CN111572019A - 基于声表面波的形状记忆复合构件可控变形三维打印方法 - Google Patents

基于声表面波的形状记忆复合构件可控变形三维打印方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于声表面波的形状记忆复合构件可控变形三维打印方法。两对声表面波换能器在打印液槽周围正交排列，形状记忆光敏材料和银纳米颗粒混合成的光敏预聚物装在处于换能器工作区域内的打印液槽中，紫外光投影系统位于换能器下方，将调制有图案的紫外光投影在光敏预聚物下表面，打印平台安装于电动z轴平移台上；声表面波换能器激发出超声能场，光敏预聚物中的银纳米颗粒在声场力的作用下呈线性排布，有图案的紫外光照射在光敏预聚物表面，选择性区域固化得到具有复杂纳米银线图案的单层结构，通过z轴平台的抬升实现多层打印。本发明能实现可精确控制局部变形的形状记忆复合构件的制造。

Description

基于声表面波的形状记忆复合构件可控变形三维打印方法
技术领域
本发明涉及快速成形技术的一种可控变形三维打印方法和装置，尤其涉及一种基于声表面波的可控变形区域形状记忆复合构件三维打印方法及装置。
背景技术
以智能材料为对象的三维打印技术正在作为下一代增材制造技术出现，该技术将形状转换纳入了结构设计中，可以在外部刺激下对打印物体进行形式或功能上的重新编程。该技术制造的智能复合构件能够响应光、热等外界刺激，自动发生形状及结构变化，实现自组装、自折叠的功能。
广泛采用的智能复合材料构件制造方法为多层材料粘合技术及三维打印技术等。多层材料粘合技术通过将在外界刺激下产生不同响应的几种材料层粘合在一起，使构件在外界刺激作用下整体结构产生预期的变化。但该方法需要手工粘合材料层，工艺复杂，且产生的结构变形较难控制，应用范围窄。三维打印技术制造的智能材料构件能够实现一体化成型，但由于采用单一材料打印整体结构，在受到外界刺激时构件会发生整体变形，难以实现对结构变化的准确编程。
综上所述，现有技术中缺少一种工艺简单快速、变形响应区域精确可控的形状记忆智能复合材料构件的制造方法。
发明内容
为解决常规智能复合材料制造方法和设备存在的问题，利用超声能场中微粒在声场力作用下呈线性排列的物理规律，结合光固化三维打印技术，本发明提出了一种基于声表面波辅助的可控变形区域形状记忆复合结构的三维打印制造方法，可精确控制三维打印形状和变形区域。
本发明利用两对声表面波换能器激发的超声能场，使光敏预聚物中的银纳米颗粒呈线性排列，利用紫外光投影仪出射的调制有图案的紫外光照射在光敏预聚物上使其选择性固化，得到具有复杂银纳米导线图案的形状记忆复合构件。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一、一种基于声表面波的形状记忆复合构件可控变形三维打印方法，包括以下各步骤：
1)在打印液槽周围布置两对声表面波换能器，两对声表面波换能器在正方形的打印液槽周围呈相互垂直正交布置，使打印液槽作为声表面波换能器的工作区域，形成超声能场；
2)将带有银纳米颗粒的光敏预聚物搅拌均匀后加入打印液槽，位于工作区域上方的电动z轴平移台下降，电动z轴平移台上固定安装打印平台，打印平台用于粘附已成形的三维结构，使打印平台与打印液槽底面之间形成单层液膜的间隙；
通过声表面波换能器工作产生超声能场，超声能场驱动液态光敏预聚物中的银纳米颗粒形成银纳米线分布；
打印平台实际为一块前端有正方体形状打印头的平板，正方体打印头底面作为打印底面，倒置进行三维打印。
