一种可编程曲率变化的4D打印方法与流程

本发明属于增材制造技术领域，特别涉及一种可编程曲率变化的4D打印方法。

背景技术：

2013年2月25日，美国麻省理工学院在TED 2013大会上首次展示了4D打印技术。经过三年的发展，各国研究学者们对4D打印技术有了更具体的思考：四维打印(4D printing)是指在三维打印(3D printing)的基础上增加“时间”作为第四维度，在外部环境的激励下或经过细胞融合或自组装使3D打印的物体随着时间推移发生形状或物理化学方面变化的增材制造技术。无论是从技术发展的趋势还是科技的价值，4D打印更具前瞻性和颠覆性。近两年，尽管国内外学者和研究人员相继提出一些可实现形状变化的4D打印材料和方法，但是其无法实现智能化的形状编程且重复性差、材料制备复杂。以形状记忆聚合物为例，在使用形状记忆聚合物实现4D打印变形的过程中，需要先将其加热到玻璃化转变温度施加外力变形，冷却，直到下次受到外部刺激后形状才能恢复，这种变形需要多次施加外力，容易破坏材料的分子结构，进而影响其变形，且实现的是一种被动变形。水凝胶也是4D打印中常用的材料，但是其力学性能差、可实现变形的形状简单，并且在撤去刺激环境后，制品容易出现褶皱开裂等缺点。

吸水膨胀橡胶(Water Swelling Rubber，简称WSR)是一种功能高分子材料，主要以高吸水剂等吸水剂成分为组分，与天然橡胶等基础胶充分混合制备成吸水膨胀橡胶，遇水膨胀后能达到自身重量或者体积的数倍甚至数百倍，吸水膨胀橡胶具有适应变形和高膨胀性的特点，且自身的吸水和脱水的行为具有优良的可重复性，结合上述吸水膨胀橡胶的特点，其在4D打印中具有非常大的应用潜力。

技术实现要素：

本发明为了解决上述形状编程能力差、材料变形重复性不好等问题，提出了一种可编程曲率变化的4D打印方法。

本发明的原理是：吸水膨胀橡胶是在橡胶基材中引入了吸水组分，使其不仅保留了橡胶本身优良的力学和弹性性能，同时具备了一定的吸水膨胀能力，根据哈佛大学在经典铁木辛格梁的理论基础上提出的双层膨胀弯曲模型可知，两层不同材料膨胀率的材料，遇水弯曲的曲率为：

m＝h_p/h_a,n＝E_p/E_a

h为总厚度，h_a为主动层材料厚度，h_p为被动层厚度，E_a为主动层材料的杨氏模量，E_p为被动层材料的杨氏模量，α为两种吸水膨胀系数差，Δφ为环境湿度差值，因此从公式上可以看出变形单元的弯曲曲率与主被动层材料厚度以及主动层材料和被动层材料的杨氏模量和吸水膨胀系数存在着定量关系，我们通过多挤出头3D打印设备可以对变形单元的主动层材料和被动层材料厚度以及材料进行设计，实现对变形单元曲率变化程度的编程，进而实现了一种智能化自变形4D打印。

本发明的突出优点是在3D打印的基础上，通过对变形单元主动层材料和被动层材料的设计(包括厚度和材料)，实现变形弯曲曲率的可编程，进而实现4D打印。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种可编程曲率变化的4D打印方法，包括以下步骤：

一、主动层材料和被动层材料的选择：

本发明类似双金属片结构，由2层不同性质的材料构成复合材料，所述的双层材料包括主动层材料和被动层材料。

主动层材料：选择在橡胶基材中引入亲水基团或亲水组分制成的吸水膨胀橡胶，其吸水后可膨胀至自身质量或体积的数倍或数百倍；

被动层材料：选择吸水不膨胀橡胶或者膨胀率较低的橡胶(或纸以及聚丙烯薄膜等吸水不膨胀且具有一定的柔韧变形能力的材料)；

二、模型建立：按照所需预想变形形状设计其初始状态，包括几何形状与主动层材料和被动层材料的分布状态，模型基本变形单元主动层材料厚度为0.2-15mm，模型的被动层材料厚度为0.2-15mm，模型厚度与宽度比为0.1-7mm，长度需结合具体设计(应大于宽度)；利用三维软件建立数字模型，通过3D打印专业软件进行切片处理，得到主动层材料和被动层材料分层打印路径数据；

