一种面向曲面IPMC的4D打印方法与流程

一种面向曲面ipmc的4d打印方法
技术领域
1.本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种面向曲面ipmc的4d打印方法。


背景技术：

2.离子聚合物
‑
金属复合材料(ionic polymer
‑
metal composites,ipmc)具有驱动电压低、柔性好、无噪音、质量轻、结构简单以及适合在水环境下工作等优点，成为未来机械、材料科学等研究的重点。虽然ipmc相较传统驱动器具有诸多技术优势，但是现有工艺大多数是通过铸膜传统工艺进行得到离子交换膜，后续通过其他工艺镀电极，得到的ipmc属于平面结构，这极大限制了ipmc的广泛应用。
3.4d打印是指用可编程物质(通常为智能复合材料)作为打印材料，通过3d打印的方式打印出三维物体。在预定的激励或刺激(光、磁、水、电等)下，其物理属性或功能随着时间的变化产生变化，该技术的发展，将可以实现智能化材料的制造以及智能驱动器件的进一步走向应用。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种面向曲面ipmc的4d打印方法，采用共形基体进行辅助成型，利用电热膜技术进行快速固化，将nafion与高沸点溶剂、多壁碳纳米管结合起来使其满足直写打印要求，解决了nafion成型能力弱难以制造复杂柔性机构的难题，适用于复杂曲面机构的ipmc制备，从而在柔性驱动，仿生机器人等领域有着重要的应用潜力。
5.本发明采用以下技术方案：
6.一种面向曲面ipmc的4d打印方法，设计曲面智能结构，采用共形基体包络曲面智能结构进行辅助成型；对nafion溶液进行改性处理得到离子驱动打印墨水；通过直写打印方式将离子驱动打印墨水打印在曲面智能结构的共形基体上，并进行固化处理；最后使用化学镀方式将电极镀到曲面智能结构上得到曲面ipmc智能结构。
7.具体的，曲面智能结构的回转体半径为1～10cm，高度为1～20cm，厚度为0.015～2.50mm。
8.具体的，共形基体的厚度为0.01～0.2mm，控制温度60～80
°
，使用电热膜对共形基体进行加热。
9.进一步的，共形基体的材料选取国际铝6061、国际铝7075或未来7500高性能尼龙，电热膜的材料为聚酰亚胺、硅橡胶或石墨烯。
10.具体的，对nafion溶液进行改性处理具体为：
11.将质量分数20％的nafion溶液与高沸点溶剂混合后加热磁力搅拌至nafion溶液的浓度为25％～30％，然后与多壁碳纳米管混合进行超声分散，搅拌均匀成粘状的离子驱动打印墨水。
12.进一步的，nafion溶液与高沸点溶剂的质量比为1：(0.25～1)，nafion溶液与多壁
碳纳米管的质量比为1：(0.002～0.01)，超声分散的时间为1～2h，搅拌速度为600～2000rpm。
13.进一步的，高沸点溶剂为二甲基乙酰胺或二甲基甲酰胺，多壁碳纳米管的长度>0.5μm，多壁碳纳米管的管径长度>10nm。
14.具体的，直写打印方式具体为：
15.控制温度在60～80
°
加热共形基体结构；调节打印参数；使挤出丝附着在曲面智能结构上，打印离子驱动层。
16.进一步的，打印参数具体为：
17.喷头距离曲面智能结构的法向距离为0.1～0.2mm，离子驱动墨水的挤出气压为0.3～0.5mpa，扫描速度为3～10mm/s。
18.具体的，固化处理的温度为60～80
°
，固化成型后升温至130
°
，并加热2～4h。
19.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
