CN109094004B - 一种预置内应力的4d打印工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预置内应力的4D打印工艺方法，采用具有不同级别的热膨胀系数材料构建复合材料体系，使不同热膨胀系数材料在加工过程中随温度环境等变化而产生不同程度的应变和应力；采用3D打印增材制造工艺，或3D打印工艺和传统加工方式的混合工艺对样件进行制备；通过材料复合方式、外部环境、打印工艺参数的有序可控变化，实现不同空间位置材料的能量累积和内部应力分布控制。本发明通过多种材料的复合打印，构建4D打印复合材料体系为打印过程中应力控制提供材料基础，并在打印工艺过程中在材料分布、工艺参数、环境参数的多因素的控制下，实现在打印过程样件应力、应变、形变的精准控制。

Description

一种预置内应力的4D打印工艺方法

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种预置内应力的4D打印工艺方法。

背景技术

4D打印技术是在3D打印的基础上增加了时间维度，将变形设计内置于所打印物料中，经4D打印所得结构其功能、形状、性质能够在外界的激励下随着时间推移进行演变，并具有自修复、自装配、自诊断、自学习以及环境适应等功能，实现了产品设计、制造和装配的一体化。

目前，4D技术整体还处于实验室探索阶段，当前的4D打印技术通常将具有形状记忆功能材料或多种混合材料进行增材制造，并对所打印结构施加外部激励(热、磁、电、声、光)促使内部应力发生变化。由于4D打印结构多材料、多种填充结构的特点，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样件的材料力学性能进行精确控制，造成4D打印样件自修复、自组装、环境适应等性能不稳定，极大程度限制了4D打印样件的在实际工程项目中推广与使用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种预置内应力的4D打印工艺方法，通过数值模型模拟4D打印过程中样件内部应力随环境参数改变而发生的变化，实现4D打印样件内部应力时序变化的可编程控制，在打印过程中通过精确控制应力的方式实现4D打印样件的控型控性。

本发明采用以下技术方案：

一种预置内应力的4D打印工艺方法，构建所述的打印用复合材料，在打印工艺过程中，对不同热膨胀系数的材料进行复合打印，并通过改变与控制打印工艺参数与环境参数实现打印样件局部内应力预设与精准控制。

具体的，包括以下步骤：

S1、采用具有不同级别的热膨胀系数材料构建复合材料体系，使不同热膨胀系数材料在加工过程中随温度环境变化而产生不同程度的应变和应力；

S2、采用3D打印增材制造工艺，或3D打印工艺和传统加工方式的混合工艺对样件进行制备；

S3、通过材料复合方式、外部环境、打印工艺参数的有序可控变化，实现不同空间位置材料的能量累积和内部应力分布控制。

进一步的，步骤S1中，所构建的复合材料体系与应力控制方法适用于不同的打印方式，包括熔融沉积打印、光固化成型打印、选区激光烧结打印或三维粉末粘结打印。

进一步的，步骤S3中，材料复合方式具体为：

同一打印层的同一打印路径不同打印位置使用不同材料进行复合打印；

同一打印层相邻打印路径使用不同材料进行复合打印；

同一打印层不同打印路径使用不同材料进行复合打印；

同一打印层不同区域使用不同的材料进行复合打印；

不同打印层之间使用不同的材料进行复合打印；

以及样件内部不同三维几何空间使用不同材料进行复合打印；

通过以上方式的不同热膨胀系数材料的复合打印，对样件内应力进行预设与控制。

进一步的，步骤S3中，外部环境包括打印腔室环境温度及变化率、打印腔室的环境压力、打印腔室环境湿度、打印基底外力的施加。

进一步的，对外部环境温度进行调整时，环境温度为0～800℃，温度变化率为±1～20℃/s；环境压力在打印过程中能够动态调整。

进一步的，打印基底外力的施加方式具体为：

设置打印样件与基板接触部分的材料热膨胀系数与基板的热膨胀系数差异，基板能够对样件产生约束外力促使样件发生形变实现应力预置；

打印前通过对基板进行预热或者预拉伸、预压缩处理对基板进行应力预置，在打印过程中或打印完成后通过改变环境温度或释放基板外力使基板发生形变，实现对打印样件应力的预置。

进一步的，步骤S3中，工艺参数具体包括：打印速度、打印层厚、打印喷头温度、打印路径、打印结构，通过调整不同工艺参数控制样件内部的力学性能与打印质量。

更进一步的，打印速度为0～5m/s，打印层厚为0～5mm，打印喷头温度为150～4000℃。

进一步的，打印用复合材料包括高分子聚合物、橡胶、形状记忆聚合物、凝胶中至少两种热膨胀系数的材料，热膨胀系数为5～500*10^-6/℃；

其中，高分子聚合物为聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、ABS塑料、乙缩醛、丙烯酸树脂、醋酸纤维、乙烯丙烯酸乙酯、尼龙、酚醛树脂、聚酯纤维、聚苯乙烯、聚氨酯、聚偏二氟乙烯、碳纤维或玻璃纤维；