3)紫外光投影系统出射调制有图案的紫外光照射到打印液槽的工作区域，具体照射在银纳米颗粒稳定分布的光敏预聚物下表面，根据图案选择部分有银纳米线的区域让紫外光透过固化光敏预聚物，即能透过图案的紫外光照射并使得光敏预聚物固化，银纳米颗粒形成的银纳米线被固化后的光敏预聚物封装；
4)关闭声表面波换能器，电动z轴平移台带动打印平台抬升而离开液态的光敏预聚物表面，搅拌打印液槽中液态的光敏预聚物使其中的银纳米颗粒分散均匀，使得银纳米线恢复为分散的银纳米颗粒；
电动z轴平移台再次下降到相同高度，即使得打印平台下降与打印液槽底面之间形成单层液膜的间隙，紫外光投影系统出射调制有不同图案的紫外光照射到打印液槽的工作区域，在不形成银纳米线情况下根据设计图案选择除了步骤3)已经被固化区域以外的局部区域让紫外光透过并固化光敏预聚物，在打印平台底面获得了具有设计图案且带有银纳米线的单层结构，单层结构固定粘附于打印平台底面；
所述的单层结构是由3)中固化的含有银纳米线的光敏预聚物结构和4)中固化的不含银纳米线的光敏预聚物结构共同组成的。
5)电动z轴平移台带动打印平台抬升，使粘附在打印平台底面的单层结构与打印液槽底面分离，并使得打印平台最低一层的单层结构底面与打印液槽底面之间形成单层液膜的间隙作为下一层液膜，通过声表面波换能器工作产生超声能场，超声能场驱动液态的光敏预聚物中的银纳米颗粒形成银纳米线分布；
6)不断重复步骤3)、4)和5)进行多个单层结构的打印制作，实现具有三维嵌入式银纳米导线的形状记忆复合构件的制造；
7)对形状记忆复合构件中的银纳米线部分引出到外部电源通电，使得银纳米线部分产生热量，银纳米线周围的光敏预聚物固化结构升温，当光敏预聚物固化结构达到临界温度时变为柔软的弹性体，通过外力作用以银纳米线为中心轴折叠所制造的形状记忆复合构件，折叠完成后对形状记忆复合构件的银纳米线部分断电，形状记忆复合构件逐渐冷却到临界温度以下并保持折叠后的形状；
8)对形状记忆复合构件中的银纳米线部分再次通电加热，在银纳米线周围的光敏预聚物固化结构达到临界温度时，形状记忆复合构件在不受外力作用的情况下恢复原始形状。
由此还可以不断重复上述步骤实现形状记忆复合构件的不断反复变形和调整。
所述的图案仅分为透光和不透光的两种区域，紫外光透过透光的区域后照射到光敏预聚物使得光敏预聚物固化，紫外光照射到不透光的区域后无法透过而不能照射到光敏预聚物，固化的光敏预聚物中包含有局部的银纳米线或者全部的银纳米线。
通过声表面波换能器工作产生超声能场，超声能场驱动液态光敏预聚物中的银纳米颗粒线性分布形成银纳米线，具体为：将信号发生器与声表面波换能器连接，通过信号发生器调节声表面波换能器输出信号的幅值和频率，使声表面波换能器在工作区域即打印液槽激发出稳定的超声能场，处于液态光敏预聚物中的银纳米颗粒能自由移动，因此受超声能场驱动稳定分布成均匀地线性平行阵列排布的银纳米线。银纳米线有多条且平行布置。
所述步骤2)中，通过调节信号发生器的输出频率、振幅、相位能实现复杂设计图案的银纳米线分布，具体从以下几个方面进行调整；通过调整输出频率调节超声能场周期性，进而改变周期性纳米银线的分布周期；通过调整输出电压调节超声能场的强度，进而改变银纳米颗粒的聚集密度；通过调整输出相位调节超声能场的相位，进而改变银纳米线整体在工作区域的成形位置。
通过独立调节每对声表面波换能器的工作状态，调节不同形态的银纳米线的分布，进而根据设计图案选择性照射的紫外光能实现复杂形状银纳米线结构的制造，其中固化的光敏预聚物中的银纳米线连通为同一导线。
