CN110304246A - 一种基于4d打印的仿生折叠翼及其制备方法和应用 - Google Patents

一种基于4d打印的仿生折叠翼及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于飞行器领域，并具体公开了一种基于4D打印的仿生折叠翼及其制备方法和应用。该仿生折叠翼的折叠翼鞘与仿生扑翼骨架连接，用于保护和贮存呈折叠状态的仿生折叠翼，仿生扑翼骨架仿蠼螋扑翼的形状，其内部设置有水循环流道，该仿生扑翼骨架可根据水循环流道中水的温度进行伸展和折叠，水循环控制系统与水循环流道连接，用于控制该水循环流道中的水的温度，扑翼覆膜覆盖在仿生扑翼骨架的表面。本发明提供的基于4D打印的仿生折叠翼能够保证该仿生折叠翼具有极大折叠率，同时仅需要水循环控制系统调整水循环流道中水的温度，便可实现仿生折叠翼的展开和折叠，能够避免使用繁琐的机械结构，具有简洁、高效、高机动性、智能化等优点。

Description

一种基于4D打印的仿生折叠翼及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于飞行器领域，更具体地，涉及一种基于4D打印的仿生折叠翼及其制备方法和应用。
背景技术
小型扑翼飞行器不管是在军事领域还是在民用领域均将占有举足轻重的位置。以军事领域为例，利用小型扑翼飞行器快速、隐秘潜入敌方阵地，实施情报窃取，快速机动出击破坏敌人重要设施(如武器库、重要战略电子设备等)，均可给敌人造成致命打击。
对于小型扑翼飞行器的设计制造，扑翼是其重点结构。然而目前的小型扑翼飞行器的扑翼，结构繁琐，折叠比率低，制造方法复杂。如何设计高效、简洁、高机动性、隐蔽性好、智能化的小型扑翼飞行器扑翼是目前亟待克服的技术难题。
在自然界中，绝大部分生物的飞行方式均为扑翼飞行，因此，从自然界扑翼飞行生物中获取灵感能够为扑翼飞行器扑翼提供设计蓝本。而小型昆虫蠼螋的扑翼具有极大的折叠比率，其折叠比率超过10，能够很好的将扑翼完全折叠隐藏，从而极大地减少整个身体的暴露面积。因此根据蠼螋的扑翼折叠原理制备仿生折叠翼，具有极大的应用前景。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于4D打印的仿生折叠翼及其制备方法和应用，其中利用仿蠼螋扑翼形状的仿生扑翼骨架，并通过水循环流道中的水温控制其自动折叠和展开，具有高效、简洁、高机动性、折叠比率高的优势，因而尤其适用于小型扑翼飞行器的应用场合。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种基于4D打印的仿生折叠翼，该仿生折叠翼包括折叠翼鞘、仿生扑翼骨架、水循环流道、水循环控制系统和扑翼覆膜，其中：所述折叠翼鞘与所述仿生扑翼骨架连接，用于保护和贮存呈折叠状态的所述仿生折叠骨架，所述仿生扑翼骨架仿蠼螋扑翼的形状，伸展时呈扇形展开，其内部设置有所述水循环流道，该仿生扑翼骨架可根据所述水循环流道中水的温度进行伸展和折叠，所述水循环控制系统与水循环流道连接，用于控制该水循环流道中水的温度，所述扑翼覆膜覆盖在所述仿生扑翼骨架的表面，从而在所述仿生扑翼骨架伸展的时候形成翼面。
作为进一步优选地，所述仿生扑翼骨架与其内部的水循环流道的长度之比为3:1～5:1。
作为进一步优选地，所述仿生扑翼骨架和水循环流道由NiTi形状记忆合金制成。
作为进一步优选地，所述仿生扑翼骨架进行折叠时首先进行褶皱式折叠，然后进行弯转折叠，最终收缩到所述折叠翼鞘中。
作为进一步优选地，当水的温度为-10℃～10℃时，所述仿生折叠翼进行折叠，当水的温度为50℃～80℃时，所述仿生折叠翼进行伸展。
作为进一步优选地，所述基于4D打印的仿生折叠翼的折叠比率为1/10～1/5。
按照本发明的另一方面，提出了一种基于4D打印的仿生折叠翼的制备方法，该方法包括如下步骤：
(a)利用3D打印技术，对形状记忆合金进行三维成形，制得仿蠼螋扑翼形状的仿生扑翼骨架和其内部的水循环流道；
(b)在预设温度下，利用机械压力使得所述仿生扑翼骨架展开，从而对其进行温度定型；
(c)将扑翼覆膜覆盖在所述仿生扑翼骨架的表面，并将所述水循环流道与水循环控制系统连接，进而制得所述仿生折叠翼。
