CN113232294A - 一种基于4d打印的双向变形结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于4D打印的双向变形结构，克服了现有4D打印技术的机械结构设计只实现单一方向的变形的问题。本发明的技术方案为：一种基于4D打印的双向变形结构，包括外包裹结构、变形板和吸水树脂，所述外包裹结构内部为栅栏型结构，空隙填充有吸水树脂，侧面偏上位置开有通孔，所述变形板设置于通孔内。所述外包裹结构材料是柔性TPU材料，变形板为形状记忆聚合物材料，通过4D打印熔融成型工艺技术形成。本发明利用形状记忆聚合物一体化打印出可自发实现双向变形的结构，可实现两端安装机构代替传统铰链结构，在不借助外力，仅仅在改变外界刺激条件的情况下，该结构即可自发实现双向变形。
Description
技术领域
本发明属于增材制造领域，具体涉及一种基于4D打印的双向变形结构。
背景技术
4D打印技术是近几年来基于3D打印而发展起来的一种新颖的快速成型技术。它是3D打印结构在形状、结构和功能上一种有目的性的进化，从而能够有效地实现自组装、变形和自我修复。
4D打印技术的兴起，突破了机构控制结构领域的“固有形态”。通过利用材料自身特性进行“编程”，从而实现对机械结构的运动转化与控制，绕开了现有工业机构研发所需的核心零部件，为工业机构产业发展开辟了另一条思路。
但目前基于4D打印技术的机械结构设计多为单向变形，即仅仅只实现单一方向的变形，而双向变形结构才是机械控制领域最为常见的形式。
发明内容
本发明的目的是要提供一种基于4D打印的双向变形结构。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于4D打印的双向变形结构，包括外包裹结构、变形板和吸水树脂，所述外包裹结构内部为栅栏型结构，空隙填充有吸水树脂，侧面偏上位置开有通孔，所述变形板设置于通孔内。
所述外包裹结构材料为长方体，是柔性TPU材料，变形板为形状记忆聚合物材料，通过4D打印熔融成型工艺技术形成。
所述形状记忆聚合物材料为聚乳酸材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明基于4D打印技术，利用形状记忆聚合物一体化打印出可自发实现双向变形的结构，可实现两端安装机构代替传统铰链结构。结合熔融成型增材制造工艺（FDM），基于结构设计组合思想、材料性能原理而产生的形变效应，制备获得具有双向变形能力的结构，即在不借助外力，仅仅在改变外界刺激条件的情况下，该结构即可自发实现双向变形。
附图说明
图1为本发明所述的一种基于4D打印双向变形结构示意图。
图2为本发明所述的一种基于4D打印双向变形结构的内部结构示意图。
图3为本发明所述的一种基于4D打印双向变形结构的双向变形过程示意图。
图4为本发明应用方法示意图。
图5为本发明应用于水平升降舵装置结构示意图。
图6为本发明应用于水平升降舵装置内部结构示意图。
图中，1-外包裹结构，2-变形板，3-吸水树脂。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式包括但不限于以下实施例表示的范围。
参见图1及图2，一种基于4D打印的双向变形结构，包括外包裹结构、变形板和吸水树脂，所述外包裹结构和变形板通过4D打印熔融成型工艺技术形成，所述外包裹结构材料为柔性TPU材料，变形板为形状记忆聚合物材料，所述外包裹结构为侧面开口的长方体形状，所述吸水树脂通过开口灌入外包裹结构内部空腔，变形板通过开口插入包裹结构内部。
所述形状记忆聚合物为聚乳酸材料。
所述外包裹结构外部呈现长方体结构，两侧面与内部呈现“回”型结构。
所述两侧面与内部“回”型结构开口部分位置偏上。
参见图3，本发明所述一种基于4D打印的双向变形结构的变形方法，具体包括以下步骤：
步骤一：将双向变形结构在0度的水中放置一段时间，使内部吸水树脂充分吸收水分膨胀。
