MỸ – Bằng cách tận dụng các kỹ thuật sản xuất chồng lớp tiên tiến và hợp kim nhớ hình dạng, các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Vật lý Ứng dụng Johns Hopkins (APL – Johns Hopkins Applied Physics Laboratory) ở thành phố Laurel, bang Maryland, đã tạo ra một ăng-ten có thể thay đổi hình dạng dựa trên nhiệt độ bằng phương pháp in 3D.

Công nghệ này được mô tả trong một bài viết trên diễn đàn ACS Applied Engineering Materials, có tiềm năng biến đổi trong nhiều ứng dụng quân sự, khoa học và thương mại.

Hình dạng đầu của ăng-ten quyết định nhiều thông số hoạt động của nó. Khi đã được sản xuất, những đặc điểm đó sẽ được khóa chặt. Một ăng-ten thay đổi hình dạng sẽ cho phép truyền thông qua một mảng rộng hơn các băng tần sóng vô tuyến (RF – radio frequency), mở ra những phạm vi mới về tốc độ hoạt động. Trong số các khả năng, một ăng-ten thay đổi hình dạng duy nhất có thể thực hiện công việc của nhiều ăng-ten với hình dạng cố định, thích ứng động với tính khả dụng của phổ tần và thay đổi độ rộng chùm tia để chuyển đổi giữa truyền thông tầm ngắn và tầm xa.

Lấy cảm hứng từ công nghệ khoa học viễn tưởng, ăng-ten mới này là kết quả của sự hợp tác sáng tạo liên ngành của phòng thí nghiệm APL.

Kỹ sư điện Jennifer Hollenbeck cho biết cô đã lấy ý tưởng từ loạt phim The Expanse, nơi công nghệ của người ngoài hành tinh là hữu cơ và có thể thay đổi hình dạng. Cô Jennifer đã nói rằng: “Tôi đã dành cả sự nghiệp của mình để làm việc với ăng-ten và vật lộn với những hạn chế do hình dạng cố định của chúng. Tôi biết phòng thí nghiệm APL có chuyên môn để tạo ra thứ gì đó khác biệt”.

Năm 2019, cô Jennifer đã liên hệ với Steven Storck, hiện là nhà khoa học trưởng về sản xuất chồng lớp tại Phòng Nghiên cứu và Phát triển Khám phá của Phòng thí nghiệm APL, người khi đó đã lãnh đạo dự án Research and Exploratory Development Department để tạo ra một phương pháp đầy hứa hẹn để sản xuất chồng lớp các hợp kim nhớ hình dạng. Những vật liệu độc đáo này biến dạng ở nhiệt độ thấp hơn, nhưng trở lại hình dạng ‘được ghi nhớ’ khi bị nung nóng và được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, từ các ứng dụng y tế như dây chỉnh nha, ống đỡ (stent) mạch máu và cấy ghép xương đến bộ truyền động cho bề mặt điều khiển trong tàu vũ trụ.

Kỹ sư cơ khí và nhà khoa học vật liệu Andy Lennon đã sử dụng nitinol – một hợp kim nhớ hình dạng của niken và titan – để tạo ra các cuộn dây kéo dài xuống thực quản của một bệnh nhân để hỗ trợ trong việc chụp ảnh tim. Khi ông Andy và những đồng nghiệp nghiên cứu các ứng dụng cho nitinol, một mong muốn nảy sinh là in 3D các hình dạng phức tạp bằng nó. Nhưng điều đó lại nảy sinh một vấn đề: Nitinol và các hợp kim nhớ hình dạng khác theo thông lệ đòi hỏi phải xử lý cơ học chuyên sâu – được gọi là gia công nguội – để đạt được hiệu ứng nhớ hình dạng, và do đó chúng thường chỉ có dạng dây hoặc dạng tấm mỏng.

Ông Andy đã nói rằng: “Thực hiện một lượng lớn công việc ở nhiệt độ thấp sẽ phá hỏng toàn bộ kết quả. Nếu lấy hình dạng phức tạp đó và đưa nó qua một khuôn để kéo dài ra, nó sẽ trở lại thành một sợi dây”.

