一种复合材料的4D打印工艺

    在竞争游戏中，现在一种新的方法，即复合材料的4D打印，为制造像卫星一样的物体而提供了更快、更低成本的技术。

    这种方法是采用3D打印机来创建物体，一旦离开3D打印机，物体就会随时间而发生形状的变化。在这种情况下，第四维度是一种激活机制，如热、光和磁场，或吸收湿气。

    康科迪亚工程与计算机科学学院(简称“ENCS”)工业与航空航天工程的机械系教授、研究人员Suong Van Hoa推动了曲面结构的无模制造。

    “4D打印允许我们制造出曲面的复合材料结构而无需制作曲面模具。”Suong Van Hoa说道，“我的主要发现是，可以采用拥有高力学性能的长的连续纤维，更快更经济地制作曲面的复合材料部件。”

    去年秋季，Suong Van Hoa凭借其通过研究、实践、教育和服务而为复合材料社区作出的突出贡献，被任命为美国复合材料学会会员。他在《Advanced Manufacturing》杂志上发表了他的最新发现，文章题目是：高分子与复合材料科学。

    工作原理

    复合材料的板弹簧作为轻量化的汽车减振器，其制造时间通常较长。

    比如，做一个S形的件，首先，需要采用金属一样的固体材料制造一副S形的模具;然后，将树脂预浸渍的增强织物铺放到模具中，以制成复合材料的部件。

    但是，Suong Van Hoa却表示，第一步，即制造一副复杂的模具可以省略，以节省时间和费用。作为康科迪亚复合材料中心(简称“CONCOM”)的创建负责人，他的发现显示出这项生产工艺如何显著提供效率。

    “复合材料的4D打印利用了基体树脂的收缩以及不同纤维取向层的热收缩系数的差异，从而在固化冷却时通过激活来改变形状。”他介绍说，“这种行为可被用来制造拥有曲面形状的部件，而无需复杂的模具。同样，可以又快又经济地制造弯曲形状的部件。但是，形状变化的程度取决于材料的性能、纤维的取向、铺层的顺序和制造工艺。”

    一种新方法

    为了达到他所说的结果，Suong Van Hoa重新考虑了复合材料层的各向异性特性。

    各向异性可以被定义为，材料在承受不同轴向载荷时如何发挥不同的作用。一种材料的各向异性是衡量它如何改变与其他因素之间关系的尺度。

    在《Advanced Manufacturing》杂志中发表的论文“高分子与复合材料科学”中，Suong Van Hoa概述了这种在构建复合材料结构中发挥作用的各向异性特性。比如，树脂收缩会引起材料变形，或者，温度变化会引起纤维膨胀或收缩。理解和控制这些变化，是不采用曲面模具制造曲面层压板的关键。

    “各向异性特性在过去被看作是一种倾向，现在我们将其看作是一个优点。”Suong Van Hoa说道。

    让创新落地

    除其他领域外，这项技术最终可应用于航空航天工业。

    Suong Van Hoa表示：“另一项应用是像卫星一样的空间结构，这些结构会承受极端的温度波动。白天(当温度高时)这些结构会打开以收集太阳能，夜间闭合以为其内部提供保护。”