3D打印與形狀記憶合金結(jié)合：德克薩斯農(nóng)工大學(xué)與桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)主動(dòng)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(xué)與桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)在Materials & Design期刊上發(fā)表了一篇關(guān)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(qū)動(dòng)的主動(dòng)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(shù)，開發(fā)出一種新型的主動(dòng)互鎖超表面技術(shù)，有望在航空航天、機(jī)器人技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)設(shè)備等領(lǐng)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(shù)，通過一系列相互咬合的特征結(jié)構(gòu)來傳輸力并限制相鄰物體之間的運(yùn)動(dòng)。傳統(tǒng)的互鎖超表面通常為被動(dòng)設(shè)計(jì)，需要外部力量才能實(shí)現(xiàn)連接或斷開。然而，德克薩斯農(nóng)工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)通過集成形狀記憶合金（尤其是鎳鈦合金），成功實(shí)現(xiàn)了能夠在特定溫度下自動(dòng)開啟或關(guān)閉的主動(dòng)互鎖超表面。


△兩種互鎖超表面的單元結(jié)構(gòu)

研究方法
●研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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(shù)。

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

●此外，研究團(tuán)隊(duì)還利用有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）預(yù)測了在接合-斷開循環(huán)過程中產(chǎn)生的應(yīng)變值。

通過熱機(jī)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(shí)具有完全的形狀恢復(fù)能力和良好的循環(huán)穩(wěn)定性。數(shù)字圖像相關(guān)法（Digital Image Correlation, DIC）進(jìn)一步驗(yàn)證了FEA預(yù)測的準(zhǔn)確性。光學(xué)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(shù)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(duì)捏合握持（PG）設(shè)計(jì)單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行等效應(yīng)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(shè)計(jì)3D模型；(c) 對(duì)擴(kuò)展錨（EA）設(shè)計(jì)單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行等效應(yīng)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(shè)計(jì)模型。

應(yīng)用前景
這項(xiàng)新技術(shù)不僅能夠提高結(jié)構(gòu)件的連接強(qiáng)度和穩(wěn)定性，還為智能、自適應(yīng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了新的可能。例如，在航空航天領(lǐng)域，主動(dòng)互鎖超表面可用于設(shè)計(jì)可重構(gòu)的飛行器部件；在機(jī)器人技術(shù)中，它可以提供更加靈活和適應(yīng)性強(qiáng)的關(guān)節(jié)；在生物醫(yī)學(xué)設(shè)備中，則可以根據(jù)體溫和身體運(yùn)動(dòng)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(jié)論
德克薩斯農(nóng)工大學(xué)和桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室的研究成果展示了利用形狀記憶合金和3D打印技術(shù)開發(fā)主動(dòng)互鎖超表面的巨大潛力。未來，研究團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，探索更多應(yīng)用場景，推動(dòng)這一前沿技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用和發(fā)展。
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... rr=8b0167a679c14632