CN109624311A - 基于温度响应的横-全蜂窝双层结构的4d打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于温度响应的横‑全蜂窝双层结构的4D打印方法。选取形状记忆聚合物材料以双层结构重复层叠进行打印，双层结构由两组不同的填充图案层层叠打印布置构成，每组填充图案层中单层均为相同填充图案，上下方填充图案层为横纹和全蜂窝图案，横纹由一组直线阵列交叉排布构成的纹理图案，全蜂窝图案的填充图案层由一层交叉wiggle图案的单层和一层半蜂窝图案的单层上下交替层叠打印构成；精确温度加热使粗产品变形4D变形完成。本发明克服了目前温度驱动的4D打印材料制备困难，对小功率变形响应程度差的问题，实现了通过设计参数编程无需制造特殊线材的熔融沉积4D打印方法，突破了4D打印技术制备材料的繁琐过程。

Description

基于温度响应的横-全蜂窝双层结构的4D打印方法

技术领域

本发明涉及智能材料4D打印领域的一种4D打印方法，尤其是涉及了一种基于温度响应的横-全蜂窝双层结构的4D打印方法，实现了能通过设计参数可编程无需制造特殊线材的熔融沉积4D打印方法。

背景技术

4D打印作为基于智能感知材料而开发的材料加工技术，为传统变形材料的制备提供了突破局限的新思路。针对弯曲变形，由于工件体积沿厚度方向收缩程度的非均匀性会引起多层材料的弯曲行为，4D打印通常设计对不同结构有不同响应的多层结构。常规的4D打印变形过程一般由两种实现形式：1.采取不同材料构成工件两层，通过同等程度的激发手段(磁、热、生物响应)，经由工件两层不同的应变响应，达成4D的变形效果。2.采取一种材料构成工件整体，经由不同程度的激发手段，达成4D打印变形效果。

具有高级功能的工件或设备常常需要结合复杂的三维形状和功能诱导结构单元。目前用于创建功能结构的绝大多数技术只能在平面上工作。在过去的几年里，由于各种先进的材料出现，形状记忆材料的应用范围得到了延伸。形状记忆聚合物可以经由低温玻璃态与高温橡胶态之间的转换实现形状记忆的效果，此时的聚合物具有自愈性质，可以通过温度的加载在一定程度上恢复至第一次经挤压成型时的状态，以此为根据提出的各种技术通常需要多个制作步骤和特殊材料。

3D打印提供了一种主动元素的空间布局实现形状转换技术，其中特别以精密的多材料印刷为代表，其可以用来结合不同的材料，通过聚合物实现多形状或可逆的变形。各向异性添加物(如膨胀比或刚度)可通过3D打印技术印刷，以实现4D打印的变形过程。提出最初的平面结构，在获得相应的触发后，它们的形状将改变为预先设定的三维形状，从而使表面相关的功能与复杂的三维形状相结合。目前体系下的4D变形存在着诸多缺点，在成型速度快时，对工件的加工设备要求极高，需要进行复杂的工件规划。而对加工设备要求低时，成型速度又过慢。在现实场景中，往往需求克服这两种缺陷场景。因此需要一种对加工设备要求不高的同时能够进行快速变形的4D打印方法。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提出了一种基于温度响应的可编程双层形状记忆结构的4D打印方法，其中包括双层形状记忆结构的设计及制备。

本发明方法是一个单步打印过程，只需要一台熔融沉积3D打印机和聚合物材料，基于材料的自折叠和不稳定弹出，并通过编程实现的顺序变形，可实现以前所未有的扩展空间的三维形状，具有简单和多功能性的特点。

为实现上述过程，按照本发明采用以下技术方案：

1)选取形状记忆聚合物材料作为打印的线材，根据需打印的产品模型按照以下方式进行3D打印：以双层结构从下往上重复层叠进行打印，双层结构主要由两组不同的填充图案层上下层叠打印布置构成，填充图案层包括多个单层，单层对应为3D打印时的一层切片，上方的填充图案层为横纹图案，下方的填充图案层为全蜂窝图案，横纹图案的填充图案层中的各个单层均打印为相同的填充图案，全蜂窝图案的填充图案层中的各个单层有不同，

