[發(fā)明專利]基于溫度響應(yīng)的三角紋-wiggle雙層結(jié)構(gòu)的4D打印方法

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• 申請?zhí)枺?/td>: 201910039856.2
• 申請日: 2019-01-16
• 公開（公告）號: CN109774120A
• 公開（公告）日: 2019-05-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 馮毅雄;高一聰;鄭浩;曾思遠(yuǎn)
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號: B29C64/118
• 分類號: B29C64/118;B29C64/379;B29C64/393;B29C64/30;B33Y10/00;B33Y30/00;B33Y50/02;B33Y80/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 林超

本發(fā)明公開了一種基于溫度響應(yīng)的三角紋?wiggle雙層結(jié)構(gòu)的4D打印方法。選取形狀記憶聚合物材料以雙層結(jié)構(gòu)從下往上重復(fù)層疊進(jìn)行打印，雙層結(jié)構(gòu)由兩組不同的填充圖案層上下層疊打印布置構(gòu)成，每組填充圖案層中的各個單層均打印為相同填充圖案，上下方填充圖案層為三角紋和wiggle圖案，三角紋圖案由三組直線陣列非平行相互交叉排布構(gòu)成的紋理圖案，wiggle由一組正弦曲線陣列而成的紋理圖案；精確溫度加熱使粗產(chǎn)品變形4D變形完成。本發(fā)明克服了目前溫度驅(qū)動的4D打印材料制備困難，對小功率變形響應(yīng)程度差的問題，實(shí)現(xiàn)了通過設(shè)計(jì)參數(shù)編程無需制造特殊線材的熔融沉積4D打印方法，突破了4D打印技術(shù)制備材料的繁瑣過程。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及智能材料4D打印領(lǐng)域的一種4D打印方法，尤其是涉及了一種基于溫度響應(yīng)的三角紋-wiggle雙層結(jié)構(gòu)的4D打印方法，實(shí)現(xiàn)了能通過設(shè)計(jì)參數(shù)可編程無需制造特殊線材的熔融沉積4D打印方法。

背景技術(shù)

4D打印作為基于智能感知材料而開發(fā)的材料加工技術(shù)，為傳統(tǒng)變形材料的制備提供了突破局限的新思路。針對彎曲變形，由于工件體積沿厚度方向收縮程度的非均勻性會引起多層材料的彎曲行為，4D打印通常設(shè)計(jì)對不同結(jié)構(gòu)有不同響應(yīng)的多層結(jié)構(gòu)。常規(guī)的4D打印變形過程一般由兩種實(shí)現(xiàn)形式：1.采取不同材料構(gòu)成工件兩層，通過同等程度的激發(fā)手段(磁、熱、生物響應(yīng))，經(jīng)由工件兩層不同的應(yīng)變響應(yīng)，達(dá)成4D的變形效果。2.采取一種材料構(gòu)成工件整體，經(jīng)由不同程度的激發(fā)手段，達(dá)成4D打印變形效果。

具有高級功能的工件或設(shè)備常常需要結(jié)合復(fù)雜的三維形狀和功能誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)單元。目前用于創(chuàng)建功能結(jié)構(gòu)的絕大多數(shù)技術(shù)只能在平面上工作。在過去的幾年里，由于各種先進(jìn)的材料出現(xiàn)，形狀記憶材料的應(yīng)用范圍得到了延伸。形狀記憶聚合物可以經(jīng)由低溫玻璃態(tài)與高溫橡膠態(tài)之間的轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)形狀記憶的效果，此時的聚合物具有自愈性質(zhì)，可以通過溫度的加載在一定程度上恢復(fù)至第一次經(jīng)擠壓成型時的狀態(tài)，以此為根據(jù)提出的各種技術(shù)通常需要多個制作步驟和特殊材料。

3D打印提供了一種主動元素的空間布局實(shí)現(xiàn)形狀轉(zhuǎn)換技術(shù)，其中特別以精密的多材料印刷為代表，其可以用來結(jié)合不同的材料，通過聚合物實(shí)現(xiàn)多形狀或可逆的變形。各向異性添加物(如膨脹比或剛度)可通過3D打印技術(shù)印刷，以實(shí)現(xiàn)4D打印的變形過程。提出最初的平面結(jié)構(gòu)，在獲得相應(yīng)的觸發(fā)后，它們的形狀將改變?yōu)轭A(yù)先設(shè)定的三維形狀，從而使表面相關(guān)的功能與復(fù)雜的三維形狀相結(jié)合。目前體系下的4D變形存在著諸多缺點(diǎn)，在成型速度快時，對工件的加工設(shè)備要求極高，需要進(jìn)行復(fù)雜的工件規(guī)劃。而對加工設(shè)備要求低時，成型速度又過慢。在現(xiàn)實(shí)場景中，往往需求克服這兩種缺陷場景。因此需要一種對加工設(shè)備要求不高的同時能夠進(jìn)行快速變形的4D打印方法。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷和改進(jìn)需求，本發(fā)明提出了一種基于溫度響應(yīng)的可編程雙層形狀記憶結(jié)構(gòu)的4D打印方法，其中包括雙層形狀記憶結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及制備。

本發(fā)明方法是一個單步打印過程，只需要一臺熔融沉積3D打印機(jī)和聚合物材料，基于材料的自折疊和不穩(wěn)定彈出，并通過編程實(shí)現(xiàn)的順序變形，可實(shí)現(xiàn)以前所未有的擴(kuò)展空間的三維形狀，具有簡單和多功能性的特點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)上述過程，按照本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

1)選取形狀記憶聚合物材料作為打印的線材，根據(jù)需打印的產(chǎn)品模型按照以下方式進(jìn)行3D打印：以雙層結(jié)構(gòu)從下往上重復(fù)層疊進(jìn)行打印，雙層結(jié)構(gòu)主要由兩組不同的填充圖案層上下層疊打印布置構(gòu)成，填充圖案層包括多個單層，每組填充圖案層中的各個單層均打印為相同的填充圖案，單層對應(yīng)為3D打印時的一層切片，上方的填充圖案層為三角紋圖案，下方的填充圖案層為wiggle圖案；三角紋圖案是由三組直線陣列非平行相互交叉排布構(gòu)成的紋理圖案，直線陣列由多條等間隔平行排布直線構(gòu)成，wiggle圖案是由一組正弦曲線陣列而成的紋理圖案，正弦曲線陣列由多條正弦曲線等間隔平行排布直線構(gòu)成；

2)3D打印后，取下打印獲得的粗產(chǎn)品，進(jìn)行精確溫度加熱使得粗產(chǎn)品按照規(guī)定方式變形，直至4D變形完全完成，等待工件冷卻4D打印過程完全結(jié)束，獲得4D打印產(chǎn)品。