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仿生变形变色双响应4D打印技术研究

王振国  
【摘要】:4D打印是指3D打印的物体,在特定的激励条件下,可以产生预定的形状、性能或功能的变化。这种4D变化是按照预先设计的方式进行的,是通过材料结构、工艺参数及激励条件的设计进行编程的。4D打印将控制变化的因素通过3D打印嵌入具有激励-响应特性的智能材料中,在特定因素的刺激下(温度、湿度、光、电、磁和振动等),随时间推移能够自发的改变其物理属性、功能和形状从而实现特定的功能。4D打印目前需要突破的难点和核心在于创造可编程的变化并将其“打印”在零件中,即通过材料和结构的编程将预设指令“埋”在材料中,使材料产生预定的响应行为。为适应生存,一些生物材料进化出了根据环境而变化的特性,这为4D打印设计提供了思路。如松塔和豆荚等可以根据湿度的变化产生变形排出种子。一些植物的器官如松塔、豆荚等,通过组织微观结构来实现可控的形状变化。除植物外,一些动物如章鱼、变色龙等,通过改变自身皮肤中的色素细胞结构和排列来实现可控的颜色变化。受启发于生物的变形与变色特性和材料结构的关系,可以建立4D打印的仿生设计方法。虽经过近年来的大量研究,4D打印目前仍然局限于形状、结构等几何特征的变化,其潜力没有被充分认识、挖掘和利用。因此,研究形状和颜色双重变化的仿生4D打印,可以拓展4D打印的内涵,有助于加深对4D打印的理解,并启发人们探索、挖掘4D打印的内在潜力,开发多领域的应用。本文受头足类动物变形和变色功能的启发,研究了实现形状和颜色双重变化的4D打印方法,将其定义为仿生双响应4D打印。首先,创建出能够实现仿生双响应4D打印的3D打印全套硬件系统,从而实现了控制打印参数来编程变形变色4D打印的关键技术。然后开发了在温度改变时可以同时产生颜色和形状改变的聚合物打印材料。通过设计、打印具有不同工艺参数的4D样件,验证了仿生设计、双响应4D打印工艺及自制备复合打印材料的适用性及可编程性。最后通过仿生设计的理念和4D打印技术,开展了变形变色4D打印的研究。研究了工艺参数对形状记忆聚合物的恢复率、恢复速度及恢复力的影响,探索了工艺参数对4D变形控制的原理。研究了工艺参数对于颜色变化的影响,揭示了打印参数对变色速度及变色程度的影响规律。最后通过工艺参数同时控制两种响应变化,并对两种4D变化的速度匹配性进行了研究和验证,实现了多阶段变形功能、多阶段变色功能及变形与变色双响应4D变化功能。本文的具体研究成果如下:1)研发了双响应4D打印所需的3D打印系统和双响应智能材料。其中打印系统基于熔融沉积工艺进行设计,集成了工艺参数建模、数据转换、环境温控系统及多材料熔融沉积打印等双响应4D打印所需要的必要功能,建立了全流程的3D打印软硬件环境。4D打印材料是以形状记忆聚合物聚乳酸为基质,通过复合温致变色材料制备成变形、变色双响应的复合智能材料。2)研究了打印工艺参数(打印温度、打印高度、填充角度、填充率及几何厚度等)对4D打印样件形状变化的影响。首先建立了形状记忆聚合物的恢复率及恢复时间的测量方法并开发了形状记忆恢复力的测试系统。然后,对不同参数的4D样件的形状记忆恢复率、恢复速度及恢复力进行定量测试分析,解析出工艺参数对4D打印形状记忆聚合物形状变化的影响规律。最后,根据变化规律,设计打印了多种具有多阶段4D形变的致动器,验证了运用工艺参数进行4D打印变形控制的可行性。3)结合3D打印和具有感温变色功能的材料,提出4D变色打印策略,即在外界刺激条件下随着时间变化能够自发的改变颜色(第四维)。通过调整加入到聚乳酸中的温致变色材料的种类可以实现多种不同的可逆颜色变化。此外,还提出了运用4D打印的工艺参数对颜色变化速度进行控制的策略。通过对具有不同打印工艺样件的颜色变化速度的测试分析,建立了工艺参数与变色速度间的定量关系,并利用传热原理对其影响机理进行了分析。最后,基于一些动植物的变色行为,4D打印了具有多种颜色变化和不同变色速度的仿生花朵和仿生章鱼致动器。4)基于打印参数对变形和变色性能的影响规律,研究了热激励下,变形和变色两种响应行为的匹配特性。研究结果显示,通过改变工艺参数不仅能够控制形状和颜色两种响应变化的先后顺序,还可以实现两种响应变化同时发生,并最终设计打印出具有协同变形和变色特性的仿生章鱼致动器,实现了章鱼变形变色伪装功能的双响应4D打印。


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