一种基于4D打印的自组装智能结构及其制备方法和装配方法组成比例

本发明专利技术公开了一种基于4D打印的自组装智能结构及其制备方法和装配方法。根据被装配件的螺纹特征参数，确定需要制备的智能结构的螺旋变形目标；确定满足螺旋变形目标的智能结构设计参数值和3D打印工艺参数值；3D打印制备智能结构；然后在外场激励下发生螺旋变形，达到螺旋变形目标的螺旋三维空间构型，获得螺旋变形的智能结构；智能结构的螺旋形态和被装配件的螺纹孔的螺旋形态吻合一致并嵌装入，同时通过智能结构的螺旋变形带动被装配件的移动实现被装配件的装配。通过本发明专利技术，获得的产品对外界温度激励即时响应，不需要施加外力，即可实现被装配件的螺纹连接组装，同时，不受空间复杂性的限制。复杂性的限制。复杂性的限制。

【技术实现步骤摘要】
一种基于4D打印的自组装智能结构及其制备方法和装配方法


[0001]本专利技术属于增材制造
的一种4D打印产品和方法，更具体地，具体涉及一种基于4D打印的自组装智能结构及其制备方法和装配方法。

技术介绍

[0002]4D打印是在3D打印的基础上增加了时间维度，将变形设计内置于3D打印制备的智能结构中，在外界的激励下智能结构的功能、形状、性质能够随着时间推移进行演变，不需要施加外力，即可实现自组装。
[0003]4D打印一般由两种实现形式：(1)采取不同材料构成工件的多层结构，通过磁、热、电等激发手段，经由工件两层不同的应变响应，达成预想的变形效果。(2)采取一种材料构成工件整体，通过设计3D打印过程中的参数，改变在同等刺激下的上下层的应变响应程度，达成4D打印变形效果。
[0004]目前，4D打印整体还处于实验室探索阶段。由于智能结构的4D打印结构涉及多种材料、多种材料排布，且目前专门针对多材料、大变形、多耦合的数值模型与仿真软件研究较少，使得外部激励难以对智能结构的变形进行精确控制，例如螺旋变形中弯曲结构的弯曲曲率，螺旋结构的螺旋半径和螺距等变形无法精确控制，导致4D打印的智能结构自组装等性能不稳定，极大程度限制了4D打印在实际工程项目中推广与使用。

