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。