横纹图案是由一组直线阵列构成的纹理图案，直线阵列由多条等间隔平行排布直线构成，横纹图案的填充图案层是由多层结构相同的横纹图案的单层上下交替层叠打印构成；全蜂窝图案的填充图案层是由一层交叉wiggle图案的单层和一层半蜂窝图案的单层上下交替层叠打印构成，交叉wiggle图案是由三组正弦曲线阵列非平行相互交叉排布而成的纹理图案，正弦曲线阵列由多条正弦曲线等间隔平行排布直线构成；图案中三组正弦曲线阵列所在参考轴线相交于同一点形成正三角形的紧密阵列排布形状，半蜂窝图案是由多个环形以三角形阵列方式重复排布且相邻环形点相交形成的纹理图案；

所述的环形可以为圆形、椭圆形和矩形，三角形阵列是阵列中任一三个阵列单元的中心构成了近似正三角形的阵列。

2)3D打印后，取下打印获得的粗产品，进行精确温度加热使得粗产品按照规定方式变形，直至4D变形完全完成，等待工件冷却4D打印过程完全结束，获得4D打印产品。

本发明4D打印制成的产品由双层结构从下往上重复构成，其中一层由相同横纹图案多次叠加制成，另一层由全蜂窝图案多层叠加制成，横纹层与全蜂窝层的厚度比例可以在1:4到4:1调整。

打印时根据需打印的产品模型设计选取不同的双层结构及打印工艺参数构，并进行切片设定来获得不同形状的打印产品。

打印时根据需打印的产品模型设计构建填充图案中不同的布置来调整最后精确温度加热的不同4D变形形状。不同的布置是指横纹图案中直线阵列的印刷角度不同，全蜂窝图案中正弦曲线阵列所在参考轴线之间的交叉角度以及每两组正弦曲线阵列所在参考轴线各自的印刷角度不同，印刷角度实质为正弦曲线所在参考轴线和打印坐标系水平轴之间的夹角。印刷角度实质为直线方向和打印坐标系水平轴之间的夹角。

一种实施方式为：设置横纹图案中直线阵列的印刷角度在0±22.5度或90±22.5度范围内，实现温度加热后的产品绕平行于打印坐标系水平轴的旋转轴圆弧弯曲变形；0±22.5度相比90±22.5度的弯曲变形程度更小。

另一种实施方式为：设置横纹图案中直线阵列的印刷角度在45±22.5度或135±22.5度范围内，实现温度加热后的产品绕垂直于坐标系水平轴的旋转轴螺旋弯曲变形。

所述的3D打印是到熔融沉积3D打印机进行打印，打印后需要冷却。

打印时根据需打印的产品模型设计构建不同的打印工艺参数配合填充图案的不同布置来调整最后精确温度加热的不同4D变形程度。打印工艺参数是指3D打印时的打印线宽l、打印层高h和打印喷嘴温度a以及精确温度加热时的激发温度b，激发温度b即为精确温度加热的加热温度。

所述的4D变形程度由打印线宽l、打印层高h和打印喷嘴温度a以及激发温度b的四个打印工艺参数控制。

所述的打印线宽l设定范围为0.25mm-0.8mm，所述打印层高h为50μm-200μm，所述打印时喷嘴温度a为195℃-240℃，所述激发温度b为65℃-95℃。最终能使得横纵向应变可达到的范围为0.05-0.32。

所述的精确温度加热是使用水浴加热的方式，溶液成分为蒸馏水，对水溶液的温度进行精确控制，使加热过程的温度稳定在设定的激发温度b。

所述形状记忆聚合物材料使用受热时应力-应变响应性能好的聚乳酸形状记忆材料。

方法实施中，使用聚合物线材进行3D打印是熔融沉积3D打印的主要形式之一。打印机的喷嘴进行挤压出丝时，聚合物材料完成初次变形过程，在冷却过程时，材料进行形状记忆的第一阶段，对成型的工件再次加热时，打印丝将在一定程度上恢复至经拉丝挤压时的状态，通过该形状记忆过程叠加实现4D打印的变形过程。

