光驱动软体结构增材制造工艺研究

徐雪杰, 罗斌, 陈花玲

(1.西安交通大学机械工程学院,710049,西安; 2.西安交通大学机械结构强度与振动国家重点实验室,710049,西安)

机器人在科技发展的过程中始终占据着重要地位。传统机械基本由刚性模块通过运动副连接而成,具有运动精确的优点,但传统机械的刚性结构也在某些方面存在限制,例如环境适应性较差、在狭窄空间或者复杂通道内的运动受到很大制约[1-2]。因此,最近几年来,“软体机器人”概念的提出,引起了学术界广泛的关注。

与传统刚性机械不同,软体机器人的基体或者驱动部分主要采用软材料。不像现有的刚性机械使用复杂的电动或者气动装置驱动,软体机器人的驱动是利用温度、光照以及化学反应等方式,使软体结构发生变化,从而进行一些简单运动[3-5]。这些能够对外部环境的刺激进行适当地判断和响应,并具备执行能力的软质材料被称为软质智能材料。与传统硬质材料相比,软质智能材料具有变形大、生物兼容性好、质量轻、功耗低等特点,且可通过爬行、蠕动、扭动等仿生运动[6-12]完成指定动作,从而弥补了传统机械的一些缺点和不足。

显然,传统的加工刚性材料的方法很难适应于软体材料的加工。目前,应用比较广泛的软体材料加工工艺有形状沉积制造[13]、软体平版印刷[14]和失蜡制造[15]等,但这些加工工艺存在工序较多,加工使用的材料较为单一且加工周期较长等不足,因而只能制造较为简单的软体结构。3D打印技术的发展为软体机器人的快速个性化制造提供了可能[16-18],但目前利用3D打印技术打印各种智能软材料的工艺及器件研究非常匮乏,因此很有必要对其进行深入研究。

在软体智能材料及其应用中,基于光驱动的智能材料软体机器人目前已经有了初步研究。例如,Hu Ying通过旋涂和裁剪工艺制备了一种可用于光驱动的结构,并成功设计出一种在光照下可以进行弹跳运动的软体机器人[19]。Liu Ying等人通过在预拉伸的形状记忆聚合物薄片上喷涂与激光束宽度以后的黑色墨水,然后用激光器照射相当于连接铰链的光照区,可以看到材料发生了折叠效应[20]。以上研究都是采用手工制造,工序较为复杂,难以标准化,且驱动性能个体差异较大。

为了解决这一问题,本文将3D打印技术应用于光驱动复合材料的打印,并在研究光驱动材料打印工艺的基础上,针对光驱动软体结构进行打印,对光驱动软体结构的性能进行测试,从而为软体机器人的制造提供参考。

1 光驱动复合材料的组成及驱动原理

本文所研究的光驱动复合材料是由聚二甲基硅氧烷(PDMS)和单壁碳纳米管(CNT)构成的双层结构,其中PDMS是一种物理化学性能稳定的绝缘硅橡胶,具有高的热膨胀系数(325 μm/(m· ℃)),在-45～200 ℃的温度范围内具有较好的热稳定性。

如图1所示,该复合材料实现光驱动变形的原理是由于PDMS的热膨胀系数几乎比CNT大两个数量级,而且碳纳米管材料对热非常敏感[21-22]。在红外光的照射下,CNT层作为纳米加热单元,在吸收热量后可以很快地传导给PDMS层。该双层结构吸收热量后,PDMS发生大幅度膨胀,CNT发生较小膨胀,结果表现为结构向CNT层方向发生弯曲;当撤去红外光照时,该双层结构又会恢复原来的形状。

图1 双层结构光驱动原理

2 3D打印设备及打印溶液配备

光驱动材料常规制备工艺一般是通过配置溶液、涂覆、固化成型工艺。因此,要实现该类材料的打印,需要开发能够实现溶液打印的设备,在此设备上进行系统的工艺研究,才能够保证打印质量与成型精度,而这些工艺参数与材料的配置、流变性能、固化性能等有关系,因此需要进行系统的实验研究。

2.1 3D打印系统的组成

本课题组开发的3D直写设备见图2,主要由4部分组成:①计算机控制系统,通过切片软件(Sli3cr)对打印模型进行切片,转化成Gcode代码语言;②三维运动平台系统,接收计算机系统发出的成型指令,精确运动;③溶液挤出系统,通过注射泵精确控制挤出流量,经过喷头挤出成型;④加热系统,通过加热板对挤出的溶液进行加热,促进打印件快速固化。

