一种微尺度磁性作动器的4d打印系统与方法
阅读说明：本技术 一种微尺度磁性作动器的4d打印系统与方法 (4D printing system and method of microscale magnetic actuator ) 是由 张宪民 陈耕潮 杨倬波 詹振辉 何振亚 于 2020-11-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种微尺度磁性作动器的4D打印系统与方法,该4D打印系统包括计算机控制终端、微液滴打印装置和三维操作平台；微液滴打印装置包括微液滴生成模块和磁控模块；三维操作平台设置在微液滴生成模块的正下方；计算机控制终端按照预设打印模型控制磁控模块改变微液滴生成模块中的打印材料的磁极和磁矩,并控制微液滴生成模块打印微液滴在三维操作平台的透明基板上,经过层层打印,最终透明基板上的微液滴经过融合形成磁性作动器。本发明实现打印微尺度磁驱动器的同时编辑各打印纤维的磁化方向,调节灵活,为微尺度驱动器和软体机器人的制造提供了一种简单且高效的方法。(The invention discloses a 4D printing system and a method of a microscale magnetic actuator, wherein the 4D printing system comprises a computer control terminal, a microdroplet printing device and a three-dimensional operating platform; the micro-droplet printing device comprises a micro-droplet generation module and a magnetic control module; the three-dimensional operation platform is arranged right below the micro-droplet generation module; and the computer control terminal controls the magnetic control module to change the magnetic poles and magnetic moments of printing materials in the micro-droplet generation module according to a preset printing model, controls the micro-droplet generation module to print micro-droplets on a transparent substrate of the three-dimensional operation platform, and finally forms the magnetic actuator by fusing the micro-droplets on the transparent substrate through layer-by-layer printing. The invention realizes the printing of the micro-scale magnetic driver and the editing of the magnetization direction of each printing fiber, has flexible adjustment, and provides a simple and efficient method for manufacturing the micro-scale driver and the soft robot.)
技术领域
本发明涉及打印技术领域，具体涉及一种微尺度驱动器和软体机器人核心部件——微尺度响应作动器的4D打印系统与方法。
背景技术