本发明通过对模型的各结构参数和工艺参数进行编辑以设计符合预期变形的模型，并通过3D打印机制作粗产品模型和对材料进行精确加热的方式实现4D打印的过程。

通过本发明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：

1.本发明所于温度响应的可编程双层形状记忆结构的4D打印结构，其主要应用了聚合物材料的形状记忆特性，聚合物材料具有加工性能好，成本低廉要求低等优点。

2.本发明采用熔融沉积成型的4D打印的方法打印聚合物材料，与水凝胶型材料4D打印方法相比，成型速度快，加工要求低，不需要极其特殊的激发条件与制造设备；

3.本发明采用熔融沉积成型的4D打印的方法打印聚合物材料，与磁电工艺的4D打印相比，降低了生产成本，简化了材料的生产工艺，缩短了制造周期，实现结构和功能的一体化制造。

本发明克服了目前温度驱动的4D打印材料制备困难，对小功率变形响应程度差的问题，实现了通过设计参数编程无需制造特殊线材的熔融沉积4D打印方法，突破了4D打印技术制备材料的繁琐过程。

附图说明

图1为本发明的横纹图案布置示意图；

图2为本发明的全蜂窝图案布置示意图；

图3是聚乳酸材料横纹-全蜂窝结合时不同的打印温度的应变效果图；

图4是聚乳酸材料横纹-全蜂窝结合时不同的激发温度的应变效果图；

图5是聚乳酸材料横纹-全蜂窝结合时不同的打印层高的应变效果图；

图6是聚乳酸材料横纹-全蜂窝结合时不同的打印线宽的应变效果图；

图7是聚乳酸材料横纹-全蜂窝结合时不同的厚度比的应变效果图；

图8是实施例1中工件所采用的两个不同填充图案的结构排布示意图；

图9是实施例1中工件的变形过程前后对比图；

图10是实施例2中工件所采用的两个不同填充图案的结构排布示意图；

图11是实施例2中工件的变形过程前后对比图；

图12是实施例3中工件所采用的两个不同填充图案的结构排布示意图；

图13是实施例3中工件的变形过程前后对比图；

图14是交叉wiggle图案中的三组正弦曲线阵列各自组成示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明具体实施过程为：

1)选取形状记忆聚合物材料作为打印的线材，根据需打印的产品模型按照以下方式进行3D打印：以双层结构从下往上重复层叠进行打印，双层结构主要由两组不同的填充图案层上下层叠打印布置构成，填充图案层包括多个单层，单层对应为3D打印时的一层切片，上方的填充图案层为横纹图案，下方的填充图案层为全蜂窝图案，横纹图案的填充图案层中的各个单层均打印为相同的填充图案，全蜂窝图案的填充图案层中的各个单层有不同。

如图1所示，横纹图案是由一组直线阵列构成的纹理图案，直线阵列由多条等间隔平行排布直线构成。如图2所示，全蜂窝图案的填充图案层是由一层交叉wiggle图案的单层和一层半蜂窝图案的单层上下交替层叠打印构成：交叉wiggle图案如图2(a)所示，是由三组正弦曲线阵列非平行相互交叉排布而成的纹理图案，正弦曲线阵列由多条正弦曲线等间隔平行排布直线构成，三组正弦曲线阵列各自组成如图14所示，图案中三组正弦曲线阵列所在参考轴线相交于同一点形成正三角形的紧密阵列排布形状。半蜂窝图案如图2(b)所示，是由多个环形以三角形阵列方式重复排布且相邻环形点相交形成的纹理图案。

如图1所示，横纹图案是由一组直线阵列构成的纹理图案，如图2所示，全蜂窝图案是由一层三组参考坐标轴互相不平行的正弦曲线阵列形成的纹理图案以及一层两组平行交替间断印刷并在间断处相交的直线阵列的纹理图案构成的，直线阵列由多条平行排布直线构成。

