(yù)測和優(yōu)化打印結(jié)構(gòu)的屬性和行為，從而節(jié)省開發(fā)過程中的材料和時間。

Kumar教授補充道：“通過結(jié)合設(shè)計、制造和預(yù)測模型，我們現(xiàn)在可以創(chuàng)造出完全符合特定應(yīng)用需求的材料，無論是吸收沖擊、感知損傷還是以可控的方式變形。這意味著我們可以邁向‘為失效而設(shè)計’的理念，讓材料不僅堅固輕便，而且智能化，能夠隨著時間的推移監(jiān)測自身的完整性。”

△ (a) FFF 增材制造工藝示意圖和 (b) 宏觀壓阻測試示意圖

從PLA臨時應(yīng)用到PEEK長期智能結(jié)構(gòu)

去年，同一工程師團隊對3D打印晶格結(jié)構(gòu)進行了深入研究，并發(fā)布了一個包含56種拉脹晶格幾何形狀的庫。然而，在這個項目中，團隊專注于使用注入炭黑的PLA材料來賦予熱塑性導(dǎo)電性。盡管PEEK因堅韌耐用的特性更適合工業(yè)應(yīng)用，但PLA也能發(fā)揮一定作用。

正如Kumar教授所闡述的：“基于PLA的設(shè)計非常適合臨時應(yīng)用，例如低負荷生物醫(yī)學(xué)植入物中的智能支架，或嵌入運動裝備中的一次性傳感器。另一方面，基于PEEK的材料則為在要求更高的環(huán)境中制造永久性承重智能組件打開了大門。”

教授解強調(diào)，這項工作的最終目標是為設(shè)計師提供“構(gòu)建下一代多功能材料的工具包，這些材料既智能又堅固”。這種能力可能會對航空航天、個性化醫(yī)療和健康監(jiān)測等領(lǐng)域的應(yīng)用產(chǎn)生巨大影響。