CN112848268A - 一种基于分形曲线可拉伸加热电路打印的4d打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于分形曲线可拉伸加热电路打印的4D打印方法，包括两种方法，其中一种方法是SMP层通电加热后拉伸，冷却定型，再粘贴一层弹性体层，当再次通电加热后，样件由于应变失配发生弯曲变形；另外一种方法是SMP层与弹性体层通电加热后共同拉伸，冷却后撤销外力，由于受到残余应力的软弹性体层与刚性SMP层之间的应变失配，样件发生弯曲变形。当再次加热至玻璃化转变温度后，样件恢复至初始打印状态。本发明提出的分形曲线加热线路具有较强的拉伸性能，同蛇形电路相比较在单轴和双轴拉伸下，电阻变化率很小，便于保证4D打印结构变形过程中稳定的加热性能。

Description

一种基于分形曲线可拉伸加热电路打印的4D打印方法

技术领域

本发明涉及4D打印技术领域，具体涉及一种基于分形曲线可拉伸加热电路打印的4D打印新方法。

背景技术

四维(4D)打印技术近年来发展迅速，它将第四维“时间”添加到3D打印结构中，这些结构可以根据环境刺激(如热、电，光，磁，水，及声音等)主动改变形状。在能够实现这种行为的材料中，热响应形状记忆聚合物(SMPs)是应用最广泛的，因为它们与多材料3D打印兼容，具有响应时间快、可变形量大等优点。基于形状记忆聚合物(shape memory polymer，SMP)的4D打印基本机制是将SMP材料加热到高于其玻璃化转变温度时，从程序设定的临时形状恢复到打印时的初始结构形状。因此，有效的加热方式是控制这一过程中“时间”维度的关键。

目前，基于SMP的4D打印的大多数加热方式都采用外部加热的方法。然而，采用外部加热的方式不能对4D打印结构的加热温度进行精确控制，同时不能选择性加热部分区域，阻碍了4D打印在各种复杂环境中的应用。对于基于SMP的执行器或形状变形结构，还有其他加热方式，如将局部加热器附加到所需位置，或用添加剂使SMP材料导电。然而，这些解决方案要么缺乏与3D打印的兼容性，要么破坏SMP材料的机械结构性能。因此，嵌入式加热电路作为一个更有效的解决方案被提出。但是，人工将较硬、较粗的电阻丝插入3D打印结构中，增加了制造难度，降低了结构的机械性能。另外，由于焦耳加热元件拉伸能力较差，4D打印结构仅限于弯曲变形，从而限制了4D打印设计空间。对于基于SMP的热敏型4D打印，理想的加热方法应该以高效、均匀和可预测的方式在内部产生热量，同时具有足够的可伸展性和灵活性，以适应形状编程过程中的各种变形模式。

发明内容

针对现有4D打印技术中加热存在的一些问题，本发明提出了一种基于分形曲线可拉伸加热电路的4D打印新方法，通过电场驱动喷射沉积微纳3D打印技术将分形曲线可拉伸加热电路直接沉积在热刺激响应形状记忆聚合物(shape memory polymer，SMP)基底表面，可选择在基底上方包裹一层形状记忆聚合物材料，形成的嵌入式加热电路可实现厚度方向上均匀、快速的热传递。分形曲线可拉伸加热电路与蛇形加热电路相比较，不仅具有单轴拉伸能力，而且具有双轴和径向拉伸能力。在拉伸过程中，电阻值变化很小，从而在编程和激活4D打印结构的过程中可以实现稳定的加热性能。

为了实现上述发明目的，本发明采用两种技术方案，具体如下：

第一方面，本发明提出的基于分形曲线可拉伸加热电路的4D打印方法，SMP层通电加热后拉伸，冷却定型，再粘贴一层弹性体层，当再次通电加热后，样件由于应变失配发生弯曲变形，步骤如下：

(1)打印SMP基底；

(2)在SMP基底上打印出分形曲线加热线路；

(3)将打印有加热线路的SMP基底进行加热烧结处理；

(4)在烧结好的SMP基底上方再贴合一片相同材料的SMP样片，中间以SMP溶液填充，使其充分固化，得到初期的4D打印样件；

(5)将步骤(4)得到的4D打印样件置于拉伸仪器中夹紧后接通直流电压，调节直流电压至稳态加热温度高于SMP玻璃化转变温度后，调节拉伸仪参数后开始拉伸，打印有加热线路的部分被拉伸，待温度降至室温后取下；