三、打印成型：根据步骤二中得到每层主动层材料和被动层材料的分布状态以及几何模型，利用多挤出头打印机将主动层材料和被动层材料按打印路径沉积在成型平台上，工作平台下降1个截面层的高度，再根据下一层主动层材料和被动层材料沉积路径模型进行沉积，如此循环，最终形成产品；

四、后处理：将打印完成的预变形结构与成型平台进行分离，并将其置于适宜的环境中对主动层材料和被动层材料进行固化，使两种材料产生良好的界面粘结强度；

五、4D打印自变形：将经过后处理的结构材料浸入水中，材料感知环境的变化，产生应激响应，发生形状变化。

本发明的有益效果：

一、本发明采用多挤出头打印机，对主动层材料和被动层材料进行选择性沉积，利用主动层材料遇水膨胀产生驱动力，进而实现了自变形的原理，并结合双层膨胀变形模型，对成型构件中主被动材料的空间位置参数以及厚度进行设计，从而实现了一种可编程曲率变化的4D打印方法，使变形更具有可设计性以及智能性，且具有工艺简单、材料易得、成本低等优点；

二、以遇水膨胀橡胶作为结构变形的驱动力，在受到激励后，结合自身不同的结构设计形式实现各种复杂变形，在激励撤去后，又可逐步恢复原始形状；

三、相较于形状记忆聚合物以及水凝胶，本方法所选用的吸水膨胀橡胶材料具有优良的力学性能和良好的变形可重复性。

附图说明

图1为本专利所涉及4D打印通过打印成型后的基本变形单元示意图。

图2为本专利所涉及4D打印遇激励环境发生自变形的基本变形单元示意图。

图3为实施例1结合基本变形单元根据所需变形构型(螺旋花型)，利用三维建模软件设计的初始变形结构(十字型)的俯视图。

图4为实施例1中所要实现的自变形螺旋花型结构示意图。

图5为实施例1结合基本变形单元根据所需变形构型(波浪式栅条)，利用三维建模软件设计的初始变形结构(栅条型)的俯视图。

图6为实施例1中所要实现的自变形波浪式栅条结构。

图7为本专利所涉及4D打印通过打印成型后的基本变形单元A-A剖面图。

图8为本专利所涉及4D打印通过打印成型后的基本变形单元B-B剖面图。

具体实施方式

请参阅图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8所示，一种可编程曲率变化的4D打印方法，包括以下步骤：

一、主动层材料1和被动层材料2的选择：

主动层材料1的选择：选择单组份、高强度、高模量室温湿气固化的聚氨酯类遇水膨胀橡胶；

被动层材料2的选择：选择遇水不膨胀的聚氨酯类湿度固化橡胶；

二、模型建立：按照所需预想变形形状设计其初始状态，包括几何形状分别与主动层材料1、被动层材2的分布状态，模型变形单元的宽度为10mm，主动层材料1高度为3mm，被动层材料2高度为3mm，长度为30mm，利用三维软件建立数学模型，通过3D打印专业软件控制系统赋予产品主动层材料1和被动层材料2的几何模型和材料属性，随后进行切片处理，得到主动层材料1和被动层材料2分层打印路径数据；

三、打印成型：根据步骤二中得到每层主动层材料1和被动层材料2的分布状态以及几何模型，利用两个挤出头打印机将主动层材料1和被动层材料2按打印路径沉积在成型平台上，工作平台下降一截面层的高度，再根据下一层主动层材料1和被动层材料2沉积路径模型进行沉积，如此循环，最终形成产品；

四、后处理：将打印完成的结构与成型平台进行分离，并将其置于温度为35℃湿度为60％的环境中72h，主动层材料1和被动层材料2完全固化且两种材料形成良好的界面强度；

五、4D打印自变形：将完全固化预变形结构浸入水中，材料感知环境的变化，产生应激响应，发生预计的形状变化。