基于3D打印硬磁軟材料的磁控軟體機器人開發*

黃麟閣，張治國，，潘 峰

（1.天津科技大學 機械工程學院，天津 300222；2.天津市輕工與食品工程機械裝備集成設計與在線監控重點實驗室，天津 300222；3.新疆農墾科學院機械裝備研究所，新疆 石河子 832000）

0 引言

磁軟體機器人具有優異的生物安全性、環境適應性和快速響應能力，近年來在生物醫療等［1，2］領域獲得了廣泛的應用。在各種磁響應材料中，硬磁軟材料具有柔性、高剩磁和高矯頑力，能夠在外磁場下迅速產生可控的大變形，近年來得到了研究人員的關注［3］。例如，文獻［4］報道了一系列微型磁控機器人，實現了運動［4］、藥物遞送［5］、血栓檢測［6］等功能。Kim Y等人［7］提出了一種新型磁控導絲機器人，能夠在通過磁場在復雜迂曲的血管中完成導航，以進行腦小血管的介入式治療。隨著研究的進行，基于硬磁軟材料的磁控軟體機器人正展示出廣闊的應用潛力。

磁軟體機器人的結構和變形能力很大程度上取決于其制造技術。傳統的模具制造耗時較長，且難以根據需求實現復雜結構的定制化制造。如Yirmibesoglu O D等人［8］就曾指出，使用3D打印技術耗費的時間更少，結構復雜程度大大提高，而且制造出的軟體機器人與模具制造機器人的性能相當。因此，3D打印技術已經被廣泛用于軟體機器人的開發和制造［9，10］。例如，Kim Y 等人［11］將釹鐵硼（Nd-FeB）顆粒與二氧化硅（SiO2）納米顆粒、硅橡膠混合制備了復合油墨，通過墨水直寫（direct ink writing，DIW）打印技術在實現了其3D打印，并實現了多種2D 和3D 結構的可控變形。Xu T Q等人［12］開發了一種基于立體光刻3D 打印的方法，用于在平面復合材料中圖案化永磁粒子，使制造具有可編程3D磁化輪廓和復雜幾何形狀以及新類型的機械運動的致動器成為可能。Sun Y X等人［13］開發了新型硬磁液晶彈性體墨水，并通過磁場和剪切力輔助3D 打印實現了對磁化強度和液晶取向的編程，使其能夠在磁場、溫度和光刺激下發生可控形變。盡管硬磁軟材料的3D打印已經取得長足發展，但目前仍缺乏針對性硬磁軟材料的墨水材料配置、3D打印系統及工藝方面的研究工作，這使得磁軟體機器人的3D 打印仍面臨困難。例如，現有硬磁軟材料往往使用硅橡膠作為基底，而硅橡膠材料的粘度較低，且在室溫下會發生緩慢的交聯，使得其DIW打印十分困難。又如，目前市售的擠出式3D 打印機多基于熔融沉積成型（fused deposition modeling，FDM）原理，缺乏針對硬磁軟材料的DIW打印機的系統設計及工藝研究工作。

本文針對硬磁軟材料的特點以及制造需求，分別對墨水材料的配置和3D 打印系統與工藝進行了研究，以用于磁軟體機器人的開發和制造。使用SE1700 和DC184 兩種硅橡膠材料混合，加入NdFeB 磁粉和固化抑制劑，開發了具有穩定可打印性的硬磁軟材料墨水。此外，設計了基于DIW技術的3D 打印系統，并實現了硬磁軟材料的3D 打印。在此基礎上，設計并制造了一種新結構的磁軟體機器人，還進行了貨物搬運功能的展示。

1 硬磁軟材料墨水

為實現硬磁軟材料的3D 打印，需要設計具有高矯頑力的軟材料墨水，兼具剪切變稀、屈服應力的流體性質，并能夠在室溫下長期儲存而不發生交聯。為此，需要分別從力／磁學性能、流變學和交聯動力學3個角度對墨水進行優化。

1.1 硬磁軟材料

為實現對磁軟體機器人的控制，需要在墨水材料的配置中加入磁性材料。目前磁性材料多為軟磁材料和硬磁材料等。軟磁材料在充磁以后具有很高的磁通量，但是在去除外磁場后卻只能保留少部分的剩磁量以及矯頑力。而硬磁材料在充磁以后，不僅能擁有較強的磁性，而且在褪去磁場后，也仍能保存有很高的剩磁量。同時硬磁材料具有較大的磁疇，且在不超過居里溫度的條件下不會輕易退磁［14］。也正是因為硬磁材料具有以上的特性，使得磁軟體機器人的控制會更加便捷，所以選擇了NdFeB作為墨水的磁響應材料。

