CN114670439A - 一种摩擦定向的dlp液晶弹性体4d打印装置、方法及控制变形策略 - Google Patents

一种摩擦定向的dlp液晶弹性体4d打印装置、方法及控制变形策略 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新型摩擦定向的DLP液晶弹性体4D打印装置、方法及控制变形策略，本发明提供的基于摩擦定向的DLP液晶弹性体材料4D打印装置及打印方法，在保证其打印精度的条件下，控制其不同区域内部介晶产生有序排列及排列程度，编程其4D变形行为。在打印的过程中，材料池与成型固化头之间相互摩擦，其产生的剪切力能够使得被固化成型部分的液晶弹性体层的内部介晶产生有序排列。同时，基于相互摩擦振荡的方向及摩擦振荡的频率，其有序定向方向及程度可被精准的控制。利用紫外光固化工作距离的调整，实现打印液晶介晶定向实现梯度渐变，能够减小变形过程中的应力集中，提高变形致动器使用寿命。

Description

一种摩擦定向的DLP液晶弹性体4D打印装置、方法及控制变形 策略
技术领域
本发明涉及增材制造和智能高分子材料技术领域，特别涉及一种新型摩擦定向的DLP液晶弹性体4D打印装置、方法及控制变形策略。
背景技术
液晶弹性体是一种以液晶为单体的聚合物智能材料，结合了聚合物的粘弹性以及液晶的特性，其在加热到TNI温度以上时能够完成从向列相到各向同性相的转变从而实现宏观的变形，是一种很好的刺激响应变形材料。初始其成型方法主要使用模具法来进行成型，并使用机械拉伸来进行介晶定向使其具备变形能力，近些年来增材制造逐渐开始用于液晶弹性体体驱动器的制造，主要使用基于DIW(直接书写)的挤出式方法来对液晶弹性体进行成型制造，在材料挤出的过程中，粘性油墨从挤出头内被挤出并沉积到成型基板之上，在这个过程中受到剪切力及牵引力的定向作用从而使其内部介晶沿打印路径形成有序排列，成型后进行紫外光固化照射形成二次交联固定其有序定向。然而，受制于直写成型工艺的特点，其打印成型的精度不高(100μm)，打印成型效率较差，同时其形状变形的方向只能与打印路径相一致，大大限制了液晶弹性体智能驱动器的变形设计空间及应用场景，而使用DLP(数字光处理)工艺的液晶弹性体打印技术，尽管打印精度较高(10μm)却因为缺少成型过程中对介晶的定向过程使得打印后的液晶弹性体材料处于各向同性态，几乎没有变形能力，限制了其作为智能变形材料的应用空间。
发明内容
本发明针对上述技术问题，提供一种摩擦定向的DLP液晶弹性体4D打印装置及打印方法，在能够DLP打印液晶弹性体的同时，控制其内部介晶产生有序定向。
一种摩擦定向的DLP液晶弹性体4D打印装置，包括材料成型头、旋转电机、X轴电机、Y轴电机、Z轴电机、紫外投影仪、打印头、Z向导杆、X向导杆、Y向导杆、支座、材料成型头支架、滑动支架、光固化投影仪导轨和投影仪电机，Z向导杆对称设置在支座上，Z轴电机固定设置在Z向导杆远离支座的一端，材料成型头支架滑动设置在Z向导杆上，旋转电机固定设置在材料成型头支架上，旋转电机主轴穿过材料成型头支架，旋转电机主轴上设置有材料成型头，材料成型头支架与Z轴电机通过丝杠连接，Z轴电机可以带动材料成型头支架沿着Z向导杆上下滑动，Y向导杆对称固定设置在支座上，滑动支架滑动设置在Y向导杆上，Y轴电机固定设置在支座上，滑动支架与Y轴电机通过丝杠连接，Y轴电机可以带动滑动支架沿Y向导杆前后滑动，X向导杆对称设置在滑动支架上，打印头滑动设置在X向导杆上，X轴电机固定设置在滑动支架上，X轴电机与打印头通过丝杠连接，X轴电机可以带动打印头沿X向导杆左右滑动，紫外投影仪滑动设置在导轨上并可通过投影仪电机调整其与材料成型头之间的工作距离；
