匹茲堡大學機械工程和材料科學教授MarkusChmielus認為，在未來產業(yè)中，3D打印技術可以方便實惠地打印出磁力驅動器。該驅動器能夠精準地移動機械手、零件夾持器、折疊式太陽能電池板等物件，并且不需電源便可完成多項任務。美國國家科學基金會（NationalScienceFoundation）也對此觀點表示認同。近期，基金會向Chmielus實驗室提供了30萬美元資金，以幫助其實現(xiàn)研究成果。而在此之前，這一輪資金首先用于Chmielus的第一階段研究，即3D粘合劑噴射打印出的增強磁金屬對磁性形狀記憶合金性能的影響。他表示，到目前為止，這項研究前景還很廣闊。

磁性形狀記憶合金單晶體中的孿晶（彩帶形），圖片來源:匹茲堡大學

  Chmielus解釋說，當磁性形狀記憶合金處在磁場中時，其形狀發(fā)生改變，而當磁場消失時又會恢復到原來的形狀。此外，它還能自發(fā)產生一定能量，所以當其作用于較小物體時，無需電池或其他電源供能便能啟動驅動器。

  他還提到，磁場粘合劑噴射打印技術利用磁場使原料粉末微粒整齊排列，以增強材料的結構和磁各項異性（一種衡量物質對磁場反應程度的屬性）。驅動反應正是來源于物質的各向異性。

  雖然其他一些研究人員同時也正致力于探索類似的打印方法，但Chmielus表示，如果進展順利，他和他的團隊將會率先采用上述方法打印出具有大張力和最優(yōu)微觀結構排列的物質，以制造出精密度高，性能強的大行程驅動器和磁性材料。

用于增材制造的磁性形狀記憶粉末，圖片來源：匹茲堡大學

  獨辟蹊徑

  目前，固體單晶體合金是所使用材料中最常見、性能最好的磁性形狀記憶合金，這種合金的晶格能夠一直完好無損地維持到其邊緣部分。Chmielus表示：“晶體內部的整個微觀結構相同”，使得粒子非常整齊地排列，且優(yōu)化了其對磁場的反應。經過由溫度、壓力、磁場強度等環(huán)境因素引起的“相位變換”過程后，合金的形狀或其他機械性能會發(fā)生改變。

  然而，這些優(yōu)質合金也存在局限性，包括其昂貴的價格和復雜的制作流程。Chmielus說，用這種材料制造出堅固又形狀復雜的物品非常困難。

  為找到一種更為經濟高效的方法來生產具有復雜結構的合金，以在未來應用于傳感器、機器人和發(fā)電機械設備等方面，Chmielus選擇了能夠自己制作的鎳基合金粉末作為原料。這種粉末是一種常用的磁性形狀記憶合金，以其低孿晶壓力和驅動性能著稱。Chmielus實驗室同時也在嘗試使用由生物相容性材料和鈦合金制成的物質作為原料。

  另外，研究人員還打造出獨有的3D粘合劑噴射打印機，并將其封裝在金屬盒子中。他們在盒子外部用永久性磁鐵或電磁體使盒子內部的物質磁化。Chmielus提到，在這個過程中，只需微弱磁場即可完成。

  打印系統(tǒng)更為完善

  Chmielus表示，粘合劑噴射打印系統(tǒng)有諸多好處。不同于單晶體合金，其所用的鎳基粉末在進行打印之前無需用激光將其熔化，這使得打印過程更便宜、更易實現(xiàn)。這種打印過程非常簡單——先鋪一層粉末，然后在上面涂一層膠水，接著重復這個過程，直到物體制作完成。他說：“這就類似于家用噴墨打印機。”

  另外，Chmielus提到，粘合劑噴射打印過程比增材制造中常用的激光燒結過程快得多。他說：“前者無需激光點掃描樣本，而是使用大型的原料盒在整個區(qū)域內進行打印，所以其速度快了至少十倍?！?/span>

  然而，粘合劑噴射打印的問題在于，它在排列粉末顆粒以獲得最佳性能方面表現(xiàn)不佳。為解決此問題，研究人員逐層進行磁化，選擇不同強度的磁場來改變粒子的排列。Chmielus說：“我們用磁場覆蓋粉末所在區(qū)域，使粒子排列整齊以提高性能。這就像把磁鐵放進一桶釘子里后，釘子會呈現(xiàn)出一個接一個的排列狀態(tài)?！?/span>

  研究人員目前正致力于進一步優(yōu)化粒子排列技術，這將幫助制造商打印具有磁指向的材料，以應用于電動機和發(fā)電機等產品。

  另外，制造商能通過粘合劑噴射打印，改變或定制材料的孔隙度。

  Chmielus說：“你可以創(chuàng)造出各種設計精美、造型別致的結構，例如一種能讓液體流過的結構。或許多孔性對某些結構來說無益，但它正是其他結構所需要的?！?/span>

  由于粒子已被定向磁化，打印出的合金甚至可以自行產生能量。Chmielus表示，通過機械地改變材料的形狀，可以使磁場改變方向，從而產生能量，并進行驅動。

  在下一階段的研究中，實驗室計劃打印一些“無聊至極”的物品，比如一個立方體或者類似于活塞的東西。不過，Chmielus預計，幾年后制造商將能通過此3D技術打印一些目前還無法打印的物件，如復雜的金屬驅動器或其他高端結構。

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