一种面向仿生功能结构的4d打印装置与方法
阅读说明：本技术 一种面向仿生功能结构的4d打印装置与方法 (4D printing device and method for bionic function structure ) 是由 司靓 于 2020-12-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种4D打印方法、装置及其应用,包括：多粘度液态组分配比、混流、脱泡、适温固化、加注、终固化等流程,基于一体成型设计理念,实现基于气动流驱动的仿生自驱动变形结构体(简称“仿生变体驱动体”)的制备。本发明的装置和方法可制备原基材料为粘度范围2000～38000cps的弹柔性材料功能部件,极大简化了仿生变体驱动体的制备过程,实现了直接打印、一次成型,不需要二次加工。(The invention discloses a 4D printing method, a device and application thereof, wherein the method comprises the following steps: the preparation method comprises the steps of multi-viscosity liquid component distribution ratio, mixed flow, defoaming, proper-temperature curing, filling, final curing and the like, and the preparation of the bionic self-driven deformation structure body (called as a bionic variant driving body for short) based on pneumatic flow driving is realized based on an integrated forming design concept. The device and the method can be used for preparing the elastic flexible material functional component with the original base material with the viscosity range of 2000-38000 cps, greatly simplify the preparation process of the bionic variant driving body, realize direct printing and one-step forming, and do not need secondary processing.)
技术领域
本发明属于打印技术领域，具体涉及一种面向仿生功能结构的4D打印装置与方法。
背景技术
近年来，基于柔性材料的仿生驱动结构在多个领域得以应用。相比于传统的刚性结构装置，仿生驱动结构具有大变形、多自由度、低成本、高柔顺性、安全交互等优势，具有较好的非结构化环境适应性。根据驱动方式不同，可分为气动流驱动、电驱动、电磁驱动、化学反应致动等。其中，基于气动流驱动的仿生自驱动变形结构体(下文简称“仿生变体驱动体”)具有较大的负载输出、运动可靠、可长时间范围内重复工作的优势，有着较高的实用价值，在仿生飞行器、仿生机器人及仿人手肢等仿生自主结构中得以应用。
仿生变体驱动体由具有可逆形变特性的高弹性柔性材料制成，主要为硅橡胶等高分子聚合物，其主要是通过多种液态组分固化而成。基于此，目前仿生变体驱动体的制作方式多是基于3D打印技术，制备驱动体的模具，然后通过胶液混合、真空脱泡、注入模具、高温固化、脱模等一系列步骤来实现仿生变体驱动体的制备。
目前这种通过3D打印模具然后固化成型的制备方式存在诸多问题。例如，需预留足够大的开口以便于模具的脱出，导致成型后的驱动体存在一些额外的开口；并且，现有方法无法做到一次成型，需分部件制作，再将各分部件粘合，这使得仿生变体驱动体的制备存在较大的局限性，尤其是无法制备内部结构精巧或小尺寸的仿生变体驱动体结构。并且，驱动体在制作过程中易出现气泡，尤其是对于原基液态组分粘度较大的弹柔性材料来说，制备的成功率低。因此，通过新型技术手段实现基于弹柔性材料的仿生变体驱动体的快速成型是有必要的。
