CN113183452B - 一种机械性能可变的多材料复杂结构4d打印方法及产品 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种机械性能可变的多材料复杂结构4D打印方法及产品，确定需要制备到的多材料复杂结构件F的机械性能目标；确定需要选取的符合要求三种材料M1、M2和M3的机械性能目标；从材料机械性能数据库中选择符合机械性能目标并且适用3D打印工艺的材料；确定多材料结构模型；采用多材料立体光刻3D打印设备对构件进行分区成型，优化3D打印参数，获得机械性能可控变化的多材料复杂结构件。本发明制备到的多材料复杂构件的模量随温度具有可控的变化，在多个设定的温度区间的变化率大于20％，满足需要机械性能在两个温度区间均具有较高模量变化率的材料需求。

Description

一种机械性能可变的多材料复杂结构4D打印方法及产品
技术领域
本发明属于多材料4D打印技术领域，具体涉及一种机械性能可变的多材料复杂结构4D打印方法及产品。
背景技术
现有4D打印技术多采用均一的材料体系，由此制备得到的4D打印产品，分析其杨氏模量随温度的变化特性，通常只具有一个温度突变点，即：只在某一个温度区间的模量变化率较高；在其他温度区间模量非常稳定，基本不发生变化。此种产品，无法满足需要机械性能在两个温度区间均具有较高模量变化率的材料需求。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种机械性能可变的多材料复杂结构4D打印方法及产品，可有效解决上述问题。
本发明采用的技术方案如下：
本发明提供一种机械性能可变的多材料复杂结构4D打印方法，包括以下步骤：
步骤1，确定需要制备到的多材料复杂结构件F的机械性能目标，包括：
步骤1.1，确定低温区间[T0，T1]和中温区间(T1，T2]；
步骤1.2，要求多材料复杂结构件F的杨氏模量在低温区间的模量变化率大于A％，在中温区间的模量变化率大于A％；
其中：低温区间的模量变化率＝(E0-E1)/E0
中温区间的模量变化率＝(E1-E2)/E1
E0、E1和E2分别为复杂结构F在温度T0、T1和T2时的杨氏模量；
步骤2，根据需要制备到的多材料复杂结构F的机械性能目标，确定需要选取的符合要求三种材料M1、M2和M3的机械性能目标，包括：
确定材料M1在低温区间[T0，T1]的模量变化率大于K*A％，在中温区间(T1，T2]的模量变化率小于设定阈值ε；
确定材料M2在低温区间[T0，T1]的模量变化率小于设定阈值ε，在中温区间(T1，T2]的模量变化率大于K*A％；
确定材料M3在低温区间[T0，T1]的模量变化率小于设定阈值ε，在中温区间(T1，T2]的模量变化率小于设定阈值ε；
其中：K为模量变化率比例系数，大于1；
步骤3，根据步骤2确定的三种材料M1、M2和M3的机械性能目标，从材料机械性能数据库中选择符合机械性能目标并且适用3D打印工艺的材料，分别为：材料M1、M2和M3；
步骤4，将材料M1和设定质量比的光引发剂混合，得到材料M1”；
将材料M2和设定质量比的光引发剂混合，得到材料M2”；
将材料M3和设定质量比的光引发剂混合，得到材料M3”；
步骤5，确定多材料结构模型；
步骤6，根据多材料结构模型，以材料M1”、材料M2”和材料M3”为打印材料，采用多材料立体光刻3D打印设备对构件进行分区成型，优化3D打印参数，获得机械性能可控变化的多材料复杂结构件。
优选的，低温区间[T0，T1]为[20℃±5℃，60℃±5℃]；
中温区间中温区间(T1，T2]为(60℃±5℃，100℃±5℃]。
优选的，A％为20～50％。
优选的，步骤3中，材料M1、M2和M3均为高分子材料，优选为光敏树脂材料，包括丙烯酸酯树脂单体、预聚物、环氧树脂和乙烯基树脂中的一种或几种。
优选的，步骤4中，材料M1”、M2”和M3”中，光引发剂质量比均为0.5～1％。
优选的，光引发剂包括苯基双(2,4,6-三甲基苯甲酰基)氧化膦、1-羟基环己基苯基甲酮、2-苯基苄-2-二甲基胺-1-(4-吗啉苄苯基)丁酮，二苯基-(2,4,6-三甲基苯甲酰)氧磷中的一种或几种。
