智能材料应用和4D打印技术发展情况介绍(三) - 印梦园

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智能材料应用和4D打印技术发展情况介绍(三)

阅读 241 发布时间:2016-12-23 15:21

3、4D打印技术国内初步研究进展

 西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室对4D打印技术进行了初步研究。

 课题组研究利用熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling,FDM)3D打印技术制造IPMC智能材料。常规熔融沉积成型工艺的材料一般是热塑性材料,如蜡、ABS、PC、尼龙等,以丝状供料。材料在喷头内被加热熔化,喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动,同时将熔化的材料挤出,材料迅速固化,并与周围的材料粘结,逐点累加固化形成三维实体结构。课题组将Nafion颗粒状材料利用热挤塑技术制备出Nafion丝材,通过调整喷头温度将Nafion丝材融化挤出,根据所需的三维实体结构逐点累加固化成型。之后将制备出的Nafion三维实体结构通过浸泡还原镀、化学镀和电度的方法在Nafion材料表面制备金属电极。目前,课题组还在研究利用导电聚合物以及水凝胶与导电颗粒混合体作为IPMC电极材料,这两种材料不仅在模量强度上与Nafion材料接近,能够有效提高IPMC的使用寿命,而且通过调整这两种材料的流动性可以进行挤出成型,这样IPMC的电极材料同样可以通过3D打印技术制备。通过熔融沉积成型3D打印技术分别逐层固化导电聚合物/导电水凝胶电极材料、Nafion基体材料、导电聚合物/导电水凝胶电极材料,可以实现任意复杂形状IPMC结构的直接3D打印制造。利用3D打印技术制备的IPMC,在IPMC两侧电极加载电压时,IPMC会发生弯曲变形,且达到了较好的工作稳定性和较长的工作寿命,3D打印技术制造的IPMC智能材料结构在加载电压下可以随着时间实现形状结构的变化,即IPMC材料的4D打印技术。采用4D打印技术制备出的IPMC尽管在性能上与传统方法制备出的IPMC有差距,但是该种方法可以制备出任意复杂形状的IPMC三维结构,克服了传统制备方法只能制备片状IPMC的困难。

 课题组对DE材料的3D打印技术也进行了研究。DE基体材料采用可热固化的硅胶,液体硅胶从喷头喷射到工作平台上之后通过调节工作平台的温度加快液体硅胶的固化速度,电极材料采用可热固化的硅胶材料与导电颗粒混合物,逐点累加固化电极材料-基体材料-电极材料实现DE

材料的3D打印制造。利用3D打印技术制造的DE材料在两侧电极加载电压后,随着时间可发生厚度方向的收缩和平面面积的扩张变形,实现DE材料的4D打印技术。DE材料的4D打印技术为今后制造任意复杂形状DE智能材料结构与柔性机器人的发展起到重要推进作用。

 课题组进一步研究了形状记忆聚合物(SMP)的3D打印技术。利用熔融沉积成型(FDM)3D打印技术,SMP材料在喷头内被加热熔化,喷头将熔

化的材料挤出,材料冷却逐点累加固化形成任意形状SMP三维实体结构。采用3D打印技术制造的SMP智能材料结构,具有形状记忆功能,通过调节环境温度,SMP智能结构可随着时间发生形状结构的变化,实现SMP材料的4D打印技术。

 课题组将自主研发的IPMC、DE和SMP材料的4D打印技术应用于微创手术器械多自由度操作臂的制造研究中。多自由度操作臂是微创技术未来发展的研究难点,目前大多数操作臂研究围绕机械传动与驱动的传递方式展开,主要特点是直臂加关节来实现分段弯曲和操作功能。基于智能材料结构的柔性操作臂可以设计成分段电极控制变形,实现机械关节的功能。电极施加电压,作用在智能材料上,可实现操作臂的多自由度弯曲和转向。这一方法将传统的机械关节改为通过电场对智能材料性能的控制,有可能成为一种刚柔相济的操作臂柔性控制方法。