20.本发明一种面向曲面ipmc的4d打印方法，可实现面向ipmc的满足回转体特性的曲面智能结构进行打印，利用改性的nafion溶液作打印墨水，通过直写打印方式将打印墨水打印在智能结构的共形基体上，通过对共形基体进行辅助加热成型得到离子驱动基体，后续通过化学镀将电极镀在驱动基体上，从而得到ipmc曲面智能结构。基本原理是通过添加多壁碳纳米管和高沸点溶剂对nafion得到离子驱动墨水，使其流变性满足直写打印要求，并将机械臂的运动特性与直写打印技术结合，并辅之以可加热曲面智能结构，可实现曲面打印ipmc，实现nafion复杂结构成型。
21.进一步的，曲面智能结构应满足回转体特性，其回转体半径范围为1～10cm，高度为1～20cm，且曲面智能结构厚度为0.015～2.50mm，可实现空间任意方向的运动。
22.进一步的，共形基体包络曲面智能结构，共形基体厚度为0.01～02mm，温度控制范围60～80
°
，通过调节合适的温度，可辅助打印丝径固化成型，从而提高打印精度，提升成型能力。
23.进一步的，曲面智能结构材料选用国际铝6061、国际铝7075或未来7500高性能尼龙，均传热效果好，电热膜材料为聚酰亚胺、硅橡胶或石墨烯，温度均可调控，两者结合可实现曲面智能结构的整体加热，且温度可调，实现打印线条在曲面智能结构上的固化成型。
24.进一步的，通过向nafion溶液添加高沸点溶剂进行混合，可防止在打印过程中nafion丝线因过热而断丝，又向nafion溶液添加多壁碳纳米管，可对nafion溶液的流变性进行调控，使流变性满足直写打印要求。
25.进一步的，nafion溶液与高沸点溶剂的质量比为1：(0.25～1)，在不改变nafion溶液的前提下使提升其沸点，nafion溶液与多壁碳纳米管的质量比为1：(0.002～0.01)，从而改善nafion溶液流变性，通过超声分散1～2h，再以600～2000rpm的速度搅拌，使得多壁碳纳米管均匀分散在nafion溶液中。
26.进一步的，本发明的离子驱动打印墨水，电极打印墨水具有剪切变稀性质，并且其粘度与模量能够满足在曲面上打印成型的要求，选用长度>0.5um，管径长度>10nm的多壁碳纳米管可实现溶液的增稠效果，调节多壁碳纳米管的比例可调节离子打印墨水的粘度，便于打印时实现墨水自举。
27.进一步的，选择开放程度高、打印不受前体的种类、颗粒尺寸、表面形貌限制的直
写打印的方法将材料叠层累积，打印过程可控，精度高。
28.进一步的，离子驱动墨水的挤出气压为0.3～0.5mpa，扫描速度为3～10mm/s，喷头离曲面智能结构的法向距离为0.1～0.2mm，能够保证电极的打印线条出丝稳定且均匀。
29.进一步的，后期固化处理的温度为60～80
°
，固化成型后升温至130
°
，并加热2～4h，不仅缓解了智能曲面结构的内应力，还可使内部微结构之间的结合力得到增强。
30.综上所述，本发明基于4d打印技术，以nafion溶液为基体材料，开发出一种面向曲面ipmc的打印方法，为解决ipmc在可打印性、成型效率、打印稳定性以及空间成型能力存在的问题提供解决办法。
31.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
32.图1为曲面智能结构及仿真示意图；
33.图2为共形基体示意图；
34.图3为共形打印示意图。
具体实施方式
35.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
37.应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
38.还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
39.还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
40.在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
41.本发明提供了一种面向曲面ipmc的4d打印方法，首先设计曲面智能结构，接着采
