一种构型可调的仿生吸能蜂窝结构的4D打印系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及智能防护领域，特别涉及一种构型可调的仿生吸能蜂窝结构的4D打印系统及方法，用于面对不同碰撞工况时可以兼顾变形与高效吸能，充分保护乘员舱或货舱完整性，有效降低乘员或货物伤害。打印装置内含双材料挤出系统、控制系统及动态成型平台，其中双材料挤出系统中的辅助磁场的材料挤出系统集成了数字化磁控系统，在打印的过程中，通过规划打印路径及施加磁场，能够在成型复杂蜂窝结构的同时获得图案化的铁磁畴图案。所获得得蜂窝结构在高频感应加热器及驱动磁场的耦合作用下，结合基体材料的动态化学特性，能够调控蜂窝材料的胞元结构及材料刚度，用于应对不同工况下的碰撞，实现主动智能防护，在交通及运输领域具有重大应用潜力。重大应用潜力。重大应用潜力。

【技术实现步骤摘要】
一种构型可调的仿生吸能蜂窝结构的4D打印系统及方法


[0001]本专利技术涉及智能防护领域，特别涉及到一种面向复杂冲击条件下构型可调的仿生吸能蜂窝结构的4D打印方法。

技术介绍

[0002]汽车预碰撞技术结合主动安全技术的环境感知功能和被动安全系统的保护功能，发生前提前优化被动安全装置，从而提升保护效果。它是结合了主动安全技术的目标检测、识别功能和被动安全装置的保护功能，利用合理的碰撞预判算法，预先判断是否会发生不可避免的碰撞，提前优化被动安全装置，实现碰撞过程中最佳防护。但包括气囊点爆算法优化及安全带预紧等在内的传统优化措施，模式单一、防护效率低，特别是汽车吸能防护装置无法根据预判碰撞情况智能调整其吸能防护刚度及吸能量。因此，迫切需要开发一种高效、智能可调吸能装置用于复杂工况下的防护吸能装置，智能应对高、中、低速条件下碰撞防护。