紫外投影仪焦距可调，导轨固定设置在支座上，打印头的移动范围在紫外投影仪可以照射的范围内；
所述打印头上设置有材料成型池；
一种摩擦定向的DLP液晶弹性体4D打印方法，在打印过程中，材料成型池在X轴电机和Y轴电机的作用下可以延X和Y方向往复振动，材料成型头在旋转电机的作用下可以延Z轴转动，此过程中使得材料成型头与材料成型池相互摩擦产生剪切力从而使得液晶产生定向，从而控制其不同区域的定向方向及定向程度；
在打印过程中，材料成型头与材料成型池之间能够产生沿X轴方向，Y轴方向的往复振荡运动，使得打印层内部介晶沿振荡方向产生有序定向；
摩擦定向往复振荡的幅度为1-5cm，频率为1-10hz；
在打印过程中，材料成型头与材料成型池之间能够产生相对旋转的往复振荡运动，进而使得打印层内部介晶沿周向方向产生有序定向；
旋转摩擦定向的幅度为1-10°，频率为1-10hz；
所打印的液晶弹性体材料内部的介晶有序排列程度与往复振荡摩擦的幅度及频率有关；
不同区域的介晶有序定向程度参数值S为0-0.4；
紫外投影仪与材料成型头之间的工作距离可调，紫外投影仪焦距可调，设置紫外投影仪工作焦距与其工作距离不等，利用梯度光交联密度打印介晶定向梯度变化材料；
具体的，紫外投影仪与材料成型头之间的工作距离可被设计调整，其在垂直方向上存在交联密度梯度，与紫外投影仪镜头相近的一侧紫外光密度大，随着距离增大，其紫外光强不断减弱，当固化时间较短时，其会引起光固化层沿垂直方向上产生交联密度的梯度进而导致其弹性模量不同，通过控制振荡幅度及频率，可对介晶定向产生影响，通过控制其曝光时间，控制其在垂直方向上的交联梯度，交联程度较弱的区域中界定定向被固定的程度较差，因此经过一次温度刺激循环后，其内部的定向介晶排列将被打乱，从而使得其在内部存在介晶排列的梯度，进而使得其在刺激循环中产生向低交联区域的弯曲变形；
一种控制DLP液晶弹性体4D变形的策略，控制DLP打印液晶弹性体驱动器变形的策略，其特征在于：控制打印件液晶单筹定向方式和程度，进而控制其变形行为，控制参数包括调整频率、调整幅度、调整层厚、调整方向、调整焦距；
打印单层圆盘形液晶驱动器，通过旋转电机圆周定向液晶单筹，单向旋转旋转电机，旋转频率1-9hz，旋转时间3-20s，之后停止旋转，进行光投影照射，温度刺激变形为金字塔形；
打印单层长方形液晶驱动器，材料成型池沿X轴往复运动，运动频率1-10hz，运动幅度1-5°,往复运动时间5-20s，刺激收缩方向沿X方向；
打印单层长方形液晶驱动器，材料成型池沿Y轴往复运动，运动频率1-10hz，运动幅度1-5°，往复运动时间5-20s，刺激收缩方向沿Y方向；
打印单层液晶驱动器，材料成型池沿X和Y轴同时往复运动，控制其沿X轴与Y轴振动速度与幅度大小比例，使得打印层介晶沿平面内任意方向定向，刺激收缩方向沿任意方向；
打印单层长方形液晶驱动器，控制两侧区域介晶定向程度不同，变形向低介晶定向方向弯曲；
打印双层液晶驱动器，一层材料成型池不动，另一层材料成型池沿着X轴或者Y轴或者X轴和Y轴同时震荡运动，旋转频率5-10hz，旋转时间5-20s，控制其变形向任意低介晶定向面方向弯曲；
