美國(guó)科羅拉多大學(xué)博爾德分校的研究人員已成功在其打印技術(shù)中加入第四個(gè)維度，為在制造、封裝和生物醫(yī)學(xué)中應(yīng)用的自適應(yīng)復(fù)合材料的制造和使用帶來(lái)可能。
該研究團(tuán)隊(duì)由科羅拉多大學(xué)博爾德分校機(jī)械工程學(xué)院副教授H.杰里奇領(lǐng)導(dǎo)，他和其合作伙伴——來(lái)自新加坡科技設(shè)計(jì)大學(xué)的馬丁·L·鄧恩一起，已經(jīng)開發(fā)出4D打印方法，并對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試。這些研究人員將“形狀記憶”聚合纖維加入傳統(tǒng)3D打印使用的復(fù)合材料中，從而生產(chǎn)出在某一種形狀上的固定對(duì)象，而這一形狀稍后會(huì)轉(zhuǎn)化為一種新的形狀。
前科羅拉多大學(xué)博爾德分校機(jī)械工程學(xué)院成員鄧恩稱，“在此工作中，由3D打印創(chuàng)建最初配置，然后由形狀記憶纖維的編程行動(dòng)創(chuàng)建與配置相關(guān)的時(shí)間——4D方面”。鄧恩對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)和物理學(xué)研究已超過(guò)20余年。
4D打印的概念最初由麻省理工學(xué)院斯凱勒·蒂比茨于2013年4月提出，允許材料“自我組裝”成3D結(jié)構(gòu)。蒂比茨和其團(tuán)隊(duì)將“智能”材料產(chǎn)生層與一股塑料進(jìn)行結(jié)合，該“智能”材料能在水中實(shí)現(xiàn)“自我組裝”。
鄧恩表示，“我們通過(guò)創(chuàng)建復(fù)合材料推進(jìn)了這一概念發(fā)展，這些復(fù)合材料可基于一種不同物理機(jī)制變形為許多不同的復(fù)雜形狀。使用形狀記憶聚合物纖維生成復(fù)合材料所需的形狀變化的秘密在于，如何設(shè)計(jì)纖維的架構(gòu)，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這些形狀在設(shè)計(jì)階段就被定義了，而這些在前幾年是不可能是實(shí)現(xiàn)的。”
該團(tuán)隊(duì)對(duì)復(fù)合材料內(nèi)纖維的方向和位置如何確定形狀記憶的影響程度進(jìn)行了演示，如折疊、卷曲、拉伸或扭曲。這些研究人員也演示了，通過(guò)對(duì)這些復(fù)合材料進(jìn)行加熱或冷卻來(lái)控制這些影響的能力。
杰里奇稱，3D打印技術(shù)已經(jīng)歷了30多年的發(fā)展歷程。這項(xiàng)技術(shù)近期才發(fā)展到此階段，即當(dāng)目標(biāo)受到熱和機(jī)械推力時(shí)，活性纖維可納入復(fù)合材料中，以便對(duì)其行為進(jìn)行預(yù)知控制。
這項(xiàng)技術(shù)可為各種應(yīng)用帶來(lái)令人興奮的可能性。杰里奇表示，太陽(yáng)能電池或類似產(chǎn)品可在功能性設(shè)備可很容易地安裝的平面配置中生產(chǎn)。隨后，它將被轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)緊湊形狀用于封裝和運(yùn)輸。在達(dá)到目的地后，該產(chǎn)品將會(huì)被激活以形成一種功能可優(yōu)化的不同形狀。 本月早些時(shí)候，美國(guó)陸軍研究辦公室也宣布，他們已經(jīng)授予某大學(xué)的三位研究人員85.5萬(wàn)美元資金，用于開發(fā)4D材料，希望將這項(xiàng)技術(shù)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。對(duì)可改變結(jié)構(gòu)的汽車涂料以適應(yīng)潮濕環(huán)境或堿性道路，更好地保護(hù)汽車免受腐蝕；或可改變士兵偽裝的制服或更有效的防止有毒氣體或彈片接觸，一份新聞稿件對(duì)這些概念進(jìn)行了調(diào)侃。
隨著3D打印技術(shù)的逐步成熟，擁有更多可打印的材料和在更大規(guī)模內(nèi)的更高分辨率，研究人員應(yīng)幫助提供一種新方式，以在工程領(lǐng)域創(chuàng)建可逆或可調(diào)諧的3D曲面和實(shí)體，如用于汽車、飛機(jī)和天線的復(fù)雜形狀復(fù)合外殼。
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