一种面向仿生功能结构的4D打印装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种4D打印方法、装置及其应用，包括：多粘度液态组分配比、混流、脱泡、适温固化、加注、终固化等流程，基于一体成型设计理念，实现基于气动流驱动的仿生自驱动变形结构体(简称“仿生变体驱动体”)的制备。本发明专利技术的装置和方法可制备原基材料为粘度范围2000～38000cps的弹柔性材料功能部件，极大简化了仿生变体驱动体的制备过程，实现了直接打印、一次成型，不需要二次加工。

【技术实现步骤摘要】
一种面向仿生功能结构的4D打印装置与方法
本专利技术属于打印
，具体涉及一种面向仿生功能结构的4D打印装置与方法。
技术介绍
近年来，基于柔性材料的仿生驱动结构在多个领域得以应用。相比于传统的刚性结构装置，仿生驱动结构具有大变形、多自由度、低成本、高柔顺性、安全交互等优势，具有较好的非结构化环境适应性。根据驱动方式不同，可分为气动流驱动、电驱动、电磁驱动、化学反应致动等。其中，基于气动流驱动的仿生自驱动变形结构体(下文简称“仿生变体驱动体”)具有较大的负载输出、运动可靠、可长时间范围内重复工作的优势，有着较高的实用价值，在仿生飞行器、仿生机器人及仿人手肢等仿生自主结构中得以应用。仿生变体驱动体由具有可逆形变特性的高弹性柔性材料制成，主要为硅橡胶等高分子聚合物，其主要是通过多种液态组分固化而成。基于此，目前仿生变体驱动体的制作方式多是基于3D打印技术，制备驱动体的模具，然后通过胶液混合、真空脱泡、注入模具、高温固化、脱模等一系列步骤来实现仿生变体驱动体的制备。目前这种通过3D打印模具然后固化成型的制备方式存在诸多问题。例如，需预留足够大的开口以便于模具的脱出，导致成型后的驱动体存在一些额外的开口；并且，现有方法无法做到一次成型，需分部件制作，再将各分部件粘合，这使得仿生变体驱动体的制备存在较大的局限性，尤其是无法制备内部结构精巧或小尺寸的仿生变体驱动体结构。并且，驱动体在制作过程中易出现气泡，尤其是对于原基液态组分粘度较大的弹柔性材料来说，制备的成功率低。因此，通过新型技术手段实现基于弹柔性材料的仿生变体驱动体的快速成型是有必要的。而目前市面上基于熔融沉积方式进行三维成型的3D打印机的打印材料多为ABS、PLA等硬质线材。尽管近年来已有通过缩短打印机进料行程、控温打印等方式实现具有一定柔性的材料的打印，但是打印原材料，如TPU、TPE等，本质上还是固体线型材料，无法实现基于多液态组分材料固化成型的仿生变体驱动体的一体化快速制备。
技术实现思路
为改善上述缺陷，本专利技术提出一种面向功能性弹柔材料结构的新型4D打印装置与一种液旋混流温加注(Fluidswirling-mixinggentletemp-dosingprinciple,FSM-GTD)的4D打印装置和方法，在对多种粘度的弹柔性材料的液态原基材料配比及固化的基础之上，实现仿生变体驱动体的一次成型。具体而言，本专利技术提供一种4D打印装置，所述装置包括：并联臂打印机构、储料单元、进料单元、混料单元、打印单元和固化单元；所述储料单元、进料单元、混料单元、打印单元和固化单元均设置在所述并联臂打印机构上；所述储料单元包括储料盒，所述储料盒包括N个独立存储不同组分的区域；所述进料单元包括进液管和蠕动泵，所述进液管包括进液端和进液管路；其中，进液端的头部分别置于不同的组分区，通过管路与蠕动泵的进液口连接，实现原基液态组分的抽取；所述蠕动泵的出液口通过管路与混液单元连接。所述混料单元包括电动搅拌器、真空泵、真空搅拌室；优选地，电动搅拌器置于并联臂打印机构的框架顶部，搅拌头位于真空搅拌室内；真空泵置于真空搅拌室外侧，通过管路与搅拌室内部相连；真空搅拌室出口处经由电磁阀与胶液流体管路的一端相连接，以控制混合胶液的流出；胶液流体管路的另一端与打印单元连接。根据本专利技术的实施方案，N选自2以上的整数，例如可以为2、3、4或5。根据本专利技术的实施方案，每一个进液管优选为由进液端和管路结合而成的管体，例如一体成型的管体。