(6)将弹性体样片贴合在拉伸后的4D打印样件一侧，并使其充分粘贴保证加热状态下不会脱落，4D打印样件制作完成；

(7)4D打印样件接通直流电源，加热线路产生焦耳热，当温度大于SMP的玻璃化转变温度时，被加热区域SMP层自动回复伸缩，但由于弹性体层的约束作用，样件自动发生弯曲变形。

作为进一步的技术方案，所述的步骤(2)中的分形曲线电路可根据所需电阻值，打印单层或多层电路。

作为进一步的技术方案，所述的步骤(3)中，烧结温度为30-160℃，烧结时间为10-120min；

作为进一步的技术方案，所述的步骤(4)中填充溶液应与上下两层SMP为同一物质，固化方式可选择UV固化机或手持固化灯照射，固化时间为1-10min。

作为进一步的技术方案，所述的步骤(5)中根据电阻值调节直流电压，直至稳态温度高于玻璃化转变温度，调节拉伸仪器的拉伸速度和拉伸量后，开始拉伸。

作为进一步的技术方案，所述的步骤(6)中弹性体样片可通过3D打印制造或在模板中浇注弹性体材料固化而成；弹性体样片厚度根据所需弯曲变形量而定，弹性体层厚度越薄，样件的弯曲角度越大。

第二方面，本发明还提供了一种基于多材料3D打印的具有分形曲线可拉伸加热电路的4D打印方法，步骤如下：

(1)3D打印多材料4D打印样件；(多材料4D打印样件由SMP层和弹性体层组成，可根据所需要的弯曲变形量，确定SMP层厚度与弹性体层的厚度)

(2)在多材料4D打印样片基底上打印出分形曲线加热线路；

(3)将打印有加热线路的多材料4D打印样片进行加热烧结处理；

(4)分形曲线加热线路接通直流电压后，产生的焦耳热使多材料4D打印样片中的SMP层被加热部分温度高于玻璃化转变温度，调节拉伸仪的拉伸参数后开始拉伸；样件拉伸完成后，冷却至室温后取下，自动发生弯曲变形；

(5)处于弯曲状态的样件，再次接通电源，待加热温度高于玻璃化转变温度时，SMP层自动恢复到拉伸之前的状态，整个样件恢复到打印初始状态。

作为进一步的技术方案，步骤(4)中SMP层厚度与弹性体层的厚度由样件结构弯曲变形量决定。

作为进一步的技术方案，步骤(3)中烧结温度范围为30℃-180℃。

作为进一步的技术方案，所述步骤(4)中拉伸参数包括拉伸量以及拉伸速度，打印有加热线路的部分加热至玻璃化转变温度后开始拉伸，拉伸结束冷却至室温。

与现有技术相比较，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明所述形状记忆聚合物样片分形曲线加热线路，通过电场驱动喷射沉积微纳3D打印技术将导电浆料直接沉积在形状记忆聚合物基底上。电场驱动喷射沉积微纳3D打印技术打印的导电线路具有可任意调节电路线宽，任意打印复杂的图形结构等优点，通过调节打印的导线线宽与打印层数(高宽比)，可以控制分形曲线加热线路的电阻值，以便于精确控制稳态加热温度。

(2)现阶段热驱动型形状记忆聚合物大多数采用外部加热如粘贴加热片、热烘枪加热等方式进行加热，缺点是不能精确控制加热温度、外部粘贴易脱落等。通过在SMP材料中添加导电材料，缺乏3D打印机的兼容性。将电阻丝插入到3D打印结构中，会增加制造难度，降低结构的机械性能，不可以拉伸。本发明所述SMP样片加热线路可为嵌入式及浮雕式电路，若SMP样片厚度方向较厚，则可采用嵌入式电路，可实现厚度方向上的均匀、稳定加热。若SMP样片厚度方向较薄，则可采用浮雕式电路即可实现稳定、均匀加热。相比于传统的外部加热，分形曲线加热电路可通过调节直流电压实现温度的精确控制，并且只加热打印有加热线路的部位，不影响其它部位的机械结构状态；相比于在SMP材料中添加导电材料进行自加热，分形曲线加热电路的工艺适应性更广；相比于电阻丝加热，分形曲线加热电路具有可拉伸性和柔韧性，可适应于形状编程过程中的各种变形模式。