技术实现思路

[0005]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4D打印的自组装智能结构及其制备方法和装配方法，实现了自组装装配，获得的产品对外界温度激励即时响应，不需要施加外力，即可实现被装配件的螺纹连接组装，同时，不受空间复杂性的限制。
[0006]为实现上述目的，本专利技术的技术方案包括：
[0007]一、一种基于4D打印的自组装智能结构的制备方法，方法包括以下步骤：
[0008](1)根据被装配件的螺纹孔的螺旋半径r、螺距p和旋向，确定需要制备的智能结构的螺旋变形目标；
[0009](2)确定满足螺旋变形目标的智能结构设计参数值和3D打印工艺参数值；
[0010](3)选取形状记忆聚合物作为原料，采用熔融沉积3D打印制备未变形的智能结构，然后在外场激励下发生螺旋变形获得螺旋变形的智能结构。
[0011]所述的被装配件带有内螺纹孔或者内螺纹结构。
[0012]在步骤(1)中，所述智能结构的螺旋变形目标包括螺旋的高斯曲率、螺旋升角和旋向。
[0013]其中，高斯曲率
[0014]其中，r表示被装配件的螺纹孔的螺旋半径，p表示被装配件的螺纹孔的螺距。
[0015]螺旋升角
[0016]旋向为左旋、右旋。
[0017]所述的智能结构在竖直于打印平面上自上而下分为两层，分别为变形基本层和变形增强层，变形基本层和变形增强层均分为多个打印分层，变形基本层/变形增强层中的每个打印分层的材料排布方式都相同；
[0018]如图1所示，所述的变形基本层中的每个打印分层的材料排布方式采用正弦线平行排列，各个正弦线沿智能结构的长度方向紧密排布，正弦线之间没有间隙，打印时采用S形方式路径经过各个正弦线进行打印；
[0019]如图2所示，所述的变形增强层中的每个打印分层的材料排布方式采用直线平行排列，各个直线沿智能结构的长度方向紧密排布，直线之间没有间隙，打印时采用S形方式路径经过各个直线进行打印。
[0020]所述的熔融沉积3D打印采用从下往上方式进行打印变形基本层和变形增强层的整体，且变形基本层和变形增强层中的每个打印分层也是从下往上重复层叠打印完成。
[0021]在步骤(2)中，所述的智能结构设计参数值包括：智能结构的长度l和宽度w、变形基本层的厚度t1、变形增强层的厚度t2、变形基本层中每个打印分的材料排布角度a1、变形增强层每个打印分的材料排布角度a2。
[0022]所述的智能结构的长度l为50
‑
70mm、宽度w为6.0
‑
9.0mm、变形基本层厚度t1为0.5
‑
1.0mm、变形增强层厚度t2为0.5
‑
1.0mm。
[0023]所述的智能结构的变形基本层材料排布角度a1为正弦线的中线方向与智能结构的长边之间的夹角，变形基本层材料排布角度a1为0
°
。
[0024]所述的智能结构的变形增强层材料排布角度a2为直线方向与智能结构的长边之间的夹角，变形增强层材料排布角度a2为(
‑
90)
‑
90
°
。
[0025]在步骤(3)中，所述的3D打印工艺参数值包括：打印线宽wl、打印层高h、打印喷嘴温度tn。
[0026]具体实施中，所述的打印线宽wl为0.25
‑
0.8mm，打印层高h为50
‑
200μm，打印喷嘴温度tn为195
‑
220℃。
[0027]在步骤(3)中，所述的外场刺激采用温度激励，温度高于形状记忆聚合物的玻璃态转化温度20
‑
30℃。
[0028]二、所述制备方法得到的自组装智能结构。
[0029]三、智能结构的自组装装配方法：
[0030]将所述未变形的智能结构穿设在被装配件的螺纹孔中，然后再在外场激励下发生螺旋变形形成螺旋状态的智能结构，智能结构的螺旋形态和被装配件的螺纹孔的螺旋形态吻合一致并嵌装入，同时通过智能结构的螺旋变形带动被装配件的移动实现被装配件的装配。
[0031]所述未变形的智能结构的两端分别套装在两个需相互装配的零件的螺纹孔中，然后再在外场激励下发生螺旋变形形成螺旋状态的智能结构，智能结构的螺旋形态和两个零
件的螺纹孔的螺旋槽形态吻合一致，智能结构的两端分别嵌装入两个零件的螺纹孔的螺旋槽中形成同轴配合连接，同时通过智能结构的螺旋变形缩短带动两个零件之间的间距缩短进而实现了两个零件之间的连接装配。
[0032]本专利技术根据被装配件的螺纹特征参数，确定需要制备的智能结构的螺旋变形目标；确定满足螺旋变形目标的智能结构设计参数值和3D打印工艺参数值；选取形状记忆聚合物作为原料，采用熔融沉积3D打印技术制备智能结构；3D打印制备的智能结构，在外场激励下发生螺旋变形，最终达到螺旋变形目标的螺旋三维空间构型，获得螺旋变形的智能结构。
[0033]本专利技术的智能结构是指具有通过激励实现自身变形的功能。
[0034]总体而言，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：
[0035]1、本专利技术采用形状记忆聚合物作为原料，考虑智能结构的螺旋变形目标、智能结构设计参数、3D打印工艺参数和温度激励的激发温度等信息，实现复杂智能变形结构的快速制造，简化了智能结构产品的设计、制造和装配工艺；
[0036]2、本专利技术通过采用4D打印技术加工智能材料，制备的智能结构，在外场激励下发生螺旋变形，最终达到螺旋变形目标的螺旋三维空间构型，获得螺旋变形的智能结构，同时，成型过程不受结构复杂性本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于4D打印的自组装智能结构的制备方法，其特征在于方法包括以下步骤：(1)根据被装配件的螺纹孔的螺旋半径r、螺距p和旋向，确定需要制备的智能结构的螺旋变形目标；(2)确定满足螺旋变形目标的智能结构设计参数值和3D打印工艺参数值；(3)选取形状记忆聚合物作为原料，采用熔融沉积3D打印制备未变形的智能结构，然后在外场激励下发生螺旋变形获得螺旋变形的智能结构。2.根据权利要求1所述的一种具有自组装功能的智能结构的4D打印方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述智能结构的螺旋变形目标包括螺旋的高斯曲率、螺旋升角和旋向。3.根据权利要求1所述的一种基于4D打印的自组装智能结构的制备方法，其特征在于：所述的智能结构在竖直于打印平面上自上而下分为两层，分别为变形基本层和变形增强层，变形基本层和变形增强层均分为多个打印分层，变形基本层/变形增强层中的每个打印分层的材料排布方式都相同；所述的变形基本层中的每个打印分层的材料排布方式采用正弦线平行排列，各个正弦线沿智能结构的长度方向紧密排布，打印时采用S形方式路径经过各个正弦线进行打印；所述的变形增强层中的每个打印分层的材料排布方式采用直线平行排列，各个直线沿智能结构的长度方向紧密排布，打印时采用S形方式路径经过各个直线进行打印。4.根据权利要求3所述的一种基于4D打印的自组装智能结构的制备方法，其特征在于：所述的熔融沉积3D打印采用从下往上方式进行打印变形基本层和变形增强层的整体，且变形基本层和变形增强层中的每个打印分层也是从下往上重复层叠打印完成。5.根据权利要求1所述的一种基于4D打印的自组装智能...

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