CN110509546A - 一种利用多波长紫外投影的可编程4d打印方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用多波长紫外投影的可编程4D打印方法，包括以下步骤：1.根据被打印产品的功能设计，选用固化性能对紫外波段内不同波长具有选择性的光敏材料；2.根据所选光敏材料的特性，选择含有所需波长的光源及分别透过这些波长的滤光片；3.根据被打印产品的功能需求确定不同位置点所采用的固化波长，完成对整个产品不同位置性能的“编程”，并将程序写入光固化系统的DLP投影模块；4.根据所编程序逐层固化被打印材料，从而打印出所设计的不同部位的性能存在差异的4D产品；本发明对每层材料上不同位置点利用不同波长紫外光进行光固化，本发明减少了更换喷头、更换料池、清洗样品表面等工序，因此流程更简单，打印效率更高。

Description

一种利用多波长紫外投影的可编程4D打印方法
技术领域
本发明涉及智能材料的4D打印领域，具体涉及一种利用多波长紫外投影的可编程4D打印方法。
背景技术
光固化快速成型技术是发展最早、现阶段最为成熟、应用最广泛的一种3D打印技术。该技术以光敏树脂液体为原材料，树脂的光敏特性使得材料在受到特殊波段的光(多为紫外波段)照射后，会发生聚合反应出现固化。光固化技术一般通过振镜扫描技术或掩模版技术控制光照区域，使树脂在可控的光照区域内聚合固化，通过逐层固化叠加后生成三维实体模型。由于材料特性等方面的影响，光固化技术大多由紫外激光器配合振镜扫描系统组成，聚焦后光斑直径非常小，且树脂材料处于液态，分子排布相对紧密，因此这样的光固化系统做出的三维模型普遍具有较高精度。
DLP技术于1993年由美国TI公司发明。该技术最初应用在投影显示方面，相比CRT、LCD技术的投影机，具有图像更加清晰、色彩更加丰富、图像亮度及对比度更高等优势。DLP投影系统中，DMD芯片是核心元件。它是一种可对光进行调制的电子器件，具有独特的光学特性和电学特性。DMD芯片由光电单元阵列组成，每个光电单元由一块方形微镜面和控制镜面偏转角度的电路组成，通过控制电信号的大小实现微镜面不同角度的偏转，从而完成对光的调制。DMD芯片的本质是一组可控的反射镜阵列器件，其单个反射镜尺寸在微米量级。在投影显示应用中，根据图像分辨率的不同，一个或几个光电单元最终会对应图像中的一个像素点进行成像。将DLP投影系统应用于3D打印技术时可获得较高的工作效率和打印精度，而DMD芯片的可调制性也使得对被打印样品不同位置性能进行编程成为可能。
4D打印技术是在3D打印技术的基础上引入一个时间维度而形成的新技术，由4D打印技术制造的智能材料结构可以在特定激励下产生自变形或者自驱动，4D打印制造的三维实体结构不再是静止的、无生命的，而是智能的、可以随外界环境发生相应变化的，这使得它可以用来替代复杂的机电结构。目前国际上普遍采用的4D打印技术主要是在3D打印技术的基础上采用双喷头或者双材料交替固化的方法，例如Landgraf等在2013年提出用Aerosol jet printing(喷雾打印)3D打印技术制造DE材料,由于选用的硅胶是双组份混合固化，为了防止双组份硅胶在喷头内固化堵塞喷头，该课题组设计了双喷头打印装置，通过两个喷头分别将硅胶两个组份以喷雾形式打印，两个组分在接触之后固化，这样逐点累加固化实现三维结构DE材料的3D打印制造，但是双喷头技术存在一些缺点，首先是打印速度慢，喷头容易堵塞、维护复杂、故障率高导致成本高，其次是需要用到至少两个喷头导致定位精度差；再比如A.Creegrn和I.Anderson在2014年提出采用双材料紫外光固化3D打印技术对DE基体材料和DE电极材料进行交替打印，紫外光固化3D打印技术是通过紫外光束在液体树脂材料表面移动逐点累加固化实现三维实体打印，该课题组提出通过交替固化两种液体树脂材料A和B实现AB双材料紫外光3D打印技术，该方法每打印一层都需要更换材料池，而且每次更换时需要清洗样品表面，去除表面残留的上一种材料，工艺繁琐，打印速度缓慢。
