CN114131921B - 一种薄壁异质结构的曲面共形4d打印方法及异质结构 - Google Patents

一种薄壁异质结构的曲面共形4d打印方法及异质结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种薄壁异质结构的曲面共形4D打印方法及异质结构，包括构建目标曲面异质功能结构三维模型，对三维模型分割、展开，转化为临时平面结构；选取非晶态聚合物和导电材料，对临时平面结构进行平面异质加工；使用聚合物有机溶剂雾化处理；加热临时平面结构与待共形曲面使其中聚合物材料完全转化橡胶态；曲面共形贴合，并调整校准，冷却后得到目标曲面共形薄壁异质功能结构。通过对非晶态聚合物基质加热软化塑形－冷却硬化定形的处理，实现简单临时结构向复杂目标结构的4D变形，降低了曲面异质功能结构直接以目标结构一体化成形的难度，避免了制造误差导致的曲面装配问题，具有较高的成形精度，保障了电磁、电子器件性能的稳定。

Description

一种薄壁异质结构的曲面共形4D打印方法及异质结构
技术领域
本发明属于4D打印制造领域，具体涉及一种薄壁异质结构的曲面共形4D打印方法及异质结构。
背景技术
电介质与导电材料由于电阻率的差异，被广泛组合应用在各类电磁、电子器件中。但是随着智能器件小型化、轻薄化的发展，薄壁异质功能结构的曲面共形是下一代电磁、电子器件的关键技术。先进功能材料及加工工艺成为近年来的研究热点。非晶态聚合物是电介质材料的一种，可以经由外界温度变化，实现聚合物玻璃态与橡胶态可逆转化，被广泛应用于4D打印领域。
4D打印是在3D打印技术基础上发展起来的一种新兴制造技术，为超表面等曲面共形电磁、电子器件的制造局限提供了新的解决思路。所谓4D是指在三个空间成形维度的基础上增加了一个时间的维度，采用具有形状记忆的打印材料，通过外界刺激使三维结构从一种形态变形为另一种形态。相对于传统的制造工艺，4D打印除了具备3D打印制造速度快、成本低、具备复杂结构制备能力等优势外，还能够在外界环境条件改变时调整物体自身属性，变化成所需要的物理状态进而行使相关变形功能，降低曲面结构一体化直接成形的难度。
现有的如PCB工艺等平面金属与电介质异质结构的平面加工方法无法实现曲面共形电磁、电子器件的制造。使用柔性基底的柔性电子电路技术虽然能够在一定程度上曲面变形，但是由于其不可控的结构变形造成导电结构的滑移失位可能对电磁、电子器件的性能产生显著影响；如曲面转印、激光直接成形以及油墨直写等在曲面电介质基底上进行导电材料增材制造的方法，加工难度大、成本高并且成形面积有限，刚性曲面基底由于制造误差难以与目标曲面完美共形。
发明内容
本发明针对超表面等薄壁电磁、电子器件的曲面共形应用需求，为解决电介质与导电材料异质功能结构的曲面制造难题，提出了一种非晶态聚合物与金属等导电材料组成的异质结构的曲面共形4D打印方法，该方法实现高精度曲面异质结构制造的同时，大大降低了共形制造的难度。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
本发明一方面，提供了一种薄壁异质结构的曲面共形4D打印方法，包括：
通过计算机构建目标曲面异质功能结构三维模型，对三维模型分割、展开，转化为临时平面结构；
选取非晶态聚合物和导电材料，对临时平面结构进行平面异质加工；
使用聚合物有机溶剂雾化处理异质加工后的临时平面结构；
临时平面结构与待共形曲面加热，使临时平面结构中的聚合物材料完全转化为橡胶态；
将橡胶态软化的临时平面结构与待共形曲面贴合，并调整共形得到校准异质结构；
待异质结构完全冷却至聚合物玻璃态温度，得到目标曲面共形薄壁异质功能结构。
作为优选，对临时平面结构进行平面异质加工包括如下步骤：
