約翰霍普金斯應用物理實驗室（APL）的研究人員利用3D打印和形狀記憶合金制造了一種可以根據(jù)溫度變化形狀的天線。

電氣工程師詹妮弗·霍倫貝克表示，她的想法來源于《無垠的太空》系列，其中外星技術(shù)是有機的并且可以形狀變化。她在新聞發(fā)布會上說：“我在我的職業(yè)生涯中一直在與天線打交道，并且一直在與固定形狀帶來的限制作斗爭。我知道APL有創(chuàng)造不同事物的專業(yè)知識?！?/p>

APL的機械工程師和材料科學家安迪·倫農(nóng)使用鎳鈦合金——一種鎳和鈦的形狀記憶合金——來制造可以延伸穿過人的食道以協(xié)助心臟成像的線圈。挑戰(zhàn)在于，鎳鈦合金和其他形狀記憶合金傳統(tǒng)上需要大量的機械加工——被稱為冷加工——以實現(xiàn)形狀記憶效果，因此它們通常只能作為線材或薄板提供。

倫農(nóng)在同一份新聞稿中說：“進行大量的冷加工將完全違背我們的初衷。如果你將那個復雜的形狀通過模具拉伸，你就又回到了線材?！?/p>

APL團隊最初進行了研究，以解決可擴展的鎳鈦合金部件增材制造的基本挑戰(zhàn)，后來將這些技術(shù)應用于創(chuàng)建可以在太空應用中部署的形狀變化結(jié)構(gòu)。在對天線應用進行廣泛的實驗后，團隊調(diào)整了鎳和鈦的比例，但首次嘗試使用3D打印的鎳鈦合金制造形狀變化的喇叭天線并未成功。雖然天線確實在技術(shù)上能夠膨脹和收縮并改變其頻率，但它也變得僵硬且難以擴展。

霍倫貝克說：“結(jié)果證明這是一個非常復雜的設(shè)計，效果并不像我希望的那樣好?！?/p>

他們的下一次嘗試基于倫農(nóng)團隊在3D打印鎳鈦合金時看到的成功，這種合金可以在加熱和冷卻之間交替兩種記憶形狀?；魝愗惪说膱F隊開發(fā)了一種在冷卻時形狀像扁平螺旋盤，但在加熱時變成圓錐螺旋的天線。

加熱螺旋盤證明是一個挑戰(zhàn)。團隊必須確定如何加熱天線的金屬以使其改變形狀，但又不干擾射頻特性或燒毀結(jié)構(gòu)。為了解決這個問題，由射頻和微波設(shè)計工程師邁克爾·謝本伯恩領(lǐng)導的團隊不得不發(fā)明一種新型的電源線。

謝本伯恩說：“為了達到峰值加熱，電源線必須處理大量的電流。我們不得不回到基礎(chǔ)來使這個工作。”

拼圖的最后一塊是如何以一致、可重復的方式3D打印天線。倫農(nóng)改進的鎳鈦合金，由于其更高的鎳濃度，使得大規(guī)模打印變得具有挑戰(zhàn)性。

增材制造工程師塞繆爾·岡薩雷斯解釋說：“我們有很多優(yōu)化合金加工參數(shù)和設(shè)計的經(jīng)驗，但這超出了一步。外面沒有多少人，如果有的話，正在打印這種材料，所以沒有處理它的食譜?！?/p>

同事瑪麗·達夫龍補充說：“由于天線在打印時試圖改變形狀，由于熱量，我們在打印機中制造了幾次碎片。它想要剝離?！?/p>

通常，團隊可以在不到四天內(nèi)處理一種合金，但達夫龍和岡薩雷斯表示，這種特殊材料需要兩到四周的構(gòu)建時間?，F(xiàn)在他們已經(jīng)優(yōu)化了加工參數(shù)，他們正在尋找在初步成功的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展的方法。

達夫龍說：“我們希望優(yōu)化參數(shù)，使其能夠在多種不同的機器上工作，使其更廣泛地適用，我們知道我們將需要針對可能在不同溫度下動作的不同材料變體進行優(yōu)化?！?/p>

APL正在代表團隊申請形狀自適應天線技術(shù)的完整專利。實驗室還初步?jīng)Q定申請用于加熱螺旋的新型電源線的專利，控制天線的方法，以及使用形狀記憶合金創(chuàng)建相控陣天線的方法和流程。