配套4D打印技术磁场激励控制系统及4D微纳打印设备技术方案

本实用新型专利技术公开一种配套4D打印技术的磁场激励控制系统及4D微纳打印设备，包括电流信号输出装置，其包括：磁场数字信号产生电路；DA转换电路，将各路数字电压信号分别转化为模拟信号；磁控线圈系统，包括相对设置的沿第一方向轴对称的第一对线圈，相对设置的沿第二方向轴对称的第二对线圈，相对设置的沿第三方向轴对称的第三对线圈，三对线圈之间形成公共区域，各对线圈配置为通以相同方向的电流；各对线圈分别与DA转换电路电性耦接，输入其中一路模拟信号。本实用新型专利技术磁场激励控制系统仅需将其与微纳打印机整合，实时协同控制两系统去实现打印与磁控信号的同步，具有快速实时多模态切换可控的特点，该系统将可被用于具有磁化异质特性的4D打印中。

【技术实现步骤摘要】
配套4D打印技术磁场激励控制系统及4D微纳打印设备
本技术涉及4D打印领域，进一步涉及一种配套4D打印技术的磁场激励控制系统，还进一步涉及一种4D微纳打印设备。
技术介绍
在外部磁场的作用下，掺有磁性或软磁纳米颗粒的混合物可以被磁化，使磁性或软磁纳米颗粒产生一致性排列。通常地，含有磁性或软磁纳米颗粒的结构具有某些特殊物理属性，如超顺磁性和光热效应等。在3D打印过程中，利用磁铁使磁性或软磁纳米颗粒在光刻胶中磁化后固化，使3D结构打印的每一条线都具有磁化方向可设计，可以实现对结构的特性异质化，正在被考虑用于一些3D或4D打印技术中。目前越来越多的磁辅助技术，希望通过磁化的颗粒在期望的结构内有序排布，实现具有特殊功能的磁体超材料，这需要3D打印机和磁场发生器非常完美的整合成同步系统。另外，特别针对微纳米尺度的结构打印，发展一套磁辅助4D微纳打印技术，在广泛的特殊领域具有更高的应用价值，如具有电磁特性的超材料、柔性微纳米机器人、磁控靶向治疗、生物医学工程等。现有实现4D微纳打印的技术缺陷如下：1.目前实现复杂触发响应结构的4D微纳打印，通常采用多材料多工艺步骤打印实现其结构的异质性变形或功能属性切换，目前还没有一种灵活有效的单一材料一步成型的制备技术。通过外部场控制打印复杂4D微纳结构的多重异质性是无法实现的。2.对于夹杂磁性或软磁微纳米颗粒的复杂三维结构打印，目前打印过程中添加物理场辅助打印异质磁化材料的方法通常利用改变外部永磁铁的摆放位置来实现，无法实现任意磁化方向随打印实时快速切换。特别是精细度非常高的微纳米打印过程要求外部磁场激励信号具有可控、多变、实时切换、多模态切换等功能。3.目前还没有一种可以3D或4D打印的同时进一步实现外部场控制材料异质性的方法、工艺及其相关设备。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题有鉴于此，本技术的目的在于提供一种磁场激励控制系统及包含该磁场激励控制系统的4D微纳打印设备，以至少部分解决以上所述的技术问题。(二)技术方案根据本技术实例的一方面，提供一种配套4D打印技术的磁场激励控制系统，其特征在于包括：电流信号输出装置，包括：磁场数字信号产生电路，用于根据待调整磁场参数产生至少三路数字电压信号；DA转换电路，将各路所述数字电压信号分别转化为模拟信号；磁控线圈系统，包括相对设置的沿第一方向轴对称的第一对线圈，相对设置的沿第二方向轴对称的第二对线圈，相对设置的沿第三方向轴对称的第三对线圈，三对线圈之间形成一公共区域，各对线圈配置为通以相同方向的电流；各对线圈分别与所述DA转换电路电性耦接，输入其中一路模拟信号。在进一步的实施方案中，磁场数字信号产生电路中按如下方式产生三路数字电压信号：根据五种磁场控制状态：沿第一方向旋转角度α，沿第二方向旋转角度β，沿第三方向旋转角度γ，锥形磁场CONICAL，以及场强FIELD，按照以下方式确定各路电压：在进一步的实施方案中，磁控线圈系统还包括：第一电流放大器、第二电流放大器和第三电流放大器，分别与所述第一对线圈、第二对线圈和第三对线圈，用于放大输入至各线圈的模拟信号。在进一步的实施方案中，第一方向、第二方向和第三方向互相垂直。在进一步的实施方案中，第一对线圈、第二对线圈和第三对线圈构成三相赫姆霍兹线圈。在进一步的实施方案中，所述磁控线圈系统还包括开关电源，用于为第一电流放大器、第二电流放大器和第三电流放大器提供功率输出。根据本技术的另一方面，还提供一种4D微纳打印系统，包括：以上任一所述的磁场激励控制系统；样品台，用于装载待打印物；平移台，所述样品台安装于平移台上，所述平移台配置为能将样品台伸入磁控线圈系统的公共区域；三维激光直写仪，用于产生照射待打印物的激光。在进一步的实施方案中，还包括模电子摄像机，用于对磁场激励控制系统、三维激光直写仪以及平移台配合情况进行摄像。在进一步的实施方案中，还包括控制器，与所述电流信号输出装置连接，用于输出控制信号至所述电流信号输出装置中的磁场数字信号产生电路。(三)有益效果(1)本技术提出一种利用外场控制磁颗粒夹杂材料的磁化(分布、方向等)实现打印过程材料磁性异质性方法，并给出了基于三维激光直写技术的磁控微纳4D打印方法。它是基于磁性或软磁颗粒夹杂打印材料的一步成型技术，可用于3D或4D打印中任意方向磁性异质化实时控制的实现。(2)本技术给出了针对三维激光直写技术的磁控微纳4D打印的三轴亥姆霍兹线圈的设计及控制方法。仅需将其磁控系统与微纳3D打印机整合，实时协同控制两系统去实现打印与磁控信号的同步。通过控制外部线圈的电流可以精准控制打印材料中磁性颗粒的磁化特性，具有快速实时多模态切换可控的特点。(3)本技术给出了磁控微纳4D打印机设计方案及其响应的打印流程。整体考虑了未来磁控微纳4D打印机设计多功能需求及冗余性，是一种通过外部物理场控制材料-结构异质性的有效方法，进一步可结合电、热、光、声等多耦合场扩展目前3D或4D打印机在多材料打印异质化的控制方法。附图说明图1A、图1B、图1C和图1D分别是本技术实施例的磁控线圈系统中线圈部分的主视图、侧视图、俯视图和立体图。图2为本技术实施例的磁场激励控制系统的原理示意图。图3为图2原理图对应的实物图。图4A和图4B分别为本技术实施例的样品台俯视图和仰视图。图5为本技术实施例的样品台装载样品示意图。图6为本技术实施例的样品装载过程示意图。图7为本技术实施例的三维激光直写仪与平移台配合示意图。图8为本技术实施例的4D微纳打印系统配合示意图。具体实施方式为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本技术作进一步的详细说明。在下文中，将提供实施例以详细说明本技术的实施方案。本技术的优点以及功效将通过本技术所公开的内容而更为显著。在此说明所附的附图简化过且做为例示用。附图中所示的组件数量、形状及尺寸可依据实际情况而进行修改，且组件的配置可能更为复杂。本技术中也可进行其他方面的实践或应用，且不偏离本技术所定义的精神及范畴的条件下，可进行各种变化以及调整。本技术实施例的磁控线圈系统线圈部分的主视图、侧视图、俯视图和立体图原理为，将三维激光直写系统的打印区域覆盖磁场；在打印过程中，根据设计指定任意直写点或线的磁场强度和方向，使所打印光刻胶内的磁性纳米颗粒随着打印进程按照程序完成有序磁化。该系统需要三维激光直写仪与磁控线圈系统在硬件、软件及制备工艺上配合实现。图1A、图1B、图1C和图1D分别是本技术实施例的磁控线圈系统中线圈部分的主视图、侧视图、俯视图和立体图。该线圈根据激光直写系统和应用需求可由多种线圈实现。如图1A-图1D线圈系统可以包括相对设置的沿第一方向轴对称的第一对线圈，相对设置的沿第二方向轴对称的第二对线圈，相对设置的沿第三方向轴对称的第三对线圈，三对线圈之间形成一公共区域，各对线圈配置为通以相同方向的电流。为例举方便，这里仅例举一种简单三轴亥姆霍兹线圈的示例。从线圈需求出发，如图2所示，需要控制三相亥姆霍兹线圈三相正弦电流按照规则产生可控旋转磁场。任意一对线圈产生的磁场是沿着轴向的均匀磁场，通过控制电流的大小来控制每对线圈的磁本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种配套4D打印技术的磁场激励控制系统，其特征在于包括：电流信号输出装置，包括：磁场数字信号产生电路，用于根据待调整磁场参数产生至少三路数字电压信号；DA转换电路，将各路所述数字电压信号分别转化为模拟信号；磁控线圈系统，包括相对设置的沿第一方向轴对称的第一对线圈，相对设置的沿第二方向轴对称的第二对线圈，相对设置的沿第三方向轴对称的第三对线圈，三对线圈之间形成一公共区域，各对线圈配置为通以相同方向的电流；各对线圈分别与所述DA转换电路电性耦接，输入其中一路模拟信号。

