CN112936853A - 一种提高负载变形性能的4d打印结构及其设计方法 - Google Patents

一种提高负载变形性能的4d打印结构及其设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及4D打印，更具体的说是一种提高负载变形性能的4D打印结构及其设计方法。4D打印结构至少具有两组可变形结构进行并联，所述可变形结构在不同温度状态下具有相同的末端变形情况。该方法包括以下步骤：步骤一、设计出可变形结构进行并联后的大体形状与纤维排布范围获得整体结构；步骤二、对整体结构中的各组变形结构进行分别设计，结合预编程模型，对各组变形结构交替驱动状态下的末端变形情况进行设计与分析，拟合末端的变形轨迹；步骤三、对各组变形结构的驱动时序进行优化，调整驱动的控制参数，实现各变形结构在同一时间点具备近似的末端空间位置；步骤四、利用仿真手段对各组变形结构性能进行验证。

Description

一种提高负载变形性能的4D打印结构及其设计方法
技术领域
本发明涉及4D打印，更具体的说是一种提高负载变形性能的4D打印结构及其设计方法。
背景技术
4D打印构件可以在光、电、磁和热等外部因素的激励诱导下，其形状、性能与功能随时空变化而进行自主调控，目前可通过多原理、多驱动实现不同形式的结构变形，能够实现简单的形变、色变、位移。然而国内外现状表明，目前的4D打印原理与结构设计，为了保证足够的变形幅度与响应速度，在结构刚度上会进行妥协，其常用手段包括采用柔性材料、高柔性设计或通过热变化降低材料刚度等。导致4D打印结构无法在包含初始态与变形态的全部构型下，保持足够的负载性能，增加其应用限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高负载变形性能的4D打印结构及其设计方法，可以解决结构设计阶段力学性能与变形性能相互冲突的问题。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种提高负载变形性能的4D打印结构，至少具有两组可变形结构进行并联，所述可变形结构在不同温度状态下具有相同的末端变形情况。
所述可变形结构包括纯树脂层和树脂基纤维复合材料层两层。
所述树脂基纤维复合材料层包括热塑性树脂和位于热塑性树脂内部的内部纤维。
采用上述提高负载变形性能的4D打印结构的设计方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、明确可变形结构进行并联后的基本构型和能实现的变形趋势，设计出可变形结构进行并联后的大体形状与纤维排布范围获得整体结构；
步骤二、对整体结构中的各组变形结构进行分别设计，结合预编程模型，对各组变形结构交替驱动状态下的末端变形情况进行设计与分析，拟合末端的变形轨迹；
步骤三、对各组变形结构的驱动时序进行优化，调整驱动的控制参数，实现各变形结构在同一时间点具备近似的末端空间位置；
步骤四、利用仿真手段对各组变形结构性能进行验证，再经过反复迭代交替驱动4D变形结构设计。
所述可变形结构包括变形结构Ⅰ和变形结构Ⅱ，交替激活变形结构Ⅰ与变形结构Ⅱ内部的纤维驱动回路。
变形结构Ⅰ和变形结构Ⅱ的不同温度状态包括高温状态和低温状态。
可变形结构采用双变形梁并联交替驱动结构，双变形梁并联交替驱动结构包括变形梁Ⅰ和变形梁Ⅱ和连接结构。
所述变形梁Ⅰ包括高温状态和低温状态，变形梁Ⅱ包括高温状态和低温状态，分别设计变形梁Ⅰ的高温状态、变形梁Ⅰ的低温状态、变形梁Ⅱ的高温状态和变形梁Ⅱ的低温状态情况下连接两组变形梁结构的支撑与打印路径，以确保变形梁Ⅰ、变形梁Ⅱ与连接结构能够依照一定顺序成型。
所述变形梁Ⅰ的高温状态或变形梁Ⅱ的高温状态仅有非变形部分固定在基板上，对其内部纤维通电加热，冷却后应力释放为变形梁Ⅰ低温状态或变形梁Ⅱ低温状态。
所述双变形梁并联交替驱动结构，包括初始态和变形态，在初始态时变形梁Ⅰ处于低温状态，变形梁Ⅱ处于高温状态，在变形态时，变形梁Ⅰ处于高温状态，变形梁Ⅱ处于低温状态。
本发明一种提高负载变形性能的4D打印结构及其设计方法的有益效果为：
适用于4D打印智能结构设计，特别针对一些承受持续负载变形的应用，在不牺牲变形能力的情况下保证所有变形可承受持续负载，存在较好效果。
附图说明
下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细的说明。
