CN114274536A - 联合3d打印与类消失模铸造的叠层式人工肌肉构建工艺 - Google Patents
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Abstract
联合3D打印与类消失模铸造的叠层式人工肌肉构建工艺，属于生物科技技术领域，首先，利用可降解材料聚乳酸(PLA)对驱动层的多“S”形外壳进行3D打印而得到铸造模外壳，并注入天然高分子聚合物——海藻酸钠溶液；其次，在海藻酸钠溶液干燥后，使用一定量的柠檬酸对该铸造模外壳进行溶解处理，以获得无生物毒性且性能良好的水凝胶基人工肌肉驱动层；最后，将具有良好导电性能的碳纳米管水分散液，注入到驱动层的孔隙中，以进行电极层的制备；并对其进行干燥处理而得到叠层式人工肌肉。本发明以提升人工肌肉的各项性能指标，这对于未来人工肌肉的构建及其在各行业的应用发展，都具有重要影响。
Description
技术领域
本发明属于生物科技技术领域，特别是涉及到一种联合3D打印与类消失模铸造技术的叠层式人工肌肉的构建工艺。
背景技术
传统的人工肌肉构建工艺流程为：配制溶液、冷冻或加热干燥、粘结、切成单层样件，但是这种传统的构建工艺步骤多、时间长、效率低；所以，需要一种操作简便、效率很高的人工肌肉构建工艺。3D打印(3D Printing)，即是快速成型技术的一种，又称增材制造，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术；目前已广泛应用于航空航天，药物产业，生物医学等领域。消失模铸造技术(EPC或LFC)是用泡沫塑料制作成与零件结构和尺寸完全一致的实型模具，再经浸涂耐火粘结涂料，烘干后进行干砂造型，振动紧实，然后浇入金属液使模样受热气化消失，而得到与模样形状一致的金属零件的铸造方法；它是一种近无余量、精确成形的新技术，减少了污染，被认为是21世纪最可能实现绿色铸造的工艺技术。
此外，单层人工肌肉在输出力特性、弹性模量、拉伸应变等方面存在很大的缺陷；而叠层式人工肌肉却有着极大的拉伸形变，能够产生很大的响应输出力和偏转位移。
因此，现有技术亟需一种新的技术方案来解决上述问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供联合3D打印与类消失模铸造的叠层式人工肌肉构建工艺，运用成熟的3D打印与类消失模铸造技术，从而得到了一种结构简单、重量轻、附着性好、拉伸强度高、能够产生很大的响应输出力和偏转位移的叠层式人工肌肉。
联合3D打印与类消失模铸造的叠层式人工肌肉构建工艺，其特征是：包括以下步骤，且以下步骤顺次进行，
步骤一、利用可降解材料聚乳酸PLA进行3D打印以得到铸造模外壳作为驱动层外壳，并向外壳内部注入天然高分子聚合物海藻酸钠溶液；
步骤二、待所述步骤一添加的海藻酸钠溶液干燥后，使用柠檬酸对所述铸造模外壳进行溶解处理，待铸造模外壳完全溶解气化后，获得无生物毒性水凝胶基人工肌肉的驱动层；
步骤三、将具有导电性能的碳纳米管水分散液注入所述步骤二获得驱动层的孔隙中，进行电极层的制备并对其进行干燥处理，获得叠层式人工肌肉。
所述步骤一制备的驱动层外壳为两个以上S型叠加结构。
所述步骤一驱动层外壳的具体制备方法为，
A、通过SolidWorks三维软件进行建模并且输出为STL文件，通过3D打印机通过读取该文件中的模型信息，将其截面逐层打印并粘合起来获得驱动层外壳；
B、向50mL蒸馏水中加入0.3g海藻酸钠，并倒入3mL丙三醇作为保湿剂，置于磁力搅拌器上，并用60℃水浴匀速搅拌30min，直到海藻酸钠完全溶解并混合均匀；
C、将步骤B搅拌均匀的海藻酸钠溶液注入到步骤A打印好的外壳内，并放入热干燥箱中进行干燥，设定温度80℃、时间48h，获得人工肌肉的驱动层。
所述步骤三中干燥处理的温度为60℃，时间为48h。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：联合3D打印与类消失模铸造的叠层式人工肌肉构建工艺，以提升人工肌肉的各项性能指标，这对于未来人工肌肉的构建及其在各行业的应用发展，都具有重要影响。
本发明的进一步有益效果在于：
第一、3D打印技术，即增材制造技术，可以通过不断叠加和粘合人工肌肉各层，而从无到有地构建出一个完整的叠层式人工肌肉驱动层；其一体化成形的特点能够用于优化人工肌肉驱动层的结构，以达到了减轻重量、提高工作效率、增加使用寿命、提升力学性能等效果；借助3D打印技术来构建人工肌肉，不再需要设计或制造昂贵的模具，设计者的创意可以直接通过3D打印机而成为现实，这极大降低了生产成本、减少了生产时间；
第二、类消失模铸造技术，是将天然可降解材料聚乳酸浇入打印好的外壳中，以进行人工肌肉驱动层的塑形，此过程简单、原料天然无害；然后将其进行干燥处理，在干燥后使用柠檬酸对外壳进行溶解，而得到人工肌肉驱动层；整个工艺过程实现了绿色生产，取消了合箱过程；所以，本发明的联合3D打印与类消失模铸造技术以进行人工肌肉驱动层的制备，极大地提高了人工肌肉的构建效率和尺寸准确率、取代了传统的热烘干制模工艺，为今后的人工肌肉构建工艺提供了新思想和理论前提；
