CN112140535A - 一种基于4d打印的可调声学超材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于4D打印的可调声学超材料制备方法。包括以下步骤:将表面改性的四氧化三铁粉末、气相二氧化硅粉末和光固化树脂按照特定比例搅拌均匀，得到磁性树脂复合材料；利用三维软件构建待成型可调声学超材料的三维模型，将三维模型STL文件导入切片软件中按照设定的参数进行切片处理；将磁性树脂复合材料倒入光固化打印机树脂槽中开始打印；最终得到在外加磁场刺激下，改变磁铁空间位置或者大小，远程控制可调声学超材料的旋转角度或者变形角度变化，从而达到声波方向的异常反射和吸收两者之间灵活切换，通过本发明制备的可调声学超材料结构具有远程驱动旋转能力，响应速度快、成型精度高、成本低廉等优点。

Description

一种基于4D打印的可调声学超材料的制备方法

技术领域

本发明属于增材制造领域，更具体地，一种基于4D打印的旋转可调声学超材料制备方法。

背景技术

随着增材制造领域对构件的性能方面要求越来越高，智能构件得到了广泛的关注和发展，它可以在在外界刺激下，自身的形状、性能、功能可以发生可控变化。目前，3D打印技术在医疗、航天等诸多领域得到广泛的应用。但是，传统的增材制造技术打印出的结构往往不具备智能特性，极大的限制了发展和应用。由此衍生出4D打印技术，主要通过对增材制造所使用材料进行研究，所成型的智能构件可以随着时间的推移，在外界刺激下，发生形状、性能、功能的可控变化。对其深入研究，必将加快推动智能结构、智能制造的发展，具有重要的科学意义和价值。

声学超材料是一种区别于传统材料，通过人工设计，具有负等效模量和负等效质量密度。它往往能够实现声波的负折射效应、声隐身、声学异常透射效应等新颖特性和功能，声学超材料具有吸声效果好，在军事等诸多领域得到了广泛应用。传统的声学超材料中，负等效模量和负等效质量密度是通过具有固定几何形状和固定空间位置的的定制结构来设计的，一旦制备完成，在空间中的位置和形状无法在外界刺激作用下改变，使功能单一化，不能实现多功能之间的可逆灵活切换。根据外界环境的变化作出响应，那么这样的智能声学超材料将会极大拓宽应用领域。2018年，Kunhao Yu等人制备了一种设计了一种可以在外加磁场下实现单负和双负之间的灵活切换的磁致动声学超材料，利用投影立体光刻法制备水溶性中空支架结构，将磁流变弹性体注入结构通道中固化，利用氢氧化钠溶液溶解支架，得到八隅位桁架晶格结构。但是制备工艺较为复杂，生产周期长，表面精度较低。光固化3D打印技术具有能够制造复杂结构、制造周期短、成本低、等诸多优势，被广泛应用于声学超材料制造中。所以本发明提供了一种基于4D打印的可调声学超材料制备方法。

发明内容

针对现有技术的以上缺点和改进需求，本发明提供一种基于4D打印的可调声学超材料制备方法。通过采用光固化打印成型技术制备的可调声学超材料，制备获得的可调声学超材料在外加磁场刺激下，远程控制可调声学超材料的旋转角度或者变形角度变化，实现两种功能之间的快速切换。由此解决了可调声学超材料生产制造中工艺复杂、成本相对较高、成型表面精度较低等缺陷，达到可以在外界环境作用下，做出快速响应，改变可调声学超材料在空间中位置，实现功能之间灵活切换。

为实现上述目的，按照本发明提供一种基于4D打印的可调声学超材料制备方法，该方法包括下列步骤：

(a)仿真设计可调声学超材料，使用三维建模软件对所设计的可调声学超材料进行建模，导出STL文件。

(b)磁性树脂配置：经硅烷偶联剂表面改性后的四氧化三铁粉末、气相二氧化硅为增稠剂，405nm波段光固化树脂，机械搅拌混合均匀，制备好的磁性树脂静置1以完全消除气泡。

(c)进行光固化3D打印，首先将打印模型STL文件导入与打印机配套的切片软件中，调整打印参数并对模型进行切片处理，全部参数设置完成后，对3D打印机调平完成即可开始打印。

(d)打印完成后，使用酒精擦拭清理打印完成后的结构件，最终得到声学超材料成品。

(e)在1.1T磁感应强度的NdFeB磁铁作用下，将磁铁放置在距离超材料结构5mm处，从而驱动声学超材料发生旋转或者变形，从而实现改变可调声学超材料在空间中的角度变化，实现动态可调的功能。

