Els metamaterials tèrmics són un tipus de material compost que controla i regula la conducció de calor mitjançant estructures dissenyades artificialment i han mostrat un gran potencial d’aplicació en molts camps en els darrers anys. El mantell tèrmic és particularment atractiu. Pot guiar el flux de calor per evitar una àrea específica, fent que la zona sigui "invisible" al camp tèrmic, aconseguint així una manipulació efectiva del flux de calor.
Tanmateix, en el camp del disseny i la fabricació de dispositius tèrmics no conformals, sempre hi ha hagut molts reptes. Els mètodes de fabricació tradicionals tenen limitacions òbvies quan es tracta de components complexos amb alta integritat estructural i propietats mecàniques. L’objectiu de disseny de la calor no conformal: la conducció de metamaterials de cloaking és trencar els grillons de les formes geomètriques tradicionals per aconseguir un control de la ruta de conducció de calor més complex, però la complexitat geomètrica resultant ha augmentat la dificultat de fabricació.
L’equip del professor Tian Xiaoyong a la Universitat de Xi’an Jiaotong ha avançat recentment. Van proposar una tecnologia d’impressió 3D incrustada de fibra metàl·lica contínua per fabricar metamaterials de cloaking no conformals de calor. Aquesta tecnologia combina els processos d'impressió d'extrusió de material (MEX) i incrustacions metàl·liques per aconseguir la fabricació de precisió d'estructures compostes de polímer.
Durant el procés de fabricació, l'equip va determinar la relació òptima de material i el mètode d'incrustació mitjançant càlculs precisos. Van utilitzar cables de PLA i coure amb alta conductivitat tèrmica per construir una estructura composta, garantint que el dispositiu presenti característiques ideals de calor i conducció anisotròpica. En termes d’innovació de processos i optimització de paràmetres, l’equip ha desenvolupat diversos processos innovadors, aconseguint un control independent i precís de l’extrusió de polímer pur i la incrustació de filferro. Aquesta mesura ha resolt el problema d’enllaç d’interfície en la impressió 3D composta tradicional causada per la diferència de punts de fusió de materials. L’equip també afavoreix l’enllaç estret entre el metall i el polímer mitjançant la regulació precisament de la temperatura de la boquilla i la pressió d’incrustació, eliminant els passos de processament i introduint una fórmula de càlcul de bonificació d’incrustació i una estratègia de control d’alçada de la boquilla per assegurar tot el procés. Pel que fa a la construcció del marc teòric, l'equip va combinar la teoria de la termodinàmica de transformació i la teoria de la discretització conformal per primera vegada i va construir un marc teòric per a la conducció de calor no conformal. Introduint la transformació del tensor de conductivitat tèrmica, s’aconsegueix una conversió de mapatge precisa de coordenades virtuals a l’espai real, proporcionant una base sòlida i una capacitat de predicció per al disseny d’estructures de cloaking complexes que condueixen la calor. Els resultats experimentals mostren que els metamaterials de cloaking no conformals no conformals fabricats per aquesta tecnologia poden regular precisament el flux de calor, fent que la calor superi de manera efectiva àrees específiques i la zona de cloaking arribi a la uniformitat de la temperatura prevista. Això verifica completament l’elevada controlabilitat del procés de fabricació i l’excel·lent efecte de cloaking tèrmic, i també mostra l’elevada integritat estructural i un excel·lent rendiment d’aquest metamaterial. En termes d’aplicació, aquesta tecnologia té un valor d’aplicació pràctic en camps com la protecció tèrmica aeroespacial i la dissipació de calor dels dispositius electrònics. Per exemple, es pot utilitzar per fabricar sistemes eficients de protecció tèrmica i materials de dissipació de calor.
En resum, la tecnologia d’impressió 3D incrustada de fibra de metall contínua proporciona noves idees per resoldre les limitacions dels mètodes de fabricació tradicionals. Amb la millora i l’optimització contínua en tots els aspectes, els metamaterials tèrmics mostraran àmplies perspectives d’aplicació i un gran valor econòmic en més camps.