一种基于4D打印的双向变形柔性智能驱动器制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于4D打印的双向变形柔性智能驱动器制备方法，其包括以下步骤：一、制备非金属导电复合材料；二、采用柔性基板材料作为驱动器柔性层；三、采用形状记忆聚合物作为打印材料，并利用3D打印机按照设定的驱动器形状和工艺参数，打印在柔性基板材料上，形成主动变形层；四、将制备好的非金属导电复合材料均匀涂覆在柔性基板材料的另一侧，作为导电层，完成驱动器的制作；五、加热使得驱动器自发变形成永久形状；六、改变驱动器的外加电压，使得驱动器在临时形状和永久形状之间快速反复切换，形成可逆双向循环变形，该方法不仅制造工艺简单，制造成本低，而且能够通过改变主动层的打印工艺参数或激活电压实现不同程度的记忆变化，且具有较高的回复率及响应速度。且具有较高的回复率及响应速度。且具有较高的回复率及响应速度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于4D打印的双向变形柔性智能驱动器制备方法


[0001]本专利技术涉及4D打印领域，具体涉及一种基于4D打印的双向变形柔性智能驱动器制备方法。

技术介绍

[0002]4D打印技术，是在3D打印的基础上，通过温度、电场、磁场等外界刺激使物体形状和功能发生变化的一种技术，它是3D打印在时间、空间等维度上的一种延伸。 4D打印最常用的材料是形状记忆材料，同过预先编程设计并打印好该材料的形状或结构，然后在一定刺激下使材料达到转变温度时，物体就能从临时形状转化为永久形状。然而，这种方式打印出来的物体大都只具有单向记忆变形，为了使4D 打印更符合实际应用的情况，研究可逆的形状记忆变形模式是未来发展的趋势。
[0003]而柔性驱动器是一种能够产生大变形的软性变形器，能够在外界刺激下发生特定变形，具有柔软灵活、体积小、质量轻、变形快等诸多优点。柔性驱动器由具有低弹性模量的材料或者含有流体的材料构成。制作柔性驱动器通常需要昂贵的柔性电子设备，如点胶机、电流体打印机等来实现，不仅工艺复杂、而且很难实现不同变形模式，不利于柔性驱动器的广泛应用。