图1是本发明一种提高负载变形性能的4D打印结构的设计实例图；
图2是本发明打印结构的基本组成示意图；
图3是本发明的结构设计流程示意图；
图4是本发明的结构打印流程示意图。
图中：变形结构Ⅰ1；变形结构Ⅱ2；整体结构初始态3；整体结构变形态4；树脂基体5；内置纤维6；纯树脂层7；树脂基纤维复合材料层8；双变形梁并联交替驱动结构初始态9-1；双变形梁并联交替驱动结构变形态9-2；变形梁Ⅰ高温状态10-1；变形梁Ⅰ低温状态10-2；变形梁Ⅱ高温状态11-1；变形梁Ⅱ低温状态11-2；连接结构12。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
具体实施方式一：
如图所示，一种提高负载变形性能的4D打印结构，至少具有两组可变形结构进行并联，所述可变形结构在不同温度状态下具有相同的末端变形情况。所述变形原理，其采用的变形原理为热失配导致的结构变形，通过改装的FDM同轴喷头打印树脂基纤维复合材料层与不含纤维的纯树脂层，两层材料在纤维取向方向的热膨胀系数不同导致在结构温度发生变化时整体结构会发生变形。在树脂基体中内置的纤维结构可以通电加热，人为控制设计结构的温度分布情况。具体实施方式二：
如图所示，所述可变形结构包括纯树脂层7和树脂基纤维复合材料层8两层。
具体实施方式三：
如图所示，所述树脂基纤维复合材料层8包括热塑性树脂5和位于热塑性树脂5内部的内部纤维6。
具体实施方式四：
如图所示，采用上述提高负载变形性能的4D打印结构的设计方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、明确可变形结构进行并联后的基本构型和能实现的变形趋势，设计出可变形结构进行并联后的大体形状与纤维排布范围获得整体结构；
步骤二、对整体结构中的各组变形结构进行分别设计，结合预编程模型，对各组变形结构交替驱动状态下的末端变形情况进行设计与分析，拟合末端的变形轨迹；
步骤三、对各组变形结构的驱动时序进行优化，调整驱动的控制参数，实现各变形结构在同一时间点具备近似的末端空间位置；
步骤四、利用仿真手段对各组变形结构性能进行验证，再经过反复迭代。
设计结构要素为，两组在相反驱动状态下变形状态相同的结构进行组合，即两组梁具备在相反温度状态下相同的末端变形情况，保证在结构不同变形状态下，都存在高刚度的低温梁保证结构整体的承载能力。
结构设计流程分为基本构型设计、变形编程设计、驱动优化设计、结构整体验证四部分：首先需明确并联结构的基本构型，设计出变形结构的大体形状与纤维排布范围；随后，对整体结构中的各组变形结构进行分别设计，拟合末端的变形轨迹；对各组结构的驱动时序进一步优化，实现各变形结构在同一时间点具备近似的末端空间位置；最后利用仿真等手段对结构变形性能进行验证，经过反复迭代后完成交替驱动4D变形结构设计。
结构成型方法为，通过FDM复合材料打印机打印一组变形结构的高温状态设计，完毕后中断打印过程，对其内部纤维通电加热，冷却后该组结构形状变形为低温状态设计，随后原位打印其他组结构的高温状态设计，并打印连接结构使其与之前处理完成的低温状态结构相连接，完成整体交替驱动设计的打印成型。
具体实施方式五：
如图所示，所述可变形结构包括变形结构Ⅰ1和变形结构Ⅱ2，交替激活变形结构Ⅰ1与变形结构Ⅱ2内部的纤维驱动回路。可变形结构在设计时分为至少两组变形结构并联，可变形结构Ⅰ1与可变形结构Ⅱ2，两组变形结构具备在相反温度状态下相同的末端变形情况，即变形结构Ⅰ1低温时的变形状态与变形结构Ⅱ2高温时的状态相同，反过来变形结构Ⅰ1高温时的状态与变形结构Ⅱ2低温时的状态相同。此时通过交替激活变形结构Ⅰ1与变形结构Ⅱ2内部的纤维驱动回路，即可在保证在结构初始态3与变形态4不同状态下，都存在高刚度的低温梁保证结构整体的承载能力。
具体实施方式六：
如图所示，变形结构Ⅰ1和变形结构Ⅱ2的不同温度状态包括高温状态和低温状态。
具体实施方式七：
如图所示，可变形结构采用双变形梁并联交替驱动结构，双变形梁并联交替驱动结构包括变形梁Ⅰ和变形梁Ⅱ和连接结构12。
具体实施方式八：
结合图1和图3说明本实施方式，由于结构设计多为曲面结构且需要定制的纤维排布要求，故所述结构使用多轴FDM打印设备，通过合理的步骤设置将不同温度状态下的变形结构连接在一起，一体化打印成型。下面以双变形梁并联交替驱动结构为例对打印流程进行介绍，具体如下：