【技术特征摘要】
1.一种配套4D打印技术的磁场激励控制系统，其特征在于包括：电流信号输出装置，包括：磁场数字信号产生电路，用于根据待调整磁场参数产生至少三路数字电压信号；DA转换电路，将各路所述数字电压信号分别转化为模拟信号；磁控线圈系统，包括相对设置的沿第一方向轴对称的第一对线圈，相对设置的沿第二方向轴对称的第二对线圈，相对设置的沿第三方向轴对称的第三对线圈，三对线圈之间形成一公共区域，各对线圈配置为通以相同方向的电流；各对线圈分别与所述DA转换电路电性耦接，输入其中一路模拟信号。2.根据权利要求1所述的磁场激励控制系统，其特征在于，所述磁场数字信号产生电路中按如下方式产生三路数字电压信号：根据五种磁场控制状态：沿第一方向旋转角度α，沿第二方向旋转角度β，沿第三方向旋转角度γ，锥形磁场CONICAL，以及场强FIELD，按照以下方式确定各路电压：3.根据权利要求1所述的磁场激励控制系统，其特征在于，所述磁控线圈系统还包括：第一电流放大器、第二电流放大器和第三电流放大器，分别与所述第一对线圈、第二对线圈和第三对线圈，用于放大输入至...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄天云，段慧玲，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：新型
国别省市：北京,11