打印单层梯度介晶定向长方形液晶驱动器，利用梯度光交联密度控制介晶定向沿垂直方向存在梯度变化，刺激收缩方向为低介晶定向方向。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的基于摩擦定向的DLP液晶弹性体材料4D打印装置及打印方法，在保证其打印精度的条件下，控制其不同区域内部介晶产生有序排列及排列程度，编程其4D变形行为。在打印的过程中，材料池与成型固化头之间相互摩擦，其产生的剪切力能够使得被固化成型部分的液晶弹性体层的内部介晶产生有序排列。同时，基于相互摩擦振荡的方向及摩擦振荡的频率，其有序定向方向及程度可被精准的控制。利用紫外光固化工作距离的调整，实现打印液晶介晶定向实现梯度渐变，能够减小变形过程中的应力集中，提高变形致动器使用寿命。与现阶段基于直写技术的液晶弹性体打印(100μm)相比，提高了打印精度(10μm)，与同样使用DLP工艺的液晶弹性体打印技术相比，解决了在打印过程中无法控制内部介晶产生有序定向的问题。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的摩擦定向DLP液晶弹性体4D打印装置的结构示意图。
图2为本发明4D打印装置紫外光投影仪梯度照射时工作示意图。
图3为本发明的打印流程图。
图4为本发明实施例2提供的打印设计及变形结果。
图5为本发明实施例3提供的打印设计及变形结果。
图6为本发明实施例4提供的打印设计及变形结果。
图7为本发明实施例5提供的打印设计及变形结果。
具体实施方式
请参阅图1至图7所示，液晶弹性体材料内部的液晶单畴可以在外力作用下定向排列，定向的液晶弹性体材料温度升高时，会产生液晶单畴由定向排列向非定向状态的转变，这种性质是可逆的，即当温度降低时，又会发生由非定向状态向定向状态的转变。伴随着液晶单畴的定向-非定向转变，液晶弹性体材料会发生整体的伸长和缩短的形状变化。
本发明提供的一种基于摩擦定向的DLP液晶弹性体材料4D打印装置及方法，使用DLP工艺3d打印液晶弹性体驱动器的同时能够控制其内部介晶产生有序排列，在保证其打印精度的条件下，使用可控运动的材料池进行材料成型打印，在打印的过程中，材料池与成型固化头之间相互摩擦，其产生的剪切力能够使得被固化成型部分的液晶弹性体层的内部介晶产生有序排列，从而能够在加载热刺激场的条件下形成可控形状变形。
如图1中，X轴电机6和Y轴电机7能够带动材料成型池14实现沿X方向及Y方向的往复振荡运动，在振荡运动的过程中，材料成型池14与材料成型头4之间产生相互摩擦，使得打印层液晶油墨中的介晶沿振荡方向产生有序排列，材料成型头4通过连杆与旋转电机3连接，一方面，通过旋转角度能够控制材料成型头4与材料成型池14之间的相互运动摩擦角度，控制介晶摩擦振荡定向的方向，另一方面，可使其沿旋转方向进行往复旋转振荡运动，使打印层介晶沿旋转的周向方向产生有序定向，在打印的过程中由电脑控制紫外投影仪8照射出相应图案至材料成型头4处，使材料层按照相应图案进行成型，在一层固化打印完成之后，Z轴电机1及Z向导杆2能够通材料成型头支架10带动材料成型头4沿Z轴方向运动，继续下一层的打印，逐层累加形成相应打印结构；
通过控制材料成型池14与材料成型头4之间相互运动的角度能够控制成型液晶弹性体内部介晶有序一致排列的方向，从而控制其刺激响应收缩的方向；
如若想要使得打印层内部的介晶保持无序状态，使其失去温度刺激响应变形的能力，则在光固化成型的同时保持材料槽滑台相对静止，光固化过程中材料不被剪切定向从而将介晶无序的状态进行固定，从而使打印层无法产生刺激收缩变形；
如图2中，材料成型头4与紫外光固化仪8之间的工作距离可由紫外光固化下方的投影仪电机16调控，当打印层厚较低时(小于100μm)，且固化时间较长时，则忽略其在垂直方向上的紫外光强度梯度；当单层打印层厚较厚(500μm)时，由紫外投影仪所发出的紫外光强度存在沿垂直方向的梯度强度差异，且从上至下不断增强，当单层固化时间较短(小于5s)，上下层紫外光固化强度的差异将导致固化层存在沿垂直方向上的固化程度差异，并进一步导致其在震荡定向阶段所获得的介晶定向的保留程度不同，其下层高交联区域的介晶定向被紫外光固化完全固定，而上方的低交联区域的的定向程度则未被固定，从而利用紫外光固化头的紫外光强度梯度差异控制打印材料内部介晶定向程度的空间差异。
