4D打印造出“變形金剛”復(fù)合材料

據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)近日報(bào)道，3D打印又添“左膀右臂”，新4D打印技術(shù)制造出的復(fù)合材料能像“變形金剛”一樣變換出各種形狀，有望在制造、包裝和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域“大顯身手”。研究成果已發(fā)表在《應(yīng)用物理快報(bào)》雜志上。

由美國科羅拉多大學(xué)波德分校力學(xué)工程系副教授杰瑞·齊和新加坡技術(shù)與設(shè)計(jì)大學(xué)的馬丁·杜領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)，將擁有“形狀記憶”能力的聚合纖維混入傳統(tǒng)3D打印技術(shù)使用的復(fù)合材料中，最終制造出具有一定形狀的產(chǎn)品，且能變形為另一種形狀。

馬丁·杜表示:“在這一實(shí)驗(yàn)中，最初的產(chǎn)品架構(gòu)由3D打印技術(shù)完成，接著，‘形狀記憶纖維’的編程活動(dòng)開始啟動(dòng)，為這一架構(gòu)制造出第4個(gè)方面——時(shí)間依存。”

2013年4月，麻省理工學(xué)院自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)始人斯凱勒·蒂比茨首次提出4D打印概念。按照蒂比茨的解釋，所謂4D打印技術(shù)就是“自我組裝”，即材料自動(dòng)變形成為預(yù)設(shè)的模型。他的研究團(tuán)隊(duì)曾將復(fù)合材料制成的繩子放到水中，繩子會(huì)按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的形狀變形。

馬丁·杜表示:“我們制造出了可以基于不同的物理力學(xué)原理自動(dòng)變形的復(fù)合材料，從而對蒂比茨的4D概念進(jìn)行了擴(kuò)展。使用‘形狀記憶’復(fù)合纖維可為復(fù)合材料制造出滿意的形狀變化，這一技術(shù)的關(guān)鍵在于纖維的設(shè)計(jì)架構(gòu)，包括其位置、方位等?！?/p>

該研究團(tuán)隊(duì)證明，復(fù)合材料內(nèi)纖維的方位和位置決定了形狀記憶效果(比如折疊、卷曲、拉伸或者扭曲等)可以到達(dá)的程度，而且，這一效果可以通過對復(fù)合材料進(jìn)行加熱或冷卻進(jìn)行控制。

杰瑞·齊說，3D打印技術(shù)已經(jīng)“芳齡”30了，但直到最近，活性纖維才能被整合進(jìn)復(fù)合材料內(nèi)，這樣，當(dāng)?shù)玫降漠a(chǎn)品遭受熱或機(jī)械力時(shí)，人們可預(yù)先對其行為進(jìn)行控制。

研究人員表示，這一最新技術(shù)可以廣泛用于多個(gè)領(lǐng)域。比如，人們可以在功能性設(shè)備的平面架構(gòu)上制造出太陽能電池板或類似的產(chǎn)品。這一平面架構(gòu)也能變得非常緊湊以便于運(yùn)輸和包裝。到達(dá)目的地之后，又可以采用其他形式，以更好地發(fā)揮其功能。

隨著3D打印技術(shù)日趨成熟，可打印的材料越來越多，最新研究將有助于科學(xué)家們制造出可逆轉(zhuǎn)的或可調(diào)諧的3D表面和固體，這些設(shè)備可廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車、飛機(jī)和天線等領(lǐng)域。