一种预留电热通道结构的光固化4d打印方法及其打印装置

文档序号:772041 发布日期:2021-04-09 浏览:7次 >En<

阅读说明:本技术 一种预留电热通道结构的光固化4d打印方法及其打印装置 (Photocuring 4D printing method and printing device with reserved electric heating channel structure ) 是由 张航 黄舒 单铭远 盛杰 周建忠 魏洁安 周双留 徐玮 于 2020-11-11 设计创作,主要内容包括:本发明提供了一种预留电热通道结构的光固化4D打印方法及其打印装置,包括如下步骤:模型切分:用一组平行的平面将预留电热通道的模型切分成若干层结构;第i层结构光固化4D打印:通过光固化打印第i层结构,i≥1;打印平台翻转180°,将第i层结构翻转至电热材料挤出工位;吸出第i层结构中电热通道内残留的液态树脂;将电热材料填充在第i层结构中的电热通道内,通过光/热固化电热通道中的电热材料;循环打印:打印平台翻转180°至光固化打印位,重复循环第i+1层结构光固化4D打印步骤。本发明解决了现有技术不能对具有三维电热通道的复杂形状记忆结构进行光固化连续打印与制造的问题。(The invention provides a photocuring 4D printing method and a printing device thereof with a reserved electric heating channel structure, which comprises the following steps: model segmentation: cutting the model with the reserved electric heating channel into a plurality of layers by a group of parallel planes; the ith layer structure photocuring 4D prints: printing an ith layer structure through photocuring, wherein i is more than or equal to 1; the printing platform is turned over for 180 degrees, and the ith layer structure is turned over to an electric heating material extrusion station; sucking out the residual liquid resin in the electric heating channel in the ith layer structure; filling an electrothermal material in an electrothermal channel in the ith layer structure, and thermally curing the electrothermal material in the electrothermal channel through light/heat; and (3) cyclic printing: and (4) turning the printing platform by 180 degrees to a photocuring printing position, and repeating the (i &#43; 1) th layer structure photocuring 4D printing step in a circulating manner. The invention solves the problem that the prior art can not carry out photocuring continuous printing and manufacturing on a complex shape memory structure with a three-dimensional electric heating channel.)

一种预留电热通道结构的光固化4D打印方法及其打印装置

技术领域

本发明涉及4D打印领域或者光固化打印技术领域,特别涉及一种预留电热通道结构的光固化4D打印方法及其打印装置。

背景技术

自2013年美国麻省理工学院的Tibbits提出4D打印的概念以来,学术界对4D打印的研究热度逐年递增,4D打印技术的内涵不断丰富。在现有关于4D打印的研究中,光固化打印由于打印精度高、速度快、经济且高效,得到了很多学者的关注并取得了较多的研究成果,但这些研究成果基本都是基于热响应形状记忆材料的打印成形。相比于热响应形状记忆材料,电响应形状记忆材料具有环境适应性好、可精确调控形变、易实现远程控制等诸多优点,更贴近于实际应用,如中国专利公开了一种双层高分子基电响应形状记忆材料及其制备方法,该材料是由一相或两相同时共混掺杂导电粒子的高分子型形状记忆材料层叠热压制得的双层复合物,当施加电压刺激时,导电粒子产生的电热效应使材料温度升高,进而实现电响应形状记忆效应。但由于导电粒子会阻碍光敏树脂的光引发聚合、交联反应,并且电响应形状记忆材料存在导电渗滤阈值,导电粒子含量过高时还会影响基体的形状记忆性能,因此难以通过光固化技术来进行共混式电响应形状记忆材料的打印成形。当然,也有个别学者提出电热层嵌入式的电响应形状记忆材料制备方法,即先打印形状记忆基体层,再覆盖电热膜或埋入电热丝,如中国专利公开了一种基于3D打印的电驱动形状记忆聚合物片层及其制备方法,利用嵌入在3D打印形状记忆聚合物中的电热膜作为激励单元,获得了电响应形状记忆聚合物片层。但这种方法只能构造二维平面的电热层,不仅限制了电热层的形状,也限制了电热层在通电后产生的热影响区的分布,更限制了形状记忆结构的形状,满足不了具有复杂电热形状记忆结构的打印成形。

发明内容

针对现有技术中存在的不足,本发明提供了一种预留电热通道结构的光固化4D打印方法及其打印装置,实现面向实际应用的具有三维电热通道的复杂形状记忆结构的光固化连续成形与制造。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种预留电热通道结构的光固化4D打印方法,包括如下步骤:

模型切分:用一组平行的平面将预留电热通道的模型切分成若干层结构;

