基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置及方法

1.本发明涉及模具技术领域，尤其涉及一种基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置及方法。


背景技术：

2.印模，也称为3d拓印，可通过形成物体的阴模或阳模来较精确的记录并保持物体形状及外貌，常用于材料加工制造、口腔临床修复等领域。理想的印模材料应具有优秀的流动性、弹性和可塑性以便与物体紧密贴合，并易于从物体上剥离，锁定形状长久不变。现有的印模材料主要有泥土、石膏、凝胶、热塑性塑料、硅橡胶及复合材料等。它们通常无法兼顾良好的顺应性和优异的脱模以及形状固定能力，无法重复利用，导致材料消耗高、用户体验不佳。


技术实现要素：

3.本发明提供一种基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置及方法，用以解决现有技术中的印模无法兼顾良好的顺应性和优异的脱模、形状固定能力以及无法重复利用的缺陷，实现在熔融态时具有优异的流动性和顺应性，在凝固态时具有较高的刚度的效果。
4.本发明提供一种基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置，包括：变形体，所述变形体的材质为低熔点金属；封装体，所述封装体包覆在所述变形体的外侧，所述封装体可随所述变形体的变形而发生形变。
5.根据本发明提供的一种基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置，所述低熔点金属包括金属镓、镓铟合金、镓锡合金、镓铟锡合金、金属铋、铋铟合金、铋锡合金和铋铟锡合金中的一种或多种。
6.根据本发明提供的一种基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置，所述封装体的材质为柔性材质。
7.根据本发明提供的一种基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置，所述封装体上还设置有变温组件，且所述变温组件可随所述变形体的变形而发生形变。
8.根据本发明提供的一种基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置，所述变温组件包括加热器件和\或散热器件。
9.根据本发明提供的一种基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置，所述变形体包括多个变形单元，多个所述变形单元离散或连续的分布在所述封装体的内部。
10.根据本发明提供的一种基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置，多个所述变形单元分布在二维平面或三维空间内。
11.根据本发明提供的一种基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置，所述变形单元为颗粒形、线形或面形。
12.本发明还提供一种基于低熔点金属变刚度的可重构印模方法，利用上述任一所述的一种基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置，包括：
13.加热所述基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置，使温度达到所述低熔点金属的熔点以上；
14.将熔融态的所述基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置贴合到目标物体上；
15.冷却所述基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置，使温度降低到所述低熔点金属的凝固点以下；
16.分离所述基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置与所述目标物体。
17.根据本发明提供的一种基于低熔点金属变刚度的可重构印模方法，使用结束后，重新加热所述基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置，使温度达到所述低熔点金属的熔点以上。
18.本发明提供的基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置，包括变形体和封装体。变形体的材质为低熔点金属，低熔点金属常指熔点在300℃以下的金属单质及其合金，在熔融态时，低熔点金属具有优异的流动性和顺应性，在凝固态时，具有较强的刚性。封装体包覆在变形体的外侧，可随变形体的变形发生适应性的形变。本发明提供的基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置可以兼顾良好的顺应性和优异的脱模及形状固定能力，还可以通过调节温度实现重复利用，节省材料。
19.本发明提供的基于低熔点金属变刚度的可重构印模方法，包括加热基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置，使变形体处于熔融状态，利用其优异的流动性和顺应性，使该印模装置与周围物体紧密贴合，当变形体凝固后具有较强的刚度，可以锁定并记忆物体的表面轮廓，将该印模装置与物体分离后即形成阴模或阳模。本发明提供的基于低熔点金属变刚度的可重构印模方法利用低熔点金属良好的顺应性和优异的脱模以及形状固定能力，通过改变温度进行阴模和阳模的制作，而且还可以实现重复利用的效果。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1是本发明提供的变形单元为球形颗粒的印模装置的俯视图；
22.图2是本发明提供的变形单元为球形颗粒的印模装置的剖视图；