进一步优选地，在步骤(b)中，所使用的四氧化三铁粉末平均粒子直径为20nm-200nm，四氧化三铁粉末添加量为1wt％-10％wt，气相二氧化硅添加量为0.2wt％-0.4wt％。

进一步优选地，在步骤(c)中，使用光固化3D打印中SLA/DLP/LCD成型原理4D打印制备可调声学超材料。

进一步优选地，在步骤(c)中，所述的打印参数所选用的切片层厚设置为5-100um，打印速度设置为50-200mm/s，光照强度设置为50-200。

进一步优选地，在步骤(e)中，在步骤(5)中，外加磁场刺激优选采用电磁铁或者磁铁。

本发明具有以下技术效果：

(1)本发明首次使用SLA成型技术打印出了可调声学超材料，光固化3D打印成型技术是3D打印领域中操作方便、价格低廉、制造方便、精度准确集一身的一项重要制造技术，其所使用的打印材料主要为405nm波段光敏树脂。

(2)本发明自主制备了可用于SLA打印的特制磁性树脂，可以保证打印的零件成功率高，结构紧密。

(3)本发明探究出了4D打印可调声学超材料的工艺参数，得到了高精度的可调声学超材料成品。

(4)本发明所提出的利用SLA打印技术直接成型制备可调声学超材料，克服了传统可调声学超材料生产制造复杂、精度低、成本高等缺点，从而降低了生产成本，简化了可调超材料的生产工艺，缩短了制造周期，实现在外界磁场作用下，做出快速响应，改变声学超材料在空间中角度变化，实现声波方向的异常反射和吸收两者之间灵活切换。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的可调声学超材料的4D打印方法的流程图。

图2是按照本发明的优选实施例一所构建的可调声学超材料受到外界磁场作用后驱动示意图。其中1-可调声学超材料；2-磁铁。

图3是按照本发明的优选实施例二所构建的可调声学超材料受到外界磁场作用后变形示意图。其中1-可调声学超材料；2-磁铁。

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，并不理解为本发明的范围仅限于以下实例。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。

参照图1所示，包括，按照比例配置磁性树脂材料，将待成型模型进行切片处理，利用光固化3D打印机打印三维模型形成可调超材料结构，在外加磁场刺激下，可调超材料实现动态调控。

参照图2所示，其中1-可调声学超材料；2-磁铁。可调声学超材料1在磁铁2的作用下，磁铁2放置在距离超材料1结构5mm处，磁铁2吸引，可调声学超材料1发生旋转进而实现角度的改变。

参照图3所示，其中1-可调声学超材料；2-磁铁。可调声学超材料1在磁铁2的作用下，磁铁2放置在距离可调超材料1结构5mm处，磁铁2吸引，可调声学超材料1中的梁结构发生变形弯曲，并与下表面直接接触。

实例一：

1.使用comsol仿真设计磁驱动旋转可调声学超材料结构，使用Solidworks、Catia等三维建模软件对所设计的磁驱动旋转可调声学超材料进行建模，并且导出打印机所需要的STL文件。

2.配置打印所需的磁性树脂，首先将0.2wt％气相二氧化硅作为增稠剂加入405nm波段刚性光固化树脂中，机械搅拌30min，然后依次将经硅烷偶联剂表面改性后平均粒子直径20nm的四氧化三铁粉末分批量加入405nm波段刚性光固化树脂中，本实例中的四氧化三铁粉末的添加量为8wt％，机械搅拌混合30min，制备好的磁性树脂静置1h以尽量完全消除气泡。

3.使用Gkmaker Box打印机进行打印，首先将打印模型STL文件导入与打印机配套的GKmaker切片软件中，调整打印参数并对模型进行切片处理，切片层厚设置为0.05mm，打印速度设置为100mm/s，光照强度设置为100，光斑直径设置为125um，打印过程中平台离型高度设置为15mm，底座支撑厚度0.1mm；全部参数设置完成后并对模型进行切片，之后调节基板与底面树脂槽平行并确定最佳的起始位置，为提高磁性树脂与成型平台之间的结合力，预先固化一层薄薄的纯树脂基底，接着将磁性树脂倒入液态树脂槽中开始打印。

4.使用酒精清理打印完成后的零件坯体，将零件坯体铲下后放入装有酒精的烧杯中进行清洗，清洗后用吹风机将表面残余的浆料和酒精去除，得到洁净的可调声学超材料单元结构。

5.将打印完成的四个相同尺寸形状的结构单胞利用固化胶连接到一起，组成一个整体。将整体结构的质心处粘接一个直径为15mm，高度为20mm的圆柱，再将圆柱与轴承座进行配合安装。