通过调整紫外光投影仪出射的紫外光图案，使不同宽度的银纳米线所在区域的光敏预聚物被固化，进而实现不同宽度银纳米线的制造，改变整条银纳米线的电阻，调节银纳米线的电阻使银纳米线在通电时发出不同的热量，使银纳米线周围的光敏预聚物固化结构以不同速度升温达到临界温度。
由此，通过调节信号发生器的输出频率、振幅、相位以及每对声表面波换能器的工作状态与紫外光固化区域，能实现复杂的银纳米线分布。
二、一种基于声表面波的形状记忆复合构件可控变形三维打印装置：
包括置于光学隔振平台上的电动z轴平移台、打印液槽、两对声表面波换能器和紫外光投影系统；两对声表面波换能器在无色透明的压电晶片上并分布在打印液槽周围，两对声表面波换能器在打印液槽周围呈相互垂直正交布置，光敏预聚物和银纳米颗粒置于打印液槽内，声表面波换能器向打印液槽中心发射超声波以形成超声能场，紫外光投影系统安装在打印液槽下方，紫外光投影系统出射带有图案的紫外光透过压电晶片投影到打印液槽下表面，电动z轴平移台位于打印液槽上方，电动z轴平移台上安装有打印平台。
一对声表面波换能器是主要由对称布置在打印液槽两侧的叉指型金属电极构成。
所述的光敏预聚物主要为形状记忆光敏材料聚已内酯，光敏预聚物与银纳米颗粒混合后填充入打印液槽中。
本发明通过独立控制两对换能器输出声波的频率、相位、幅值及处于开启或关闭的工作状态，能得到具有不同排列形状的银纳米颗粒线。进一步结合投影式光固化三维打印机的选择性区域光固化特性，能制造获得具有复杂纳米银线图案的单层复合结构。进一步结合电动z轴平移台升降运动，能实现具有嵌入式三维纳米银导线的形状记忆复合构件快速成形。
本发明具有的有益效果是：
本发明利用形状记忆材料在达到临界温度刺激下能发生形状变化的特性，通过对银纳米导线通电使其周围区域升温，能实现对形状记忆复合构件变形的局部区域精确控制。
本发明利用超声能场作用下微粒呈线性分布这一物理规律，结合选择性紫外光固化，能制造具有复杂结构嵌入式三维纳米银导线的形状记忆复合构件，能够实现形状记忆复合构件变形区域的精确控制，并且一体化成形，具有制造工艺简单和成形精度高的特点，精度可达微米级别。
本发明所用设备简单，装置具有较高灵活性，因此制造成本低。
附图说明
图1是本发明的装置示意图。
图2是两对声表面波换能器俯视图。
图3是开启一对声表面波换能器形成的银纳米颗粒线性排布结构图。
图4是开启一对声表面波换能器制造的单层纵向银纳米线结构图。
图5是开启第二对声表面波换能器制造的单层横向银纳米线结构图。
图6是单层整体结构图。
图7是通电后外力作用下折叠其中一个面的过程图。
图8是通电后外力作用下最终折叠而成的结构图。
图中：1、电动z轴平移台，2、打印液槽，3、声表面波换能器，4、紫外光投影系统，5、压电晶片，6、金属电极。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，装置置于光学隔振平台上，装置包括置于光学隔振平台上的电动z轴平移台1、打印液槽2、两对声表面波换能器3和有紫外固化灯的紫外光投影系统4；两对声表面波换能器3在无色透明的压电晶片5上并分布在打印液槽2周围，两对声表面波换能器3在正方形的打印液槽2周围呈相互垂直正交布置，光敏预聚物和银纳米颗粒置于无色透明的压电晶片中心的打印液槽2内，声表面波换能器3向打印液槽2中心发射超声波以形成超声能场，光敏预聚物中的银纳米颗粒在超声能场的声场力作用下呈线性分布，形成均匀的条纹状排列；紫外光投影系统4安装在打印液槽2下方，紫外光投影系统4出射带有图案的紫外光透过压电晶片5投影到打印液槽2下表面，使打印液槽2中图案中透过紫外光被照射到的光敏预聚物固化，用于使超声能场激发条纹状排列的纳米颗粒线区域选择性固化，形成复杂的图案；电动z轴平移台1位于打印液槽2上方，电动z轴平移台1上安装有下端具有正方体形状打印头的打印平台，打印头的底面用于粘附光敏预聚物固化成形后获得的三维结构。电动z轴位移台用于使固化结构粘附在其上，并通过打印平台上移实现连续多层结构制造。