第i层结构光固化4D打印:通过光固化打印第i层结构,i≥1;打印平台翻转180°,将第i层结构翻转至电热材料挤出工位;吸出第i层结构中电热通道内残留的液态树脂;将电热材料填充在第i层结构中的电热通道内,通过光/热固化电热通道中的电热材料;

循环打印:打印平台翻转180°至光固化打印位,重复循环第i+1层结构光固化4D打印步骤。

进一步,通过一组等距平行的平面将预留电热通道的三维模型切分成若干层结构,检查每层结构是否包含电热通道,当第i层结构内不包括电热通道,则将第i层结构与第i+1/i-1层结构合并成新的结构。

进一步,一组平行平面的距离由光固化打印机的精度确定。

进一步,所述电热材料为光固化导电胶或热固化导电胶。

一种预留电热通道结构的光固化4D打印方法的打印装置,包括光固化成形装置、电热材料挤出填充装置、残留树脂清洁装置、电热材料固化装置和总控制器;

所述光固化成形装置包括光敏树脂固化光源、打印平台、直线运动机构、翻转机构和树脂槽;所述光敏树脂固化光源位于树脂槽底部,所述打印平台位于树脂槽上方,通过直线运动机构实现打印平台上升和下降;所述打印平台安装翻转机构,用于使打印平台翻转,实现电热材料挤出工位和光固化打印位切换;

所述电热材料挤出填充装置用于向电热通道内填充电热材料;

所述残留树脂清洁装置用于吸出电热通道内残留的液态树脂;

所述电热材料固化装置用于固化电热通道中的电热材料;

所述总控制器控制光敏树脂固化光源、直线运动机构、翻转机构、电热材料挤出填充装置、残留树脂清洁装置和电热材料固化装置。

进一步,所述光敏树脂固化光源产生的光束从下至上对树脂槽中的树脂进行照射,使其固化在打印平台上。

进一步,所述残留树脂清洁装置包括吸除器和滤网,所述吸除器进口处安装吸头,所述吸头用于插入电热通道内;所述吸除器内设有滤网,所述吸除器出口处与树脂槽连通,用于回收电热通道内的液态树脂。

进一步,所述电热材料挤出填充装置、电热材料固化装置和残留树脂清洁装置的吸头共同安装在运动平台上,所述运动平台可三轴移动;所述总控制器控制运动平台动作。

本发明的有益效果在于:

1.本发明所述的预留电热通道结构的光固化4D打印方法,通过将模型切分,在打印第i层后,立刻吸出该层中电热通道内残留的液态树脂,这样相比整个模型打印出来后再吸出液态树脂,具有吸出残留树脂彻底,能有效避免树脂残留在复杂电热通道死角内而不能完全吸出的问题。

2.本发明所述的预留电热通道结构的光固化4D打印方法,在第i层结构中的电热通道内填充的电热材料,再通过光/热固化电热通道中的电热材料,这样相比整个模型打印出来后向电热通道内填充、固化电热材料,具有能均匀填充电热材料的优点,有效避免从模型一端向电热通道内填充电热材料时,电热材料在电热通道拐角处易受力、挤压而造成局部填充不均匀的问题,并且模型打印后再向其内部电热通道填充电热材料,不便于电热材料的光/热固化。

3.本发明所述的预留电热通道结构的光固化4D打印方法的打印装置,能面向实际应用,实现具有三维电热通道的复杂形状记忆结构的光固化连续成形与制造。

4.本发明所述的预留电热通道结构的光固化4D打印方法的打印装置,吸出的残留树脂可以实现循环利用,节约了资源。

5.本发明所述的预留电热通道结构的光固化4D打印方法的打印装置,通过翻转机构实现打印平台的翻转,从而实现光固化打印与电热材料的挤出填充的切换,提高制造效率。

附图说明

图1为本发明所述的预留电热通道结构的光固化4D打印方法的流程图。

图2为本发明所述的预留电热通道的模型的平面图。

图3为本发明所述的预留电热通道结构的光固化4D打印方法的打印装置示意图。

图4为本发明所述的残留树脂清洁装置工作状态示意图。

图5为本发明所述的电热材料挤出填充装置工作状态示意图。

图6为本发明所述的电热材料固化装置工作状态示意图。

图中:

1-直线运动机构;2-第一驱动电机;3-电热材料固化装置;4-电热材料挤出填充装置;5-运动平台;6-树脂槽;7-残留树脂清洁装置;8-总控制器;9-光敏树脂固化光源;10-光束;11-打印平台;12-同步带;13-第二驱动电机;14-滑轨;15-固定板;16-吸头;17-残留树脂;18-滤网;19-光敏树脂;20-第i层结构;21-电热材料挤出头;22-电热通道;23-紫外光束。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明,但本发明的保护范围并不限于此。

