形状记忆聚合物+导电材料，欧空局用桌面机实现4D打印

2023年6月2日，南极熊获悉，欧洲航天局 (ESA)项目承包商Zortrax的研发团队正在开发一种针对航天工业应用的新型4D打印技术。据悉，这种新型4D 打印技术是使用Zortrax公司的M300 Dual FDM 打印机和改进版 Z-SUITE 来3D 打印由形状记忆聚合物和导电材料制成的结构，有望应用到未来的太空任务中。

4D打印技术相对于3D打印，多出来的第四个维度就是时间。4D 打印的物体可以改变它们的几何形状和其他属性，以响应各种刺激，例如温度、湿度、电流等。

Zortrax SA 研发主管Michał Siemaszko 说：“4D 打印引起了航天工业的极大兴趣，因为从理论上讲，该技术可以使工程师和任务设计人员减轻天线、吊杆或各种传感器等可展开结构的重量。以传统方式制造的此类结构的重量始终是结构本身和应该部署它的机制的总和。但是，如果有可能完全摆脱部署机制，它们就可以做得更轻更小。”

△Zortrax 向 ESA 交付的 4D打印技术演示器。

2013 年，麻省理工学院的一组研究人员 3D 打印了具有可编程变形能力的物体，这种物体暴露在热刺激环境下可以被触发。然而，在这项技术找到实际应用之前，还需要克服一些挑战。例如：打印物体的变形过程完全取决于环境的温度变化，只有当温度达到一定水平时才会触发；无法按顺序部署此类结构，因为整个物体会同时被加热；控制环境也不总是一种选择，尤其是在太空中。由 ESA 资助的 Zortrax 则是致力于解决这些挑战。

Zortrax 研发团队使用本公司研发的 M300 Dual FDM 3D 打印机和 Zortrax 的 3D 打印软件 Z-SUITE 的升级版本来 3D 打印由形状记忆聚合物和导电材料制成的结构。

△Zortrax 的 M300 双 3D 打印机。

Zortrax SA 材料开发负责人Dawid Piastowski 表示：“通过将M300 Dual 的双喷头 3D 打印工艺和这些先进材料相结合，为构建可靠、轻便的机制开辟了一条清晰的道路，这些机制无需单独的执行器、引擎或控制电路即可运行，这在能源等领域至关重要。”

在这些机制中，形状记忆聚合物用作致动器，导电材料用作电动加热器。通过这种方式，可以构建技术演示器来展示三种类型的运动——弯曲、扭转和展开——只需按一下按钮即可激活。

ESA 材料物理和化学工程师 UgoLafont 博士说：“激活 4D 打印机制最常用的刺激是温度。从空间应用来看，温度变化的幅度可能非常大，即使可以作为变形激活的触发器，也很难逐步控制。所以在太空系统中，控制电输入更容易。该项目背后的想法是利用热诱导的形状变化能力，但通过电流产生的热量可以实现更可控的激活。这些概念正在接受评估，因为它们有可能减少复杂系统中的零件数量，同时保持其提供受控、按需移动和驱动的能力。”

对于 Zortrax 而言，该项目的成功完成为更先进的项目开辟了一条道路，需要更多资金来进一步开发这项技术，并最终使电激活 4D 打印部件为太空任务做好准备。