形狀記憶聚合物+導電材料，歐空局用桌面機實現4D打印

2023年6月2日，南極熊獲悉，歐洲航天局 (ESA)項目承包商Zortrax的研發(fā)團隊正在開發(fā)一種針對航天工業(yè)應用的新型4D打印技術。據悉，這種新型4D 打印技術是使用Zortrax公司的M300 Dual FDM 打印機和改進版 Z-SUITE 來3D 打印由形狀記憶聚合物和導電材料制成的結構，有望應用到未來的太空任務中。

4D打印技術相對于3D打印，多出來的第四個維度就是時間。4D 打印的物體可以改變它們的幾何形狀和其他屬性，以響應各種刺激，例如溫度、濕度、電流等。

Zortrax SA 研發(fā)主管Michał Siemaszko 說：“4D 打印引起了航天工業(yè)的極大興趣，因為從理論上講，該技術可以使工程師和任務設計人員減輕天線、吊桿或各種傳感器等可展開結構的重量。以傳統方式制造的此類結構的重量始終是結構本身和應該部署它的機制的總和。但是，如果有可能完全擺脫部署機制，它們就可以做得更輕更小。”

△Zortrax 向 ESA 交付的 4D打印技術演示器。

2013 年，麻省理工學院的一組研究人員 3D 打印了具有可編程變形能力的物體，這種物體暴露在熱刺激環(huán)境下可以被觸發(fā)。然而，在這項技術找到實際應用之前，還需要克服一些挑戰(zhàn)。例如：打印物體的變形過程完全取決于環(huán)境的溫度變化，只有當溫度達到一定水平時才會觸發(fā)；無法按順序部署此類結構，因為整個物體會同時被加熱；控制環(huán)境也不總是一種選擇，尤其是在太空中。由 ESA 資助的 Zortrax 則是致力于解決這些挑戰(zhàn)。

Zortrax 研發(fā)團隊使用本公司研發(fā)的 M300 Dual FDM 3D 打印機和 Zortrax 的 3D 打印軟件 Z-SUITE 的升級版本來 3D 打印由形狀記憶聚合物和導電材料制成的結構。

△Zortrax 的 M300 雙 3D 打印機。

Zortrax SA 材料開發(fā)負責人Dawid Piastowski 表示：“通過將M300 Dual 的雙噴頭 3D 打印工藝和這些先進材料相結合，為構建可靠、輕便的機制開辟了一條清晰的道路，這些機制無需單獨的執(zhí)行器、引擎或控制電路即可運行，這在能源等領域至關重要?！?/div>

在這些機制中，形狀記憶聚合物用作致動器，導電材料用作電動加熱器。通過這種方式，可以構建技術演示器來展示三種類型的運動——彎曲、扭轉和展開——只需按一下按鈕即可激活。

ESA 材料物理和化學工程師 UgoLafont 博士說：“激活 4D 打印機制最常用的刺激是溫度。從空間應用來看，溫度變化的幅度可能非常大，即使可以作為變形激活的觸發(fā)器，也很難逐步控制。所以在太空系統中，控制電輸入更容易。該項目背后的想法是利用熱誘導的形狀變化能力，但通過電流產生的熱量可以實現更可控的激活。這些概念正在接受評估，因為它們有可能減少復雜系統中的零件數量，同時保持其提供受控、按需移動和驅動的能力?！?/div>

對于 Zortrax 而言，該項目的成功完成為更先進的項目開辟了一條道路，需要更多資金來進一步開發(fā)這項技術，并最終使電激活 4D 打印部件為太空任務做好準備。