(3)本发明提出的分形曲线加热线路具有较强的拉伸性能，同蛇形电路相比较在单轴和双轴拉伸下，电阻变化率很小，便于保证4D打印结构变形过程中稳定的加热性能。

(4)本发明提出的分形曲线加热线路可通过打印不同阶次的分形曲线，控制面积覆盖率。

(5)本发明提出的基于分形曲线可拉伸加热电路打印的4D打印方法，具有工艺步骤简单、全程无毒无废、环境友好。生产过程无需特殊的昂贵设备，成本低廉。

附图说明

图1为实施例1的工艺流程图。其中a为使用Polyjet 3D打印机打印SMP样件(VeroWhite材料)示意图；b为通过电场驱动喷射沉积微纳3D打印技术直接在SMP样件上打印分形曲线加热线路，利用泰勒锥的“缩径”效应可随意调节加热线路的线宽，并且可以打印单层或多层电路(调整高宽比)来控制加热线路的电阻值。

图2中a为在SMP基底上打印的四层五阶希尔伯特曲线及其扫描电镜放大图；图2中b为拉伸5mm前后希尔伯特曲线宏观图，图2中的c为拉伸5mm前后希尔伯特曲线红外热成像图对比，通过红外热成像图可以看出，拉伸前后温度几乎无变化，由此可以判断出加热线路电阻变化率很小(图5a)。

图3为实施例1中通过嵌入的可拉伸电路加热而触发的4D打印双层薄片的形状变化，其中，a为初始未加热时的状态，b为通电后，加热电路产生焦耳热，当温度高于玻璃化转变温度时，SMP样在被加热区域的自由收缩被触发。由于弹性体层的约束作用，受热区域应变失配后发生弯曲变形。

图4中：a为SMP样件在不同电压下温度变化曲线，施加电压为5V，温度曲线相对平缓时，最高温度约37℃，随着外接电压的增加，所能达到的稳态温度也随之增加，施加25V电压时，稳态温度可达125℃。b为在施加25V电压时，瞬态加热过程中温度随时间的变化。

图5中：a为分形图形电路和蛇形图形电路在单轴拉伸时相对电阻变化率的对比。在拉伸率20％的情况下，蛇形电路的电阻变化率为239％，而分形电路的电阻变化率仅为6％。证明分形电路有较强的可拉伸性。图5中：b为对单轴拉伸的SMP样件加热时，随电阻变化的分形加热线路红外热成像图。

图6为三个SMP样件贴合在底座上，分别通电后样件发生弯曲变形，完成由平面结构到三维结构的转变。最终的三维结构能够稳定的站立，负载可达500克。

图7为分形图形电路和蛇形图形电路在双轴拉伸时相对电阻变化的比较，基底四端均被夹住，同时沿着两个垂直方向的速度拉伸。在17.5％的拉伸应变下，蛇形电路电阻变化率为234％，而分形电路变化率只有6％。

图8为实施例2中一个4D打印样件可以在平面和双曲率的三维形状之间相互改变。将样件夹紧在双轴拉伸装置上，通电后稳态加热，以0.05mm/s的速率沿两个垂直方向进行3mm的双轴拉伸。结构随后冷却，在室温下释放外部约束后，结构变形为双曲率的碗形，弯曲是由具有残余应力的软弹性体层与刚性SMP层之间的应变失配引起的。样件再次通电加热，双曲率结构样件最终恢复到平面的初始状态。

图9为实施例4制造的抓取机构的结构示意图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

基于背景技术部分所提出的问题，本实施例主要提出了两种基于分形曲线可拉伸加热电路的4D打印方法，第一种方法是SMP层通电加热后拉伸，冷却定型，再粘贴一层弹性体层，当再次通电加热后，样件由于应变失配发生弯曲变形，步骤如下：

