正面光聚合实现平面到曲面的可编程形状变形

由平面薄片直接变形获得3D形状已经成为一种极具前景的设计方法,其为生物技术、驱动器、传感器和工程中复杂超材料的制造提供了新的手段。目前各类研究平面变形生成三维结构的方法中仍存在诸如加工材料昂贵、工艺控制繁琐和难以独立操作的限制。考虑到正面光聚合过程中光敏树脂的聚合特性,展示一种利用光固化过程中不匹配应力驱动平面到曲面形状变形的设计方法。基于不同光编码模式对聚合物聚合程度的影响及沿光固化厚度方向收缩应力梯度的分布特点,提出复合梁理论并推导准一维梁结构的屈曲变形方程,获得弯曲曲率与曝光剂量间的对应关系,在此基础上,针对准二维平面结构变形具有分叉点和难以控制的难题,建立弹性势能函数计算弯曲平面的能量密度,结合有限元计算分析其变形的几何形态和应力分布规律。最后的物理试验测试结果和花瓣,爪子,二十面体,金字塔等自折叠结构的制造实例验证了方法的有效性。