优选的，材料M1”、M2”和M3”的体积份为：
材料M1” 1～50体积份，优选10～40体积份
材料M2” 1～50体积份，优选10～40体积份
材料M3” 1～50体积份，优选10～40体积份。
优选的，步骤5确定的多材料结构模型为水泥砂浆-砖块模型；
具体的：以材料M3”为水泥砂浆，以材料材料M1”和材料M2”为砖块，镶嵌在材料M3”中，形成水泥砂浆-砖块模型。
优选的，步骤6中，3D打印参数包括打印层厚、曝光时间、曝光光强；
其中：打印层厚设置25～200μm，优选为50～100μm；曝光时间为1～30s，优选为5～15s；曝光光强为5～50mW/cm2，优选为10～25mW/cm2。
本发明还提供一种机械性能可变的多材料复杂结构件，采用机械性能可变的多材料复杂结构4D打印方法打印而成；
其中，机械性能可变的多材料复杂结构件在低温区间[T0，T1]和中温区间(T1，T2]的模量变化率均大于A％。
本发明提供的一种机械性能可变的多材料复杂结构4D打印方法及产品具有以下优点：
本发明制备到的多材料复杂构件的模量随温度具有可控的变化，在多个设定的温度区间的变化率大于20％，满足需要机械性能在两个温度区间均具有较高模量变化率的材料需求。
附图说明
图1为本发明最终打印形成的机械性能可变的多材料复杂结构件的结构图；
图2为本发明提供的水泥砂浆-砖块模型的结构图；
图3为本发明选取的三种材料M1、M2、M3的杨氏模量随温度的变化曲线；
图4为本发明制备的机械性能可变的多材料复杂结构件的杨氏模量随温度变化曲线。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种机械性能可变的多材料复杂结构4D打印方法，通过多材料的结构设计实现了多材料3D打印样件的机械性能随温度可控变化，方法包括以下步骤：
步骤1，确定需要制备到的多材料复杂结构件F的机械性能目标，包括：
步骤1.1，确定低温区间[T0，T1]和中温区间(T1，T2]；
例如，低温区间[T0，T1]为[20℃±5℃，60℃±5℃]；中温区间中温区间(T1，T2]为(60℃±5℃，100℃±5℃]。
步骤1.2，要求多材料复杂结构件F的杨氏模量在低温区间的模量变化率大于A％，在中温区间的模量变化率大于A％；其中，A％为20～50％。
其中：低温区间的模量变化率＝(E0-E1)/E0
中温区间的模量变化率＝(E1-E2)/E1
E0、E1和E2分别为复杂结构F在温度T0、T1和T2时的杨氏模量；
步骤2，根据需要制备到的多材料复杂结构F的机械性能目标，确定需要选取的符合要求的三种材料M1、M2和M3的机械性能目标，包括：
确定材料M1在低温区间[T0，T1]的模量变化率大于K*A％，在中温区间(T1，T2]的模量变化率小于设定阈值ε；
确定材料M2在低温区间[T0，T1]的模量变化率小于设定阈值ε，在中温区间(T1，T2]的模量变化率大于K*A％；
确定材料M3在低温区间[T0，T1]的模量变化率小于设定阈值ε，在中温区间(T1，T2]的模量变化率小于设定阈值ε；
其中：K为模量变化率比例系数，大于1，例如，可设定为3～4。
步骤3，根据步骤2确定的三种材料M1、M2和M3的机械性能目标，从材料机械性能数据库中选择符合机械性能目标并且适用3D打印工艺的材料，分别为：材料M1、M2和M3；
其中，材料M1、M2和M3均为高分子材料，优选为光敏树脂材料，包括丙烯酸酯树脂单体、预聚物、环氧树脂和乙烯基树脂中的一种或几种。
步骤4，将材料M1和设定质量比的光引发剂混合，得到材料M1”；
将材料M2和设定质量比的光引发剂混合，得到材料M2”；
将材料M3和设定质量比的光引发剂混合，得到材料M3”；
其中，材料M1”、M2”和M3”中，光引发剂质量比均为0.5～1％。
光引发剂包括苯基双(2,4,6-三甲基苯甲酰基)氧化膦、1-羟基环己基苯基甲酮、2-苯基苄-2-二甲基胺-1-(4-吗啉苄苯基)丁酮，二苯基-(2,4,6-三甲基苯甲酰)氧磷中的一种或几种。