根据目标曲面异质功能结构三维模型，用熔融沉积成形技术，将非晶态聚合物通过聚合物打印喷头在打印平台上打印电介质基底及定位辅助边缘，再通过金属打印喷头在电介质基底上打印导电谐振环。
作为优选，所述非晶态聚合物为聚乳酸、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物或聚碳酸酯等3D打印材料。
作为优选，所述导电材料为金属元素Bi、Sn、Pb或In组成的合金或导电银浆。
作为优选，采用聚合物有机溶剂对所制备的临时平面结构进行雾化处理，聚合物有机溶剂包括三氯甲烷、丙酮或丁基酮。
作为优选，所述临时平面结构与待共形曲面加热至温度略高于所使用非晶态聚合物材料的玻璃化转变温度，使临时平面结构中的聚合物基质完全转化为橡胶态。
作为优选，临时平面结构与待共形曲面贴合，调整对齐定位辅助边缘与曲面模具上的定位孔进行校准。
本发明另一方面，提供了一种采用上述方法制备得到的薄壁异质结构，包括共形曲面和临时平面结构，沿临时平面结构四周分布有定位辅助边缘，临时平面结构附在共形曲面上与其贴合，并通过定位辅助边缘与共形曲面定位；临时平面结构上设有若干电介质基底阵列和其上的导电谐振环。
作为优选，所述共形曲面为底部为平面、顶部为曲面结构，沿共形曲面四周设有若干平行排布的开环槽，开环槽与定位辅助边缘上的定位孔对接。
本发明受启发于4D打印概念，适用于所有包含非晶态聚合物材料组成的异质结构。主要利用非晶态聚合物在玻璃态和橡胶态两种物理状态间转化前后各项物理性能剧烈变化的特性，通过对非晶态聚合物基质加热软化塑形－冷却硬化定形的处理，实现简单临时结构向复杂目标结构在时间维度上的4D变形。结合曲面的分割、展开与拼接，该4D变形制造方法能够满足任意曲面外形薄壁类电磁、电子器件的共形制造需求。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
(1)与现有曲面异质结构直接在刚性电介质基底上进行不同位姿导电结构的加工方法相比，本发明在成形过程中引入了一个成形相对简单的临时平面结构，大大降低了曲面异质功能结构直接以目标结构一体化成形的难度。
(2)本发明在平面化制造过程更易实现异质材料间较高的相对成形精度，能够保障电磁、电子器件性能的稳定发挥。
(3)对于曲面共形应用，直接制造的刚性曲面异质结构与共形目标接触面之间由于制造误差难免存在装配问题，本发明提出的橡胶态柔性贴合变形能够有效避免上述问题，保证两者间的高精度配合。
(4)曲面薄壁结构在直接制造过程中难免需要支撑等辅助手段实现复杂结构成形，本发明所提出的曲面共形异质结构在制造过程中无需支撑，工艺步骤简单，成本低廉，环境友好。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1为实施例1中目标曲面异质功能结构示意图；
图2为非晶态聚合物与导电材料熔融沉积复合打印过程示意图；
图3为临时平面结构界面增强后处理及待共形曲面目标示意图；
图4为异质结构加热至橡胶态并校准共形的过程示意图。
其中：1-导电谐振环，2-电介质基底，3-聚合物打印喷头，4-打印平台，5-临时平面结构，6-金属打印喷头，7-聚合物有机溶剂，8-曲面模具，9-定位辅助边缘。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
本发明薄壁异质结构的曲面共形4D打印方法，具体实施过程为：
(1)目标结构曲面展开
实施例1中将图1所示的弓形曲面异质功能结构展开为矩形临时平面结构，并添加定位辅助边缘9结构。
如图1所示，实施例1中的异质功能结构由若干导电谐振环1和电介质基底2组成，其曲面加工制造非常困难。为降低目标曲面异质功能结构直接成形的难度，通过计算机辅助设计将图1所示曲面异质功能结构的三维模型分割、展开为图2所示临时平面结构5的三维模型，添加定位辅助边缘9，再进行平面制造、曲面共形，能够避免异质结构的曲面制造难题。