一对声表面波换能器3主要由对称布置在打印液槽2两侧的叉指型金属电极6构成。两对声表面波换能器3分别控制打印液槽2中的银纳米颗粒形成两种不同方向相互垂直的银纳米线分布。
如图2所示，声表面波换能器3由压电晶片5和金属电极6组成，圆形的无色透明压电晶片5安装于水平透明板上，光敏预聚物置于压电晶片5中心区域的打印液槽2中，金属电极6在压电晶片5上沿打印液槽2四周等间隔阵列分布，金属电极6为叉指电极，两侧对称的金属电极6及其下方区域的压电晶片5组成一对声表面波换能器3。
投影系统中紫外光固化灯发射的紫外光经数字光处理芯片调制后形成带有特定图案的出射光，依次穿过水平透明板和无色透明的压电晶片后照射在光敏预聚物的下表面，使具有银纳米颗粒形成的条纹状结构的光敏预聚物选择性固化。
具体实施的光敏预聚物主要为形状记忆光敏材料聚已内酯，光敏预聚物与银纳米颗粒混合后填充入打印液槽2中，形成以形状记忆材料聚已内酯为基底材料，以银纳米颗粒为功能材料的混合材料。
在未固化前，光敏预聚物为液态；在固化后，光敏预聚物为固态。
在常温下，聚已内酯固化成的构件是具有蜡质表面的刚性体；在高于临界温度时，聚已内酯固化成的构件变得柔软且具有弹性。在这种情况下，可以通过冷却到临界温度以下来固定施加到结构的任何变形，对结构进行重新加热可恢复原始打印形状。聚已内酯的临界温度为55℃。
本发明的实施例及其实施过程如下：
首先，装置制造如下：
A)在铌酸锂(LiNO3)压电晶片5上旋涂一层正性光刻胶，烘干后采用预先设计制作的掩膜板进行掩膜曝光，洗去光刻胶后在压电晶片5上得到与金属电极6形状相同的无胶区域；采用磁控溅射机在有光刻胶图案排布的LiNO3晶片沉积一层金属铝，依次采用丙酮和无水乙醇浸泡晶片，去除残留的光刻胶及附着在光刻胶表面的铝膜，获得声表面波换能器3。
B)将声表面波换能器3、模块化的电动z轴平移台1、打印液槽2、紫外光投影系统4按照图1中的顺序进行安装。
其次，形状记忆复合构件成形过程如下：
1)将带有银纳米颗粒的形状记忆光敏预聚物摇匀后加入打印液槽，位于工作区域上方的电动z轴滑台下降，使打印平台与打印液槽底面之间形成单层液膜。
2)将信号发生器与声表面波换能器连接，开启一对声表面波换能器，调节输出信号的幅值和频率使换能器在打印液槽区域激形成稳定的超声能场，银纳米颗粒在超声能场中均匀地排列成行，如图3所示。
3)采用数字光处理芯片调制的带有图案的紫外光照射在银纳米颗粒稳定分布的光敏树脂表面，选择性固化部分有银纳米线的区域可制造如图4所示的纵向银纳米线。通过仅有两条平行纵向线段透光的设计图案进行选择性固化，使得仅与两条线段所在区域重合的纵向银纳米线周围光敏树脂固化；
4)然后关闭一对声表面波换能器，开启另一对声表面波换能器可制造如图5所示的横向银纳米线。通过与之前两条线段相垂直的另外两条线段区域透光的图案进行选择性固化，使得与新的两条线段所在区域重合的横向银纳米线周围光敏树脂固化。
5)关闭声表面波换能器3，电动z轴平移台1带动打印平台抬升而离开液态的光敏预聚物表面，搅拌打印液槽2中液态的光敏预聚物使其中的银纳米颗粒分散均匀，使得银纳米线恢复为分散的银纳米颗粒；