技术实现思路

[0003]针对现有汽车预碰撞技术中被动安全系统中汽车吸能防护装置在面对复杂碰撞情况下缺乏智能主动调谐技术等问题，本专利技术提供了一种面向复杂载荷下构型可调的仿生吸能蜂窝结构的4D打印方法。
[0004]本专利技术的突出优点利用一种智能树脂基复合材料基于磁辅助光固化3D打印技术成型一种几何外形可编程、材料性能可调的智能防护功能件。该部件会感知外部耦合磁场作用产生预定义的几何外形调整，同时在一定高温下功能件形状被固定，这种结合了材料本身力学特性调整及结构的实时编程的吸能防护功能件在应对复杂碰撞载荷情况时具有显著地吸能效果。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0006]一种构型可调的仿生吸能蜂窝结构的4D打印系统，包括：
[0007]双材料挤出系统，其用以将基体光敏树脂材料和内含有磁性增强颗粒光敏树脂前驱体材料以一定的挤出速度实时挤出，单一材料挤出系统与辅助磁场的材料挤出系统的挤出头相互配合、协同工作，将内含或不含增强颗粒的光敏树脂前驱体材料沿着一定的打印路径沉积在动态成型平台上；
[0008]控制系统，其用以控制双材料挤出系统中单一材料挤出系统及辅助磁场的材料挤出系统协同工作，实现单一光敏树脂材料和内含磁性增强颗粒的光敏树脂的适时交替挤出；控制辅助磁场的材料挤出系统中数字化磁控系统的磁场强度、工作时间及工作方式；控制动态成型平台在三维空间内的运动；控制光固化系统光强及开关时间；
[0009]动态成型平台，是3D打印装备的重要组成部分，动态成型平台可在水平平面内进行直线或曲线等任意形式的运动，并可在垂直方向进行升降运功，双材料挤出系统及动态成型平台共同工作，将带有均一磁极性颗粒的前驱体材料按需沉积在动态成型平台上，结
合动态成型平台在三维空间内的运动，实现带有图案化磁畴分布蜂窝结构的成型制造。
[0010]进一步地，所述双材料挤出系统，包括：
[0011]单一材料挤出系统，其用以将不含磁性增强颗粒的光敏树脂前驱体材料按照一定的打印路径和打印速度选择性沉积到动态成型平台上；
[0012]辅助磁场的材料挤出系统，其用以将内含磁性增强颗粒的光敏树脂前驱体材料按照一定的打印路径和打印速度选择性沉积到动态成型平台，打印过程中集成数字化磁控系统，在洛伦兹力的作用下磁性颗粒产生可控的定向组装，材料挤出沉积后颗粒磁极性仍被保留，通过改变施加磁场方向或者打印路径可以规划局部空间内的磁畴。
[0013]光固化系统，以射灯的形式集成挤出头处，光强为1000
‑
1400mW/cm2，照射距离10
‑
30mm，光斑直径为2
‑
10mm，其用以将沉积在动态成型平台上的材料进行初步固化，实现颗粒磁极性的锚定；
[0014]其中，辅助磁场的的材料挤出系统与单一材料挤出系统具有部分相同的硬件组成，包括：
[0015]超长材料挤出头，材料筒内的打印材料经超长材料挤出头挤出，其内部为中空圆柱形结构，内径0.84
‑
1.80mm，长度为20
‑
50mm；
[0016]材料筒，其下接超长材料挤出头，与材料推送器同轴安装，用以盛放打印材料；
[0017]固定支架，其用以双材料挤出系统、动态成型平台及控制系统；
[0018]材料推送器，其用以将材料筒内的打印材料挤出，经超长材料挤出头沉积在动态成型平台上；
[0019]其中，辅助磁场的的材料挤出系统与单一材料挤出系统的区别在于，辅助磁场的材料挤出系统具有数字化磁控系统，而单一材料挤出系统不具有数字化磁控系统；
[0020]其中，所述数字化磁控系统能够根据预定义的材料磁畴分布实时调控施加磁场平行或相反于超长材料挤出头长轴方向磁场N极和S极的方向，通过切换施加磁场的方向或改变打印方向来调整沉积材料通道内的磁极性，磁场强度通常设置为15
‑
65mT，使用这种方法，可以将复杂的铁磁畴图案编码到复杂的蜂窝材料中；
[0021]其中，所述数字化磁控系统还下设磁屏蔽结构，安装在超长挤出头下端，用于衰减超长材料挤出头下端磁通量密度对沉积材料通道内磁极性的影响。
[0022]一种使用上述构型可调的仿生吸能蜂窝结构的4D打印系统的构型可调的仿生吸能蜂窝结构的4D打印方法，包括以下步骤：
[0023]S101打印材料系统的组成与制备：
[0024]基体材料55
‑
95vol％：将二甲基丙烯酸酯和聚丙二醇烯酸酯以1:1.8～2.2的摩尔比混合来制备液体印刷前体，随后引入了2.5～3.5％的光引发剂二酰基膦氧化物819和0.05％的光吸收剂Sudan III；
[0025]磁性增强颗粒5
‑
45vol％：四氧化三铁60
‑
70wt％、汝铁硼30
‑
40wt％；
[0026]将以上各组分材料按比例混合制备完成后，将前驱体混合溶液置于2.0
‑
3.0T左右的脉冲磁场下进行磁化；
