3D打印被用于辅助地震研究

来自芝加哥大学、首尔国立大学和加州理工学院的一组研究人员使用洛杉矶沉积盆地的 3D 打印模型进行了一系列地震实验,以更好地了解地震的危害。该团队昨天在美国地球物理联盟 (AGU) 的 2021 年秋季会议上展示了他们的发现,揭示了对建筑物最具破坏性的最高频率地震波实际上在模型的盆地内减弱或减弱,与长期接受的数值模拟建议,即在盆地内放大地面震动。

3D打印被用于辅助地震研究

洛杉矶盆地由美国宇航局的 ASTER 地球观测仪器成像和绘制。照片来自美国宇航局喷气推进实验室。
盆地地震建模

沉积盆地是起源于洼地的地质结构,随着时间的推移被密度较低的物质填满,例如由滑坡和河流沉积的物质。洛杉矶、墨西哥城和圣地亚哥等地震多发城市都位于自然形成的沉积盆地中,在这些盆地中,传统的数值建模技术表明地面震动会被放大。通常用于理解沉积盆地中的地面运动,数值建模方法通常受限于空间分辨率并受输入方程的约束。由于模型的空间分辨率和运行所需的计算时间之间的权衡,在数值模型中再现沉积盆地的小尺度细节具有挑战性。为了解决这些缺点,芝加哥大学地震学家 Sunyoung Park 和她的同事转向 3D 打印模型,以更严格地研究地震波如何穿过沉积盆地。

使用 3D 打印模型模拟地震

Park 和她的团队在意识到他们可以在模型中再现相对较小的自然密度变化后,开始了洛杉矶盆地的 3D 打印模型,对应于现实生活中大约 10 米的大小。据研究人员称,与相同景观的数值模型相比,3D 打印模型的空间分辨率大约高 10 倍。该团队对橡胶和塑料材料进行了试验,以形成他们模型的基础,并最终选择了不锈钢,因为它具有刚性和随后更大范围的材料特性。他们使用 SLS 3D 打印工艺铺设连续的粉末不锈钢层,然后使用激光加热并烧结在一起。该团队改变了打印参数,例如烧结激光和粉末的速度,以控制模型的孔隙率,并能够打印各种密度的模型。研究人员制作了尺寸为 20 x 4 x 1 厘米的模型,以 1 到 250,000 的比例捕捉了 50 公里宽的洛杉矶盆地内的一系列地质结构。打印完结构后,该团队开始进行一系列地震实验,以了解地震波如何穿过模型盆地。研究人员通过用兆赫兹频率的激光轰击 3D 打印模型产生了微小的地震。激光脉冲的热能加热模型并引起不同应力,从而转化为运动。该团队记录了模型顶部的地面运动,以十分之一纳米为单位,并发现模型中较高的地面运动频率通常在盆地内降低。事实上,地震波倾向于在盆地边缘有选择地反射回来。这些发现与数值模拟预测相矛盾,即沉积盆地是地面运动的放大器,未来将有更多的领域需要使用 3D 打印模型进行研究。例如,在他们的实验中,科学家们还发现激光脉冲触发了掠过模型顶面的空中波。由于空中波受当地地形的严重影响,后续工作可能包括在模型表面添加丘陵和山脉等特征,并测量空中波的传播方式。

3D打印被用于辅助地震研究
地震前阿马特里斯的鸟瞰图。图片来自:appenninico.it

3D打印模型应用

除了这一最新发展,过去 3D 打印已用于应对地震。早在 2015 年,一位纳帕当地人就制作了8 月 24 日发生在旧金山附近的纳帕的 6.0 级地震的峰值地面速度 (PGV) 信息的3D 打印视觉表示。次年,意大利小镇阿马特里切 (Amatrice ) 遭受地震袭击,造成 297 人死亡,随后的一年里,它利用 3D 打印技术以复杂模型的形式使这座城市永垂不朽。除了地震,3D 打印模型在其他各种领域都有应用。最突出的是医疗和牙科领域的解剖模型,其中 3D 打印可实现全彩色逼真度和准确性,支持复杂手术的规划,并帮助患者更好地了解他们的治疗。在其他地方,3D 打印模型已被用于帮助伤口敷料研发、帮助开发针对受感染烧伤的治疗方法,并帮助执法官员打击野生动物贩运。

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