图2 3D直写系统组成图

2.2 打印溶液的配制

本实验中使用的PDMS溶液来自美国道康宁公司生产的SYLGARD 184,由A组分(silicone elastomer liquid base)和B组分(silicon elastomer curing agent)组成。组分A和B以10∶1的质量比充分混合,发生交联反应,该液体混合物在加热时会固化成透明的弹性体。单壁碳纳米管打印浆料来自中国科学院成都有机化学公司生产的NMP碳纳米管浆料,其中碳纳米管质量分数为0.25%,碳纳米管长度为5～30 nm。

3 光驱动材料的打印工艺研究

不同的打印材料,在相同的注射泵流量与喷头移动速度下,打印得到的线宽和线的连续性均有区别。由于单道成型轨迹的性能对最终成形件的质量起到决定性作用,本文工艺研究将单道成型轨迹宽度和单道成型轨迹的连续性作为评价打印性能的主要指标。由于使用的PDMS溶液有一定的黏度,相对于CNT浆料来讲,在打印线性轨迹时,具有较好的连续性和均匀性,CNT浆料却容易出现断点或者串珠现象。因此,将打印出的单道轨迹的宽度作为衡量PDMS溶液单线打印性能的评价指标,以单道成型轨迹的连续性作为衡量CNT浆料打印性能的评价指标。

3.1 PDMS溶液的打印工艺

图3为固定喷头孔径d=0.3 mm时,分别在不同的喷头移动速度和注射泵流量的情况下,得到的PDMS溶液单道成型轨迹的宽度。

图3 喷头移动速度、流量与单道成型宽度的关系

由图3可见,PDMS溶液流量与单道成型宽度基本成正比关系。观察发现,在0.03～0.07 mL/min范围的注射泵流量、24～36 mm/s范围的喷头移动速度下,由于PDMS具有一定的黏度,在单道成型的过程中基本不会出现断丝和外溢的情况。但不难想象,相对较大的注射泵流量和较小喷头移动速度会造成PDMS溶液的堆积,形成积液,影响成形精度。相反,相对较小的注射泵流量和较大的喷头移动速度会使PDMS的单道成型轨迹的宽度不均匀、甚至可能出现断点。根据实验发现,采用注射泵流量Q=0.05 mL/min、喷头移动速度v1=30 mm/s时,打印的PDMS平面有较好的平整度。因此,后续PDMS的打印均按照此工艺参数进行。

3.2 CNT浆料打印参数的设定

由于CNT浆料流动性较强,不同的打印参数对CNT单道成型轨迹的连续性和均匀性影响很大。为此,本文设计了正交试验,探究注射泵流量Q、打印喷头移动速度v1、喷头直径d这3个参数对CNT单道成型轨迹连续性和均匀性的影响。在对工艺参数初调以及以往实验的基础上,分别给注射泵流量Q、喷头移动速度v1、喷头直径d设定3个水平,如表1所示。

表1 CNT浆料单道成型轨迹影响因素

为了方便分析不同工艺参数组合下线型的连续程度和均匀性,此处用线型1～5来表示:1代表线型很不连续,呈间距很大的节状分布;2代表线型不连续,有断点出现;3代表线型连续,但是线型的粗细很不均匀;4代表线型连续,但是线型的边缘不均匀;5表示线型连续且较均匀。

各种情况的CNT单道成型轨迹在光学显微镜下的照片如图4所示,正交实验结果见表2,根据正交试验得出的极差分析见表3。

从表3的结果可以得出以下结论:注射泵流量的设定对于CNT浆料成型轨迹的连续性和均匀性影响最大。此外,根据正交试验结果可知,当注射泵流量为0.4 mL/min、喷头移动速度为33 mm/s、喷头直径为0.4 mm时,打印出的CNT单道成型轨迹较为连续和均匀,打印出的CNT平面较为平整。

(a)线型1 (b)线型2 (c)线型3

(d)线型4 (e)线型5图4 不同工艺参数下的单道轨迹形状

实验方案Q/mL·min-1v1/mm·s-1d/mm线型10.1270.4120.1300.5130.1330.7240.4270.5450.4300.7460.4330.4570.7270.7380.7300.4490.7330.53

