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用4D打印技术制造自我折叠器件

时间: 2015年11月13日 | 作者: admin | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
研究人员利用对温度的反应有细微差异的几种智能形状记忆材料制作零件,实现了一种能让复杂结构自行折叠的4D打印技术。


图片展示了智能形状记忆材料的自行折叠过程,它们对温度有些微不同的响应。采用折叠速率有细微差别的材料对于确保折叠时组件之间不会相互妨碍是很重要的。图片来源:Qi实验室,佐治亚理工学院

由佐治亚理工学院和新加坡技术和设计大学的研究者共同研发的这项技术可制造出由组件自行折叠形成的3D结构,这些组件可以是压扁或卷成管状的,从而方便运输。组件能以准确定时的方式对温度、湿度或光线等刺激做出反应,从而形成立体结构、可展开医疗设备、机器人玩具和其他各种结构。

研究人员利用了智能形状记忆聚合物(smart shape memory polymers,SMPs)。这种聚合物能够记忆某种形状,当均匀受热时,它又会变成另一种计划好的形状。按定制图纸把多种具备不同动态机械特性的材料打印成3D物体,就可以制造出一种可控预定顺序改变形状的物体了。当这些部件被加热,每种SMP会以不同的速率改变形状,具体取决于它自己的内部时钟。精确地设计这些材料改变形状的时间顺序,就能让三维物体自行组装。

这项研究于9月8日发表在《科学报告》上,这是自然出版集团出版的刊物之一。这项研究由美国空军科学研究局(the U.S. Air Force Office of Scientific Research)、美国国家科学基金会(the U.S. National Science Foundation)和新加坡国立研究基金会(Singapore National Research Foundation)通过新加坡科技设计大学的数字制造与设计中心(the SUTD DManD Centre)资助。

这项研究利用多种不同的SMP材料按照设计好的模式通过3D打印制作出自折叠结构。这种3D打印模式可以让做出来的扁平组件对同一个刺激有快慢各异的反应。而过去的方法要求对扁平结构的各个特定位置施加不同的温度,以刺激形状改变。

“早先用于让器件发生连续形变的方法要在器件的特定区域放置加热器,然后控制单个加热器的开关时间。”Jerry Qi解释道,他是佐治亚理工学院George W. Woodruff机械工程学院(the George W. Woodruff School of Mechanical Engineering)的一名教授,“之前的方案实际上要在时间和空间两方面控制整个器件的温度,十分复杂。我们改变了这种方案,在空间中统一施加相同的温度(这就很容易做到),通过不同材料的分子设计来开发它们内部控制自身形状改变速度的能力。”

研究团队用一系列实例证实了这种方案的可行性。其中包括一种能从扁形条状变成锁定结构的机械装置,它能控制自己弯曲并穿过钥匙孔。他们还利用让扁平薄片自行折叠成三维盒子。

“我们采用了3D打印的智能聚合物,并在三维结构中精确地整合了十种不同的材料。”新加坡科技设计大学的教授Martin L. Dunn说道,他还是新加坡科技设计大学(SUTD)的数字制造与设计中心(Digital Manufacturing and Design Centre)的主任,“如今,我们正扩展数字SMP的概念,来打印具有能在三维空间中不断变化的动态机械性能的SMP。”

研究团队用有限元分析来模拟这些3D打印器件的响应。这些器件是由两种常见的具有形状记忆性能的聚合物按一定比例混合而成的。他们还创建了一种简化的模型,用来快速、准确地描述自行折叠的物理现象。

“自行折叠的一个重要方面是对物体自我碰撞的控制,要注意防止折叠结构的不同部分相接触,对之后的折叠形成阻碍。”研究人员在论文中写道,“我们创建了一种度量方式来预测碰撞,它和简化模型一起被用于设计自行折叠结构,这样的结构能够稳定地锁定为我们想要的形态。”

研究人员认为他们的技术将会有广泛的应用前景。比如,无人驾驶飞行器可以在巡游的时候是一种形状,而在俯冲的时候转变成另一种设计好的形状。或者,3D器件能自行折叠成扁平状或卷成管状以方便运输,然后在使用时重组成预定的3D结构。(翻译:吴苏栗  审校:檀泽浩)

原文链接:http://www.sciencedaily.com/releases/2015/09/150921112632.htm