23.图3是本发明提供的变形单元为条形的印模装置的俯视图；
24.图4是本发明提供的变形单元为条形的印模装置的剖视图；
25.图5是本发明提供的变形单元为平面形的印模装置的俯视图；
26.图6是本发明提供的变形单元为平面形的印模装置的剖视图；
27.图7是本发明提供的基于低熔点金属变刚度的可重构印模方法原理图；
28.附图标记：
29.100：变形体；101：变形单元；200：封装体；300：复杂结构体。
具体实施方式
30.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本
发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.下面结合图1-图6描述本发明的基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置。
32.本发明提供一种基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置，利用低熔点金属优异的变刚度能力，将其引入现有的印模装置中，包括变形体100和封装体200，封装体200包覆在变形体100的外部。
33.变形体100使用的材质为低熔点金属，低熔点金属常指熔点在300℃以下的金属单质及其合金，主要包括镓基液态金属和铋基低熔点金属。其中金属镓的熔点介于室温和人体温之间，镓基合金熔点多在室温附近，铋基低熔点金属熔点则稍高于室温。低熔点金属在熔融态时具有优异的流动性和顺应性，在凝固态时具有较高的刚度。可调的刚度赋予这类材料不仅能在柔性时与周围物体紧密贴合，还可以在刚性时保持形状不变，并易于从物体表面移除的性能。
34.该过程与口腔临床修复中利用藻酸盐水粉剂得到口腔阴模的操作类似。但是由于低熔点金属较低的内能和熔点，这两种截然相反的刚度状态可以通过多种途径便捷快速地转换，例如吹热风将其加热到熔点温度使其变为熔融状态，吹冷风将温度降至凝固点及以下，使其变为凝固状态。凝固态时更高的刚度也使得凝固后低熔点金属的物理性质稳定，形态及体积几乎没有发生改变。此外这种刚度的转变是可逆的，并可多次重复使用。上述优点都保证了低熔点金属应用于印模领域的可行性，并有望成为一种高效的、有着广泛应用前景和推广价值的新印模方法。
35.此外，上述的封装体200包覆在变形体100的外侧，当温度到达变形体100的熔点时，变形体100成为熔融态，具有较强的流动性，因此，封装体200包覆在变形体100的外侧，熔融态的变形体100在封装体200内流动。封装体200具有较高的柔性、弹性和顺应性，具有较小的弹性模量和较高的韧性，发生变形后不易损坏，可随变形体100的变形发生相应的形变。
36.在本发明的一个实施例中，上述的低熔点金属包括但不限于金属镓，镓铟合金，镓锡合金，镓铟锡合金，金属铋，铋铟合金，铋锡合金，铋铟锡合金及其相应合金中的一种或多种。本发明提供的基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置中的低熔点金属的主要特征为随着温度变化而发生刚度和硬度变化，熔点、生物相容性等特性应尽可能与应用环境相匹配，优选金属镓、菲尔德合金等，但不限于此。
37.封装体200所应用的材料应具有较好的柔性、弹性和顺应性，并且有较低的弹性模量和较高的韧性，能抵抗较大尺度变形而不被破坏，优选pdms、ecoflex等，但不限于此。
38.此外，在本发明的一个实施例中，上述的封装体200上还可以设置变温组件。变温组件可以升温，且温度至少可以达到所使用的低熔点金属的熔点，当需要利用低熔点金属的流动性和顺应性特点时，变温组件升温且达到低熔点金属的熔点，低熔点金属变为熔融状态。变温组件还可以降温，当需要利用低熔点金属较强的刚性的特点时，可以通过变温组件对变形体100进行降温，使低熔点金属变为凝固态。
39.在进一步的实施例中，上述的变温组件可以仅包括加热器件，或者仅包括散热器件，或者同时包括加热器件和散热器件。其中，加热器件可以包括电热丝、电加热膜或热电
膜等，只要具有一定柔性的加热器件均在本发明的保护范围之内。散热器件可以为导热率较高的材料，例如可以为导热硅脂或者导热率高的金属丝等。
40.此外，该印模装置的升温和降温还可以采用无接触的方式，通过吹热风和吹冷风的方式实现升温和降温。
41.在本发明的一个实施例中，上述的变形体100包括多个变形单元101，多个变形单元101可以离散或连续的分布在封装体200的内部，多个变形单元101可以分布在一个二维平面内，也可以分布在一个三维空间内，且变形单元101可以为颗粒形、线形或者面形。具体的示例性的实施方式将在下文进行详细描述。
42.为了便于说明，以下提供的实施例中的基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置均采用平面膜状，并省去了具体加热和冷却的方法，但任何利用低熔点金属发挥变刚度功能并被弹性材料封装所构成的一维、二维或三维任意结构，且利用温度变化控制印模材料刚度变化，实现印模材料对任意3d对象的外形轮廓拓印功能的结构设计和控制设计都属于本发明的保护范围。
43.实施例一：
44.如图1和图2所示，分别是本实施例所提供的基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置的俯视图和剖视图。
45.该实施例提供的基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置为单层二维膜状结构，每个变形单元101均为球形颗粒状，多个变形单元101离散的分布在封装体200中。本实施例中变形体100的材质采用金属镓，封装体200的材料采用smooth-on公司的ecoflex。
