[发明专利]一种基于4D打印的温控自变形装置及其制备方法

说明书

本发明属于4D打印增材制造领域，公开了一种基于4D打印的温控自变形装置及其制备方法，其中制备方法包括以下步骤：S1：建立自变形装置的三维模型，划分的区域至少包括低温变形区、过渡区和高温变形区；S2：设置三个区域的激光打印参数，使用镍钛基记忆合金粉末通过激光选区熔化技术对这三个区域进行分区成形，得到智能变形件；其中，过渡区和高温变形区对应采用的镍钛基记忆合金粉末为镍‑钛‑锆三元合金粉末，S3：对智能变形件进行折叠，得到温控自变形装置。本发明通过向镍钛合金中引入Zr作为第三组分，相较于现有技术中只能通过改变工艺参数来实现功能梯度NiTi材料的制造，本发明能够根据需求灵活的调控NiTi基自变形装置的激励温度点。

技术领域

本发明属于4D打印增材制造领域，更具体地，涉及一种基于4D打印的温控自变形装置及其制备方法。

背景技术

在自变形装置的设计和使用过程中，不同的部位有着不同的变形量和性能要求。装置的功能和变形步骤越多，要求的激励点越多、结构越复杂。目前自变形装置主要采用铸造、溅射等传统方式制造“智能材料”，通过智能材料本身激励响应的特性实现变形。这种方式制造的构件往往结构单一，主要为薄膜、丝材、条状或块状。若涉及复杂的变形，往往需要传感器来感知环境变化，通过外力驱动机械结构发生变化，以达到自变形的目的。这种方式需供电，且要通过复杂的编程和机械设计实现。

4D打印属于增材制造技术，可结合智能材料变形的特点和增材制造技术加工复杂零件的优越性，颠覆了传统制造“先模拟后制造”的造物方式，把产品设计通过打印机嵌入智能材料中，在外界激活条件的刺激下，无需外部驱动力和后续组装，便可按照事先的设计实现形状、性能和功能在时间和空间维度上可控变化，能够实现“材料-结构-功能一体化”制造，较传统制造方式更能满足自变形装置的设计和成形要求。基于这种技术制造的自变形装置在航空航天、生物医疗等诸多领域显示出巨大的潜力。

镍钛合金作为一种常用的温控变形智能材料，具有良好的高阻尼性、生物相容性、无磁性和耐磨损性等。但NiTi二元合金的相变温度范围有限，现有技术中基于镍钛合金的4D打印技术往往是仅通过改变工艺参数来实现功能梯度NiTi材料的制造，对相变温度的影响不大。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种基于4D打印的温控自变形装置及其制备方法，其中通过向镍钛合金中引入Zr作为第三组分，相较于现有技术中只能通过改变工艺参数来实现功能梯度NiTi材料的制造，本发明能够根据需求灵活的调控NiTi基自变形装置的激励温度点。基于本发明制备方法得到的温控自变形装置，能够通过控制不同区域的成形材料以及打印参数，进而调控组织和功能的变化。本发明方法可一次性打印成形，无需后续的组装处理，即可制造“有生命的”、激励响应的智能构件。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于4D打印的温控自变形装置的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：建立自变形装置的三维模型，并根据预设的变形过程和功能对三维模型进行区域划分，划分的区域至少包括低温变形区、过渡区和高温变形区；其中，所述低温变形区能够在T1温度下发生形状变化，所述过渡区能够在T2温度下开始发生形状变化、且在T3温度下形状变化结束，所述高温变形区能够在T4温度下发生形状变化，并且，T1≤T2T3≤T4；

S2：设置所述低温变形区、所述过渡区和所述高温变形区的激光打印参数，使用镍钛基记忆合金粉末通过激光选区熔化技术对所述低温变形区、所述过渡区和所述高温变形区进行分区成形，得到智能变形件；其中，所述过渡区和所述高温变形区对应采用的镍钛基记忆合金粉末为镍-钛-锆三元合金粉末，通过控制锆元素在镍-钛-锆三元合金体系中的占比以分别调控打印形成的所述过渡区和所述高温变形区能够发生形状变化对应的温度条件；

S3：对所述步骤S2得到的所述智能变形件进行折叠，从而最终得到基于4D打印的温控自变形装置。