波蘭3D打印機制造商Zortrax&歐洲航天局(ESA)：推動太空4D打印技術

2023年6月,，南極熊獲悉,，波蘭3D打印機制造商Zortrax打破壁壘,，與歐洲航天局(ESA)開展了為期一年的推進太空探索的項目，推動了4D打印技術的發(fā)展,。



通過利用Zortrax的M300 Dual 3D打印機和定制的Z-SUITE專有3D打印軟件,， Zortrax 的研發(fā)團隊創(chuàng)建了復雜的3D結構。研究人員使用形狀記憶聚合物和導電材料構建精細結構,，可以用于響應式致動器和加熱器,。上述材料能夠實現三種運動，包括彎曲、扭轉和展開,，每一個動作都可以通過按下一個按鈕來激活,。Zortrax 將利用大量資金，推動這項技術的發(fā)展并計劃將電激活4D打印帶入太空中,。

通過將其雙擠壓 3D 打印技術與先進材料結合使用,，該工藝可以構建可靠、輕便的機制,。此外,，這些機制獨立于單獨的執(zhí)行器,、引擎或控制電路運行,，標志著其他高科技領域向前邁出了重要一步，包括航空,、能源生產和國防,。

時間維度
深入研究 4D 打印世界會發(fā)現有趣的第四個維度：時間。將時間作為一個附加變量,，打印對象可以調整其幾何形狀和其他屬性以響應各種刺激,，例如溫度、濕度或電流,，就像加熱時展開的折紙結構一樣,。這個概念在 2013 年左右開始受到關注，當時麻省理工學院(MIT)自組裝實驗室的聯合主任Skylar Tibbits開始在各種技術會議上討論和推廣這個概念,。

Zortrax 研發(fā)主管 Michał Siemaszko 表示,，“4D 打印引起了航天工業(yè)的極大興趣，從理論上講,，該技術可以使工程師和任務設計人員減輕可部署結構的重量,，如天線、吊桿或各種傳感器,。傳統(tǒng)上制造的此類結構的重量是結構本身和與之相關的夾具結構的總和,，但如果有可能不使用夾具，它們就可以做得更輕,、更小,。”


△采用 4D 打印技術制成的電動展開演示器,。

4D打印的前景很廣闊,，但它面臨著很多的問題。例如,，4D打印技術需要合適的“智能”材料,，這些材料需要隨著時間的推移可靠地改變其形狀或特性以響應特定刺激。此外,，需要控制環(huán)境以觸發(fā)這些變化,。要知道,，在惡劣的太空條件下，環(huán)境問題更加突出,。由于 ESA 的資助,，Zortrax 致力于解決上述這些問題。

ESA 材料物理和化學工程師 Ugo Lafont 說：“激活 4D 打印機制最常用的刺激是溫度,。展望太空應用,，溫度變化的幅度可能非常大，即使它可以用作形狀變化激活的觸發(fā)器,，也很難以漸進的方式控制,。因此在太空系統(tǒng)中，控制電輸入更容易,。這個項目背后的想法是利用熱誘導的形狀變化能力,，但通過電流產生的熱量使用更受控制的激活。這些概念正在接受評估,，使用此技術有可能減少復雜系統(tǒng)中的零件數量,，同時保持其提供受控、按需移動和驅動的能力,�,！�

三大重要組成部分
Zortrax 的團隊解釋說，創(chuàng)建 4D 打印主要圍繞著三個重要組成部分：正確的材料,、功能強大的軟件和先進的 3D 打印機,。

Zortrax 迎接挑戰(zhàn)，開發(fā)了一種玻璃化轉變溫度高達 75℃ 的定制形狀記憶燈絲,，比任何其他可用產品高 50%,。經過全面測試，這種材料被證明是開創(chuàng)性 4D 打印系統(tǒng)的理想選擇,。在追求 4D 打印的過程中,，Zortrax 團隊認識到需要導電細絲。這些細絲將是電激活的加熱器,，觸發(fā)形狀記憶效應,。因為有幾種現成的燈絲符合必要的規(guī)格。在評估熱性能和電性能的綜合測試階段之后,，Fiberforce Nylforce Conductive 成為加熱 4D 打印機制中形狀記憶聚合物的首選燈絲,。

在材料選擇之后，團隊將注意力轉向打印過程,。目標是使用雙材料 3D 打印,，這種方法可以用兩種不同的材料制造零件。要實現這一目標，需要將最初為 ESA 開發(fā)的實驗版 Z-SUITE 軟件與 M300 Dual 3D 打印機的雙擠壓功能相結合,。這種打印機具有兩個可操作的打印頭,，促進了雙材料工藝。Zortrax 還設計了三個獨特的 4D 打印演示器,。每一個都展示了不同類型的電動運動：彎曲,、扭轉和展開，強調了 4D 打印令人印象深刻的多功能性,。

△采用 4D 打印技術制作的激活旋轉運動演示器,。

其他項目
Zortrax 除了開創(chuàng)性的 4D 打印項目外，還一直與ESA合作開展其他 3D 打印項目,。例如,，Zortrax 在 2018 年使用其 M200 3D 打印機 3D 打印了衛(wèi)星天線，以測試衛(wèi)星通信系統(tǒng)的性能,。2019年,，兩人合作開發(fā)了用于太空探索的 3D 打印技術,，為太空中的航天器和衛(wèi)星生產零件,。

另一個項目包括改進用于高性能復合材料部件生產的Endureal工業(yè) 3D 打印機。Zortrax 認證了其高溫 Z-PEEK 燈絲,，此款燈絲加入了適合在太空中使用的少數聚合物,，與 Zortrax Endureal 兼容。這表明在 Zortrax Endureal 3D 打印機上使用 Z-PEEK 打印的 3D 部件可以在太空任務中發(fā)射,。

通過這些創(chuàng)新舉措,，Zortrax 繼續(xù)鞏固其在航空航天領域的足跡，推動進步并制定新的行業(yè)標準,。