3D打印使金屬驅(qū)動器走向新未來

  匹茲堡大學機械工程和材料科學教授MarkusChmielus認為，在未來產(chǎn)業(yè)中，3D打印技術(shù)可以方便實惠地打印出磁力驅(qū)動器。該驅(qū)動器能夠精準地移動機械手、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任務(wù)。美國國家科學基金會（NationalScienceFoundation）也對此觀點表示認同。近期，基金會向Chmielus實驗室提供了30萬美元資金，以幫助其實現(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磁金屬對磁性形狀記憶合金性能的影響。他表示，到目前為止，這項研究前景還很廣闊。

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

  Chmielus解釋說，當磁性形狀記憶合金處在磁場中時，其形狀發(fā)生改變，而當磁場消失時又會恢復到原來的形狀。此外，它還能自發(fā)產(chǎn)生一定能量，所以當其作用于較小物體時，無需電池或其他電源供能便能啟動驅(qū)動器。

  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，以增強材料的結(jié)構(gòu)和磁各項異性（一種衡量物質(zhì)對磁場反應程度的屬性）。驅(qū)動反應正是來源于物質(zhì)的各向異性。

  雖然其他一些研究人員同時也正致力于探索類似的打印方法，但Chmielus表示，如果進展順利，他和他的團隊將會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，性能強的大行程驅(qū)動器和磁性材料。

用于增材制造的磁性形狀記憶粉末，圖片來源：匹茲堡大學

  獨辟蹊徑

  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)化了其對磁場的反應。經(jīng)過由溫度、壓力、磁場強度等環(huán)境因素引起的“相位變換”過程后，合金的形狀或其他機械性能會發(fā)生改變。

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

  為找到一種更為經(jīng)濟高效的方法來生產(chǎn)具有復雜結(jié)構(gòu)的合金，以在未來應用于傳感器、機器人和發(fā)電機械設(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)動性能著稱。Chmielus實驗室同時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有的3D粘合劑噴射打印機，并將其封裝在金屬盒子中。他們在盒子外部用永久性磁鐵或電磁體使盒子內(nèi)部的物質(zhì)磁化。Chmielus提到，在這個過程中，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，接著重復這個過程，直到物體制作完成。他說：“這就類似于家用噴墨打印機?！?/span>

  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：“前者無需激光點掃描樣本，而是使用大型的原料盒在整個區(qū)域內(nèi)進行打印，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，研究人員逐層進行磁化，選擇不同強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。這就像把磁鐵放進一桶釘子里后，釘子會呈現(xiàn)出一個接一個的排列狀態(tài)?！?/span>

  研究人員目前正致力于進一步優(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，以應用于電動機和發(fā)電機等產(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多孔性對某些結(jié)構(gòu)來說無益，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，通過機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，并進行驅(qū)動。

  在下一階段的研究中，實驗室計劃打印一些“無聊至極”的物品，比如一個立方體或者類似于活塞的東西。不過，Chmielus預計，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，如復雜的金屬驅(qū)動器或其他高端結(jié)構(gòu)。

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