3D打印使金屬驅(qū)動(dòng)器走向新未來(lái)

  匹茲堡大學(xué)機(jī)械工程和材料科學(xué)教授MarkusChmielus認(rèn)為，在未來(lái)產(chǎn)業(yè)中，3D打印技術(shù)可以方便實(shí)惠地打印出磁力驅(qū)動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)器能夠精準(zhǔn)地移動(dòng)機(jī)械手、零件夾持器、折疊式太陽(yáng)能電池板等物件，并且不需電源便可完成多項(xiàng)任務(wù)。美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NationalScienceFoundation）也對(duì)此觀點(diǎn)表示認(rèn)同。近期，基金會(huì)向Chmielus實(shí)驗(yàn)室提供了30萬(wàn)美元資金，以幫助其實(shí)現(xiàn)研究成果。而在此之前，這一輪資金首先用于Chmielus的第一階段研究，即3D粘合劑噴射打印出的增強(qiáng)磁金屬對(duì)磁性形狀記憶合金性能的影響。他表示，到目前為止，這項(xiàng)研究前景還很廣闊。

磁性形狀記憶合金單晶體中的孿晶（彩帶形），圖片來(lái)源:匹茲堡大學(xué)

  Chmielus解釋說(shuō)，當(dāng)磁性形狀記憶合金處在磁場(chǎng)中時(shí)，其形狀發(fā)生改變，而當(dāng)磁場(chǎng)消失時(shí)又會(huì)恢復(fù)到原來(lái)的形狀。此外，它還能自發(fā)產(chǎn)生一定能量，所以當(dāng)其作用于較小物體時(shí)，無(wú)需電池或其他電源供能便能啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)器。

  他還提到，磁場(chǎng)粘合劑噴射打印技術(shù)利用磁場(chǎng)使原料粉末微粒整齊排列，以增強(qiáng)材料的結(jié)構(gòu)和磁各項(xiàng)異性（一種衡量物質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)反應(yīng)程度的屬性）。驅(qū)動(dòng)反應(yīng)正是來(lái)源于物質(zhì)的各向異性。

  雖然其他一些研究人員同時(shí)也正致力于探索類似的打印方法，但Chmielus表示，如果進(jìn)展順利，他和他的團(tuán)隊(duì)將會(huì)率先采用上述方法打印出具有大張力和最優(yōu)微觀結(jié)構(gòu)排列的物質(zhì)，以制造出精密度高，性能強(qiáng)的大行程驅(qū)動(dòng)器和磁性材料。

用于增材制造的磁性形狀記憶粉末，圖片來(lái)源：匹茲堡大學(xué)

  獨(dú)辟蹊徑

  目前，固體單晶體合金是所使用材料中最常見(jiàn)、性能最好的磁性形狀記憶合金，這種合金的晶格能夠一直完好無(wú)損地維持到其邊緣部分。Chmielus表示：“晶體內(nèi)部的整個(gè)微觀結(jié)構(gòu)相同”，使得粒子非常整齊地排列，且優(yōu)化了其對(duì)磁場(chǎng)的反應(yīng)。經(jīng)過(guò)由溫度、壓力、磁場(chǎng)強(qiáng)度等環(huán)境因素引起的“相位變換”過(guò)程后，合金的形狀或其他機(jī)械性能會(huì)發(fā)生改變。

  然而，這些優(yōu)質(zhì)合金也存在局限性，包括其昂貴的價(jià)格和復(fù)雜的制作流程。Chmielus說(shuō)，用這種材料制造出堅(jiān)固又形狀復(fù)雜的物品非常困難。

  為找到一種更為經(jīng)濟(jì)高效的方法來(lái)生產(chǎn)具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的合金，以在未來(lái)應(yīng)用于傳感器、機(jī)器人和發(fā)電機(jī)械設(shè)備等方面，Chmielus選擇了能夠自己制作的鎳基合金粉末作為原料。這種粉末是一種常用的磁性形狀記憶合金，以其低孿晶壓力和驅(qū)動(dòng)性能著稱。Chmielus實(shí)驗(yàn)室同時(shí)也在嘗試使用由生物相容性材料和鈦合金制成的物質(zhì)作為原料。

  另外，研究人員還打造出獨(dú)有的3D粘合劑噴射打印機(jī)，并將其封裝在金屬盒子中。他們?cè)诤凶油獠坑糜谰眯源盆F或電磁體使盒子內(nèi)部的物質(zhì)磁化。Chmielus提到，在這個(gè)過(guò)程中，只需微弱磁場(chǎng)即可完成。

  打印系統(tǒng)更為完善

  Chmielus表示，粘合劑噴射打印系統(tǒng)有諸多好處。不同于單晶體合金，其所用的鎳基粉末在進(jìn)行打印之前無(wú)需用激光將其熔化，這使得打印過(guò)程更便宜、更易實(shí)現(xiàn)。這種打印過(guò)程非常簡(jiǎn)單——先鋪一層粉末，然后在上面涂一層膠水，接著重復(fù)這個(gè)過(guò)程，直到物體制作完成。他說(shuō)：“這就類似于家用噴墨打印機(jī)。”

  另外，Chmielus提到，粘合劑噴射打印過(guò)程比增材制造中常用的激光燒結(jié)過(guò)程快得多。他說(shuō)：“前者無(wú)需激光點(diǎn)掃描樣本，而是使用大型的原料盒在整個(gè)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行打印，所以其速度快了至少十倍?！?/span>

  然而，粘合劑噴射打印的問(wèn)題在于，它在排列粉末顆粒以獲得最佳性能方面表現(xiàn)不佳。為解決此問(wèn)題，研究人員逐層進(jìn)行磁化，選擇不同強(qiáng)度的磁場(chǎng)來(lái)改變粒子的排列。Chmielus說(shuō)：“我們用磁場(chǎng)覆蓋粉末所在區(qū)域，使粒子排列整齊以提高性能。這就像把磁鐵放進(jìn)一桶釘子里后，釘子會(huì)呈現(xiàn)出一個(gè)接一個(gè)的排列狀態(tài)?！?/span>

  研究人員目前正致力于進(jìn)一步優(yōu)化粒子排列技術(shù)，這將幫助制造商打印具有磁指向的材料，以應(yīng)用于電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)等產(chǎn)品。

  另外，制造商能通過(guò)粘合劑噴射打印，改變或定制材料的孔隙度。

  Chmielus說(shuō)：“你可以創(chuàng)造出各種設(shè)計(jì)精美、造型別致的結(jié)構(gòu)，例如一種能讓液體流過(guò)的結(jié)構(gòu)?；蛟S多孔性對(duì)某些結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)無(wú)益，但它正是其他結(jié)構(gòu)所需要的?！?/span>

  由于粒子已被定向磁化，打印出的合金甚至可以自行產(chǎn)生能量。Chmielus表示，通過(guò)機(jī)械地改變材料的形狀，可以使磁場(chǎng)改變方向，從而產(chǎn)生能量，并進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

  在下一階段的研究中，實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃打印一些“無(wú)聊至極”的物品，比如一個(gè)立方體或者類似于活塞的東西。不過(guò)，Chmielus預(yù)計(jì)，幾年后制造商將能通過(guò)此3D技術(shù)打印一些目前還無(wú)法打印的物件，如復(fù)雜的金屬驅(qū)動(dòng)器或其他高端結(jié)構(gòu)。

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