阅读说明：本技术 一种适用于磁性复合材料的4d打印制造方法 (4D printing manufacturing method suitable for magnetic composite material ) 是由 闫春泽 伍宏志 苏彬 张策 陈鹏 刘主峰 史玉升 于 2019-09-29 设计创作，主要内容包括：本发明属于复合材料4D打印相关技术领域,其公开了一种适用于磁性复合材料的4D打印制造方法,所述方法包括以下步骤：(1)将柔性高分子粉末、强磁性粉末和流变助剂混合得到多种复合粉末,多种复合粉末中所述强磁性粉末的质量分数呈梯度分布；(2)基于多种复合粉末及待制造零件的三维模型,采用激光选区烧结工艺成形待制造梯度零件的成形件；(3)对所述成形件进行充磁以使所述成形件具有永磁性,并将充磁后的所述成形件放置在磁场中以使所述成形件发生变形,由此完成待制造梯度零件的4D打印制造。本发明提高了零件的性能,灵活性较强,且增强了成形件的力学性能,成形件高度方向上磁粉含量呈梯度分布,能够实现对弯曲角度的控制。(The invention belongs to the technical field related to 4D printing of composite materials, and discloses a 4D printing manufacturing method suitable for magnetic composite materials, which comprises the following steps: (1) mixing flexible polymer powder, ferromagnetic powder and rheological additive to obtain multiple composite powders, wherein the mass fractions of the ferromagnetic powder in the multiple composite powders are in gradient distribution; (2) forming a forming part of the gradient part to be manufactured by adopting a selective laser sintering process based on the three-dimensional models of the various composite powders and the part to be manufactured; (3) and magnetizing the formed piece to enable the formed piece to have permanent magnetism, and placing the magnetized formed piece in a magnetic field to deform the formed piece, thereby completing the 4D printing manufacture of the gradient part to be manufactured. The invention improves the performance of parts, has stronger flexibility, enhances the mechanical property of the formed piece, has gradient distribution of magnetic powder content in the height direction of the formed piece, and can realize the control of the bending angle.)

一种适用于磁性复合材料的4D打印制造方法

技术领域

本发明属于复合材料4D打印相关技术领域，更具体地，涉及一种适用于磁性复合材料的4D打印制造方法。

背景技术

制造领域对构件的性能要求越来越高，呈现出从传统的机械性能与动能性能逐渐向智能特性发展的趋势，智能构件具有形状、性能或者功能的随外界刺激发生可控变化这一“智能”特性。然而，传统的3D打印技术的成形件是“静止”的，不具备智能特性。智能构件往往具备精细化、复杂化的结构，特别适合采用3D打印技术成形。随着时间的推移，在外界刺激下，3D打印成形的智能构件的形状、性能、功能可以发生可控变化，这种智能特性将时间这一维(D)引入到3D打印技术中，由此衍生出4D打印技术，它是一种新兴的多学科交叉的颠覆性制造技术，对其深入研究必将推动智能材料、智能结构和3D打印技术等领域的发展，具有重要的科学研究和生产应用价值。

外界刺激的形式主要有热能、磁场、电场、pH值、水和湿度等形式，目前研究最多的是热能的刺激，即在升温至较高温度下，3D打印成形的智能构件在高温刺激下，由临时形状回复至初始形状。这种热能驱动构件变形的方式会使驱动距离受到极大的限制，并且无法实现可控的驱动。目前，本领域相关技术人员逐渐采用磁场驱动构件变形以实现4D打印，如专利CN105771003A公开了一种基于3D打印技术制备生物可降解聚合物自扩张式血管支架的方法，利用生物可降解型聚乳酸基形状记忆聚氨酯/Fe₃O₄纳米复合材料，通过熔融沉积制造技术将复合材料制备成血管支架，利用磁热效应远程激发形状记忆聚合物发生形状回复，此发明看似是利用磁场和磁性材料实现4D打印，但本质上还是热能驱动，仍会受到驱动温度的限制，并且无法实现远程及可控驱动。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种适用于磁性复合材料的4D打印制造方法，其基于现有智能构件的制造特点，研究及设计了一种性能较好的适用于磁性复合材料的梯度4D打印制造方法。所述方法通过选取柔性高分子粉末作为基体材料，使得成形件易于发生形变，通过磁场驱动成形件的变形，能够实现对形变的远程可控控制；通过选用强磁性永磁粉末，使得成形件能够在磁场中发生更大的变形，采用激光选区烧结工艺成形该磁性复合材料，以增大成形件的层间结合强度，提高成形件的力学性能，磁性成形件的高度方向上磁粉含量呈梯度分布，可以实现对成形件弯曲角度的控制。

