一种具有大变形功能的智能结构的4D打印方法及其产品技术

本发明专利技术属于増材制造领域，并公开了一种具有大变形功能的智能结构的4D打印方法及产品，该方法包括下列步骤：(a)构建待打印智能结构的三维结构，该待打印智能结构呈多孔梯度网络结构，且在竖直方向上自上而下依次孔隙的体积分数自上而下依次减小的三层；(b)建立智能结构的三维模型；(c)选取记忆合金粉末作为原料，采用3D打印技术打印三维模型；(d)打印获得的智能结构保温，冷却，外场刺激，以此获得变形的智能结构，对该变形的智能结构进行性能测试，根据性能需求选择所需的智能结构。通过本发明专利技术，获得的产品对变化的外界环境即时响应，且始终保持预期的最优状态，同时，不受结构复杂性的限制，满足力学性能和疲劳性能等方面要求。

【技术实现步骤摘要】
一种具有大变形功能的智能结构的4D打印方法及其产品
本专利技术属于増材制造领域，更具体地，涉及一种具有大变形功能的智能结构的4D打印方法及其产品。
技术介绍
智能材料是一种能感知外部刺激，能够判断并适当处理且本身可执行的新型功能材料。智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料，是现代高技术新材料发展的重要方向之一，将支撑未来高技术的发展，使传统意义下的功能材料和结构材料之间的界线逐渐消失，实现结构功能化、功能多样化。一般说来，智能材料有七大功能，即传感功能、反馈功能、信息识别与积累功能、响应功能、自诊断能力、自修复能力和自适应能力。形状记忆合金作为智能材料的一个重要分支，它是自执行智能材料的一种。由于具有多种特殊性能，如伪弹性、形状记忆效应、生物相容性、高的比强度、高耐蚀性、高耐磨性、良好的抗疲劳性能，被广泛应用于航空航天、医疗和汽车等领域。然而，由于形状记忆合金严重的加工硬化和伪弹性，传统冷加工方法会造成严重的刀具磨损、费时以及低维畸变，传统的热加工方法受限于材料的复杂性和力学性能，复杂构件无法实现整体加工。4D打印技术是最近提出来的新型成型加工方法，与3D打印相比特点在于可以根据外界条件实现自我变形，可变形材料会在指定环境变形为所需的形状。现有的4D打印技术中，成型过程受结构复杂性的限制，不容易满足力学性能和疲劳性能等方面要求，并且成型的产品不能对变化的外界环境做出及时响应，且应用范围有限。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种具有大变形功能的智能结构的4D打印方法及其产品，通过构建呈多孔网络且在孔隙体积分数逐渐递减的智能结构，其目的在于使这种梯度多孔结构在弯曲变形后孔隙的体积分数基本保持一致，另外，通过选用记忆合金作为打印的原料，进一步使得智能结构变形量超过40％，最后通过在外场激励下发生弯曲、扭曲、膨胀等自我变形最终达到预设三维空间构型，由此达到可以根据任务需求自主改变结构形态，并对变化的外界环境做出即时响应，以始终保持预期的最优状态的目的。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种具有大变形功能的智能结构的4D打印方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：(a)构建待打印智能结构的三维结构，该待打印智能结构呈多孔网络结构，且在竖直方向上自上而下依次分为三层，分别为近端层、过渡层和远端层，每层划分为多个均匀分布的单元拓扑，且每层中孔隙的体积分数自上而下依次减小，以此形成多孔梯度结构；(b)设定所述智能结构的孔隙率、每层的所述单元拓扑的尺寸参数、以及多孔网络的形状，利用该智能结构构建待成形零件的三维模型；(c)选取记忆合金粉末作为原料，采用3D打印技术多次打印所述三维模型，由此获得多个成形零件；(d)将步骤(c)中获得的多个成形零件保温，冷却，然后将冷却后的多个所述成形零件进行外场刺激，以此获得多个变形的成形零件，对该多个变形的成形零件进行性能测试，根据性能需求选择满足性能需求的成形零件。进一步优选地，在步骤(a)中，所述近端层中所述单元拓扑的体积分数为5％～15％，所述远端层中所述单元拓扑的体积分数为15％～25％。进一步优选地，在步骤(b)中，所述孔隙率的范围为75％～85％。进一步优选地，在步骤(b)中，所述多孔网络的形状优选采用菱形、三角形、矩形、不规则多边形以及椭圆形。进一步优选地，在步骤(c)中，所述记忆合金粉末的直径为20～40μm。进一步优选地，所述记忆合金优选采用Cu-Al-Ni系、Ni-Ti系或Fe系合金。进一步优选地，在步骤(c)中，所述激光功率为150W～400W，扫描速度为400mm/s～900mm/s。进一步优选地，在步骤(c)中，所述保温和冷却温度之间温度差为180℃～200℃。进一步优选地，在步骤(d)中，所述外场刺激优选采用应力激励、电激励、或磁激励。按照本专利技术的另一方面，提供了一种如上述所述的4D打印方法获得的产品。优选地，总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：1、本专利技术通过构建多孔梯度的智能结构，并利用3D打印该智能结构形成的产品，以此形成4D打印，智能该结构包括多孔网络和孔隙体积分数呈梯度分布，一方面多孔结构具有相对密度低、比强度高、比表面积高、重量轻等优点，用多孔结构代替实体结构能使变形构件具有更高的性能，另一方面由于变形构件在弯曲变形过程中各部分孔隙的变形量有所不同，采用梯度孔隙可以使变形后构件的孔隙体积分数更加接近，使得变形构件趋于各向同性；2、本专利技术以高孔隙率的梯度多孔结构作为变形单元，可以实现变形量超过40％的金属大变形构件的突破，通过增材制造的方法，可以大大扩展复杂大变形构件在工业领域的应用范围；3、本专利技术利用形状记忆合金材料作为变形材料，考虑成型构件的结构变形特征、设计参数、成型工艺、激励特性和最终结构目标等信息，设计初始构型，实现复杂智能变形结构的快速制造，简化了成型制造装备，简化了产品设计、制造和装配工艺；4、本专利技术通过采用4D打印技术加工智能材料，成型后在外场激励下发生弯曲、扭曲、膨胀等自我变形最终达到预设三维空间构型，根据任务需求自主改变结构形态，并对变化的外界环境做出即时响应，以始终保持预期的最优状态，同时，成型过程不受结构复杂性的限制，与传统制造方法相比，更容易满足力学性能和疲劳性能等方面要求；5、本专利技术克服智能变形结构传统加工装备复杂、工艺复杂、成型困难等问题，采用高能束增材制造可获得较高的加工精度。附图说明图1是按照本专利技术的优选实施例所构建的智能变形结构的4D打印方法的流程图；图2是按照本专利技术的优选实施例所构建的Schwartzdiamond单元拓扑结构示意图；图3是按照本专利技术的优选实施例所构建的智能变形结构的立体结构示意图；图4是按照本专利技术的优选实施例所构建的智能变形结构的截面示意图；图5是按照本专利技术的优选实施例所构建的智能变形结构变形前后对比示意图；图6a是按照本专利技术的优选实施例所构建的多孔网络形状为菱形的智能变形结构；图6b是按照本专利技术的优选实施例所构建的多孔网络形状为三角形的智能变形结构；图6c是按照本专利技术的优选实施例所构建的多孔网络形状为矩形形的智能变形结构；图6d是按照本专利技术的优选实施例所构建的多孔网络形状为椭圆形的智能变形结构。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。一种4D打印成型具有大变形功能智能结构的方法，包括以下步骤：1)首先设计具有大变形功能的智能结构初始构型，建立其计算机三维模型。采用形状记忆合金作为变形基体的材料，其结构为梯度多孔点阵结构，孔隙率可控，最高孔隙率可达75％～85％以上，孔隙率越大质量越轻，在该范围内的智能结构既能满足性能的需求，又减轻了重量，设计的智能变形结构单胞初始构型的直径、壁厚以及多孔结构的网格类型等；2)采用高能束增材制造技术，作为形状记忆合金打印20～40μm，层厚为0.04mm，激光功率为150W～400W，扫描速度为400～900mm/s，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有大变形功能的智能结构的4D打印方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：(a)构建待打印智能结构的三维结构，该待打印智能结构呈多孔网络结构，且在竖直方向上自上而下依次分为三层，分别为近端层、过渡层和远端层，每层划分为多个均匀分布的单元拓扑，且每层中孔隙的体积分数自上而下依次减小，以此形成多孔梯度结构；(b)设定所述智能结构的孔隙率、每层的所述单元拓扑的尺寸参数、以及多孔网络的形状，利用该智能结构构建待成形零件的三维模型；(c)选取记忆合金粉末作为原料，采用3D打印技术多次打印所述三维模型，由此获得多个成形零件；(d)将步骤(c)中获得的多个成形零件保温，冷却，将冷却后的多个所述成形零件进行外场刺激，以此获得多个变形的成形零件，对该多个变形的成形零件进行性能测试，选择满足预设性能需求的成形零件。

