普渡大学等利用3D打印技术预测岩石断裂形成

2020年4月23日，南极熊从外媒获悉，来自普渡大学和Sandia国家实验室的研究人员，利用3D打印机开发了一种新的方法来了解岩石断裂的发生方式和时间。

(a)波纹断裂面草图。(b)美国夏威夷火山岩中的波纹状断裂面。(c) 澳大利亚Lederderg公园沉积岩中的波纹状断裂面。(照片由Pyrak-Nolte提供)。

拥有检测和预测断裂的能力，对于提高采矿、天然气作业和核废料处理的安全性和效率至关重要。然而，研究人员表示，这对于了解其他星球上的桥梁和人类居住地等三维结构的结构完整性也可能很重要。

Pyrak-Nolte教授利用3D成像技术，在项目中工作，照片来自普渡大学

3D打印是如何实现突破的

在开始使用3D打印技术之前，普渡大学教授Pyrak-Nolte和学生 Liyang Jiang等不得不在天然岩石样本上做实验，或者用矿泉水和粉末制作岩石样本来制作石膏。然而，用这种方法得到的结果并不能为确定断裂的原因提供可靠的依据，因为每块岩石都有不同的特征和特点。其中一个特点是它们的 "矿物结构 "的取向，或者说构成岩层和岩层的矿物成分的组织方式。

为了产生科学上有效的结果，研究人员可以从中得出结论，这些岩石需要具有相同的特征和相同的矿物结构。研究人员制作了3D打印的岩石用于他们的实验，这使得他们可以控制人造岩石的每一个方面，使其完全相同。将这些岩石置于压力下，研究小组发现了一些图案，使他们能够完全根据岩石对所施加的压力的反应来识别岩石。

Jiang评论说："因为有了新的3D打印技术，我们能够对岩石进行测试，并收集到可重现的结果。我们可以在所有的维度上设计形状，这比用天然岩石或岩石的铸件加工要精确得多。"

与岩石类似，3D打印的物质也是利用层层构建。在这种情况下，研究人员使用3D Systems公司的ProJet CJP 360 3D打印机制作了人工石膏岩，其特点是模仿自然形成的岩石中的层数。

△样品几何形状的草图。蓝线表示层数，红色虚线表示矿物织物的方向，黑线表示断裂传播过程中的断裂痕迹。同时显示的是大样本（a）H、（b）VVV、（c）Halt、（d）VVValt、（e）V和（f）Valt）的拉伸断裂的二维等高线图和三维表面粗糙度值。中间是与断裂传播方向平行(y方向的阴影)和垂直(x方向的实心色)的微坡分布的全宽半最大值(FWHM)的比较。

为了制造这些岩石，3D打印机使用了粘结剂喷射技术，即在岩石上铺上一层贝壳石粉，然后在上面喷洒一层粘结剂，再在上面铺上另一层贝壳石粉。该工艺使粉末与水基粘结剂溶液发生反应，产生石膏结晶层层结合的样品。

通过将不同方向的矿物织物打印成不同的样品，并将其置于应力下，研究小组开始注意到它们的断裂方式有了规律。研究团队发现，他们只需要看一下岩石的断裂类型和岩石的形状或光滑度，或者是岩石的波纹，就能辨别出哪种样品的断裂方式。

Pyrak-Nolte说："如果我们了解了波纹是如何产生的，仅仅通过观察岩石样品，我们就可以远程预测断裂的几何形状和流体的优先流动路径。"

虽然这项研究还在进行中，但最新的研究结果已经在《Scientific Reports》杂志上发表，题目为 "Mineral Fabric as a Hidden Variable in Fracture Formation in Layered Media"。 报告的作者是Liyang Jiang, Hongkyu Yoon, Antonio Bobet and Laura J. Pyrak-Nolte。

普渡大学和增材制造  

普渡大学在利用3D打印技术攻克技术难题方面有着良好的记录。例如，该大学在去年8月的一次通用电气赞助的比赛中进入了决赛，该比赛挑战团队设计出一种新型的3D打印金属散热器，以有效冷却电子产品。

此外，该大学机械工程学院的研究人员在3月初发表了一份研究报告，详细介绍了可追踪的3D打印微型机器人的发展。虽然其他的微型机器人由于体积小而在应用上受到限制，但研究团队的新型图案化方法有望使其适用于生物医学应用。

制药公司也在利用普渡大学的专业知识，Aprecia制药公司本月初宣布与该大学药学院合作。他们的合作将专注于开发未来的3D打印制药设备和药物，使学院的教师、研究学者和学生一起交流，共同参与研究合作。



编译自：3dprintingindustry