步骤二：从水中取出双向变形结构将其放入高温环境，在高于形状记忆聚合物玻璃态转化温度的环境中，变形板发生明显软化允许产生较大变形。与此同时由于外包裹结构内部“口”字形结构对膨胀的吸水树脂在垂直于变形板方向的溶胀施加了约束，因此溶胀转换为平行于变形板方向的力。
步骤三：此时由于外包裹结构与变形板之间产生刚度差异，整个结构弯曲。
更进一步的，所述玻璃态转化温度的环境为空气、真空或热液环境。
步骤四：将双向变形结构放入低于形状记忆聚合物玻璃态转化温度的环境中，变形板发生明显硬化，与此同时吸水树脂在此环境中水分逐渐流失逐步完全干燥缩小成粉末。
步骤五：再次将双向变形结构放入高温环境，在高于形状记忆聚合物玻璃态转化温度的环境中，变形板发生逐步恢复笔直状态。
步骤六：将双向变形结构放入低于形状记忆聚合物玻璃态转化温度的环境中，变形板发生明显硬化，这样就完成了一个可重复的双向变形循环。
基于以上变形方法，本发明所述外包裹结构开口两端面可连接机构代替传统铰链机构。
参见图4，图中连接部即使用的是本发明所述的双向变形结构，在不借助外力，仅仅在改变外界刺激条件的情况下，该结构即可自发实现双向变形，使两端连接的部件夹角发生改变。因此，本发明可以广泛应用于航空航海领域。
在航空领域中，传统的空间展开装置在轨道中的结构形状变化需要通过铰链来实现，铰链中储存有能量单元或马达驱动工具。这些传统设备有其自身缺点，如装配工序复杂、体积庞大以及展开过程中存在副效应。相反，采用本结构制备的展开设备即可以克服上述某些缺点。
在航海领域中，当潜艇下潜进入不同水深时，传统的水平升降舵装置在下潜中的结构形状变化需要通过铰链来实现，铰链中储存有能量单元或马达驱动工具。这些传统设备有其自身缺点，如装配工序复杂、体积庞大以及变形过程中存在副效应。为了解决这个问题，利用本结构代替了传统的铰链，并且可以保持水平升降舵装置在功能性不变的情况下大大减少其机械结构，在节约能源的同时提高了该装置的可靠性。
在航空航海领域中，参见图5及图6，本发明工作原理如下：
步骤一：潜艇下潜时水平升降舵装置进如水中，使内部吸水树脂充分吸收水分膨胀。
步骤二：此时对该水平升降舵装置升温，在高于形状记忆聚合物玻璃态转化温度的环境中，变形板发生明显软化允许产生较大变形。与此同时由于外包裹结构内部“口”字形结构对膨胀的吸水树脂在垂直于变形板方向的溶胀施加了约束，因此溶胀转换为平行于变形板方向的力。
步骤三：此时由于外包裹结构与变形板之间产生刚度差异，整个结构弯曲，水平升降舵装置变形为下潜姿态。
更进一步的，所述玻璃态转化温度的环境为空气、真空或热液环境。
步骤四：潜艇上浮时将水平升降舵装置降温至低于形状记忆聚合物玻璃态转化温度的环境中，变形板发生明显硬化，与此同时吸水树脂在此环境中水分逐渐流失逐步完全干燥缩小成粉末。
步骤五：再次将水平升降舵装置放入高温环境，在高于形状记忆聚合物玻璃态转化温度的环境中，变形板发生逐步恢复笔直状态，转换至上浮姿态。
步骤六：将水平升降舵装置放入低于形状记忆聚合物玻璃态转化温度的环境中，变形板发生明显硬化，这样就完成了一个可重复的下潜上浮循环。
Claims (4)
1.一种基于4D打印的双向变形结构，其特征在于：
包括外包裹结构、变形板和吸水树脂，所述外包裹结构内部为栅栏型结构，空隙填充有吸水树脂，侧面偏上位置开有通孔，所述变形板设置于通孔内。
2.根据权利要求1所述的一种基于4D打印的双向变形结构，其特征在于：
所述外包裹结构材料为为长方体，是柔性TPU材料。
3.根据权利要求2所述的一种基于4D打印的双向变形结构，其特征在于：
所述变形板为形状记忆聚合物材料，通过4D打印熔融成型工艺技术形成。
4.根据权利要求3所述的一种基于4D打印的双向变形结构，其特征在于：
所述形状记忆聚合物材料为聚乳酸材料。
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