美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的科研团队近日取得一项突破性成果——开发出一种可在太空将二维结构转化为三维形态的复合材料制造技术。这项由航空航天博士生伊万·吴与导师杰夫·鲍尔主导的研究，通过融合增材制造与正面聚合工艺，为卫星天线等大型太空结构的运输与组装提供了全新解决方案。
传统卫星天线等超大型结构因运输成本高昂、组装复杂，一直是航天领域的难题。研究团队受日本折纸艺术启发，创新性地提出"先平面打印后空间变形"的思路。他们首先使用连续碳纤维3D打印机，以直径与人类发丝相当的纤维束为基材，在打印床上沉积出特定图案。这些纤维束在紫外线下部分固化后，与液态树脂共同成型并冷冻保存。
当需要构建三维结构时，仅需通过低能量热刺激即可激活树脂的化学反应，使其在几分钟内固化成预定曲面形状。这种被称为正面聚合的工艺，彻底摆脱了对大型烤箱或高压釜的依赖。"就像火柴点燃纸张与房屋所需的能量相同，我们的技术无论结构大小，热触发能量恒定。"伊万·吴解释道，这种特性使其特别适合制造太空所需的超大型结构。
研究团队成功制造出五种典型三维形状：阿基米德螺旋圆柱体、螺旋度递增的条带、圆锥体、马鞍形及抛物面碟形。其中抛物面碟形因其平滑曲面特性，最接近可展开卫星天线的实际需求。伊万·吴特别指出，通过数学建模与程序编码，他们解决了从三维设计反推二维打印图案的关键难题，确保纤维束沉积精度达到航空航天级标准。
该技术的核心挑战在于平衡变形能力与结构强度。研究显示，降低纤维体积分数虽能提升材料柔韧性，但会削弱刚度。为此团队提出创新方案：将变形后的三维结构作为模具，在太空中通过多次正面聚合叠加高刚度层，最终剥离获得兼具设计精度与结构强度的复合材料。实验证实，该模具可重复使用且不会变形。
这项发表于《增材制造》期刊的研究，不仅将制造能耗降低至传统方法的十分之一，更实现了刚度与柔韧性的优化组合。伊万·吴透露，该技术同样适用于地球偏远地区的基础设施建设，未来有望在通信、能源等领域产生广泛应用。