技术实现思路

[0004]针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种基于4D打印的双向变形柔性智能驱动器制备方法。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了如下技术方案：一种基于4D打印的双向变形柔性智能驱动器制备方法，其包括以下步骤：一、制备非金属导电复合材料；二、采用柔性基板材料作为驱动器柔性层，并将其固定在3D打印机的底板上；三、采用形状记忆聚合物作为打印材料，并利用3D打印机按照设定的驱动器形状和工艺参数，打印在柔性基板材料上，并由形状记忆聚合物记忆临时形状，形成主动变形层；四、将制备好的非金属导电复合材料均匀涂覆在柔性基板材料的另一侧表面上，并干燥固化，形成导电层，完成驱动器的制作；五、将制备完成的驱动器放置到恒温环境中进行加热，然后冷却至室温，使得驱动器自发变形成永久形状；六、改变驱动器的外加电压，使得驱动器在临时形状和永久形状之间反复切换，形成可逆双向循环变形。
[0006]所述非金属导电复合材料为PEDOT:PSS溶液、碳纳米管（CNT）溶液、氧化石墨烯（GO）溶液或MXene溶液中的任意一种或几种混合物。
[0007]所述柔性基板材料为纸基材料、PI膜或PET膜中的任意一种。
[0008]所述形状记忆聚合物为PLA、ABS、PETG中的任意一种。
[0009]步骤二中，在将柔性基板材料固定在3D打印机的底版之前，柔性基板材料表面需进行磨砂处理。
[0010]步骤三中的打印工艺参数为：层高0.1~0.4mm，打印速度:30~60mm/s；打印角度0~180
°
；填充率30~90%；打印温度190~230℃；底板温度30~50℃。
[0011]通过调节3D打印机的工艺参数，来改变打印过程中的形状记忆材料的拉伸预应力的大小与方向，以控制驱动器变形的形状和幅度。
[0012]步骤四中，干燥温度需低于形状记忆聚合物的玻璃化温度，干燥时间为1
‑
24 h。
[0013]步骤五中，加热温度需高于形状记忆聚合物的玻璃化温度，加热时间为10
‑
60s。
[0014]步骤六中，所述电压为<30V的直流电压，当施加电压时，驱动器获得焦耳热将恢复到临时形状，当电压关闭冷却后，执行器再次变形成永久形状，从而形成可逆双向循环变形。
[0015]本专利技术的有益效果：基于4D打印工艺，以形状记忆聚合物为打印主体材料，利用形状记忆聚合物的形状记忆特性、柔性基板材料的柔性以及非金属导电材料的导电性，使得该驱动器能够在低电压的变化刺激下，自发的实现可逆的双向记忆变形。该方法不仅制造工艺简单，制造成本低，而且能够通过改变主动层的打印工艺参数或激活电压实现不同程度的记忆变化，且具有较高的回复率及响应速度。
附图说明
[0016]图1为本专利技术的双向变形柔性智能驱动器的结构示意图。
[0017]图2本专利技术的驱动器在打印角度为0度时的变形效果示意图。
[0018]图3本专利技术的驱动器在打印角度为45度时的变形效果示意图。
[0019]图4为本专利技术基于不同打印填充率制备的花瓣驱动器变形效果示意图。
具体实施方式
[0020]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。
[0021]需要说明，本专利技术实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
[0022]如图所示，本专利技术公开了一种基于4D打印的双向变形柔性智能驱动器制备方法，基于该专利技术所涉及的制备方法制备的双向变形柔性智能驱动器，由形状记忆聚合物材料、柔性基板材料和非金属导电复合材料组成，其结构如图1所示，其中，形状记忆聚合物材料利用3D打印机打印在柔性基板材料的单侧表面上作为主动变形层；柔性基板材料作为柔性层，在柔性基板材料的另一侧表面上涂覆非金属导电复合材料形成导电层。通过改变打印工艺参数，在加热或通电时，驱动器自发变形为不同形状的结构。
[0023]其具体公开以下具体步骤：
一、制备非金属导电复合材料，所述非金属导电复合材料为PEDOT:PSS溶液、碳纳米管（CNT）溶液、氧化石墨烯（GO）溶液或MXene溶液等中的任意一种或几种混合物；二、采用柔性基板材料作为驱动器柔性层，将柔性基板材料表面进行磨砂处理后，将其固定在3D打印机的底板上，所述柔性基板材料包括：纸基材料、PI膜、PET膜等，所述3D打印机为熔融沉积型3D打印机。
[0024]三、采用形状记忆聚合物作为打印材料，所述形状记忆聚合物包括：PLA、ABS、PETG等，并利用3D打印机按照设定的驱动器形状和工艺参数，打印在柔性基板材料上，并由形状记忆聚合物记忆临时形状，形成主动变形层，打印工艺参数为：层高0.1~0.4mm，打印速度:30~60mm/s；打印角度0~180
°
；填充率30~90%；打印温度190~230℃；底板温度30~50℃，等。通过调节3D打印机的工艺参数，来改变打印过程中的形状记忆材料的预应力的大小与方向，以控制驱动器变形的形状和幅度。；四、将打印好的形状记忆聚合物和柔性基板材料复合体从3D打印机上取下，并将制备好的非金属导电复合材料均匀涂覆在柔性基板材料的另一侧表面上，然后放置到低于形状记忆聚合物的玻璃化温度的恒温环境中干燥固化，形成导电层，完成驱动器的制作；五、将制备完成的驱动器放置到高于形状记忆聚合物的玻璃化温度以上的恒温环境中加热时10
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于4D打印的双向变形柔性智能驱动器制备方法，其特征在于：其包括以下步骤：一、制备非金属导电复合材料；二、采用柔性基板材料作为驱动器柔性层，并将其固定在3D打印机的底板上；三、采用形状记忆聚合物作为打印材料，并利用3D打印机按照设定的驱动器形状和工艺参数，打印在柔性基板材料上，并由形状记忆聚合物记忆临时形状，形成主动变形层；四、将制备好的非金属导电复合材料均匀涂覆在柔性基板材料的另一侧表面上，并干燥固化，形成导电层，完成驱动器的制作；五、将制备完成的驱动器放置到恒温环境中进行加热，然后冷却至室温，使得驱动器自发变形成永久形状；六、改变驱动器的外加电压，使得驱动器在临时形状和永久形状之间反复切换，形成可逆双向循环变形。2.根据权利要求1所述的一种基于4D打印的双向变形柔性智能驱动器制备方法，其特征在于：所述非金属导电复合材料为PEDOT:PSS溶液、碳纳米管（CNT）溶液、氧化石墨烯（GO）溶液或MXene溶液中的任意一种或几种混合物。3.根据权利要求1所述的一种基于4D打印的双向变形柔性智能驱动器制备方法，其特征在于：所述柔性基板材料为纸基材料、PI膜或PET膜中的任意一种。4.根据权利要求1所述的一种基于4D打印的双向变形柔性智能驱动器制备方法，其特征在于：所述形状记忆聚合物为PLA、ABS、PETG中的任意一种。5.根据权利要求1所述的一种基于4D打印的双向变形柔性智能驱动器制备方法，其特征在于：...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴萌杰，吴婷，张礼兵，
申请(专利权)人：嘉兴学院，
类型：发明
国别省市：