基于温度响应的横-三角双层结构的4D打印方法技术

本发明专利技术公开了一种基于温度响应的横‑三角双层结构的4D打印方法。选取形状记忆聚合物材料以双层结构为单元从下往上重复层叠进行打印，双层结构由两组不同的填充图案层上下层叠打印布置构成，每组填充图案层中的各个单层均打印为相同的填充图案，上下方的填充图案层分别为横纹和三角纹图案，横纹和三角纹图案分别由一组和三组直线阵列交叉排布构成的纹理图案，直线阵列由多条平行排布直线构成；最后精确温度加热使粗产品变形4D变形完成。本发明专利技术克服了目前温度驱动的4D打印材料制备困难，对小功率变形响应程度差的问题，实现了通过设计参数编程无需制造特殊线材的熔融沉积4D打印方法，突破了4D打印技术制备材料的繁琐过程。

4D Printing Method Based on Temperature Response for Transverse-Triangular Double-Layer Structure

The invention discloses a 4D printing method based on a transverse triangular double-layer structure of temperature response. Shape memory polymer material is selected as the unit to print from bottom to top repeatedly. The double-layer structure consists of two different layers of filling pattern, each layer of filling pattern is printed as the same filling pattern. The filling pattern layer above and below is transverse and triangular pattern, and the transverse and triangular pattern is composed of one pair of filling pattern layers. The texture pattern is composed of three groups of linear arrays, which are intersected. The linear arrays are composed of several parallel lines. Finally, the 4D deformation of rough products is completed by precise temperature heating. The invention overcomes the difficulties in preparing temperature-driven 4D printing materials and poor response to low-power deformation, realizes the fused deposition 4D printing method without manufacturing special wires by programming design parameters, and breaks through the tedious process of preparing materials by 4D printing technology.