橡胶为丁苯橡胶、丁腈橡胶、硅橡胶、氟橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶、乙丙橡胶、氯丁橡胶或丙烯酸酯橡胶；

形状记忆聚合物为丙烯酸脂体系形状记忆聚合物、硫醇-烯烃体系形状记忆聚合物或环氧树脂体系形状记忆聚合物；

金属为锰、铝、铅、镉、镁、铁或铜；

凝胶为交联葡糖糖凝胶、琼脂凝胶、聚丙烯酰胺凝胶或聚苯乙烯凝胶。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种预置内应力的4D打印工艺方法，通过构建4D打印复合材料体系，为打印制备工艺提供材料基础，并且通过增材制造的工艺方式，通过控制不同膨胀系数材料的分布以及工艺参数和环境参数的时序变化，实现样件局部内应力的有目的预设与精准控制。

进一步的，基于多种具有不同热膨胀系数的材料构建4D打印的复合材料体系，为后续内应力预置奠定材料基础，采用3D打印增材制造的方式，或3D打印工艺与传统工艺结合的混合工艺制备复合材料，在工艺过程中控制材料复合方式、加工工艺参数、打印腔室环境参数实现样件局部的应力的预设与精准控制。

进一步的，通过多种具有不同热膨胀系数材料在不同的点、线、面、体之间进行复合打印，获得具有不同热膨胀系数等特性的复合材料，多种复合打印的方式丰富了复合材料的种类与性能，通过调整样件内部材料分布方式来控制样件局部内应力。

进一步的，打印过程中针对打印腔室的环境温度、环境压力、环境湿度、施加外力的形式调整环境参数，改变上述环境参数或施加外力的方式使样件产生形变，打印过程中或打印完成后通过外力的释放或者外部环境温度、压力、湿度改变时样件产生形变，实现应力预设与控制。

进一步的，对打印温度、打印路径、打印结构、打印层厚等多种不同工艺参数进行调整，控制样件内部力学性能，同时丰富了应力控制手段，提高样件打印过程中内部应力控制的可操作性，通过多种工艺参数互作用下提高应力精准控制。

进一步的，打印过程中根据打印位置的不同可对腔室环境温度变化进行精确调整，使被打印材料产生可控的膨胀或者收缩，当环境温度回至环境室温时，样件发生后续应变进而实现样件内应力的预置。

进一步的，打印前预先对改变基板温度或者对基板施加外力(拉伸或者压缩)，从而对基板预置一定应力，打印过程中或者打印完成后改变基板温度或者释放基板外力使基板发生形变，使基板对样件产生外力作用使其发生形变和内应力的改变，进而实现应力的预设。

进一步的，打印用复合材料，材料为塑料、纤维、橡胶、金属、形状记忆聚合物以及上述两种或多种不同膨胀系数材料的混合物，不通过同膨胀系数材料构成4D打印复合材料体系，为样件后续的形态时序变化奠定材料基础。

综上所述，本发明通过多种材料的复合打印，构建4D打印复合材料体系为打印过程中应力控制提供材料基础，并在打印工艺过程中在材料分布、工艺参数、环境参数的多因素的控制下，实现在打印过程样件应力、应变、形变的精准控制。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明提出的面向4D打印工艺过程中通过环境参数改变实现打印样件内部应力预载控制方法的流程图；

图2为本发明一种实施例提出4D打印过程中通过改变环境参数来精确控制样件内部应力的工艺方法示意图；

图3为本发明另一种实施例提出4D打印过程中通过改变环境参数来精确控制样件内部应力的工艺方法示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种预置内应力的4D打印工艺方法，通过建立能够表征4D样件打印过程中内部应力随环境参数变化的多耦合数值模型，然后在4D打印过程中通过改变环境参数来主动控制样件的内部应力，为4D打印部件后期应用中的形态时序变化的控制奠定理论基础。

打印用复合材料包括高分子聚合物、橡胶、形状记忆聚合物、凝胶中至少两种热膨胀系数的材料，热膨胀系数为5～500*10^-6/℃。

其中，高分子聚合物为聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、ABS塑料、乙缩醛、丙烯酸树脂、醋酸纤维、乙烯丙烯酸乙酯、尼龙、酚醛树脂、聚酯纤维、聚苯乙烯、聚氨酯、聚偏二氟乙烯、碳纤维或玻璃纤维；