打印流程如图3所示，由形状变形能力需求出发，设计智能驱动器的原始形状及变形模式，并进一步推导出对应打印层级液晶介晶定向方向及定向程度，随后完成摩擦剪切定向打印，打印完成后的样件能够在温度刺激下实现由原始形状到预期设定变形的可逆形状变化。
其中，即在使用DLP工艺3d打印液晶弹性体驱动器的同时能够控制其内部介晶产生有序排列，在保证其打印精度的条件下，使用可控运动的材料池进行材料成型打印，在打印的过程中，材料池与成型固化头之间相互摩擦，其产生的剪切力能够使得被固化成型部分的液晶弹性体层的内部介晶产生有序排列，从而能够在加载热刺激场的条件下形成可控形状变形。
进一步地，使用365nm的紫外光投影仪对材料成型池14中的材料进行光聚合固化成型，其中固化的层厚与紫光光照强度以及照射时间相关；
进一步地，设定紫外投影仪8工作焦距及其与材料成型头4之间的工作距离，设定焦距为30-50mm，设定工作距离为30-50mm。
进一步地，设定单层的打印厚度为100-500μm，紫外光照强度为50mw/cm2，照射时间为5-30s；
进一步地，在紫外光投影仪开启之前，设定材料成型池14的温度为60℃以减低液晶前驱体油墨的粘度使其便于通过运动的方式与材料成型头4相互摩擦产生剪切力定向液晶介晶；
进一步地，材料成型池14由X轴电机6和Y轴电机7所带动，能够实现沿X轴及Y轴方向的往复振荡运动；
进一步地，同时其连接处配置转台，通过旋转角度能够控制材料成型头4与材料成型池14之间的相互运动的摩擦角度；
进一步地，材料成型头4由旋转电机3带动，可使其沿旋转方向进行往复旋转振荡运动，使打印层介晶沿旋转的周向方向产生有序定向；
进一步地，介晶排列程度与材料成型池14与材料成型头4之间的相互运动幅度及频率有关；
进一步地，摩擦定向往复振荡的幅度为1-5cm，频率为1-10hz。
进一步地，旋转摩擦定向的幅度为1-10°，频率为1-10hz。
进一步地，在打印的过程中由电脑控制紫外光发射头照射出相应图案至成型头处，于此同时材料成型池14往复运动，与材料成型头4之间相互摩擦，使成型部分的材料内部介晶沿往复运动方向剪切定向。
进一步地，在一层固化打印完成之后，材料成型头4上升相应高度，继续下一层的打印，逐层累加形成相应打印结构。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细介绍。
实施例1
在材料成型池14中放置预先制备好的液晶前驱体油墨，油墨由液晶单体(RM82)、十四胺、以及光引发剂TPO通过加成反应制得，使用365nm的紫外光投影仪对材料池中的材料进行光聚合固化成型，其中固化的层厚与紫光光照强度以及照射时间相关，设定单层的打印厚度为100um，紫外光照强度为50mw/cm2,照射时间为30s，在紫外光投影仪开启之前，设定材料成型池14的温度为60℃以减低液晶前驱体油墨的粘度使其便于通过运动的方式与材料成型头4相互摩擦产生剪切力定向液晶介晶，介晶排列程度与材料成型池14和材料成型头4之间的相互运动速率及摩擦次数有关，设定振荡摩擦的振幅为10cm，振荡频率为1hz，测试其内部介晶取向参数为S＝0.4,设定固化过程中不振荡摩擦，测设其内部介晶取向参数S＝0.01。
实施例2
