研究人员开发新型多尺度计算机模拟平台，可评测3D打印导电元件热电机械性能

2025年2月12日，南极熊获悉，马德里卡洛斯三世大学、伦敦帝国理工学院、牛津大学和BCMaterials的研究人员开发了一种新的计算机模拟平台，它提供了一个多尺度计算框架，用于评估 3D 打印导电元件的热电机械性能。计算模型将材料成分、打印参数和外部条件集成到一个预测工具，可模拟导电聚合物复合材料 (CPC) 在电、热和机械应力下的行为。

相关研究以题为“In-silico platform for the multifunctional design of 3D printed conductive components”的论文发表在《自然》期刊上。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-56707-y

熔融长丝制造 (FFF) 引入了微观结构变化，影响了材料的导电性和机械完整性。虽然先前的研究已经研究了电阻变化或机械应力效应等单个因素，但这种新方法将这些相互作用综合到一个统一的框架中，从而可以进行精确的设计调整以优化功能性能。

△具有不同打印方向的 FFF 样品的多物理特性。图片来自《自然》。

导电热塑性塑料由嵌入导电填料（如炭黑）的聚合物基质组成，形成允许电流流动的网络。然而，这些网络的导电性取决于细丝沉积模式和细丝间粘合质量。研究发现，打印方向、层高和粘合强度显著影响关键特性，包括电阻率、应变灵敏度和焦耳热。

实验验证表明，纵向打印样品（其中细丝与电场对齐）表现出较低的电阻率和较高的机械弹性。相比之下，横向样品（细丝垂直于电负载）由于导电通路中断和细丝间粘合较弱而具有较高的电阻。

△用于导电热塑性塑料的计算机多尺度平台。图片来自《自然》。

机械行为也会随着打印方向而变化。纵向样品在机械应力下电阻率呈线性增加，而横向样品的响应则更加不稳定，受空隙区域中局部应变集中的影响。这些发现强调了战略性细丝沉积在导电 3D 打印组件设计中的重要性。

连接介观和宏观特性

新的计算机模拟平台采用了多尺度建模框架，能够预测中观结构空隙和细丝间粘附如何影响块体材料特性。在中观层面，全场均质化模型量化了单个打印细丝的行为，而宏观连续模型则考虑了焦耳热效应、热膨胀和实际条件下的机械变形。

通过将这些尺度联系起来，模拟框架消除了实验测试中的反复试验过程。工程师现在可以在开始制造之前调整挤出宽度、层高和打印速度等参数，以优化导电性和机械稳定性。

△多物理计算机模拟平台的预测能力。图片来自《自然》。

先前的研究调查了打印缺陷如何影响机械性能，并分别分析了导电聚合物中的电热和机电响应。然而，之前的研究还没有将这些因素系统地关联到一个预测模型中。

CPC 中的导电通路依赖于导电填料的渗透网络，但 FFF 引入了其他因素（空隙形成、不完美粘附和细丝排列），这些因素会改变电阻和机械性能。新框架考虑了这些介观结构破坏，可以更准确地预测电阻、机械故障和热导率随时间的变化。

△中观尺度上 3D 打印导电热塑性塑料的全场均质化分析。图片来自《自然》。

优化 3D 打印组件和未来应用

新模型的一项关键验证测试涉及优化用于直接墨水书写 (DIW) 打印机的 3D 打印电加热打印墨盒。组件通过焦耳加热来调节墨水粘度，其中施加的电流产生受控热量。

初始设计产生的温度分布不均匀，电极接触点附近过热，其他区域加热不足。利用计算机框架，研究人员优化了灯丝沉积策略，使电势分布更均匀。最终设计展示了改进的热调节，确保了墨水粘度的一致控制，并消除了加热不均匀造成的缺陷。

△将计算机模拟平台应用于 DIW 打印机的 3D 打印可加热墨盒的最佳设计。图片来自《自然》。

这种计算-实验混合框架为设计 3D 打印电子元件、可穿戴传感器和智能材料的增材制造工程师提供了宝贵的工具。在制造之前模拟和优化多功能响应的能力可能会推动航空航天、生物医学设备和柔性电子产品的发展。

通过将微尺度材料行为与大规模结构特性联系起来，新的计算机模拟平台为导电聚合物设计提供了一种系统方法。未来的研究可能会将模型扩展到具有替代导电填料（如石墨烯或银纳米线）的复合材料，从而将其适用范围扩大到下一代电子和结构部件。