46.本实施例提供的基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置可应用于人脸印模领域。将该基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置平行贴到人脸，接触到人脸最高处即鼻子时，变形体100即可局部软化、流动、变形，使鼻子处的印模装置向外凸起并贴合鼻子的外轮廓，其他部分继续靠近人脸，并依次软化贴合其他人脸组织，最终形成人脸的印模。
47.实施例二：
48.如图3和图4所示，分别是本实施例所提供的基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置的俯视图和剖视图。
49.该实施例提供的基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置为单层二维膜状结构，多个变形单元101以平行线状分布在封装体200中。本实施例中低熔点金属采用菲尔德金属，封装体200的材料采用smooth-on公司的ecoflex。
50.该实施例提供的基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置适用于方形、圆柱形等规则形状对象的印模。各平行线间互不干扰，可以控制基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置从左到右(俯视图)顺序发生软化以适形，避免材料整体软化后导致的受力不足，并有效减少低熔点金属使用量，降低设备重量和成本。
51.实施例三：
52.如图5和图6所示，分别是本实施例所提供的基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置的俯视图和剖视图。
53.该实施例提供的基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置为单层二维膜状，多个变形单元101以连续层状分布在封装体200中。本实施例中低熔点金属采用菲尔德金属，封装体200的材料采用smooth-on公司的ecoflex。
54.该实施例提供的基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置适用于不规则形，印模装置整体软化后可以同时贴合3d对象，适形过程快，对多种形状具有普适性。
55.本发明提供的基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置，可以在多种物理手段的作用下实现刚度的大尺度快速变化，并可以设计为多种形状结构，以供多种应用场合灵活选用。低熔点金属相变前后刚度变化范围大，且具有优秀的流动性和稳定性。将其与具有弹性的封装体200结合后，封装体200对其流动性和刚度影响较小，仍具有较高的形状适应能力和稳定的定型优势。较好的顺应性使其对外形轮廓复刻的精度和分辨率高。在定型后，材料刚度高，其外形轮廓“记忆”的细节不易恢复消失，保存时间更长。
56.低熔点金属与石膏、硅橡胶等印模材料相比，本发明提出的基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置具有可逆的刚度调节功能，因此可循环重复使用。此外，低熔点金属可回收利用，可以有效减低材料成本。
57.本发明提供的基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置使用的低熔点金属，物理化学性质稳定，其中部分合金具有良好的生物相容性，在熔融态、凝固态及相变过程中都不会对人体组织产生化学毒害作用，拓展了其在生物体内的应用。
58.本发明提供的基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置中使用的低熔点金属的熔点和内能都较低，在室温或室温附近即可实现对3d对象外形轮廓的适形和定型，降低了制作印模过程的时间，使操作人员更轻松，在口腔修复领域提高了病人的舒适度。
59.本发明还提供一种基于低熔点金属变刚度的可重构印模方法，该方法利用上述的基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置实现印模和阳模制作的过程，该方法包括：
60.步骤s100、加热所述基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置，使温度达到所述低熔点金属的熔点以上。
61.首先，依据被贴合的3d对象的形状选用合适的印模结构，基于低熔点金属的印模材料可以通过多种外场使低熔点金属软化，外场包括但不限于热场、电场和紫外光等。
62.步骤s200、将熔融态的所述基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置贴合到目标物体上；
63.将熔融态的低熔点金属印模材料覆盖到所选择的3d对象上，通过多种手段使低熔点金属印模材料紧紧围绕着贴敷在3d对象上，包括但不限于挤压印模材料、挤压3d对象、抽出印模材料和3d对象间的空气等方法。
64.步骤s300、冷却所述基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置，使温度降低到所述低熔点金属的凝固点以下。
65.等低熔点金属印模材料和3d对象外层各处密切接触后，通过一定的冷却手段使印模材料就地充分冷却直到内部低熔点金属完全凝固，冷却手段包括但不限于空冷、水冷或热电片等，此时印模材料能“记忆”3d对象的表面轮廓，形成阴模。
66.步骤s400、分离所述基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置与所述目标物体。
67.低熔点金属印模材料冷却后，3d对象可以从中移除。“记忆”了3d对象形状后的印模材料由于较强的刚度可以承受其自身的重量不垮塌，保证了内部致密的结构细节不变形或破坏。
68.在本发明的一个实施例中，在使用结束后还可以包括以下步骤：
