3D打印與形狀記憶合金結合：德克薩斯農(nóng)工大學與桑迪亞國家實驗室開發(fā)主動互鎖超表面

2024年11月，南極熊獲悉，近日，德克薩斯農(nóng)工大學與桑迪亞國家實驗室的研究團隊在Materials & Design期刊上發(fā)表了一篇關于互鎖超表面（Interlocking Lattices Metamaterials, ILM）的重要研究，研究題目為Active interlocking metasurfaces enabled by shape memory alloys（由形狀記憶合金驅動的主動互鎖超表面）。該研究利用形狀記憶合金（Shape Memory Alloys, SMA）和3D打印技術，開發(fā)出一種新型的主動互鎖超表面技術，有望在航空航天、機器人技術和生物醫(yī)學設備等領域帶來革命性的變化。


研究背景
互鎖超表面是一種新興的連接技術，通過一系列相互咬合的特征結構來傳輸力并限制相鄰物體之間的運動。傳統(tǒng)的互鎖超表面通常為被動設計，需要外部力量才能實現(xiàn)連接或斷開。然而，德克薩斯農(nóng)工大學的研究團隊通過集成形狀記憶合金（尤其是鎳鈦合金），成功實現(xiàn)了能夠在特定溫度下自動開啟或關閉的主動互鎖超表面。


△兩種互鎖超表面的單元結構

研究方法
●研究團隊設計并制造了兩種不同配置的互鎖超表面陣列，采用近等原子比的鎳鈦粉末和激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion, L-PBF）3D打印技術。

●為了確保打印部件的質(zhì)量，研究團隊遵循了一套系統(tǒng)化的工藝優(yōu)化框架，從單軌實驗開始，逐步建立分析模型，并最終構建出打印可行性圖譜。

●此外，研究團隊還利用有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）預測了在接合-斷開循環(huán)過程中產(chǎn)生的應變值。

通過熱機械測試，研究發(fā)現(xiàn)所制備的互鎖超表面組件在接合狀態(tài)下表現(xiàn)出極高的鎖定力，同時具有完全的形狀恢復能力和良好的循環(huán)穩(wěn)定性。數(shù)字圖像相關法（Digital Image Correlation, DIC）進一步驗證了FEA預測的準確性。光學顯微鏡分析顯示，打印部件幾乎無缺陷，密度超過99.9%，表明L-PBF技術能夠有效制造高質(zhì)量的鎳鈦合金互鎖超表面。


△（a) 利用Solidworks Nitinol材料模型對捏合握持（PG）設計單元結構進行等效應變的3D建模和模擬；(b) 使用近等原子比例的鎳鈦合金制造的PG設計3D模型；(c) 對擴展錨（EA）設計單元結構進行等效應變的3D建模和模擬。(d) 使用近等原子比例的鎳鈦粉末3D打印的EA設計模型。

應用前景
這項新技術不僅能夠提高結構件的連接強度和穩(wěn)定性，還為智能、自適應結構的設計提供了新的可能。例如，在航空航天領域，主動互鎖超表面可用于設計可重構的飛行器部件；在機器人技術中，它可以提供更加靈活和適應性強的關節(jié)；在生物醫(yī)學設備中，則可以根據(jù)體溫和身體運動的變化，調(diào)整植入物和假肢的狀態(tài)，從而為患者提供更佳的治療效果。

結論
德克薩斯農(nóng)工大學和桑迪亞國家實驗室的研究成果展示了利用形狀記憶合金和3D打印技術開發(fā)主動互鎖超表面的巨大潛力。未來，研究團隊將繼續(xù)優(yōu)化設計，探索更多應用場景，推動這一前沿技術的實際應用和發(fā)展。
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... rr=8b0167a679c14632