基于声表面波的形状记忆复合构件可控变形三维打印方法技术

本发明专利技术公开了一种基于声表面波的形状记忆复合构件可控变形三维打印方法。两对声表面波换能器在打印液槽周围正交排列，形状记忆光敏材料和银纳米颗粒混合成的光敏预聚物装在处于换能器工作区域内的打印液槽中，紫外光投影系统位于换能器下方，将调制有图案的紫外光投影在光敏预聚物下表面，打印平台安装于电动z轴平移台上；声表面波换能器激发出超声能场，光敏预聚物中的银纳米颗粒在声场力的作用下呈线性排布，有图案的紫外光照射在光敏预聚物表面，选择性区域固化得到具有复杂纳米银线图案的单层结构，通过z轴平台的抬升实现多层打印。本发明专利技术能实现可精确控制局部变形的形状记忆复合构件的制造。

【技术实现步骤摘要】
基于声表面波的形状记忆复合构件可控变形三维打印方法
本专利技术涉及快速成形技术的一种可控变形三维打印方法和装置，尤其涉及一种基于声表面波的可控变形区域形状记忆复合构件三维打印方法及装置。
技术介绍
以智能材料为对象的三维打印技术正在作为下一代增材制造技术出现，该技术将形状转换纳入了结构设计中，可以在外部刺激下对打印物体进行形式或功能上的重新编程。该技术制造的智能复合构件能够响应光、热等外界刺激，自动发生形状及结构变化，实现自组装、自折叠的功能。广泛采用的智能复合材料构件制造方法为多层材料粘合技术及三维打印技术等。多层材料粘合技术通过将在外界刺激下产生不同响应的几种材料层粘合在一起，使构件在外界刺激作用下整体结构产生预期的变化。但该方法需要手工粘合材料层，工艺复杂，且产生的结构变形较难控制，应用范围窄。三维打印技术制造的智能材料构件能够实现一体化成型，但由于采用单一材料打印整体结构，在受到外界刺激时构件会发生整体变形，难以实现对结构变化的准确编程。综上所述，现有技术中缺少一种工艺简单快速、变形响应区域精确可控的形状记忆智能复合材料构件的制造方法。
技术实现思路
为解决常规智能复合材料制造方法和设备存在的问题，利用超声能场中微粒在声场力作用下呈线性排列的物理规律，结合光固化三维打印技术，本专利技术提出了一种基于声表面波辅助的可控变形区域形状记忆复合结构的三维打印制造方法，可精确控制三维打印形状和变形区域。本专利技术利用两对声表面波换能器激发的超声能场，使光敏预聚物中的银纳米颗粒呈线性排列，利用紫外光投影仪出射的调制有图案的紫外光照射在光敏预聚物上使其选择性固化，得到具有复杂银纳米导线图案的形状记忆复合构件。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一、一种基于声表面波的形状记忆复合构件可控变形三维打印方法，包括以下各步骤：1)在打印液槽周围布置两对声表面波换能器，两对声表面波换能器在正方形的打印液槽周围呈相互垂直正交布置，使打印液槽作为声表面波换能器的工作区域，形成超声能场；2)将带有银纳米颗粒的光敏预聚物搅拌均匀后加入打印液槽，位于工作区域上方的电动z轴平移台下降，电动z轴平移台上固定安装打印平台，打印平台用于粘附已成形的三维结构，使打印平台与打印液槽底面之间形成单层液膜的间隙；通过声表面波换能器工作产生超声能场，超声能场驱动液态光敏预聚物中的银纳米颗粒形成银纳米线分布；打印平台实际为一块前端有正方体形状打印头的平板，正方体打印头底面作为打印底面，倒置进行三维打印。