用共形基体进行辅助成型的方法，然后对nafion溶液进行改性使其满足直写打印要求，通过直写打印方式将打印墨水打印在共形基体上，得到离子驱动基体，后续通过化学镀方式将电极镀到曲面智能结构上。
42.本发明一种面向曲面ipmc的4d打印方法，包括以下步骤：
43.s1、根据功能需求，设计曲面ipmc的三维曲面智能结构，进行变形仿真，使运动达到设计目标；
44.三维曲面智能结构满足回转体特性，其回转体半径为1～10cm，高度为1～20cm，且曲面智能结构厚度为0.015～2.500mm，对曲面智能结构进行变形仿真，使运动达到设计目标，如图1所示。
45.s2、根据ipmc的曲面智能结构设计可控温的共形基体；
46.共形基体内包络曲面智能结构，共形基体结构厚度为0.01～0.20mm，通过电热膜实现对共形基体进行加热，温度为60～80
°
，共形基体如图2所示。
47.共形基体材料选取国际铝6061、国际铝7075或未来7500高性能尼龙，电热膜材料为聚酰亚胺、硅橡胶或石墨烯。
48.s3、掺杂多壁碳纳米管和二甲基乙酰胺的nafion作打印墨水；
49.将质量分数20％的nafion溶液与高沸点溶剂混合后加热磁力搅拌至nafion溶液的浓度为25％～30％，之后与多壁碳纳米管混合进行超声分散，然后通过行星搅拌器搅拌均匀成粘状的离子驱动打印墨水。
50.nafion溶液与高沸点溶剂的质量比为1：(0.25～1)，nafion溶液与多壁碳纳米管的质量比为1：(0.002～0.01)，超声分散1～2h，行星搅拌器转速为600～2000rpm。
51.高沸点溶剂为二甲基乙酰胺或二甲基甲酰胺，多壁碳纳米管长度>0.5μm，管径长度>10nm。
52.s4、利用可实现三维运动的平台通过直写打印方式将打印墨水打印在曲面智能结构的共形基体上；
53.打印工艺如下：
54.s401、将电热膜通电加热曲面智能结构，加热共形基体结构；
55.共形基体结构加热温度为60～80
°
，调节喷头离步骤s401中加热后的共形基体结构的法向距离为0.1～0.2mm。
56.s402、将离子驱动打印墨水装入离子驱动墨水储料管中，将离子驱动储料管固定在夹具上，调节打印参数，使得出丝均匀；
57.离子驱动墨水的挤出气压为0.3～0.5mpa，扫描速度为3～10mm/s。
58.s403、编辑六自由度机械臂运动程序，使得挤出丝附着在曲面智能结构上，运行程序，打印离子驱动层，打印过程如图3所示。
59.s5、将打印物放入真空干燥箱加热固化处理的温度为60～80
°
，成型后升温至130
°
加热2～4h，随炉冷却，通过化学镀方法将电极镀到智能结构上，得到曲面ipmc智能结构，施加0～3v直流或交流电压(交流电压频率为0～1hz)，对曲面智能结构进行功能验证。
60.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实
施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
61.实施例1
62.1)根据功能需求进行曲面智能结构设计：
63.功能需求为可变形圆环，设计曲面智能结构为圆台壳体，顶部半径为5cm，底部半径为10cm，高度为20cm，曲面智能结构厚度为0.015mm，通过热等效模型进行仿真，满足设计要求。
64.2)共形基体设计：
65.曲面共形基体同为圆台壳体，顶部半径为5cm，底部半径为15cm，高度为30cm，共形基体结构厚度为0.01mm，使用硅橡胶进行加热，温度调节范围为60
°
。
66.3)打印墨水配置：
67.取50g质量分数20％的nafion溶液与50g二甲基乙酰胺混合进行加热磁力搅拌至40g，nafion溶液的浓度为25％，然后取0.1g多壁碳纳米管进行超声分散1h，然后通过行星搅拌器以600rpm转速搅拌均匀成粘状的离子驱动打印墨水。
68.4)打印过程：
69.s401、将电热膜通电加热曲面智能结构上，加热共形基体结构至温度为60
°