在柔韧电子、软机器人、生物医学等领域，对可以响应外界光、热、电场和磁场等刺激并发生形变的智能型软材料备受关注。其中生物医学应用通常需要在封闭和有限的空间中进行远程驱动，磁场为提供了一种安全和有效的操作方法。磁性作动器作为功能机器人的核心部件之一，其性能的优劣直接关系到功能机器人的工作品质。同时随着研究尺度的不断缩小，制备微尺度的磁性作动器成为研究难点。
2013年麻省理工学院的Skylar Tibbits首次展示4D打印技术，4D打印技术是指由3D技术打印出来的结构能够在外部环境的刺激下结构或者一些属性发生改变，4D打印技术的出现为微尺度磁性作动器的制备提供了新的途径和方法。2014年Eric Diller和MetinSitti等人应用可编程和动态磁化的柔性材料制备出磁性微型夹具机器人。2016年Guo Zhan Luma等研究者提出可编程的磁性软材料理论公式，计算策略并制备出仿生水母机器人。
其他各式各样的磁性作动器开始不断发展。随着磁场控制方面的进步，磁响应软材料也从嵌入分立的磁性材料发展到将磁性颗粒混入各种智能型软材料的复合型材料，同时人类对微观世界的不断深入和认识，磁性作动器的尺寸从毫米级向微米级进发。然而，目前能在微尺度下针对磁性复合型软材料区域磁极性可编程的4D打印技术还很欠缺。
发明内容
本发明提供一种面向微尺度驱动器和软体机器人核心部件——微尺度磁响应作动器的4D打印系统与方法，该系统通过计算机控制终端、微液滴打印装置和三维操作平台的协同控制实现对打印模型的高精度打印，电磁线圈的实时控制保证了打印材料磁极性的灵活性和打印模型功能的多变性。同时提供的4D打印方法能高效、便捷的制备出微尺度的磁响应作动器，制备出的微尺度磁响应作动器具备易于驱动、生物相容性好等特点，为拓展生物医学等领域应用提供了有力的手段。
为了实现上述目的，本发明采取如下技术解决方案：
一种微尺度磁性作动器的4D打印系统，包括计算机控制终端、微液滴打印装置和三维操作平台；微液滴打印装置包括微液滴生成模块和磁控模块；三维操作平台设置在微液滴生成模块的正下方；计算机控制终端按照预设打印模型控制磁控模块改变微液滴生成模块中的打印材料的磁极和磁矩，并控制微液滴生成模块打印微液滴在三维操作平台的透明基板上，经过层层打印，最终透明基板上的微液滴经过融合形成磁性作动器。
优选地，微液滴生成模块包括气泵、注射料筒、加热套、送料控制器、可更换的打印针头；磁控模块包括电磁线圈以及磁屏蔽板；气泵和2个注射料筒连接，加热套包裹在注射料筒的外部，注射料筒末端连接可更换的打印针头，送料控制器和注射料筒连接，电磁线圈设置在打印针头周围，电磁线圈底部设置磁屏蔽板屏蔽；加热套、送料控制器、电磁线圈均还和计算机控制终端连接。
优选地，三维操作平台包括：透明基板、XYZ移动平台、光屏蔽罩、倒置显微镜和防震支撑台；透明基板、XYZ移动平台、倒置显微镜和防震支撑台均设置在光屏蔽罩内；倒置显微镜上设置蓝光LED；XYZ移动平台和倒置显微镜均设置防震支撑台上，透明基板设置在XYZ移动平台上作为打印区域，倒置显微镜位于透明基板的下方，XYZ移动平台、倒置显微镜均和计算机控制终端连接。
优选地，气泵气压范围为-800mbar～1000mbar，并气泵通过三通透明软管分别与2个注射料筒相连接。
优选地，2个注射料筒设置送料控制器两侧，其中一个注射料筒用于装载磁性作动器打印材料，另一个注射料筒用于装载打印支撑材料。
优选地，所述透明基板通过真空吸盘固定在XYZ移动平台上，透明基板为玻璃基板，玻璃基板上旋涂透明薄膜材料，薄膜材料上面涂覆玻璃粉末，薄膜材料为聚酰亚胺、TiO2、SiO2、SiO和ZrO2中的至少一种，粉末厚度为5～15um。
本发明还提供一种微尺度磁性作动器的4D打印的方法，包括以下步骤：
S1，制备打印材料和支撑材料；
S2，对制备好的打印材料和支撑材料在脉冲场中磁化至饱和，将磁化后的打印材料和支撑材料分别装入清洗后的注射料筒中，安装对应型号的打印针头，设定料筒工作温度。
S3，将制备好的透明基板固定XYZ移动平台，待工作温度稳定后，计算机控制终端按照预设打印模控制气泵、电磁线圈、XYZ移动平台，在透明基板上进行逐层打印，得到磁性作动器模型；
