研究人員成功研發可在太空中自主成型的3D打印復合材料

太空部件可以像折紙一樣“折疊發射”，上天后再自動展開成型伊利諾伊大學的研究團隊將此變為現實。據伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校消息，格拉inger工程學院航空航天專業博士生IvanWu及其導師JeffBaur開發了一種節能方法，可使扁平的二維復合材料結構在太空部署后，變形為預設的三維曲面結構。

以往的低能耗變形方法所產生的結構，其剛度無法滿足航空航天應用的要求。IvanWu和JeffBaur在他們的研究中解決了這一局限。相關論文《通過增材制造和前沿聚合快速成型可編程形狀的形態發生復合材料》已發表在《AdditiveManufacturing》期刊上。

該方法融合了兩項關鍵突破：一是由貝克曼研究所合作團隊研發的節能純樹脂系統，二是能制造航空級復合材料結構的連續碳纖維3D打印機。

利用該打印機，將每束直徑約如人發的碳纖維鋪設到打印床上，經壓實后通過紫外線進行部分固化。隨后，打印好的纖維架構會被嵌入液態樹脂中并冷凍固化。當需要三維結構時，只需施加一個低能耗的熱刺激，便可激活化學反應，使樹脂固化，并將平坦的復合材料變形為預設的曲面形狀。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。關鍵是，同一微弱的熱觸發可激活任意尺寸的結構，使得該方法具備可擴展性，足以應用于大型空間部件。

一個主要的技術挑戰在于解決“逆問題”：即確定為了實現特定的三維形狀所需打印的*二維纖維圖案。IvanWu為此開發了數學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、扭轉體、圓錐體、鞍形面以及拋物面碟。其中，拋物面碟尤其具有應用價值，因為它復現了可展開衛星天線所需的光滑曲面。

受到剪紙藝術的啟發，IvanWu通過*控制的彎曲而非折疊實現了平滑曲面。為實現變形能力，復合材料采用了較低的纖維體積分數，以平衡柔韌性與剛度。

盡管變形后結構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使用的模具，在軌道上澆筑制造出高剛度的*終復合材料部件。

此外，IvanWu指出，相同的材料和工藝也適用于制造地球偏遠環境下使用的可展開結構。

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