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【中國智能制造網(wǎng) 技術(shù)前沿】日前，美國佐治亞理工學(xué)院的科研人員利用張拉整體式結(jié)構(gòu)原理開發(fā)了一種用于創(chuàng)建能夠通過控制某些溫度條件來拉伸物體的3D打印技術(shù)。該技術(shù)可用于太空任務(wù)，創(chuàng)建生物醫(yī)學(xué)裝置和其他應(yīng)用，甚至是形體變化的軟機(jī)器人。
佐治亞理工學(xué)院(Georgia Institute of Technology)的研究人員使用3D打印創(chuàng)建能夠擴(kuò)展到更大尺寸的物體。這些3D打印物體有可能用于從空間任務(wù)到生物醫(yī)學(xué)裝置的應(yīng)用。
Tensegrity(張拉整體式結(jié)構(gòu))，一個你在物理學(xué)中聽起來像在建筑學(xué)中一樣的術(shù)語，其實它是一種結(jié)構(gòu)性原理。“張拉整體”概念是美國建筑師富勒(Buckminster Fuller)創(chuàng)造的。這一概念的產(chǎn)生受到了大自然的啟發(fā)。富勒認(rèn)為宇宙的運(yùn)行是按照張拉原理進(jìn)行的，即萬有引力是一個平衡的張力網(wǎng)，而各個星球是這個網(wǎng)中的一個個孤立點(diǎn)。按照這個思想張拉整體結(jié)構(gòu)可定義為一組不連續(xù)的受壓構(gòu)件與一套連續(xù)的受拉單元組成的自支承、自應(yīng)力的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的剛度由受拉和受壓單元之間的平衡預(yù)應(yīng)力提供，在施加預(yù)應(yīng)力之前，結(jié)構(gòu)幾乎沒有剛度，并且初始預(yù)應(yīng)力的大小對結(jié)構(gòu)的外形和結(jié)構(gòu)的剛度起著決定性作用。由于張拉整體結(jié)構(gòu)固有的符合自然規(guī)律的特點(diǎn)，在限度地利用了材料和截面的特性，可以用盡量少的鋼材建造超大跨度建筑。
佐治亞理工學(xué)院的研究人員團(tuán)隊利用張拉整體式結(jié)構(gòu)原理開發(fā)了一種用于創(chuàng)建能夠通過控制某些溫度條件來拉伸物體的3D打印技術(shù)。研究團(tuán)隊表示這種技術(shù)可以用于太空任務(wù)，創(chuàng)建生物醫(yī)學(xué)裝置和其他應(yīng)用。你甚至可以將該技術(shù)稱為4D打印的示例。
“Tensegrity結(jié)構(gòu)非常輕便，而且非常強(qiáng)大” ，格魯吉亞理工學(xué)院土木與環(huán)境工程學(xué)院教授Glaucio Paulino闡述道到：“這也是人們對利用外太空探索的張拉整體式結(jié)構(gòu)研究非常感興趣的原因，旨在找到一種方法來部署初占用很小空間的大型物體”。
研究人員的研究論文已經(jīng)發(fā)表在《Scientific Reports》期刊上，使用3D打印機(jī)來創(chuàng)建支柱，構(gòu)成了tensegrity結(jié)構(gòu)的主要組成部分之一。研究人員將這些支柱設(shè)計為具有狹長開口的中空管，該開口可延伸管的長度，使得它們能夠壓平并折疊。每個支柱在每端都有一個連接點(diǎn)，允許它連接到彈性線纜的網(wǎng)狀物上。
當(dāng)這些3D打印支柱被加熱到65攝氏度時，研究人員可以將部分壓平并折疊成“W”形。當(dāng)冷卻時，結(jié)構(gòu)物將保持之前的“W”形狀。之后，隨著3D打印線纜的連接，物體可以重新加熱，使其變成張拉整體式結(jié)構(gòu)。
該技術(shù)允許潛在的大型3D結(jié)構(gòu)“縮小”，這將為外太空建設(shè)以及其他領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)技術(shù)突破。
然而，在開發(fā)這種3D打印方法時，研究人員需克服的挑戰(zhàn)。一方面，研究人員必須地控制結(jié)構(gòu)擴(kuò)張的速度和順序。幸運(yùn)的是，該團(tuán)隊可以使用形狀記憶聚合物進(jìn)行，可以在每個支柱擴(kuò)展速度方面進(jìn)行微調(diào)。
“對于更大和更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如果你不控制這些支柱擴(kuò)展的順序，它便會纏繞在一起，從而把物體變得一團(tuán)糟”，Glaucio Paulino闡述道：“通過控制每個支柱膨脹的溫度，我們可以分階段部署，進(jìn)而可有效的避免物體的纏繞”。
研究人員認(rèn)為，3D打印Tensegrity結(jié)構(gòu)可用于構(gòu)建空間探索所需的輕量級結(jié)構(gòu)，甚至是形體變化的軟機(jī)器人。這些活躍的Tensegrity對象在設(shè)計上非常優(yōu)雅，同時為可部署3D結(jié)構(gòu)開辟一系列可能性。
Tensegrity結(jié)構(gòu)的運(yùn)用例子包括格魯吉亞亞特蘭大的佐治亞圓頂，南韓首爾的奧林匹克體操競技場。
(原標(biāo)題：科學(xué)家開發(fā)通過控制溫度拉伸物體的新型3D打印技術(shù))
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