一种利用多波长紫外投影的可编程4D打印方法技术

本发明专利技术公开了一种利用多波长紫外投影的可编程4D打印方法，包括以下步骤：1.根据被打印产品的功能设计，选用固化性能对紫外波段内不同波长具有选择性的光敏材料；2.根据所选光敏材料的特性，选择含有所需波长的光源及分别透过这些波长的滤光片；3.根据被打印产品的功能需求确定不同位置点所采用的固化波长，完成对整个产品不同位置性能的“编程”，并将程序写入光固化系统的DLP投影模块；4.根据所编程序逐层固化被打印材料，从而打印出所设计的不同部位的性能存在差异的4D产品；本发明专利技术对每层材料上不同位置点利用不同波长紫外光进行光固化，本发明专利技术减少了更换喷头、更换料池、清洗样品表面等工序，因此流程更简单，打印效率更高。

A programmable 4D printing method using multi wavelength UV projection

The invention discloses a programmable 4D printing method using multi wavelength UV projection, which includes the following steps: 1. According to the functional design of the printed product, select photosensitive materials with curing performance that has selectivity for different wavelengths in the UV band; 2. According to the characteristics of the selected photosensitive materials, select light sources with required wavelengths and filters that pass through these wavelengths respectively; 3. According to the function design of the printed product, select the photosensitive materials with curing performance that have selectivity for different wavelengths in the UV band; 3 According to the functional requirements of the printing product, the curing wavelength adopted for different position points is determined, the \programming\ for different position performance of the whole product is completed, and the program is written into the DLP projection module of the light curing system; 4. The printed material is solidified layer by layer according to the compiled program, so as to print out 4D products with different performance of different parts designed; the invention has different positions on each layer of material The UV light of different wavelengths is used for light curing. The invention reduces the procedures of replacing the nozzle, replacing the material pool, cleaning the sample surface, etc., so the process is simpler and the printing efficiency is higher.