所述变形梁Ⅰ包括高温状态10-1和低温状态10-2，变形梁Ⅱ包括高温状态11-1和低温状态11-2，分别设计变形梁Ⅰ的高温状态10-1、变形梁Ⅰ的低温状态10-2、变形梁Ⅱ的高温状态11-1和变形梁Ⅱ的低温状态11-2情况下连接两组变形梁结构的支撑与打印路径，以确保变形梁Ⅰ、变形梁Ⅱ与连接结构12能够依照一定顺序成型。
随后，打印变形梁Ⅰ或变形梁Ⅱ高温状态结构10-1，完毕后中断打印过程，确保变形梁Ⅰ或变形梁Ⅱ高温状态结构10-1仅有非变形部分固定在基板上。
具体实施方式九：
如图所示，所述变形梁Ⅰ的高温状态10-1或变形梁Ⅱ的高温状态11-1仅有非变形部分固定在基板上，对其内部纤维通电加热，冷却后应力释放为变形梁Ⅰ低温状态10-2或变形梁Ⅱ低温状态11-2。打印连接结构12实现变形梁Ⅰ低温状态结构10-2与变形梁Ⅱ高温状态结构11-1的固连，完成双变形梁并联交替驱动结构的原位一体化制造。
具体实施方式十：
如图所示，所述双变形梁并联交替驱动结构，包括初始态9-1和变形态9-2，在初始态9-1时变形梁Ⅰ处于低温状态10-2，变形梁Ⅱ处于高温状态11-1，在变形态9-2时，变形梁Ⅰ处于高温状态10-1，变形梁Ⅱ处于低温状态11-2。
当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种提高负载变形性能的4D打印结构，其特征在于：至少具有两组可变形结构进行并联，所述可变形结构在不同温度状态下具有相同的末端变形情况。
2.根据权利要求1所述的提高负载变形性能的4D打印结构，其特征在于：所述可变形结构包括纯树脂层(7)和树脂基纤维复合材料层(8)两层。
3.根据权利要求2所述的提高负载变形性能的4D打印结构，其特征在于：所述树脂基纤维复合材料层(8)包括热塑性树脂(5)和位于热塑性树脂(5)内部的内部纤维(6)。
4.采用权利要求3所述的提高负载变形性能的4D打印结构的设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、明确可变形结构进行并联后的基本构型和能实现的变形趋势，设计出可变形结构进行并联后的大体形状与纤维排布范围获得整体结构；
步骤二、对整体结构中的各组变形结构进行分别设计，结合预编程模型，对各组变形结构交替驱动状态下的末端变形情况进行设计与分析，拟合末端的变形轨迹；
步骤三、对各组变形结构的驱动时序进行优化，调整驱动的控制参数，实现各变形结构在同一时间点具备近似的末端空间位置；
步骤四、利用仿真手段对各组变形结构性能进行验证，再经过反复迭代。
5.根据权利要求4所述的提高负载变形性能的4D打印结构的设计方法，其特征在于：所述可变形结构包括变形结构Ⅰ(1)和变形结构Ⅱ(2)，交替激活变形结构Ⅰ(1)与变形结构Ⅱ(2)内部的纤维驱动回路。
6.根据权利要求5所述的提高负载变形性能的4D打印结构的设计方法，其特征在于：变形结构Ⅰ(1)和变形结构Ⅱ(2)的不同温度状态包括高温状态和低温状态。
7.根据权利要求6所述的提高负载变形性能的4D打印结构的设计方法，其特征在于：可变形结构采用双变形梁并联交替驱动结构，双变形梁并联交替驱动结构包括变形梁Ⅰ和变形梁Ⅱ和连接结构(12)。
8.根据权利要求7所述的提高负载变形性能的4D打印结构的设计方法，其特征在于：所述变形梁Ⅰ包括高温状态(10-1)和低温状态(10-2)，变形梁Ⅱ包括高温状态(11-1)和低温状态(11-2)，分别设计变形梁Ⅰ的高温状态(10-1)、变形梁Ⅰ的低温状态(10-2)、变形梁Ⅱ的高温状态(11-1)和变形梁Ⅱ的低温状态(11-2)情况下连接两组梁结构的支撑与打印路径，以确保变形梁Ⅰ、变形梁Ⅱ与连接结构(12)能够依照一定顺序成型。
9.根据权利要求8所述的提高负载变形性能的4D打印结构的设计方法，其特征在于：所述变形梁Ⅰ的高温状态(10-1)或变形梁Ⅱ的高温状态(11-1)仅有非变形部分固定在基板上，对其内部纤维通电加热，冷却后应力释放为变形梁Ⅰ低温状态(10-2)或变形梁Ⅱ低温状态(11-2)。
10.根据权利要求7至9任意一项所述的提高负载变形性能的4D打印结构的设计方法，其特征在于：所述双变形梁并联交替驱动结构，包括初始态(9-1)和变形态(9-2)，在初始态(9-1)时变形梁Ⅰ处于低温状态(10-2)，变形梁Ⅱ处于高温状态(11-1)，在变形态(9-2)时，变形梁Ⅰ处于高温状态(10-1)，变形梁Ⅱ处于低温状态(11-2)。
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