中国3D打印网伊利诺伊大学研究人员开发出能够在太空将平面变形为曲面的3D打印结构
2025年11月16日，来自伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员开发出一种方法，利用低能耗活化技术，可以将二维平面结构转化为三维曲面结构。航空航天博士生吴伊万（Ivan Wu）和他的导师杰夫·鲍尔（JeffBaur）将连续碳纤维3D打印技术与节能树脂系统相结合，解决了将卫星天线等大型结构送入太空的难题。
△研究摘要
相关研究以题为“Rapid
forming of programmableshaped morphogenic composite through additive
manufacturing &
frontalpolymerization、通过增材制造和正面聚合快速成型可编程形状的形态发生复合材料”的论文发表在《AdditiveManufacturing》期刊上。这项研究得到了美国空军研究实验室的支持。
吴博士表示：“其他利用低能量制造出的形状刚度很低，不适用于航空航天领域。在这种情况下，我们在贝克曼研究所的合作者开发了一种纯树脂体系的配方，这种体系非常节能。而且我们还有一台可以打印商用航空航天级复合材料结构的3D打印机。我认为突破在于将这两者结合起来。”
△成型形态发生复合材料的制造过程：a) 打印并固化所需的丝束图案，b) 嵌入树脂中，c) 在结构边缘引发前沿波，从而在几分钟内获得具有预定曲率的形态发生复合材料，如图 d 所示。
吴博士说：“我们使用连续碳纤维3D打印机打印纤维束，每根纤维的直径大约与人类头发丝的直径相当。当打印机将纤维束拉到打印床上时，纤维束会被压缩并暴露在紫外线下，从而进行部分固化。”
这种节能型液态树脂与打印好的碳纤维图案一起成型，然后冷冻。当需要三维结构时，用低能量热刺激激活树脂，引发化学反应，使其固化成弯曲的三维形状。
△连续纤维 3D 打印机通过增材沉积纤维束生成所需的形状：a) 圆锥体，b) 马鞍形，c) 抛物面碟形。
这种称为正面聚合的工艺无需使用足以固化全尺寸卫星天线的大型烤箱或高压釜。就像一根火柴可以点燃一张纸或一栋房子一样，无论结构尺寸大小，所需的热触发能量都相同，这使得该工艺能够扩展到太空所需的大型结构。
吴博士说：“对我来说，首要挑战是解决逆问题。你设计了一个想要的3D形状，但要打印出能得到该形状的2D图案是什么？我必须写出数学方程式来描述这些形状，以便打印出精确的图案。这项研究解决了这个问题。”
吴找到了方程式，并编写了代码来控制打印机，使其将纤维束沉积到打印床上，从而创建五种不同的 3D 形状：螺旋圆柱体、扭曲体、圆锥体、鞍形和抛物面碟形。他表示：“它们共同展现了我们可以制造的各种形状。但我认为最有趣、最实用的是抛物面天线，它模仿了可展开卫星所需的平滑曲面形状。”
吴博士声称他的灵感来源于一种名为剪纸的传统艺术形式——类似于折纸，但除了折叠之外还包括剪裁。他说道：“我认为研究本身就是一种艺术。有时候，你会突然冒出一个创意，然后就一直坚持下去。就拿这个抛物线形状来说，它是从二维平面上像花瓣一样切割而成的，所有切割线都向同一个点弯曲。我必须计算出它们重叠的角度。如果仅仅用折纸来制作卫星天线，就需要无数次的折叠才能达到接收卫星信号所需的平滑曲率。而我们不用折叠，而是通过控制印刷纤维束的弯曲来实现平滑曲率。”
由于形状需要变化，吴的纤维基础设施需要非常低的纤维体积分数。空间结构需要非常坚固，纤维体积越大，结构就越坚固。但它们变形需要大量的能量，而且大幅度弯曲可能会断裂。为了获得高变形度，需要较低的纤维体积比，这样它才足够灵活，可以变形为弧形。
与以往的研究相比，这项研究实现了更低的能耗和更高的刚度。但吴教授表示：“这种刚度对于空间结构而言仍然不够。我们建议利用活化的三维形状作为模具，在太空制造高刚度结构。可以在地球上用碳纤维束制造平面凝胶材料，将其运送到太空，并通过热刺激活化形状。但由于材料刚度不足，可以进一步利用三维形状作为模具，添加高刚度层，再次活化正面聚合，然后剥离形成与初始设计形状一致的高刚度复合材料。我们的研究表明，以上过程可以重复多次，而不会损坏模具或偏离初始变形形状。这些相同的材料和工艺也可以用于为地球上的偏远地区提供所需的结构。”
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