(1)制备打印基底：设计SMP基底的形状及尺寸大小，利用商用3D打印机直接制备设计好的SMP样件，样件打印完成后进行清洗等预处理，取出烘干待用。其中SMP包括但不限于VeroWhite(Stratasys公司生产的具有形状记忆行为的光固化型“数字材料”)、光敏型混合形状记忆聚合物材料等，SMP样件打印方式包括但不限于立体光刻成型(stereolithography apparatus,SLA)、聚合物喷射(PolyJet)技术等，例如可以通过聚合物喷射(PolyJet)技术将VeroWhite材料打印成所需的SMP样件。SMP样件清洗等预处理包括将SMP样件用乙醇溶液超声处理后，再用去离子水超声清洗一段时间去除残余的乙醇溶液，最后用氮气或其他惰性气体吹干。

(2)打印加热线路：通过电场驱动喷射沉积微纳3D打印技术将导电浆料直接沉积在SMP基底上，打印出分形曲线加热线路。其中分形曲线包括但不限于希尔伯特曲线等，通过设计的特定分形曲线加热电路，不同阶次可控制不同的面积覆盖率。所述导电浆料包括但不限于导电银浆料、导电铜浆料、导电金浆料、金属纳米线浆料等浆料。分形曲线电路可根据所需电阻值，打印单层或多层电路。

(3)加热烧结：将打印有加热线路的SMP基底进行加热烧结处理，导电浆料中的有机溶剂得以充分挥发，可以有效提高加热线路的导电性能。其中烧结温度为30-160℃，烧结时间为10-120min。在烧结的过程中，导电浆料中的有机溶剂充分挥发，电阻率稳定在一定数值。

(4)覆盖一层SMP样片：在烧结好的SMP基底上方再贴合一片相同材料的SMP样片，中间以SMP溶液填充，紫外灯照射一段时间使其充分固化，得到初期的4D打印样件。其中填充溶液应与上下两层SMP为同一物质，固化方式可选择UV固化机或手持固化灯照射，固化时间为1-10min。

(5)加热拉伸：将步骤(4)中的4D打印样件置于拉伸仪器中夹紧后接通直流电压，调节直流电压至稳态加热温度高于SMP玻璃化转变温度(glass transition temperature,Tg)后，调节拉伸仪参数后开始拉伸，打印有加热线路的部分被拉伸，待温度降至室温后取下。其中根据电阻值调节直流电压，直至稳态温度高于玻璃化转变温度，调节拉伸仪器的拉伸速度和拉伸量后，开始拉伸。

(6)粘贴弹性体层：选择一块合适的弹性体样片，贴合在拉伸后的4D打印样件一侧，并使其充分粘贴保证加热状态下不会脱落，4D打印样件制作完成。其中弹性体层可通过3D打印制造或在模板中浇注弹性体材料固化而成。弹性体层厚度根据所需弯曲变形量而定，弹性体层厚度越薄，样件的弯曲角度越大。

(7)加热发生弯曲变形：4D打印样件接通直流电源，加热线路产生焦耳热，当温度大于SMP的玻璃化转变温度时，被加热区域SMP层自动回复伸缩，但由于弹性体层的约束作用，样件自动发生弯曲变形。

进一步的，本发明还提出了第二种基于分形曲线可拉伸加热电路的4D打印方法，该方法基于分形曲线可拉伸加热电路的4D打印方法，SMP层与弹性体层通电加热后共同拉伸，冷却后撤销外力，由于受到残余应力的软弹性体层与刚性SMP层之间的应变失配，样件发生弯曲变形。当再次加热至玻璃化转变温度后，样件恢复至初始打印状态，具体步骤如下：

(1)打印多材料4D打印样片：根据设计的多材料4D打印样片结构，利用多材料3D打印机直接打印出所需结构，将打印好的多材料4D打印片进行清洗等预处理。多材料4D打印片由SMP层以及弹性体层组成。其中SMP层包括但不限于VeroWhite(Stratasys公司生产的具有形状记忆行为的光固化型“数字材料”)、光敏型混合形状记忆聚合物材料等，3D打印方式包括但不限于立体光刻成型(stereo lithography apparatus,SLA)、聚合物喷射(PolyJet)技术等。例如可以通过聚合物喷射(PolyJet)技术将VeroWhite材料打印成所需的SMP样件。弹性体层材料包括但不限于Tango系列，如TangoBlack FLX973、TangoGrayFLX950(Stratasys公司生产)等。