，调节喷头离曲面智能结构的法向距离为0.10mm。
70.s402、将离子驱动打印墨水装入离子驱动墨水储料管中，将离子驱动储料管固定在夹具上，挤出气压为0.30mpa，扫描速度为3mm/s。
71.s403、编辑六自由度机械臂运动程序，使得挤出丝附着在曲面智能结构上，运行程序，打印离子驱动层。
72.5)将打印物放入真空干燥箱加热固化处理的温度为60
°
，成型后升温至130
°
加热4h，随炉冷却，通过化学镀方法将电极镀到智能结构上，得到曲面ipmc。
73.当施加3v的直流电压时，此曲面智能ipmc结构可实现圆环向内侧弯曲，弯曲距离可达0.2mm。
74.实施例2
75.1)根据功能需求进行曲面智能结构设计：
76.功能需求为可实现部门结构位移变形，计设计曲面智能结构为圆台壳体，顶部半径为1cm，底部半径为2cm，高度为1cm，沿着圆台壳体的母线延伸4cm，曲面智能结构厚度为0.500mm，通过热等效模型进行仿真，满足设计要求。
77.2)共形基体设计：
78.曲面共形基体同为圆台壳体，顶部半径为1m，底部半径为4cm，高度为6cm，共形基体结构厚度为0.15mm，使用石墨烯进行接触加热，温度调节范围为70
°
。
79.3)打印墨水配置：
80.取60g质量分数20％的nafion溶液与60g二甲基乙酰胺混合进行加热磁力搅拌至45g，nafion溶液的浓度为26％，然后取0.08g多壁碳纳米管进行超声分散1.5h，然后通过行星搅拌器以800rpm转速搅拌均匀成粘状的离子驱动打印墨水。
81.4)打印过程：
82.s401、将电热膜通电加热曲面智能结构上，加热共形基体结构至温度为70
°
，调节喷头离曲面智能结构的法向距离为0.15mm。
83.s402、将离子驱动打印墨水装入离子驱动墨水储料管中，将离子驱动储料管固定在夹具上，挤出气压为0.40mpa，扫描速度为6mm/s。
84.s403、编辑六自由度机械臂运动程序，使得挤出丝附着在曲面智能结构上，运行程序，打印离子驱动层。
85.5)将打印物放入真空干燥箱加热固化处理的温度为70
°
，成型后升温至130
°
加热3h，随炉冷却，通过化学镀方法将电极镀到智能结构上，得到曲面ipmc。
86.当施加3v，1hz的交流电压时，此曲面智能ipmc结构，圆环部分向内侧往复弯曲，其延伸部分往复摆动，幅值为
‑
0.6mm。
87.实施例3
88.1)曲面智能结构设计：
89.功能需求为可实现结构整体伸缩变形，设计曲面智能结构为圆台壳体，顶部半径为3cm，底部半径为3.25cm，高度为10cm，沿着圆台侧面均匀展开八个伸展面，母线延伸4cm长度，角度为15
°
的伸展面，伸展面沿着曲面智能结构厚度为2.500mm，通过热等效模型进行仿真，满足设计要求。
90.2)共形基体设计：
91.曲面共形基体同为圆台壳体，顶部半径为2.5cm，底部半径为4cm，高度为6cm，共形基体结构厚度为0.20mm，使用聚酰亚胺进行接触加热，温度调节范围为80
°
。
92.3)打印墨水配置：
93.取55g质量分数20％的nafion溶液与55g二甲基乙酰胺混合进行加热磁力搅拌至37g，nafion溶液的浓度为27％，然后取0.10g多壁碳纳米管进行超声分散2h，然后通过行星搅拌器以2000rpm转速搅拌均匀成粘状的离子驱动打印墨水。
94.4)打印过程：
95.s401、将电热膜通电加热曲面智能结构上，加热共形基体结构至温度为80
°
，调节喷头离曲面智能结构的法向距离为0.20mm。
96.s402、将离子驱动打印墨水装入离子驱动墨水储料管中，将离子驱动储料管固定在夹具上，挤出气压为0.50mpa，扫描速度为10mm/s。
97.s403、编辑六自由度机械臂运动程序，使得挤出丝附着在曲面智能结构上，运行程序，打印离子驱动层。
98.5)将打印物放入真空干燥箱加热固化处理的温度为80
°
，成型后升温至130
°
加热2h，随炉冷却，通过化学镀方法将电极镀到智能结构上，得到曲面ipmc。
