3D打印使金屬驅(qū)動(dòng)器走向新未來

匹茲堡大學(xué)機(jī)械工程和材料科學(xué)教授Markus Chmielus認(rèn)為,，在未來產(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),。美國國家科學(xué)基金會(huì)（NationalScience Foundation）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）,，圖片來源:匹茲堡大學(xué)

Chmielus解釋說，當(dāng)磁性形狀記憶合金處在磁場中時(shí),，其形狀發(fā)生改變,，而當(dāng)磁場消失時(shí)又會(huì)恢復(fù)到原來的形狀,。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，磁場粘合劑噴射打印技術(shù)利用磁場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)磁場反應(yīng)程度的屬性）。驅(qū)動(dòng)反應(yīng)正是來源于物質(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、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)磁場的反應(yīng),。經(jīng)過由溫度、壓力,、磁場強(qiáng)度等環(huán)境因素引起的“相位變換”過程后，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,，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)高效的方法來生產(chǎn)具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的合金,，以在未來應(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)過程中,，只需微弱磁場即可完成,。

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)行打印之前無需用激光將其熔化，這使得打印過程更便宜,、更易實(shí)現(xiàn),。這種打印過程非常簡單——先鋪一層粉末,，然后在上面涂一層膠水，接著重復(fù)這個(gè)過程,，直到物體制作完成,。他說：“這就類似于家用噴墨打印機(jī)�,！�

另外，Chmielus提到,，粘合劑噴射打印過程比增材制造中常用的激光燒結(jié)過程快得多,。他說：“前者無需激光點(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�,！�

然而,，粘合劑噴射打印的問題在于,，它在排列粉末顆粒以獲得最佳性能方面表現(xiàn)不佳。為解決此問題,，研究人員逐層進(jìn)行磁化,，選擇不同強(qiáng)度的磁場來改變粒子的排列。Chmielus說：“我們用磁場覆蓋粉末所在區(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),�,！�

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,，制造商能通過粘合劑噴射打印,，改變或定制材料的孔隙度。

Chmielus說：“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的結(jié)構(gòu)�,；蛟S多孔性對(duì)某些結(jié)構(gòu)來說無益，但它正是其他結(jié)構(gòu)所需要的,�,！�

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，通過機(jī)械地改變材料的形狀,，可以使磁場改變方向,，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,，Chmielus預(yù)計(jì),，幾年后制造商將能通過此3D技術(shù)打印一些目前還無法打印的物件，如復(fù)雜的金屬驅(qū)動(dòng)器或其他高端結(jié)構(gòu),。


來源：美國機(jī)械工程師學(xué)會(huì)