在开发先进3D打印材料的过程中，消除猜测的研究可以帮助加速新型“自我感知”飞机、机器人、桥梁等的开发。
由格拉斯哥大学的研究人员领导的一个工程师团队开发了第一个能够对3d打印复合材料的复杂物理建模的系统，该系统能够仅使用电流测量来检测应变，负载和损坏。
通过允许材料科学家第一次提前预测如何微调新结构以产生强度，刚度和自传感特性的特定组合，它可以帮助催化该技术革命性新应用的发展。
在航空航天和汽车领域，利用该团队的见解生产的新材料可以实时监控飞机、航天器和车辆部件的结构完整性，从而提高安全性和维护效率。
对于土木工程来说，这些材料可以通过对桥梁、隧道和高层建筑的结构进行持续评估，在导致倒塌之前就发现问题，从而促进智能基础设施的发展。它们可以为自动化制造中的机器人提供类似的好处，甚至可以帮助战场上的士兵密切关注他们防弹衣的完整性。
3D打印，也被称为增材制造，可以通过使用塑料、金属或陶瓷等材料一层一层地构建复杂结构。
随着技术的发展，研究人员已经能够创造出具有独特性能的越来越复杂的材料。例如，在结构内部引入蜂窝状室的晶格，可以使材料巧妙地平衡重量和结构强度。
将碳纳米管的细链编织在材料中，可以让材料携带电流，通过一种叫做压阻性的现象，使材料具有监测自身结构完整性的能力。当电流的读数发生变化时，它可以表明材料已被压碎或拉伸，从而允许采取行动来解决故障。
格拉斯哥大学詹姆斯瓦特工程学院的Shanmugam Kumar教授领导了这项研究，研究结果发表在《高级功能材料》杂志上。他说:“将压阻行为赋予3d打印的细胞材料，使它们能够在没有任何额外硬件的情况下监测自身的性能。
这意味着我们可以给便宜、相对容易制造的材料注入非凡的能力，检测它们何时受到损害，并测量它们的受损程度。这些类型的晶格材料，我们称之为自主传感结构材料，具有巨大的未开发潜力，可以在各个领域创造先进的应用。
“虽然研究人员已经知道这些特性有一段时间了，但我们无法做到的是提供一种方法，提前知道创造新型自我传感材料的新尝试有多有效。相反，我们经常依靠反复试验来确定开发这些材料的最佳方法，这既耗时又昂贵。”
在论文中，研究人员描述了他们是如何通过一系列严格的实验室实验和建模来开发他们的系统的。
他们使用一种被称为聚醚酰亚胺(PEI)的塑料与碳纳米管混合，创造了一系列四种不同的轻质晶格结构设计。然后测试了这些设计的刚度、强度、能量吸收和自感知能力。
利用复杂的计算机建模，他们开发了一个系统，旨在预测材料对各种负载的反应。然后，他们验证了他们的多尺度有限元模型的预测，通过在现实世界条件下对材料进行深入分析，利用红外热成像实时可视化流过材料的电流，利用这些材料内部热量和电流之间的类比。
他们发现，他们的模型可以准确地预测材料对各种应力和应变组合的反应，以及它们的电阻将如何受到影响。该结果可以通过在第一个真实世界的原型打印之前提供对拟议新材料如何表现的见解，从而帮助支撑增材制造的未来发展。
该研究建立在该团队之前的发展基础上，该团队最近发表了一篇论文，展示了另一种建模方法，使研究人员能够预测增材制造引起的缺陷如何影响任何新设计的结构完整性。
Kumar教授补充说:“通过这项研究，我们开发了一个全面的系统，能够模拟自传感3d打印材料的性能。通过严格的实验和理论，它代表了同类系统中第一个能够跨多个尺度建模3d打印材料并结合多种物理类型的系统。”
“虽然我们在论文中专注于嵌入碳纳米管的PEI材料，但我们的结果所基于的多尺度有限元建模可以很容易地应用于其他材料，这些材料也可以通过增材制造制造出来。
“我们希望这种方法能鼓励其他研究人员开发新的自主传感结构材料，在广泛的行业中释放这种方法在材料设计和开发中的全部潜力。”