6.使用磁感应强度为1.1T的50*50*30mm的NdFeB磁铁，磁铁的作用面如图2所示，可调声学超材料结构在磁铁的作用下，通过调节改变磁铁与作用面的距离以及磁铁在空间中的位置，驱动可调声学超材料绕着质心旋转，从而实现改变可调声学超材料在空间中的角度变化，实现声波方向的异常反射和吸收两者之间灵活切换。

实例二：

1.使用comsol仿真设计可调声学超材料结构，使用Solidworks、Catia等三维建模软件对所设计可调声学超材料进行建模，并且导出打印机所需要的STL文件。

2.配置打印所需的磁性树脂，首先将0.2wt％气相二氧化硅作为增稠剂加入405nm波段柔性光固化树脂中，机械搅拌1h，然后依次将经硅烷偶联剂表面改性后平均粒子直径100nm的四氧化三铁粉末分批量加入405nm波段刚性光固化树脂中，本实例中的四氧化三铁粉末的添加量为5wt％，机械搅拌混合30min，制备好的磁性树脂静置3h以尽量完全消除气泡。

3.使用Gkmaker Box打印机进行打印，首先将打印模型STL文件导入与打印机配套的GKmaker切片软件中，调整打印参数并对模型进行切片处理，切片层厚设置为0.05mm，打印速度设置为100mm/s，光照强度设置为60，光斑直径设置为125um，打印过程中平台离型高度设置为15mm，底座支撑厚度0.1mm；全部参数设置完成后并对模型进行切片，之后调节基板与底面树脂槽平行并确定最佳的起始位置，为提高磁性树脂与成型平台之间的结合力，预先固化一层薄薄的纯树脂基底，接着将磁性树脂倒入液态树脂槽中开始打印。

4.使用酒精清理打印完成后的零件坯体，将零件坯体铲下后放入装有酒精的烧杯中进行清洗，清洗后用吹风机将表面残余的浆料和酒精去除，得到洁净的可调声学超材料结构。

5.使用磁感应强度为1.1T的50*50*30mm的NdFeB磁铁，磁铁的作用面如图3所示，可调声学超材料结构在磁铁的作用下，通过调节改变磁铁与作用面的距离以控制可调声学超材料作用面变形，从而实现改变声学超材料的梁角度改变，实现声波方向的异常反射和吸收两者之间灵活切换。

Claims (5)

1.一种基于4D打印的可调声学超材料的制备方法：其特征在于，具体步骤如下：

1)仿真设计可调声学超材料，使用三维建模软件对所设计的可调声学超材料进行建模，导出STL文件；

2)磁性树脂配置：经硅烷偶联剂表面改性后的四氧化三铁粉末、气相二氧化硅粉末为增稠剂，405nm波段光固化树脂，机械搅拌混合均匀，制备好的磁性树脂静置以完全消除气泡；

3)进行光固化3D打印，首先将打印模型STL文件导入与打印机配套的切片软件中，调整打印参数并对模型进行切片处理，全部参数设置完成后，对3D打印机调平完成即可开始打印；

4)打印完成后，使用酒精擦拭清理打印完成后的结构件，最终得到声学超材料成品；

5)在1.1T磁感应强度的NdFeB磁铁作用下，将磁铁放置在距离超材料结构1-5mm处，从而驱动声学超材料发生旋转或者变形，从而实现改变可调声学超材料在空间中的角度变化，实现动态可调的功能。

2.根据权利要求1所述的一种基于4D打印的可调声学超材料的制备方法，其特征在于：在步骤2)中，所使用的四氧化三铁粉末平均粒子直径为20nm-200nm，四氧化三铁粉末添加量为1wt％-10wt％，气相二氧化硅添加量为0.2wt％-0.4wt％。

3.根据权利要求1所述的一种基于4D打印的可调声学超材料的制备方法，其特征在于：在步骤(3)中，使用光固化3D打印中SLA/DLP/LCD成型原理4D打印制备可调声学超材料。

4.根据权利要求1所述的一种基于4D打印的可调声学超材料的制备方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述的打印参数所选用的切片层厚设置为5um-100um，打印速度设置为50mm/s-200mm/s，光照强度设置为50-200。

5.根据权利要求1所述的一种基于4D打印的可调声学超材料的制备方法，其特征在于，在步骤(5)中，外加磁场刺激优选采用电磁铁或者磁铁。

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