(2)打印分形曲线加热线路：通过电场驱动喷射沉积微纳3D打印技术直接将导电浆料按照特定的图形结构沉积在多材料4D打印样片基底上，打印完成过后进行烧结等后处理。其中分形曲线包括但不限于希尔伯特曲线等，导电浆料包括但不限于纳米银导电浆料、纳米铜导电浆料、纳米银线导电浆料，粘度范围为500-100000cps。烧结温度范围为30-180℃。

(3)加热拉伸：分形曲线加热线路接通直流电压后，产生的焦耳热使样件的SMP层被加热部分温度高于玻璃化转变温度，调节拉伸仪的拉伸参数后开始拉伸。样件拉伸完成后，冷却至室温后取下，自动发生弯曲变形。其中拉伸参数包括拉伸量以及拉伸速度，打印有加热线路的部分加热至玻璃化转变温度后开始拉伸，拉伸结束冷却至室温。SMP层拉伸定型，弹性体层在拉伸力的作用下向SMP层的方向弯曲。

(4)恢复变形：处于弯曲状态的样件，再次接通电源，待加热温度高于玻璃化转变温度时，SMP层自动恢复到拉伸之前的状态，整个样件恢复到打印初始状态。样件经历由初始状态-加热拉伸-弯曲变形-加热恢复至初始状态等过程。

下面结合具体实施例对上述两种方法做进一步的说明：

实施例1

本实施例提出了一种基于分形曲线可拉伸加热电路打印的4D打印方法，包括以下步骤：

步骤1：制备打印基底

(1)形状记忆聚合物材料选择VeroClear材料(Stratasys公司生产的具有形状记忆行为的光固化型“数字材料”)。使用Polyjet多材料3D打印机进行打印(Stratasys生产的J750型3D打印机)，打印原理如附图1中的a所示。

(2)SMP样件长度90mm，宽度25mm，厚度为0.9mm。SMP样件打印完成后，置于酒精中超声处理2min，取出氮气烘干。

步骤2：打印分形曲线加热线路

(1)选择中科纳通TL-201S作为导电浆料，分形曲线选择五阶希尔伯特曲线(面积23mm×23mm)。

(2)启动电场驱动喷射沉积微纳3D打印机，打开五阶希尔伯特曲线打印程序，调整打印参数(电压、气压、速度、打印高度)后，开始打印。打印原理如附图1b所示。本实施例中打印参数为：电压1200V，气压150Kpa，速度10mm/s，打印高度0.3mm，喷嘴直径300μm。

(3)将打印有分形曲线加热线路的SMP样件置于真空干燥箱中，120℃加热烧结1小时，使银浆中的溶剂充分挥发，有效增加导电性能。

步骤3：粘贴SMP覆盖层

(1)在烧结好的SMP样件上涂抹一层VeroClear液体材料，贴上一片SMP样片，置于UV固化机中固化3min，使其充分粘结在一起。分形曲线加热线路嵌入到SMP样件中间，可实现厚度方向上均匀、稳定的加热。

步骤4：通电加热拉伸

(1)首先将SMP样件置于拉伸仪器的夹具中夹紧，然后接通直流电压，通过调节电压控制稳态温度在65摄氏度左右，在此温度下，SMP样件的最大拉伸率大于30％。

(2)调节拉伸仪器的拉伸参数(本实施例中拉伸速度为0.05mm/s，拉伸量为5mm)后开始拉伸。

(3)拉伸完成后，断开电源。待样件冷却至室温后，取下。SMP样件将保持拉伸之后的状态。

步骤5：贴合弹性体层

(1)弹性体材料选择TangoGray FLX950(Stratasys公司生产)材料，通过Polyjet多材料3D打印机进行打印(Stratasys生产的J750型3D打印机)，本实施例中SMP弹性体层厚度为1mm，长度95mm，宽度25mm。

(2)在SMP样件一侧涂抹一层光刻胶，将弹性体层贴在上方。手持固化灯照射一段时间使其充分固化。

步骤6：加热发生弯曲变形

接通外部电压后，当温度高于玻璃化转变温度时，SMP层受热区域的自由收缩被触发，由于弹性体层的约束作用，受热区域应变失配后发生弯曲变形。如附图3所示。

实施例2

本实施例又提供了一种基于分形曲线可拉伸加热电路打印的4D打印方法，包括以下步骤：

步骤1：制备打印基底

(1)形状记忆聚合物材料选择VeroWhite材料(Stratasys公司生产)，使用Polyjet多材料3D打印机进行打印(Stratasys生产的J750型3D打印机)。