如图4所示，打印单层长方形样条制动器，尺寸为20×5×2mm。设定材料成型池14的移动速率为5mm/s,材料池与材料成型头4的相互摩擦次数为3次，使第左侧成型的液晶弹性体中的液晶呈现更好的有序排列，当右侧材料成型时，则使材料成型池14与材料成型头4之间保持相对静止，因此这一层的液晶弹性体的内部介晶在固化完成后则保持无序状态，所打印的单层层液晶弹性体中的有序层在加热到相变温度以上时收缩变形，而介晶排列无序的被动层则不变形，总体产生弯曲变形，弯曲变形的区域与主动层液晶弹性体有序排列程度，打印层厚有关。通过控制定向区域与非定向区域之间介晶定向程度的差异性，可对打印完成之后的变形驱动器变形曲率进行调控，如图4所示。
实施例3
如图5所示，打印圆盘形液晶驱动器，尺寸为φ＝10mm。在光固化打印过程中，使旋转电机带动材料成型头4与材料成型池14之间产生相对旋转的往复振荡摩擦作用，剪切力使得打印的圆盘形液晶弹性体构件内部介晶沿周向方向产生有序定向，同时，在其径向方向的不同区域使用梯度化的打印参数，使打印的圆盘形液晶驱动器不同部位的介晶定向程度不同，沿半径方向，从内到外分别使用1°，1hz；5°，5hz以及10°，10hz的振荡幅度及频率，使其不同部位的内部介晶取向程度呈现梯度增加的趋势，从内到外，取向程度不断增加，其最终温度刺激响应的变形结果如图5所示。
实施例4
如图6，所示，打印单层梯度交联长方形样条制动器，设置单层打印厚度为500μm，紫外光投影仪8与材料成型头4之间的工作距离为10cm，调整其工作焦距使得其产生沿垂直方向上强度梯度变化的紫外光固化图案，设置光固化图案为30×4×0.5mm。成型过程中，设定材料成型池14的移动速率为5mm/s,材料成型池14与材料成型头4的相互摩擦次数为5次。打印成型后的长方形样条能够在温度的刺激下实现可逆弯曲变形，且由于其内部介晶定向为梯度变化，其沿弯曲方向不会产生应力集中。
实施例5
如图7所示，打印十字架形液晶弹性体制动器作为软体抓手，打印完成的十字型样件能够在温度的刺激下完成四个抓的弯曲变形，从而对物体进行抓取，下层为可以产生收缩的主动层，上层为不产生收缩的被动层，四个抓内部的介晶定向方向如图7箭头方向所示，打印过程中顺序对四个抓进行对应方向的摩擦运动与光固化定向，其在温度刺激响应后的变形形状如图7中变形结果所示，实现软体抓手的功能。
软体抓手能够抓取自身温度较高的物体，或是在温度场的刺激下完成抓取，并能够在温度下降至相变温度之下时实现打开，以实现物体的软接触抓取，配合移动装置，能够实现物体的搬运。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种摩擦定向的DLP液晶弹性体4D打印装置，其特征在于：包括材料成型头(4)、旋转电机(3)、X轴电机(6)、Y轴电机(7)、Z轴电机(1)、紫外投影仪(8)、打印头(5)、Z向导杆(2)、X向导杆(11)、Y向导杆(12)、支座(9)、材料成型头支架(10)、滑动支架(13)、光固化投影仪导轨(15)和投影仪电机(16)，Z向导杆(2)对称设置在支座(9)上，Z轴电机(1)固定设置在Z向导杆(2)远离支座(9)的一端，材料成型头支架(10)滑动设置在Z向导杆(2)上，旋转电机(3)固定设置在材料成型头支架(10)上，旋转电机(3)主轴穿过材料成型头支架(10)，旋转电机(3)主轴上设置有材料成型头(4)，材料成型头支架(10)与Z轴电机(1)通过丝杠连接，Z轴电机(1)可以带动材料成型头支架(10)沿着Z向导杆(2)上下滑动，Y向导杆(12)对称固定设置在支座(9)上，滑动支架(13)滑动设置在Y向导杆(12)上，Y轴电机(7)固定设置在支座(9)上，滑动支架(13)与Y轴电机(7)通过丝杠连接，Y轴电机(7)可以带动滑动支架(13)沿Y向导杆(12)前后滑动，X向导杆(11)对称设置在滑动支架(13)上，打印头(5)滑动设置在X向导杆(11)上，X轴电机(6)固定设置在滑动支架(13)上，X轴电机(6)与打印头(5)通过丝杠连接，X轴电机(6)可以带动打印头(5)沿X向导杆(11)左右滑动，紫外投影仪(8)滑动设置在导轨(15)上并可通过投影仪电机(16)调整其与材料成型头(4)之间的工作距离；