作為磁軟體機器人的基體材料，硅橡膠具有良好的物理性能，它能在一定外力的拉伸壓縮下發生彈性變形，撤走外力后也能恢復原形。且硅橡膠材料一般具有良好的穩定性，固化以后的性質較為穩定，能適應各種不良外部環境的影響。硅橡膠兼顧耐化學試劑和耐油的性質，對許多溶劑有較好的耐適性。綜上所述，選擇硅橡膠材料作為磁軟體機器人的基體材料。

1.2 流變性調制

硅橡膠材料選用了SE1700 和DC184 兩種。其中，SE1700的粘度過高，使用點膠機擠出需要較大的擠出壓力，而DC184的粘度過低，直接擠出以后無法定形，一般需要使用模具等方式進行定形固化。為此將兩種不同粘度的硅橡膠按照一定的比例混合，再加入磁粉材料，從而得到粘度較為適中的混合墨水材料。為探究墨水材料的流變性，采用流變儀對其進行了流變學測試。磁軟體機器人的墨水材料能否完成DIW打印工作，其關鍵在于該墨水材料在剪切應力的作用下是否會出現剪切變稀的情況。圖1（a）為剪切速率與材料粘度的關系，可以看出，隨著剪切速率的不斷增大，粘度呈現一個不斷下降的趨勢。如此，設置合適的擠出壓力后將會使墨水材料的粘度下降到適宜的程度，墨水材料便能在DIW打印中被正常擠出。

圖1 墨水材料流變性能測試

圖1（b）為剪切應力與模量的關系。從圖中觀察可以發現，隨著剪切應力的不斷增大，儲能模量和損耗模量均處于一個下降的趨勢，并且儲能模量的下降趨勢明顯快于損耗模量。在剪切應力增大的過程中，剛開始的剪切應力較小，墨水材料的儲能模量大于損耗模量，墨水材料更多呈現粘彈性固體的性質，此時的墨水發生較小的變形。當剪切應力增大至一定程度后，經過二者的交點使得損耗模量的值大于儲能模量時，墨水材料將呈現粘彈性液體的性質，此時墨水開始進入流動狀態。

1.3 固化抑制

在硅橡膠的主劑和固化劑按照配比混合好以后，墨水材料便進入固化狀態。在整個打印過程中，墨水材料的擠出量會隨著墨水固化的進行而不斷減小，在固化達到一定程度后會因擠出壓力對墨水的剪切效果較差而無法擠出，從而對打印工作產生嚴重影響。為了減小固化對打印過程的影響，在墨水材料中加入了固化抑制劑3—丁炔—1—醇。在加入適當量的固化抑制劑后，會延緩墨水材料的固化過程，從而大大減小了固化對打印的影響。

2 磁軟體機器人的3D打印制造

2.1 DIW3D打印系統的搭建

圖2（a）為實驗室用于制造磁軟體機器人的3D打印硬件系統。該系統由氣動擠出部分和打印控制部分組成。其中，氣動擠出部分由一臺空壓機提供動力來源，再通過油水分離器的干燥過濾和穩壓，最后由點膠機精確調節擠出壓力大小并控制噴頭擠出。而打印控制部分的3D打印平臺負責噴頭的移動和向點膠機發送擠出指令。

圖2 3D打印系統組成

該3D 打印系統是一臺DIW／FDM 兩用的系統，如圖2（b）所示，該系統中包含了DIW 和FDM 的功能，因此在磁軟體機器人的制造過程中，系統可以使用DIW模式進行墨水的擠出控制，在打印結束以后也能使用FDM模式下的熱床進行加熱，來加快磁軟體機器人的固化。

2.2 硬磁材料3D打印及后處理

墨水材料的配置過程如下：將SE1700 材料和DC184材料的主劑分別按照所需的量加入到燒杯中，再加入適量的NdFeB磁粉顆粒到燒杯中，接著使用電動攪拌器以對混合后的材料進行攪拌。在完成攪拌后，往燒杯內分別加入SE1700和DC184的固化劑，然后再次使用電動攪拌器攪拌，最后再加入抑制劑3—丁炔—1—醇，并使用電動攪拌器攪拌。之后將裝有墨水材料的燒杯放入干燥器中，使用真空泵對干燥器進行抽氣，獲得混合好的墨水材料。

