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4D打印技术大突破:复杂结构可自行折叠

更新时间  2023-01-10 04:29 阅读
本文摘要:研究人员利用对温度的反应有微小差异的几种智能形状记忆材料制作零件,构建了一种能让简单结构自行拉链的4D打印机技术。 图片展出了智能形状记忆材料的自行拉链过程,它们对温度有些微有所不同的号召。 使用拉链速率有细微差别的材料对于保证拉链时组件之间会互相阻碍是很最重要的。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联合研发的这项技术可生产出有由组件自行拉链构成的3D结构,这些组件可以是压扁或中空管状的,从而便利运输。

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研究人员利用对温度的反应有微小差异的几种智能形状记忆材料制作零件,构建了一种能让简单结构自行拉链的4D打印机技术。    图片展出了智能形状记忆材料的自行拉链过程,它们对温度有些微有所不同的号召。

使用拉链速率有细微差别的材料对于保证拉链时组件之间会互相阻碍是很最重要的。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联合研发的这项技术可生产出有由组件自行拉链构成的3D结构,这些组件可以是压扁或中空管状的,从而便利运输。组件能以精确定点的方式对温度、湿度或光线等性刺激作出反应,从而构成立体结构、可进行医疗设备、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(smartshapememorypolymers,SMPs)。这种聚合物需要记忆某种形状,当均匀分布加热时,它又不会变为另一种计划好的形状。按自定义图纸把多种不具备有所不同动态机械特性的材料打印机成3D物体,就可以生产出有一种高效率预计顺序转变形状的物体了。当这些部件被冷却,每种SMP不会以有所不同的速率转变形状,明确各不相同它自己的内部时钟。

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准确地设计这些材料转变形状的时间顺序,就能让三维物体自行装配。  这项研究于9月8日公开发表在《科学报告》上,这是大自然出版发行集团出版发行的刊物之一。

这项研究由美国空军科学研究局(theU.S.AirForceOfficeofScientificResearch)、美国国家科学基金会(theU.S.NationalScienceFoundation)和新加坡国立研究基金会(SingaporeNationalResearchFoundation)通过新加坡科技设计大学的数字生产与设计中心(theSUTDDManDCentre)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打印机制作出有自折叠结构。

这种3D打印机模式可以让做到出来的扁平组件对同一个性刺激有高低各异的反应。而过去的方法拒绝对扁平结构的各个特定方位产生有所不同的温度,以性刺激形状转变。  “先前用作让器件再次发生倒数应力的方法要在器件的特定区域摆放加热器,然后掌控单个加热器的开关时间。”JerryQi说明道,他是佐治亚理工学院GeorgeW.Woodruff机械工程学院(theGeorgeW.WoodruffSchoolofMechanicalEngineering)的一名教授,“之前的方案实质上要在时间和空间两方面掌控整个器件的温度,十分复杂。

我们转变了这种方案,在空间中统一产生完全相同的温度(这就很更容易做),通过有所不同材料的分子设计来研发它们内部掌控自身形状转变速度的能力。”  研究团队用一系列实例证实了这种方案的可行性。其中还包括一种能从扁形条状变为瞄准结构的机械装置,它能掌控自己倾斜并穿越钥匙孔。

他们还利用让扁平薄片自行拉链成三维盒子。  “我们使用了3D打印机的智能聚合物,并在三维结构中准确地统合了十种有所不同的材料。

”新加坡科技设计大学的教授MartinL.Dunn说,他还是新加坡科技设计大学(SUTD)的数字生产与设计中心(DigitalManufacturingandDesignCentre)的主任,“如今,我们于是以拓展数字SMP的概念,来打印机具备能在三维空间中大大变化的动态机械性能的SMP。”  研究团队用有限元分析来仿真这些3D打印机器件的号召。

这些器件是由两种少见的具备形状记忆性能的聚合物按一定比例混合而出的。他们还创立了一种修改的模型,用来较慢、精确地叙述自行拉链的物理现象。

  “自行拉链的一个最重要方面是对物体自我撞击的掌控,要留意避免拉链结构的有所不同部分互为认识,对之后的拉链构成妨碍。”研究人员在论文中写到,“我们创立了一种度量方式来预测撞击,它和修改模型一起被用作设计自行拉链结构,这样的结构需要平稳地瞄准为我们想的形态。”  研究人员指出他们的技术将不会有普遍的应用于前景。

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比如,无人驾驶飞行器可以在巡游的时候是一种形状,而在低空的时候转变成另一种设计好的形状。或者,3D器件能自行拉链成扁平状或中空管状以便利运输,然后在用于时重构成预计的3D结构。


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