紫外投影仪(8)焦距可调，导轨(15)固定在支座(9)上，打印头(5)的移动范围在紫外投影仪(8)可以照射的范围内；
所述打印头(5)上设置有材料成型池(14)。
2.一种使用权利要求1所述的摩擦定向的DLP液晶弹性体4D打印装置的摩擦定向的DLP液晶弹性体4D打印方法，其特征在于：在打印过程中，材料成型池(14)在X轴电机(6)和Y轴电机(7)的作用下可以延X和Y方向往复振动，材料成型头(4)在旋转电机(3)的作用下可以延Z轴转动，此过程中使得材料成型头(4)与材料成型池(14)相互摩擦产生剪切力从而使得液晶产生定向，从而控制其不同区域的定向方向及定向程度；
在打印过程中，材料成型头(4)与材料成型池(14)之间能够产生沿X轴方向，Y轴方向的往复振荡运动，使得打印层内部介晶沿振荡方向产生有序定向；
摩擦定向往复振荡的幅度为1-5cm，频率为1-10hz；
在打印过程中，材料成型头(4)与材料成型池(14)之间能够产生相对旋转的往复振荡运动，进而使得打印层内部介晶沿周向方向产生有序定向；
旋转摩擦定向的幅度为1-10°，频率为1-10hz；
所打印的液晶弹性体材料内部的介晶有序排列程度与往复振荡摩擦的幅度及频率有关；
不同区域的介晶有序定向程度参数值S为0-0.4；
紫外投影仪(8)与材料成型头(4)之间的工作距离可调，紫外投影仪(8)焦距可调，设置紫外投影仪(8)工作焦距与其工作距离不等，利用梯度光交联密度打印介晶定向梯度变化材料。
3.一种使用权利要求1所述的摩擦定向的DLP液晶弹性体4D打印装置的控制DLP打印液晶弹性体驱动器变形的策略，其特征在于：控制打印件液晶单筹定向方式和程度，进而控制其变形行为，控制参数包括调整频率、调整幅度、调整层厚、调整方向、调整焦距；
打印单层圆盘形液晶驱动器，通过旋转电机(3)圆周定向液晶单筹，单向旋转旋转电机(3)，旋转频率1-9hz，旋转时间3-20s，之后停止旋转，进行光投影照射，温度刺激变形为金字塔形；
打印单层长方形液晶驱动器，材料成型池(14)沿X轴往复运动，运动频率1-10hz，运动幅度1-5°,往复运动时间5-20s，刺激收缩方向沿X方向；
打印单层长方形液晶驱动器，材料成型池(14)沿Y轴往复运动，运动频率1-10hz，运动幅度1-5°，往复运动时间5-20s，刺激收缩方向沿Y方向；
打印单层液晶驱动器，材料成型池(14)沿X和Y轴同时往复运动，控制其沿X轴与Y轴振动速度与幅度大小比例，使得打印层介晶沿平面内任意方向定向，刺激收缩方向沿任意方向；
打印单层长方形液晶驱动器，控制两侧区域介晶定向程度不同，变形向低介晶定向方向弯曲；
打印双层液晶驱动器，一层材料成型池(14)不动，另一层材料成型池(14)沿着X轴或者Y轴或者X轴和Y轴同时震荡运动，旋转频率5-10hz，旋转时间5-20s，控制其变形向任意低介晶定向面方向弯曲；
打印单层梯度介晶定向长方形液晶驱动器，利用梯度光交联密度控制介晶定向沿垂直方向存在梯度变化，刺激收缩方向为低介晶定向方向。
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