[发明专利]一种基于分形曲线可拉伸加热电路打印的4D打印方法

说明书

本发明提出了一种基于分形曲线可拉伸加热电路打印的4D打印方法，包括两种方法，其中一种方法是SMP层通电加热后拉伸，冷却定型，再粘贴一层弹性体层，当再次通电加热后，样件由于应变失配发生弯曲变形；另外一种方法是SMP层与弹性体层通电加热后共同拉伸，冷却后撤销外力，由于受到残余应力的软弹性体层与刚性SMP层之间的应变失配，样件发生弯曲变形。当再次加热至玻璃化转变温度后，样件恢复至初始打印状态。本发明提出的分形曲线加热线路具有较强的拉伸性能，同蛇形电路相比较在单轴和双轴拉伸下，电阻变化率很小，便于保证4D打印结构变形过程中稳定的加热性能。

技术领域

本发明涉及4D打印技术领域，具体涉及一种基于分形曲线可拉伸加热电路打印的4D打印新方法。

背景技术

四维(4D)打印技术近年来发展迅速，它将第四维“时间”添加到3D打印结构中，这些结构可以根据环境刺激(如热、电，光，磁，水，及声音等)主动改变形状。在能够实现这种行为的材料中，热响应形状记忆聚合物(SMPs)是应用最广泛的，因为它们与多材料3D打印兼容，具有响应时间快、可变形量大等优点。基于形状记忆聚合物(shape memory polymer，SMP)的4D打印基本机制是将SMP材料加热到高于其玻璃化转变温度时，从程序设定的临时形状恢复到打印时的初始结构形状。因此，有效的加热方式是控制这一过程中“时间”维度的关键。

目前，基于SMP的4D打印的大多数加热方式都采用外部加热的方法。然而，采用外部加热的方式不能对4D打印结构的加热温度进行精确控制，同时不能选择性加热部分区域，阻碍了4D打印在各种复杂环境中的应用。对于基于SMP的执行器或形状变形结构，还有其他加热方式，如将局部加热器附加到所需位置，或用添加剂使SMP材料导电。然而，这些解决方案要么缺乏与3D打印的兼容性，要么破坏SMP材料的机械结构性能。因此，嵌入式加热电路作为一个更有效的解决方案被提出。但是，人工将较硬、较粗的电阻丝插入3D打印结构中，增加了制造难度，降低了结构的机械性能。另外，由于焦耳加热元件拉伸能力较差，4D打印结构仅限于弯曲变形，从而限制了4D打印设计空间。对于基于SMP的热敏型4D打印，理想的加热方法应该以高效、均匀和可预测的方式在内部产生热量，同时具有足够的可伸展性和灵活性，以适应形状编程过程中的各种变形模式。

发明内容

针对现有4D打印技术中加热存在的一些问题，本发明提出了一种基于分形曲线可拉伸加热电路的4D打印新方法，通过电场驱动喷射沉积微纳3D打印技术将分形曲线可拉伸加热电路直接沉积在热刺激响应形状记忆聚合物(shape memory polymer，SMP)基底表面，可选择在基底上方包裹一层形状记忆聚合物材料，形成的嵌入式加热电路可实现厚度方向上均匀、快速的热传递。分形曲线可拉伸加热电路与蛇形加热电路相比较，不仅具有单轴拉伸能力，而且具有双轴和径向拉伸能力。在拉伸过程中，电阻值变化很小，从而在编程和激活4D打印结构的过程中可以实现稳定的加热性能。

为了实现上述发明目的，本发明采用两种技术方案，具体如下：

第一方面，本发明提出的基于分形曲线可拉伸加热电路的4D打印方法，SMP层通电加热后拉伸，冷却定型，再粘贴一层弹性体层，当再次通电加热后，样件由于应变失配发生弯曲变形，步骤如下：

(1)打印SMP基底；

(2)在SMP基底上打印出分形曲线加热线路；

(3)将打印有加热线路的SMP基底进行加热烧结处理；

(4)在烧结好的SMP基底上方再贴合一片相同材料的SMP样片，中间以SMP溶液填充，使其充分固化，得到初期的4D打印样件；

(5)将步骤(4)得到的4D打印样件置于拉伸仪器中夹紧后接通直流电压，调节直流电压至稳态加热温度高于SMP玻璃化转变温度后，调节拉伸仪参数后开始拉伸，打印有加热线路的部分被拉伸，待温度降至室温后取下；