3)紫外光投影系统出射调制有图案的紫外光照射到打印液槽的工作区域，具体照射在银纳米颗粒稳定分布的光敏预聚物下表面，根据图案选择部分有银纳米线的区域让紫外光透过固化光敏预聚物，即能透过图案的紫外光照射并使得光敏预聚物固化，银纳米颗粒形成的银纳米线被固化后的光敏预聚物封装；4)关闭声表面波换能器，电动z轴平移台带动打印平台抬升而离开液态的光敏预聚物表面，搅拌打印液槽中液态的光敏预聚物使其中的银纳米颗粒分散均匀，使得银纳米线恢复为分散的银纳米颗粒；电动z轴平移台再次下降到相同高度，即使得打印平台下降与打印液槽底面之间形成单层液膜的间隙，紫外光投影系统出射调制有不同图案的紫外光照射到打印液槽的工作区域，在不形成银纳米线情况下根据设计图案选择除了步骤3)已经被固化区域以外的局部区域让紫外光透过并固化光敏预聚物，在打印平台底面获得了具有设计图案且带有银纳米线的单层结构，单层结构固定粘附于打印平台底面；所述的单层结构是由3)中固化的含有银纳米线的光敏预聚物结构和4)中固化的不含银纳米线的光敏预聚物结构共同组成的。5)电动z轴平移台带动打印平台抬升，使粘附在打印平台底面的单层结构与打印液槽底面分离，并使得打印平台最低一层的单层结构底面与打印液槽底面之间形成单层液膜的间隙作为下一层液膜，通过声表面波换能器工作产生超声能场，超声能场驱动液态的光敏预聚物中的银纳米颗粒形成银纳米线分布；6)不断重复步骤3)、4)和5)进行多个单层结构的打印制作，实现具有三维嵌入式银纳米导线的形状记忆复合构件的制造；7)对形状记忆复合构件中的银纳米线部分引出到外部电源通电，使得银纳米线部分产生热量，银纳米线周围的光敏预聚物固化结构升温，当光敏预聚物固化结构达到临界温度时变为柔软的弹性体，通过外力作用以银纳米线为中心轴折叠所制造的形状记忆复合构件，折叠完成后对形状记忆复合构件的银纳米线部分断电，形状记忆复合构件逐渐冷却到临界温度以下并保持折叠后的形状；8)对形状记忆复合构件中的银纳米线部分再次通电加热，在银纳米线周围的光敏预聚物固化结构达到临界温度时，形状记忆复合构件在不受外力作用的情况下恢复原始形状。由此还可以不断重复上述步骤实现形状记忆复合构件的不断反复变形和调整。所述的图案仅分为透光和不透光的两种区域，紫外光透过透光的区域后照射到光敏预聚物使得光敏预聚物固化，紫外光照射到不透光的区域后无法透过而不能照射到光敏预聚物，固化的光敏预聚物中包含有局部的银纳米线或者全部的银纳米线。通过声表面波换能器工作产生超声能场，超声能场驱动液态光敏预聚物中的银纳米颗粒线性分布形成银纳米线，具体为：将信号发生器与声表面波换能器连接，通过信号发生器调节声表面波换能器输出信号的幅值和频率，使声表面波换能器在工作区域即打印液槽激发出稳定的超声能场，处于液态光敏预聚物中的银纳米颗粒能自由移动，因此受超声能场驱动稳定分布成均匀地线性平行阵列排布的银纳米线。银纳米线有多条且平行布置。所述步骤2)中，通过调节信号发生器的输出频率、振幅、相位能实现复杂设计图案的银纳米线分布，具体从以下几个方面进行调整；通过调整输出频率调节超声能场周期性，进而改变周期性纳米银线的分布周期；通过调整输出电压调节超声能场的强度，进而改变银纳米颗粒的聚集密度；通过调整输出相位调节超声能场的相位，进而改变银纳米线整体在工作区域的成形位置。通过独立调节每对声表面波换能器的工作状态，调节不同形态的银纳米线的分布，进而根据设计图案选择性照射的紫外光能实现复杂形状银纳米线结构的制造，其中固化的光敏预聚物中的银纳米线连通为同一导线。