CN114506068A - 用于打印液晶弹性体的4d打印机及液晶弹性体4d打印方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种用于打印液晶弹性体的4D打印机及液晶弹性体4D打印方法，4D打印机包括打印平台，打印平台上方设有喷料装置，喷料装置包括喷头，所述喷头用于将液晶弹性体材料喷出到打印平台上；所述液晶弹性体材料为可通过光交联反应固化的聚合物材料；所述喷料装置上设有光固化部件；所述液晶弹性体在液晶转变温度发生可逆性形变；所述喷头可在平行于打印平台的平面上运动，所述打印平台可沿靠近或远离所述的方向运动；所述打印平台下方设有制冷装置。本申请中智能的液晶弹性体材料结合3D打印技术，实现可变结构的4D打印。
Description
技术领域
本申请涉及一种用于打印液晶弹性体的4D打印机及液晶弹性体4D打印方法，属于3D打印机技术领域。
背景技术
液晶弹性体是一种可以实现双向可逆性形变的特殊高分子材料，高分子量，高模量，高强度的特性使得其在机械，电子，医疗，航空航天，柔性传感等领域有着巨大的发展前景。液晶弹性体兼具液晶和弹性体的双重性能，此外还具有在光，电，热，机械场等作用下优异的取向性能，压电性能，软弹性能等。
3D打印技术的发展打破了传统制造业的生产方式，提供了全新的生产解决方式。利用数字化3D建模文件，采用逐层累积成型的生产方式，相较于传统切削加工，此方法又称为增材制造技术。此项技术现已广泛应用于汽车，航空航天，医疗，生物，教育等多个领域。
4D打印技术是一门结合数学、材料、增材制造等学科的新技术，又称为可变特性快速成型技术。智能材料可在环境刺激下进行打印形状、属性或功能的改变，利用其可编程，自修复等性能进行成型预编程设计，通过4D打印技术可实现柔性化，个性化，智能化的特定结构。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种液晶弹性体的4D打印机设计及其打印方法，实现了智能材料可变构的4D成型打印。
为实现上述目的，本发明提出了一种用于打印液晶弹性体的4D打印机：
一种用于打印液晶弹性体的4D打印机，包括打印平台，打印平台上方设有喷料装置，喷料装置包括喷头，所述喷头用于将液晶弹性体材料喷出到打印平台上；所述液晶弹性体材料为可通过光交联反应固化的聚合物材料；所述喷料装置上设有光固化部件；所述液晶弹性体在液晶转变温度发生可逆性形变；
所述喷头可在平行于打印平台的平面上运动，所述打印平台可沿靠近或远离所述的方向运动；
所述打印平台下方设有制冷装置。
可选的，根据权利要求1所述的用于打印液晶弹性体的4D打印机，其特征在于，所述液晶弹性体材料为包含RM257和固化剂的原料聚合得到的聚合物材料；
可选的，RM257与固化剂的摩尔比为1～1.2：1；
可选的，所述液晶弹性体材料的分子量为2500-12500；
可选的，所述固化剂为正丁胺，RM257与正丁胺摩尔比为1～1.2：1；
可选的，所述固化剂为DODT和PETMP的混合物以10～30：1的摩尔比混合的混合固化剂。
可选的，所述喷头的中心线与打印平台之间夹角为：10°～30°。
可选的，喷头上装有直线导轨，上下调整喷头位置。
可选的，所述光固化部件为UV灯。
可选的，所述UV灯波长为295nm-430nm。
可选的，所述UV灯波长为365nm。
可选的，所述喷料装置还包括注射进料筒，注射进料筒将所述液晶弹性体材料送到喷头；所述喷料装置还设有加热部件。
可选的，所述注射进料筒通过步进电机带动滚珠丝杠推动活塞推杆进行挤出送料。
可选的，所述加热部件包括液晶弹性体加热件和喷头流道加热件。
可选的，所述制冷装置为风扇散热器，风扇散热器安装在打印平台底面。
本申请还提出了使用上述4D打印机打印液晶弹性体的方法，包括如下步骤：
1)对4D打印液晶弹性体进行预编辑走线，设计可变结构模型；
2)控制加热部件对注射进料筒和喷头进行加热，使储存的液晶弹性体材料升温至玻璃化转变温度以上；
3)控制注射进料筒加压进料，根据步骤1)的可变结构模型，控制喷头和打印平台进行移动，喷头使液晶弹性体单畴取向成型，制造三维实体；
控制制冷装置对打印平台进行冷却至液晶弹性体玻璃化转变温度以下，使液晶弹性体保持单畴取向形态；
底层打印完成后开启光固化部件进行光固化交联；然后在打印过程中保持光固化部件照射。
可选的，步骤2)中液晶弹性体材料升温至50～60℃，步骤3)中平台液晶弹性体材料降温至15℃
可选的，打印完成后光固化部件继续照射固化0.5～2小时；
可选的，所述注射进料筒注射速度为0.02ml-0.05ml/min。
