[发明专利]一种基于快速成形技术的复杂结构智能材料器件的制造方法

说明书

技术领域

本发明属于智能材料领域，具体涉及一种基于快速成形技术的复杂结构智能材料器件的制造方法。

背景技术

智能材料(Intelligent materials或Smart materials)是模仿生命系统，能感知环境变化并能实时地改变自身的一种或多种性能参数，作出所期望的能与变化后的环境相适应的复合材料或材料的复合，其具有多种分类方法，根据材料的来源，可分为金属系智能材料(包括形状记忆合金、形状记忆复合材料等)、非金属系智能材料(包括电流变流体、压电陶瓷、光或电致变色材料等)以及高分子智能材料(包括刺激响应性高分子凝胶、智能高分子粘合剂等)。智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料，成为现代高技术新材料发展的重要方向之一，将支撑未来高技术的发展，使传统意义下的功能材料和结构材料之间的界线逐渐消失，实现结构功能化、功能多样化。

自1989年日本的鹰木教授和高木俊宜教授提出这种智能材料的新构思以来，智能材料就成为国内外学者广泛关注的焦点。1992年2月，英国斯特拉克莱德大学成立了机敏结构材料研究所。在此之前，美国弗吉尼亚理工学院和弗吉尼亚州立大学成立了智能材料研究中心，日本东北大学、三重大学、日立造船技术研究所等学校和研究单位都在研究各自感兴趣的仿生智能材料。世界范围的智能材料研讨会也逐渐增多。1992年3月，日本科技厅主办了第一届国际智能材料研讨会。我国对智能材料的研究也十分重视，1991年，国家自然基金会将智能/灵巧材料列入国家高技术研究发展计划纲要的新概念、新构思探索课题，智能灵巧材料及其应用直接作为国家高技术研究发展计划项目课题。

随着对智能材料致动机理及性能研究的深入，智能材料已在许多领域进入实用化阶段，并显示出良好的应用前景。1998年，美国斯坦福研究院(SRI)的PELRINE小组首次尝试将电活性介电弹性体DE，这种智能材料应用于驱动器的设计，发现介电弹性体驱动器(尤其是丙烯酸、硅树脂制成的DEAs)与其它类型的驱动器相比的综合性能最佳，适合于各种类型驱动器的制造。Danilo De Rossi等利用压电聚合物或聚电解质凝胶制成了新“似皮”触觉传感器和类似肌肉的执行器。

为提高智能材料的性能，对智能材料制备工艺水平的提高一直是科学家研究、探索的重点。1982年，Takenaka等提出采用Nafion粉末与溶剂混合后浇注到模具中形成Nafion膜，之后通过等离子等处理的方法得到离子聚合物-金属复合材料(IPMC)。这种由浇注生成基底聚合物+沉积金属电极制备IPMC材料的方法至今仍被广泛使用。2013年，魏臻等采用电聚合的方法来制备电致变发射率智能材料。然而，现有的智能材料制备工艺，成形材料外形单一、结构简单，且成形时间长，一般需要1～3天，不能满足现今高效化市场对结构功能化、功能多样化材料的需求，使得智能材料的适用范围受到限制，一定程度上制约了智能材料的发展。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种基于快速成形技术的复杂结构智能材料器件的制造工艺，该制造工艺能够实现复杂结构智能材料器件的快速、精确制造。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案包括以下步骤：

1)根据复杂结构智能材料器件的工作条件和/或性能要求确定复杂结构智能材料器件所用的成形原料；根据成形原料的状态和/或复杂结构智能材料器件的精度确定所使用的快速成形工艺；

2)建立复杂结构智能材料器件的三维模型，对复杂结构智能材料器件的三维模型表面进行离散化，生成复杂结构智能材料器件的三维模型的三维数字模型文件，该三维数字模型文件经支撑添加、模型分层离散化以及加工路径生成后导出快速成形设备能够识别的加工文件，并将加工文件下载至快速成形设备；

3)根据加工文件，利用快速成形设备制造复杂结构智能材料器件。

所述的成形原料是根据以下方法确定的：

根据复杂结构智能材料器件的工作条件和/或性能要求确定复杂结构智能材料器件所用的成形原料；其中，工作条件为动力源和/或工作环境，性能要求包括输出量要求和/或使用范围要求；其中，所述的动力源为输入电能、磁能、光能、热能或机械能；工作环境包括无水、有水、温度中的一种或多种；输出量要求为复杂结构智能材料器件能够提供变形、驱动力或电流；使用范围是复杂结构智能材料器件作为驱动器、传感器或执行器使用。

当动力源为电能时，所用的成形原料为电流变体材料；

当工作环境为有水、室温条件时，所用的成形原料为离子聚合物-金属复合材料；