一种基于4D打印的复合材料螺旋弹簧内模的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种基于4D打印的复合材料螺旋弹簧内模的制备方法，包括如下步骤：1)，建立内模的三维模型；2)，打印智能变形件：以水凝胶为原材料进行4D打印；在端头圆截面与中部大直径圆截面打印一层复合半透膜；以热敏材料为原材料在半透膜往内的一层打印出阀门；在除圆截面外的表面涂上一层保温防水材料；3)，制备内模：设置一个盛有水且能均匀加热的容器，将打印出的智能变形件放入容器中直至吸水达到平衡，取出内模；4)，通过盐水的外部激励进行脱模：将用于成型后的内模放入盛有盐水容器中，内模不断收缩，最终失水至小于螺旋弹簧最小直径且达到平衡，成功脱模。本发明专利技术制得的内模能够方便螺旋弹簧的成型和脱模，且能够快速循环利用。利用。利用。

【技术实现步骤摘要】
一种基于4D打印的复合材料螺旋弹簧内模的制备方法


[0001]本专利技术涉及一种模具的制备方法，具体涉及一种基于4D打印的复合材料螺旋弹簧内模的制备方法，属于模具


技术介绍

[0002]3D打印技术是于20世纪90年代被提出的一种快速成型技术。而随着3D打印技术和智能材料领域的发展，4D打印技术应运而生，为实现打印构件的智能化，降低设计复杂度等提供了新的解决思路。4D打印技术结合智能材料系统，在3D打印技术的基础上增加了时间维度，在外界条件发生特定的改变时，打印的物体会随着时间推移产生预先设计的形状变化或其它物理属性的改变，以达到智能化快速成型。
[0003]近年来，复合材料螺旋弹簧以其高比模量、高比强度、可设计性强、密度小、疲劳性能好、耐腐蚀等钢制弹簧无法比拟的优点，在汽车零部件中已经被广泛使用。但是由于螺旋弹簧呈现出螺旋阶梯式的形状，其制备的难度也大大提升了，尤其是纤维增强复合材料螺旋弹簧的成型及脱模是其制备的主要难题。每个弹簧的制备都需要熔化一个模具，成本较高，机械化程度低，很难达到复合材料螺旋弹簧的快速量产。
[0004]因此，为解决上述技术问题，确有必要提供一种创新的基于4D打印的复合材料螺旋弹簧内模的制备方法，以克服现有技术中的所述缺陷。