而目前市面上基于熔融沉积方式进行三维成型的3D打印机的打印材料多为ABS、PLA等硬质线材。尽管近年来已有通过缩短打印机进料行程、控温打印等方式实现具有一定柔性的材料的打印，但是打印原材料，如TPU、TPE等，本质上还是固体线型材料，无法实现基于多液态组分材料固化成型的仿生变体驱动体的一体化快速制备。
发明内容
为改善上述缺陷，本发明提出一种面向功能性弹柔材料结构的新型4D打印装置与一种液旋混流温加注(Fluid swirling-mixing gentle temp-dosing principle,FSM-GTD)的4D打印装置和方法，在对多种粘度的弹柔性材料的液态原基材料配比及固化的基础之上，实现仿生变体驱动体的一次成型。
具体而言，本发明提供一种4D打印装置，所述装置包括：并联臂打印机构、储料单元、进料单元、混料单元、打印单元和固化单元；所述储料单元、进料单元、混料单元、打印单元和固化单元均设置在所述并联臂打印机构上；
所述储料单元包括储料盒，所述储料盒包括N个独立存储不同组分的区域；
所述进料单元包括进液管和蠕动泵，所述进液管包括进液端和进液管路；其中，进液端的头部分别置于不同的组分区，通过管路与蠕动泵的进液口连接，实现原基液态组分的抽取；
所述蠕动泵的出液口通过管路与混液单元连接。
所述混料单元包括电动搅拌器、真空泵、真空搅拌室；优选地，电动搅拌器置于并联臂打印机构的框架顶部，搅拌头位于真空搅拌室内；真空泵置于真空搅拌室外侧，通过管路与搅拌室内部相连；真空搅拌室出口处经由电磁阀与胶液流体管路的一端相连接，以控制混合胶液的流出；胶液流体管路的另一端与打印单元连接。
根据本发明的实施方案，N选自2以上的整数，例如可以为2、3、4或5。
根据本发明的实施方案，每一个进液管优选为由进液端和管路结合而成的管体，例如一体成型的管体。本领域技术人员应当理解，当所述管路用于传输或输送流体时，所述管路为流体管路，例如胶液流体管路。
根据本发明的实施方案，所述并联臂打印机构包括框架、三对并联臂、三个滑轮组和三个步进电机。
根据本发明的实施方案，所述框架包括三根支撑立柱、横梁和接角件，所述三根支撑立柱呈120°对称分布，所述支撑立柱利用接角件与横梁相连接。
根据本发明的实施方案，所述框架的材质为合金，例如铝合金。
根据本发明的实施方案，每个并联臂各自独立地包括第一连杆和第二连杆；优选地，第一连杆和第二连杆不交叉且不相互接触；优选地，第一连杆和第二连杆平行。
优选地，所述第一连杆和第二连杆的材质为碳纤维。
根据本发明的实施方案，每个步进电机对应一个滑轮组，每个滑轮组对应一对并联臂，由步进电机和滑轮组共同致动并联臂。
根据本发明的实施方案，所述滑轮组和步进电机均设置在框架上。
根据本发明的实施方案，所述进料单元中的蠕动泵优选设置在储料盒与混料单元之间，用于将料液从储料盒内抽取至混液单元。
根据本发明的实施方案，所述储料盒设置在框架顶端的中间位置处。优选地，所述储料盒的中间设置通孔，便于各个进液端置于对应的料液区内。
根据本发明示例性的实施方案，所述进料单元可以包括N个进液管与N个蠕动泵的组合。优选地，所述进液管和蠕动泵的数量与储料盒中组分的数量相同，以使每一个蠕动泵分别控制一个组分的进料。
根据本发明的实施方案，所述进料单元还包括蠕动泵固定座，所述蠕动泵固定座设置在框架上，用于放置蠕动泵。
根据本发明的实施方案，所述混料单元包括真空搅拌室、真空泵、电动搅拌器。其中，液态组分在真空搅拌室混合，电动搅拌器高速搅拌使多组分原基材料充分混合，然后通过真空泵实现真空搅拌室的真空环境，对混合液体进行真空脱泡。
根据本发明的实施方案，所述混料单元还包括真空泵固定座，所述真空泵固定座设置在真空搅拌室一侧，用于放置真空泵。
根据本发明的实施方案，所述真空搅拌室还包括电磁阀，电磁阀安装于真空搅拌室底部的出口处，控制混合胶液流出。
根据本发明的实施方案，所述打印单元包括热端、打印喷头及打印喷头固定座；打印喷头包括胶液流动加注器及喷嘴。所述喷头的一端经由胶液流体管路与真空搅拌室的出口连接，经胶液流动加注器的螺旋状槽道对混合胶液进行进一步混匀与除泡；所述热端设置于喷头外壁，位于胶液流动加注器的末端，从而对混合料液进行预固化，降低料液的流动性；所述喷头组件及热端固定在喷嘴固定座上。
根据本发明的实施方案，所述第一连杆的一端与第二连杆的一端分别设置在对应的滑轮组的滑轮的左右两侧，所述第一连杆的另一端与第二连杆的另一端相邻地设置在所述喷头固定座的并联臂安装点上。
根据本发明的实施方案，所述固化单元包括热床，热床设置在打印单元的下方。优选地，所述热床包括载物台和加热元件，利用加热元件对从喷嘴中挤出的预固化物进行加热，使其在较短时间内固化。