为实现上述目的，本发明提供了一种适用于磁性复合材料的4D打印制造方法，所述方法包括以下步骤：

(1)将柔性高分子粉末、强磁性粉末和流变助剂混合得到多种复合粉末，多种复合粉末中所述强磁性粉末的质量分数呈梯度分布；

(2)基于多种复合粉末及待制造零件的三维模型，采用激光选区烧结工艺成形待制造零件的成形件；

(3)对所述成形件进行充磁以使所述成形件具有永磁性，并将充磁后的所述成形件放置在磁场中以使所述成形件发生变形，由此完成待制造零件的4D打印制造。

进一步地，所述成形件高度方向的各部分变形量不同，且其高度方向各部分对应的强磁性粉末的质量含量也不同。

进一步地，所述成形件自下而上各部分的强磁性粉末的质量含量沿所述成形件的高度呈梯度分布。

进一步地，所述柔性高分子粉末为弹性模量低于50MPa的高分子粉末。

进一步地，所述柔性高分子粉末为热塑性聚氨酯。

进一步地，所述强磁性粉末为钕铁硼粉末、铁氧体粉末、铁镍粉末及铁钴粉末中的一种或者几种。

进一步地，所述流变助剂为气相二氧化硅、蓖麻油衍生物及聚乙烯蜡中的一种或者几种。

进一步地，所述柔性高分子粉末及所述强磁性粉末质量之和与所述流变助剂的质量之比为1000：(10～12)。

进一步地，成形时，当需要强磁性粉末质量分数为预定值的复合粉末时，更换上装有该复合粉末的送粉缸，同时调节工艺参数以与该复合粉末相匹配。

进一步地，随着复合粉末中强磁性粉末的质量分数的增大，成形工作腔的温度随之提高；强磁粉末的质量分数每增加10％，工作腔的温度增加3℃。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的适用于磁性复合材料的4D打印制造方法主要具有以下有益效果：

1.本发明通过采用激光选区烧结工艺使磁性复合粉末材料成形，提高了成形件的层间结合强度，增强了成形件的力学性能。

2.本发明采用柔性高分子粉末材料和强磁性永磁粉末材料以及流变助剂相混合得到多种复合粉末，柔性高分子材料使成形件易于发生形变，强磁性材料使得磁性成形件在磁场中的形变量增大。

3.多种复合粉末中所述强磁性粉末的质量分数呈梯度分布，继而得到强磁性粉末的质量含量沿所述成形件的高度呈梯度分布的成形件，因此在不同高度处受到的磁场的力不同，从而可以定量控制成形件受力弯曲的角度。

4.通过选取柔性高分子粉末作为基体材料，使得成形件易于发生形变，且充磁后的所述成形件放置在磁场中以使所述成形件发生变形，由此通过磁场驱动成形件的变形，能够实现对形变的远程可控控制。

附图说明

图1是本发明较佳实施方式提供的适用于磁性复合材料的4D打印制造方法的流程示意图；

图2中的(a)、(b)图分别是图1中的适用于磁性复合材料的4D打印制造方法涉及的两种形式的磁场，其中，(a)图是永磁铁产生的磁场；(b)图是通电线圈产生的磁场；

图3是本发明第一实施方式提供的适用于磁性复合材料的4D打印制造方法的流程示意图；

图4是采用图3中的适用于磁性复合材料的4D打印制造方法制造得到的成形件沿高度方向磁性粉末质量分数的梯度分布示意图；

图5是采用图3中的适用于磁性复合材料的4D打印制造方法得到的成形件中心位置处的磁感应强度的分布示意图；

图6是采用图3中的适用于磁性复合材料的4D打印制造方法得到的成形件在磁场中的形变量和强磁性粉末含量之间的关系曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1及图2，本发明较佳实施方式提供的适用于磁性复合材料的4D打印制造方法，所述制造方法主要包括混粉、成形和充磁三个步骤，具体包括以下步骤：

步骤一，将柔性高分子粉末、强磁性粉末和流变助剂混合得到多种复合粉末，多种复合粉末中所述强磁性粉末的质量分数呈梯度分布。

具体地，选取柔性高分子粉末、强磁性粉末和能改善粉末流动性的流变助剂，将柔性高分子粉末和强磁性粉末分别烘干后，再和改善粉末流动性的流变助剂混合以得到复合粉末，混合得到的复合粉末中强磁性粉末的质量分数呈梯度分布。

本实施方式中，所述柔性高分子粉末为弹性模量低于50MPa，韧性良好的高分子粉末材料，主要有热塑性聚氨酯(Thermoplastic Polyurethane,TPU)；所述强磁性粉末主要为钕铁硼(NdFeB)粉末、铁氧体粉末、铁镍粉末和铁钴粉末等；能改善粉末流动性的流变助剂采用粉末状材料，主要有气相二氧化硅、蓖麻油衍生物和聚乙烯蜡等流变助剂。所述流变助剂的加入含量为每1000g的柔性高分子及强磁性永磁粉末中加入10g～12g。