[0027]S102能量吸收部件模型仿生设计：
[0028]受高效抗冲击成熟柚子皮内蜂窝结构启发，设计了一种仿生抗冲击蜂窝材料，蜂窝材料的初始单胞结构为六边形，胞元壁厚为0.1
‑
0.55mm，侧壁长度为9
‑
14mm，设计的蜂窝
材料在耦合磁场作用下材料的力学特性会随温度产生变化，其几何外形也会产生塑性或永久型变形，从而实现蜂窝结构刚度及能量吸收特性的编程调整；
[0029]S103磁辅助光固化3D打印：
[0030]基于磁辅助光固化3D打印装置，成型复杂蜂窝结构，打印同时结合外部磁场作用，在蜂窝材料内部构建图案化磁畴分布；
[0031]具体步骤如下：
[0032]①
模型建立：建立高效抗冲击蜂窝结构模型，需明晰蜂窝结构各部位磁畴分布；
[0033]②
切片：通过3D打印专业软件进行切片处理，获得各切片层选择性光固化截面信息、数字化磁控本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种构型可调的仿生吸能蜂窝结构的4D打印系统，其特征在于，包括：双材料挤出系统(1)，其用以将基体光敏树脂材料和内含有磁性增强颗粒光敏树脂前驱体材料以一定的挤出速度实时挤出，单一材料挤出系统(11)与辅助磁场的材料挤出系统的挤出头(22)相互配合、协同工作，将内含或不含增强颗粒的光敏树脂前驱体材料沿着一定的打印路径沉积在动态成型平台(3)上；控制系统(2)，其用以控制双材料挤出系统(1)中单一材料挤出系统(11)及辅助磁场的材料挤出系统(12)协同工作，实现单一光敏树脂材料和内含磁性增强颗粒的光敏树脂的适时交替挤出；控制辅助磁场的材料挤出系统(12)中数字化磁控系统(121)的磁场强度、工作时间及工作方式；控制动态成型平台(3)在三维空间内的运动；控制光固化系统(13)光强及开关时间；动态成型平台(3)，是3D打印装备的重要组成部分,动态成型平台(3)可在水平平面内进行直线或曲线等任意形式的运动，并可在垂直方向进行升降运功,双材料挤出系统(1)及动态成型平台(3)共同工作，将带有均一磁极性颗粒的前驱体材料按需沉积在动态成型平台(3)上，结合动态成型平台(3)在三维空间内的运动，实现带有图案化磁畴分布蜂窝结构的成型制造。2.如权利要求1所述的一种构型可调的仿生吸能蜂窝结构的4D打印系统，其特征在于，所述双材料挤出系统(1)包括：单一材料挤出系统(11)，其用以将不含磁性增强颗粒的光敏树脂前驱体材料按照一定的打印路径和打印速度选择性沉积到动态成型平台(3)上；辅助磁场的材料挤出系统(12)，其用以将内含磁性增强颗粒的光敏树脂前驱体材料按照一定的打印路径和打印速度选择性沉积到动态成型平台(3)，打印过程中集成数字化磁控系统(121)，在洛伦兹力的作用下磁性颗粒产生可控的定向组装,材料挤出沉积后颗粒磁极性仍被保留，通过改变施加磁场方向或者打印路径可以规划局部空间内的磁畴；光固化系统(13)，以射灯的形式集成挤出头处，光强为1000
‑
1400mW/cm2，照射距离10
‑
30mm，光斑直径为2
‑
10mm,其用以将沉积在动态成型平台(3)上的材料进行初步固化，实现颗粒磁极性的锚定。3.如权利要求2所述的一种构型可调的仿生吸能蜂窝结构的4D打印系统，其特征在于，所述辅助磁场的的材料挤出系统(12)与单一材料挤出系统(11)具有部分相同的硬件组成，包括：超长材料挤出头(111)，材料筒(112)内的打印材料经超长材料挤出头(111)挤出，其内部为中空圆柱形结构，内径0.84
‑
1.80mm，长度为20
‑
50mm；材料筒(112)，其下接超长材料挤出头(111)，与材料推送器(114)同轴安装，用以盛放打印材料；固定支架(113)，其用以双材料挤出系统(1)、动态成型平台(3)及控制系统(2)；材料推送器(114)，其用以将材料筒(112)内的打印材料挤出，经超长材料挤出头(111)沉积在动态成型平台(3)上。4.如权利要求3所述的一种构型可调的仿生吸能蜂窝结构的4D打印系统，其特征在于，所述辅助磁场的的材料挤出系统(12)与单一材料挤出系统(11)的区别在于，辅助磁场的材料挤出系统(12)具有数字化磁控系统(121)，而单一材料挤出系统不具有数字化磁控系统
(121)。5.如权利要求4所述的一种构型可调的仿生吸能蜂窝结构的4D打印系统，其特征在于，所述数字化磁控系统(121)能够根据预定义的材料磁畴分布实时调控施加磁场平行或相反于超长材料挤出头(111)长轴方向磁场N极和S极的方向，通过切换施加磁场的方向或改变打印方向...

【专利技术属性】
技术研发人员：周雪莉，张计锋，任雷，刘庆萍，刘洪佩，徐静怡，佟欣，王宝峰，夏浓，田雏榜，常文畅，曹世毅，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：