横纹图案的填充图案层中的单层层数和全蜂窝图案的填充图案层中的单层层数可以相同也可以不同。

2)3D打印后，取下打印获得的粗产品，进行精确温度加热使得粗产品按照规定方式变形，具体使用水浴加热的方式，溶液成分为蒸馏水，使加热过程的温度稳定在设定的精确的激发温度b。变形后获得4D打印产品。

具体地，横纹图案中直线阵列的印刷角度θ在0-180°调整，全蜂窝图案由正弦曲线阵列的层中每2组正弦曲线阵列所在参考轴线之间的交叉角度在0-90°调整，正弦曲线阵列所在参考轴线的印刷角度θ为在0-180°调整，由间断线印刷的中两组间断直线平行且印刷角度为0°。

设置横纹图案中直线阵列的印刷角度在0±22.5度或90±22.5度范围内，实现温度加热后的产品绕平行于打印坐标系水平轴的旋转轴圆弧弯曲变形；0±22.5度相比90±22.5度的弯曲变形程度更小。设置横纹图案中直线阵列的印刷角度在45±22.5度或135±22.5度范围内，实现温度加热后的产品绕垂直于坐标系水平轴的旋转轴螺旋弯曲变形。

4D变形程度由打印线宽l、打印层高h和打印喷嘴温度a以及激发温度b的四个打印工艺参数控制。打印线宽l越大变形程度越大，打印层高h越大变形程度越小，打印喷嘴温度a越高变形程度越小，激发温度b越高变形程度越大。

打印线宽l设定范围为0.25mm-0.8mm，打印层高h为50μm-200μm，打印时喷嘴温度a为195℃-240℃，激发温度b为65℃-95℃。具体实施中，打印线宽l可设定范围为0.25mm-0.8mm。

最终能使得横纵向应变可达到的范围为0.05-0.32。

产品打印前，根据双层结果的每一单层的填充图案不同，对每一单层的填充图案在3D打印时的打印线宽l、打印层高h和打印喷嘴温度a以及精确温度加热时的激发温度b进行设定和预编程，使得最终达成产品应变快速达到预期效果。

具体实施时通过单因素测试各个打印工艺参数，获得了各个打印工艺参数对应的4D加热变形结果。

在其他四个打印工艺参数保持不变且相同双层结构3D打印的情况下，对打印温度进行调整变化获得不同打印温度对应的变形程度，如图3所示，图中可见实线上的点是该打印温度(横坐标)下可达到应变(纵坐标)的最大值，虚线上的点是该打印温度(横坐标)下可达到应变(纵坐标)的最小值，两线之间为对应打印温度可实现的应变范围。

在其他四个打印工艺参数保持不变且相同双层结构3D打印的情况下，对激发温度进行调整变化获得不同对激发温度对应的变形程度，如图4所示，图中可见实线上的点是该对激发温度(横坐标)下可达到应变(纵坐标)的最大值，虚线上的点是该对激发温度(横坐标)下可达到应变(纵坐标)的最小值，两线之间为对应激发温度可实现的应变范围。

在其他四个打印工艺参数保持不变且相同双层结构3D打印的情况下，对打印层高进行调整变化获得不同打印层高对应的变形程度，如图5所示，图中可见实线上的点是该打印层高(横坐标)下可达到应变(纵坐标)的最大值，虚线上的点是该打印层高(横坐标)下可达到应变(纵坐标)的最小值，两线之间为对应打印层高可实现的应变范围。

在其他四个打印工艺参数保持不变且相同双层结构3D打印的情况下，对打印线宽进行调整变化获得不同打印线宽对应的变形程度，如图6所示，图中可见实线上的点是该打印线宽(横坐标)下可达到应变(纵坐标)的最大值，虚线上的点是该打印线宽(横坐标)下可达到应变(纵坐标)的最小值，两线之间为对应打印线宽可实现的应变范围。