综上所述，目前的4D打印技术主要基于光固化3D打印采用双喷头技术或者双材料交替固化技术，它们都普遍存在打印速度慢，工艺繁琐，维护复杂以及成本较高等问题，严重制约的4D打印技术的发展。
发明内容
鉴于目前4D打印技术中存在的工艺繁琐、低速和维护复杂等缺点，本发明提出了一种利用多波长紫外投影的可编程4D打印方法，用不同波长紫外线打印同一种材料来实现4D打印，提高打印速度，实现样品不同部位性能可编程；实现了一种多波长紫外投影系统完成材料的4D打印。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种利用多波长紫外投影的可编程4D打印方法，包括以下步骤：
一、选择打印材料：根据被打印产品的功能设计，选择固化性能对紫外波段内不同波长具有选择性的光敏材料，该光敏材料在被不同波长紫外线固化后会产生性能上的差异；
二、多波长的选择：根据样品的功能需求并考虑步骤一所选打印材料的特性，选择含有所需波长的光源及分别透过这些波长的滤光片；
三、被打印产品设计与编程：在上述步骤的基础上，先根据被打印产品的功能需求在计算机中完成被打印产品零件三维模型的设计建模，确定被打印产品在不同位置所应具备的性能；然后进行切片处理运算，将三维模型分割为一系列二维平面图像；之后根据被打印产品在不同位置所应具备的性能以及光敏材料固化后性能与固化波长的对应关系，依次确定每层投影图形的每一位置点所采用的固化波长；最终，整个被打印产品上不同位置点的固化波长都被确定下来，从而实现对整个被打印产品不同位置性能的“编程”，并将“程序”写入可快速切换紫外波长的光固化系统的DLP投影模块；该编程过程，也即对被打印产品的不同位置点固化波长的选择，是根据被打印产品的性能设计而进行的，当性能设计发生改变，只需调整编程内容，重新对每一位置点所采用的固化波长进行确定，便能利用同样的流程打印出不同的样品，这种工艺流程会使样品打印过程更加方便高效；
四、根据编程内容对每层材料进行投影固化：使用可快速切换紫外波长的光固化系统，根据步骤三的编程内容，按加工零件的截面信息依次对每一层材料进行投影固化直至完成整个被打印产品的固化；每一层不同位置点的材料因不同波长的紫外线照射固化而产生性能上的差异，整个被打印产品上的不同位置也就有了不同的性能，其在使用过程中会由于某一时刻环境中相关因素的变化，在不同位置对外界激励产生不同程度的应激响应，宏观上产生伸缩、弯曲、扭转等变形。
步骤四所述可快速切换紫外波长的光固化系统包括上位机、DLP投影模块、运动控制模块和打印模块；
所述上位机1进行被打印产品的三维模型的设计建模，并将三维模型进行切片处理，将所得到的切片信息传输给运动控制模块和DLP投影模块；
所述DLP投影模块包括UV光源5、紫外波长选择器6、DMD芯片4、DLP数字控制器3、微动控制单元2以及成像光学器件7；UV光源5发射的紫外光透过紫外波长选择器6，照射到DMD芯片4上，由DMD芯片4反射后通过成像光学器件7投影到打印模块中的料槽8中对材料进行固化打印；其中DMD芯片4是由多个微镜组成的单元阵列，其中每一个微镜都有开和关两种状态；投影模块中DLP数字控制器3负责将上位机1输入的切片信息处理转化为DMD芯片4上每一个微镜的状态编码，微动控制单元2根据DLP数字控制器3生成的编码在运动控制模块13的控制下实现每一个微镜的开或关，最终形成准确的切片投影图形，完成样品的单层打印固化；