橡胶为丁苯橡胶、丁腈橡胶、硅橡胶、氟橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶、乙丙橡胶、氯丁橡胶或丙烯酸酯橡胶；

形状记忆聚合物为丙烯酸脂体系形状记忆聚合物、硫醇-烯烃体系形状记忆聚合物或环氧树脂体系形状记忆聚合物；

金属为锰、铝、铅、镉、镁、铁或铜；

凝胶为交联葡糖糖凝胶、琼脂凝胶、聚丙烯酰胺凝胶或聚苯乙烯凝胶。

请参阅图1，本发明一种预置内应力的4D打印工艺方法，包括以下步骤：

S1、采用具有不同级别的热膨胀系数材料构建复合材料体系，不同膨胀系数材料可以在加工过程中随温度环境等变化而产生不同程度的应变和应力；

所构建的复合材料体系与应力控制方法适用于不同的打印方式，包括熔融沉积打印、光固化成型打印、选区激光烧结打印或三维粉末粘结打印。

S2、采用3D打印增材制造工艺，或3D打印工艺和传统加工方式的混合工艺对样件进行制备；

S3、在工艺过程通过材料复合方式、外部环境、打印工艺等参数的有序可控变化，来有目的的实现不同空间位置材料的能量累积和内部应力分布的精准控制。

其中，材料复合方式具体为：

同一打印层的同一打印路径不同打印位置使用不同材料进行复合打印；

同一打印层相邻打印路径使用不同材料进行复合打印；

同一打印层不同打印路径使用不同材料进行复合打印；

同一打印层不同区域使用不同的材料进行复合打印；

不同打印层之间使用不同的材料进行复合打印；

以及样件内部不同三维几何空间使用不同材料进行复合打印；

通过以上方式的不同热膨胀系数材料的复合打印，对样件内应力进行预设与控制。

外部环境包括打印腔室环境温度及变化率、打印腔室的环境压力、打印腔室环境湿度、打印基底外力的施加；对外部环境温度进行调整时，环境温度为0～800℃，温度变化率为±1～20℃/s；环境压力在打印过程中能够动态调整。

打印过程中对样件施加外力的方式为：

打印前通过对基板进行预热或者预拉伸、预压缩处理等方式对基板进行应力预置，在打印过程中或打印完成后通过改变环境温度或释放基板外力使基板发生形变，进而实现对打印样件应力的预置，具体如实施例2所示。

工艺参数具体包括：打印速度、打印层厚、打印喷头温度、打印路径、打印结构，通过调整不同工艺参数控制样件内部的力学性能与打印质量。

优选的，打印速度为0～5m/s，打印层厚为0～5mm，打印喷头温度为150～4000℃。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

选用聚丙烯与玻璃纤维混合材料作为打印材料进行熔融沉积(FDM)打印工艺。

如图2所示，选用熔融沉积打印方式，使用聚丙烯作为基体打印材料，打印过程中使用玻璃纤维与聚丙烯混合材料进行复合打印，聚丙烯中的玻璃纤维含量分别为5wt％、10wt％、15wt％，热膨胀系数分别约为：90*10^-6/℃、80*10^-6/℃、70*10^-6/℃，由于玻璃纤维对聚丙烯具有强化作用，使不同玻璃纤维含量的聚丙烯热膨胀系数具有较大差异，且随玻璃纤维含量增加其热膨胀系数降低，将上述三种材料分别命名为材料1、材料2、材料3，所打印的样件为长方体样件，几何尺寸为100mm×10mm×3mm，工艺参数设定为：打印速度15mm/s，喷头温度190℃，层厚0.25mm，设定打印腔室环境温度随层厚的增加不断升高，初始1mm打印层的采用玻璃纤维含量为15wt％聚丙烯，环境温度为25℃，中间1mm打印层采用玻璃纤维含量为10wt％聚丙烯，环境温度升高至50℃，最上层1mm打印层采用材料玻璃纤维含量为5wt％聚丙烯，环境温度为升高至80℃，打印完成后使样件降温至室温，由于不同的玻璃纤维含量的聚丙烯热膨胀系数不同，温度降至室温后所产生的形变不同，使整个样件发生曲翘变形，当温度升高至80℃，样件可恢复至长方体形状。

请参阅图2，在打印过程中通过使用聚丙烯与玻璃纤维混合进行复合打印，玻璃纤维含量随打印层增加逐渐降低，同时外部环境温度逐渐增加，环境温度分别设定为25℃、50℃、80℃，在打印材料、外部环境温度共同变化下实现内部应力的预设，同时使其所产生的形变达到设定值。

