[发明专利]基于温度响应的网-wiggle双层结构的4D打印方法

说明书

本发明公开了一种基于温度响应的网‑wiggle双层结构的4D打印方法。选取形状记忆聚合物材料以双层结构为单元从下往上重复层叠进行打印，双层结构由两组不同填充图案层上下层叠打印布置构成，每组填充图案层中的各个单层均打印为相同填充图案，上下方填充图案层分别为网纹和wiggle图案，网纹图案由两组直线阵列交叉排布构成的纹理图案，wiggle由一组正弦曲线阵列而成的纹理图案；精确温度加热使粗产品变形4D变形完成。本发明克服了目前温度驱动的4D打印材料制备困难，对小功率变形响应程度差的问题，实现了通过设计参数编程无需制造特殊线材的熔融沉积4D打印方法，突破了4D打印技术制备材料的繁琐过程。

技术领域

本发明涉及智能材料4D打印领域的一种4D打印方法，尤其是涉及了一种基于温度响应的网-wiggle双层结构的4D打印方法，实现了能通过设计参数可编程无需制造特殊线材的熔融沉积4D打印方法。

背景技术

4D打印作为基于智能感知材料而开发的材料加工技术，为传统变形材料的制备提供了突破局限的新思路。针对弯曲变形，由于工件体积沿厚度方向收缩程度的非均匀性会引起多层材料的弯曲行为，4D打印通常设计对不同结构有不同响应的多层结构。常规的4D打印变形过程一般由两种实现形式：1.采取不同材料构成工件两层，通过同等程度的激发手段(磁、热、生物响应)，经由工件两层不同的应变响应，达成4D的变形效果。2.采取一种材料构成工件整体，经由不同程度的激发手段，达成4D打印变形效果。

具有高级功能的工件或设备常常需要结合复杂的三维形状和功能诱导结构单元。目前用于创建功能结构的绝大多数技术只能在平面上工作。在过去的几年里，由于各种先进的材料出现，形状记忆材料的应用范围得到了延伸。形状记忆聚合物可以经由低温玻璃态与高温橡胶态之间的转换实现形状记忆的效果，此时的聚合物具有自愈性质，可以通过温度的加载在一定程度上恢复至第一次经挤压成型时的状态，以此为根据提出的各种技术通常需要多个制作步骤和特殊材料。

3D打印提供了一种主动元素的空间布局实现形状转换技术，其中特别以精密的多材料印刷为代表，其可以用来结合不同的材料，通过聚合物实现多形状或可逆的变形。各向异性添加物(如膨胀比或刚度)可通过3D打印技术印刷，以实现4D打印的变形过程。提出最初的平面结构，在获得相应的触发后，它们的形状将改变为预先设定的三维形状，从而使表面相关的功能与复杂的三维形状相结合。目前体系下的4D变形存在着诸多缺点，在成型速度快时，对工件的加工设备要求极高，需要进行复杂的工件规划。而对加工设备要求低时，成型速度又过慢。在现实场景中，往往需求克服这两种缺陷场景。因此需要一种对加工设备要求不高的同时能够进行快速变形的4D打印方法。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提出了一种基于温度响应的可编程双层形状记忆结构的4D打印方法，其中包括双层形状记忆结构的设计及制备。

本发明方法是一个单步打印过程，只需要一台熔融沉积3D打印机和聚合物材料，基于材料的自折叠和不稳定弹出，并通过编程实现的顺序变形，可实现以前所未有的扩展空间的三维形状，具有简单和多功能性的特点。

为实现上述过程，按照本发明采用以下技术方案：

1)选取形状记忆聚合物材料作为打印的线材，根据需打印的产品模型按照以下方式进行3D打印：以双层结构从下往上重复层叠进行打印，双层结构主要由两组不同的填充图案层上下层叠打印布置构成，填充图案层包括多个单层，每组填充图案层中的各个单层均打印为相同的填充图案，单层对应为3D打印时的一层切片，上方的填充图案层为网纹图案，下方的填充图案层为wiggle图案；网纹图案是由两组直线阵列交叉排布构成的纹理图案，直线阵列由多条等间隔平行排布直线构成，wiggle图案是由一组正弦曲线阵列而成的纹理图案，正弦曲线阵列由多条正弦曲线等间隔平行排布直线构成；

2)3D打印后，取下打印获得的粗产品，进行精确温度加热使得粗产品按照规定方式变形，直至4D变形完全完成，等待工件冷却4D打印过程完全结束，获得4D打印产品。