研究人員成功研發(fā)可在太空中自主成型的3D打印復(fù)合材料

太空部件可以像折紙一樣“折疊發(fā)射”，上天后再自動展開成型伊利諾伊大學(xué)的研究團(tuán)隊將此變?yōu)楝F(xiàn)實。據(jù)伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校消息，格拉inger工程學(xué)院航空航天專業(yè)博士生IvanWu及其導(dǎo)師JeffBaur開發(fā)了一種節(jié)能方法，可使扁平的二維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在太空部署后，變形為預(yù)設(shè)的三維曲面結(jié)構(gòu)。

以往的低能耗變形方法所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)，其剛度無法滿足航空航天應(yīng)用的要求。IvanWu和JeffBaur在他們的研究中解決了這一局限。相關(guān)論文《通過增材制造和前沿聚合快速成型可編程形狀的形態(tài)發(fā)生復(fù)合材料》已發(fā)表在《AdditiveManufacturing》期刊上。

該方法融合了兩項關(guān)鍵突破：一是由貝克曼研究所合作團(tuán)隊研發(fā)的節(jié)能純樹脂系統(tǒng)，二是能制造航空級復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的連續(xù)碳纖維3D打印機。

利用該打印機，將每束直徑約如人發(fā)的碳纖維鋪設(shè)到打印床上，經(jīng)壓實后通過紫外線進(jìn)行部分固化。隨后，打印好的纖維架構(gòu)會被嵌入液態(tài)樹脂中并冷凍固化。當(dāng)需要三維結(jié)構(gòu)時，只需施加一個低能耗的熱刺激，便可激活化學(xué)反應(yīng)，使樹脂固化，并將平坦的復(fù)合材料變形為預(yù)設(shè)的曲面形狀。這一過程被稱為“前沿聚合”，它省去了對大型烘箱或熱壓罐的需要。關(guān)鍵是，同一微弱的熱觸發(fā)可激活任意尺寸的結(jié)構(gòu)，使得該方法具備可擴(kuò)展性，足以應(yīng)用于大型空間部件。

一個主要的技術(shù)挑戰(zhàn)在于解決“逆問題”：即確定為了實現(xiàn)特定的三維形狀所需打印的*二維纖維圖案。IvanWu為此開發(fā)了數(shù)學(xué)模型和代碼來編程控制打印機，成功展示了五種形狀：螺旋圓柱體、扭轉(zhuǎn)體、圓錐體、鞍形面以及拋物面碟。其中，拋物面碟尤其具有應(yīng)用價值，因為它復(fù)現(xiàn)了可展開衛(wèi)星天線所需的光滑曲面。

受到剪紙藝術(shù)的啟發(fā)，IvanWu通過*控制的彎曲而非折疊實現(xiàn)了平滑曲面。為實現(xiàn)變形能力，復(fù)合材料采用了較低的纖維體積分?jǐn)?shù)，以平衡柔韌性與剛度。

盡管變形后結(jié)構(gòu)的剛度仍不足以直接用作太空中的承力部件，但研究人員提出，可將這些變形后的形狀作為可重復(fù)使用的模具，在軌道上澆筑制造出高剛度的*終復(fù)合材料部件。

此外，IvanWu指出，相同的材料和工藝也適用于制造地球偏遠(yuǎn)環(huán)境下使用的可展開結(jié)構(gòu)。