99.实施例4
100.1)曲面智能结构设计：
101.功能需求为可实现结构整体伸缩变形，设计曲面智能结构为圆台壳体，顶部半径为4cm，底部半径为8cm，高度为15cm，沿着圆台侧面均匀展开八个伸展面，母线延伸4cm长度，角度为15
°
的伸展面，伸展面沿着曲面智能结构厚度为1.500mm，通过热等效模型进行仿真，满足设计要求。
102.2)共形基体设计：
103.曲面共形基体同为圆台壳体，顶部半径为2.5cm，底部半径为4cm，高度为6cm，共形基体结构厚度为0.20mm，使用聚酰亚胺进行接触加热，温度调节范围为80
°
。
104.3)打印墨水配置：
105.取55g质量分数20％的nafion溶液与55g二甲基乙酰胺混合进行加热磁力搅拌至37g，nafion溶液的浓度为28％，然后取0.10g多壁碳纳米管进行超声分散2h，然后通过行星搅拌器以1800rpm转速搅拌均匀成粘状的离子驱动打印墨水。
106.4)打印过程：
107.s401、将电热膜通电加热曲面智能结构上，加热共形基体结构至温度为80
°
，调节喷头离曲面智能结构的法向距离为0.20mm。
108.s402、将离子驱动打印墨水装入离子驱动墨水储料管中，将离子驱动储料管固定在夹具上，挤出气压为0.40mpa，扫描速度为8mm/s。
109.s403、编辑六自由度机械臂运动程序，使得挤出丝附着在曲面智能结构上，运行程序，打印离子驱动层。
110.5)将打印物放入真空干燥箱加热固化处理的温度为70
°
，成型后升温至130
°
加热3h，随炉冷却，通过化学镀方法将电极镀到智能结构上，得到曲面ipmc。
111.实施例5
112.1)曲面智能结构设计：
113.功能需求为可实现结构整体伸缩变形，设计曲面智能结构为圆台壳体，顶部半径为4cm，底部半径为8cm，高度为15cm，沿着圆台侧面均匀展开八个伸展面，母线延伸4cm长度，角度为15
°
的伸展面，伸展面沿着曲面智能结构厚度为1.500mm，通过热等效模型进行仿真，满足设计要求。
114.2)共形基体设计：
115.曲面共形基体同为圆台壳体，顶部半径为2.5cm，底部半径为4cm，高度为6cm，共形基体结构厚度为0.20mm，使用聚酰亚胺进行接触加热，温度调节范围为80
°
。
116.3)打印墨水配置：
117.取55g质量分数20％的nafion溶液与55g二甲基乙酰胺混合进行加热磁力搅拌至37g，nafion溶液的浓度为30％，然后取0.10g多壁碳纳米管进行超声分散2h，然后通过行星搅拌器以1800rpm转速搅拌均匀成粘状的离子驱动打印墨水。
118.4)打印过程：
119.s401、将电热膜通电加热曲面智能结构上，加热共形基体结构至温度为80
°
，调节喷头离曲面智能结构的法向距离为0.20mm。
120.s402、将离子驱动打印墨水装入离子驱动墨水储料管中，将离子驱动储料管固定在夹具上，挤出气压为0.40mpa，扫描速度为8mm/s。
121.s403、编辑六自由度机械臂运动程序，使得挤出丝附着在曲面智能结构上，运行程序，打印离子驱动层。
122.5)将打印物放入真空干燥箱加热固化处理的温度为70
°
，成型后升温至130
°
加热3h，随炉冷却，通过化学镀方法将电极镀到智能结构上，得到曲面ipmc。
123.当施加3v，0.1hz的交流电压时，此曲面智能ipmc结构，圆环部分无运动，其八个延
伸部分往复摆动，高度方向的运动幅值为
‑
1.1mm。
124.综上所述，本发明一种面向曲面ipmc的4d打印方法，对离子驱动墨水进行改性，并打印离子驱动墨水工艺与运动系统结合起来，将打印墨水打印在曲面结构上，解决了打印nafion溶液成型能力弱难以制造复杂柔性机构的难题，实现了曲面制备ipmc的打印，从而在柔性驱动，仿生机器人等领域有着重要的应用潜力。
125.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。