通过调整紫外光投影仪出射的紫外光图案，使不同宽度的银纳米线所在区域的光敏预聚物被固化，进而实现不同宽度银纳米线的制造，改变整条银纳米线的电阻，调节银纳米线的电阻使银纳米线在通电时发出不同的热量，使银纳米线周围的光敏预聚物固化结构以不同速度升温达到临界温度。由此，通过调节信号发生器的输出频率、振幅、相位以及每对声表面波换能器的工作状态与紫外光固化区域，能实现复杂的银纳米线分布。二、一种基于声表面波的形状记忆复合构件可控变形三维打印装置：包括置于光学隔振平台上的电动z轴平移台、打印液槽、两对声表面波换能器和紫外光投影系统；两对声表面波换能器在无色透明的压电晶片上并分布在打印液槽周围，两对声表面波换能器在打印液槽周围呈相互垂直正交布置，光敏预聚物和银纳米颗粒置于打印液本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于声表面波的形状记忆复合构件可控变形三维打印方法，其特征在于包括以下各步骤：/n1)在打印液槽(2)周围布置两对声表面波换能器(3)，两对声表面波换能器(3)在打印液槽(2)周围呈相互垂直正交布置，使打印液槽(2)作为声表面波换能器的工作区域，形成超声能场；/n2)将带有银纳米颗粒的光敏预聚物搅拌均匀后加入打印液槽(2)，位于工作区域上方的电动z轴平移台(1)下降，电动z轴平移台(1)上固定安装打印平台，使打印平台与打印液槽(2)底面之间形成单层液膜的间隙；通过声表面波换能器(3)工作产生超声能场，超声能场驱动液态光敏预聚物中的银纳米颗粒形成银纳米线分布；/n3)紫外光投影系统(4)出射调制有图案的紫外光照射到打印液槽(2)的工作区域，根据图案选择部分有银纳米线的区域让紫外光透过固化光敏预聚物，即能透过图案的紫外光照射并使得光敏预聚物固化，银纳米颗粒形成的银纳米线被固化后的光敏预聚物封装；/n4)关闭声表面波换能器(3)，电动z轴平移台(1)带动打印平台抬升而离开液态的光敏预聚物表面，搅拌打印液槽(2)中液态的光敏预聚物使其中的银纳米颗粒分散均匀，使得银纳米线恢复为分散的银纳米颗粒；电动z轴平移台(1)再次下降到相同高度，紫外光投影系统(4)出射调制有不同图案的紫外光照射到打印液槽(2)的工作区域，在不形成银纳米线情况下根据设计图案选择除了步骤3)已经被固化区域以外的局部区域让紫外光透过并固化光敏预聚物，在打印平台底面获得了具有设计图案且带有银纳米线的单层结构，单层结构固定粘附于打印平台底面；/n5)电动z轴平移台(1)带动打印平台抬升，使粘附在打印平台底面的单层结构与打印液槽(2)底面分离，并使得打印平台最低一层的单层结构底面与打印液槽(2)底面之间形成单层液膜的间隙通过声表面波换能器(3)工作产生超声能场，超声能场驱动液态的光敏预聚物中的银纳米颗粒形成银纳米线分布；/n6)不断重复步骤3)、4)和5)进行多个单层结构的打印制作，实现具有三维嵌入式银纳米导线的形状记忆复合构件的制造；/n7)对形状记忆复合构件中的银纳米线部分引出到外部电源通电，使得银纳米线部分产生热量，银纳米线周围的光敏预聚物固化结构升温，当光敏预聚物固化结构达到临界温度时变为柔软的弹性体，通过外力作用以银纳米线为中心轴折叠所制造的形状记忆复合构件，折叠完成后对形状记忆复合构件的银纳米线部分断电，形状记忆复合构件逐渐冷却到临界温度以下并保持折叠后的形状；/n8)对形状记忆复合构件中的银纳米线部分再次通电加热，在银纳米线周围的光敏预聚物固化结构达到临界温度时，形状记忆复合构件在不受外力作用的情况下恢复原始形状。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于声表面波的形状记忆复合构件可控变形三维打印方法，其特征在于包括以下各步骤：