本领域技术人员应当理解，当所述管路用于传输或输送流体时，所述管路为流体管路，例如胶液流体管路。根据本专利技术的实施方案，所述并联臂打印机构包括框架、三对并联臂、三个滑轮组和三个步进电机。根据本专利技术的实施方案，所述框架包括三根支撑立柱、横梁和接角件，所述三根支撑立柱呈120°对称分布，所述支撑立柱利用接角件与横梁相连接。根据本专利技术的实施方案，所述框架的材质为合金，例如铝合金。根据本专利技术的实施方案，每个并联臂各自独立地包括第一连杆和第二连杆；优选地，第一连杆和第二连杆不交叉且不相互接触；优选地，第一连杆和第二连杆平行。优选地，所述第一连杆和第二连杆的材质为碳纤维。根据本专利技术的实施方案，每个步进电机对应一个滑轮组，每个滑轮组对应一对并联臂，由步进电机和滑轮组共同致动并联臂。根据本专利技术的实施方案，所述滑轮组和步进电机均设置在框架上。根据本专利技术的实施方案，所述进料单元中的蠕动泵优选设置在储料盒与混料单元之间，用于将料液从储料盒内抽取至混液单元。根据本专利技术的实施方案，所述储料盒设置在框架顶端的中间位置处。优选地，所述储料盒的中间设置通孔，便于各个进液端置于对应的料液区内。根据本专利技术示例性的实施方案，所述进料单元可以包括N个进液管与N个蠕动泵的组合。优选地，所述进液管和蠕动泵的数量与储料盒中组分的数量相同，以使每一个蠕动泵分别控制一个组分的进料。根据本专利技术的实施方案，所述进料单元还包括蠕动泵固定座，所述蠕动泵固定座设置在框架上，用于放置蠕动泵。根据本专利技术的实施方案，所述混料单元包括真空搅拌室、真空泵、电动搅拌器。其中，液态组分在真空搅拌室混合，电动搅拌器高速搅拌使多组分原基材料充分混合，然后通过真空泵实现真空搅拌室的真空环境，对混合液体进行真空脱泡。根据本专利技术的实施方案，所述混料单元还包括真空泵固定座，所述真空泵固定座设置在真空搅拌室一侧，用于放置真空泵。根据本专利技术的实施方案，所述真空搅拌室还包括电磁阀，电磁阀安装于真空搅拌室底部的出口处，控制混合胶液流出。根据本专利技术的实施方案，所述打印单元包括热端、打印喷头及打印喷头固定座；打印喷头包括胶液流动加注器及喷嘴。所述喷头的一端经由胶液流体管路与真空搅拌室的出口连接，经胶液流动加注器的螺旋状槽道对混合胶液进行进一步混匀与除泡；所述热端设置于喷头外壁，位于胶液流动加注器的末端，从而对混合料液进行预固化，降低料液的流动性；所述喷头组件及热端固定在喷嘴固定座上。根据本专利技术的实施方案，所述第一连杆的一端与第二连杆的一端分别设置在对应的滑轮组的滑轮的左右两侧，所述第一连杆的另一端与第二连杆的另一端相邻地设置在所述喷头固定座的并联臂安装点上。根据本专利技术的实施方案，所述固化单元包括热床，热床设置在打印单元的下方。优选地，所述热床包括载物台和加热元件，利用加热元件对从喷嘴中挤出的预固化物进行加热，使其在较短时间内固化。根据本专利技术的实施方案，所述4D打印装置还包括控制器和与控制器连接的操控面板。其中，所述控制器可以选自本领域已知型号、功能的控制器。例如，所述控制器分别与步进电机、蠕动泵、真空泵、电动搅拌器、热端、热床中的相关元件等连接。根据本专利技术示例性的方案，所述4D打印装置包括：并联臂打印机构、储料单元、进料单元、混料单元、打印单元和固化单元；所述储料单元、进料单元、混料单元、打印单元和固化单元均设置在所述并联臂打印机构上；所述储料单元包括双组本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种4D打印装置，所述装置包括：并联臂打印机构、储料单元、进料单元、混料单元、打印单元和固化单元；所述储料单元、进料单元、混料单元、打印单元和固化单元均设置在所述并联臂打印机构上；/n所述储料单元包括储料盒，所述储料盒包括N个独立存储不同组分的区域；/n所述进料单元包括进液管和蠕动泵，所述进液管包括进液端和进液管路；其中，进液端的头部分别置于不同的组分区，通过管路与蠕动泵的进液口连接，实现原基液态组分的抽取；/n所述蠕动泵的出液口通过管路与混液单元连接；/nN选自2以上的整数。/n

