約翰霍普金斯應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)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(lái)源于《無(wú)垠的太空》系列，其中外星技術(shù)是有機(jī)的并且可以形狀變化。她在新聞發(fā)布會(huì)上說(shuō)：“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(lái)的限制作斗爭(zhēng)。我知道APL有創(chuàng)造不同事物的專(zhuān)業(yè)知識(shí)?！?/p>

APL的機(jī)械工程師和材料科學(xué)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(lái)制造可以延伸穿過(guò)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(jī)械加工——被稱(chēng)為冷加工——以實(shí)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(shuō)：“進(jìn)行大量的冷加工將完全違背我們的初衷。如果你將那個(gè)復(fù)雜的形狀通過(guò)模具拉伸，你就又回到了線材?！?/p>

APL團(tuán)隊(duì)最初進(jìn)行了研究，以解決可擴(kuò)展的鎳鈦合金部件增材制造的基本挑戰(zhàn)，后來(lái)將這些技術(shù)應(yīng)用于創(chuàng)建可以在太空應(yīng)用中部署的形狀變化結(jié)構(gòu)。在對(duì)天線應(yīng)用進(jìn)行廣泛的實(shí)驗(yàn)后，團(tuán)隊(duì)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(shí)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(kuò)展。

霍倫貝克說(shuō)：“結(jié)果證明這是一個(gè)非常復(fù)雜的設(shè)計(jì)，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(tuán)隊(duì)在3D打印鎳鈦合金時(shí)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(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種在冷卻時(shí)形狀像扁平螺旋盤(pán)，但在加熱時(shí)變成圓錐螺旋的天線。

加熱螺旋盤(pán)證明是一個(gè)挑戰(zhàn)。團(tuán)隊(duì)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(gè)問(wèn)題，由射頻和微波設(shè)計(jì)工程師邁克爾·謝本伯恩領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)不得不發(fā)明一種新型的電源線。

謝本伯恩說(shuō)：“為了達(dá)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(lái)使這個(gè)工作。”

拼圖的最后一塊是如何以一致、可重復(fù)的方式3D打印天線。倫農(nóng)改進(jìn)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(shuō)：“我們有很多優(yōu)化合金加工參數(shù)和設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，但這超出了一步。外面沒(méi)有多少人，如果有的話，正在打印這種材料，所以沒(méi)有處理它的食譜。”

同事瑪麗·達(dá)夫龍補(bǔ)充說(shuō)：“由于天線在打印時(shí)試圖改變形狀，由于熱量，我們?cè)诖蛴C(jī)中制造了幾次碎片。它想要?jiǎng)冸x?！?/p>

通常，團(tuán)隊(duì)可以在不到四天內(nèi)處理一種合金，但達(dá)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(shí)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(jìn)一步發(fā)展的方法。

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

APL正在代表團(tuán)隊(duì)申請(qǐng)形狀自適應(yīng)天線技術(shù)的完整專(zhuān)利。實(shí)驗(yàn)室還初步?jīng)Q定申請(qǐng)用于加熱螺旋的新型電源線的專(zhuān)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。