 课题组目前正在研究利用IPMC和SMP的4D打印技术直接制造成型柔性手术操作臂。采用4D打印技术将柱状IPMC与SMP管结合形成柔性操作臂(图13),通过控制4D打印技术制造的IPMC弯曲驱动操作臂的多自由度弯曲,4D打印技术制造的SMP实现操作臂的刚度可控。利用IPMC的4D打印技术,逐点累加固化制造柱状IPMC(图14),柱状IPMC拥有四个电极,通过控制不同电极加载电压方式,可实现柱状IPMC沿八个方向的多自由度弯曲。利用SMP的4D打印技术逐层固化制造SMP管,SMP管设计有四个方形孔洞可以用来与4D打印制造的IPMC柱状驱动器组合,构成如图14所示的柔性机械臂结构。柔性操作臂的刚度控制应用的是SMP管的刚度可控功能,4D打印制造的SMP管在玻璃化转变温度以上时刚度很小,通过控制多个柱状IPMC的弯曲实现柔性机械臂的弯曲,弯曲变形达到指定工作位置时,将SMP管的温度降到玻璃化转变温度以下,这时SMP管刚度大幅度增大,将柔性机械臂固定在指定位置,支持通过操作臂内部的医疗工具的手术操作。课题组目前还在研究利用DE材料和SMP的4D打印技术结合,逐层固化实现柔性机械臂结构。

 采用新智能材料制造微创手术操作臂是减少传统机械结构体积,实现智能材料与复杂机构结合的应用点,是制造技术发展的新挑战。传统的机械制造多是机械结构件的加工和装配,新的智能驱动材料与可变刚性材料将改变过去的刚体结构件设计方式,以软体功能材料为主体,设计制造具有多自由度和刚度可控的柔性结构体。利用智能材料的4D打印技术制造智能材料结构,突破过去微创手术器械的单一材料和刚性结构,满足表面柔性、机构刚性、物理特性和抗菌特征的新一代微创手术器械需求。课题组将IPMC、DE和SMP智能材料4D打印制造技术应用于柔性操作臂的研究,将改变过去“机械传动+电机驱动”的模式,走向智能材料的原位驱动模式,不再受机械结构体运动的自由度约束,可以实现连续自由度和刚度可控功能,同时自身重量也会大幅度降低。智能材料结构的4D打印技术将会对柔性机械的研究和发展起到重要的推进作用。

4、4D打印技术的发展趋势

159彩票  4D打印技术及其在智能材料结构中的应用研究尚处于起步阶段。但是,其研究和发展应用将对传统机械结构设计与制造带来深远的影响。这一发展趋势体现在以下方面。

 (1)4D打印智能材料,将改变过去“机械传动+电机驱动”的模式。目前的机械结构系统主要是机械传动与驱动的传递方式,未来走向功能材料的原位驱动模式,不再受机械结构体运动的自由度约束,可以实现连续自由度和刚度可控功能,同时自身重量也会大幅度降低。

 (2)4D打印技术制造驱动与传感一体化的智能材料结构,实现智能材料的驱动与传感性能融合。EAP材料具有良好的驱动性能和传感性能,即在电场作用下可以发生形变,而且随着其变形可以输出电压电流信号。课题组将EAP材料的驱动性能与传感性能结合,利用4D打印技术制造驱动与传感一体化的微创手术柔性操作臂,操作臂既可以通过电场驱动智能材料变形实现操作臂弯曲,同时又可以在弯曲变形过程中通过智能材料的传感信号控制操作臂精确适当变形而不伤害到人体组织,解决了传统微创手术器械由于缺乏传感功能而在变形过程中对人体造成损伤的问题。

 (3)研究发展多种适用于4D打印技术的智能材料,对不同外界环境激励产生响应,响应变形的形式更多样化。目前4D打印智能材料的激励方式和变形形式比较局限,Skylar Tibbits等目前正在研究开发可以对振动和声波产生响应的智能材料4D打印技术,随着4D打印智能材料的多样化,4D打印技术的应用将更加广泛。


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