作为进一步优选地，所述形状记忆合金优选为NiTi形状记忆合金，所述仿生扑翼骨架与其内部的水循环流道的长度之比为3:1～5:1。
作为进一步优选地，所述预设温度优选为50℃～80℃。
按照本发明的又一方面，提出了一种扑翼飞行器，包括机体和上述基于4D打印的仿生折叠翼，其中所述仿生折叠翼的水循环控制系统设置在所述机体内，所述折叠翼鞘与所述机体连接。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明提供的基于4D打印的仿生折叠翼采用具有仿蠼螋扑翼形状的仿生扑翼骨架，能够保证该仿生折叠翼具有极大折叠率，同时仅需要水循环控制系统调整水循环流道中水的温度，便可实现仿生折叠翼的展开和折叠，能够避免使用繁琐的机械结构，具有简洁、高效、高机动性、智能化等优点；
2.尤其是，本发明通过对仿生扑翼骨架与水循环流道的长度比例进行优化，能够避免流道过长造成流动困难，从而增加水循环控制系统的工作强度，此外本发明采用NiTi形状记忆合金制造仿生折叠翼，利用该记忆合金所具有的形状记忆功能实现自动展开和折叠，同时本发明对其折叠方式进行了优化，能够有效保护仿生折叠翼，并且减少反射面积；
3.此外，本发明还提出了一种制备仿生折叠翼的方法，利用3D打印技术对NiTi形状记忆合金进行三维成形，便可获得仿蠼螋扑翼形状的仿生扑翼骨架，从而形成基于4D打印的仿生折叠翼，具有制造快捷、精准的优势，适用于各类扑翼飞行器。
附图说明
图1是使用本发明提供的基于4D打印的仿生折叠翼的扑翼飞行器的结构示意图；
图2是按照本发明优选实施例构建的仿生折叠翼中仿生扑翼骨架的展开示意图；
图3是按照本发明优选实施例构建的仿生扑翼骨架及其内部水循环流道的结构示意图；
图4是图3部分的仿生扑翼骨架折叠过程的示意图；
图5是按照本发明优选实施例构建的仿生折叠翼未折叠完成的示意图；
图6是按照本发明优选实施例构建的仿生折叠翼折叠完成的示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-机体，2-水循环控制系统，3-折叠翼鞘，4-仿生扑翼骨架，5-水循环流道，6-扑翼覆膜。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1～3所示，本发明提出了一种基于4D打印的仿生折叠翼，该仿生折叠翼包括折叠翼鞘3、仿生扑翼骨架4、水循环流道5、水循环控制系统2和扑翼覆膜6，其中：折叠翼鞘3与仿生扑翼骨架4连接，用于保护和贮存呈折叠状态的仿生折叠翼，仿生扑翼骨架4仿蠼螋扑翼的形状，伸展时呈扇形展开，其内部设置有水循环流道5，该仿生扑翼骨架4可根据水循环流道5中水的温度进行伸展和折叠，其中低温状态下处于折叠状态，高温状态下处于伸展状态，水循环控制系统2与水循环流道5连接，用于控制该水循环流道5中的水的温度，扑翼覆膜6覆盖在仿生扑翼骨架4的表面，从而在仿生扑翼骨架4伸展的时候形成翼面，与仿生扑翼骨架共同组成类似于生物体的膜翅，采用上述结构组成的仿生折叠翼能够实现大比率折叠，折叠比率为1/10～1/5。
进一步，仿生扑翼骨架4与其内部的水循环流道5的长度之比为3:1～5:1，从而避免水循环流道过长，造成水不易流动，使得外加压力随之增大，使得水循环控制系统的负担也相应增加。
进一步，仿生扑翼骨架4由NiTi形状记忆合金制成，使得仿生扑翼骨架4在水温的作用下发生马氏体相变，从而实现仿生扑翼智能化可控地展开和折叠，当水的温度为-10℃～10℃时，仿生折叠翼进行折叠，当水的温度为50℃～80℃时，仿生折叠翼进行伸展。
进一步，如图4～6所示，仿生扑翼骨架4进行折叠时首先进行褶皱式折叠，然后进行弯转折叠，最终收缩到折叠翼鞘3中，能够有效保护仿生折叠翼，并且减少反射面积。
同时，本发明提出了一种基于4D打印的仿生折叠翼的制备方法，该方法包括如下步骤：
(a)利用3D打印技术，对形状记忆合金进行三维成形，制得仿蠼螋扑翼形状的仿生扑翼骨架4和其内部的水循环流道5，仿生扑翼骨架4与其内部的水循环流道5的长度之比为3:1～5:1；
(b)在预设温度下，利用机械压力使得仿生扑翼骨架4展开，从而对其进行温度定型；
