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4D打印技术加工新型复合材料

导读: 美国科罗拉多大学博尔德分校的研究人员已成功在其打印技术中加入第四个维度,为在制造、封装和生物医学中应用的自适应复合材料的制造和使用带来可能。

  美国科罗拉多大学博尔德分校的研究人员已成功在其打印技术中加入第四个维度,为在制造、封装和生物医学中应用的自适应复合材料的制造和使用带来可能。

  该研究团队由科罗拉多大学博尔德分校机械工程学院副教授H.杰里奇领导,他和其合作伙伴——来自新加坡科技设计大学的马丁·L·邓恩一起,已经开发出4D打印方法,并对其进行了测试。这些研究人员将“形状记忆”聚合纤维加入传统3D打印使用的复合材料中,从而生产出在某一种形状上的固定对象,而这一形状稍后会转化为一种新的形状。

  前科罗拉多大学博尔德分校机械工程学院成员邓恩称,“在此工作中,由3D打印创建最初配置,然后由形状记忆纤维的编程行动创建与配置相关的时间——4D方面”。邓恩对复合材料的力学和物理学研究已超过20余年。

  4D打印的概念最初由麻省理工学院斯凯勒·蒂比茨于2013年4月提出,允许材料“自我组装”成3D结构。蒂比茨和其团队将“智能”材料产生层与一股塑料进行结合,该“智能”材料能在水中实现“自我组装”。

  邓恩表示,“我们通过创建复合材料推进了这一概念发展,这些复合材料可基于一种不同物理机制变形为许多不同的复杂形状。使用形状记忆聚合物纤维生成复合材料所需的形状变化的秘密在于,如何设计纤维的架构,包括其位置、方向和其他因素。”

  杰里奇表示,“最吸引人的事情就是这些形状在设计阶段就被定义了,而这些在前几年是不可能是实现的。”

  该团队对复合材料内纤维的方向和位置如何确定形状记忆的影响程度进行了演示,如折叠、卷曲、拉伸或扭曲。这些研究人员也演示了,通过对这些复合材料进行加热或冷却来控制这些影响的能力。

  杰里奇称,3D打印技术已经历了30多年的发展历程。这项技术近期才发展到此阶段,即当目标受到热和机械推力时,活性纤维可纳入复合材料中,以便对其行为进行预知控制。

  这项技术可为各种应用带来令人兴奋的可能性。杰里奇表示,太阳能电池或类似产品可在功能性设备可很容易地安装的平面配置中生产。随后,它将被转变为一个紧凑形状用于封装和运输。在达到目的地后,该产品将会被激活以形成一种功能可优化的不同形状。

  本月早些时候,美国陆军研究办公室也宣布,他们已经授予某大学的三位研究人员85.5万美元资金,用于开发4D材料,希望将这项技术变为现实。对可改变结构的汽车涂料以适应潮湿环境或碱性道路,更好地保护汽车免受腐蚀;或可改变士兵伪装的制服或更有效的防止有毒气体或弹片接触,一份新闻稿件对这些概念进行了调侃。

  随着3D打印技术的逐步成熟,拥有更多可打印的材料和在更大规模内的更高分辨率,研究人员应帮助提供一种新方式,以在工程领域创建可逆或可调谐的3D曲面和实体,如用于汽车、飞机和天线的复杂形状复合外壳。

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