(2)共打印6片SMP样件，样件长度90mm，宽度25mm，厚度0.9mm。

步骤2：打印分形曲线加热线路

(1)选择中科纳通TL-201S作为导电浆料，根据所需要的加热面积，选择五阶希尔伯特曲线作为打印图形(面积23mm×23mm)，打印喷头选择内径300μm的武藏喷头。

(2)启动电场驱动喷射沉积微纳3D打印机，调整打印参数(电压、气压、速度、打印高度)后，开始打印。共在三个SMP样件上打印希尔伯特分形曲线加热线路。打印原理如附图1b所示。本实施例中打印参数为：电压1000V，气压120Kpa，速度5mm/s，打印高度0.25mm。

(3)将打印有分形曲线加热线路的SMP样件置于真空干燥箱中，120℃加热烧结1小时，使银浆中的溶剂充分挥发，有效增加导电性能。

步骤3：覆盖一层SMP

(1)在烧结好的三个SMP样件上涂抹一层液态VeroWhite材料，分别贴上一片SMP样片作为覆盖层，压紧置于UV固化机中固化3min，使其充分粘结为一体。分形曲线加热线路嵌入到SMP样件中间，可实现厚度方向上均匀、稳定的加热。

步骤4：通电加热拉伸

(1)首先将SMP样件分别置于拉伸仪器的专用夹具中夹紧，接通直流电压，通过调节电压控制稳态温度在65摄氏度左右(SMP样件的玻璃化转变温度是60℃)，在此温度下，SMP样件的最大拉伸率大于30％。

(2)调节拉伸仪器的拉伸参数(本实施例中拉伸速度为0.05mm/s，拉伸量为5mm)后开始拉伸。

(3)拉伸完成后，断开电源。待样件冷却至室温后，取下。SMP样件将保持拉伸之后的状态。

步骤5：贴合弹性体层

(1)弹性体材料选择Tango Black FLX973(Stratasys公司生产)材料，通过Polyjet多材料3D打印机进行打印(Stratasys生产的J750型3D打印机)，本实施例中SMP弹性体层厚度为0.5mm，长度95mm，宽度25mm。

(2)在SMP样件一侧涂抹一层光刻胶，将弹性体层贴在上方。手持固化灯照射一段时间使其充分固化。

步骤6：加热发生弯曲变形

将制作好的3个SMP样件分别粘贴在三角形桌面上，分别接通外部电源，当温度高于玻璃化转变温度时，SMP层受热区域的自由收缩被触发，由于弹性体层的约束作用，受热区域应变失配后发生弯曲变形。三个SMP样件分别发生弯曲变形，完成由平面结构到三维结构的转变。最终的三维结构能够稳定的站立，负载可达500克，见附图6.

实施例3

本实施例提出了一个多材料4D打印片的方法，可以实现平面和双曲率三维结构之间任意改变。

步骤1：打印多材料4D打印样片(1)多材料4D打印样片由SMP层和弹性体层共同组成，形状记忆聚合物材料选择VeroClear材料(Stratasys公司生产的具有形状记忆行为的光固化型“数字材料”)，弹性体材料选择Tango Black FLX973(Stratasys公司生产)。使用Polyjet多材料3D打印机进行打印(Stratasys生产的J750型3D打印机)，直接打印出所需要的多材料4D打印样片。

(2)多材料4D打印样片的平面结构由中间的双层正方形(边长30mm)SMP基底(厚度1.6mm，SMP层厚0.2mm，弹性体层厚度1.4mm)和边缘的刚性板组成。边缘的刚性板便于拉伸时夹紧，如附图8所示。

步骤2：打印分形曲线加热线路

(1)选择中科纳通TL-201S作为导电浆料，根据所需要的加热面积，选择五阶希尔伯特曲线作为打印图形(面积30mm×30mm)，打印喷头选择内径250μm的武藏喷头。