S4，将磁性作动器模型进行光热固化，固化后进行模型剥离和释放。
优选地，制备打印材料包括：将体积分数为55-65％的光敏树脂，10％直径为20-30nm的气相二氧化硅颗粒、5％的交联剂和催化剂放置在高速混合机中，按转速1500r.p.m混合2分钟，混合均匀；在高速混合机中的均匀混合液中加入体积分数20-30％、直径为5μm的未磁化的铷铁硼颗粒，在高速混合机以2000r.p.m转速混合3分钟；将高速混合机中的均匀混合液取出置入去泡机中，按2200r.p.m速度去泡1分钟，去除均匀混合液中多余的气泡，完成打印材料的制备；
制备支撑材料包括：将含铂的硅树脂固化催化剂和直径为20-30nm的气相二氧化硅颗粒按5:1的质量比均匀混合。
优选地，清洗注射料筒包括：将待使用的注射料筒和打印针头在异丙醇的环境中置入超声清洗机中，按800W的功率清洗5分钟，并用氮气吹干；
制备透明基板包括：在清洗干净后的透明基板上旋涂透明薄膜材料，将平均直径为5～10μm微细玻璃粉末旋涂在透明薄膜材料上。
优选地，步骤S4包括：对打印完成的磁性作动器模型在黄光室中100℃热板上预烘5分钟，随后在紫外线功率为125W的高压汞灯下距离10cm固化20min完成固化操作；将磁性作动器模型置入轨道振动器中去除支撑材料进行模型剥离和释放。
相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明通过高精度气泵控制打印材料和支撑材料的进给量，通过XYZ移动平台准确控制生成位置，为微尺度磁动作器的高精度打印提供了保证。
(2)本发明利用永磁铁或者电磁铁磁化，灵活控制每一条打印磁性作动器打印纤维的磁化方向，保证了打印模型区域磁极性的灵活性和功能的多变性。
(3)本发明采用双料筒和送料控制器为磁动作器的多材料复合提供了新的选择。使用的打印材料为光敏树脂和NdFeB颗粒混合而成，有效降低固化时间，提高打印效率。
(4)本发明搭建一个制造平台，可以扩展到使用不同类型的弹性体、水凝胶矩阵和磁性颗粒的多种复合打印材料。引入形状可编程软材料的设计和制造中为柔性电子、生物医学设备和其他领域的应用提供了新的可能性。同时与现有商业打印工艺一致，可拓展性强。
附图说明
图1为本发明微尺度磁性作动器的4D打印系统的结构示意图；
图2为本发明的打印针尖附近磁场分布示意图；
图3为本发明的4D打印微尺度磁性作动器过程中的微液滴生成过程示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施作进一步说明。为表达的更简洁清晰，在下列描述当中，不详细描述公知的功能和结构，以凸显本发明的优势和特征。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种微尺度磁性作动器的4D打印系统，系统包括三个模块：计算机控制终端1、微液滴打印装置和三维操作平台。计算机控制终端1主要驱动控制块微液滴打印装置和三维操作平台。微液滴打印装置用于控制打印材料的生成，工作温度和材料磁极性。三维操作平台控制打印位置和结构。
具体的，微液滴打印装置包括高精度气泵2、注射料筒3、加热套5、送料控制器4、打印针头6、电磁线圈7以及磁屏蔽板8。高精度气泵2通过一个三通的透明软管分别和2个注射料筒3相连接，注射料筒3外部包裹加热套5实时控制注射料筒3温度，注射料筒3和送料控制器4相连接，由送料控制器4控制对应注射料筒3进给，注射料筒3尾部连接可更换打印针头6。
如图2所示，电磁线圈7位于打印针头6周围，打印过程中通过改变电磁线圈7的磁场模式、磁化强度，以改变打印针头6中打印材料的磁场极性和磁化强度，磁场感应线分布如图2中所示，电磁线圈7底部设置磁屏蔽板8屏蔽磁场对已打印材料的影响。
三维操作平台，主要包括透明基板10、XYZ移动平台11、蓝光LED照明光源的倒置显微镜12、防震支撑台13和光屏蔽罩14，透明基板10通过XYZ移动平台11上的真空吸盘固定。XYZ移动平台11固定于含蓝光LED照明光源的倒置显微镜12操作平台上，操作平台整体放置于防震支撑台13上，减少环境震动对操作环境的影响，整体操作空间由光屏蔽罩14所覆盖。
