歐空局用Zortrax打印機實現4D打印？

image source：Zortrax

歐洲航天局 (ESA)項目承包商zortrax的研發團隊正在開發一種針對航天工業應用的新型4D打印技術。據悉，這種新型4D 打印技術是使用Zortrax公司的M300 Dual FDM 打印機和改進版 Z-SUITE 來3D 打印由形狀記憶聚合物和導電材料製成的結構，有望應用到未來的太空任務中。

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3D打印是一種增材製造技術，可以基於數字模型逐層構建物理三維對象。4D打印技術增加的第四個附加維度是時間。4D打印物體可以改變其屬性，如幾何形狀，以響應各種刺激，無論是溫度，溼度，電流等等。想象一下，摺紙狀結構在室溫下保持摺疊，但在加熱時展開。

4D 打印引起了航天工業的極大興趣，因爲從理論上講，該技術可以使工程師和任務設計人員減輕天線、吊杆或各種傳感器等可展開結構的重量。以傳統方式製造的此類結構的重量始終是結構本身和應該部署它的機制的總和。但是，如果有可能完全擺脫部署機制，它們就可以做得更輕更小。

由於它們不太硬也不太靈活，我們不能說它們是橡膠。在室溫下是剛性的。 PA 是難以撕開，但仍具有柔韌性。如果它們用於製造具有薄結構的薄壁，它們將是柔韌的，因此可以用於靈活類型的應用，即可以彎曲且不會斷裂的東西。

2013年，麻省理工學院的研究人員團隊在 2013 年製造了可展開的 4D 打印結構，當加熱到一定溫度時可以移動，4D 打印成爲頭條新聞。

雖然他們的結果看起來令人印象深刻，但在這項技術找到任何實際應用之前，還有一些明顯的問題需要解決。

1、形狀變化是由環境溫度觸發的，它立即加熱了整個結構。

2、這個過程幾乎是不可控的——當環境溫度達到一定水平時它就會被觸發，你不能總是控制環境。

3、形狀變化開始於 40 攝氏度的相對較低的溫度

4、由於形狀變化是由環境觸發的，因此無法按順序部署此類結構，從而限制了它們的應用。

ESA和 zortrax 合作，致力於解決這些挑戰。

4D 打印機制的製造需要三個基本組件。這些都是：

1、正確的材料提供形狀記憶效果。

2、能夠製造 4D 打印部件的正確軟件。

3、合適的3D打印機，可以物理製作4D打印部件。

zortrax的開發過程始於爲工作選擇合適的料絲。對於RnD團隊來說，選擇了一個形狀記憶聚合物池，它將驅動系統中的運動，以及一個導電絲池，它將充當電激活加熱器，激活形狀記憶效應。

Zortrax向歐空局交付的4D打印技術演示器

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從一開始，很明顯市售的形狀記憶料絲的玻璃化轉變溫度高達 55 ℃，這對於太空應用來說是不夠的。帶有這種料絲的 4D 打印機構會在超過 55 攝氏度的溫度下自行激活，這在航天器暴露在陽光下的近地軌道上經常發生。

爲此，Zortrax 定製了一種形狀記憶料絲，其玻璃化轉變溫度爲 75 ℃，比市場上的任何產品高出 50%。該材料已交付，經過全面測試，並發現適用於概念驗證 4D 打印系統。

選擇合適的導電材料更容易，因爲多個現成的料絲符合要求。經過廣泛的測試活動，測試了這些料絲的熱性能和電性能，選擇FIBERFORCE尼龍導電材料作爲在4D打印機制中加熱形狀記憶聚合物的材料。

彎曲運動4D打印技術演示器在測試設置中。

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在最後一步中，Zortrax RnD 團隊檢查了兩種選定的聚合物是否可以在雙材料3D打印模式下打印，從而能夠製造由兩種不同材料製成的零件。這種雙材料3D 印模式是通過結合最初專爲 ESA 開發的 Z-SUITE 軟件實驗版和可以同時使用兩個打印頭的雙擠壓M300 Dual 3D打印機實現的。

根據 ESA 合同，Zortrax 必須開發三個 4D 打印演示器，每個演示器展示不同類型的電動機芯。這些類型的運動是：

1、彎曲。

2、扭力。

3、展開。

彎曲運動演示器的工作始於設計簡單的矩形形狀，該形狀帶有導電加熱芯和由形狀記憶材料製成的外層。

從這些簡單的形狀，RnD團隊轉向更先進的設計，最終最終得到了一個能夠在打開電源後一分鐘內彎曲約30度的杆。

扭轉運動有點棘手，因爲激活時更容易使4D打印機構彎曲而不是旋轉。第一個鏡頭是螺旋設計，它會壓縮並導致中心的旋轉運動。

螺旋設計，這是Zortrax製造的扭力運動演示器的第一次迭代。

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然而，由於導電線路較長，這被證明很難上電。另一方面，這種設計的較短和較薄的版本很脆弱，無法產生足夠的扭矩。

出於這個原因，該團隊邁出了激進的一步，製作了一種全新的彈簧狀設計，該設計具有短導電線，即使沒有潤滑或軸承，也可以產生足夠的扭矩來轉動3D打印底盤。該機構在通電時可以旋轉 30 度。

最終扭力運動演示器。左邊是3D打印機構，右邊是工作原理。

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最後一個也是最複雜的設計是部署運動演示器。Zortrax團隊從相當精緻的三葉膜開始，葉子在提供電流時像花朵一樣閉合。

左側爲展開運動演示器，右側爲彈簧狀扭力運動演示器。

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事實證明這太複雜了，而且動作非常緩慢。在下一次迭代中，葉子的數量減少到兩個，然後進一步減少到只有一個。使用其中兩個單葉膜，可以構建一個一次性可逆系統，其中一個膜的形狀記憶效應編程了另一個膜中的運動。

這樣，就可以僅使用電流將系統從關閉移動到打開，然後再關閉。

4D 打印技術有可能徹底改變機械在太空中的工作方式。因爲運動是所用材料的固有特性，所以不需要單獨的致動系統來增加重量並因此增加機構的成本。

考慮到這個未來，在這個 ESA 項目中製作的簡單演示器可以用作更大機制的基本構建塊。這意味着它們易於擴展，可以隨意激活，並且非常簡單，這意味着可靠性。

安裝在 3D 打印外殼中的類彈簧扭轉運動演示器。

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這種系統可用於多種應用。例如，一次性陣列傳感器分散在大面積上，以便在困難的環境中進行測量，在這些環境中使用更昂貴的材料毫無意義。其他包括可部署的天線，可以隨意部署和摺疊，完全沒有致動機構。使用多個4D打印構建塊，例如此處用作彎曲演示器的構建塊，可以製作出可以以驚人的精度控制的指向機構。

當然，在4D打印系統超越實驗階段並執行實際的太空任務之前，還有很多工作要做。但是在Zortrax所做的是一個堅實的起點。電激活的4D打印機構可以通過按下按鈕激活，它們可以在不超過75°C的任何溫度下工作，熱量可以精確地傳遞到機構中的選定點，並且已經邁出了實現可逆性的第一步。剩下的工作是微調和演變。