根据本发明的实施方案，所述4D打印装置还包括控制器和与控制器连接的操控面板。其中，所述控制器可以选自本领域已知型号、功能的控制器。例如，所述控制器分别与步进电机、蠕动泵、真空泵、电动搅拌器、热端、热床中的相关元件等连接。
根据本发明示例性的方案，所述4D打印装置包括：并联臂打印机构、储料单元、进料单元、混料单元、打印单元和固化单元；所述储料单元、进料单元、混料单元、打印单元和固化单元均设置在所述并联臂打印机构上；
所述储料单元包括双组分储料盒，所述双组分储料盒包括独立存储第一组分的第一区域和独立存储第二组分的第二区域；
所述进料单元包括第一进液管、第二进液管、第一蠕动泵和第二蠕动泵；
所述第一进液管包括第一进液端和第一流体管，第一进液端的头部置于第一组分区，尾部经由第一流体管与第一蠕动泵的进液口连通；
所述第二进液管包括第二进液端和第二流体管，第二进液端的头部置于第二组分区，尾部经由第二流体管与第二蠕动泵的进液口连通；
所述第一蠕动泵和第二蠕动泵的出液口分别经由流体管与真空搅拌室连接；
所述第一蠕动泵和第二蠕动泵分别设置在储料单元和混料单元之间，用于将不同组分区域的料液从储料盒内抽取经由管路进入真空搅拌室；
所述打印单元包括热端、胶液流动加注器、喷嘴和打印喷头固定座；所述热端置于胶液流动加注器的末端外围；所述胶液流动加注器、喷嘴及热端固定在喷头固定座上。
根据本发明的实施方案，所述组分为液态组分，优选为制备弹柔性材料液态组分。
进一步地，本发明还提供上述4D打印装置在制备弹柔性材料中的应用。
优选地，所述弹柔性材料的原基材料为多种液态组分。优选地，所述液态材料的粘度为2000～38000cps。
优选地，所述弹柔性材料能够用于仿生变体驱动体的制备。
进一步地，本发明还提供一种4D打印方法，包括将多种相同或不同粘度的液态组分按配比混流、脱泡、适温固化、加注、终固化的打印过程。
优选地，所述4D打印方法在本发明的上述装置中进行。
根据本发明的实施方案，所述弹柔性材料具有如上文所述的含义。
根据本发明的实施方案，所述4D打印方法包括如下步骤：至少两种组分的料液在混液单元经搅拌、真空脱泡，在流经胶液流动加注器进行二次混匀脱泡并调控流速，然后经热端预固化、喷嘴打印至热床固化，最终得到打印件。
本发明的有益效果：
本发明提出一种液旋混流温加注的新4D打印方法，基于并联臂打印机构，结合储料单元、进料单元、混料单元、打印单元和固化单元，形成面向仿生功能结构的4D打印装置。该装置及方法适用于粘度范围2000～38000cps的弹柔性材料原基液态组分，尤其是适用于功能性柔性材料的新4D打印机理，能够实现以弹柔性材料为原材料的仿生变体驱动体的直接制备。
具体地，改进进料单元：(1)改进进料方式：与传统的熔融沉积型3D打印机不同，弹柔性材料的原基材料为广粘度范围的液态组分，现有的齿轮啮合固体料丝的方式无法实现进料。本发明通过蠕动泵组对液态组分进行抽取，根据不同粘度，可调控泵组的抽取压力和速率，进而控制进料的速度。
(2)改进组分混合方式：以硅橡胶为主的弹柔性材料为多组分配比使用，例如按照A:B组分为1:1的体积配比充分混合后才可固化。本发明在打印单元进料口前端设置真空搅拌室，将蠕动泵组抽取的A/B组分液体在此处混合，首先通过电动搅拌器使双组分充分混合，然后开启真空泵，对混合液体进行真空脱泡。打印单元含胶液流动加注器，内槽道呈螺旋状，对流经的混合液体进一步除泡及混匀，通过加注器内通道的变径结构对混合液进行流速控制。
改进功能性材料的打印方式：液态组分在流动态挤出到热床后难以成型，尤其是低粘度的液态组分，常温固化时间约为10～30分钟。而高温可催化其固化，几十摄氏度温度环境下很快就变粘稠，呈固化趋势。基于此性质，本发明在喷头处增加热端，通过可控加热对混合液态原材料进行固化催化，使其经由喷头挤出后基本不具有流动性，通过热床的二次加热实现终固化。
本发明装置和方法极大简化了仿生变体驱动体的制备过程，实现了直接打印、一次成型，不需要二次加工；打印成功率高，可制备精巧微小的结构，适用范围广，缩减了制备生产周期，提高了效率。
附图说明
图1为实施例1中4D打印装置的立体结构示意图；
图2为实施例1中4D打印装置的正视图；
图3为实施例1中4D打印装置的单元组件剖视图。
附图标记：1：铝合金框架，2：步进电机，3：滑轮组，4：碳纤维杆，5：双组分储料盒，6：电动搅拌器，7-1：第一蠕动泵，7-2：第二蠕动泵，8：真空泵，9：真空搅拌室，10：胶液流体管路，11：胶液流动加注器，12：热端，13：喷头固定支座，14：喷嘴，15：热床，16：操控面板，17：第一进液端，18：第二进液端。