【技术特征摘要】
1.一种具有大变形功能的智能结构的4D打印方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：(a)构建待打印智能结构的三维结构，该待打印智能结构呈多孔网络结构，且在竖直方向上自上而下依次分为三层，分别为近端层、过渡层和远端层，每层划分为多个均匀分布的单元拓扑，且每层中孔隙的体积分数自上而下依次减小，以此形成多孔梯度结构；(b)设定所述智能结构的孔隙率、每层的所述单元拓扑的尺寸参数、以及多孔网络的形状，利用该智能结构构建待成形零件的三维模型；(c)选取记忆合金粉末作为原料，采用3D打印技术多次打印所述三维模型，由此获得多个成形零件；(d)将步骤(c)中获得的多个成形零件保温，冷却，将冷却后的多个所述成形零件进行外场刺激，以此获得多个变形的成形零件，对该多个变形的成形零件进行性能测试，选择满足预设性能需求的成形零件。2.如权利要求1所述的一种具有大变形功能的智能结构的4D打印方法，其特征在于，在步骤(a)中，所述近端层中所述单元拓扑的体积分数为5％～15％，所述远端层中所述单元拓扑的体积分数为15％～25％。3.如权利要求1或2所述的一种具有大变形功能的智能结构的4D打印方法，其特征在于，在步骤(b)中，所述孔隙率的范围为75％～...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏青松，朱文志，陈辉，田健，蔡超，滕庆，史玉升，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42