1)在打印液槽(2)周围布置两对声表面波换能器(3)，两对声表面波换能器(3)在打印液槽(2)周围呈相互垂直正交布置，使打印液槽(2)作为声表面波换能器的工作区域，形成超声能场；
2)将带有银纳米颗粒的光敏预聚物搅拌均匀后加入打印液槽(2)，位于工作区域上方的电动z轴平移台(1)下降，电动z轴平移台(1)上固定安装打印平台，使打印平台与打印液槽(2)底面之间形成单层液膜的间隙；通过声表面波换能器(3)工作产生超声能场，超声能场驱动液态光敏预聚物中的银纳米颗粒形成银纳米线分布；
3)紫外光投影系统(4)出射调制有图案的紫外光照射到打印液槽(2)的工作区域，根据图案选择部分有银纳米线的区域让紫外光透过固化光敏预聚物，即能透过图案的紫外光照射并使得光敏预聚物固化，银纳米颗粒形成的银纳米线被固化后的光敏预聚物封装；
4)关闭声表面波换能器(3)，电动z轴平移台(1)带动打印平台抬升而离开液态的光敏预聚物表面，搅拌打印液槽(2)中液态的光敏预聚物使其中的银纳米颗粒分散均匀，使得银纳米线恢复为分散的银纳米颗粒；电动z轴平移台(1)再次下降到相同高度，紫外光投影系统(4)出射调制有不同图案的紫外光照射到打印液槽(2)的工作区域，在不形成银纳米线情况下根据设计图案选择除了步骤3)已经被固化区域以外的局部区域让紫外光透过并固化光敏预聚物，在打印平台底面获得了具有设计图案且带有银纳米线的单层结构，单层结构固定粘附于打印平台底面；
5)电动z轴平移台(1)带动打印平台抬升，使粘附在打印平台底面的单层结构与打印液槽(2)底面分离，并使得打印平台最低一层的单层结构底面与打印液槽(2)底面之间形成单层液膜的间隙通过声表面波换能器(3)工作产生超声能场，超声能场驱动液态的光敏预聚物中的银纳米颗粒形成银纳米线分布；
6)不断重复步骤3)、4)和5)进行多个单层结构的打印制作，实现具有三维嵌入式银纳米导线的形状记忆复合构件的制造；
7)对形状记忆复合构件中的银纳米线部分引出到外部电源通电，使得银纳米线部分产生热量，银纳米线周围的光敏预聚物固化结构升温，当光敏预聚物固化结构达到临界温度时变为柔软的弹性体，通过外力作用以银纳米线为中心轴折叠所制造的形状记忆复合构件，折叠完成后对形状记忆复合构件的银纳米线部分断电，形状记忆复合构件逐渐冷却到临界温度以下并保持折叠后的形状；
8)对形状记忆复合构件中的银纳米线部分再次通电加热，在银纳米线周围的光敏预聚物固化结构达到临界温度时，形状记忆复合构件在不受外力作用的情况下恢复原始形状。


2.根据权利要求1所述的一种基于声表面波的形状记忆复合构件可控变形三维打印方法，其特征在于：所述的图案仅分为透光和不透光的两种区域，紫外光透过透光的区域后照射到光敏预聚物使得光敏预聚物固化，紫外光照射到不透光的区域后无法透过而不能照射到光敏预聚物。


3.根据权利要求1所述的一种基于声表面波的形状记忆复合构件可控变形三维打印方法，其特征在于：通...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪延成，刘佳薇，梅德庆，许诚瑶，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33