69.步骤s500、重新加热所述基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置，使温度达到
所述低熔点金属的熔点以上。
70.对“记忆”了3d对象形状的低熔点金属印模材料再次加热后，其内部低熔点金属融化并在外力或外层封装体200的弹性势能作用下流动变形，可以重新恢复到最初的原始形状。
71.以下针对本发明提供的一种基于低熔点金属变刚度的可重构印模方法，提供一个具体的实施例。
72.图7示出的是本发明提供的基于低熔点金属变刚度的可重构印模方法的一个具体实施例的流程示意图。其步骤为：
73.将层状结构的基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置通过热风枪加热软化后放置到复杂结构体300上。
74.在外力的作用下使软化的基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置缓缓按压到复杂结构体300的外表面上，从顶角开始并边按压边梳理变形体100，排空封装体200和复杂结构体300之间的空气从而紧密贴合。
75.待完全紧密贴合后，利用风扇在室温下吹紧密贴合在复杂结构体300上的印模装置，加速其硬化，同时避免硬化过程中变形体100内部应力产生形状的变化。
76.待低熔点金属完全硬化后，便可将复杂结构体300取出，留下性质稳定、具有复杂结构体300外貌结构的阴模。
77.若该阴模不再使用后，对其再次加热使其软化，通过封装体200的弹性势能或者外力可以使该基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置恢复到初始结构状态。
78.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置，其特征在于，包括：变形体，所述变形体的材质为低熔点金属；封装体，所述封装体包覆在所述变形体的外侧，所述封装体可随所述变形体的变形而发生形变。2.根据权利要求1所述的基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置，其特征在于，所述低熔点金属包括金属镓、镓铟合金、镓锡合金、镓铟锡合金、金属铋、铋铟合金、铋锡合金和铋铟锡合金中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置，其特征在于，所述封装体的材质为弹性材质。4.根据权利要求1或3所述的基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置，其特征在于，所述封装体上还设置有变温组件，且所述变温组件可随所述变形体的变形而发生形变。5.根据权利要求4所述的基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置，其特征在于，所述变温组件包括加热器件和\或散热器件。6.根据权利要求1所述的基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置，其特征在于，所述变形体包括多个变形单元，多个所述变形单元离散或连续的分布在所述封装体的内部。7.根据权利要求6所述的基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置，其特征在于，多个所述变形单元分布在二维平面或三维空间内。8.根据权利要求6～7任一项所述的基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置，其特征在于，所述变形单元为颗粒形、线形或面形。9.一种基于低熔点金属变刚度的可重构印模方法，其特征在于，利用如权利要求1～8任一所述的基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置，包括：加热所述基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置，使温度达到所述低熔点金属的熔点以上；将熔融态的所述基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置贴合到目标物体上；冷却所述基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置，使温度降低到所述低熔点金属的凝固点以下；分离所述基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置与所述目标物体。10.根据权利要求9所述的基于低熔点金属变刚度的可重构印模方法，其特征在于，使用结束后，重新加热所述基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置，使温度达到所述低熔点金属的熔点以上。

技术总结
本发明属于模具领域，提供一种基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置及方法。基于低熔点金属变刚度的可重构印模装置包括变形体和封装体，变形体的材质为低熔点金属，低熔点金属常指熔点在300℃以下的金属单质及其合金，在熔融态时，低熔点金属具有优异的流动性和顺应性，在凝固态时，具有较强的刚性。封装体包覆在变形体的外侧，可随变形体的变形发生适应性的形变。基于低熔点金属变刚度的可重构印模方法主要是利用低熔点金属熔融状态优异的流动性和顺应性，使该印模装置与周围物体紧密贴合，当变形体凝固后具有较强的刚度，可以锁定记忆物体表面轮廓，结束使用后通过再次加热可以恢复原状，以便重复使用。以便重复使用。以便重复使用。


技术研发人员：郝阳泰 高建业 刘静
受保护的技术使用者：中国科学院理化技术研究所
技术研发日：2022.02.18
技术公布日：2023/8/31