为了完成整个样品的打印，在完成样品的单层打印固化后，需要使料槽8中未打印材料覆盖到已经固化好的材料表面以继续进行下一单层的可编程打印，这个过程由打印模块实现；所述打印模块包括料槽8，固定在料槽8上的线性导轨10，与线性导轨10连接并控制其运动的步进电机11，用来托放被打印产品的托盘9通过支架固定在高精度线性导轨10上；在打印模块中步进电机11和高精度线性导轨10耦合控制高精度线性导轨10运动，用来托放被打印产品的托盘9能够随高精度线性导轨10一起沿Z轴方向上下运动；运动控制模块13根据上位机传输的切片信息决定每一层固化后托盘9需要沿Z轴方向运动的距离，通过电机控制器12准确控制步进电机11的转动步数，与步进电机11耦合的高精度线性导轨10带动托盘9完成Z轴方向上的高精度运动，使打印材料以单层的厚度覆盖到被打印产品已固化部分表面，以继续进行下一单层的打印。
所述紫外波长选择器6上不同的扇形分区使用不同的窄带滤波片来选择透过不同波长的紫外线，以实现4D打印的多波长投影功能。
所述DMD芯片4中微镜的数量为1024×768、1600×900或1920×1080。
整个4D打印过程是用不同波长紫外线对同一种材料进行固化，因此流程更简单，打印效率更高。
如果以0、1、2分别代指“不用紫外线照射”、“以A波长紫外线UVA照射”、“以B波长紫外线UVB照射”，那么对材料的编程就是根据被打印产品具体的性能确定不同位置各个点是0，是1还是2；宏观上看，代码0、1、2依附于被打印产品的不同点而形成一个完整的“代码表”，根据这个代码对样品不同位置的各个点实施“不用紫外线照射”、“以A波长紫外线UVA照射”、“以B波长紫外线UVB照射”中的一种，最终得到满足性能需求设计打印样品。
本发明所构思的技术方案与现有技术相比，有以下有益效果：
1.与多喷头多材料4D打印相比，本发明提出的技术方案使用紫外光投影固化，定位精度更高，打印精度更高，而且减少了更换喷头的工序，提高了打印效率。
2.与双材料交替固化4D打印相比，本发明提出的技术方案在一次打印中不需更换光敏材料，而是通过切换固化波长实现样品不同部位性能差异。从而避免了频繁更换材料池，以及每次更换时样品表面的清洗，流程更简单，打印效率更高。
3.本发明基于DLP投影技术，可对材料各个位置点采用不同波长的紫外线照射，可以对样品不同位置性能进行两种以上的编程。当对产品的性能需求进行优化改进时，只需要重新对每一位置点所采用的固化波长进行确定，便可利用同样的流程打印出不同的样品，使样品打印过程更加方便高效。
附图说明
图1为多波长紫外光固化4D打印系统原理示意图。
图2为紫外波长选择器示意图。
图3为平面结构建模及编程过程示意图。
图4为多波长紫外光固化4D打印系统打印过程示意图。
图5为利用本发明所述方法4D打印的平面结构。
具体实施方式
为了使本发明的方案技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明一种利用多波长紫外投影的可编程4D打印方法，包括以下步骤：
一、打印材料的选择：根据被打印产品的功能设计，选择一种合适的光敏材料，该材料具有以下特性：首先，该材料被不同波长紫外线照射固化后可获得不同的性质，比如材料在不同波长紫外线照射后在力学性能、热学性能或电磁特性等方面产生差异；其次，该材料在被打印成样品后，可对外界特定的激励做出响应，比如材料先被打印成平面结构，该结构不同部位有不同的热膨胀系数，当外界温度发生变化时，其可以产生弯曲，扭转等变形。
二、多波长的选择：基于步骤一中选择的光敏材料，选择两种或两种以上的不同波长的紫外线用于材料的光固化，打印材料在被所选紫外线的不同波长分别照射后在力学、热学或者光学性质上产生差异，能满足被打印产品的性能设计；
