一种在太空中进行3D打印的方法

由于将大型结构如卫星天线运入太空既昂贵又笨重，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校格兰杰工程学院的航空航天博士生Ivan Wu和他的导师Jeff Baur开发了一种创新且高效的节能方法，可以在太空中将二维结构转化为弯曲的三维结构。

吴表示，其他人用低能耗所做的做法导致形状刚度极低，在航空航天领域并不适用。

“在这种情况下，贝克曼研究所的合作者开发了一种非常节能的纯树脂系统配方。我们还有一台3D打印机，可以打印商用航空航天级复合材料结构。我认为突破点是将这两者结合在一起。

吴说：“我们使用连续碳纤维3D打印机打印了纤维束，每根纤维直径大约相当于一根人类头发。”“当打印机将纤维束绘制到打印床上时，它们被压缩并暴露在紫外线下，从而部分固化。”

节能液态树脂先用印刷的碳纤维设计成型，然后进行冷冻。当需要三维结构时，树脂会通过低能热刺激激活，启动化学反应，使其固化成弯曲的三维形状。

这一过程称为正面聚合，消除了足够大的烤箱或高压灭菌器来固化全尺寸卫星天线的需求。就像一根火柴可以点燃一张纸或一栋房子一样，热触发器对任何尺寸的结构都具有相同的能量，使得该过程适用于太空中需要的超大型结构。

“对我来说，第一个挑战是解决逆问题，”吴说。“你有一个想要的3D形状设计，但打印出的2D图案是什么，才能形成那个形状？我必须写数学方程来描述形状，以便印刷出精确的图案。这项研究解决了这个问题。”

吴博士获取了方程，编写代码，使打印机将纤维束沉积到床上，形成五种不同的三维配置：螺旋圆柱、扭转、锥形、鞍座和抛物面盘。

“它们一起展示了我们能制造的形状多样性。但我认为最有趣且最适用的是抛物面碟，它模仿了可部署卫星所需的光滑弯曲形状。”

“我认为研究非常艺术化。有时候，你会突然有创意，然后去追求它。在这种情况下，抛物线形状从二维开始，像花瓣一样的切割线都向同一点弯曲。我得弄清楚它们重叠的角度。仅用折纸折痕制作的卫星天线需要无限多折痕才能实现卫星信号所需的平滑曲率。在我们这里，我们不是使用折叠，而是通过受印刷纤维束控制的受控弯曲来实现平滑曲率。”

由于形状需要变形，吴的纤维基础设施需要非常低的纤维体积分数。

“空间结构需要非常刚性，纤维体积越大，结构越刚。但它们变形需要大量能量，且可能因大幅弯曲而断裂。要达到高变形度，我们需要低纤维体积比，这样它才足够灵活，能够变形成弯曲的形状。”

该研究相比以往的研究，获得了更低的能量和更高的刚度。但吴表示，刚度仍不足以适应空间结构。

“我们建议利用激活的三维形状作为模具，制造空间中高刚度结构。你可以在地球上用碳纤维束制造扁平凝胶材料，运送到太空，并通过热刺激激活形状。但由于刚性不足，你可以进一步利用三维形状作为模具，添加高刚度夹层，再次激活正面聚合，然后剥离形成初始设计形状的高刚度复合材料。我们的作品表明，这一过程可以多次重复，而不会损坏模具或偏离最初的变形形状。”

吴表示，这些材料和工艺同样可用于为地球偏远环境供应所需的结构。

勇编撰自论文“通过增材制造和前端聚合快速形成可编程形状形态复合材料”.增材制造.2025相关信息，文中配图若未特别标注出处，均来源于自绘或公开图库。