Nhóm các nhà khoa học tại phòng thí nghiệp APL ban đầu đã tiến hành nghiên cứu để giải quyết những vấn đề cơ bản liên quan đến sản xuất chồng lớp có thể mở rộng quy mô của các thành phần nitinol, sau đó áp dụng các kỹ thuật này để tạo ra các cấu trúc thay đổi hình dạng có thể triển khai trong các ứng dụng ngành hàng không vũ trụ. Sau nhiều lần thử nghiệm đối với ứng dụng ăng-ten, nhóm đã thay đổi tỷ lệ niken và titan, nhưng nỗ lực đầu tiên nhằm tạo ra một ăng-ten hình sừng thay đổi hình dạng bằng cách sử dụng nitinol in 3D đã không thành công. Mặc dù về mặt kỹ thuật, ăng-ten đã giãn nở và co lại và thay đổi tần số, nhưng nó cũng cứng lại và khó giãn nở.

Cô Jennifer đã nói rằng: “Hóa ra đó là một thiết kế thực sự phức tạp và nó không hiệu quả như tôi mong muốn”.

Không hề nản lòng, cô Jennifer và nhóm nghiên cứu đã đề xuất Propulsion Grant, một trong những cơ hội tài trợ nội bộ của phòng thí nghiệm APL được thiết kế để hỗ trợ phát triển các giải pháp mang tính đột phá cho những vấn đề quan trọng.

Lần này, cô Jennifer đã nghĩ đến một thiết kế ăng-ten mới. Nhóm của ông Andy Lennon đã có thể in 3D nitinol với thiết bị được gọi là bộ nhớ hình dạng hai chiều, trong đó hợp kim được làm nóng và làm mát để thay đổi giữa hai hình dạng được ghi nhớ. Với sự hỗ trợ thiết kế và tạo mẫu quan trọng từ Kyle Sibert, một kỹ sư điện tại Force Projection Sector của phòng thí nghiệm APL, nhóm của cô Jennifer đã phát triển một ăng-ten có hình dạng giống như một đĩa xoắn ốc phẳng khi nguội, nhưng trở thành hình xoắn ốc dạng nón khi được làm nóng.

Việc làm nóng xoắn ốc là một vấn đề khó khăn. Nhóm nghiên cứu phải xác định cách làm nóng kim loại của ăng-ten đủ để nó thay đổi hình dạng, nhưng không can thiệp vào các đặc tính của sóng vô tuyến (RF) hoặc đốt cháy cấu trúc. Để giải quyết vấn đề, nhóm nghiên cứu, do kỹ sư thiết kế sóng vô tuyến và vi sóng Michael Sherburne dẫn đầu, phải phát minh ra một dạng dây điện mới.

Ông Michael Sherburne đã nói rằng: “Để đạt được nhiệt độ cao nhất, dây điện phải xử lý được rất nhiều dòng điện. Chúng tôi phải quay lại với những điều cơ bản để thực hiện được điều này”.

Mảnh ghép cuối cùng của câu đố là tìm ra cách in 3D ăng-ten theo cách nhất quán và có thể lặp lại. Nitinol biến đổi của ông Andy Lennon, với mật độ niken cao hơn, khiến việc in ở quy mô lớn trở nên khó khăn.

Kỹ sư sản xuất chồng lớp Samuel Gonzalez đã giải thích rằng: “Chúng tôi có nhiều kinh nghiệm trong việc tối ưu hóa các thông số xử lý và thiết kế cho hợp kim, nhưng đây là một bước tiến xa hơn nữa. Bên ngoài, hầu như không có ai từng in loại vật liệu này, vì vậy không có công thức nào về cách xử lý nó”.

Kỹ sư Mary Daffron nói thêm rằng: “Có vài lần những mãnh vật liệu nhỏ đã hình thành trong máy in, vì ăng-ten thay đổi hình dạng trong quá trình in, do nhiệt độ. Nó muốn tách ra”.

