3D打印与形状记忆合金结合：德克萨斯农工大学与桑迪亚国家实验室开发主动互锁超表面

2024年11月，南极熊获悉，近日，德克萨斯农工大学与桑迪亚国家实验室的研究团队在Materials & Design期刊上发表了一篇关于互锁超表面（Interlocking Lattices Metamaterials, ILM）的重要研究，研究题目为Active interlocking metasurfaces enabled by shape memory alloys（由形状记忆合金驱动的主动互锁超表面）。该研究利用形状记忆合金（Shape Memory Alloys, SMA）和3D打印技术，开发出一种新型的主动互锁超表面技术，有望在航空航天、机器人技术和生物医学设备等领域带来革命性的变化。


研究背景
互锁超表面是一种新兴的连接技术，通过一系列相互咬合的特征结构来传输力并限制相邻物体之间的运动。传统的互锁超表面通常为被动设计，需要外部力量才能实现连接或断开。然而，德克萨斯农工大学的研究团队通过集成形状记忆合金（尤其是镍钛合金），成功实现了能够在特定温度下自动开启或关闭的主动互锁超表面。


△两种互锁超表面的单元结构

研究方法
●研究团队设计并制造了两种不同配置的互锁超表面阵列，采用近等原子比的镍钛粉末和激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion, L-PBF）3D打印技术。

●为了确保打印部件的质量，研究团队遵循了一套系统化的工艺优化框架，从单轨实验开始，逐步建立分析模型，并最终构建出打印可行性图谱。

●此外，研究团队还利用有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）预测了在接合-断开循环过程中产生的应变值。

通过热机械测试，研究发现所制备的互锁超表面组件在接合状态下表现出极高的锁定力，同时具有完全的形状恢复能力和良好的循环稳定性。数字图像相关法（Digital Image Correlation, DIC）进一步验证了FEA预测的准确性。光学显微镜分析显示，打印部件几乎无缺陷，密度超过99.9%，表明L-PBF技术能够有效制造高质量的镍钛合金互锁超表面。


△（a) 利用Solidworks Nitinol材料模型对捏合握持（PG）设计单元结构进行等效应变的3D建模和模拟；(b) 使用近等原子比例的镍钛合金制造的PG设计3D模型；(c) 对扩展锚（EA）设计单元结构进行等效应变的3D建模和模拟。(d) 使用近等原子比例的镍钛粉末3D打印的EA设计模型。

应用前景
这项新技术不仅能够提高结构件的连接强度和稳定性，还为智能、自适应结构的设计提供了新的可能。例如，在航空航天领域，主动互锁超表面可用于设计可重构的飞行器部件；在机器人技术中，它可以提供更加灵活和适应性强的关节；在生物医学设备中，则可以根据体温和身体运动的变化，调整植入物和假肢的状态，从而为患者提供更佳的治疗效果。

结论
德克萨斯农工大学和桑迪亚国家实验室的研究成果展示了利用形状记忆合金和3D打印技术开发主动互锁超表面的巨大潜力。未来，研究团队将继续优化设计，探索更多应用场景，推动这一前沿技术的实际应用和发展。
原文链接：https://www.sciencedirect.com/sc ... rr=8b0167a679c14632