本申请中的缩写RM257是指4-(3-丙烯酰氧基丙氧基)苯甲酸2-甲基-1,4-苯酯；DODT是指2,2′-(1,2-乙二基双氧代)双乙硫醇14970-87-7；PETMP是指四(3-巯基丙酸)季戊四醇酯7575-23-7。
本发明具有如下有益效果：
本发明提供的一种3D打印装置和方法，使用注射活塞挤出液晶弹性体的方式，通过喷头、冷台、UV灯实现液晶弹性的三维制造，结合3D打印技术，实现了液晶弹性体的4D打印。满足了打印变构智能材料的打印需求，拓展了4D打印发展空间。
附图说明
图1为本发明实施例提供的3D打印机的整体结构示意图；
其中附图标记：1、步进电机；2、滚珠丝杠；3、注射进料筒；4、加热套；5、框架；6、打印平台；7、风扇制冷器；8、控制器；9、UV灯；10、喷头；
图2为实施例2所打印的液晶弹性体材料结构及其随温度变化的实物图。
图3为实施例3所打印的液晶弹性体材料结构及其随温度变化的实物图。
具体实施方式
下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。
实施例1
如图1所示的一种用于打印液晶弹性体的4D打印机，包括框架5、打印平台6、喷料装置、制冷装置7及控制器8。其中液晶弹性体材料是指可在液晶转变温度附近发生可逆性形变的交联液晶聚合物，液晶弹性体可在UV灯照射下发生光交联反应固化。
喷料装置包括喷头10，所述喷头10用于将液晶弹性体材料喷出到打印平台6上，喷头的中心线与打印平台之间夹角为：10°～30°。喷料装置及喷头10可在框架5上进行X轴、Y轴方向的运动，打印平台6可进行Z轴方向的运动。
喷料装置还包括注射进料筒3，注射进料筒3通过步进电机1带动滚珠丝杠2推动活塞推杆进行挤出送料，将所述液晶弹性体材料送到喷头10。
所述喷料装置还设有加热部件，加热部件包括液晶弹性体加热件和喷头流道加热件。液晶弹性体加热件为注射进料筒上的加热套4，加热套4对注射进料筒3内液晶弹性体材料进行加热，使其升温至玻璃化转变温度之上。喷头流道加热件为位于喷头10处的加热块，加热块对液晶弹性体进行加热，保证其在指定温度范围。
喷料装置上还设有UV灯，UV灯位于喷头上方，对打印路径进行光交联反应，保证打印的连续性。可在喷嘴上安装直线导轨，实现喷嘴在Z轴方向上的调节，如图1中喷嘴运动到了UV灯上方，在使用时下降到UV灯下方的指定距离。
制冷装置7为风扇散热器，风扇散热器安装在打印平台底面，制冷装置对打印平台进行降温冷却，保证其在指定温度范围。
控制器8用于打印液晶弹性体的4D打印机还包括用于控制喷头和打印平台运动。
打印液晶弹性体所用的原料为RM257类液晶弹性体材料，通过RM257单体和固化剂单体原料聚合得到的寡聚物材料，分子量约为2500-12500。RM257单体结构式如下：
通过改变固化剂种类可得到不同性能的材料，本申请中给出两种液晶弹性体材料：
1.固化剂为正丁胺，RM257与正丁胺摩尔比为1～1.2：1。聚合物结构式如下：
其中，n＝2-10；
2.所述固化剂为DODT和PETMP的混合物以10～30：1的摩尔比混合的混合固化剂。RM257与混合固化剂摩尔比为1：1。DODT和PETMP的结构式如下：
该装置利用喷头与平台的的相对运动，使液晶弹性体单畴取向成型，制造出三维实体，同时通过光交联固化和制冷装置使液晶弹性体保持单畴取向形态，可以实现液晶弹性体的4D打印。
实施例2
利用实施例1中的用于打印液晶弹性体的4D打印机打印液晶弹性体，步骤如下：
步骤一：进行G代码的撰写，对4D打印液晶弹性体进行预编辑走线，设计可变结构模型；
步骤二：控制加热部件加热，对储存有RM257-正丁胺寡聚物的料筒和喷头加热块进行加热到55℃；
步骤三：控制制冷装置，对打印平台进行冷却到15℃；
步骤四：由于液晶弹性体打印过程中延程压力较大，内部压力不足可导致打印不连续，所以控制进料部分进料加压，注射进料筒注射速度为0.03ml/min；
步骤五；控制喷头X轴、Y轴方向上进行移动，控制打印平台Z轴方向进行移动，制造三维实体；通过喷头在XY平面内逻辑走线，在Z轴方向上不断叠加，实现增材制造；
步骤六：打印底层后开启UV灯进行光固化交联；然后在打印过程中持续保持UV灯照射；
步骤七：打印完成后继续进行UV固化半小时。
得到的液晶弹性体的形变情况如图2所示。
实施例3
利用实施例1中的用于打印液晶弹性体的4D打印机打印液晶弹性体，步骤如下：
步骤一：进行G代码的撰写，对4D打印液晶弹性体进行预编辑走线，设计可变结构模型；
步骤二：控制加热部件加热，对储存有RM257-正丁胺寡聚物的料筒和喷头加热块进行加热到55℃；
步骤三：控制制冷装置，对打印平台进行冷却到15℃；
步骤四：由于液晶弹性体打印过程中延程压力较大，内部压力不足可导致打印不连续，所以控制进料部分进料加压，注射进料筒注射速度为0.03ml/min；
