格拉斯哥大學(xué)工程團(tuán)隊(duì)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(jìn)展。團(tuán)隊(duì)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?fù)湓O(shè)計(jì)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?yàn)樗鼈兙哂歇?dú)特的變形特性，拉伸時(shí)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(shí)現(xiàn)拉脹結(jié)構(gòu)的精細(xì)調(diào)整至關(guān)重要。目前，內(nèi)衣設(shè)計(jì)師、頭盔制造商以及軟體機(jī)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(jiān)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(shí)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(jì)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。”

這種自感知功能是通過壓阻原理實(shí)現(xiàn)的。簡單來說，壓阻效應(yīng)是由于機(jī)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(dāng)打印組件受到壓縮、沖擊和拉伸等各種應(yīng)變時(shí)，可以測量電導(dǎo)率變化，從而實(shí)時(shí)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(tuán)隊(duì)還開發(fā)了一種計(jì)算模型，可以預(yù)測材料在各種應(yīng)變和負(fù)載條件下的行為。這意味著團(tuán)隊(duì)可以在“打印”之前準(zhǔn)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(shí)間。

Kumar教授補(bǔ)充道：“通過結(jié)合設(shè)計(jì)、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(jì)’的理念，讓材料不僅堅(jiān)固輕便，而且智能化，能夠隨著時(shí)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(shí)應(yīng)用到PEEK長期智能結(jié)構(gòu)

去年，同一工程師團(tuán)隊(duì)對3D打印晶格結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入研究，并發(fā)布了一個(gè)包含56種拉脹晶格幾何形狀的庫。然而，在這個(gè)項(xiàng)目中，團(tuán)隊(duì)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(jiān)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(jì)非常適合臨時(shí)應(yīng)用，例如低負(fù)荷生物醫(yī)學(xué)植入物中的智能支架，或嵌入運(yùn)動(dòng)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(qiáng)調(diào)，這項(xiàng)工作的最終目標(biāo)是為設(shè)計(jì)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(jiān)固”。這種能力可能會對航空航天、個(gè)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。