实施例2

请参阅图3，选用熔融沉积打印方式，使用聚丙烯、硅胶作为打印材料进行复合打印，图3中分别将聚丙烯、硅胶命名为材料1、材料2，使用金属薄板作为打印基板，打印速度15mm/s，喷头温度220℃，层厚0.25mm，工艺过程中对金属基板施加向下的外力F1为10N，使其中部向下弯曲发生形变，沿着具有弯曲形变的基板上使用聚丙烯材料打印长度、宽度、厚度分为100mm、10mm、1mm中部向下弯曲的壳，第一层打印完成后释放金属基板外力使其恢复为水平板，在第一层打印的聚丙烯基础上使用硅胶打印长、宽、高分别为100、10mm、1mm的长方体，打印完成后再次对基板中部施加向上的外力F2为10N，使其中部向上弯曲发生弯曲形变，在第二层所打印硅胶的基础上使用聚丙烯打印长度、宽度、厚度分为100mm、10mm、1mm的中部向上弯曲的壳，打印完成后使样件与基板分离，由于上部与下聚丙烯在打印成型过程分别为向上或者向下的壳，因此其内部存在向上和向下的弯曲应力，进而拉伸中间层的硅胶，使样件发生形变。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种预置内应力的4D打印工艺方法，其特征在于，利用打印用复合材料，在打印工艺过程中，对不同热膨胀系数的材料进行复合打印，并通过改变与控制打印工艺参数与环境参数实现打印样件局部内应力预设与精准控制，包括以下步骤：

S1、采用具有不同级别的热膨胀系数材料构建复合材料体系，使不同热膨胀系数材料在加工过程中随温度环境变化而产生不同程度的应变和应力；

S2、采用3D打印增材制造工艺，或3D打印工艺和传统加工方式的混合工艺对样件进行制备；

S3、通过材料复合方式、外部环境、打印工艺参数的有序可控变化，实现不同空间位置材料的能量累积和内部应力分布控制，工艺参数具体包括：打印速度、打印层厚、打印喷头温度、打印路径、打印结构，通过调整不同工艺参数控制样件内部的力学性能与打印质量，打印速度为0～5m/s，打印层厚为0～5mm，打印喷头温度为150～4000℃，外部环境包括打印腔室环境温度及变化率、打印腔室的环境压力、打印腔室环境湿度、打印基底外力的施加，对外部环境温度进行调整时，环境温度为0～800℃，温度变化率为±1～20℃/s；环境压力在打印过程中能够动态调整；

材料复合方式具体为：

同一打印层的同一打印路径不同打印位置使用不同材料进行复合打印；

同一打印层相邻打印路径使用不同材料进行复合打印；

同一打印层不同打印路径使用不同材料进行复合打印；

同一打印层不同区域使用不同的材料进行复合打印；

不同打印层之间使用不同的材料进行复合打印；

以及样件内部不同三维几何空间使用不同材料进行复合打印；

通过以上方式的不同热膨胀系数材料的复合打印，对样件内应力进行预设与控制。

2.根据权利要求1所述的预置内应力的4D打印工艺方法，其特征在于，步骤S1中，所构建的复合材料体系与应力控制方法适用于不同的打印方式，包括熔融沉积打印、光固化成型打印、选区激光烧结打印或三维粉末粘结打印。

3.根据权利要求1所述的预置内应力的4D打印工艺方法，其特征在于，打印基底外力的施加方式具体为：

设置打印样件与基板接触部分的材料热膨胀系数与基板的热膨胀系数差异，基板能够对样件产生约束外力促使样件发生形变实现应力预置；

打印前通过对基板进行预热或者预拉伸、预压缩处理对基板进行应力预置，在打印过程中或打印完成后通过改变环境温度或释放基板外力使基板发生形变，实现对打印样件应力的预置。

4.根据权利要求1所述的预置内应力的4D打印工艺方法，其特征在于，复合材料包括高分子聚合物、橡胶、形状记忆聚合物、金属、凝胶中至少两种热膨胀系数的材料，热膨胀系数为5～500*10^-6/℃；

其中，高分子聚合物为聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、ABS塑料、乙缩醛、丙烯酸树脂、醋酸纤维、乙烯丙烯酸乙酯、尼龙、酚醛树脂、聚酯纤维、聚苯乙烯、聚氨酯、聚偏二氟乙烯、碳纤维或玻璃纤维；

橡胶为丁苯橡胶、丁腈橡胶、硅橡胶、氟橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶、乙丙橡胶、氯丁橡胶或丙烯酸酯橡胶；

形状记忆聚合物为丙烯酸脂体系形状记忆聚合物、硫醇-烯烃体系形状记忆聚合物或环氧树脂体系形状记忆聚合物；

金属为锰、铝、铅、镉、镁、铁或铜；

凝胶为交联葡萄糖凝胶、琼脂凝胶、聚丙烯酰胺凝胶或聚苯乙烯凝胶。

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