(2)启动电场驱动喷射沉积微纳3D打印机，调整打印参数(电压、气压、速度、打印高度)后，由于SMP层较薄可直接在SMP层一侧打印。共在三个双轴拉伸样件上打印希尔伯特分形曲线加热线路。打印原理如附图1b所示。本实施例中打印参数为：电压1000V，气压130Kpa，速度8mm/s，打印高度0.25mm。

(3)将打印有分形曲线加热线路的双轴拉伸样件置于真空干燥箱中，120℃加热烧结1小时，使银浆中的溶剂充分挥发，有效增加导电性能。

步骤3：通电加热拉伸

(1)首先将多材料4D打印样片置于双轴拉伸仪器的专用夹具中夹紧，接通直流电压，通过调节电压控制稳态温度在65摄氏度左右(SMP样件的玻璃化转变温度是60℃)，在此温度下，SMP层的最大拉伸率大于30％。

(2)调节拉伸仪器的拉伸参数(本实施例中拉伸速度为0.05mm/s，拉伸量为3mm)后开始双轴同时拉伸，拉伸方向为沿两个垂直方向进行。

(3)拉伸完成后，断开电源。待样件冷却至室温后，取下。由于具有残余应力的软弹性体层与刚性SMP层之间发生应变失配，样件发生弯曲变形，结构变形为双曲率的碗形结构，如附图8所示。

步骤4：加热恢复变形

双轴拉伸样件接通外部直流电压后，开始加热，当加热温度高于玻璃化转变温度时，SMP层开始回复收缩，软弹形体受到的残余应力消失。双轴拉伸样件恢复到打印后的初始状态。

实施例4

本实施例进一步提供了一种基于分形曲线可拉伸加热电路打印的4D打印方法，包括以下步骤：

步骤1：制备打印基底

(1)形状记忆聚合物材料选择VeroWhite材料(Stratasys公司生产)，使用Polyjet多材料3D打印机进行打印(Stratasys生产的J750型3D打印机)。

(2)共打印8片SMP样件，样件长度80mm，宽度20mm，厚度1mm。

步骤2：打印分形曲线加热线路

(1)选择中科纳通TL-201S作为导电浆料，根据所需要的加热面积，选择五阶希尔伯特曲线作为打印图形(面积20mm×20mm)，打印喷头选择内径200μm的武藏喷头。

(2)启动电场驱动喷射沉积微纳3D打印机，调整打印参数(电压、气压、速度、打印高度)后，开始打印。共在四个SMP样件上打印希尔伯特分形曲线加热线路。打印原理如附图1b所示。本实施例中打印参数为：电压1100V，气压160Kpa，速度5mm/s，打印高度0.3mm。

(3)将打印有分形曲线加热线路的SMP样件置于真空干燥箱中，120℃加热烧结1小时，使银浆中的溶剂充分挥发，有效增加导电性能。

步骤3：粘贴SMP覆盖层

(1)在烧结好的四个SMP样件上涂抹一层液态VeroWhite材料，分别贴上一片SMP样片作为覆盖层，压紧后置于UV固化机中固化3min，使其充分粘结为一体。分形曲线加热线路嵌入到SMP样件中间，可实现厚度方向上均匀、稳定的加热。

步骤4：通电加热拉伸

(1)首先将SMP样件分别置于拉伸仪器的专用夹具中夹紧，接通直流电压，通过调节电压控制稳态温度在65摄氏度左右(SMP样件的玻璃化转变温度是60℃)，在此温度下，SMP样件的最大拉伸率大于30％。

(2)调节拉伸仪器的拉伸参数(本实施例中拉伸速度为0.05mm/s，拉伸量为4mm)后开始拉伸。

(3)拉伸完成后，断开电源。待样件冷却至室温后，取下。SMP样件将保持拉伸之后的状态。

步骤5：贴合弹性体层

(1)弹性体材料选择Tango Black FLX973(Stratasys公司生产)材料，通过Polyjet多材料3D打印机进行打印(Stratasys生产的J750型3D打印机)，本实施例中SMP弹性体层厚度为0.2mm，长度84mm，宽度20mm。