三、样品设计与编程：明确被打印产品在使用时的性能需求，根据样品的功能需求在上位机中完成零件的三维模型的设计建模，确定样品在不同位置所应具备的性能；然后进行切片处理运算，将三维模型分割为一系列二维平面图像；之后根据样品在不同位置所应具备的材料性能，依次确定每层投影图形的每一像素点所采用的固化波长。例如如果以0、1、2分别代指“不用紫外线照射”、“以A波长紫外线UVA照射”、“以B波长紫外线UVB照射”，那么对材料的编程就是根据被打印产品具体的性能确定不同位置各个点是0，是1还是2。宏观上看，代码0、1、2依附于被打印产品的不同点而形成一个完整的“代码表”，DLP投影模块根据这个代码对被打印产品不同位置的各个点实施“不用紫外线照射”、“以A波长紫外线UVA照射”、“以B波长紫外线UVB照射”中的一种，最终可以得到满足性能需求设计打印样品；当产品的性能需求发生改变时，只需更新代码，就可以打印出不同的样品，从而实现了被打印产品不同位置性能的可编程；
四、进行固化：依据步骤3中设计好的代码，使用多波长紫外投影系统按加工零件的截面信息逐层对光敏材料进行投影固化，每层截面上不同点按照提前设计好的编码0、1、2进行不同紫外光的投影照射固化，逐层累加最终形成打印样品。该样品在不同部位存在性能差异，在使用过程中可随环境的变化，在不同部位产生不同程度的应激响应，宏观上产生变形，扭转等。环境的变化包括温度的变化，光照的变化或者电磁场的变化等。
目前国际上普遍采用的4D打印技术主要是有两类：采用多喷头和双材料交替固化打印。多喷头多材料4D打印需要用到至少两种材料并且打印过程中频繁切换喷头，导致打印速度慢，而且喷头容易堵塞、维护复杂、故障率高；双材料交替固化4D打印需要频繁更换材料池，而且每次更换时需要清洗样品表面，去除表面残留的上一种材料。工艺繁琐，打印速度缓慢。
为了打印一块能够在温度变化时自行折叠为立方体的平板，首先需要搭建一套可快速切换紫外波长的光固化系统，该系统工作原理如图1所示：先在上位机1完成样品三维模型的设计建模，然后进行切片处理，之后将切片信息以及编程信息传递给DLP投影模块和运动控制模块；DLP投影模块结合编程信息将得到的模型切片逐层投影到打印模块的料槽8中，借助DLP投影模块的UV光源5、紫外波长选择器6以及DMD芯片4，实现材料单层的可编程打印。高精度线性导轨10和步进电机11带动托放被打印产品的托盘9做Z轴方向高精度的运动，使未打印材料填充到已经固化好的材料表面以继续进行下一单层的可编程打印。如此往复，完成整个被打印产品的打印。其中，紫外波长选择器6具体如图2所示，其上不同的扇形分区使用不同的窄带滤波片来选择透过不同波长的紫外线，以实现4D打印的多波长投影功能；UV光源5发出的紫外光透过紫外波长选择器6照射到DMD芯片4上，DMD芯片4根据切片信息控制其上每一个微镜片，形成准确的投影图形，经过成像光学器件7投影到料槽8中，实现材料的单层打印。
利用上述4D打印系统打印一块能够在温度变化时自行折叠为立方体的平板时，需要具体实施以下步骤：
一、材料选择：为了打印一块能够自行折叠为立方体的平板，选择一种合适的光敏材料，该光敏材料在不同紫外光固化后具有不同的热膨胀系数，以该种材料4D打印所要求的平板时，只要使用不同波长的紫外光对平板不同部位进行固化打印，就可使平板不同部位具有不同的热膨胀系数，由于外界环境温度的变化可以产生不同程度的形变，最终能够使平板弯折成为一个立方体。
二、多波长的选择：根据步骤一中材料的特性，选择两种不同波长的紫外线UVA(波长320nm)和UVB(波长290nm)，步骤一中所选材料在被UVA固化后将具有不同于被UVB固化后的热膨胀系数。相应的，上述光固化系统中紫外波长选择器6上带通滤波片可选用XHQA320和XHQA290，DMD可选DLP9500UV，光源选择UVLED光源(可发射290nm和320nm的紫外光)。
