2020年4月23日,南極熊從外媒獲悉,來(lái)自普渡大學(xué)和Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員,利用3D打印機(jī)開(kāi)發(fā)了一種新的方法來(lái)了解巖石斷裂的發(fā)生方式和時(shí)間。
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2020-4-23 10:23 上傳
(a)波紋斷裂面草圖。(b)美國(guó)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(cè)和預(yù)測(cè)斷裂的能力,對(duì)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(duì)于了解其他星球上的橋梁和人類(lèi)居住地等三維結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)完整性也可能很重要。
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2020-4-23 10:10 上傳
Pyrak-Nolte教授利用3D成像技術(shù),在項(xiàng)目中工作,照片來(lái)自普渡大學(xué)
3D打印是如何實(shí)現(xiàn)突破的
在開(kāi)始使用3D打印技術(shù)之前,普渡大學(xué)教授Pyrak-Nolte和學(xué)生 Liyang Jiang等不得不在天然巖石樣本上做實(shí)驗(yàn),或者用礦泉水和粉末制作巖石樣本來(lái)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?yàn)槊繅K巖石都有不同的特征和特點(diǎn)。其中一個(gè)特點(diǎn)是它們的 "礦物結(jié)構(gòu) "的取向,或者說(shuō)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(xué)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(shí)驗(yàn),這使得他們可以控制人造巖石的每一個(gè)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(duì)所施加的壓力的反應(yīng)來(lái)識(shí)別巖石。
Jiang評(píng)論說(shuō):"因?yàn)橛辛诵碌?D打印技術(shù),我們能夠?qū)r石進(jìn)行測(cè)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(jì)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(lèi)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(jī)制作了人工石膏巖,其特點(diǎn)是模仿自然形成的巖石中的層數(shù)。
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2020-4-23 10:24 上傳
△樣品幾何形狀的草圖。藍(lán)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(guò)程中的斷裂痕跡。同時(shí)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(shí)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(jī)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(guò)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(kāi)始注意到它們的斷裂方式有了規(guī)律。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),他們只需要看一下巖石的斷裂類(lèi)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(shuō):"如果我們了解了波紋是如何產(chǎn)生的,僅僅通過(guò)觀察巖石樣品,我們就可以遠(yuǎn)程預(yù)測(cè)斷裂的幾何形狀和流體的優(yōu)先流動(dòng)路徑。"
雖然這項(xiàng)研究還在進(jìn)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(bào)告的作者是Liyang Jiang, Hongkyu Yoon, Antonio Bobet and Laura J. Pyrak-Nolte。
普渡大學(xué)和增材制造
普渡大學(xué)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(xué)在去年8月的一次通用電氣贊助的比賽中進(jìn)入了決賽,該比賽挑戰(zhàn)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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(xué)機(jī)械工程學(xué)院的研究人員在3月初發(fā)表了一份研究報(bào)告,詳細(xì)介紹了可追蹤的3D打印微型機(jī)器人的發(fā)展。雖然其他的微型機(jī)器人由于體積小而在應(yīng)用上受到限制,但研究團(tuán)隊(duì)的新型圖案化方法有望使其適用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。
制藥公司也在利用普渡大學(xué)的專(zhuān)業(yè)知識(shí),Aprecia制藥公司本月初宣布與該大學(xué)藥學(xué)院合作。他們的合作將專(zhuān)注于開(kāi)發(fā)未來(lái)的3D打印制藥設(shè)備和藥物,使學(xué)院的教師、研究學(xué)者和學(xué)生一起交流,共同參與研究合作。
編譯自:3dprintingindustry
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