表3 极差分析表

注:Ki代表水平数为i时Q、v1、d对应的线型之和;ki=Ki/3;极差R=maxki-minki。

3.3 光驱动材料的打印及其性能

如前所述,光驱动材料是由PDMS和CNT复合而成,因此该复合材料的打印是在上述单道成型工艺基础上进行的。如图5所示,先在玻璃打印平台上打印一层PDMS,然后再打印一层CNT,实现光驱动复合材料的打印。

(a)打印PDMS层 (b)打印CNT层 图5 双层结构复合打印示意图

实验研究中,首先打印了一个条状驱动单元结构,条状尺寸为70 mm×8 mm,其中PDMS层厚度为100 μm,CNT层厚度为50 μm。

图6 条状双层复合结构在红外光下的响应特性

为了测试其性能,将光驱动材料条状结构的一端固定,然后对该双层结构施加红外光照。该条状结构初始状态是一个卷曲的筒状结构,在红外光照下能够快速展开,撤去光照后又能恢复成初始状态。图6表示了条状样本在红外灯光照下以及撤去红外光照时的反应过程。结果表明,条状样本在红外光照7 s内能够弯曲超过360°的角度,而且响应速度非常快。当撤去光照后,条状双层结构样本在10 s内又恢复为原本的形状。

显然,PDMS层的厚度以及CNT层的厚度对条状双层结构光驱动响应性能有较大的影响。为了研究层厚对响应性能的影响规律,我们分别采取固定CNT层厚、改变PDMS层的厚度,以及固定PDMS层厚、改变CNT层的厚度,记录在红外光照下双层结构弯曲360°所需时间,实验结果如图7和图8所示。

图7 不同PDMS层厚下响应时间

图8 不同CNT层厚下的响应时间

实验结果表明:当CNT层厚度不变时,随着PDMS层厚度的增加,该双层复合结构在红外光照下的响应速度变慢;当PDMS层厚度不变,CNT层厚度增加时,双层复合结构在光照下的响应速度也会随之减小。为了能使双层复合结构既有一定的厚度又能对光照刺激快速响应,打印的PDMS/CNT双层复合结构采用100 μm厚的PDMS层和50 μm厚的CNT层。

4 基于光驱动软体结构的3D打印

在上述关于光驱动材料3D打印工艺研究的基础上,本文还初步探索了其在软体机器人中的应用。

本文设计了一个光驱动材料软体机器手,并按上述工艺进行增材制造,该软体机器手尺寸大约为成年人手掌尺寸的1/2。软体机器手结构如图9a所示,4根手指相互平行,大拇指与食指成30°角度。当对该软体机器手施加红外光照的时候,可以实现软体机器手5根手指的弯曲,类似于人手的抓握动作,撤去光照后,手指又会恢复原状。给软体机器手的不同部分分别施加光照时,可以实现单个手指的运动或者多个手指的复合运动。

图9 光驱动软体机器手

图9中a是打印出来的初始状态的软体机器手,在没有光照的情况下,软体机器手保持平面伸展的状态。图9中b、c、d显示控制红外光分别照在不同的单个手指上,能够分别控制各个手指的单独运动,而且通过控制红外灯与手指的距离可以控制手指的最大弯曲角度。图9中e、f表示控制光源照射在2根或者3根手指上,能够同时控制多根手指的共同运动。通过控制光照位置的不同,该软体机器手基本上能够实现模仿人手的捏、抓、握等基本动作。

该实验再次证明了采用3D打印技术打印光驱动材料,完全可以实现预期的变形目标,表明了该工艺的可行性。

5 结 论

本文通过对光驱动材料的打印工艺及驱动结构设计与制备的研究,得出以下结论。

(1)采用注射泵流量Q=0.05 mL/min、喷头移动速度v1=30 mm/s、打印喷头直径d=0.3 mm时,打印的PDMS平面有较好的平整度;当打印参数设定注射泵流量Q=0.4 mL/min、喷头移动速度v1=33 mm/s、喷头直径d=0.4 mm时,打印的CNT单道成型轨迹较为连续和均匀,打印的CNT平面较为平整。

(2)PDMS层厚与CNT层厚对光驱动材料的驱动性能有重要影响。实验结果证明,随着PDMS层厚度的增加或者CNT层厚度的增加,双层结构的光驱动响应速度都会逐渐减小。

(3)利用直写3D打印技术打印出的软体机器手,在光照控制下能够模拟人手完成不同的动作形态,证明本文提出的3D打印光驱动材料的打印工艺是可行的。