格拉斯哥大学工程团队研发自感应3D打印PEEK材料

2025年7月16日，南极熊获悉，格拉斯哥大学的研究人员在智能自感应3D打印塑料的研发方面取得了新的进展。团队利用增材制造技术和PEEK（聚醚醚酮）材料，创造出具有可编程特性的膨胀结构，适用于生物医学和工程领域。

△相关成果已发表在《Materials Horizons》期刊上，题目为“具有可编程应变传感、辅助性和故障模式的拓扑设计压阻晶格”（传送门）

拉胀材料在3D打印领域越来越受到关注，因为它们具有独特的变形特性，拉伸时宽度会增加，而不是变长。3D打印技术擅长创建复杂的几何形状，这对于实现拉胀结构的精细调整至关重要。目前，内衣设计师、头盔制造商以及软体机器人工程师都在积极探索利用这些材料的潜力。

△一种能够感应压力变化、具有辅助特性和故障处理功能的压阻晶格预览图

3D打印的膨胀PEEK结构具备自我感知能力

研究人员表示，PEEK是一种广泛应用于工程和生物医学的坚韧且生物相容的工业级热塑性塑料，由此创建的结构不仅具备拉胀特性，还通过集成碳纳米管实现了自感应功能。

该研究的通讯作者、格拉斯哥大学詹姆斯·瓦特工程学院材料与增材制造专家Shanmugam Kumar教授解释说：“我们已经证明，设计出不仅具有拉胀性，而且无需嵌入电子设备就能感知应变和损伤的PEEK晶格是可能的。这有望在智能骨科植入物、航空航天蒙皮甚至可穿戴技术等领域实现新的应用。”

这种自感知功能是通过压阻原理实现的。简单来说，压阻效应是由于机械应变引起的电阻率变化。通过在3D打印的PEEK材料中添加碳纳米管，工程师们有效地赋予了打印晶格电导率。当打印组件受到压缩、冲击和拉伸等各种应变时，可以测量电导率变化，从而实时反馈结构的状态。

△自感应3D打印PEEK材料创建过程

除了以双端“Y”形图案为特征的自感应结构外，研究团队还开发了一种计算模型，可以预测材料在各种应变和负载条件下的行为。这意味着团队可以在“打印”之前准确预测和优化打印结构的属性和行为，从而节省开发过程中的材料和时间。

Kumar教授补充道：“通过结合设计、制造和预测模型，我们现在可以创造出完全符合特定应用需求的材料，无论是吸收冲击、感知损伤还是以可控的方式变形。这意味着我们可以迈向‘为失效而设计’的理念，让材料不仅坚固轻便，而且智能化，能够随着时间的推移监测自身的完整性。”

△ (a) FFF 增材制造工艺示意图和 (b) 宏观压阻测试示意图

从PLA临时应用到PEEK长期智能结构

去年，同一工程师团队对3D打印晶格结构进行了深入研究，并发布了一个包含56种拉胀晶格几何形状的库。然而，在这个项目中，团队专注于使用注入炭黑的PLA材料来赋予热塑性导电性。尽管PEEK因坚韧耐用的特性更适合工业应用，但PLA也能发挥一定作用。

正如Kumar教授所阐述的：“基于PLA的设计非常适合临时应用，例如低负荷生物医学植入物中的智能支架，或嵌入运动装备中的一次性传感器。另一方面，基于PEEK的材料则为在要求更高的环境中制造永久性承重智能组件打开了大门。”

教授解强调，这项工作的最终目标是为设计师提供“构建下一代多功能材料的工具包，这些材料既智能又坚固”。这种能力可能会对航空航天、个性化医疗和健康监测等领域的应用产生巨大影响。