Theo thông thường, nhóm có thể xử lý hợp kim trong vòng chưa đầy bốn ngày, nhưng hai kỹ sư Mary Daffron và Samuel Gonzalez cho biết vật liệu đặc biệt này cần thời gian chế tạo từ hai đến bốn tuần.

Họ đã tối ưu hóa các thông số xử lý, họ tìm cách để phát huy thành công ban đầu.

Kỹ sư Mary Daffron đã nói rằng: “Chúng tôi muốn tối ưu hóa các thông số để có thể hoạt động trên nhiều máy khác nhau, để có thể áp dụng rộng rãi hơn và chúng tôi biết rằng chúng tôi sẽ cần tối ưu hóa cho các biến thể khác nhau của vật liệu, để có thể hoạt động ở các nhiệt độ khác nhau”.

Sự nỗ lực của các nhóm tại phòng thí nghiệm APL, đã tạo ra một công nghệ mang tính đột phá có thể ứng dụng rộng rãi, hỗ trợ các nhà điều hành đặc biệt tại doanh nghiệp, viễn thông mạng di động và thậm chí các sứ mệnh không gian đến các thiên thể xa xôi.

Phòng thí nghiệm APL đang theo đuổi bằng sáng chế cho nhóm về công nghệ ăng-ten thích ứng hình dạng. Phòng thí nghiệm cũng đã quyết định tạm thời theo đuổi bằng sáng chế cho dây điện mới để làm nóng xoắn ốc, phương pháp điều khiển ăng-ten và quy trình sử dụng hợp kim nhớ hình dạng để tạo ra ăng-ten mảng pha (phased array antenna) (1).
(1) Ăng-ten mảng pha: là một nhóm các ăng-ten hoạt động cùng nhau để tạo ra một chùm sóng vô tuyến.

Kỹ sư trưởng phòng thí nghiệm APL, ông Conrad Grant đã nói rằng: “Âng-ten có khả năng thay đổi hình dạng, đã được nhóm nghiên cứu tại phòng thí nghiệm APL chứng minh, sẽ là một công cụ hỗ trợ cho nhiều ứng dụng và nhiệm vụ yêu cầu khả năng thích ứng với sóng vô tuyến (RF) trong cấu hình có kích thước và trọng lượng thấp. Đây là một ví dụ quan trọng khác về sự đổi mới diễn ra tại phòng thí nghiệm thông qua các nhóm đa ngành có động lực và năng lực cao”.

Bằng cách tận dụng các kỹ thuật sản xuất chồng lớp tiên tiến và hợp kim nhớ hình dạng, các nhà nghiên cứu tại phòng thí nghiệm APL đã tạo ra một ăng-ten có thể thay đổi hình dạng dựa trên nhiệt độ.

Để xem các tin bài khác về “In 3D”, vui lòng nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online

Lưu ý: 

Để xem và khai thác hiệu quả nội dung của video clip nói trên (từ YouTube/ một dịch vụ của Google), Quý vị có thể thực hiện các bước sau:
1. Nếu tốc độ internet nhanh, có thể mở chế độ xem toàn màn hình bằng cách nhấn vào khung [ ] tại góc phải (phía dưới góc phải của video)
2. Chọn chế độ hình ảnh tốt nhất của đoạn video, hãy click vào hình bánh xe răng cưa và chọn chất lượng cao hơn (hoặc HD) theo ý muốn
3. Để hiển thị nội dung phụ đề, nhấn vào nút biểu tượng phụ đề [cc]. Một số video không có chức năng này sẽ không có biểu tượng phụ đề.
4. Quý vị có thể nghe hiểu tiếng Anh và có nhu cầu chia sẻ thông tin đến cộng đồng, hãy hỗ trợ techMAG biên dịch nội dung video và gửi cho chúng tôi để có cơ hội đăng thông tin lên technologyMag.net