Лазерная 4D-печать магнетострикционного Fe-Co-V

Металлические детали, которые меняют форму по требованию

Представьте себе крыло самолёта, антенну судна или защитный кожух, которые при попадании луча света аккуратно изгибаются в новую форму — без петель, моторов и проводов. В этом исследовании показано, как создавать такие «живые» металлические детали, комбинируя продвинутую 3D‑печать со специальным классом магнитных материалов и точечно направленным лазером, что открывает пути к более интеллектуальному оборудованию для авиации и морской техники.

От статичного металла к меняющим форму элементам

Традиционные металлические детали фиксированы в тех формах, в которые их отливают или обрабатывают. Здесь исследователи работают с магнетострикционным сплавом Fe–Co–V — металлом, который немного удлиняется или сокращается под действием магнитного поля и способен преобразовывать механическое напряжение в магнитные изменения. С помощью лазерного спекания в порошневом слое (популярного метода металлической 3D‑печати) они сначала создают плоские или слегка изогнутые «исходные» заготовки в двух измерениях. Эти заготовки прочны, термостойки и магнитно‑отзывчивы, но пока не выполняют больших заметных движений. Ключевая идея команды — рассматривать эти напечатанные детали как программируемые заготовки, которые можно затем переконфигурировать.

Запись новых форм лазером

После печати тот же тип лазера используется иначе — не для послойного построения детали, а для сканирования по выбранным областям поверхности. Такое сканирование нагревает узкие дорожки, создавая резкие температурные и напряжённые градиенты через толщу металла. По мере неравномерного остывания горячих зон внутренние напряжения перманентно перераспределяются, и деталь изгибается или крутится в тех местах, по которым прошёл луч. Меняя скорость движения лазера, мощность, зоны обработки и число повторных сканирований, команда может задавать разные конечные формы и жесткости из одного и того же исходного дизайна. Они демонстрируют простые «складки», градиентное изгибание по зубчатому узору и более сложные формы, имитирующие крылья летучей мыши, закрывающиеся цветы и руку человека, принимающую жест.

Связь изменения формы с магнитными свойствами

Этап переконфигурации делает не только форму — на микроскопическом уровне нагрев и охлаждение слегка перестраивают кристаллическую решётку сплава и маленькие магнитные области внутри неё. Испытания показывают, что лазерно‑обработанные детали имеют более гладкие поверхности, меньше дефектов и более упорядоченное распределение элементов по сравнению с исходными напечатанными образцами. В результате при приложении магнитного поля переконфигурированные образцы демонстрируют больший магнетострикционный раствор — то есть сильнее и предсказуемее меняют длину — при сохранении высокой температурной стабильности магнитных свойств. Материал сохраняет сильную намагниченность и коэрцитивность, но теперь эффективнее реагирует на магнитные поля, что важно для датчиков, приводов и устройств сбора энергии.

Защита электроники от невидимого шума

Совремённые самолёты, транспорт и электроника должны быть экранированы от посторонних электромагнитных волн, способных нарушить работу чувствительных цепей. Авторы проверяют свои меняющие форму образцы в роли экранных панелей в широком диапазоне высоких частот, используемых в радарах и системах связи. И до, и после лазерной обработки панели блокируют и поглощают большую часть падающих волн, с суммарной эффективностью экранирования обычно на уровне десятков децибел. Однако после лазерной стимуляции тонкие изменения шероховатости поверхности, оксидных слоёв и внутренней структуры делают поведение экранирования более настраиваемым. В одних полосах переконфигурированные части лучше поглощают энергию, в других — сильнее отражают, что указывает на возможность перенастройки одной напечатанной детали под разные электромагнитные условия посредством постобработки.

Почему это важно для будущих механизмов

Комбинируя 3D‑печать, целенаправленный лазерный нагрев и магнитно‑активный металл, эта работа превращает обычные металлические пластины в компоненты, форму и характеристики которых можно программировать после изготовления. Один и тот же кусок Fe–Co–V можно напечатать один раз, а затем изгибать, упрочнять или магнитно оптимизировать, подсвечивая лазером выбранные траектории. Это преодолевает обычное ограничение магнетострикционных материалов, которые обычно дают лишь крошечные перемещения, и связывает микроскопические магнитные изменения с большими, полезными деформациями. Если объяснять простым языком: мы учимся «записывать» функции в твёрдый металл с помощью света — создавая обшивки самолётов, антенны, датчики и генераторы энергии будущего, способные адаптироваться в эксплуатации, а не оставаться в одной, неизменной форме.

Цитирование: Li, G., Yang, Z., Zheng, A. et al. Laser-stimulated 4D printing of magnetostrictive Fe-Co-V. Nat Commun 17, 2592 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69378-0

Ключевые слова: 4D-печать, магнетострикционные сплавы, лазерное плавление порошка, умные материалы, электромагнитная защита