技术实现思路

[0005]为解决上述问题，本专利技术的目的在于提供一种智能化，高效化的基于4D打印的复合材料螺旋弹簧内模的制备方法，其制得的内模能够方便螺旋弹簧的成型和脱模，且能够快速循环利用。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：一种基于4D打印的复合材料螺旋弹簧内模的制备方法，其包括如下工艺步骤：
[0007]1)，建立内模的三维模型：根据预设的变形过程及其功能，对三维模型划分区域，即模型划分成两部分，分别是端头部分及中部大直径部分；端头部分按圆截面方向由表而内划分为三个区域，分别是半透膜、热敏材料和水凝胶；
[0008]2)，打印智能变形件：设置所述端头与中部大直径部分、三个区域的打印参数，以水凝胶为原材料，分别对端头部分及中间大直径部分进行4D打印；在端头圆截面与中部大直径圆截面打印一层仅能通过水分子的复合半透膜，作为第一道阀门；以热敏材料为原材料在半透膜往内的一层打印出第二道阀门；最后在除圆截面外的表面涂上一层保温防水材料；
[0009]3)，在外部激励下，制备内模：设置一个盛有水且能均匀加热的容器，将打印出的智能变形件放入容器中直至吸水达到平衡，取出内模，用于螺旋弹簧成型；
[0010]4)，通过盐水的外部激励进行脱模：将用于成型后的内模放入盛有盐水容器中，内模不断收缩，最终失水至小于螺旋弹簧最小直径且达到平衡，成功脱模。
[0011]本专利技术的基于4D打印的复合材料螺旋弹簧内模的制备方法进一步为：所述步骤2)中，水凝胶具体为碳纳米管复合水凝胶；所述复合半透膜采用芳香族聚酰胺与醋酸纤维素复合而成的复合半透膜；所述热敏材料采用陶瓷。
[0012]本专利技术的基于4D打印的复合材料螺旋弹簧内模的制备方法进一步为：所述步骤2)中，打印智能变形件时，按照以中心为原点、直径发散的方式，根据直径方向所需的长度调控水凝胶中亲水材料与疏水材料含量的比例，打印出小长管；其中，端头部分的亲水材料含量为a，中部大直径部分的亲水材料含量为b，亲水材料含量满足a/b＝Va/Vb，Va为端头部分体积，Vb为中间大直径部分体积。
[0013]本专利技术的基于4D打印的复合材料螺旋弹簧内模的制备方法进一步为：中部大直径部分的水凝胶中亲水材料含量大于端头部分，使接收水激励后，中间大直径部分膨胀大于端头部分。
[0014]本专利技术的基于4D打印的复合材料螺旋弹簧内模的制备方法进一步为：所述步骤3)具体为：将智能变形件放入10
°
～50
°
范围之间的水中，热敏材料收缩，空隙出现，水凝胶吸水膨胀直到达到平衡；再将水温度慢慢升高至60度以上，直至热敏材料膨胀将空隙堵住。
[0015]本专利技术的基于4D打印的复合材料螺旋弹簧内模的制备方法进一步为：步骤3)的内模取出后，继续将内模设置有陶瓷部分的截面烘烤20分钟，使陶瓷膨胀至完全堵住空隙。
[0016]本专利技术的基于4D打印的复合材料螺旋弹簧内模的制备方法进一步为：将步骤3)制得的内模在除圆截面外的表面再涂上一层保温防水材料。
[0017]本专利技术的基于4D打印的复合材料螺旋弹簧内模的制备方法进一步为：所述保温防水材料具体油毡或油毛毡。
[0018]本专利技术的基于4D打印的复合材料螺旋弹簧内模的制备方法进一步为：所述步骤4)中，盐水采用为质量分数为取值在10％～35％之间的NaCl溶液，温度范围在10
°
～50
°
内。
[0019]本专利技术的基于4D打印的复合材料螺旋弹簧内模的制备方法还为：将脱模后的内模放入水容器中浸泡，进行步骤3)，使内模又能用于螺旋弹簧的成型。
[0020]与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：
[0021]1.本专利技术的基于4D打印的复合材料螺旋弹簧内模的制备方法使用的碳纳米管复合水凝胶在拥有极佳的力学性能同时还具有很好的溶胀性能，在吸水后膨胀可用于螺旋弹簧的成型，当失水后收缩，可方便快速脱模。
[0022]2.本专利技术制得的内模能够快速循环利用，解决了现有技术做一个螺旋弹簧就要融化一个内模的问题，能够完全解决复合材料螺旋弹簧的量产问题。
【附图说明】
[0023]图1是本专利技术的基于4D打印的复合材料螺旋弹簧内模的制备方法的流程示意图。
[0024]图2是本专利技术的复合材料螺旋弹簧内模的结构示意图。
[0025]图3是本专利技术的复合材料螺旋弹簧内模的剖面图。
[0026]图4是本专利技术步骤2)打印出来的智能变形件的示意图。
[0027]图5是本专利技术步骤2)的打印方式示意图。
[0028]图6是本专利技术步骤3)的内模上涂保温防水材料的区域示意图。
[0029]图7是本专利技术步骤3)的智能变形件在水与温度的复合激励下吸水达到平衡的示意
图。
[0030]图8是本专利技术步骤4)的智能变形件在盛有低温盐水的容器激励下达到平衡后的示意图。
[0031]图9是本专利技术的复合材料螺旋弹簧内模在外部激励下变形过程示意图。
【具体实施方式】
[0032]请参阅说明书附图1至附图9所示，本专利技术为一种基于4D打印的复合材料螺旋弹簧内模的制备方法。其中，复合材料螺旋弹簧内模是一个表面带螺旋凹槽形状的，由中间一个大圆柱与两端两个小圆柱组合而成的柱状体，其凹槽形状与螺旋弹簧的螺纹一致，可将螺旋弹簧按照凹槽形状缠绕在内膜上，用于螺旋弹簧成型。
[0033]所述基于4D打印的复合材料螺旋弹簧内模的制备方法包括如下工艺步骤：
[0034]1)，建立内模的三维模型：根据预设的变形过程及其功能，对三维模型划分区域，即模型划分成两部分，分别是端头部分及中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于4D打印的复合材料螺旋弹簧内模的制备方法，其特征在于：包括如下工艺步骤：1)，建立内模的三维模型：根据预设的变形过程及其功能，对三维模型划分区域，即模型划分成两部分，分别是端头部分及中部大直径部分；端头部分按圆截面方向由表而内划分为三个区域，分别是半透膜、热敏材料和水凝胶；2)，打印智能变形件：设置所述端头与中部大直径部分、三个区域的打印参数，以水凝胶为原材料，分别对端头部分及中间大直径部分进行4D打印；在端头圆截面与中部大直径圆截面打印一层仅能通过水分子的复合半透膜，作为第一道阀门；以热敏材料为原材料在半透膜往内的一层打印出第二道阀门；最后在除圆截面外的表面涂上一层保温防水材料；3)，在外部激励下，制备内模：设置一个盛有水且能均匀加热的容器，将打印出的智能变形件放入容器中直至吸水达到平衡，取出内模，用于螺旋弹簧成型；4)，通过盐水的外部激励进行脱模：将用于成型后的内模放入盛有盐水容器中，内模不断收缩，最终失水至小于螺旋弹簧最小直径且达到平衡，成功脱模。2.如权利要求1所述的基于4D打印的复合材料螺旋弹簧内模的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中，水凝胶具体为碳纳米管复合水凝胶；所述复合半透膜采用芳香族聚酰胺与醋酸纤维素复合而成的复合半透膜；所述热敏材料采用陶瓷。3.如权利要求2所述的基于4D打印的复合材料螺旋弹簧内模的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中，打印智能变形件时，按照以中心为原点、直径发散的方式，根据直径方向所需的长度调控水凝胶中亲水材料与疏水材料含量的比例，打印出小长管；其中，端头部分的亲水材料含量为a，中部大直径部分的亲水材料含量为b，亲水材料含量满足a/...

【专利技术属性】
技术研发人员：柯俊，刘冰琪，汪燚，
申请(专利权)人：浙江理工大学，
类型：发明
国别省市：