一种充磁磁畴写入一体化4D打印装置及方法

本发明涉及4d打印装置和方法领域，尤其涉及一种充磁磁畴写入一体化的4d打印装置及方法。

背景技术：

1、磁控4d打印技术是指利用磁控智能材料的响应特性结合编程化设计，制造出形态和性能随时间可变的三维物体，磁控4d打印的关键在于在软材料中直接编程磁畴，编程磁畴指的是磁化矢量在同一方向排列，从而在某些方向上具有总磁极的区域。磁畴编程的概念意味着通过3d打印的当时创建磁极图案，此种方法基于含有可磁化的未固化弹性体复合材料采用直接书写方式，该可磁化微粒经磁化后可视为小型永磁体。这种方法的关键思想是在打印过程中在挤出口处施加磁场，使磁化后的颗粒沿着施加磁场的方向重新定向，从而打印的线条产生磁极性。这种制造技术可以在具有复杂的硬磁复合软材料中设计铁磁畴。这种材料在固化后，在磁场的作用下迅速转变为复杂的三维形状，并根据外加的磁场的方向和强度表现出多种转换模式。mit[1]提出的磁控4d打印技术分为两段进行，首先将硬磁复合材料在外界磁场下进行磁化，讲磁化后的硬磁复合材料装入打印装置，在挤出口处安装永磁体进行磁畴方向编程。本发明提出的磁控4d打印将充磁跟磁畴写入合二为一，提高打印效率。

2、[1]kim y.printing ferromagnetic domains in soft materials:mechanism,modeling,and applications[d].massachusetts institute oftechnology,2018.

技术实现思路

1、本发明的目的是利用硬磁材料的高剩磁、强矫顽力特性，配置一种磁控4d打印墨水并搭建一台磁控4d打印装置。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

3、一种磁控4d打印技术，其特征在于包括磁控4d打印墨水、挤出模块、充磁模块、延长管、磁畴写入模块、加热固化模块。所述的磁控4d打印墨水装入磁控打印挤出模块内，所述的充磁模块安装在磁控打印挤出模块挤出口处，所述的磁畴写入模块安置于充磁模块下方两者通过延长管连接，即热固化模块置于最下方。

4、磁控4d打印墨水由t05b硅胶、se1700硅胶、kh570改性二氧化硅、se1700催化剂、ndfeb微粒按比例混合组成。t05b硅胶、se1700硅胶、kh570改性二氧化硅制备磁控4d打印墨水的软基底，将ndfeb微粒嵌入到软基底中，ndfeb为磁控4d打印样品提供所需的磁学特性，se1700催化剂可以使磁控4d打印墨水在高温下可更好的固化。

5、磁控4d打印挤出模块由一个推杆式直线步进电机构成，在打印过程中通过直推的方式将材料从料筒中挤出。

6、充磁模块由线径为2mm的漆包线紧密均匀的缠绕在一个充磁线圈骨架上，匝数为30匝，将充磁模块安放在料筒的挤出口处，对线圈施加300a的脉冲电流，线圈可产生磁场强度为6t的磁场，将磁控4d打印墨水中的ndfeb微粒磁化。

7、磁畴写入模块由线径0.5mm的漆包线紧密均匀的缠绕在磁畴写入线圈的骨架上，匝数为1000匝，通过延长管与料筒挤出口相连，磁畴写入线圈通1a恒定电压产生恒定磁场，磁控4d打印墨水流经充磁线圈后ndfeb微粒被磁化，磁化后的ndfeb微粒相当于小磁铁，磁畴写入线圈通电后产生的匀强磁场可以将磁畴编程，使ndfeb微粒的磁极与磁畴写入线圈产生的磁场方向一致。

8、将加热器安装在沉积平台下方，沉积平台由导热不导磁的铝制作而成，当模型成型于沉积平台上后，加热有助于智能结构的固化成型。

9、本发明提出的4d打印操作步骤如下：

10、s1：将制备完成的磁控4d打印墨水填入挤出模块(2)的料筒内，手动调整挤出模块(2)的推杆式直线步进电机(21)，排尽料筒内的空气，随后输入合适的打印参数；

