肯尼索州立大学利用先进模拟技术优化3D打印，零件强度提升近3倍

    2025年12月7日，美国肯尼索州立大学的机械工程研究团队正在利用3D打印技术，探索如何优化核燃料效率。该校最新研究表明，调整打印设置可以显著提升部件性能，使打印部件的强度提升近三倍，并为更安全、更高效的设计提供途径。
 

核燃料现状与挑战
     目前，核燃料通常以硬币大小的颗粒形式存在，并以类似硬币堆叠的方式排列在燃料棒内。在核反应过程中，这些颗粒会加热膨胀并与燃料棒的内壁接触。然而，由于缺乏足够的膨胀空间，这些颗粒必须在燃料完全耗尽之前被移除，从而限制了燃料的利用率。
       工程技术系副主任Aaron Adams博士解释道：“采用复杂的3D打印技术，创造具有内部通道和新的晶格结构的材料，能够为燃料颗粒提供膨胀空间，显著提高效率和安全性。”
 

        通过3D打印，团队能够精确设计并制造出具有特定晶格角度和密度的结构，从而优化燃料的热膨胀特性。机电工程专业的学生Eric Miller负责设计模型、准备仿真并通过有限元分析（FEA）测试不同设计的效果。他指出，这项研究超越了机电一体化课程的范畴，帮助他更深入地理解了材料力学的关键概念。
       Miller表示：“我想更深入地了解机械工程领域，因为在机电一体化领域，我们对这方面的关注较少。学习材料力学和有限元分析对我来说是一次非常棒的学习经历。我小时候比较笨手笨脚，经常弄坏东西。现在，我用一台200美元的打印机和免费软件，就能自己制作损坏物品的替换零件了。它让我能够想象一些东西，然后在家里把它做出来，即使它不像核燃料那么复杂。”

推动能源安全与制造业发展
      该团队在开展大规模模拟时，面临了技术和资源上的挑战。为了能够精确模拟曲面几何体，所需的计算网格尺寸几乎达到了实验室计算资源的极限。然而，Adams博士强调，这些挑战也是教学的一部分，学生在面对这些技术难题时，能够更好地提升自身解决问题的能力。Adams补充道：“如果要用一个词来总结最大的挑战，那就是资源，尤其是在进行高计算量的模拟时。尽管如此，我们团队总能超越预期，出色地完成任务。”
      SPCEET院长Lawrence Whitman表示：“这项研究不仅具有学术价值，更对国家能源安全及制造业的未来发展至关重要。通过实践应用，团队正为能源行业提供创新解决方案，同时增强美国制造业的竞争力。”Adams博士将在即将召开的美国机械工程师协会（ASME）年会上，分享团队的研究成果，展示3D打印在提升核燃料效率方面的巨大潜力。这一研究不仅代表了机械工程领域的前沿技术，也为解决核能行业面临的挑战提供了全新的思路。