(2)在SMP样件一侧涂抹一层光刻胶，将弹性体层贴在上方。手持固化灯照射5min使其充分固化。

步骤6：加热发生弯曲变形

将制作好的四个SMP样件分别粘贴在正方形桌面上，接通外部电源，当温度高于玻璃化转变温度时，SMP层受热区域的自由收缩被触发，由于弹性体层的约束作用，受热区域应变失配后发生弯曲变形。四个SMP样件发生弯曲变形，完成由平面结构到三维结构的转变，最终的三维结构能够实现自动抓取的功能。如附图9所示。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于分形曲线可拉伸加热电路打印的4D打印方法，其特征在于：步骤如下：

(1)3D打印SMP基底；

(2)在SMP基底上打印出分形曲线加热线路；

(3)将打印有加热线路的SMP基底进行加热烧结处理；

(4)在烧结好的SMP基底上方再贴合一片相同材料的SMP样片，SMP基底和SMP样片中间以SMP溶液填充，使其充分固化，得到初期的4D打印样件；

(5)将步骤(4)得到的4D打印样件置于拉伸仪器中夹紧后接通直流电压，调节直流电压至稳态加热温度高于SMP玻璃化转变温度后，调节拉伸仪参数开始拉伸，打印有加热线路的部分被拉伸，待温度降至设定温度后取下；

(6)将弹性体样片贴合在拉伸后的4D打印样件一侧，保证加热状态下弹性体样片不会脱落，4D打印样件制作完成；

(7)将步骤(6)中的4D打印样件接通直流电源，加热线路产生焦耳热，当温度大于SMP的玻璃化转变温度时，被加热区域SMP层自动回复伸缩，但由于弹性体层的约束作用，样件自动发生弯曲变形。

2.如权利要求1所述的基于分形曲线可拉伸加热电路的4D打印方法，其特征在于：步骤(2)中的分形曲线电路可根据所需电阻值，打印单层或多层电路。

3.如权利要求1所述的基于分形曲线可拉伸加热电路的4D打印方法，其特征在于：步骤(3)中，烧结温度为30-160℃，烧结时间为10-120min。

4.如权利要求1所述的基于分形曲线可拉伸加热电路的4D打印方法，其特征在于：步骤(4)中填充溶液应与上下两层SMP为同一物质，固化方式可选择UV固化机或手持固化灯照射，固化时间为1-10min。

5.如权利要求1所述的基于分形曲线可拉伸加热电路的4D打印方法，其特征在于：步骤(5)中根据电阻值调节直流电压，直至稳态温度高于玻璃化转变温度，调节拉伸仪器的拉伸速度和拉伸量后，开始拉伸。

6.如权利要求1所述的基于分形曲线可拉伸加热电路的4D打印方法，其特征在于：步骤(6)中弹性体样片可通过3D打印制造或在模板中浇注弹性体材料固化而成；弹性体样片厚度根据所需弯曲变形量而定，弹性体层厚度越薄，样件的弯曲角度越大。

7.基于多材料3D打印的具有分形曲线可拉伸加热电路的4D打印方法，其特征在于，步骤如下：

(1)3D打印多材料4D打印样件；

(2)在多材料4D打印样片基底上打印出分形曲线加热线路；

(3)将打印有加热线路的多材料4D打印样片进行加热烧结处理；

(4)分形曲线加热线路接通直流电压后，产生的焦耳热使多材料4D打印样片中的SMP层被加热部分温度高于玻璃化转变温度，调节拉伸仪的拉伸参数后开始拉伸；样件拉伸完成后，冷却至室温后取下，自动发生弯曲变形；

(5)处于弯曲状态的样件，再次接通电源，待加热温度高于玻璃化转变温度时，SMP层自动恢复到拉伸之前的状态，整个样件恢复到打印初始状态。

8.如权利要求7所述的基于多材料3D打印的具有分形曲线可拉伸加热电路的4D打印方法，其特征在于：步骤(4)中SMP层厚度与弹性体层的厚度由样件结构弯曲变形量决定。

9.如权利要求7所述的基于多材料3D打印的具有分形曲线可拉伸加热电路的4D打印方法，其特征在于：步骤(3)中烧结温度范围为30℃-180℃。

10.如权利要求7所述的基于多材料3D打印的具有分形曲线可拉伸加热电路的4D打印方法，其特征在于：所述步骤(4)中拉伸参数包括拉伸量以及拉伸速度，打印有加热线路的部分加热至玻璃化转变温度后开始拉伸，拉伸结束冷却至室温。

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