研究人員 3D 打印溫控變形天線，采用鎳鈦記憶合金材料制備

2024年12月7日，南極熊獲悉，來(lái)自約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室 (APL) 的研究人員已經(jīng) 3D 打印出一種可以根據(jù)溫度改變形狀的天線。

這項(xiàng)技術(shù)以題為“Two-Way Additively ManufacturedShape Memory Alloy Wideband Reconfigurable Compound Antenna”的論文被發(fā)表在近期的 ACS 應(yīng)用工程材料在線期刊上，在廣泛的軍事、科學(xué)和商業(yè)應(yīng)用中具有變革潛力。

相關(guān)論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsaenm.4c00488

天線前端的形狀決定了它的許多操作參數(shù)。一旦制造出來(lái)，這些特性就固定下來(lái)了。變形天線將使通信能夠跨越更廣泛的射頻 (RF) 頻段，從而開(kāi)辟新的操作靈活性領(lǐng)域。在眾多可能性中，單個(gè)變形天線可以完成多個(gè)固定形狀天線的工作，動(dòng)態(tài)適應(yīng)頻譜可用性，并改變波束寬度以在短距離和長(zhǎng)距離通信之間切換。

新型天線受到科幻影片的啟發(fā)，是 APL 跨學(xué)科創(chuàng)造性合作的成果。電氣工程師詹妮弗·霍倫貝克說(shuō)，她從《The Expanse/蒼穹浩瀚》系列電影中得到了這個(gè)想法，其中的外星技術(shù)是有機(jī)的，可以變形。她說(shuō)：“我的職業(yè)生涯都在研究天線，并努力克服其固定形狀帶來(lái)的限制。我知道 APL 擁有創(chuàng)造不同事物的專(zhuān)業(yè)知識(shí)�！�

2019 年，霍倫貝克聯(lián)系了史蒂文·斯托克 (Steven Storck)，他目前擔(dān)任實(shí)驗(yàn)室研究與探索開(kāi)發(fā)部增材制造首席科學(xué)家，當(dāng)時(shí)斯托克領(lǐng)導(dǎo)著一個(gè)獨(dú)立研發(fā)項(xiàng)目，旨在創(chuàng)建一種有前景的方法來(lái)增材制造形狀記憶合金。這些獨(dú)特的材料在較低溫度下會(huì)變形，但在加熱時(shí)會(huì)恢復(fù)到“記憶”的形狀，并用于各種各樣的應(yīng)用——從醫(yī)療用途（如正畸絲、血管支架和骨植入物）到航天器控制面的執(zhí)行器。

機(jī)械工程師兼材料科學(xué)家 Andy Lennon 曾使用鎳鈦合金（一種鎳和鈦的形狀記憶合金）制作線圈，這些線圈可以延伸到人的食道，幫助進(jìn)行心臟成像。當(dāng) Lennon 和其他人研究鎳鈦合金的應(yīng)用時(shí)，他們產(chǎn)生了用它 3D 打印復(fù)雜形狀的想法。但這帶來(lái)了一個(gè)問(wèn)題：鎳鈦合金和其他形狀記憶合金通常需要大量的機(jī)械加工（稱(chēng)為冷加工）才能實(shí)現(xiàn)形狀記憶效果，因此，它們通常只能以線材或薄片的形式提供。Lennon 說(shuō)：“進(jìn)行大量的冷加工會(huì)使整個(gè)目的落空。如果你把這種復(fù)雜的形狀通過(guò)模具拉伸，你就會(huì)回到線材的狀態(tài)�！�

APL 團(tuán)隊(duì)最初進(jìn)行的研究旨在解決與鎳鈦合金組件可擴(kuò)展增材制造相關(guān)的根本挑戰(zhàn)，后來(lái)應(yīng)用這些技術(shù)來(lái)創(chuàng)建可用于太空應(yīng)用的可變形結(jié)構(gòu)。在對(duì)天線應(yīng)用進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)后，團(tuán)隊(duì)改變了鎳和鈦的比例，但首次嘗試使用 3D 打印鎳鈦合金創(chuàng)建可變形喇叭天線失敗了。雖然天線在技術(shù)上確實(shí)可以伸縮并改變其頻率，但它也非常堅(jiān)硬且難以擴(kuò)展。Hollenbeck說(shuō)：“事實(shí)證明這是一個(gè)非常復(fù)雜的設(shè)計(jì)，而且效果不如我所愿�！�

Hollenbeck和他的團(tuán)隊(duì)毫不氣餒，提交了一份推進(jìn)力補(bǔ)助金申請(qǐng)，這是 APL 的內(nèi)部融資機(jī)會(huì)之一，旨在支持開(kāi)發(fā)針對(duì)關(guān)鍵挑戰(zhàn)的革命性解決方案。

這次，Hollenbeck有了一個(gè)新的天線設(shè)計(jì)方案。Lennon的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)能夠 3D 打印出具有雙向形狀記憶功能的鎳鈦合金，這種合金可以通過(guò)加熱和冷卻來(lái)交替改變兩種記憶形狀。在 APL 力量投射部門(mén)的電氣工程師 Kyle Sibert 的關(guān)鍵設(shè)計(jì)和原型設(shè)計(jì)支持下，Hollenbeck的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出了一種天線，它在冷卻時(shí)呈扁平螺旋盤(pán)狀，但在加熱時(shí)則變成錐形螺旋。

加熱螺旋天線是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。團(tuán)隊(duì)必須確定如何加熱 3D 打印天線的金屬，使其變形，但又不影響射頻特性或燒毀結(jié)構(gòu)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，由射頻和微波設(shè)計(jì)工程師 Michael Sherburne 領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)必須發(fā)明一種新型的電源線。Sherburne說(shuō)：“為了達(dá)到峰值加熱效果，電源線必須處理大量電流。我們必須回到根本問(wèn)題才能實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)�！�

難題的最后一部分是研究如何以一致、可重復(fù)的方式 3D 打印天線。Lennon改良的鎳鈦合金含有更高的鎳濃度，這使其難以大規(guī)模打印。

增材制造工程師 Samuel Gonzalez 說(shuō)道：“我們?cè)趦?yōu)化合金加工參數(shù)和設(shè)計(jì)方面擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)，但這次的改進(jìn)更進(jìn)一步。目前很少有人打印這種材料，所以沒(méi)有加工它的秘訣。”

研究團(tuán)隊(duì)成員瑪麗·達(dá)夫隆說(shuō)：“我們?cè)诖蛴∵^(guò)程中制造了好幾次碎片，因?yàn)樘炀�在打印時(shí)會(huì)因?yàn)闊崃慷�變形，�?dǎo)致剝落�！�

通常，該團(tuán)隊(duì)可以在不到四天的時(shí)間內(nèi)加工出一種合金，但 Daffron 和 Gonzalez 表示，這種特殊材料的制造時(shí)間卻長(zhǎng)達(dá)兩到四周。

現(xiàn)在他們已經(jīng)優(yōu)化了加工參數(shù)，并開(kāi)始尋找方法鞏固最初的成功。Daffron 說(shuō)道：“我們希望優(yōu)化參數(shù)，使其適用于多種不同的機(jī)器，使其應(yīng)用​​范圍更廣，而且我們知道我們需要針對(duì)可能在不同溫度下啟動(dòng)的材料的不同變化進(jìn)行優(yōu)化�！�

APL 各個(gè)團(tuán)隊(duì)的努力已經(jīng)產(chǎn)生了一種具有廣泛應(yīng)用前景的革命性技術(shù)，可以支持現(xiàn)場(chǎng)特殊操作員、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)電信，甚至是前往遙遠(yuǎn)天體的太空任務(wù)。

APL 正在代表團(tuán)隊(duì)申請(qǐng)形狀自適應(yīng)天線技術(shù)的完整專(zhuān)利。實(shí)驗(yàn)室還暫時(shí)決定申請(qǐng)用于加熱螺旋的新型電源線、用于控制天線的方法以及使用形狀記憶合金制造相控陣天線的方法和工藝的專(zhuān)利。

APL 首席工程師 ConradGrant 表示：“APL 團(tuán)隊(duì)展示的變形天線能力將成為改變游戲規(guī)則的推動(dòng)因素，適用于許多需要小尺寸和輕量配置的射頻適應(yīng)性的應(yīng)用和任務(wù)。這是實(shí)驗(yàn)室通過(guò)積極主動(dòng)、能力強(qiáng)、多學(xué)科團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新的又一個(gè)有力例證。”