高精度气泵2的气压范围为-800mbar～1000mbar。高精度气泵2通过一个三通的透明软管分别和2个注射料筒3相连接，连接处采用气密垫圈提高封闭性。双注射料筒3于送料控制器4侧，其中一个用于装载磁性作动器打印材料，另一个装载打印支撑材料。外部分别包裹加热套5，热范围为室温～80度，由计算机控制终端1控制注射料筒3的进给料和各料筒的加热温度，注射料筒可拆卸。打印针头6采用气密垫圈和注射料筒3相连接，打印针头直径可调，范围从10um～500um，打印针头6可拆卸。XYZ三维移动平台11具有亚微米级定位精度，固定在防震支撑台13处，通过计算机控制终端1精确控制打印位置。含蓝光LED照明光源的倒置显微镜12，蓝光LED照明光源波长为460nm，倒置显微镜12整体放置于防震平台13上，整体打印区域被光屏蔽罩覆盖，隔绝外界光源对材料的影响。9为悬垂的小液滴。
透明基板10通过XYZ移动平台11的真空吸盘固定，透明基板10采用玻璃基板，玻璃基板上旋涂透明薄膜材料，薄膜材料采用聚酰亚胺和TiO2、SiO2、SiO、ZrO2中的至少一种，并在薄膜上面涂布玻璃粉末，粉末平均尺寸5～15um，减少打印样品与基板之间的摩擦影响。
4D打印微尺度磁性作动器过程中的微液滴生成过程如图3所示，检查完各工作参数后，控制高精度气泵2进给，即在打印针头6的针孔处生成一倒置悬挂的半成品微液滴15，控制XYZ移动平台11上移，直至透明基板10与倒置悬挂半成品微液滴15接触，这样在透明基板10和打印针头6之间会形成稳定的桥式结构。控制XYZ移动平台11下移使透明基板迅速下移，破坏桥式结构后，会在透明基板上形成一个已成型的微液滴16。类似的，精确控制高精度气泵2压力大小，透明基板10和打印针尖6的接触时间控制生成打印液滴的大小，当透明基板10和打印针尖6接触后平面移动XYZ移动平台11即可形成打印纤维。
需要说明的是，微液滴打印装置按照预设程序打印成微液滴，多次打印微液滴，微液滴经过融合便可得到微尺度磁性作动器。
本实施例还提供一种适用上述微尺度磁性作动器的4D打印系统的微尺度磁性作动器的4D打印方法，具体步骤如下：
首先按体积分数55-65％的光敏树脂，10％直径为20-30nm的气相二氧化硅颗粒和5％的交联剂和催化剂在高速混合机，按转速1500r.p.m混合2分钟，混合均匀。
以上步中的均匀混合液中加入体积分数20-30％直径为5μm的未磁化的铷铁硼(NdFeB)颗粒，在高速混合机按转速2000r.p.m混合3分钟。随后取出置入去泡机中按2200r.p.m去泡1分钟去除混合液中多余的气泡，完成打印材料的制备。类似的，将含铂的硅树脂固化催化剂和直径为20-30nm的气相二氧化硅颗粒按5:1的质量比混合完成支撑材料的制备。
随后将去泡后的打印材料在脉冲磁化仪中磁化至饱和，磁化强度在为3T。将待使用的注射料筒和打印针头在异丙醇的环境中置入超声清洗机中，按800W的功率清洗5分钟，并用氮气吹干。将磁化后的打印材料和支撑材料分别装入清洗吹干后对应的注射料筒中，安装直径为50μm的打印针头，并将料筒和针头置于送料控制器两端并固定。设定料筒加热套的工作温度为30度，并稳定10分钟。
待工作温度稳定后，将制备好的透明基板通过XYZ移动平台上的真空吸盘固定。待料筒工作温度稳定后，计算机模块控制高精度气泵，电磁线圈，XYZ移动平台按计算机打印模型在透明基板上进行逐层打印。其中，制备透明基板包括：在清洗干净后的透明基板上旋涂透明薄膜材料，将平均直径为5～10μm微细玻璃粉末旋涂在透明薄膜材料上。
其中，在逐层打印过程中，计算机控制终端按照预设打印模型可交替控制控制双注射料筒3，交替使用打印材料和支撑材料打印。
对打印完成的磁性作动器模型在黄光室中100℃热板上预烘5分钟，随后在紫外线功率为125W的高压汞灯下距离10cm固化20min完成固化操作。将模型置入轨道振动器中去除支撑材料进行模型剥离和释放。
上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
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