【技术实现步骤摘要】
基于温度响应的横-三角双层结构的4D打印方法
本专利技术涉及智能材料4D打印领域的一种4D打印方法，尤其是涉及了一种基于温度响应的横-三角双层结构的4D打印方法，实现了能通过设计参数可编程无需制造特殊线材的熔融沉积4D打印方法。
技术介绍
4D打印作为基于智能感知材料而开发的材料加工技术，为传统变形材料的制备提供了突破局限的新思路。针对弯曲变形，由于工件体积沿厚度方向收缩程度的非均匀性会引起多层材料的弯曲行为，4D打印通常设计对不同结构有不同响应的多层结构。常规的4D打印变形过程一般由两种实现形式：1.采取不同材料构成工件两层，通过同等程度的激发手段(磁、热、生物响应)，经由工件两层不同的应变响应，达成4D的变形效果。2.采取一种材料构成工件整体，经由不同程度的激发手段，达成4D打印变形效果。具有高级功能的工件或设备常常需要结合复杂的三维形状和功能诱导结构单元。目前用于创建功能结构的绝大多数技术只能在平面上工作。在过去的几年里，由于各种先进的材料出现，形状记忆材料的应用范围得到了延伸。形状记忆聚合物可以经由低温玻璃态与高温橡胶态之间的转换实现形状记忆的效果，此时的聚合物具有自愈性质，可以通过温度的加载在一定程度上恢复至第一次经挤压成型时的状态，以此为根据提出的各种技术通常需要多个制作步骤和特殊材料。3D打印提供了一种主动元素的空间布局实现形状转换技术，其中特别以精密的多材料印刷为代表，其可以用来结合不同的材料，通过聚合物实现多形状或可逆的变形。各向异性添加物(如膨胀比或刚度)可通过3D打印技术印刷，以实现4D打印的变形过程。提出最初的平面结构，在获得相应的触发后，它们的形状将改变为预先设定的三维形状，从而使表面相关的功能与复杂的三维形状相结合。目前体系下的4D变形存在着诸多缺点，在成型速度快时，对工件的加工设备要求极高，需要进行复杂的工件规划。而对加工设备要求低时，成型速度又过慢。在现实场景中，往往需求克服这两种缺陷场景。因此需要一种对加工设备要求不高的同时能够进行快速变形的4D打印方法。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷和改进需求，本专利技术提出了一种基于温度响应的可编程双层形状记忆结构的4D打印方法，其中包括双层形状记忆结构的设计及制备。本专利技术方法是一个单步打印过程，只需要一台熔融沉积3D打印机和聚合物材料，基于材料的自折叠和不稳定弹出，并通过编程实现的顺序变形，可实现以前所未有的扩展空间的三维形状，具有简单和多功能性的特点。为实现上述过程，按照本专利技术采用以下技术方案：1)选取形状记忆聚合物材料作为打印的线材，根据需打印的产品模型按照以下方式进行3D打印：以双层结构从下往上重复层叠进行打印，双层结构主要由两组不同的填充图案层上下层叠打印布置构成，填充图案层包括多个单层，每组填充图案层中的各个单层均打印为相同的填充图案，单层对应为3D打印时的一层切片，上方的填充图案层为横纹图案，下方的填充图案层为三角纹图案，横纹图案是由一组直线阵列构成的纹理图案，三角纹图案是由三组直线阵列非平行相互交叉排布构成的纹理图案，直线阵列由多条等间隔平行排布直线构成；2)3D打印后，取下打印获得的粗产品，进行精确温度加热使得粗产品按照规定方式变形，直至4D变形完全完成，等待工件冷却4D打印过程完全结束，获得4D打印产品。本专利技术4D打印制成的产品由双层结构从下往上重复构成，其中一层由相同横纹图案多次叠加制成，另一层由三角纹图案多层叠加制成，横纹层与三角纹层的厚度比例可以在1:4到4:1调整。打印时根据需打印的产品模型设计选取不同的双层结构及打印工艺参数构，并进行切片设定来获得不同形状的打印产品。打印时根据需打印的产品模型设计构建填充图案中不同的布置来调整最后精确温度加热的不同4D变形形状。不同的布置是指横纹图案中直线阵列的印刷角度不同，三角纹图案中各组直线阵列之间的交叉角度以及每两组直线阵列各自的印刷角度不同，印刷角度实质为直线方向和打印坐标系水平轴之间的夹角。一种实施方式为：设置横纹图案中直线阵列的印刷角度在0±22.5度或90±22.5度范围内，实现温度加热后的产品绕平行于打印坐标系水平轴的旋转轴圆弧弯曲变形；0±22.5度相比90±22.5度的弯曲变形程度更小。另一种实施方式为：设置横纹图案中直线阵列的印刷角度在45±22.5度或135±22.5度范围内，实现温度加热后的产品绕垂直于坐标系水平轴的旋转轴螺旋弯曲变形。所述的3D打印是到熔融沉积3D打印机进行打印，打印后需要冷却。打印时根据需打印的产品模型设计构建不同的打印工艺参数配合填充图案的不同布置来调整最后精确温度加热的不同4D变形程度。打印工艺参数是指3D打印时的打印线宽l、打印层高h和打印喷嘴温度a以及精确温度加热时的激发温度b，激发温度b即为精确温度加热的加热温度。所述的4D变形程度由打印线宽l、打印层高h和打印喷嘴温度a以及激发温度b的四个打印工艺参数控制。所述的打印线宽l设定范围为0.25mm-0.8mm，所述打印层高h为50μm-200μm，所述打印时喷嘴温度a为195℃-240℃，所述激发温度b为65℃-95℃。最终能使得横纵向应变可达到的范围为0.01-0.36。所述的精确温度加热是使用水浴加热的方式，溶液成分为蒸馏水，对水溶液的温度进行精确控制，使加热过程的温度稳定在设定的激发温度b。所述形状记忆聚合物材料使用受热时应力-应变响应性能好的聚乳酸形状记忆材料。方法实施中，使用聚合物线材进行3D打印是熔融沉积3D打印的主要形式之一。打印机的喷嘴进行挤压出丝时，聚合物材料完成初次变形过程，在冷却过程时，材料进行形状记忆的第一阶段，对成型的工件再次加热时，打印丝将在一定程度上恢复至经拉丝挤压时的状态，通过该形状记忆过程叠加实现4D打印的变形过程。本专利技术通过对模型的各结构参数和工艺参数进行编辑以设计符合预期变形的模型，并通过3D打印机制作粗产品模型和对材料进行精确加热的方式实现4D打印的过程。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.本专利技术所于温度响应的可编程双层形状记忆结构的4D打印结构，其主要应用了聚合物材料的形状记忆特性，聚合物材料具有加工性能好，成本低廉要求低等优点。2.本专利技术采用熔融沉积成型的4D打印的方法打印聚合物材料，与水凝胶型材料4D打印方法相比，成型速度快，加工要求低，不需要极其特殊的激发条件与制造设备；3.本专利技术采用熔融沉积成型的4D打印的方法打印聚合物材料，与磁电工艺的4D打印相比，降低了生产成本，简化了材料的生产工艺，缩短了制造周期，实现结构和功能的一体化制造。本专利技术克服了目前温度驱动的4D打印材料制备困难，对小功率变形响应程度差的问题，实现了通过设计参数编程无需制造特殊线材的熔融沉积4D打印方法，突破了4D打印技术制备材料的繁琐过程。附图说明图1为本专利技术的横纹图案布置示意图；图2为本专利技术的三角纹图案布置示意图；图3是聚乳酸材料横纹-三角纹结合时不同的打印温度的应变效果图；图4是聚乳酸材料横纹-三角纹结合时不同的激发温度的应变效果图；图5是聚乳酸材料横纹-三角纹结合时不同的打印层高的应变效果图；图6是聚乳酸材料横纹-三角纹结合时不同的打印线宽的应变效果图；图7是聚乳酸材料横纹-三角纹结合时不同的厚度比的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于温度响应的横‑三角双层结构的4D打印方法，其特征在于包括以下步骤：1)选取形状记忆聚合物材料作为打印的线材，根据需打印的产品模型按照以下方式进行3D打印：以双层结构从下往上重复层叠进行打印，双层结构由两组不同的填充图案层上下层叠打印布置构成，填充图案层包括多个单层，每组填充图案层中的各个单层均打印为相同的填充图案，单层对应为3D打印时的一层切片，上方的填充图案层为横纹图案，下方的填充图案层为三角纹图案，横纹图案是由一组直线阵列构成的纹理图案，三角纹图案是由三组直线阵列非平行相互交叉排布构成的纹理图案，直线阵列由多条等间隔平行排布直线构成；2)3D打印后，取下打印获得的粗产品，进行精确温度加热使得粗产品按照规定方式变形，直至4D变形完全完成，获得4D打印产品。