在其他四个打印工艺参数保持不变且相同双层结构3D打印的情况下，对双层结构的厚度比进行调整变化获得不同厚度比对应的变形程度，如图7所示，图中可见实线上的点是该厚度比(横坐标)下可达到应变(纵坐标)的最大值，虚线上的点是该厚度比(横坐标)下可达到应变(纵坐标)的最小值，两线之间为对应厚度比可实现的应变范围。

本发明的具体实施例如下：

实施例1

(1)首先利用三维建模软件建立利用聚合物进行4D打印的双层工件三维模型，产品工件大小为10*40*1.5mm³，该工件变形意图为横向应变为0.31，纵向应变为0.05。

(2)选定聚乳酸作为3D打印形状记忆材料，利用切片软件对三维模型进行分层切片处理，根据想要达成的变形对其打印层高与打印线宽进行设定，所选线宽为0.4mm，所选层高为50μm。工件的上层使用150个单层的印刷角度为90°的横纹图案，下层使用75个双层的全蜂窝图案，每个双层由1层由3组交叉角度为60°、印刷角度分别为0°、60°和120°的正弦曲线阵列形成的交叉wiggle图案以及1层的半蜂窝图案构成，如图8所示，两层的厚度比例为1:1，分层切片处理结果及识别出的各部分输入到计算机控制系统中；

(3)此时选择打印温度为195℃，通过切片软件输出至熔融沉积3D打印加工中心，进行3D打印过程，并等待工件冷却；

(4)对冷却后的工件进行精确温度的加热，所选激发温度为85℃，直至需要进行的4D变形完全完成。等待工件再次冷却4D打印过程完全结束，图9为该4D过程中工件进行加热激发前后的对比图，图9的左图为激发前，图9的右图为激发后，实现了绕平行于打印坐标系水平轴的旋转轴圆弧弯曲变形，两端向上合拢弯曲，制备全过程仅需24min，相比传统打印大大缩短了产品制作时间。

实施例2

(1)首先利用三维建模软件建立利用聚合物进行4D打印的双层工件三维模型，产品工件大小为10*40*1.5mm³，该工件变形意图为横向应变为0.21，纵向应变为0.18。

(2)选定聚乳酸作为3D打印形状记忆材料，利用切片软件对三维模型进行分层切片处理，根据想要达成的变形对其打印层高与打印线宽进行设定，所选线宽为0.4mm，所选层高为50μm。工件的上层使用150个单层的印刷角度为0°的横纹图案，下层使用75个双层的全蜂窝图案，每个双层由1层由3组交叉角度为60°、印刷角度分别为0°、60°和120°的正弦曲线阵列形成的交叉wiggle图案以及1层的半蜂窝图案构成，如图10所示，两层的厚度比例为1:1，分层切片处理结果及识别出的各部分输入到计算机控制系统中；

(3)此时选择打印温度为195℃，通过切片软件输出至熔融沉积3D打印加工中心，进行3D打印过程，并等待工件冷却；

(4)对冷却后的工件进行精确温度的加热，所选激发温度为85℃，直至需要进行的4D变形完全完成。等待工件再次冷却4D打印过程完全结束，图11该4D过程中工件进行加热激发前后的对比图，图11的左图为激发前，图11右图为加热后，实现了绕垂直于坐标系水平轴的旋转轴螺旋弯曲变形，制备全过程仅需24min，大大缩短了产品制作时间。

实施例3

(1)首先利用三维建模软件建立利用聚合物进行4D打印的双层工件三维模型，产品工件大小为10*40*1.5mm³，该工件变形意图为横向应变为-0.28，纵向应变为0.05。

(2)选定聚乳酸作为3D打印形状记忆材料，利用切片软件对三维模型进行分层切片处理，根据想要达成的变形对其打印层高与打印线宽进行设定，所选线宽为0.4mm，所选层高为50μm。工件的上层使用150个单层的印刷角度为0°的横纹图案，下层使用75个双层的全蜂窝图案，每个双层由1层由3组交叉角度为60°、印刷角度分别为0°、60°和120°的正弦曲线阵列形成的交叉wiggle图案以及1层的半蜂窝图案构成，如图12，两层的厚度比例为1:1，分层切片处理结果及识别出的各部分输入到计算机控制系统中；