【技术特征摘要】
1.一种4D打印装置，所述装置包括：并联臂打印机构、储料单元、进料单元、混料单元、打印单元和固化单元；所述储料单元、进料单元、混料单元、打印单元和固化单元均设置在所述并联臂打印机构上；
所述储料单元包括储料盒，所述储料盒包括N个独立存储不同组分的区域；
所述进料单元包括进液管和蠕动泵，所述进液管包括进液端和进液管路；其中，进液端的头部分别置于不同的组分区，通过管路与蠕动泵的进液口连接，实现原基液态组分的抽取；
所述蠕动泵的出液口通过管路与混液单元连接；
N选自2以上的整数。


2.根据权利要求1所述的4D打印装置，其特征在于，所述混料单元包括电动搅拌器、真空泵、真空搅拌室；优选地，电动搅拌器置于框架顶部，搅拌头位于真空搅拌室内；真空泵置于真空搅拌室外侧，通过管路与搅拌室内部相连；真空搅拌室出口处经由电磁阀与胶液流体管路的一端相连接，以控制混合胶液的流出；胶液流体管路的另一端与打印单元连接。


3.根据权利要求1或2所述的4D打印装置，其特征在于，所述并联臂打印机构包括框架、三对并联臂、三个滑轮组和三个步进电机。


4.根据权利要求1-3任一项所述的4D打印装置，其特征在于，所述进料单元中的蠕动泵设置在储料盒与混料单元之间，用于将料液从储料盒内抽取至混液单元；
优选地，所述储料盒设置在框架顶端的中间位置处；
优选地，所述进料单元可以包括N个进液管与N个蠕动泵的组合。


5.根据权利要求1-4任一项所述的4D打印装置，其特征在于，所述真空搅拌室还包括电磁阀，电磁阀安装于真空搅拌室底部的出口处，控制混合胶液流出。


6.根据权利要求1-5任一项所述的4D打印装置，其特征在于，所述打印单元包括热端、打印喷头及打印喷头固定座；打印喷头包括胶液流动加注器及喷嘴。所述喷头的一端经由胶液流体管路与真空搅拌室的出口连接，经胶液流动加注器的螺旋状槽道对混合胶液进行进一步混匀与除泡；所述热端设置于喷头外壁，位于胶液流动加注器的末端，从而对混合料液进行预固化，降低料液的流动性；所述喷头组件及热端固定在喷嘴固定座上。


7.根据权利要求1-6任...

【专利技术属性】
技术研发人员：司靓，
申请(专利权)人：司靓，
类型：发明
国别省市：北京;11