研究人员成功研发可在太空中自主成型的3D打印复合材料

太空部件可以像折纸一样“折叠发射”，上天后再自动展开成型伊利诺伊大学的研究团队将此变为现实。据伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校消息，格拉inger工程学院航空航天专业博士生IvanWu及其导师JeffBaur开发了一种节能方法，可使扁平的二维复合材料结构在太空部署后，变形为预设的三维曲面结构。

以往的低能耗变形方法所产生的结构，其刚度无法满足航空航天应用的要求。IvanWu和JeffBaur在他们的研究中解决了这一局限。相关论文《通过增材制造和前沿聚合快速成型可编程形状的形态发生复合材料》已发表在《AdditiveManufacturing》期刊上。

该方法融合了两项关键突破：一是由贝克曼研究所合作团队研发的节能纯树脂系统，二是能制造航空级复合材料结构的连续碳纤维3D打印机。

利用该打印机，将每束直径约如人发的碳纤维铺设到打印床上，经压实后通过紫外线进行部分固化。随后，打印好的纤维架构会被嵌入液态树脂中并冷冻固化。当需要三维结构时，只需施加一个低能耗的热刺激，便可激活化学反应，使树脂固化，并将平坦的复合材料变形为预设的曲面形状。这一过程被称为“前沿聚合”，它省去了对大型烘箱或热压罐的需要。关键是，同一微弱的热触发可激活任意尺寸的结构，使得该方法具备可扩展性，足以应用于大型空间部件。

一个主要的技术挑战在于解决“逆问题”：即确定为了实现特定的三维形状所需打印的*二维纤维图案。IvanWu为此开发了数学模型和代码来编程控制打印机，成功展示了五种形状：螺旋圆柱体、扭转体、圆锥体、鞍形面以及抛物面碟。其中，抛物面碟尤其具有应用价值，因为它复现了可展开卫星天线所需的光滑曲面。

受到剪纸艺术的启发，IvanWu通过*控制的弯曲而非折叠实现了平滑曲面。为实现变形能力，复合材料采用了较低的纤维体积分数，以平衡柔韧性与刚度。

尽管变形后结构的刚度仍不足以直接用作太空中的承力部件，但研究人员提出，可将这些变形后的形状作为可重复使用的模具，在轨道上浇筑制造出高刚度的*终复合材料部件。

此外，IvanWu指出，相同的材料和工艺也适用于制造地球偏远环境下使用的可展开结构。

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