研究人员利用4D打印技术制造无需模具的曲面复合材料

  近年来，4D打印技术一直是许多研究的主题。就在本周，达特茅斯学院的研究人员开发出了一种可3D打印的智能墨水，可以改变形状和颜色，他们与使用4D打印技术做新颖事物的其他团队不同。 Concordia大学机械、工业和航空航天工程系教授SuongVanHoa正在使用4D打印技术制造复合材料，可以自行弯曲，无需使用模具。

  “4D打印使我们能够制作弯曲的复合结构，而无需制作弯曲的模具，”Hoa说。“我的主要发现是，人们可以制作弯曲的复合材料-具有高机械性能的长连续纤维，能够实现更快速、更经济。”

  通常，在制造像复合板簧这样的部件中需要几个步骤，这是车辆中的轻质减震器。为了制作S形件，S形模具需要由金属等固体材料制成。然后将预浸有树脂体系的增强织物放置在模具上以形成复合件。但是，Hoa表示，采用4D打印技术可以省略构建复杂模具的初始步骤。

  “复合材料的4D打印利用了基体树脂的收缩率，以及不同纤维取向的层的热收缩系数的差异，从而在固化和冷却时激活形状的变化，”他说。“这种行为可以用来制造具有弯曲几何形状的零件，而不需要复杂的模具。因此，弯曲形状的制造可以是快速且经济的。但是，形状变化的程度取决于材料特性、纤维取向、叠层顺序和制造工艺。”

  Hoa的部分研究涉及重新考虑复合层的各向异性特性。各向异性是材料沿不同轴线承受载荷时的表现方式。材料的各向异性属性是衡量它如何在与其他因素的关系上发生变化的一种度量。例如，树脂收缩会导致材料变形，或者温度变化会导致纤维膨胀或收缩。根据Hoa表示，对这些变化的理解和控制是制作弯曲模具的弯曲层压板的关键。

  他说：“各向异性在过去一直被视为一种负担。现在我把他们视为一项资产。”

  Hoa认为，该技术可应用于航空航天等领域。

  “另一个应用是像卫星这样的空间结构，这些结构受到极端温度波动的影响，”他说。“白天结构可以开放（当温度高时）收集太阳能，并在夜间关闭以保护其内部。”