步骤五；控制喷头X轴、Y轴方向上进行移动，控制打印平台Z轴方向进行移动，制造三维实体；层层打印，即从Z轴方向每一层切片，多层堆叠而成。
步骤六：打印底层后开启UV灯进行光固化交联；然后在打印过程中持续保持UV灯照射；
步骤七：打印完成后继续进行UV固化半小时。
得到的液晶弹性体的形变情况如图3所示。
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。
Claims (10)
1.一种用于打印液晶弹性体的4D打印机，包括打印平台，其特征在于，打印平台上方设有喷料装置，喷料装置包括喷头，所述喷头用于将液晶弹性体材料喷出到打印平台上；所述液晶弹性体材料为可通过光交联反应固化的聚合物材料；所述喷料装置上设有光固化部件；所述液晶弹性体在液晶转变温度发生可逆性形变；
所述喷头可在平行于打印平台的平面上运动，所述打印平台可沿靠近或远离所述的方向运动；
所述打印平台下方设有制冷装置。
2.根据权利要求1所述的用于打印液晶弹性体的4D打印机，其特征在于，所述液晶弹性体材料为包含RM257和固化剂的原料聚合得到的聚合物材料；
优选的，RM257与固化剂的摩尔比为1～1.2：1；
优选的，所述液晶弹性体材料的分子量为2500-12500；
优选的，所述固化剂为正丁胺；
优选的，所述固化剂为DODT和PETMP的混合物以10～30：1的摩尔比混合的混合固化剂。
3.根据权利要求1所述的用于打印液晶弹性体的4D打印机，其特征在于，所述喷头的中心线与打印平台之间夹角为：10°—30°；
优选的，所述光固化部件为UV灯；
优选的，所述UV灯波长为295nm-430nm。
4.根据权利要求1所述的用于打印液晶弹性体的4D打印机，其特征在于，所述喷料装置还包括注射进料筒，注射进料筒将所述液晶弹性体材料送到喷头；所述喷料装置还设有加热部件。
5.根据权利要求4所述的用于打印液晶弹性体的4D打印机，其特征在于，所述注射进料筒通过步进电机带动滚珠丝杠推动活塞推杆进行挤出送料；
优选的，所述加热部件包括液晶弹性体加热件和喷头流道加热件。
6.根据权利要求1所述的用于打印液晶弹性体的4D打印机，其特征在于，所述制冷装置为风扇散热器，风扇散热器安装在打印平台底面。
7.根据权利要求1所述的一种用于打印液晶弹性体的4D打印机，其特征在于，所述用于打印液晶弹性体的4D打印机还包括用于控制喷头和打印平台运动的控制器。
8.一种液晶弹性体的4D打印方法，其特征在于，使用权利要求1-7中任一种用于打印液晶弹性体的4D打印机进行打印。
9.根据权利要求8所述的液晶弹性体的4D打印方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)对4D打印液晶弹性体进行预编辑走线，设计可变结构模型；
2)控制加热部件对注射进料筒和喷头进行加热，使储存的液晶弹性体材料升温至玻璃化转变温度以上；
3)控制注射进料筒加压进料，根据步骤1)的可变结构模型，控制喷头和打印平台进行移动，喷头使液晶弹性体单畴取向成型，制造三维实体；
控制制冷装置对打印平台进行冷却至液晶弹性体玻璃化转变温度以下，使液晶弹性体保持单畴取向形态；
底层打印完成后开启光固化部件进行光固化交联；然后在打印过程中保持光固化部件照射。
10.根据权利要求9所述的液晶弹性体的4D打印方法，其特征在于，打印完成后光固化部件继续照射固化0.5～2小时；
优选的，所述注射进料筒注射速度为0.02ml-0.05ml/min。
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| CN202111435514.6A CN114506068A (zh) | 2021-11-29 | 2021-11-29 | 用于打印液晶弹性体的4d打印机及液晶弹性体4d打印方法 |
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Citations (7)
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| CN110253882A (zh) * | 2019-07-03 | 2019-09-20 | 浙江大学 | 一种新型4d打印系统 |
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2021
- 2021-11-29 CN CN202111435514.6A patent/CN114506068A/zh active Pending
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