第三、人工肌肉采用叠层式结构进行构建，叠层式人工肌肉具有极好的拉伸性能和很大的弹性模量、导电性能优异，能产生较大的输出力、偏转位移且响应输出稳定；经过类消失模铸造后的驱动层与电极层之间的附着性良好，叠层结构节约了生产原料、缩短了制备周期，同时提高了人工肌肉的输出力性能，即有着十分优异的电-机械性能。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：
图1为联合3D打印与类消失模铸造的叠层式人工肌肉构建工艺流程示意图。
图2为联合3D打印与类消失模铸造的叠层式人工肌肉结构示意图。
图3为联合3D打印与类消失模铸造的叠层式人工肌肉叠层式驱动层结构示意图。
图4为联合3D打印与类消失模铸造的叠层式人工肌肉电极层结构示意图。
图中，1-驱动层、2-电极层。
具体实施方式
联合3D打印与类消失模铸造的叠层式人工肌肉构建工艺，如图1所示，主要由三部分组成：首先，利用可降解材料聚乳酸(PLA)对驱动层的多“S”形外壳进行3D打印而得到铸造模外壳，并注入天然高分子聚合物——海藻酸钠溶液；其次，在海藻酸钠溶液干燥后，使用一定量的柠檬酸对该铸造模外壳进行溶解处理，以获得无生物毒性且性能良好的水凝胶基人工肌肉驱动层，如图3所示；最后，将具有良好导电性能的碳纳米管水分散液，注入到驱动层的孔隙中，以进行电极层的制备，如图4所示；并对其进行干燥处理而得到叠层式人工肌肉，如图2所示。
具体步骤如下：
首先，打印人工肌肉的驱动层外壳。将0.3g海藻酸钠(90％)溶于50mL蒸馏水中，以配制成海藻酸钠溶液作为人工肌肉驱动层基底液。并设置磁力搅拌器的温度为60℃，转速为700r/min，将配置好的海藻酸钠溶液放在磁力搅拌器平台的正中间，使其受热均匀并搅拌，同时使用胶头滴管向海藻酸钠溶液中，逐渐滴入3mL保水剂丙三醇(≥99.0％)，使制备的人工肌肉驱动层柔软且力学性能良好。随后利用SolidWorks建模软件对叠层式人工肌肉驱动层进行建模，并输出为STL文件；3D打印机可通过读取文件中的模型横截面信息，而将这些横截面逐层打印出来，其使用天然可降解材料聚乳酸(PLA，93％)；再将各层横截面粘合起来，从而制备出叠层式人工肌肉的驱动层外壳。进一步，将已配置好的6mg/mL海藻酸钠溶液，注入到打印好的叠层式外壳内，并且放入热干燥箱中进行干燥，干燥温度为80℃、干燥时间为48h。
其次，利用消失模铸造技术制备人工肌肉驱动层。取出已经干燥好的叠层式人工肌肉外壳，并将其置于小烧杯中，倒入一定量的柠檬酸(CA，2％水溶液，pH＝3.1)，以对聚乳酸外壳进行溶解处理，该溶解过程操作方便且无生物毒性。待全部外壳气化消溶后，便得到叠层式人工肌肉驱动层。再将此叠层式人工肌肉驱动层置于干燥的小烧杯中，倒入30mL碳纳米管水分散液(10％)，而使其充分填充进驱动层空隙，并且高度正好浸没过叠层式人工肌肉驱动层的最高处；并将小烧杯放入热干燥箱中进行干燥处理，干燥温度60℃、干燥时间48h。
最后，叠层式人工肌肉构建。取出小烧杯，对已经构建好的完整的叠层式人工肌肉进行切样，切制如图2所示的驱动层1和电极层2的横截面结构，保存后进行力学测试与分析等。
Claims (4)
1.联合3D打印与类消失模铸造的叠层式人工肌肉构建工艺，其特征是：包括以下步骤，且以下步骤顺次进行，
步骤一、利用可降解材料聚乳酸PLA进行3D打印以得到铸造模外壳作为驱动层外壳，并向外壳内部注入天然高分子聚合物海藻酸钠溶液；
步骤二、待所述步骤一添加的海藻酸钠溶液干燥后，使用柠檬酸对所述铸造模外壳进行溶解处理，待铸造模外壳完全溶解气化后，获得无生物毒性水凝胶基人工肌肉的驱动层；
步骤三、将具有导电性能的碳纳米管水分散液注入所述步骤二获得驱动层的孔隙中，进行电极层的制备并对其进行干燥处理，获得叠层式人工肌肉。
2.根据权利要求1所述的联合3D打印与类消失模铸造的叠层式人工肌肉构建工艺，其特征是：所述步骤一制备的驱动层外壳为两个以上S型叠加结构。
3.根据权利要求1所述的联合3D打印与类消失模铸造的叠层式人工肌肉构建工艺，其特征是：所述步骤一驱动层外壳的具体制备方法为，
A、通过SolidWorks三维软件进行建模并且输出为STL文件，通过3D打印机通过读取该文件中的模型信息，将其截面逐层打印并粘合起来获得驱动层外壳；
B、向50mL蒸馏水中加入0.3g海藻酸钠，并倒入3mL丙三醇作为保湿剂，置于磁力搅拌器上，并用60℃水浴匀速搅拌30min，直到海藻酸钠完全溶解并混合均匀；
C、将步骤B搅拌均匀的海藻酸钠溶液注入到步骤A打印好的外壳内，并放入热干燥箱中进行干燥，设定温度80℃、时间48h，获得人工肌肉的驱动层。
4.根据权利要求1所述的联合3D打印与类消失模铸造的叠层式人工肌肉构建工艺，其特征是：所述步骤三中干燥处理的温度为60℃，时间为48h。
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