(2)临时结构平面制造
选取相应的非晶态聚合物以及导电材料作为打印丝材，根据所展开的临时平面结构进行平面加工制造。非晶态聚合物为聚乳酸、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物或聚碳酸酯3D打印材料；导电材料为金属元素Bi、Sn、Pb或In组成的合金或导电银浆。
如图2所示，实施例1通过聚乳酸与Sn-Bi双喷头熔融沉积成形制造临时平面结构，3D打印的技术特点确保了的具有复杂单元结构的非晶态聚合物基质的快速成形，平面一体化成形的工艺过程保证了导电结构相对于聚合物基质的相对成形精度。
如图2所示，根据实施过程(1)展开的临时平面结构5的三维模型，使用熔融沉积成形技术，选取聚乳酸(非晶态聚合物)和Sn-Bi合金(导电材料)作为打印丝材进行加工制造。首先在打印平台4上通过聚合物打印喷头3打印电介质基底2及定位辅助边缘9，再通过金属打印喷头6在电介质基底2上打印导电谐振环1。
(3)界面增强后处理
如图3所示，针对不同材料间相对薄弱的界面结合性能，使用聚合物有机溶剂7雾化处理实施过程(2)制备的临时平面结构，起到溶解软化聚合物表层并使之与导电结构嵌合以增强两者间界面结合性能的作用，增强非晶态聚合物与导电材料间界面结合性能，防止后续变形过程导电结构脱落。
实施例1中使用的非晶态聚合物为聚乳酸，故可使用三氯甲烷、丙酮或丁基酮等作为聚合物有机溶剂7，有机溶剂能够溶解电介质基底2表层上的聚合物材料，使电介质基底2表层软化并与接触的导电谐振环边缘嵌合。有机溶剂挥发后，电介质基底2表层上的聚合物材料固化，使电介质基底2与导电谐振环1间的界面结合性能得到增强。
(4)橡胶态加热软化
将临时平面结构与共形目标加热至温度略高于所使用非晶态聚合物材料的玻璃化转变温度，使临时平面结构中的聚合物基质完全转化为橡胶态。加热温度是由使用的材料特性(玻璃化转变温度，既玻璃态转化为橡胶态的温度)决定的，加热时间受结构尺寸大小影响；使得结构温度与加热环境温度一致，确保结构中的非晶态聚合物材料由玻璃态完全转化为橡胶态。
基于非晶态聚合物材料玻璃-橡胶态转化，通过加热软化塑形－冷却硬化定形的处理实现临时结构向目标结构的变形。
实施例1中另取如图3所示的曲面模具8，将临时平面结构5与曲面模具8放置在热烘箱内恒温加热，热烘箱温度设置为所使用非晶态聚合物材料的玻璃化转变温度。实施例1中的非晶态聚合物材料为聚乳酸，故热烘箱加热温度设置为60-80℃。实施例1中的导电材料为Sn-Bi合金，其熔点约为138℃，在此加热过程中不受影响。曲面模具8制备所使用材料的热变形温度远高于所使用的非晶态聚合物材料，在此加热过程中不会软化变形。临时平面结构5充分加热后其电介质基底与热烘箱内温度一致，聚乳酸材料将完全转化为高弹性的橡胶态。
(5)曲面校准共形
将橡胶态软化的临时平面结构与共形目标曲面的贴合，根据实际应用条件校准共形，可以根据共形目标外形不断调节校准橡胶态聚合物结构的变形精度。
如图4所示，维持热烘箱温度，在热烘箱内将橡胶态的临时平面结构5底面与曲面模具8待共形的表面贴合，调整对齐定位辅助边缘9与曲面模具8上的定位孔进行校准，保证变形后的曲面共形精度。
(6)玻璃态冷却定形
将共形后的临时平面结构5与曲面模具8取出，维持如图4所示的形状并在室温条件下进行冷却，非晶态聚合物在温度低于玻璃化转变温度的条件下将自然转化为玻璃态，电介质基底2将在室温条件下硬化并保持曲面形状。分离模具并去除定位辅助边缘9，得到如图1所示的曲面异质功能结构。
相比直接在曲面电介质基底上直接加工若干位姿不同的导电结构，本发明引入的临时平面结构的一体化制造简单易行。熔融沉积成形3D打印技术易于实现复杂电介质基底结构的快速成形，双喷头一体化的成形过程保证了导电结构相对于电介质基质的相对成形精度。橡胶态软化变形与玻璃态硬化定形的共形方法，能够保证曲面异质功能结构与共形曲面间的装配精度。
