波蘭3D打印機制造商Zortrax&歐洲航天局(ESA)：推動太空4D打印技術(shù)

2023年6月，南極熊獲悉，波蘭3D打印機制造商Zortrax打破壁壘，與歐洲航天局(ESA)開展了為期一年的推進太空探索的項目，推動了4D打印技術(shù)的發(fā)展。



通過利用Zortrax的M300 Dual 3D打印機和定制的Z-SUITE專有3D打印軟件， Zortrax 的研發(fā)團隊創(chuàng)建了復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)。研究人員使用形狀記憶聚合物和導(dǎo)電材料構(gòu)建精細結(jié)構(gòu)，可以用于響應(yīng)式致動器和加熱器。上述材料能夠?qū)崿F(xiàn)三種運動，包括彎曲、扭轉(zhuǎn)和展開，每一個動作都可以通過按下一個按鈕來激活。Zortrax 將利用大量資金，推動這項技術(shù)的發(fā)展并計劃將電激活4D打印帶入太空中。

通過將其雙擠壓 3D 打印技術(shù)與先進材料結(jié)合使用，該工藝可以構(gòu)建可靠、輕便的機制。此外，這些機制獨立于單獨的執(zhí)行器、引擎或控制電路運行，標(biāo)志著其他高科技領(lǐng)域向前邁出了重要一步，包括航空、能源生產(chǎn)和國防。

時間維度
深入研究 4D 打印世界會發(fā)現(xiàn)有趣的第四個維度：時間。將時間作為一個附加變量，打印對象可以調(diào)整其幾何形狀和其他屬性以響應(yīng)各種刺激，例如溫度、濕度或電流，就像加熱時展開的折紙結(jié)構(gòu)一樣。這個概念在 2013 年左右開始受到關(guān)注，當(dāng)時麻省理工學(xué)院(MIT)自組裝實驗室的聯(lián)合主任Skylar Tibbits開始在各種技術(shù)會議上討論和推廣這個概念。

Zortrax 研發(fā)主管 Michał Siemaszko 表示，“4D 打印引起了航天工業(yè)的極大興趣，從理論上講，該技術(shù)可以使工程師和任務(wù)設(shè)計人員減輕可部署結(jié)構(gòu)的重量，如天線、吊桿或各種傳感器。傳統(tǒng)上制造的此類結(jié)構(gòu)的重量是結(jié)構(gòu)本身和與之相關(guān)的夾具結(jié)構(gòu)的總和，但如果有可能不使用夾具，它們就可以做得更輕、更小�！�


△采用 4D 打印技術(shù)制成的電動展開演示器。

4D打印的前景很廣闊，但它面臨著很多的問題。例如，4D打印技術(shù)需要合適的“智能”材料，這些材料需要隨著時間的推移可靠地改變其形狀或特性以響應(yīng)特定刺激。此外，需要控制環(huán)境以觸發(fā)這些變化。要知道，在惡劣的太空條件下，環(huán)境問題更加突出。由于 ESA 的資助，Zortrax 致力于解決上述這些問題。

ESA 材料物理和化學(xué)工程師 Ugo Lafont 說：“激活 4D 打印機制最常用的刺激是溫度。展望太空應(yīng)用，溫度變化的幅度可能非常大，即使它可以用作形狀變化激活的觸發(fā)器，也很難以漸進的方式控制。因此在太空系統(tǒng)中，控制電輸入更容易。這個項目背后的想法是利用熱誘導(dǎo)的形狀變化能力，但通過電流產(chǎn)生的熱量使用更受控制的激活。這些概念正在接受評估，使用此技術(shù)有可能減少復(fù)雜系統(tǒng)中的零件數(shù)量，同時保持其提供受控、按需移動和驅(qū)動的能力�！�

三大重要組成部分
Zortrax 的團隊解釋說，創(chuàng)建 4D 打印主要圍繞著三個重要組成部分：正確的材料、功能強大的軟件和先進的 3D 打印機。

Zortrax 迎接挑戰(zhàn)，開發(fā)了一種玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高達 75℃ 的定制形狀記憶燈絲，比任何其他可用產(chǎn)品高 50%。經(jīng)過全面測試，這種材料被證明是開創(chuàng)性 4D 打印系統(tǒng)的理想選擇。在追求 4D 打印的過程中，Zortrax 團隊認(rèn)識到需要導(dǎo)電細絲。這些細絲將是電激活的加熱器，觸發(fā)形狀記憶效應(yīng)。因為有幾種現(xiàn)成的燈絲符合必要的規(guī)格。在評估熱性能和電性能的綜合測試階段之后，F(xiàn)iberforce Nylforce Conductive 成為加熱 4D 打印機制中形狀記憶聚合物的首選燈絲。

在材料選擇之后，團隊將注意力轉(zhuǎn)向打印過程。目標(biāo)是使用雙材料 3D 打印，這種方法可以用兩種不同的材料制造零件。要實現(xiàn)這一目標(biāo)，需要將最初為 ESA 開發(fā)的實驗版 Z-SUITE 軟件與 M300 Dual 3D 打印機的雙擠壓功能相結(jié)合。這種打印機具有兩個可操作的打印頭，促進了雙材料工藝。Zortrax 還設(shè)計了三個獨特的 4D 打印演示器。每一個都展示了不同類型的電動運動：彎曲、扭轉(zhuǎn)和展開，強調(diào)了 4D 打印令人印象深刻的多功能性。

△采用 4D 打印技術(shù)制作的激活旋轉(zhuǎn)運動演示器。

其他項目
Zortrax 除了開創(chuàng)性的 4D 打印項目外，還一直與ESA合作開展其他 3D 打印項目。例如，Zortrax 在 2018 年使用其 M200 3D 打印機 3D 打印了衛(wèi)星天線，以測試衛(wèi)星通信系統(tǒng)的性能。2019年，兩人合作開發(fā)了用于太空探索的 3D 打印技術(shù)，為太空中的航天器和衛(wèi)星生產(chǎn)零件。

另一個項目包括改進用于高性能復(fù)合材料部件生產(chǎn)的Endureal工業(yè) 3D 打印機。Zortrax 認(rèn)證了其高溫 Z-PEEK 燈絲，此款燈絲加入了適合在太空中使用的少數(shù)聚合物，與 Zortrax Endureal 兼容。這表明在 Zortrax Endureal 3D 打印機上使用 Z-PEEK 打印的 3D 部件可以在太空任務(wù)中發(fā)射。

通過這些創(chuàng)新舉措，Zortrax 繼續(xù)鞏固其在航空航天領(lǐng)域的足跡，推動進步并制定新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。