三、样品的设计与编程：建立平板的三维模型并将其进行切片处理，得到一系列二维平面图形。根据样品的性能需求，确定每一平面图形上不同位置点的照射波长。如图3所示，先在上位机1建立平板的三维模型，然后将其进行切片处理；为了使平板在温度变化时能够自行折叠为立方体，弯折处内外表面需要具有不同的热膨胀系数，而且在厚度方向，热膨胀系数是渐变的，保证弯折后表面平顺。根据这样的功能需求，对弯折处进行编程，即弯折处内表面全部采用UVA照射(以代码“1”表示)，如图3右侧最上面的示意图所示；弯折处外表面全部采用UVB照射(以代码“2表示”)，如图3右侧最下面的示意图所示；而弯折处内外表面之间的每一层采用不同比例UVA和UVB混合照射，如图3右侧中间的示意图所示，两者照射区域的分布方式经过设计，能够保证弯折后表面平顺。最后将编程内容，即程序，写入光固化系统的DLP投影模块。
四、进行固化：固化过程示如图4所示，依步骤三所述，对模型进行分层计算并根据精度需求生成对应的分层图像，每层图像还包含相应的编程内容，之后将切片信息传递给DLP投影模块，DLP投影模块会根据分层图像以及每层图像的编程内容控制DMD芯片4投影固化被打印材料的上表面，靠近上表面的被打印材料薄层在受到紫外光照射后，会发生光聚合反应，而该层上每一像素点的照射波长已经经过编程，这样就形成对应分图像的已编程薄层，此时，单层固化工作完毕，接着用来托放被打印产品的托盘9向下移动－定距离，让编程好的被打印材料上补充未被编程的被打印材料，而后控制托盘9移动，使得顶面补充的液体材料厚度和分层精度保持一致，使用刮板将被打印材料刮平，即可进行下一层的固化工作，如此反复直至整个样品完成。
经过步骤四光固化形成的打印样品在室温时为一平板，如图5左下角所示，弯折处内外表面及中间各层由不同波长的紫外线进行固化，如图5中局部放大图所示，因此弯折处各层具有不同的热膨胀系数，当温度升高时，各层产生不同的应变，宏观上表现为弯折处弯曲90°，最终各个弯折处的弯曲使得平板折叠成一个正方体；降温时，正方体又可恢复为一块平板，如图5中下侧所示。

Claims (6)

1.一种利用多波长紫外投影的可编程4D打印方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
一、选择打印材料：根据被打印产品的功能设计，选择固化性能对紫外波段内不同波长具有选择性的光敏材料，该光敏材料在被不同波长紫外线固化后会产生性能上的差异；
二、多波长的选择：根据样品的功能需求并考虑步骤一所选打印材料的特性，选择含有所需波长的光源及分别透过这些波长的滤光片；
三、被打印产品设计与编程：在上述步骤的基础上，先根据被打印产品的功能需求在计算机中完成被打印产品零件三维模型的设计建模，确定被打印产品在不同位置所应具备的性能；然后进行切片处理运算，将三维模型分割为一系列二维平面图像；之后根据被打印产品在不同位置所应具备的性能以及光敏材料固化后性能与固化波长的对应关系，依次确定每层投影图形的每一位置点所采用的固化波长；最终，整个被打印产品上不同位置点的固化波长都被确定下来，从而实现对整个被打印产品不同位置性能的“编程”，并将“程序”写入可快速切换紫外波长的光固化系统的DLP投影模块；该编程过程，也即对被打印产品的不同位置点固化波长的选择，是根据被打印产品的性能设计而进行的，当性能设计发生改变，只需调整编程内容，重新对每一位置点所采用的固化波长进行确定，便能利用同样的流程打印出不同的样品，这种工艺流程会使样品打印过程更加方便高效；
