新研究将3D打印结构在太空中由平面变形为曲面

来源：滚动播报

（来源：中国航空报）

　　成型形态发生复合材料的制造工艺包括：（a）打印并固化所需的丝束图案；（b）将其嵌入树脂中；（c）在结构边缘引发前沿波，从而在几分钟内获得具有预定曲率的形态发生复合材料，如图（d）所示。

　　左列：预期形状的三维表示。中列：通过解析解或数值方法确定的纤维束图案。右列：采用正面聚合工艺制造的五种形状：（a）阿基米德螺旋圆柱体（b）螺旋度递增的条带（c）圆锥体（d）马鞍形（e）抛物面碟形。　　由于将卫星天线等大型结构运送到太空成本高昂且十分麻烦，美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校格兰杰工程学院的航空航天博士生伊万·吴和他的导师杰夫·鲍尔开发了一种创造性和高效的节能方法，可以在太空中将二维结构变形为弯曲的三维结构。　　伊万·吴表示，其他人使用低能耗技术制造出的形状刚度很低，不适用于航空航天领域。这项由伊万·吴和杰弗里·鲍尔共同完成的研究“通过增材制造和正面聚合快速成型可编程形状的形态发生复合材料”发表在《增材制造》期刊上。变形过程的工作原理　　“在这个案例中，我们的合作者开发了一种纯树脂体系的配方，这种体系非常节能。我们拥有一台可以打印商用航空航天级复合材料结构的3D打印机。突破在于将这两者结合起来。”伊万·吴介绍说，“我们使用连续碳纤维3D打印机打印纤维束，每根纤维的直径大约与人类头发丝的直径相当，当打印机将纤维束拉到打印床上时，纤维束会被压缩并暴露在紫外线下，从而部分固化。”　　这种节能型液态树脂与打印好的碳纤维图案一起成型，然后冷冻。当需要三维结构时，只需用低能量的热刺激激活树脂，即可引发化学反应，使其固化成所需的三维曲面形状。　　这种被称为正面聚合的工艺，无需使用固化全尺寸卫星天线的大型烤箱或高压釜。就像一根火柴可以点燃一张纸或一栋房子一样，无论结构大小，所需的热触发能量都相同，因此该工艺可扩展，适用于太空所需的超大型结构。　　伊万·吴说：“对我来说，第一个挑战是解决逆问题，你有一个想要的三维形状设计，但要打印出什么样的二维图案才能得到这个形状呢？我必须编写数学方程式来描述打印出精确图案所需的形状。这项研究解决了这个问题。”他找到了相关的方程式，并编写了程序代码，使打印机能够将纤维束沉积到打印平台上，从而创建五种不同的三维形状：螺旋圆柱体、扭曲体、圆锥体、鞍形和抛物面碟形。　　它们共同展现了我们能够制造的多种形状。但伊万·吴认为最有趣、最实用的是抛物面碟形，它模拟了可展开卫星所需的平滑曲面形状。艺术灵感与技术挑战　　伊万·吴表示，他的灵感来源于日本折纸艺术形式，但除了折叠之外，还包括剪裁。　　抛物线形状是从二维平面开始的，它由像花瓣一样的切割线构成，所有切割线都向同一个点弯曲。因此必须计算出它们重叠的角度。如果仅仅用折纸来制作卫星天线，就需要无数次的折叠才能达到接收卫星信号所需的平滑曲率，而现实中不用折叠，而是通过控制印刷纤维束的弯曲来实现平滑曲率。　　由于形状需要变形，该设计的纤维基础设施需要极低的纤维体积分数。太空结构需要非常坚固，纤维体积分数越高，结构就越坚固。但它们变形需要大量的能量，而且在大幅度弯曲时可能会断裂。为了获得高变形度，需要较低的纤维体积分数，这样它才能足够灵活地变形为曲面形状。　　与以往的研究相比，这项研究实现了更低的能量消耗和更高的刚度。但伊万·吴表示，这种刚度对于太空结构来说仍然不够。他建议将激活的三维形状用作模具，在太空中制造高刚度结构。可以在地球上用碳纤维束制造平面凝胶材料，将其运输到太空，并通过热刺激激活形状。　　但由于刚度不够，可以进一步将三维形状用作模具，添加高刚度层，再次激活正面聚合，然后剥离形成初始设计形状的高刚度复合材料。研究表明，这一过程可以重复多次，而不会损坏模具，也不会偏离最初的变形形状。　　伊万·吴表示，同样的材料和工艺也可用于为地球上的偏远地区提供所需的结构。 （逸文）