一种基于3D打印技术制备可气动变形的多层薄膜材料的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于3D打印技术制备可气动变形的多层薄膜材料的方法。首先，此方法允许用户在2D矢量图形绘制软件中设计作为热压的图案，并通过3D软件将其转码为3D打印机特有的gcode文件类型。其次，使用增材制造的方法，通过3D打印机的挤出头按照预设的图形轨迹，对不同层数的TPU薄膜材料进行热压，即可得到可气动变形的多层薄膜材料。本发明专利技术拓展了3D打印的应用范围，改变了传统3D打印机的使用方式，使用增材制作的方式，拓展了3D打印材料的属性。此外，由于充气与TPU材料的特有属性，轻便，占有体积小，此发明专利技术适合应用于快递包装、柔性制动装置。从变形方式上来看，只需要一个充气口，就可以实现二维空间向三维空间的充气变形。形。形。

【技术实现步骤摘要】
一种基于3D打印技术制备可气动变形的多层薄膜材料的方法


[0001]本专利技术属于3D打印技术、气动变形、多层薄膜材料
，涉及多层薄膜材料在气动驱动下的变形机制，尤其涉及一种基于3D打印技术制备可气动变形的多层薄膜材料的方法。

技术介绍

[0002]近年来，气动变形在人机交互领域(HCI)中引发了越来越多的关注。气动驱动为柔性界面提供了更多的变形空间，例如弯曲、伸展、收缩、扭曲等。通过限制法创造柔性变形是一种常见的方式。有研究在气动驱动的弹性材料外侧套用了一个含有不同方向和长度的狭缝的无弹性外壳，来改变弹性材料充气后的弯曲方向。也有研究利用材料热熔的特性，引入热封的机制，通过可编程的图案限制包括纸、塑料和织物在内的弱弹性材料的充气变形行为。这种变形机制的优势在于多样性，利用现有的材料，通过改变约束的基础状态，即可创造出多种多样的形变。
[0003]另一种创造柔性变形的方式为构建法。这种气动驱动装置由两部分组成，分别为可变形的部分和不可变形的部分。在气体或其他外部压力的作用下，由于上下两部分的应力差，从而产生变形。有研究通过注塑的方法，在可变形的部分创造气腔，并通过改变充气的压力与速率创造了模拟人手进行弹钢琴的柔性制动器。构建法的成型速度相对较慢，但其优势在于精确性与易于复刻，适合于批量生产与制作。
[0004]本专利技术基于限制法创造气动变形界面。虽然过去的研究已经探索了众多的变形方法与限制，但是基于薄膜材料的限制仅仅停留在单个平面上，本研究将限制应用于多层薄膜材料上，通过探索立体空间上的限制，拓宽变形界面的深度与广度。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的问题是如何使用3D打印技术对多层薄膜材料进行热封限制，以达到气动驱动下的变形效果。为了解决该问题，本专利技术提出了基于3D打印技术的多层薄膜材料气动变形的方法。
[0006]本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0007]一种基于3D打印技术制备可气动变形的多层薄膜材料的方法，包括以下步骤：
[0008]1)设置3D打印机的参数，挤出头温度：130
‑
150℃，层高：1.6
‑
3.2mm；设计打印图案为菱形、方形或椭圆形；
[0009]2)在挤出机与热床之间放置一块厚度为2.5
‑
5.5mm的瓦楞纸板；然后再将薄膜状打印材料按照折纸的方式放置到3D打印机的热床上；
[0010]3)通过3D打印机的挤出机在薄膜材料表面打印步骤1)中设计的打印图案。
[0011]上述技术方案中，进一步地，所述的步骤1)中所述的挤出头温度为150℃。
[0012]进一步地，所述的步骤1)中所述的打印图案为菱形。
[0013]进一步地，所述的瓦楞纸板的厚度为4mm。
[0014]进一步地，所述薄膜状打印材料的单层厚度为0.2mm；折叠后的薄膜状打印材料的厚度范围为0.4
‑
3.2mm；当薄膜状打印材料厚度最大时，对应的层高为1.6mm。
[0015]在本专利技术中：
[0016]首先，介绍了一种多层薄膜材料的弯曲机制，包括以下内容：
[0017]1)使用3D打印机进行热封限制的基本原理。本专利技术通过3D打印机的挤出机在薄膜材料表面打印图案，在挤出头温度及挤出机与热床间产生的压力的作用下，薄膜材料热熔产生粘合。
[0018]2)薄膜材料的粘合性。温度和压力都是影响薄膜材料粘合效果的因素。本专利技术将挤出头的温度设置为130
‑
