[發明專利]一種基于分形曲線可拉伸加熱電路打印的4D打印方法

有效

• 申請號: 202011519331.8
• 申請日: 2020-12-21
• 公開（公告）號: CN112848268B
• 公開（公告）日: 2023-04-04
• 發明（設計）人: 朱曉陽;李政豪;章圓方;李紅珂;蘭紅波
• 申請（專利權）人: 青島理工大學
• 主分類號: B29C64/10
• 分類號: B29C64/10;B29C64/227;B29C64/295;B33Y10/00;B33Y30/00
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 趙敏玲

本發明提出了一種基于分形曲線可拉伸加熱電路打印的4D打印方法，包括兩種方法，其中一種方法是SMP層通電加熱后拉伸，冷卻定型，再粘貼一層彈性體層，當再次通電加熱后，樣件由于應變失配發生彎曲變形；另外一種方法是SMP層與彈性體層通電加熱后共同拉伸，冷卻后撤銷外力，由于受到殘余應力的軟彈性體層與剛性SMP層之間的應變失配，樣件發生彎曲變形。當再次加熱至玻璃化轉變溫度后，樣件恢復至初始打印狀態。本發明提出的分形曲線加熱線路具有較強的拉伸性能，同蛇形電路相比較在單軸和雙軸拉伸下，電阻變化率很小，便于保證4D打印結構變形過程中穩定的加熱性能。

技術領域

本發明涉及4D打印技術領域，具體涉及一種基于分形曲線可拉伸加熱電路打印的4D打印新方法。

背景技術

四維(4D)打印技術近年來發展迅速，它將第四維“時間”添加到3D打印結構中，這些結構可以根據環境刺激(如熱、電，光，磁，水，及聲音等)主動改變形狀。在能夠實現這種行為的材料中，熱響應形狀記憶聚合物(SMPs)是應用最廣泛的，因為它們與多材料3D打印兼容，具有響應時間快、可變形量大等優點。基于形狀記憶聚合物(shape?memory?polymer，SMP)的4D打印基本機制是將SMP材料加熱到高于其玻璃化轉變溫度時，從程序設定的臨時形狀恢復到打印時的初始結構形狀。因此，有效的加熱方式是控制這一過程中“時間”維度的關鍵。

目前，基于SMP的4D打印的大多數加熱方式都采用外部加熱的方法。然而，采用外部加熱的方式不能對4D打印結構的加熱溫度進行精確控制，同時不能選擇性加熱部分區域，阻礙了4D打印在各種復雜環境中的應用。對于基于SMP的執行器或形狀變形結構，還有其他加熱方式，如將局部加熱器附加到所需位置，或用添加劑使SMP材料導電。然而，這些解決方案要么缺乏與3D打印的兼容性，要么破壞SMP材料的機械結構性能。因此，嵌入式加熱電路作為一個更有效的解決方案被提出。但是，人工將較硬、較粗的電阻絲插入3D打印結構中，增加了制造難度，降低了結構的機械性能。另外，由于焦耳加熱元件拉伸能力較差，4D打印結構僅限于彎曲變形，從而限制了4D打印設計空間。對于基于SMP的熱敏型4D打印，理想的加熱方法應該以高效、均勻和可預測的方式在內部產生熱量，同時具有足夠的可伸展性和靈活性，以適應形狀編程過程中的各種變形模式。

發明內容

針對現有4D打印技術中加熱存在的一些問題，本發明提出了一種基于分形曲線可拉伸加熱電路的4D打印新方法，通過電場驅動噴射沉積微納3D打印技術將分形曲線可拉伸加熱電路直接沉積在熱刺激響應形狀記憶聚合物(shape?memory?polymer，SMP)基底表面，可選擇在基底上方包裹一層形狀記憶聚合物材料，形成的嵌入式加熱電路可實現厚度方向上均勻、快速的熱傳遞。分形曲線可拉伸加熱電路與蛇形加熱電路相比較，不僅具有單軸拉伸能力，而且具有雙軸和徑向拉伸能力。在拉伸過程中，電阻值變化很小，從而在編程和激活4D打印結構的過程中可以實現穩定的加熱性能。

為了實現上述發明目的，本發明采用兩種技術方案，具體如下：

第一方面，本發明提出的基于分形曲線可拉伸加熱電路的4D打印方法，SMP層通電加熱后拉伸，冷卻定型，再粘貼一層彈性體層，當再次通電加熱后，樣件由于應變失配發生彎曲變形，步驟如下：

(1)打印SMP基底；

(2)在SMP基底上打印出分形曲線加熱線路；

(3)將打印有加熱線路的SMP基底進行加熱燒結處理；

(4)在燒結好的SMP基底上方再貼合一片相同材料的SMP樣片，中間以SMP溶液填充，使其充分固化，得到初期的4D打印樣件；

(5)將步驟(4)得到的4D打印樣件置于拉伸儀器中夾緊后接通直流電壓，調節直流電壓至穩態加熱溫度高于SMP玻璃化轉變溫度后，調節拉伸儀參數后開始拉伸，打印有加熱線路的部分被拉伸，待溫度降至室溫后取下；