11、s2：建立打印结构三维模型，根据驱动要求将三维模型分为磁化部分和非磁化部分，根据三维模型切片并规划打印路线；

12、s3：执行单线条打印，如果打印磁化部分线条则执行步骤s4；如果打印非磁畴部分线条则执行步骤s5；

13、s4：开始打印磁畴部分线条时，程序启动，向充磁模块(3)施加300a的脉冲电流产生脉冲磁场，向磁畴写入模块(5)连续施加1a的恒定电流产生恒定磁场；挤出模块(2)按照程序设定到达打印起点位置，挤出模块(2)移动过程中推杆式直线步进电机(21)将磁控4d打印墨水从料筒中匀速挤出；当一条线条打印完成后，挤出模块(2)竖直上移，随后移动到下一条线条的打印起点，此过程挤出模块(2)不进行挤出动作，重复这两个过程直至打印结束；

14、s5：打印非磁畴部分线条时，程序启动，充磁模块(3)与磁畴写入模块(5)均不通电；挤出模块(2)按照程序设定到达打印起点位置，立即进行非磁畴部分线条打印，打印过程中推杆式直线步进电机(21)将磁控4d打印墨水从料筒中匀速挤出；当一条线条打印完成后，挤出模块(2)竖直上移，随后移动到下一条线条的打印起点，此过程挤出模块(2)不进行挤出动作，重复这两个过程直至打印结束；

15、s6：重复s3直至完成结构的打印；

16、s7：将打印结构放置加热固化模块(6)上进行固化。

技术特征：

1.一种充磁磁畴写入一体化4d打印装置，其特征在于，包括：磁控4d打印墨水(1)、挤出模块(2)、充磁模块(3)、延长管(4)、磁畴写入模块(5)、加热固化模块(6)；所述的磁控4d打印墨水(1)装入挤出模块内(2)内，所述的充磁模块(3)安装在挤出模块(2)挤出口处，所述的磁畴写入模块(5)安置于充磁模块(3)下方两者通过延长管(4)连接，所述的加热固化模块(6)置于沉积平台下方；

2.根据权利要求1所述的磁控4d打印装置，其特征在于，所述的磁控4d打印墨水(1)由t05b硅胶、se1700硅胶、kh570改性二氧化硅、ndfeb微粒、se1700催化剂组成，t05b硅胶、kh570改性二氧化硅、se1700硅胶提供软基底，将ndfeb微粒嵌入软基底中，制成磁控4d打印墨水(1)。

3.根据权利要求1所述的磁控4d打印装置，其特征在于，挤出模块(2)采用柱塞直推的方式将打印墨水在挤出。

4.根据权利要求1所述的磁控4d打印装置，其特征在于，充磁模块(3)采用线径2mm的漆包线在充磁线圈骨架(31)上紧密均匀绕制20—50匝而成，对充磁线圈(32)施加300a脉冲电流产生强磁场对磁控4d打印墨水(1)中的ndfeb微粒充磁。

5.根据权利要求1所述的磁控4d打印装置，其特征在于，磁畴写入模块(5)通过延长直管与充磁模块(3)连接，由线径0.5mm漆包线在磁畴写入线圈骨架(51)密均匀绕制1000匝而成，打印时给磁畴写入线圈(52)施加1a恒定电流，产生恒定磁场对已充磁的ndfeb微粒进行磁极方向编程。

6.根据权利要求1所述的磁控4d打印装置，其特征在于，加热固化模块(6)由沉积平台(61)与加热器(62)组成，沉积平台(61)置于加热器(62)上方且紧密接触，沉积平台(61)由导热不导磁材料制成。

7.根据权利要求1-6所述的一种充磁磁畴写入的磁控4d打印装置的打印方法，其特征在于：

技术总结本发明公开了一种充磁磁畴写入一体化4D打印装置及方法，该装置和方法包括磁控4D打印墨水的制备以及磁控4D打印设备，磁控4D打印墨水是将硬磁颗粒嵌入到弹性基底中制成的，磁控4D打印设备包括挤出模块、充磁模块、延长管、磁畴写入模块、加热固化模块。磁控4D打印墨水由挤出装置挤出至沉积平台，充磁模块安装在料筒的挤出口处，可硬磁颗粒磁化，延长管与挤出模块挤出口连接，磁畴写入模块安装在延长管挤出口处，当磁化后的墨水流经此处时，将硬磁颗粒磁极进行编程。打印的智能结构通过加热固化成型，将成型后的智能结构置于磁场中，智能结构可响应磁场发生变形。本发明提供的磁控4D打印技术将实现充磁及磁畴写入一体化，提高打印效率。技术研发人员：李振坤,郭乙飞,邓成耀,方毅,董珈皓受保护的技术使用者：北京交通大学技术研发日：技术公布日：2024/6/30