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形状记忆4D打印或为太空探索铺平道路

导读: 如今,乔治亚理工学院开发了一种“记忆”形状,可以在特定的温度情况下一次又一次的回到原来的状态,这种形状记忆4D打印或为太空探索铺平道路。

关于4D打印,哈佛大学曾实现精准可控的4D打印,像植物生长和花朵绽放,4D打印的水凝胶复合材料实现了精确的局部肿胀和变形的行为。此外水凝胶复合材料中含有来自木材的纤维素纤维,这些纤维是使植物的形状发生变化的微观结构。

如今,乔治亚理工学院开发了一种“记忆”形状,可以在特定的温度情况下一次又一次的回到原来的状态,这种形状记忆4D打印或为太空探索铺平道路。

到空间中的物体的重量和所占体积对于穿梭任务来说是非常重要的,科学家们追求越紧凑越不占空间的解决方案。乔治亚理工学院通过3D打印机创建小型结构,以便在暴露于热量的时候延展,这种思路可以拓展到空间应用。

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这是4D打印的一种形式,指的是3D打印出来的结构在打印后受到外界的刺激而改变形状。这里的第四个维度是时间。不仅仅是哈佛大学,包括麻省理工学院这样的学校还研究过可控的表面纹理变化4D打印技术。乔治亚理工学院的研究与大多数研究的区别在于其使用状态,这种通过电缆连接在一起的系统,轻巧、在膨胀的时候坚固、在收缩的时候容易倒塌,这使其成为太空探索的理想选择。

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结构完全由一系列3D打印机创建并组装起来,当放置在149度水中浸泡时,它们开始展开。这是一种灵活的材料,这些结构将能够神奇的恢复到原来的状态,如果一切顺利,这项技术最终可以用于空间结构和机器人以及各种生物医学设备。

据了解,4D打印是指在第四维度形状或功能发生改变,换句话说,4D打印允许对象被3D打印后其形状和材料特性暴露在一个预先确定的刺激如浸没在水中,或暴露于热、压力、电流、紫外线或一些其他的能源刺激下,其功能或形状发生特定的改变。

MarketsandMarkets发布关于4D打印的最新市场研究报告《4D打印市场发展趋势及预测-按材料、行业和地域细分,2019—2025》。该报告预测4D打印将在2019年商业化,全球规模有望达到6300万美元,到了2025年,4D打印市场将达到5.556亿美元。可编程的碳纤维,可编程的碳纤维,可编程的木材和可编程的纺织材料将是最主要的材料类别,其中可编程的碳纤维预计占市场份额的62%。而行业上,国防军工相关应用的市场份额将达到55%。

国际上研究3D打印的机构集中在一些顶级的科研机构中,麻省理工的研究人员使用了模拟软件,通过建模模拟出颗粒结构增强的复合材料物体。经过仿真可以展示出对象究竟会对表面压力如何反应。而一旦仿真结果满足他们的要求,他们就用多材料3D打印机将其打印出来。产品具有间歇性和随机性的丰富多样的表面特征变化,包括可变波、折皱状的特征、平顶、谷底等,可以通过改变颗粒的无因次几何参数(例如,相对的颗粒大小、形状、间距和分布等)来获得。这些表面特征可以通过颗粒定位来实现变量可控。一旦这项技术被开发出来,我们将看到许多应用会因此涌现。这种技术可能的应用包括:伪装的制造;可以推进、吸引或引导液体流动的材料;反光材料和每隔一段时间移位的材料,比如说可以应用到限制海洋生物在轮船的底部堆积。

来自德国Freiberg的研发团队研发出面向未来的高性能材料:记忆性材料,可以自行愈合裂隙或回复原状。研究中心的设备是瑞典的Arcam EBM设备,利用高功率密度的电子束冲击工件时所产生的热能使材料熔化、气化的特种加工方法。通过电子束熔融的制造方法来生产带记忆功能的零件,这就像弹力回形针,如果受到歪曲,把它放到热水里面,就像被施了魔法,跳回到原来的样子。这个项目可以用于汽车制造和航空航天制造业来满足特殊的要求。在航空航天领域,可以用来调整机翼结构以适应不同的飞行情况。另外,液压传动系统大量复杂的管道系统也非常适合这种材料的应用。

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