波兰3D打印机制造商Zortrax&欧洲航天局(ESA)：推动太空4D打印技术

2023年6月，南极熊获悉，波兰3D打印机制造商Zortrax打破壁垒，与欧洲航天局(ESA)开展了为期一年的推进太空探索的项目，推动了4D打印技术的发展。



通过利用Zortrax的M300 Dual 3D打印机和定制的Z-SUITE专有3D打印软件， Zortrax 的研发团队创建了复杂的3D结构。研究人员使用形状记忆聚合物和导电材料构建精细结构，可以用于响应式致动器和加热器。上述材料能够实现三种运动，包括弯曲、扭转和展开，每一个动作都可以通过按下一个按钮来激活。Zortrax 将利用大量资金，推动这项技术的发展并计划将电激活4D打印带入太空中。

通过将其双挤压 3D 打印技术与先进材料结合使用，该工艺可以构建可靠、轻便的机制。此外，这些机制独立于单独的执行器、引擎或控制电路运行，标志着其他高科技领域向前迈出了重要一步，包括航空、能源生产和国防。

时间维度
深入研究 4D 打印世界会发现有趣的第四个维度：时间。将时间作为一个附加变量，打印对象可以调整其几何形状和其他属性以响应各种刺激，例如温度、湿度或电流，就像加热时展开的折纸结构一样。这个概念在 2013 年左右开始受到关注，当时麻省理工学院(MIT)自组装实验室的联合主任Skylar Tibbits开始在各种技术会议上讨论和推广这个概念。

Zortrax 研发主管 Michał Siemaszko 表示，“4D 打印引起了航天工业的极大兴趣，从理论上讲，该技术可以使工程师和任务设计人员减轻可部署结构的重量，如天线、吊杆或各种传感器。传统上制造的此类结构的重量是结构本身和与之相关的夹具结构的总和，但如果有可能不使用夹具，它们就可以做得更轻、更小。”


△采用 4D 打印技术制成的电动展开演示器。

4D打印的前景很广阔，但它面临着很多的问题。例如，4D打印技术需要合适的“智能”材料，这些材料需要随着时间的推移可靠地改变其形状或特性以响应特定刺激。此外，需要控制环境以触发这些变化。要知道，在恶劣的太空条件下，环境问题更加突出。由于 ESA 的资助，Zortrax 致力于解决上述这些问题。

ESA 材料物理和化学工程师 Ugo Lafont 说：“激活 4D 打印机制最常用的刺激是温度。展望太空应用，温度变化的幅度可能非常大，即使它可以用作形状变化激活的触发器，也很难以渐进的方式控制。因此在太空系统中，控制电输入更容易。这个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使用更受控制的激活。这些概念正在接受评估，使用此技术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。”

三大重要组成部分
Zortrax 的团队解释说，创建 4D 打印主要围绕着三个重要组成部分：正确的材料、功能强大的软件和先进的 3D 打印机。

Zortrax 迎接挑战，开发了一种玻璃化转变温度高达 75℃ 的定制形状记忆灯丝，比任何其他可用产品高 50%。经过全面测试，这种材料被证明是开创性 4D 打印系统的理想选择。在追求 4D 打印的过程中，Zortrax 团队认识到需要导电细丝。这些细丝将是电激活的加热器，触发形状记忆效应。因为有几种现成的灯丝符合必要的规格。在评估热性能和电性能的综合测试阶段之后，Fiberforce Nylforce Conductive 成为加热 4D 打印机制中形状记忆聚合物的首选灯丝。

在材料选择之后，团队将注意力转向打印过程。目标是使用双材料 3D 打印，这种方法可以用两种不同的材料制造零件。要实现这一目标，需要将最初为 ESA 开发的实验版 Z-SUITE 软件与 M300 Dual 3D 打印机的双挤压功能相结合。这种打印机具有两个可操作的打印头，促进了双材料工艺。Zortrax 还设计了三个独特的 4D 打印演示器。每一个都展示了不同类型的电动运动：弯曲、扭转和展开，强调了 4D 打印令人印象深刻的多功能性。

△采用 4D 打印技术制作的激活旋转运动演示器。

其他项目
Zortrax 除了开创性的 4D 打印项目外，还一直与ESA合作开展其他 3D 打印项目。例如，Zortrax 在 2018 年使用其 M200 3D 打印机 3D 打印了卫星天线，以测试卫星通信系统的性能。2019年，两人合作开发了用于太空探索的 3D 打印技术，为太空中的航天器和卫星生产零件。

另一个项目包括改进用于高性能复合材料部件生产的Endureal工业 3D 打印机。Zortrax 认证了其高温 Z-PEEK 灯丝，此款灯丝加入了适合在太空中使用的少数聚合物，与 Zortrax Endureal 兼容。这表明在 Zortrax Endureal 3D 打印机上使用 Z-PEEK 打印的 3D 部件可以在太空任务中发射。

通过这些创新举措，Zortrax 继续巩固其在航空航天领域的足迹，推动进步并制定新的行业标准。