(c)将扑翼覆膜6覆盖在仿生扑翼骨架4的表面，并将水循环流道与水循环控制系统2连接，从而制得仿生折叠翼。
进一步，步骤(a)中可采用NiAl、CuZn或NiTi等形状记忆合金，并进一步优选采用NiTi形状记忆合金，预热温度优选为50℃～80℃，可通过调节形状记忆合金中的原子比调节预设温度的范围。
此外，本发明还提出了一种扑翼飞行器，其包括机体1和上述基于4D打印的仿生折叠翼，其中仿生折叠翼的水循环控制系统2设置在机体1内，折叠翼鞘3与机体1连接。
本发明提供的扑翼飞行器的工作过程为：当机体1内部的水循环控制系统2将高温热水注入仿生扑翼骨架4内部的水循环流道5中，高温热水使得仿生扑翼骨架4记忆高温时形状，伸展开来，其伸展方式为首先解开弯转折叠，然后解开褶皱折叠，其附在仿生扑翼骨架4上的扑翼覆膜6也随之展开，此时仿生折叠翼呈展开状态；
若机体1内部的水循环控制系统2将低温冷水注入仿生扑翼骨架4内部水循环流道5中，低温冷水使得仿生扑翼骨架4记忆低温时形状，扑翼折叠，其附在仿生扑翼骨架4上的扑翼覆膜6也随之折叠，折叠顺序为首先进行褶皱折叠，然后进行弯曲折叠，此时仿生扑翼呈折叠状态。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于4D打印的仿生折叠翼，其特征在于，该仿生折叠翼包括折叠翼鞘(3)、仿生扑翼骨架(4)、水循环流道(5)、水循环控制系统(2)和扑翼覆膜(6)，其中：所述折叠翼鞘(3)与所述仿生扑翼骨架(4)连接，用于保护和贮存呈折叠状态的所述仿生折叠骨架(4)，所述仿生扑翼骨架(4)仿蠼螋扑翼的形状，伸展时呈扇形展开，其内部设置有所述水循环流道(5)，该仿生扑翼骨架(4)可根据所述水循环流道(5)中水的温度进行伸展和折叠，所述水循环控制系统(2)与水循环流道(5)连接，用于控制该水循环流道(5)中水的温度，所述扑翼覆膜(6)覆盖在所述仿生扑翼骨架(4)的表面，从而在所述仿生扑翼骨架(4)伸展的时候形成翼面。
2.如权利要求1所述的基于4D打印的仿生折叠翼，其特征在于，所述仿生扑翼骨架(4)与其内部的水循环流道(5)的长度之比为3:1～5:1。
3.如权利要求1或2所述的基于4D打印的仿生折叠翼，其特征在于，所述仿生扑翼骨架(4)和水循环流道(5)由NiTi形状记忆合金制成。
4.如权利要求1～3任一项所述的基于4D打印的仿生折叠翼，其特征在于，所述仿生扑翼骨架(4)进行折叠时首先进行褶皱式折叠，然后进行弯转折叠，最终收缩到所述折叠翼鞘(3)中。
5.如权利要求1所述的基于4D打印的仿生折叠翼，其特征在于，当水的温度为-10℃～10℃时，所述仿生折叠翼进行折叠，当水的温度为50℃～80℃时，所述仿生折叠翼进行伸展。
6.如权利要求1所述的基于4D打印的仿生折叠翼，其特征在于，所述基于4D打印的仿生折叠翼的折叠比率为1/10～1/5。
7.一种基于4D打印的仿生折叠翼的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(a)利用3D打印技术，对形状记忆合金进行三维成形，制得仿蠼螋扑翼形状的仿生扑翼骨架(4)和其内部的水循环流道(5)；
(b)在预设温度下，利用机械压力使得所述仿生扑翼骨架(4)展开，从而对其进行温度定型；
(c)将扑翼覆膜(6)覆盖在所述仿生扑翼骨架(4)的表面，并将所述水循环流道与水循环控制系统(2)连接，进而制得所述仿生折叠翼。
8.如权利要求7所述的基于4D打印的仿生折叠翼的制备方法，其特征在于，所述形状记忆合金优选为NiTi形状记忆合金，所述仿生扑翼骨架(4)与其内部的水循环流道(5)的长度之比为3:1～5:1。
9.如权利要求7所述的基于4D打印的仿生折叠翼的制备方法，其特征在于，所述预设温度优选为50℃～80℃。
10.一种扑翼飞行器，其特征在于，包括机体(1)和如权利要求1～6任一项所述的基于4D打印的仿生折叠翼，其中所述仿生折叠翼的水循环控制系统(2)设置在所述机体(1)内，所述折叠翼鞘(3)与所述机体(1)连接。
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