【技术实现步骤摘要】
一种利用多波长紫外投影的可编程4D打印方法
本专利技术涉及智能材料的4D打印领域，具体涉及一种利用多波长紫外投影的可编程4D打印方法。
技术介绍
光固化快速成型技术是发展最早、现阶段最为成熟、应用最广泛的一种3D打印技术。该技术以光敏树脂液体为原材料，树脂的光敏特性使得材料在受到特殊波段的光(多为紫外波段)照射后，会发生聚合反应出现固化。光固化技术一般通过振镜扫描技术或掩模版技术控制光照区域，使树脂在可控的光照区域内聚合固化，通过逐层固化叠加后生成三维实体模型。由于材料特性等方面的影响，光固化技术大多由紫外激光器配合振镜扫描系统组成，聚焦后光斑直径非常小，且树脂材料处于液态，分子排布相对紧密，因此这样的光固化系统做出的三维模型普遍具有较高精度。DLP技术于1993年由美国TI公司专利技术。该技术最初应用在投影显示方面，相比CRT、LCD技术的投影机，具有图像更加清晰、色彩更加丰富、图像亮度及对比度更高等优势。DLP投影系统中，DMD芯片是核心元件。它是一种可对光进行调制的电子器件，具有独特的光学特性和电学特性。DMD芯片由光电单元阵列组成，每个光电单元由一块方形微镜面和控制镜面偏转角度的电路组成，通过控制电信号的大小实现微镜面不同角度的偏转，从而完成对光的调制。DMD芯片的本质是一组可控的反射镜阵列器件，其单个反射镜尺寸在微米量级。在投影显示应用中，根据图像分辨率的不同，一个或几个光电单元最终会对应图像中的一个像素点进行成像。将DLP投影系统应用于3D打印技术时可获得较高的工作效率和打印精度，而DMD芯片的可调制性也使得对被打印样品不同位置性能进行编程成为可能。4D打印技术是在3D打印技术的基础上引入一个时间维度而形成的新技术，由4D打印技术制造的智能材料结构可以在特定激励下产生自变形或者自驱动，4D打印制造的三维实体结构不再是静止的、无生命的，而是智能的、可以随外界环境发生相应变化的，这使得它可以用来替代复杂的机电结构。目前国际上普遍采用的4D打印技术主要是在3D打印技术的基础上采用双喷头或者双材料交替固化的方法，例如Landgraf等在2013年提出用Aerosoljetprinting(喷雾打印)3D打印技术制造DE材料,由于选用的硅胶是双组份混合固化，为了防止双组份硅胶在喷头内固化堵塞喷头，该课题组设计了双喷头打印装置，通过两个喷头分别将硅胶两个组份以喷雾形式打印，两个组分在接触之后固化，这样逐点累加固化实现三维结构DE材料的3D打印制造，但是双喷头技术存在一些缺点，首先是打印速度慢，喷头容易堵塞、维护复杂、故障率高导致成本高，其次是需要用到至少两个喷头导致定位精度差；再比如A.Creegrn和I.Anderson在2014年提出采用双材料紫外光固化3D打印技术对DE基体材料和DE电极材料进行交替打印，紫外光固化3D打印技术是通过紫外光束在液体树脂材料表面移动逐点累加固化实现三维实体打印，该课题组提出通过交替固化两种液体树脂材料A和B实现AB双材料紫外光3D打印技术，该方法每打印一层都需要更换材料池，而且每次更换时需要清洗样品表面，去除表面残留的上一种材料，工艺繁琐，打印速度缓慢。综上所述，目前的4D打印技术主要基于光固化3D打印采用双喷头技术或者双材料交替固化技术，它们都普遍存在打印速度慢，工艺繁琐，维护复杂以及成本较高等问题，严重制约的4D打印技术的发展。
技术实现思路
鉴于目前4D打印技术中存在的工艺繁琐、低速和维护复杂等缺点，本专利技术提出了一种利用多波长紫外投影的可编程4D打印方法，用不同波长紫外线打印同一种材料来实现4D打印，提高打印速度，实现样品不同部位性能可编程；实现了一种多波长紫外投影系统完成材料的4D打印。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种利用多波长紫外投影的可编程4D打印方法，包括以下步骤：一、选择打印材料：根据被打印产品的功能设计，选择固化性能对紫外波段内不同波长具有选择性的光敏材料，该光敏材料在被不同波长紫外线固化后会产生性能上的差异；二、多波长的选择：根据样品的功能需求并考虑步骤一所选打印材料的特性，选择含有所需波长的光源及分别透过这些波长的滤光片；三、被打印产品设计与编程：在上述步骤的基础上，先根据被打印产品的功能需求在计算机中完成被打印产品零件三维模型的设计建模，确定被打印产品在不同位置所应具备的性能；然后进行切片处理运算，将三维模型分割为一系列二维平面图像；之后根据被打印产品在不同位置所应具备的性能以及光敏材料固化后性能与固化波长的对应关系，依次确定每层投影图形的每一位置点所采用的固化波长；最终，整个被打印产品上不同位置点的固化波长都被确定下来，从而实现对整个被打印产品不同位置性能的“编程”，并将“程序”写入可快速切换紫外波长的光固化系统的DLP投影模块；该编程过程，也即对被打印产品的不同位置点固化波长的选择，是根据被打印产品的性能设计而进行的，当性能设计发生改变，只需调整编程内容，重新对每一位置点所采用的固化波长进行确定，便能利用同样的流程打印出不同的样品，这种工艺流程会使样品打印过程更加方便高效；四、根据编程内容对每层材料进行投影固化：使用可快速切换紫外波长的光固化系统，根据步骤三的编程内容，按加工零件的截面信息依次对每一层材料进行投影固化直至完成整个被打印产品的固化；每一层不同位置点的材料因不同波长的紫外线照射固化而产生性能上的差异，整个被打印产品上的不同位置也就有了不同的性能，其在使用过程中会由于某一时刻环境中相关因素的变化，在不同位置对外界激励产生不同程度的应激响应，宏观上产生伸缩、弯曲、扭转等变形。步骤四所述可快速切换紫外波长的光固化系统包括上位机、DLP投影模块、运动控制模块和打印模块；所述上位机1进行被打印产品的三维模型的设计建模，并将三维模型进行切片处理，将所得到的切片信息传输给运动控制模块和DLP投影模块；所述DLP投影模块包括UV光源5、紫外波长选择器6、DMD芯片4、DLP数字控制器3、微动控制单元2以及成像光学器件7；UV光源5发射的紫外光透过紫外波长选择器6，照射到DMD芯片4上，由DMD芯片4反射后通过成像光学器件7投影到打印模块中的料槽8中对材料进行固化打印；其中DMD芯片4是由多个微镜组成的单元阵列，其中每一个微镜都有开和关两种状态；投影模块中DLP数字控制器3负责将上位机1输入的切片信息处理转化为DMD芯片4上每一个微镜的状态编码，微动控制单元2根据DLP数字控制器3生成的编码在运动控制模块13的控制下实现每一个微镜的开或关，最终形成准确的切片投影图形，完成样品的单层打印固化；为了完成整个样品的打印，在完成样品的单层打印固化后，需要使料槽8中未打印材料覆盖到已经固化好的材料表面以继续进行下一单层的可编程打印，这个过程由打印模块实现；所述打印模块包括料槽8，固定在料槽8上的线性导轨10，与线性导轨10连接并控制其运动的步进电机11，用来托放被打印产品的托盘9通过支架固定在高精度线性导轨10上；在打印模块中步进电机11和高精度线性导轨10耦合控制高精度线本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用多波长紫外投影的可编程4D打印方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：/n一、选择打印材料：根据被打印产品的功能设计，选择固化性能对紫外波段内不同波长具有选择性的光敏材料，该光敏材料在被不同波长紫外线固化后会产生性能上的差异；/n二、多波长的选择：根据样品的功能需求并考虑步骤一所选打印材料的特性，选择含有所需波长的光源及分别透过这些波长的滤光片；/n三、被打印产品设计与编程：在上述步骤的基础上，先根据被打印产品的功能需求在计算机中完成被打印产品零件三维模型的设计建模，确定被打印产品在不同位置所应具备的性能；然后进行切片处理运算，将三维模型分割为一系列二维平面图像；之后根据被打印产品在不同位置所应具备的性能以及光敏材料固化后性能与固化波长的对应关系，依次确定每层投影图形的每一位置点所采用的固化波长；最终，整个被打印产品上不同位置点的固化波长都被确定下来，从而实现对整个被打印产品不同位置性能的“编程”，并将“程序”写入可快速切换紫外波长的光固化系统的DLP投影模块；该编程过程，也即对被打印产品的不同位置点固化波长的选择，是根据被打印产品的性能设计而进行的，当性能设计发生改变，只需调整编程内容，重新对每一位置点所采用的固化波长进行确定，便能利用同样的流程打印出不同的样品，这种工艺流程会使样品打印过程更加方便高效；/n四、根据编程内容对每层材料进行投影固化：使用可快速切换紫外波长的光固化系统，根据步骤三的编程内容，按加工零件的截面信息依次对每一层材料进行投影固化直至完成整个被打印产品的固化；每一层不同位置点的材料因不同波长的紫外线照射固化而产生性能上的差异，整个被打印产品上的不同位置也就有了不同的性能，其在使用过程中会由于某一时刻环境中相关因素的变化，在不同位置对外界激励产生不同程度的应激响应，宏观上产生伸缩、弯曲、扭转等变形。/n...

