一种面向曲面IPMC的4D打印方法技术

本发明专利技术公开了一种面向曲面IPMC的4D打印方法，设计曲面IPMC的三维曲面智能结构，进行变形仿真，使运动达到设计目标；根据IPMC的曲面智能结构设计可控温的共形基体；掺杂多壁碳纳米管和高沸点溶剂的Nafion作打印墨水；利用可实现三维运动的平台通过直写打印方式将打印墨水打印在曲面智能结构的共形基体上；利用化学镀方法将曲面智能结构镀电极，对曲面智能结构的变形进行功能验证。本发明专利技术克服了目前离子驱动材料的4D打印空间成型能力的难题，利用4D打印技术，设计出合适的曲面智能结构，可实现空间任意维度的变形，适用于复杂曲面结构的IPMC一体化制备，从而在柔性驱动，仿生机器人等领域有着重要的应用潜力。等领域有着重要的应用潜力。等领域有着重要的应用潜力。

【技术实现步骤摘要】
一种面向曲面IPMC的4D打印方法


[0001]本专利技术属于增材制造
，具体涉及一种面向曲面IPMC的4D打印方法。

技术介绍

[0002]离子聚合物
‑
金属复合材料(Ionic Polymer
‑
Metal Composites,IPMC)具有驱动电压低、柔性好、无噪音、质量轻、结构简单以及适合在水环境下工作等优点，成为未来机械、材料科学等研究的重点。虽然IPMC相较传统驱动器具有诸多技术优势，但是现有工艺大多数是通过铸膜传统工艺进行得到离子交换膜，后续通过其他工艺镀电极，得到的IPMC属于平面结构，这极大限制了IPMC的广泛应用。
[0003]4D打印是指用可编程物质(通常为智能复合材料)作为打印材料，通过3D打印的方式打印出三维物体。在预定的激励或刺激(光、磁、水、电等)下，其物理属性或功能随着时间的变化产生变化，该技术的发展，将可以实现智能化材料的制造以及智能驱动器件的进一步走向应用。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种面向曲面IPMC的4D打印方法，采用共形基体进行辅助成型，利用电热膜技术进行快速固化，将Nafion与高沸点溶剂、多壁碳纳米管结合起来使其满足直写打印要求，解决了Nafion成型能力弱难以制造复杂柔性机构的难题，适用于复杂曲面机构的IPMC制备，从而在柔性驱动，仿生机器人等领域有着重要的应用潜力。
[0005]本专利技术采用以下技术方案：
[0006]一种面向曲面IPMC的4D打印方法，设计曲面智能结构，采用共形基体包络曲面智能结构进行辅助成型；对Nafion溶液进行改性处理得到离子驱动打印墨水；通过直写打印方式将离子驱动打印墨水打印在曲面智能结构的共形基体上，并进行固化处理；最后使用化学镀方式将电极镀到曲面智能结构上得到曲面IPMC智能结构。
[0007]具体的，曲面智能结构的回转体半径为1～10cm，高度为1～20cm，厚度为0.015～2.50mm。
[0008]具体的，共形基体的厚度为0.01～0.2mm，控制温度60～80
°
，使用电热膜对共形基体进行加热。
[0009]进一步的，共形基体的材料选取国际铝6061、国际铝7075或未来7500高性能尼龙，电热膜的材料为聚酰亚胺、硅橡胶或石墨烯。
[0010]具体的，对Nafion溶液进行改性处理具体为：
[0011]将质量分数20％的Nafion溶液与高沸点溶剂混合后加热磁力搅拌至Nafion溶液的浓度为25％～30％，然后与多壁碳纳米管混合进行超声分散，搅拌均匀成粘状的离子驱动打印墨水。
[0012]进一步的，Nafion溶液与高沸点溶剂的质量比为1：(0.25～1)，Nafion溶液与多壁
碳纳米管的质量比为1：(0.002～0.01)，超声分散的时间为1～2h，搅拌速度为600～2000rpm。
[0013]进一步的，高沸点溶剂为二甲基乙酰胺或二甲基甲酰胺，多壁碳纳米管的长度>0.5μm，多壁碳纳米管的管径长度>10nm。
[0014]具体的，直写打印方式具体为：
[0015]控制温度在60～80
°
加热共形基体结构；调节打印参数；使挤出丝附着在曲面智能结构上，打印离子驱动层。
[0016]进一步的，打印参数具体为：
[0017]喷头距离曲面智能结构的法向距离为0.1～0.2mm，离子驱动墨水的挤出气压为0.3～0.5Mpa，扫描速度为3～10mm/s。
[0018]具体的，固化处理的温度为60～80
°
，固化成型后升温至130
°
，并加热2～4h。
[0019]与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：