具体实施方式
下文将结合具体实施例对本发明的技术方案做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
除非另有说明，以下实施例中使用的原料和试剂均为市售商品，或者可以通过已知方法制备。
实施例1
如图1-3所示的4D打印装置包括：并联臂打印机构、储料单元、进料单元、混料单元、打印单元和固化单元；储料单元、进料单元、混料单元、打印单元和固化单元均设置在并联臂打印机构上；
储料单元包括双组分储料盒5，双组分储料盒5包括两个独立地存储第一组分和第二组分的区域；
进料单元包括第一进液管、第二进液管、第一蠕动泵7-1和第二蠕动泵7-2；
所述第一进液管包括第一进液端17和第一流体管(图中未示出)，第一进液端17的头部置于第一组分区，尾部经由第一流体管与第一蠕动泵7-1的进液口连通；
所述第二进液管包括第二进液端18和第二流体管(图中未示出)，第二进液端18的头部置于第二组分区，尾部经由第二流体管与第二蠕动泵7-2的进液口连通；
根据优选的实施方式，各进液管均为由各进液端及其所连接的流体管一体成型的管体。
第一蠕动泵7-1和第二蠕动泵7-2均设置在储料单元和混料单元之间，所述第一蠕动泵7-1和第二蠕动泵7-2的出液口分别经由流体管与真空搅拌室9连接，用于将料液从储料盒内抽取后，进入混料单元的真空搅拌室9；
混料单元包括真空泵8、真空搅拌室9、电动搅拌器6。电动搅拌器置于框架顶部，搅拌头位于真空搅拌室内；真空泵置于真空搅拌室外侧，通过流体管与搅拌室内部相连；真空搅拌室9出口处经由电磁阀与胶液流体管路10的一端相连接，以控制混合胶液的流出；胶液流体管路10的另一端与打印单元连接。
打印单元包括热端12、由胶液流动加注器11、喷嘴14组成的打印喷头和打印喷头固定座13；所述喷头的一端经由胶液流体管路10与真空搅拌室9的出口连接，经胶液流动加注器11的螺旋状槽道对混合胶液进行进一步混匀与除泡；热端12置于打印喷头外壁，位于胶液流动加注器11的末端，从而对混合料液进行预固化，降低料液的流动性；胶液流动加注器11的末端出口与喷嘴进料口相连，连接段设置变径结构；喷嘴14及胶液流动加注器11组成的打印喷头组件以及热端12均固定在喷头固定支座13上。
并联臂打印机构包括铝合金框架1、三对并联臂、三个滑轮组和三个步进电机。铝合金框架1包括三根支撑立柱、横梁和接角件，三根支撑立柱呈120°对称分布，支撑立柱利用接角件与横梁相连接。每个并联臂均包括两个碳纤维杆4，两个碳纤维杆4不交叉且不相互接触，优选平行。每个步进电机2对应一个滑轮组3，每个滑轮组对应一对并联臂，由步进电机和滑轮组共同致动并联臂。滑轮组3和步进电机2均设置在框架上。两个碳纤维杆的一端分别设置在对应的滑轮组的滑轮的左右两侧，两个碳纤维杆的另一端相邻地设置在喷头固定座的并联臂安装点上。
双组分储料盒设置在框架顶端的中间位置处，双组分储料盒分别设置通孔，便于各个进液端置于对应的组分区内。
固化单元包括热床15，热床15设置在喷嘴14的下方。热床包括载物台和加热元件，利用加热元件对从喷嘴中挤出的预固化物进行加热，使其在较短时间内固化。
4D打印装置还包括控制器(未在图中示出)和与控制器连接的操控面板13。其中，所述控制器选自本领域已知型号、功能的控制器。控制器分别与步进电机、蠕动泵、热端、热床中的加热元件等连接。
由步进电机2、滑轮组3、喷头固定座13、碳纤维杆4共同组成传动部件，实现X\Y\Z三个方向的移动；双组分储料盒5用于存放原基材料液态组分。每一组分通过蠕动泵7进行抽取，通过流体管在真空搅拌室9内混合，通过电动搅拌器6对多种液态组分进行充分混合，通过真空泵8进行真空脱泡。真空搅拌室9出口与胶液流体管路10连接，胶液流体管路10末端与胶液流动加注器11连接，内部的螺旋状槽道能够对混合液体进一步的混匀和脱泡。根据液态组分粘度设置热端12的温度对其进行预固化，降低流动性；然后通过喷嘴14将预固化的混合料挤出到热床15上，热床15的高温环境使预固化的硅橡胶在较短时间内固化。
该装置适用于多种粘度原基材料的功能性弹柔性材料的打印，尤其是适用于功能性弹柔性材料的4D打印，能够实现以弹柔性材料为原材料的仿生变体驱动体的直接制备。本发明装置和打印方法极大简化了仿生变体驱动体的制备过程，实现了直接打印、一次成型，不需要二次加工；打印成功率高，可制备精巧微小的结构，适用范围广。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种打印线条粗细可调的3D打印装置