苏黎世联邦理工学院4D打印承重塑料结构

当前,将物品运送到太空涉及许多问题,其中一个问题是一些太大而且太笨重的物品的运输会占用空间体积从而使得运输成本昂贵。一种解决方案是使这些物品变小并且能够折叠成紧凑的包装,然后一旦到达目的地就可以扩展。在这方面,4D打印或许成为一个有发展潜力的解决方案。

苏黎世联邦理工学院4D打印承重塑料结构 双稳态机制

瑞士苏黎世联邦理工学院的Kristina Shea教授和博士生田晨最近使用3D打印技术开发了一种水下软体机器人,他们发表了一项研究,他们3D打印了一个可自动部署的可编程执行器并进行了更改,在温度变化条件下,这些3D打印材料会发生形状改变。

苏黎世联邦理工学院4D打印承重塑料结构

“使用形状记忆塑料作为温度可控能源和双稳态机制作为线性致动器和力放大器,这些结构实现了精确的几何激活和可量化的承载能力,”研究人员解释说。 “所提出的单元执行器集成了这两个组件,旨在组装成更大的可展开和形状可重构结构。”

通过将每个形状记忆聚合物定制到不同的激活时间,对3D打印物体进行编程以逐渐改变形状。物体以平面开始,当被激活时,变成金字塔或双曲抛物面形状,展示出多态结构。两者都在激活和操作期间显示出承载能力。

“通过将这种塑料与称为von Mises桁架的双稳态结构相结合,我们能够定义两种可以精确实现的不同平衡状态,”研究人员解释说。 “Von Mises型双稳态结构以前曾用于主动桅杆,用于能量吸收,最近还用于制造3D打印的可重构结构。”

苏黎世联邦理工学院4D打印承重塑料结构 材料科学与结构科学的结合

通过使用Stratasys Objet3 Connex500多材料3D打印机对这些结构进行3D打印。使用的材料包括FLX9895,是一种形状记忆聚合物; RGD525,一种耐热硬质塑料,以及Agilus30,一种类似弹性体的材料。然后实验过程中,通过加热的水来激活结构变化以模拟减少的重力环境。

苏黎世联邦理工学院4D打印承重塑料结构

“单元执行器程序的部署包括两个阶段,第一阶段是SMS与双稳态机制的编程和组装,“研究人员继续说道。 “第二个是SMS的有限恢复,在编程阶段,SMS被加热经过并被拉伸或压缩等于双稳态机构的行程长度的距离(图2b,c)。在受限制的情况下,SMS被冷却并安装在双稳态机构中(图2d)。通过升高单元致动器的温度来触发第二阶段(图2e)。当SMS恢复时,它会触发双稳态机制并实现部署状态。一旦冷却,这种激活状态就像SMS恢复到玻璃状态一样僵硬。“

苏黎世联邦理工学院4D打印承重塑料结构

由此我们看到的结果是一个物体平滑地从平坦状态转变为复杂形状,最重要的是,在部署期间和之后都显示出承载能力,这与许多其他4D打印物体不同。所以该研究有可潜力扩展到许多应用,特别是在太空探索领域。

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