四、根据编程内容对每层材料进行投影固化：使用可快速切换紫外波长的光固化系统，根据步骤三的编程内容，按加工零件的截面信息依次对每一层材料进行投影固化直至完成整个被打印产品的固化；每一层不同位置点的材料因不同波长的紫外线照射固化而产生性能上的差异，整个被打印产品上的不同位置也就有了不同的性能，其在使用过程中会由于某一时刻环境中相关因素的变化，在不同位置对外界激励产生不同程度的应激响应，宏观上产生伸缩、弯曲、扭转等变形。
2.根据权利要求1所述的一种利用多波长紫外投影的可编程4D打印方法，其特征在于：步骤四所述可快速切换紫外波长的光固化系统包括上位机、DLP投影模块、运动控制模块和打印模块；
所述上位机(1)进行被打印产品的三维模型的设计建模，并将三维模型进行切片处理，将所得到的切片信息传输给运动控制模块和DLP投影模块；
所述DLP投影模块包括UV光源(5)、紫外波长选择器(6)、DMD芯片(4)、DLP数字控制器(3)、微动控制单元(2)以及成像光学器件(7)；UV光源(5)发射的紫外光透过紫外波长选择器(6)，照射到DMD芯片(4)上，由DMD芯片(4)反射后通过成像光学器件(7)投影到打印模块中的料槽(8)中对材料进行固化打印；其中DMD芯片(4)是由多个微镜组成的单元阵列，其中每一个微镜都有开和关两种状态；投影模块中DLP数字控制器(3)负责将上位机(1)输入的切片信息处理转化为DMD芯片(4)上每一个微镜的状态编码，微动控制单元(2)根据DLP数字控制器(3)生成的编码在运动控制模块(13)的控制下实现每一个微镜的开或关，最终形成准确的切片投影图形，完成样品的单层打印固化；
为了完成整个样品的打印，在完成样品的单层打印固化后，需要使料槽(8)中未打印材料覆盖到已经固化好的材料表面以继续进行下一单层的可编程打印，这个过程由打印模块实现；所述打印模块包括料槽(8)，固定在料槽(8)上的线性导轨(10)，与线性导轨(10)连接并控制其运动的步进电机(11)，用来托放被打印产品的托盘(9)通过支架固定在高精度线性导轨(10)上；在打印模块中步进电机(11)和高精度线性导轨(10)耦合控制高精度线性导轨(10)运动，用来托放被打印产品的托盘(9)能够随高精度线性导轨(10)一起沿Z轴方向上下运动；运动控制模块(13)根据上位机传输的切片信息决定每一层固化后托盘(9)需要沿Z轴方向运动的距离，通过电机控制器(12)准确控制步进电机(11)的转动步数，与步进电机(11)耦合的高精度线性导轨(10)带动托盘(9)完成Z轴方向上的高精度运动，使打印材料以单层的厚度覆盖到被打印产品已固化部分表面，以继续进行下一单层的打印。
3.根据权利要求2所述的一种利用多波长紫外投影的可编程4D打印方法，其特征在于：所述紫外波长选择器(6)上不同的扇形分区使用不同的窄带滤波片来选择透过不同波长的紫外线，以实现4D打印的多波长投影功能。
4.根据权利要求2所述的一种利用多波长紫外投影的可编程4D打印方法，其特征在于：所述DMD芯片(4)中微镜的数量为1024×768、1600×900或1920×1080。
5.根据权利要求1所述的一种利用多波长紫外投影的可编程4D打印方法，其特征在于：整个4D打印过程是用不同波长紫外线对同一种材料进行固化，因此流程更简单，打印效率更高。
6.根据权利要求1所述的一种利用多波长紫外投影的可编程4D打印方法，其特征在于：如果以0、1、2分别代指“不用紫外线照射”、“以A波长紫外线UVA照射”、“以B波长紫外线UVB照射”，那么对材料的编程就是根据被打印产品具体的性能确定不同位置各个点是0，是1还是2；宏观上看，代码0、1、2依附于被打印产品的不同点而形成一个完整的“代码表”，根据这个代码表对样品不同位置的各个点实施“不用紫外线照射”、“以A波长紫外线UVA照射”、“以B波长紫外线UVB照射”中的一种，最终得到满足性能需求设计打印样品。
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