步骤二，基于多种复合粉末及待制造零件的三维模型，采用激光选区烧结工艺成形待制造零件的成形件。

具体地，采用激光选区烧结工艺，强磁性粉末含量沿成形件的高度方向呈梯度分布，在需要某种强磁性粉末含量的复合粉末时，换上装有这种复合粉末的送粉缸，同时调节工艺参数与此复合粉末相匹配，这样即可实现梯度成形，得到强磁性粉末含量沿高度方向呈梯度分布的成形件。

所述激光选区烧结的工艺参数为激光扫描速率为3800mm/s-4000mm/s，扫描间距为0.2mm-0.3mm，激光功率为40W-42W，铺粉层厚为0.1mm-0.12mm。当高分子粉末为TPU时，工作腔的温度是125℃-135℃。随着强磁性粉末的质量分数增大时，成形工作腔的温度需要适当的提高。一般为质量分数每增加10wt％，工作腔的温度增加3℃。成形完毕后，自然冷却至室温后取出成形件。

步骤三，对所述成形件进行充磁以使所述成形件具有永磁性，并将充磁后的所述成形件放置在磁场中以使所述成形件发生变形，由此完成待制造零件的4D打印制造。

具体地，将所述成形件用充磁机充磁，所述充磁是通过施加充磁电压，充磁电压为1800V-2000V可调，充磁完成后，成形件即具有永磁性，将其置于外加磁场中即可发生变形，实现磁场驱动的4D打印。外加磁场主要有两种形式：永磁铁产生的磁场和通电线圈产生的磁场。

以下以两个实施例来对本发明进行进一步的详细说明。

实施例1

请参阅图3、图4、图5及图6，本发明第一实施例提供的适用于磁性复合材料的4D打印制造方法主要包括以下步骤：

(1)选取TPU粉末、钕铁硼(NdFeB)粉末和气相二氧化硅粉末，各种组分的含量如表1所示。

表1实施例1中三种粉末材料的质量

将三种粉末分别烘干，再在混料机中混合，转速为600转/分钟，以得到三种钕铁硼质量分数的复合粉末材料。

(2)采用激光选区烧结工艺，使梯度的磁性复合材料成形得到待制造零件的成形件。其中，当需要成形的磁性粉末含量为20wt％时，工艺参数为：激光扫描速率为4000mm/s，扫描间距为0.3mm，激光功率为40W，铺粉层厚为0.12mm，工作腔的温度为125℃。当成形粉末磁性含量为30wt％时，换上含有磁粉含量为30wt％的送粉缸，并调节工艺参数使其与材料相适应，随着磁性粉末的质量分数增大，工作腔的温度需要适当的提高，此时保持其他工艺参数不变，将工作腔的温度升高至128℃。当需要成形的磁性粉末含量为40wt％时，按照相同的方式处理，同时将工作腔的温度升高至131℃。每种成分的材料均选取经过优化的工艺参数使该复合材料成形，得到磁性含量沿高度方向呈梯度分布的成形件，成形完毕后，自然冷却至室温。

(3)将上述成形件用充磁机充磁，设置充磁电压为2000V，在启动开关的瞬间即完成充磁，使成形件获得永磁性。之后，将充磁后的成形件置于永磁铁产生的磁场中，成形件发生变形，从而实现磁场驱动的4D打印。

实施例2

本发明第二实施例提供的适用于磁性复合材料的4D打印制造方法主要包括以下步骤：

(1)选取TPU粉末、铁氧体粉末和蓖麻油衍生物粉末，各种组分的含量如表2所示。

表2实施例2中三种粉末材料的质量

将三种粉末分别烘干，再在混料机中混合，转速为600转/分钟，以得到三种质量分数的复合粉末材料。

(2)采用激光选区烧结工艺，使磁性粉末含量呈梯度的多种磁性复合材料成形。当需要成形的磁性粉末含量为20wt％时，工艺参数为：激光扫描速率为3900mm/s，扫描间距为0.2mm，激光功率为42W，铺粉层厚为0.1mm，工作腔的温度是120℃。当成形粉末磁性含量为30wt％时，换上磁粉含量为30wt％的复合粉末的送粉缸，并调节工艺参数使其与复合材料相适应，随着磁性粉末的质量分数增大，工作腔的温度需要适当的提高，此时保持其他工艺参数不变，将工作腔的温度升高至123℃。当需要成形的磁性粉末含量为40wt％时，按照相同的方式处理，同时将工作腔的温度升高至126℃。每种成分的材料均选取经过优化的工艺参数使该复合材料成形，得到磁性含量沿高度方向呈梯度分布的成形件，成形完毕后，自然冷却至室温。

(3)将上述成形件用充磁机充磁，设置充磁电压为1950V，在启动开关的瞬间即完成充磁，使成形件获得永磁性。之后，将成形件置于永磁铁产生的磁场中，成形件发生变形，从而实现磁场驱动的4D打印。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。