另外，材料M1”、M2”和M3”的体积份为：
材料M1” 1～50体积份，优选10～40体积份
材料M2” 1～50体积份，优选10～40体积份
材料M3” 1～50体积份，优选10～40体积份。
因此，材料M1”、M2”和M3”均为光敏树脂材料和光引发剂的混合物，具有立体光刻3D打印工艺的适用性。
步骤5，确定多材料结构模型；
具体的，以材料M3”为水泥砂浆，以材料材料M1”和材料M2”为砖块，镶嵌在材料M3”中，形成水泥砂浆-砖块模型。
步骤6，根据多材料结构模型，以材料M1”、材料M2”和材料M3”为打印材料，采用多材料立体光刻3D打印设备对构件进行分区成型，优化3D打印参数，获得机械性能可控变化的多材料复杂结构件。
其中，3D打印参数包括打印层厚、曝光时间、曝光光强；
其中：打印层厚设置25～200μm，优选为50～100μm；曝光时间为1～30s，优选为5～15s；曝光光强为5～50mW/cm2，优选为10～25mW/cm2。
本发明还提供一种机械性能可变的多材料复杂结构件，由以上机械性能可变的多材料复杂结构4D打印方法打印而成；其中，机械性能可变的多材料复杂结构件在低温区间[T0，T1]和中温区间(T1，T2]的模量变化率均大于A％。
下面介绍一个实施例：
(一)确定需要制备到的多材料复杂结构件F的机械性能目标(选取杨氏模量作为研究对象)，即：多材料复杂结构件F的杨氏模量在低温区间的模量变化率和中温区间的模量变化率均大于20％，这就是多材料复杂结构F在两个温度区间的机械性能可控变化的目标要求。
其中，低温区间[T0，T1]；中温区间(T1，T2]；T0＝20℃±5℃、T1＝60℃±5℃、T2＝100℃±5℃。
(二)根据需要制备到的多材料复杂结构F的机械性能目标，确定需要选取的符合要求的三种材料M1、M2和M3的机械性能目标：
确定材料M1在低温区间[T0，T1]的模量变化率大于70％，在中温区间(T1，T2]的模量变化率小于设定阈值ε，其中，设定阈值ε很小，根据需求灵活设定，表明材料M1在中温区间(T1，T2]的模量基本稳定不变。
确定材料M2在低温区间[T0，T1]的模量变化率稳定基本不变，在中温区间(T1，T2]的模量变化率大于70％；
确定材料M3在低温区间[T0，T1]和中温区间(T1，T2]的模量变化率稳定基本不变。
因此，在T0时，三种材料的杨氏模量分别为E10、E20、E30；在T1时，M1的杨氏模量变为E11，相比E10减小70％以上，M2、M3的杨氏模量基本不变；在T2时，M2的杨氏模量变为E22，相比E20减小70％以上，M3的杨氏模量基本不变。
(三)根据确定的三种材料M1、M2和M3的机械性能目标，选择符合机械性能目标并且适用3D打印工艺的材料，分别为：材料M1、M2和M3；
具体的，每种材料的杨氏模量都具有不同的温度响应特性，根据每种材料的杨氏模量对温度的响应特性，选取符合预设要求并适用3D打印工艺的三种材料，即材料M1、M2和M3。
其中，每种材料的杨氏模量对温度的响应特性，可通过模拟仿真计算获得。
具体的，采用自主研发的立体光刻3D打印设备制备测试用标准样件(40mm×6mm×3mm)，采用动态热机械分析仪(DMA)测试材料模量随温度的变化，通过多种材料的筛选测试，选取了三种满足需求的M1、M2和M3，本实施例中，选取丙烯酸异冰片酯(IBOA)为M1，选取UV7374特种聚酯丙烯酸酯为M2，选取十五官能度聚氨酯丙烯酸酯+TMPTA三羟甲基丙烷三丙烯酸酯为M3。三种材料的模量变化曲线如图3所示。
将M1与光引发剂苯基双(2,4,6-三甲基苯甲酰基)氧化膦混合，其中，光引发剂质量比为0.5％，得到材料M1”。
将M2与光引发剂苯基双(2,4,6-三甲基苯甲酰基)氧化膦混合，其中，光引发剂质量比为0.5％，得到材料M2”。
将M3与光引发剂苯基双(2,4,6-三甲基苯甲酰基)氧化膦混合，其中，光引发剂质量比为0.5％，得到材料M3”。
