[發(fā)明專利]一種面向仿生功能結(jié)構(gòu)的4D打印裝置與方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011535862.6
• 申請(qǐng)日: 2020-12-22
• 公開（公告）號(hào): CN112606383A
• 公開（公告）日: 2021-04-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 司靚
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 司靚
• 主分類號(hào): B29C64/106
• 分類號(hào): B29C64/106;B29C64/314;B29C64/336;B29C64/209;B29C64/295;B29C64/20;B33Y10/00;B33Y30/00;B33Y40/10;B33Y40/00
• 代理公司: 北京知元同創(chuàng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11535
• 代理人: 張炳楠;呂少楠

本發(fā)明公開一種4D打印方法、裝置及其應(yīng)用，包括：多粘度液態(tài)組分配比、混流、脫泡、適溫固化、加注、終固化等流程，基于一體成型設(shè)計(jì)理念，實(shí)現(xiàn)基于氣動(dòng)流驅(qū)動(dòng)的仿生自驅(qū)動(dòng)變形結(jié)構(gòu)體(簡(jiǎn)稱“仿生變體驅(qū)動(dòng)體”)的制備。本發(fā)明的裝置和方法可制備原基材料為粘度范圍2000～38000cps的彈柔性材料功能部件，極大簡(jiǎn)化了仿生變體驅(qū)動(dòng)體的制備過程，實(shí)現(xiàn)了直接打印、一次成型，不需要二次加工。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于打印技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種面向仿生功能結(jié)構(gòu)的4D打印裝置與方法。

背景技術(shù)

近年來，基于柔性材料的仿生驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)在多個(gè)領(lǐng)域得以應(yīng)用。相比于傳統(tǒng)的剛性結(jié)構(gòu)裝置，仿生驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)具有大變形、多自由度、低成本、高柔順性、安全交互等優(yōu)勢(shì)，具有較好的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境適應(yīng)性。根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式不同，可分為氣動(dòng)流驅(qū)動(dòng)、電驅(qū)動(dòng)、電磁驅(qū)動(dòng)、化學(xué)反應(yīng)致動(dòng)等。其中，基于氣動(dòng)流驅(qū)動(dòng)的仿生自驅(qū)動(dòng)變形結(jié)構(gòu)體(下文簡(jiǎn)稱“仿生變體驅(qū)動(dòng)體”)具有較大的負(fù)載輸出、運(yùn)動(dòng)可靠、可長(zhǎng)時(shí)間范圍內(nèi)重復(fù)工作的優(yōu)勢(shì)，有著較高的實(shí)用價(jià)值，在仿生飛行器、仿生機(jī)器人及仿人手肢等仿生自主結(jié)構(gòu)中得以應(yīng)用。

仿生變體驅(qū)動(dòng)體由具有可逆形變特性的高彈性柔性材料制成，主要為硅橡膠等高分子聚合物，其主要是通過多種液態(tài)組分固化而成?；诖?，目前仿生變體驅(qū)動(dòng)體的制作方式多是基于3D打印技術(shù)，制備驅(qū)動(dòng)體的模具，然后通過膠液混合、真空脫泡、注入模具、高溫固化、脫模等一系列步驟來實(shí)現(xiàn)仿生變體驅(qū)動(dòng)體的制備。

目前這種通過3D打印模具然后固化成型的制備方式存在諸多問題。例如，需預(yù)留足夠大的開口以便于模具的脫出，導(dǎo)致成型后的驅(qū)動(dòng)體存在一些額外的開口；并且，現(xiàn)有方法無法做到一次成型，需分部件制作，再將各分部件粘合，這使得仿生變體驅(qū)動(dòng)體的制備存在較大的局限性，尤其是無法制備內(nèi)部結(jié)構(gòu)精巧或小尺寸的仿生變體驅(qū)動(dòng)體結(jié)構(gòu)。并且，驅(qū)動(dòng)體在制作過程中易出現(xiàn)氣泡，尤其是對(duì)于原基液態(tài)組分粘度較大的彈柔性材料來說，制備的成功率低。因此，通過新型技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)基于彈柔性材料的仿生變體驅(qū)動(dòng)體的快速成型是有必要的。

而目前市面上基于熔融沉積方式進(jìn)行三維成型的3D打印機(jī)的打印材料多為ABS、PLA等硬質(zhì)線材。盡管近年來已有通過縮短打印機(jī)進(jìn)料行程、控溫打印等方式實(shí)現(xiàn)具有一定柔性的材料的打印，但是打印原材料，如TPU、TPE等，本質(zhì)上還是固體線型材料，無法實(shí)現(xiàn)基于多液態(tài)組分材料固化成型的仿生變體驅(qū)動(dòng)體的一體化快速制備。

發(fā)明內(nèi)容

為改善上述缺陷，本發(fā)明提出一種面向功能性彈柔材料結(jié)構(gòu)的新型4D打印裝置與一種液旋混流溫加注(Fluid swirling-mixing gentle temp-dosing principle,FSM-GTD)的4D打印裝置和方法，在對(duì)多種粘度的彈柔性材料的液態(tài)原基材料配比及固化的基礎(chǔ)之上，實(shí)現(xiàn)仿生變體驅(qū)動(dòng)體的一次成型。

具體而言，本發(fā)明提供一種4D打印裝置，所述裝置包括：并聯(lián)臂打印機(jī)構(gòu)、儲(chǔ)料單元、進(jìn)料單元、混料單元、打印單元和固化單元；所述儲(chǔ)料單元、進(jìn)料單元、混料單元、打印單元和固化單元均設(shè)置在所述并聯(lián)臂打印機(jī)構(gòu)上；

所述儲(chǔ)料單元包括儲(chǔ)料盒，所述儲(chǔ)料盒包括N個(gè)獨(dú)立存儲(chǔ)不同組分的區(qū)域；

所述進(jìn)料單元包括進(jìn)液管和蠕動(dòng)泵，所述進(jìn)液管包括進(jìn)液端和進(jìn)液管路；其中，進(jìn)液端的頭部分別置于不同的組分區(qū)，通過管路與蠕動(dòng)泵的進(jìn)液口連接，實(shí)現(xiàn)原基液態(tài)組分的抽??；

所述蠕動(dòng)泵的出液口通過管路與混液?jiǎn)卧B接。

所述混料單元包括電動(dòng)攪拌器、真空泵、真空攪拌室；優(yōu)選地，電動(dòng)攪拌器置于并聯(lián)臂打印機(jī)構(gòu)的框架頂部，攪拌頭位于真空攪拌室內(nèi)；真空泵置于真空攪拌室外側(cè)，通過管路與攪拌室內(nèi)部相連；真空攪拌室出口處經(jīng)由電磁閥與膠液流體管路的一端相連接，以控制混合膠液的流出；膠液流體管路的另一端與打印單元連接。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，N選自2以上的整數(shù)，例如可以為2、3、4或5。