【技术特征摘要】
1.一种利用多波长紫外投影的可编程4D打印方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
一、选择打印材料：根据被打印产品的功能设计，选择固化性能对紫外波段内不同波长具有选择性的光敏材料，该光敏材料在被不同波长紫外线固化后会产生性能上的差异；
二、多波长的选择：根据样品的功能需求并考虑步骤一所选打印材料的特性，选择含有所需波长的光源及分别透过这些波长的滤光片；
三、被打印产品设计与编程：在上述步骤的基础上，先根据被打印产品的功能需求在计算机中完成被打印产品零件三维模型的设计建模，确定被打印产品在不同位置所应具备的性能；然后进行切片处理运算，将三维模型分割为一系列二维平面图像；之后根据被打印产品在不同位置所应具备的性能以及光敏材料固化后性能与固化波长的对应关系，依次确定每层投影图形的每一位置点所采用的固化波长；最终，整个被打印产品上不同位置点的固化波长都被确定下来，从而实现对整个被打印产品不同位置性能的“编程”，并将“程序”写入可快速切换紫外波长的光固化系统的DLP投影模块；该编程过程，也即对被打印产品的不同位置点固化波长的选择，是根据被打印产品的性能设计而进行的，当性能设计发生改变，只需调整编程内容，重新对每一位置点所采用的固化波长进行确定，便能利用同样的流程打印出不同的样品，这种工艺流程会使样品打印过程更加方便高效；
四、根据编程内容对每层材料进行投影固化：使用可快速切换紫外波长的光固化系统，根据步骤三的编程内容，按加工零件的截面信息依次对每一层材料进行投影固化直至完成整个被打印产品的固化；每一层不同位置点的材料因不同波长的紫外线照射固化而产生性能上的差异，整个被打印产品上的不同位置也就有了不同的性能，其在使用过程中会由于某一时刻环境中相关因素的变化，在不同位置对外界激励产生不同程度的应激响应，宏观上产生伸缩、弯曲、扭转等变形。


2.根据权利要求1所述的一种利用多波长紫外投影的可编程4D打印方法，其特征在于：步骤四所述可快速切换紫外波长的光固化系统包括上位机、DLP投影模块、运动控制模块和打印模块；
所述上位机(1)进行被打印产品的三维模型的设计建模，并将三维模型进行切片处理，将所得到的切片信息传输给运动控制模块和DLP投影模块；
所述DLP投影模块包括UV光源(5)、紫外波长选择器(6)、DMD芯片(4)、DLP数字控制器(3)、微动控制单元(2)以及成像光学器件(7)；UV光源(5)发射的紫外光透过紫外波长选择器(6)，照射到DMD芯片(4)上，由DMD芯片(4)反射后通过成像光学器件(7)投影到打印模块中的料槽(8)中对材料进行固化打印；其中DMD芯片(4)是由多个微镜组成的单元阵列，其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘欢，文帅，刘卫国，韩军，白民宇，解飞，方刘根，
申请(专利权)人：西安工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61