形狀記憶聚合物+導(dǎo)電材料，歐空局用桌面機(jī)實(shí)現(xiàn)4D打印

2023年6月2日，南極熊獲悉，歐洲航天局 (ESA)項(xiàng)目承包商Zortrax的研發(fā)團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)一種針對(duì)航天工業(yè)應(yīng)用的新型4D打印技術(shù)。據(jù)悉，這種新型4D 打印技術(shù)是使用Zortrax公司的M300 Dual FDM 打印機(jī)和改進(jìn)版 Z-SUITE 來3D 打印由形狀記憶聚合物和導(dǎo)電材料制成的結(jié)構(gòu)，有望應(yīng)用到未來的太空任務(wù)中。

4D打印技術(shù)相對(duì)于3D打印，多出來的第四個(gè)維度就是時(shí)間。4D 打印的物體可以改變它們的幾何形狀和其他屬性，以響應(yīng)各種刺激，例如溫度、濕度、電流等。

Zortrax SA 研發(fā)主管Michał Siemaszko 說：“4D 打印引起了航天工業(yè)的極大興趣，因?yàn)閺睦碚撋现v，該技術(shù)可以使工程師和任務(wù)設(shè)計(jì)人員減輕天線、吊桿或各種傳感器等可展開結(jié)構(gòu)的重量。以傳統(tǒng)方式制造的此類結(jié)構(gòu)的重量始終是結(jié)構(gòu)本身和應(yīng)該部署它的機(jī)制的總和。但是，如果有可能完全擺脫部署機(jī)制，它們就可以做得更輕更小。”

△Zortrax 向 ESA 交付的 4D打印技術(shù)演示器。

2013 年，麻省理工學(xué)院的一組研究人員 3D 打印了具有可編程變形能力的物體，這種物體暴露在熱刺激環(huán)境下可以被觸發(fā)。然而，在這項(xiàng)技術(shù)找到實(shí)際應(yīng)用之前，還需要克服一些挑戰(zhàn)。例如：打印物體的變形過程完全取決于環(huán)境的溫度變化，只有當(dāng)溫度達(dá)到一定水平時(shí)才會(huì)觸發(fā)；無法按順序部署此類結(jié)構(gòu)，因?yàn)檎麄€(gè)物體會(huì)同時(shí)被加熱；控制環(huán)境也不總是一種選擇，尤其是在太空中。由 ESA 資助的 Zortrax 則是致力于解決這些挑戰(zhàn)。

Zortrax 研發(fā)團(tuán)隊(duì)使用本公司研發(fā)的 M300 Dual FDM 3D 打印機(jī)和 Zortrax 的 3D 打印軟件 Z-SUITE 的升級(jí)版本來 3D 打印由形狀記憶聚合物和導(dǎo)電材料制成的結(jié)構(gòu)。

△Zortrax 的 M300 雙 3D 打印機(jī)。

Zortrax SA 材料開發(fā)負(fù)責(zé)人Dawid Piastowski 表示：“通過將M300 Dual 的雙噴頭 3D 打印工藝和這些先進(jìn)材料相結(jié)合，為構(gòu)建可靠、輕便的機(jī)制開辟了一條清晰的道路，這些機(jī)制無需單獨(dú)的執(zhí)行器、引擎或控制電路即可運(yùn)行，這在能源等領(lǐng)域至關(guān)重要。”

在這些機(jī)制中，形狀記憶聚合物用作致動(dòng)器，導(dǎo)電材料用作電動(dòng)加熱器。通過這種方式，可以構(gòu)建技術(shù)演示器來展示三種類型的運(yùn)動(dòng)——彎曲、扭轉(zhuǎn)和展開——只需按一下按鈕即可激活。

ESA 材料物理和化學(xué)工程師 UgoLafont 博士說：“激活 4D 打印機(jī)制最常用的刺激是溫度。從空間應(yīng)用來看，溫度變化的幅度可能非常大，即使可以作為變形激活的觸發(fā)器，也很難逐步控制。所以在太空系統(tǒng)中，控制電輸入更容易。該項(xiàng)目背后的想法是利用熱誘導(dǎo)的形狀變化能力，但通過電流產(chǎn)生的熱量可以實(shí)現(xiàn)更可控的激活。這些概念正在接受評(píng)估，因?yàn)樗鼈冇锌赡軠p少復(fù)雜系統(tǒng)中的零件數(shù)量，同時(shí)保持其提供受控、按需移動(dòng)和驅(qū)動(dòng)的能力?！?/div>

對(duì)于 Zortrax 而言，該項(xiàng)目的成功完成為更先進(jìn)的項(xiàng)目開辟了一條道路，需要更多資金來進(jìn)一步開發(fā)這項(xiàng)技術(shù)，并最終使電激活 4D 打印部件為太空任務(wù)做好準(zhǔn)備。