如图1和图2所示,本发明所述的预留电热通道结构的光固化4D打印方法,包括如下步骤:

S01:用一组平行的等距平面将预留电热通道的模型切分成若干层结构;检查每层结构是否包含电热通道,当第i层结构内不包括电热通道,则将第i层结构与第i+1/i-1层结构合并成新的结构层。等距平面的距离由打印的精度来决定。

S02:将具有形状记忆效应的聚氨酯丙烯酸酯基光敏树脂19倒入树脂槽6中,当打印平台11成形面接触到树脂槽6的底面时,光敏树脂固化光源9启动,光束10从下至上照射光敏树脂19,完成第1层结构的光固化打印。

S03:第1层结构打印完毕后,打印平台11在其第二驱动电机13的驱动下,进行180°翻转,使固化后的第1层结构朝上,切换到电热材料挤出位。

S04:通过残留树脂清洁装置对第1层结构中的残留树脂17进行清洁,避免电热通道22中残留的光敏树脂17对后续的制造造成影响。吸出的树脂17经树脂滤网18过滤后回收到树脂槽6中,完成树脂的循环利用,如图4所示。

S05:电热材料挤出填充装置的将光固化导电银胶填充第1层结构中的电热通道22内,如图5所示。

S06:电热材料固化装置3通过光/热固化第1层结构的电热通道中的电热材料,如图6所示。

S07:第1层结构打印制造完毕后,打印平台11翻转180°至光固化打印位,接着直线运动机构1带动打印平台11和第1层结构向下运动。

S08:当第1层结构表面接触到树脂槽6的底面时,动作停止,继续第二层结构的光固化打印。

S09:重复S03-S08打印制造步骤,直至打印结束。

如图3所示,本发明所述的预留电热通道结构的光固化4D打印方法的打印装置,包括光固化成形装置、电热材料挤出填充装置4、残留树脂清洁装置7、电热材料固化装置3和总控制器8;

所述光固化成形装置包括光敏树脂固化光源9、打印平台11、固定板15、直线运动机构1、翻转机构和树脂槽6;所述光敏树脂固化光源9位于树脂槽6底部,所述打印平台11位于树脂槽6上方,通过直线运动机构实现打印平台11上升和下降;直线运动机构包括丝杆升降装置,第一驱动电机2用于驱动丝杆升降装置运动。所述第一驱动电机2安装在固定板15上,通过驱动直线运动机构1带动打印平台11上升和下降。所述打印平台11安装翻转机构,用于使打印平台11翻转,实现电热材料挤出工位和光固化打印位切换;本发明实施例中第二驱动电机13通过同步带12传动带动打印平台11翻转,实现制造位置切换,且打印平台11翻转运动的驱动电机13可沿滑轨14实现与打印平台11同步的上升和下降运动。

所述电热材料挤出填充装置4为安装电热材料挤出头21的点胶机,用于向电热通道内填充电热材料;所述残留树脂清洁装置7用于吸出电热通道内残留的液态树脂;所述电热材料固化装置3为一紫外光发射器,用于固化电热通道中的电热材料;

所述总控制器8控制光敏树脂固化光源9、直线运动机构、翻转机构、电热材料挤出填充装置4、残留树脂清洁装置7和电热材料固化装置3。翻转机构可以是机械手臂翻转180度,也可以气动翻转机构。

所述残留树脂清洁装置7包括吸除器和滤网18,所述吸除器进口处安装吸头16,所述吸头16用于插入电热通道内;所述吸除器内设有滤网18,所述吸除器出口处与树脂槽6连通,用于回收电热通道内的液态树脂。

电热材料挤出头21、残留树脂吸头16与电热材料固化装置3固定安装在运动平台5上,所述运动平台5可实现在打印平台11上方的三轴移动。运动平台5由总控制器8控制,可依次执行残留树脂17的清洁、光固化导电银胶挤出填充与光固化导电银胶固化时的运动动作,并针对各动作的作业特点,调节运动速率与运动轨迹。残留树脂清洁、光固化导电银胶挤出填充与光固化导电银胶固化时具体的作业内容由相应装置的分控制器控制动作,在残留树脂清洁时,残留树脂清洁装置的控制器控制动力装置的启停与吸出速率;在光固化导电银胶挤出填充时,电热材料挤出填充装置的控制器控制装置的启停、光固化导电银胶的挤出速率与挤出模式;在光固化导电银胶固化时,电热材料固化装置的控制器控制紫外光发射器的启停与紫外光强度大小。各装置的控制器由总控制器8统一控制。其余未说明结构与现有技术相同。

所述实施例为本发明的优选的实施方式,但本发明并不限于上述实施方式,在不背离本发明的实质内容的情况下,本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

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