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4D打印概念的主线:记忆合金

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  不管你信不信,4D 打印时代真的已经来了!

  伴随着以数字化为核心的第三次工业革命浪潮的到来,3D 打印横空出世, 被誉为数字化八大发明之一,是继蒸汽机、电脑、互联网后又一项伟大的创造。3D 打印是近年来最受瞩目的材料科技之一,手枪、人体肾脏器官、婴儿模型,甚至是“美女”都成了3D 打印的对象。然而,3D 打印方兴未艾,4D 打印时代已经悄然来临。

  众所周知,3D 打印要预先建模、扫描,然后用相应的材料按照之前的计划复制出来。4D 打印则是直接将程序输入材料当中,物体被打印出来后,可以自主变形、重塑,而且不需要任何复杂的机电设备。

  所谓的4D 打印, 实际上是把一种能够自动变形的材料放入水中, 它就能按照产品的设计自动折叠成相应的形状。这项技术来自供职于麻省理工学院的建筑师、设计师和计算机科学家斯凯勒·蒂比茨(Skylar Tibbits)。在麻省理工学院的自我组装实验室,蒂比茨有一个750 L 的大鱼缸,足以养活一头鲨鱼。他发明的4D 打印机目前还只能在水里工作。而这项技术的核心概念则是自我组装, 就是能够创造出一个在打印出来后能够自动适应环境来变化形状、自我调整的物体。

  相关资料显示,这项所谓的4D 打印技术,更准确地说依赖一种能够自动变形的材料———记忆合金, 而这种自动变形的材料是4D 打印须臾不可离开的东西。当下受到热捧的4D 打印概念,其主线就是记忆合金。

  什么是记忆合金? 记忆合金是一种原子排列很有规则、体积变为小于0.5%的马氏体相变合金。这种合金在外力作用下会产生变形,当把外力去掉,在一定的温度条件下,能恢复原来的形状。

  这是怎么回事? 难道合金也具有人类那样的记忆力? 当然,它不可能像人类大脑思维记忆,这只是利用某些合金在固态时其晶体结构随温度发生变化的特点而已。例如,镍钛合金在40℃以上和40℃以下的晶体结构是不同的, 但温度在40℃上下变化时,合金就会收缩或膨胀,使得它的形态发生变化。

  这里,40℃就是镍钛记忆合金的变态温度。一根螺旋状高温合金,经过高温退火后,它的形状处于螺旋状态。在室温下,即便用很大力气把它强行拉直,但只要把这根镍钛记忆合金丝加热到一定的变态温度时,这根合金仿佛记起了什么似的,立即恢复到它原来的螺旋形态。

  各种合金都有自己的变态温度。所谓的记忆合金,更准确地说应该称之为“记忆形状的合金”,由于它具有百万次以上的恢复功能,因此叫做记忆合金。

  在一次新材料的研讨会上, 一位教授手持一个盛有水的玻璃瓶, 上面插有一只漂亮的用纸做的蝴蝶。他走上讲台一言未发,从容地掏出打火机把瓶子加热。不一会儿,只见蝴蝶的翅膀飞舞起来。原来,在蝴蝶下面有一根所谓“形状记忆”合金丝,这根丝随着水温的升高和降低会突然伸长或缩短。

  此外,记忆合金还具有无磁性、耐磨耐蚀、无毒性的优点,应用十分广泛。除了镍钛合金,科学家们现在已发现了几十种不同记忆功能的合金, 比如金镉合金、铜锌合金等,有些已在某些领域获得实际应用。例如,通常的铆接必须从一边插入铆钉,在另一边用气锤将铆钉的头锤扁。但是,遇到封闭的容器或开口狭窄的容器,你根本无法深入到容器里去作业,这时可用记忆合金事前做成两头都是扁的铆钉,在低温下把一端的扁头硬压成插孔大小的圆柱状。铆接时,只要从低温箱中将铆钉取出,迅速插入被铆容器的插孔内,再把铆钉加热到变态温度以上,原先被压圆的一端便自动回复成扁形, 这样就把容器牢固地铆紧了。

  事实上, 形状记忆合金早已应用于工业中。比如,用形状记忆合金制作月面天线。月面天线伸展开来很宽大,火箭无法容纳,而有了形状记忆合金,则可以不费吹灰之力解决这一问题。研究人员用Ni-Ti 合金丝在马氏体相变温度以上先做成月面天线,然后在低于该温度时把月面天线压成小团装入运载火箭,当发射至月球表面后,通过太阳能加热而恢复原形。

  由于记忆合金有着百万次以上的恢复能力,所以很多人叫它“有生命的合金”。正是因为记忆合金是一种“有生命的合金”,利用它在一定温度下形状的变化,就可以设计出形形色色的自控器件,它的用途正在不断扩大。

  目前, 记忆合金已运用于管道结合和自动化控制方面,用记忆合金制成套管可以代替焊接,方法是在低温时将管端内径扩大约4%,装配时套接一起,一经加热,套管收缩恢复原形,形成紧密的接合。美国海军飞机的液压系统使用了10 万个这种接头,多年来从未发生漏油和破损。船舰和海底油田管道损坏,用记忆合金配件修复起来十分方便。在一些施工不便的部位,用记忆合金制成销钉,装入孔内加热,其尾端自动分开卷曲,形成单面装配件。

  记忆合金在航空航天领域内的应用有很多成功的范例。人造卫星上庞大的天线可以用记忆合金制作。发射人造卫星之前,将抛物面天线折叠起来装进卫星体内,火箭升空把人造卫星送到预定轨道后,只需加温,折叠的卫星天线因具有“记忆”功能而自然展开,恢复抛物面形状。

  记忆合金特别适合于热机械和恒温自动控制,已制成室温自动开闭臂,能在阳光照耀的白天打开通风窗,晚间室温下降时自动关闭。记忆合金热机的设计方案也不少,它们都能在具有低温差的两种介质间工作,从而为利用工业冷却水、核反应堆余热、海洋温差和太阳能开辟了新途径。现在普遍存在的问题是效率不高,只有4%~6%,有待于进一步改进。

  2016 年5 月,数千名来自澳大利亚皇家外科医学院和英国皇家外科医学院的医生们聚集到布里斯班会展中心,参加每年一次的科学年会。年会上,一场讨论会引起了人们的关注, 该讨论会研究的是一个案例, 即有一群医生将动态4D 打印技术用于手外科的手术前规划。

  负责这项研究的是Michael Chae 医生,他是一位整形外科住院医生, 同时也是墨尔本莫纳什大学(Monash University)的在读博士生。Michael Chae介绍了他们的研究团队是如何将时间维度加入到触觉模型上以帮助提供关于手部骨头运动的改进解剖学信息。研究团队使用4D 计算断层扫描(CT)技术扫描患者手部的骨头, 帮助塑造他们手部在进行诸如拇指外展、对掌和侧捏等动作时的准确展现模型。

  从根本上说,Chae 医生的研究团队所谓的4D 打印,实际上是在3D 打印的外科模型上加入了时间的维度,以帮助展示拇指运动时掌骨位置的变化。因此,这些4D 打印模型能够提供患者的解剖结构更为动态的信息, 以帮助外科医生在进行手术前获得准确而详细的信息。

  将记忆合金用于4D 打印,有人认为,不但能够创造出有智慧、有适应能力的新事物,还可以彻底改变传统的工业打印甚至建筑行业, 而与之前3D打印概念相比,显然将具备更大的发展前景。


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