涉及的临时平面结构制造技术包括但不局限于熔融沉积成形3D打印技术，所使用的聚乳酸和Sn-Bi合金仅为非晶态聚合物与导电材料中的一种组合，凡是包含非晶态聚合物组成的异质结构均可使用本发明提供的方法进行曲面共形。
上述方法制备得到的曲面共形薄壁异质结构，包括共形曲面和临时平面结构，沿临时平面结构四周分布有定位辅助边缘，临时平面结构附在共形曲面上与其贴合，并通过定位辅助边缘与共形曲面定位；临时平面结构上设有若干电介质基底阵列和其上的导电谐振环。共形曲面为底部为平面、顶部为曲面的结构，沿共形曲面四周设有若干平行排布的开环槽，开环槽与定位辅助边缘上的定位孔对接。
上述实施例解决了在曲面电介质基底上进行导电材料增材制造的方法，加工难度大、成本高并且成形面积有限，刚性曲面基底由于制造误差难以与目标曲面完美共形的问题，采用4D变形制造方法满足了任意曲面外形薄壁类电磁、电子器件的共形制造需求。
以上所述仅为本发明的优选实施例，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 (9)

1.一种薄壁异质结构的曲面共形4D打印方法，其特征在于，包括：
通过计算机构建目标曲面异质功能结构三维模型，对三维模型分割、展开，转化为临时平面结构；
选取非晶态聚合物和导电材料，对临时平面结构进行平面异质加工；
使用聚合物有机溶剂雾化处理异质加工后的临时平面结构；
临时平面结构与待共形曲面加热，使临时平面结构中的聚合物材料完全转化为橡胶态；
将橡胶态软化的临时平面结构与待共形曲面贴合，并调整共形得到校准异质结构；
待校准异质结构完全冷却至非晶态聚合物玻璃态温度，得到目标曲面共形薄壁异质结构。
2.根据权利要求1所述的薄壁异质结构的曲面共形4D打印方法，其特征在于，对临时平面结构进行平面异质加工包括如下步骤：
根据目标曲面异质功能结构三维模型，用熔融沉积成形技术，将非晶态聚合物通过聚合物打印喷头在打印平台上打印电介质基底及定位辅助边缘，再通过金属打印喷头在电介质基底上打印导电谐振环。
3.根据权利要求1所述的薄壁异质结构的曲面共形4D打印方法，其特征在于，所述非晶态聚合物为聚乳酸、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物或聚碳酸酯3D打印材料。
4.根据权利要求1所述的薄壁异质结构的曲面共形4D打印方法，其特征在于，所述导电材料为金属元素Bi、Sn、Pb或In组成的合金或导电银浆。
5.根据权利要求1所述的薄壁异质结构的曲面共形4D打印方法，其特征在于，采用聚合物有机溶剂对所制备的临时平面结构进行雾化处理，聚合物有机溶剂包括三氯甲烷、丙酮或丁基酮。
6.根据权利要求1所述的薄壁异质结构的曲面共形4D打印方法，其特征在于，所述临时平面结构与待共形曲面加热至温度略高于所使用非晶态聚合物材料的玻璃化转变温度，使临时平面结构中的聚合物基质完全转化为橡胶态。
7.根据权利要求1所述的薄壁异质结构的曲面共形4D打印方法，其特征在于，临时平面结构与待共形曲面贴合，调整对齐定位辅助边缘与曲面模具上的定位孔进行校准。
8.一种权利要求1-7任一项所述方法得到的薄壁异质结构，其特征在于，包括待共形曲面和临时平面结构，沿临时平面结构四周分布有定位辅助边缘，临时平面结构附在待共形曲面上与其贴合，并通过定位辅助边缘与待共形曲面定位；临时平面结构上设有若干电介质基底阵列和其上的导电谐振环。
9.根据权利要求8所述方法得到的薄壁异质结构，其特征在于，所述待共形曲面为底部为平面、顶部为曲面的结构，沿待共形曲面四周设有若干平行排布的开环槽，开环槽与定位辅助边缘上的定位孔对接。
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