[0020]本专利技术一种面向曲面IPMC的4D打印方法，可实现面向IPMC的满足回转体特性的曲面智能结构进行打印，利用改性的Nafion溶液作打印墨水，通过直写打印方式将打印墨水打印在智能结构的共形基体上，通过对共形基体进行辅助加热成型得到离子驱动基体，后续通过化学镀将电极镀在驱动基体上，从而得到IPMC曲面智能结构。基本原理是通过添加多壁碳纳米管和高沸点溶剂对Nafion得到离子驱动墨水，使其流变性满足直写打印要求，并将机械臂的运动特性与直写打印技术结合，并辅之以可加热曲面智能结构，可实现曲面打印IPMC，实现Nafion复杂结构成型。
[0021]进一步的，曲面智能结构应满足回转体特性，其回转体半径范围为1～10cm，高度为1～20cm，且曲面智能结构厚度为0.015～2.50mm，可实现空间任意方向的运动。
[0022]进一步的，共形基体包络曲面智能结构，共形基体厚度为0.01～02mm，温度控制范围60～80
°
，通过调节合适的温度，可辅助打印丝径固化成型，从而提高打印精度，提升成型能力。
[0023]进一步的，曲面智能结构材料选用国际铝6061、国际铝7075或未来7500高性能尼龙，均传热效果好，电热膜材料为聚酰亚胺、硅橡胶或石墨烯，温度均可调控，两者结合可实现曲面智能结构的整体加热，且温度可调，实现打印线条在曲面智能结构上的固化成型。
[0024]进一步的，通过向Nafion溶液添加高沸点溶剂进行混合，可防止在打印过程中Nafion丝线因过热而断丝，又向Nafion溶液添加多壁碳纳米管，可对Nafion溶液的流变性进行调控，使流变性满足直写打印要求。
[0025]进一步的，Nafion溶液与高沸点溶剂的质量比为1：(0.25～1)，在不改变Nafion溶液的前提下使提升其沸点，Nafion溶液与多壁碳纳米管的质量比为1：(0.002～0.01)，从而改善Nafion溶液流变性，通过超声分散1～2h，再以600～2000rpm的速度搅拌，使得多壁碳纳米管均匀分散在Nafion溶液中。
[0026]进一步的，本专利技术的离子驱动打印墨水，电极打印墨水具有剪切变稀性质，并且其粘度与模量能够满足在曲面上打印成型的要求，选用长度>0.5um，管径长度>10nm的多壁碳纳米管可实现溶液的增稠效果，调节多壁碳纳米管的比例可调节离子打印墨水的粘度，便于打印时实现墨水自举。
[0027]进一步的，选择开放程度高、打印不受前体的种类、颗粒尺寸、表面形貌限制的直
写打印的方法将材料叠层累积，打印过程可控，精度高。
[0028]进一步的，离子驱动墨水的挤出气压为0.3～0.5Mpa，扫描速度为3～10mm/s，喷头离曲面智能结构的法向距离为0.1～0.2mm，能够保证电极的打印线条出丝稳定且均匀。
[0029]进一步的，后期固化处理的温度为60～80
°
，固化成型后升温至130
°
，并加热2～4h，不仅缓解了智能曲面结构的内应力，还可使内部微结构之间的结合力得到增强。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向曲面IPMC的4D打印方法，其特征在于，设计曲面智能结构，采用共形基体包络曲面智能结构进行辅助成型；对Nafion溶液进行改性处理得到离子驱动打印墨水；通过直写打印方式将离子驱动打印墨水打印在曲面智能结构的共形基体上，并进行固化处理；最后使用化学镀方式将电极镀到曲面智能结构上得到曲面IPMC智能结构。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，曲面智能结构的回转体半径为1～10cm，高度为1～20cm，厚度为0.015～2.50mm。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，共形基体的厚度为0.01～0.2mm，控制温度60～80
°
，使用电热膜对共形基体进行加热。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，共形基体的材料选取国际铝6061、国际铝7075或未来7500高性能尼龙，电热膜的材料为聚酰亚胺、硅橡胶或石墨烯。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对Nafion溶液进行改性处理具体为：将质量分数20％的Nafion溶液与高沸点溶剂混合后加热磁力搅拌至Nafion溶液的浓度为25％～30％，然后与多壁碳纳米管混合进行超声分散，搅拌均匀...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱子才，崔宇航，程随军，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：