(3)此时选择打印温度为195℃，通过切片软件输出至熔融沉积3D打印加工中心，进行3D打印过程，并等待工件冷却；

(4)对冷却后的工件进行精确温度的加热，所选激发温度为85℃，直至需要进行的4D变形完全完成。等待工件再次冷却4D打印过程完全结束，图13该4D过程中工件进行加热激发前后的对比图，图13左图为激发前，图13右图为激发后，实现了绕平行于打印坐标系水平轴的旋转轴圆弧弯曲变形，两端向下合拢弯曲，但弯曲方向和实施例1的相反，制备全过程仅需24min，大大缩短了产品制作时间。

Claims (8)

1.一种基于温度响应的横-全蜂窝双层结构的4D打印方法，其特征在于包括以下步骤：

1)选取形状记忆聚合物材料作为打印的线材，根据需打印的产品模型按照以下方式进行3D打印：以双层结构从下往上重复层叠进行打印，双层结构由两组不同的填充图案层上下层叠打印布置构成，填充图案层包括多个单层，单层对应为3D打印时的一层切片，上方的填充图案层为横纹图案，下方的填充图案层为全蜂窝图案，横纹图案是由一组直线阵列构成的纹理图案，直线阵列由多条等间隔平行排布直线构成；全蜂窝图案的填充图案层是由一层交叉wiggle图案的单层和一层半蜂窝图案的单层上下交替层叠打印构成，交叉wiggle图案是由三组正弦曲线阵列非平行相互交叉排布而成的纹理图案，正弦曲线阵列由多条正弦曲线等间隔平行排布直线构成；半蜂窝图案是由多个环形以三角形阵列方式重复排布且相邻环形点相交形成的纹理图案；

2)3D打印后，取下打印获得的粗产品，进行精确温度加热使得粗产品按照规定方式变形，直至4D变形完全完成，获得4D打印产品。

2.根据权利要求1所述的一种基于温度响应的横-全蜂窝双层结构的4D打印方法，其特征在于：打印时根据需打印的产品模型设计构建填充图案中不同的布置来调整最后精确温度加热的不同4D变形形状。

3.根据权利要求2所述的一种基于温度响应的横-全蜂窝双层结构的4D打印方法，其特征在于：设置横纹图案中直线阵列的印刷角度在0±22.5度或90±22.5度范围内，实现温度加热后的产品绕平行于打印坐标系水平轴的旋转轴圆弧弯曲变形；设置横纹图案中直线阵列的印刷角度在45±22.5度或135±22.5度范围内，实现温度加热后的产品绕垂直于坐标系水平轴的旋转轴螺旋弯曲变形。

4.根据权利要求1所述的一种基于温度响应的横-全蜂窝双层结构的4D打印方法，其特征在于：打印时根据需打印的产品模型设计构建不同的打印工艺参数配合填充图案的不同布置来调整最后精确温度加热的不同4D变形程度。

5.根据权利要求4所述的一种基于温度响应的横-全蜂窝双层结构的4D打印方法，其特征在于：所述的4D变形程度由打印线宽l、打印层高h和打印喷嘴温度a以及激发温度b的四个打印工艺参数控制。

6.根据权利要求5所述的一种基于温度响应的横-全蜂窝双层结构的4D打印方法，其特征在于：所述的打印线宽l设定范围为0.25mm-0.8mm，所述打印层高h为50μm-200μm，所述打印时喷嘴温度a为195℃-240℃，所述激发温度b为65℃-95℃。

7.根据权利要求1所述的一种基于温度响应的横-全蜂窝双层结构的4D打印方法，其特征在于：所述的精确温度加热是使用水浴加热的方式，对水溶液的温度进行精确控制，使加热过程的温度稳定在设定的激发温度b。

8.根据权利要求1所述的一种基于温度响应的横-全蜂窝双层结构的4D打印方法，其特征在于：所述形状记忆聚合物材料使用聚乳酸形状记忆材料。