150℃。本专利技术主要关注压力带来的影响。本专利技术通过设置3D打印机的挤出机与热床之间的高度，也就是打印机参数的“层高”控制薄膜材料打印时的压力。需要注意的是，在挤出机与热床之间放置有4mm厚的A级三层瓦楞纸板(其作用是在热封时提供足够的负载力，使多层薄膜材料能够牢牢地粘连在一起)。通过测试，可以得到有关“层高”与薄膜层数的相关数据。
[0019]3)薄膜材料的弯曲方向。充气后，薄膜材料向热封的一侧弯曲。在本专利技术中，挤出机与薄膜材料接触的面为热封侧。
[0020]4)薄膜材料的变形方式。热封的图案组合创造了各种各样的变形方式。在本专利技术中以条形基材为基础，展示了薄膜材料左右弯曲、上下弯曲、波浪形弯曲以及卷曲的热封图案组合，并且展示了其充气变形后的形态。
[0021]其次，介绍了一种基于3D打印增材制造技术制备可气动变形的多层材料薄膜材料的方法，具体包括以下步骤：
[0022]1)3D打印2D热封图案的方法。具体包括以下子步骤：
[0023]a)绘制2D矢量图，将其保存为svg格式
[0024]b)其次，将其导入三维模型软件中并将其转换为stl三维模型格式
[0025]c)最后将其转码为3D打印机专用的G
‑
code类型。
[0026]2)在3D打印软件中设置3D打印的参数。具体包括以下子步骤：
[0027]a)设置start G
‑
code。
[0028]b)设置打印参数。调节“层高”、“运行速度”、“挤出头温度”和“热床温度”的参数。
[0029]c)设置end G
‑
code。
[0030]3)3D打印机的参数设置。具体包括以下子步骤：
[0031]a)设置热床与挤出机的温度。
[0032]b)其他设置。热床上方固定有高度为4mm的硬纸板，其作用为提供足够的负载。
[0033]4)薄膜材料的折叠方法。具体包括以下子步骤：
[0034]a)本专利技术采用折叠的方式，如同折纸，沿着山形和谷形进行折叠，形成一个充气口的多个气腔。
[0035]b)将其折叠好的薄膜材料放置在热床上的硬纸板上。
[0036]5)运行程序。对多层薄膜材料进行热封限制，即可得到可气动变形的多层材料薄膜材料。
[0037]对制备的可气动变形的多层薄膜材料进行气动驱动。本专利技术使用可调节充气速率的充气装置，对热封限制后的多层薄膜材料进行充气。
[0038]本专利技术具有如下有益效果：
[0039]1.拓展了3D打印的材料使用。现如今，FDM 3D打印机的制造方式为使用耗材打印模型，在材料使用上有一定限制。而在本专利技术中，使用增材制造的方式，拓展了3D打印材料的使用，允许在现有的TPU薄膜材料上进行多种变形方式的创造，创造出柔性、有弹性、充气可变性的模型。
[0040]2.探索了多层薄膜材料粘合度的影响因素。本专利技术通过探索不同层高对不同层数的薄膜材料的粘合度的影响，得出了层高与薄膜厚度的相关数据。
[0041]3.允许立体空间上的气动变形。本专利技术拓展了气动变形的有效空间，通过在多层薄膜材料上打印热封图案，允许用户在立体空间内设计构思新的变形方式。
附图说明
[0042]图1a为双层薄膜材料在无热封限制下的完全充气状态。
[0043]图1b为双层薄膜材料在单向热封限制下的完全充气状态。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于3D打印技术制备可气动变形的多层薄膜材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)设置3D打印机的参数，挤出头温度：130
‑
150℃，层高：1.6
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3.2mm；设计打印图案为菱形、方形或椭圆形；2)在挤出机与热床之间放置一块厚度为2.5
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5.5mm的瓦楞纸板；然后再将薄膜状打印材料按照折纸的方式折叠之后放置到3D打印机的热床上；3)通过3D打印机的挤出机在薄膜材料表面打印步骤1)中设计的打印图案。2.根据权利要求1所述的基于3D打印技术制备可气动变...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵晓亮，陈佳，王冠云，张微，
申请(专利权)人：麦子工业设计台州有限公司，
类型：发明
国别省市：