构建十字形布置的四个矩形块图案，通过紫外光投影将两条纵向银纳米和两条纵向银纳米线所围成的矩形的中心和四周的其他部分固化，获得具有如图6所示银纳米线图案的单层复合结构。
6)电动z轴平移台抬升一层距离，使单层结构与打印液槽底面分离，并形成第二层液膜，实现具有三维嵌入式银纳米导线的形状记忆复合构件的连续制造。
接着，可控变形区域的形状记忆复合构件变形过程如下：
a)在银纳米导线两端通电使其产生热量，银纳米线周围区域的形状记忆材料升温达到临界温度后软化，其他区域仍为刚体，施加外力以银纳米线为中心轴将复合构件折叠成如图7所示的正方体。
b)断开电源，持续施加外力，随着银纳米线周围区域逐渐冷却低于临近温度，撤掉外力后复合构件保持正方体形状。
c)再次在银纳米导线两端通电使银纳米线周围区域达到临界温度，复合构件自动展开成最初打印的平面结构。

Claims (9)

1.一种基于声表面波的形状记忆复合构件可控变形三维打印方法，其特征在于包括以下各步骤：
1)在打印液槽(2)周围布置两对声表面波换能器(3)，两对声表面波换能器(3)在打印液槽(2)周围呈相互垂直正交布置，使打印液槽(2)作为声表面波换能器的工作区域，形成超声能场；
2)将带有银纳米颗粒的光敏预聚物搅拌均匀后加入打印液槽(2)，位于工作区域上方的电动z轴平移台(1)下降，电动z轴平移台(1)上固定安装打印平台，使打印平台与打印液槽(2)底面之间形成单层液膜的间隙；通过声表面波换能器(3)工作产生超声能场，超声能场驱动液态光敏预聚物中的银纳米颗粒形成银纳米线分布；
3)紫外光投影系统(4)出射调制有图案的紫外光照射到打印液槽(2)的工作区域，根据图案选择部分有银纳米线的区域让紫外光透过固化光敏预聚物，即能透过图案的紫外光照射并使得光敏预聚物固化，银纳米颗粒形成的银纳米线被固化后的光敏预聚物封装；
4)关闭声表面波换能器(3)，电动z轴平移台(1)带动打印平台抬升而离开液态的光敏预聚物表面，搅拌打印液槽(2)中液态的光敏预聚物使其中的银纳米颗粒分散均匀，使得银纳米线恢复为分散的银纳米颗粒；电动z轴平移台(1)再次下降到相同高度，紫外光投影系统(4)出射调制有不同图案的紫外光照射到打印液槽(2)的工作区域，在不形成银纳米线情况下根据设计图案选择除了步骤3)已经被固化区域以外的局部区域让紫外光透过并固化光敏预聚物，在打印平台底面获得了具有设计图案且带有银纳米线的单层结构，单层结构固定粘附于打印平台底面；
5)电动z轴平移台(1)带动打印平台抬升，使粘附在打印平台底面的单层结构与打印液槽(2)底面分离，并使得打印平台最低一层的单层结构底面与打印液槽(2)底面之间形成单层液膜的间隙通过声表面波换能器(3)工作产生超声能场，超声能场驱动液态的光敏预聚物中的银纳米颗粒形成银纳米线分布；
6)不断重复步骤3)、4)和5)进行多个单层结构的打印制作，实现具有三维嵌入式银纳米导线的形状记忆复合构件的制造；
7)对形状记忆复合构件中的银纳米线部分引出到外部电源通电，使得银纳米线部分产生热量，银纳米线周围的光敏预聚物固化结构升温，当光敏预聚物固化结构达到临界温度时变为柔软的弹性体，通过外力作用以银纳米线为中心轴折叠所制造的形状记忆复合构件，折叠完成后对形状记忆复合构件的银纳米线部分断电，形状记忆复合构件逐渐冷却到临界温度以下并保持折叠后的形状；
8)对形状记忆复合构件中的银纳米线部分再次通电加热，在银纳米线周围的光敏预聚物固化结构达到临界温度时，形状记忆复合构件在不受外力作用的情况下恢复原始形状。