(四)为满足以上要求，设计多材料复杂制件的多材料结构模型并利于多材料的打印制造，模拟计算所设计的多材料复杂制件的杨氏模量对温度响应特性，获得满足在两个温度区间下杨氏模量发生可控变化的多材料结构件，即为机械性能可变的4D结构件，其在不同温度区间具有杨氏模量可控变化的特性。
本实施例中，设计了水泥砂浆-砖块模型，即以材料M3”为水泥砂浆，而以材料M1”、M2”为砖块，镶嵌在M3”中，形成多材料的复杂结构，如图1和图2所示。其中，在图2中，1代表材料M3”，2代表M1”；3代表M2”。由图2可以看出，材料M3”共有三层，第一层和第二层之间，第1排布置两个M1”，第2排布置两个M2”，实现M1”和M2”交错布置。第二层和第三层之间的布置方式，与第一层和第二层之间的布置方式相同。
并建立有限元模型，分析作为砖块的M1”、M2”的占比和分布。为了便于试验，整体模型采用试验要求的试件尺寸40mm×6mm×3mm，而砖块的尺寸则根据分析结果确定。
为了简便，下文中将由三种材料构成的复杂材料称为Mx。根据模型以及设定的M1”、M2”、M3”三种材料在T0、T1、T2三种温度下的杨氏模量，采用有限元模拟计算Mx在T0、T1、T2下的杨氏模量分别为：E0、E1、E2，以及当前温度与前一个温度下的杨氏模量之比的变化率△E百分数。仿真计算显示该复杂材料Mx具备杨氏模量在不同温度区间可控变化的能力。
(五)采用建模切片软件将设计的模型进行切片处理，打印路径优化，实行分区打印，将切片后的数字模型传输到打印设备，根据材料光敏特性的差异优化3D打印参数进行多材料样件的打印，打印层厚设定为25～200μm，曝光时间为1～30s，优选5～15s，曝光光强为5～50mW/cm2。所制备的多材料样件的模量变化曲线如图4所示，数据显示在T0时模量E0为3262MPa，T1时模量E1为2093MPa，T2时模量E2为1134MPa。△E1＝(E0-E1)/E0＝35.8％；△E2＝(E1-E2)/E1＝45.8％,均>20％，满足模量可控变化的要求。
上述机械性能可变的多材料复杂结构样件的制备方法是通过立体光刻多材料打印设备进行成型的。
本发明提出的一种机械性能可变的多材料复杂结构4D打印方法及产品，机械性能可变的4D打印样件通过多材料的复杂结构设计、模拟计算、智能制造实现。相比其他4D打印技术，具有以下特点：
本发明通过多材料的结构设计实现了多材料3D打印样件的机械性能随温度可控变化。
具体的，选取三种材料在不同温度区间发生模量急剧降低，通过单种材料的模量急剧变化实现整体材料的模量变化，通过不同材料在不同温度区间的模量急剧变化，实现整体材料模量在多个温度区间可控变化。设计了多材料的水泥砖块模型，模拟仿真计算显示多材料试件在不同温度区间具有30％以上的变化率，是一种温度响应性的结构件。通过多材料打印设备制备了多材料样件，测试结果表明多材料复杂构件的模量随温度具有可控的变化，在多个设定的温度区间的变化率在20～40％之间。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种机械性能可变的多材料复杂结构4D打印方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，确定需要制备到的多材料复杂结构件F的机械性能目标，包括：
步骤1.1，确定低温区间[T0，T1]和中温区间(T1，T2]；
步骤1.2，要求多材料复杂结构件F的杨氏模量在低温区间的模量变化率大于A％，在中温区间的模量变化率大于A％；A％为20～50％；
其中：低温区间的模量变化率＝(E0-E1)/E0
中温区间的模量变化率＝(E1-E2)/E1
E0、E1和E2分别为复杂结构F在温度T0、T1和T2时的杨氏模量；
步骤2，根据需要制备到的多材料复杂结构F的机械性能目标，确定需要选取的符合要求三种材料M1、M2和M3的机械性能目标，包括：
确定材料M1在低温区间[T0，T1]的模量变化率大于K*A％，在中温区间(T1，T2]的模量变化率小于设定阈值ε；
确定材料M2在低温区间[T0，T1]的模量变化率小于设定阈值ε，在中温区间(T1，T2]的模量变化率大于K*A％；
