研究人員3D打印溫控變形天線，采用鎳鈦記憶合金材料制備
時間：2024-12-08 10:23 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
2024年12月7日，來自約翰霍普金斯大學應用物理實驗室 (APL) 的研究人員已經 3D 打印出一種可以根據溫度改變形狀的天線。
這項技術以題為“Two-Way Additively ManufacturedShape Memory Alloy Wideband Reconfigurable Compound Antenna”的論文被發表在近期的 ACS 應用工程材料在線期刊上，在廣泛的軍事、科學和商業應用中具有變革潛力。
天線前端的形狀決定了它的許多操作參數。一旦制造出來，這些特性就固定下來了。變形天線將使通信能夠跨越更廣泛的射頻 (RF) 頻段，從而開辟新的操作靈活性領域。在眾多可能性中，單個變形天線可以完成多個固定形狀天線的工作，動態適應頻譜可用性，并改變波束寬度以在短距離和長距離通信之間切換。
新型天線受到科幻影片的啟發，是 APL 跨學科創造性合作的成果。電氣工程師詹妮弗·霍倫貝克說，她從《The Expanse/蒼穹浩瀚》系列電影中得到了這個想法，其中的外星技術是有機的，可以變形。她說：“我的職業生涯都在研究天線，并努力克服其固定形狀帶來的限制。我知道 APL 擁有創造不同事物的專業知識。”
2019 年，霍倫貝克聯系了史蒂文·斯托克 (Steven Storck)，他目前擔任實驗室研究與探索開發部增材制造首席科學家，當時斯托克領導著一個獨立研發項目，旨在創建一種有前景的方法來增材制造形狀記憶合金。這些獨特的材料在較低溫度下會變形，但在加熱時會恢復到“記憶”的形狀，并用于各種各樣的應用——從醫療用途（如正畸絲、血管支架和骨植入物）到航天器控制面的執行器。
機械工程師兼材料科學家 Andy Lennon 曾使用鎳鈦合金（一種鎳和鈦的形狀記憶合金）制作線圈，這些線圈可以延伸到人的食道，幫助進行心臟成像。當 Lennon 和其他人研究鎳鈦合金的應用時，他們產生了用它 3D 打印復雜形狀的想法。但這帶來了一個問題：鎳鈦合金和其他形狀記憶合金通常需要大量的機械加工（稱為冷加工）才能實現形狀記憶效果，因此，它們通常只能以線材或薄片的形式提供。Lennon 說：“進行大量的冷加工會使整個目的落空。如果你把這種復雜的形狀通過模具拉伸，你就會回到線材的狀態。”
APL 團隊最初進行的研究旨在解決與鎳鈦合金組件可擴展增材制造相關的根本挑戰，后來應用這些技術來創建可用于太空應用的可變形結構。在對天線應用進行大量實驗后，團隊改變了鎳和鈦的比例，但首次嘗試使用 3D 打印鎳鈦合金創建可變形喇叭天線失敗了。雖然天線在技術上確實可以伸縮并改變其頻率，但它也非常堅硬且難以擴展。Hollenbeck說：“事實證明這是一個非常復雜的設計，而且效果不如我所愿。”
Hollenbeck和他的團隊毫不氣餒，提交了一份推進力補助金申請，這是 APL 的內部融資機會之一，旨在支持開發針對關鍵挑戰的革命性解決方案。
這次，Hollenbeck有了一個新的天線設計方案。Lennon的團隊已經能夠 3D 打印出具有雙向形狀記憶功能的鎳鈦合金，這種合金可以通過加熱和冷卻來交替改變兩種記憶形狀。在 APL 力量投射部門的電氣工程師 Kyle Sibert 的關鍵設計和原型設計支持下，Hollenbeck的團隊開發出了一種天線，它在冷卻時呈扁平螺旋盤狀，但在加熱時則變成錐形螺旋。
加熱螺旋天線是一項挑戰。團隊必須確定如何加熱 3D 打印天線的金屬，使其變形，但又不影響射頻特性或燒毀結構。為了解決這個問題，由射頻和微波設計工程師 Michael Sherburne 領導的團隊必須發明一種新型的電源線。Sherburne說：“為了達到峰值加熱效果，電源線必須處理大量電流。我們必須回到根本問題才能實現這一點。”
難題的最后一部分是研究如何以一致、可重復的方式 3D 打印天線。Lennon改良的鎳鈦合金含有更高的鎳濃度，這使其難以大規模打印。
增材制造工程師 Samuel Gonzalez 說道：“我們在優化合金加工參數和設計方面擁有豐富的經驗，但這次的改進更進一步。目前很少有人打印這種材料，所以沒有加工它的秘訣。”
研究團隊成員瑪麗·達夫隆說：“我們在打印過程中制造了好幾次碎片，因為天線在打印時會因為熱量而變形，導致剝落。”
通常，該團隊可以在不到四天的時間內加工出一種合金，但 Daffron 和 Gonzalez 表示，這種特殊材料的制造時間卻長達兩到四周。
現在他們已經優化了加工參數，并開始尋找方法鞏固最初的成功。Daffron 說道：“我們希望優化參數，使其適用于多種不同的機器，使其應用范圍更廣，而且我們知道我們需要針對可能在不同溫度下啟動的材料的不同變化進行優化。”
APL 各個團隊的努力已經產生了一種具有廣泛應用前景的革命性技術，可以支持現場特殊操作員、移動網絡電信，甚至是前往遙遠天體的太空任務。
APL 正在代表團隊申請形狀自適應天線技術的完整專利。實驗室還暫時決定申請用于加熱螺旋的新型電源線、用于控制天線的方法以及使用形狀記憶合金制造相控陣天線的方法和工藝的專利。
APL 首席工程師 ConradGrant 表示：“APL 團隊展示的變形天線能力將成為改變游戲規則的推動因素，適用于許多需要小尺寸和輕量配置的射頻適應性的應用和任務。這是實驗室通過積極主動、能力強、多學科團隊實現創新的又一個有力例證。”
(責任編輯：admin)
Nature 正刊！新型仿生機
使用新型 vECM-GelMA-SF 
Curtiss-Wright和Sintavia
Axial3D 與 GE HealthCare
3D打印魚肉即將在新加坡及最新內容
3D打印實現外固定
哥倫比亞大學采用
失去1/3掌面,浙大
3D打印軟皮墊增強
3D打印替換患病脊
功能材料新“大門熱點內容