2.根据权利要求1所述的一种基于声表面波的形状记忆复合构件可控变形三维打印方法，其特征在于：所述的图案仅分为透光和不透光的两种区域，紫外光透过透光的区域后照射到光敏预聚物使得光敏预聚物固化，紫外光照射到不透光的区域后无法透过而不能照射到光敏预聚物。
3.根据权利要求1所述的一种基于声表面波的形状记忆复合构件可控变形三维打印方法，其特征在于：通过声表面波换能器(3)工作产生超声能场，超声能场驱动液态光敏预聚物中的银纳米颗粒线性分布形成银纳米线，具体为：将信号发生器与声表面波换能器(3)连接，通过信号发生器调节声表面波换能器(3)输出信号的幅值和频率，使声表面波换能器(3)在工作区域即打印液槽(2)激发出稳定的超声能场，处于液态光敏预聚物中的银纳米颗粒受超声能场驱动稳定分布成均匀地线性平行阵列排布的银纳米线。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于声表面波的形状记忆复合构件可控变形三维打印方法，其特征在于：所述步骤2)中，通过调节信号发生器的输出频率、振幅、相位能实现设计图案的银纳米线分布，具体从以下几个方面进行调整；通过调整输出频率调节超声能场周期性，进而改变周期性纳米银线的分布周期；通过调整输出电压调节超声能场的强度，进而改变银纳米颗粒的聚集密度；通过调整输出相位调节超声能场的相位，进而改变银纳米线整体在工作区域的成形位置。
5.根据权利要求1所述的一种基于声表面波的形状记忆复合构件可控变形三维打印方法，其特征在于：通过独立调节每对声表面波换能器(3)的工作状态，调节不同形态的银纳米线的分布，进而根据设计图案选择性照射的紫外光能实现复杂形状银纳米线结构的制造，其中固化的光敏预聚物中的银纳米线连通为同一导线。
6.根据权利要求1所述的一种基于声表面波的形状记忆复合构件可控变形三维打印方法，其特征在于：通过调整紫外光投影仪出射的紫外光图案，使不同宽度的银纳米线所在区域的光敏预聚物被固化，进而实现不同宽度银纳米线的制造，改变整条银纳米线的电阻，调节银纳米线的电阻使银纳米线在通电时发出不同的热量，使银纳米线周围的光敏预聚物固化结构以不同速度升温达到临界温度。
7.用于实施权利要求1-6任一所述方法的一种基于声表面波的形状记忆复合构件可控变形三维打印装置，其特征在于：包括置于光学隔振平台上的电动z轴平移台(1)、打印液槽(2)、两对声表面波换能器(3)和紫外光投影系统(4)；两对声表面波换能器(3)在无色透明的压电晶片(5)上并分布在打印液槽(2)周围，两对声表面波换能器(3)在打印液槽(2)周围呈相互垂直正交布置，光敏预聚物和银纳米颗粒置于打印液槽(2)内，声表面波换能器(3)向打印液槽(2)中心发射超声波以形成超声能场，紫外光投影系统(4)安装在打印液槽(2)下方，紫外光投影系统(4)出射带有图案的紫外光透过压电晶片(5)投影到打印液槽(2)下表面，电动z轴平移台(1)位于打印液槽(2)上方，电动z轴平移台(1)上安装有打印平台。
8.根据权利要求7所述的一种基于声表面波辅助的可控变形区域形状记忆复合结构的三维打印装置，其特征在于：一对声表面波换能器(3)是主要由对称布置在打印液槽(2)两侧的叉指型金属电极(6)构成。
9.根据权利要求7所述的一种基于声表面波辅助的可控变形区域形状记忆复合结构的三维打印装置，其特征在于：所述的光敏预聚物主要为形状记忆光敏材料聚已内酯，光敏预聚物与银纳米颗粒混合后填充入打印液槽(2)中。
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