【技术特征摘要】
1.一种基于温度响应的横-三角双层结构的4D打印方法，其特征在于包括以下步骤：1)选取形状记忆聚合物材料作为打印的线材，根据需打印的产品模型按照以下方式进行3D打印：以双层结构从下往上重复层叠进行打印，双层结构由两组不同的填充图案层上下层叠打印布置构成，填充图案层包括多个单层，每组填充图案层中的各个单层均打印为相同的填充图案，单层对应为3D打印时的一层切片，上方的填充图案层为横纹图案，下方的填充图案层为三角纹图案，横纹图案是由一组直线阵列构成的纹理图案，三角纹图案是由三组直线阵列非平行相互交叉排布构成的纹理图案，直线阵列由多条等间隔平行排布直线构成；2)3D打印后，取下打印获得的粗产品，进行精确温度加热使得粗产品按照规定方式变形，直至4D变形完全完成，获得4D打印产品。2.根据权利要求1所述的一种基于温度响应的横-三角双层结构的4D打印方法，其特征在于：打印时根据需打印的产品模型设计构建填充图案中不同的布置来调整最后精确温度加热的不同4D变形形状。3.根据权利要求2所述的一种基于温度响应的横-三角双层结构的4D打印方法，其特征在于：设置横纹图案中直线阵列的印刷角度在0±22.5度或90±22.5度范围内，实现温度加热后的产品绕平行于打印坐标系水平轴的旋转轴圆弧弯曲变形；设置横...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯毅雄，高一聪，郑浩，曾思远，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33