确定材料M3在低温区间[T0，T1]的模量变化率小于设定阈值ε，在中温区间(T1，T2]的模量变化率小于设定阈值ε；
其中：K为模量变化率比例系数，大于1；
阈值ε设定应当很小，表明材料M1在中温区间(T1，T2]的模量基本稳定不变；材料M2在低温区间[T0，T1]的模量变化率稳定基本不变；材料M3在低温区间[T0，T1]和中温区间(T1，T2]的模量变化率稳定基本不变；
步骤3，根据步骤2确定的三种材料M1、M2和M3的机械性能目标，从材料机械性能数据库中选择符合机械性能目标并且适用3D打印工艺的材料，分别为：材料M1、M2和M3；
步骤4，将材料M1和设定质量比的光引发剂混合，得到材料M1”；
将材料M2和设定质量比的光引发剂混合，得到材料M2”；
将材料M3和设定质量比的光引发剂混合，得到材料M3”；
步骤5，确定多材料结构模型；
步骤6，根据多材料结构模型，以材料M1”、材料M2”和材料M3”为打印材料，采用多材料立体光刻3D打印设备对构件进行分区成型，优化3D打印参数，获得机械性能可控变化的多材料复杂结构件。
2.根据权利要求1所述的一种机械性能可变的多材料复杂结构4D打印方法，其特征在于，低温区间[T0，T1]为[20℃±5℃，60℃±5℃]；
中温区间中温区间(T1，T2]为(60℃±5℃，100℃±5℃]。
3.根据权利要求1所述的一种机械性能可变的多材料复杂结构4D打印方法，其特征在于，步骤3中，材料M1、M2和M3均为高分子材料。
4.根据权利要求3所述的一种机械性能可变的多材料复杂结构4D打印方法，其特征在于，材料M1、M2和M3为光敏树脂材料，包括丙烯酸酯树脂单体、预聚物、环氧树脂和乙烯基树脂中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的一种机械性能可变的多材料复杂结构4D打印方法，其特征在于，步骤4中，材料M1”、M2”和M3”中，光引发剂质量比均为0.5～1％。
6.根据权利要求1所述的一种机械性能可变的多材料复杂结构4D打印方法，其特征在于，光引发剂包括苯基双(2,4,6-三甲基苯甲酰基)氧化膦、1-羟基环己基苯基甲酮、2-苯基苄-2-二甲基胺-1-(4-吗啉苄苯基)丁酮，二苯基-(2,4,6-三甲基苯甲酰)氧磷中的一种或几种。
7.根据权利要求1所述的一种机械性能可变的多材料复杂结构4D打印方法，其特征在于，材料M1”、M2”和M3”的体积份为：
材料M1”1～50体积份
材料M2”1～50体积份
材料M3”1～50体积份。
8.根据权利要求7所述的一种机械性能可变的多材料复杂结构4D打印方法，其特征在于，材料M1”、M2”和M3”的体积份为：
材料M1”10～40体积份
材料M2”10～40体积份
材料M3”10～40体积份。
9.根据权利要求1所述的一种机械性能可变的多材料复杂结构4D打印方法，其特征在于，步骤5确定的多材料结构模型为水泥砂浆-砖块模型；
具体的：以材料M3”为水泥砂浆，以材料材料M1”和材料M2”为砖块，镶嵌在材料M3”中，形成水泥砂浆-砖块模型。
10.根据权利要求1所述的一种机械性能可变的多材料复杂结构4D打印方法，其特征在于，步骤6中，3D打印参数包括打印层厚、曝光时间、曝光光强；
其中：打印层厚设置25～200μm；曝光时间为1～30s；曝光光强为5～50mW/cm2。
11.根据权利要求10所述的一种机械性能可变的多材料复杂结构4D打印方法，其特征在于，步骤6中，3D打印参数包括打印层厚、曝光时间、曝光光强；
其中：打印层厚设置50～100μm；曝光时间为5～15s；曝光光强为10～25mW/cm2。
12.一种机械性能可变的多材料复杂结构件，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的机械性能可变的多材料复杂结构4D打印方法打印而成；
其中，机械性能可变的多材料复杂结构件在低温区间[T0，T1]和中温区间(T1，T2]的模量变化率均大于A％。
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