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3D打印使金屬驅(qū)動器走向新未來

Date:2018-07-14 09:07:36

  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。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利用磁場使原料粉末微粒整齊排列,以增強材料的結構和磁各項異性(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)微觀結構排列的物質(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)部的整個微觀結構相同”,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)具有復雜結構的合金,以在未來應用于傳感器、機器人和發(fā)電機械設備等方面,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。”


  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。”


  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)。”


  研究人員目前正致力于進一步優(yōu)化粒子排列技術,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)造出各種設計精美、造型別致的結構,例如一種能讓液體流過的結構。或許多孔性對某些結構來說無益,但它正是其他結構所需要的。”


  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)動器或其他高端結構。


  本文轉(zhuǎn)載自:3D虎 版權歸3D虎所有

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