將完成混合后的墨水材料裝入針筒中，再安裝好大小為580 μm的擠出針頭以及針筒配套的活塞。因為墨水的流動性一般，所以在墨水裝入針筒后需要觀察針筒內部是否存在間隙或氣泡，如果存在以上情況，則需要使用真空泵對針筒進行抽氣。將針筒安裝在固定支架上，連接好適配器。設置點膠機的擠出參數，該過程需要不斷調整擠出壓力大小，并觀察打印絲是否擠出流暢、大小合適、粗細均勻。調節好參數以后，將裝有打印文件的儲存卡插入到3D 打印系統中，選擇目標文件開始打印。

在完成磁軟體機器人的打印以后，還需要使用3D 打印平臺FDM模式下的熱床進行加熱。將熱床的溫度設置為65 ℃，加熱一個多小時的時間來促進磁軟體機器人的固化。

2.3 打印樣品的力學性能測試

為測試該配方下的磁軟體機器人的力學性能，打印了30 mm×80 mm×0.5 mm 的長條樣品。采用力學試驗機對打印好的長條樣品進行了拉伸測試，得到了測試樣品的力學性能數據。

磁軟體機器人的打印填充形狀為直線型，這意味著打印好的磁軟體機器人在收到拉伸力作用時，它的受力方向可能主要是平行于打印絲或垂直于打印絲。所以為了在拉伸測試中能準確測得其對載荷的承受能力，故對2 個方向的樣條進行了拉伸測試。2 種長條樣品的數據結果如圖3所示。從結果中可以看出，無論是豎直方向還是橫向方向的樣條，都能承受一定載荷的拉力。因此，該配方下的磁軟體機器人具有一定的強度。

圖3 長條樣品的拉伸強度數據

3 磁軟體機器人應用

3.1 磁軟體機器人的外形設計及打印

圖4為設計好的磁軟體機器人外形。為便于磁軟體機器人實現移動、翻滾以及對物體包裹等動作，采用了這種設計。同時為了能實現對其靈活控制以及軟體機器人磁響應變形明顯，因此該磁軟體機器人的厚度較小，質量輕盈。在圖5展示了該磁軟體機器人的打印過程。

圖4 磁軟體機器人建模模型設計

圖5 磁軟體機器人的打印過程

3.2 磁軟體機器人的動作控制

在完成為磁軟體機器人充磁以后，此時的磁軟體機器人內部保留了大部分的磁性。在施加外磁場后，磁軟體機器人內部的磁性顆粒會在磁轉矩的作用下促使磁軟體機器人發生變形。

現在施加外磁場對其進行測試，觀察在外磁場作用下所發生的變化，以驗證其變形能否達到預期。使用一塊釹鐵硼磁鐵作為外磁場的來源，將該NdFeB磁鐵放置在磁軟體機器人的周圍，通過控制磁鐵在磁軟體機器人上產生的磁場大小和方向促使磁軟體機器人變形。在整個過程中使用磁通計對磁軟體機器人周圍的磁場強度進行測量并記錄。

磁軟體機器人爬行中的磁場變化以及爬行動作演示如圖6（a）和圖6（b）所示，滾動中的磁場變化以及滾動動作演示如圖6（c）和圖6（d）所示。從圖中不難看出，磁軟體機器人對外磁場有良好的響應，且能在外磁場的控制之下實現爬行和滾動的動作模式。為了進一步測試磁軟體機器人的實際工作能力，準備1個長塊貨物，首先控制磁軟體機器人將該貨物包裹住，然后帶動其一同滾動到指定位置，將貨物放置在該位置，接著繼續向前爬行。演示結果如圖6（e）所示。

圖6 磁軟體機器人變形實驗

4 結束語

本文使用了SE1700和DC184以及NdFeB磁粉完成了墨水材料的混合，然后設計結構并完成了磁軟體機器人的制造。同時對墨水的流變性能進行了測試，之后又對打印好的長條樣品進行了力學性能測試。在對磁軟體機器人充磁以后，驗證其在磁場控制下能實現爬行動作和滾動動作，并完成了對1個貨物的搬運。實驗結果顯示該墨水配比合適，打印出的磁軟體機器人力學性能良好，能承受一定強度的載荷，且在磁場的控制下能良好地完成任務。