3D打印使金属驱动器走向新未来

匹兹堡大学机械工程和材料科学教授Markus Chmielus认为，在未来产业中，3D打印技术可以方便实惠地打印出磁力驱动器。该驱动器能够精准地移动机械手、零件夹持器、折叠式太阳能电池板等物件，并且不需电源便可完成多项任务。美国国家科学基金会（NationalScience Foundation）也对此观点表示认同。近期，基金会向Chmielus实验室提供了30万美元资金，以帮助其实现研究成果。而在此之前，这一轮资金首先用于Chmielus的第一阶段研究，即3D粘合剂喷射打印出的增强磁金属对磁性形状记忆合金性能的影响。他表示，到目前为止，这项研究前景还很广阔。

磁性形状记忆合金单晶体中的孪晶（彩带形），图片来源:匹兹堡大学

Chmielus解释说，当磁性形状记忆合金处在磁场中时，其形状发生改变，而当磁场消失时又会恢复到原来的形状。此外，它还能自发产生一定能量，所以当其作用于较小物体时，无需电池或其他电源供能便能启动驱动器。

他还提到，磁场粘合剂喷射打印技术利用磁场使原料粉末微粒整齐排列，以增强材料的结构和磁各项异性（一种衡量物质对磁场反应程度的属性）。驱动反应正是来源于物质的各向异性。

虽然其他一些研究人员同时也正致力于探索类似的打印方法，但Chmielus表示，如果进展顺利，他和他的团队将会率先采用上述方法打印出具有大张力和最优微观结构排列的物质，以制造出精密度高，性能强的大行程驱动器和磁性材料。

用于增材制造的磁性形状记忆粉末，图片来源：匹兹堡大学

独辟蹊径
目前，固体单晶体合金是所使用材料中最常见、性能最好的磁性形状记忆合金，这种合金的晶格能够一直完好无损地维持到其边缘部分。Chmielus表示：“晶体内部的整个微观结构相同”，使得粒子非常整齐地排列，且优化了其对磁场的反应。经过由温度、压力、磁场强度等环境因素引起的“相位变换”过程后，合金的形状或其他机械性能会发生改变。

然而，这些优质合金也存在局限性，包括其昂贵的价格和复杂的制作流程。Chmielus说，用这种材料制造出坚固又形状复杂的物品非常困难。

为找到一种更为经济高效的方法来生产具有复杂结构的合金，以在未来应用于传感器、机器人和发电机械设备等方面，Chmielus选择了能够自己制作的镍基合金粉末作为原料。这种粉末是一种常用的磁性形状记忆合金，以其低孪晶压力和驱动性能著称。Chmielus实验室同时也在尝试使用由生物相容性材料和钛合金制成的物质作为原料。

另外，研究人员还打造出独有的3D粘合剂喷射打印机，并将其封装在金属盒子中。他们在盒子外部用永久性磁铁或电磁体使盒子内部的物质磁化。Chmielus提到，在这个过程中，只需微弱磁场即可完成。

打印系统更为完善
Chmielus表示，粘合剂喷射打印系统有诸多好处。不同于单晶体合金，其所用的镍基粉末在进行打印之前无需用激光将其熔化，这使得打印过程更便宜、更易实现。这种打印过程非常简单——先铺一层粉末，然后在上面涂一层胶水，接着重复这个过程，直到物体制作完成。他说：“这就类似于家用喷墨打印机。”

另外，Chmielus提到，粘合剂喷射打印过程比增材制造中常用的激光烧结过程快得多。他说：“前者无需激光点扫描样本，而是使用大型的原料盒在整个区域内进行打印，所以其速度快了至少十倍。”

然而，粘合剂喷射打印的问题在于，它在排列粉末颗粒以获得最佳性能方面表现不佳。为解决此问题，研究人员逐层进行磁化，选择不同强度的磁场来改变粒子的排列。Chmielus说：“我们用磁场覆盖粉末所在区域，使粒子排列整齐以提高性能。这就像把磁铁放进一桶钉子里后，钉子会呈现出一个接一个的排列状态。”

研究人员目前正致力于进一步优化粒子排列技术，这将帮助制造商打印具有磁指向的材料，以应用于电动机和发电机等产品。

另外，制造商能通过粘合剂喷射打印，改变或定制材料的孔隙度。

Chmielus说：“你可以创造出各种设计精美、造型别致的结构，例如一种能让液体流过的结构。或许多孔性对某些结构来说无益，但它正是其他结构所需要的。”

由于粒子已被定向磁化，打印出的合金甚至可以自行产生能量。Chmielus表示，通过机械地改变材料的形状，可以使磁场改变方向，从而产生能量，并进行驱动。

在下一阶段的研究中，实验室计划打印一些“无聊至极”的物品，比如一个立方体或者类似于活塞的东西。不过，Chmielus预计，几年后制造商将能通过此3D技术打印一些目前还无法打印的物件，如复杂的金属驱动器或其他高端结构。


来源：美国机械工程师学会