[發明專利]基于溫度響應的網-wiggle雙層結構的4D打印方法

在審

• 申請號: 201910039859.6
• 申請日: 2019-01-16
• 公開（公告）號: CN109624309A
• 公開（公告）日: 2019-04-16
• 發明（設計）人: 高一聰;曾思遠;鄭浩;馮毅雄
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 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: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 林超

本發明公開了一種基于溫度響應的網?wiggle雙層結構的4D打印方法。選取形狀記憶聚合物材料以雙層結構為單元從下往上重復層疊進行打印，雙層結構由兩組不同填充圖案層上下層疊打印布置構成，每組填充圖案層中的各個單層均打印為相同填充圖案，上下方填充圖案層分別為網紋和wiggle圖案，網紋圖案由兩組直線陣列交叉排布構成的紋理圖案，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品變形4D變形完成。本發明克服了目前溫度驅動的4D打印材料制備困難，對小功率變形響應程度差的問題，實現了通過設計參數編程無需制造特殊線材的熔融沉積4D打印方法，突破了4D打印技術制備材料的繁瑣過程。

技術領域

本發明涉及智能材料4D打印領域的一種4D打印方法，尤其是涉及了一種基于溫度響應的網-wiggle雙層結構的4D打印方法，實現了能通過設計參數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

4D打印作為基于智能感知材料而開發的材料加工技術，為傳統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打印通常設計對不同結構有不同響應的多層結構。常規的4D打印變形過程一般由兩種實現形式：1.采取不同材料構成工件兩層，通過同等程度的激發手段(磁、熱、生物響應)，經由工件兩層不同的應變響應，達成4D的變形效果。2.采取一種材料構成工件整體，經由不同程度的激發手段，達成4D打印變形效果。

具有高級功能的工件或設備常常需要結合復雜的三維形狀和功能誘導結構單元。目前用于創建功能結構的絕大多數技術只能在平面上工作。在過去的幾年里，由于各種先進的材料出現，形狀記憶材料的應用范圍得到了延伸。形狀記憶聚合物可以經由低溫玻璃態與高溫橡膠態之間的轉換實現形狀記憶的效果，此時的聚合物具有自愈性質，可以通過溫度的加載在一定程度上恢復至第一次經擠壓成型時的狀態，以此為根據提出的各種技術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現形狀轉換技術，其中特別以精密的多材料印刷為代表，其可以用來結合不同的材料，通過聚合物實現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打印技術印刷，以實現4D打印的變形過程。提出最初的平面結構，在獲得相應的觸發后，它們的形狀將改變為預先設定的三維形狀，從而使表面相關的功能與復雜的三維形狀相結合。目前體系下的4D變形存在著諸多缺點，在成型速度快時，對工件的加工設備要求極高，需要進行復雜的工件規劃。而對加工設備要求低時，成型速度又過慢。在現實場景中，往往需求克服這兩種缺陷場景。因此需要一種對加工設備要求不高的同時能夠進行快速變形的4D打印方法。

發明內容

針對現有技術的缺陷和改進需求，本發明提出了一種基于溫度響應的可編程雙層形狀記憶結構的4D打印方法，其中包括雙層形狀記憶結構的設計及制備。

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

為實現上述過程，按照本發明采用以下技術方案：

1)選取形狀記憶聚合物材料作為打印的線材，根據需打印的產品模型按照以下方式進行3D打印：以雙層結構從下往上重復層疊進行打印，雙層結構主要由兩組不同的填充圖案層上下層疊打印布置構成，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，單層對應為3D打印時的一層切片，上方的填充圖案層為網紋圖案，下方的填充圖案層為wiggle圖案；網紋圖案是由兩組直線陣列交叉排布構成的紋理圖案，直線陣列由多條等間隔平行排布直線構成，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成；

2)3D打印后，取下打印獲得的粗產品，進行精確溫度加熱使得粗產品按照規定方式變形，直至4D變形完全完成，等待工件冷卻4D打印過程完全結束，獲得4D打印產品。