CN111059185A - 一种基于4d打印的三维仿生弹簧 - Google Patents

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Abstract

本发明属于弹簧技术领域,并具体公开了一种基于4D打印的三维仿生弹簧。包括多条沿X轴呈阵列排布的X单元弹簧、多条沿Y轴呈阵列排布的Y单元弹簧以及多条沿Z轴呈阵列排布的Z单元弹簧,X单元弹簧、Y单元弹簧以及Z单元弹簧均为相同形状的正弦波,且均为用镍钛合金采用4D打印方法一体打印而成;X单元弹簧与Y单元弹簧、Y单元弹簧与Z单元弹簧以及X单元弹簧与Z单元弹簧的连接处均位于正弦波的波谷或者波峰;在外力的作用下压缩或者拉伸,由于镍钛合金的超弹作用,可实现三维仿生弹簧在三个维度上均能够进行拉伸或压缩,并在外力消失的情况下,可恢复还原。本发明三维仿生弹簧具有强度大、弹性好、三维可变形以及适应强等特点。

Description

一种基于4D打印的三维仿生弹簧
技术领域
本发明属于弹簧技术领域,更具体地,涉及一种基于4D打印的三维仿生弹簧。
背景技术
弹簧作为工业系统中的一个重要元件,有着很大的使用量,而且种类繁多,在不同机械或机构当中,所需要的弹簧种类和类型也不相同。弹簧的主要功能包括:①控制机械的运动,如内燃机中的阀门弹簧、离合器中的控制弹簧等。②吸收振动和冲击能量,如汽车、火车车厢下的缓冲弹簧、联轴器中的吸振弹簧等。③储存及输出能量作为动力,如钟表弹簧、枪械中的弹簧等。④用作测力元件,如测力器、弹簧秤中的弹簧等。弹簧的载荷与变形之比称为弹簧刚度,刚度越大,则弹簧越硬。弹簧是机械和电子行业中广泛使用的一种弹性元件,弹簧在受载时能产生较大的弹性变形,把机械功或动能转化为变形能,而卸载后弹簧的变形消失并回复原状,将变形能转化为机械功或动能。
目前,对于传统机械来说,在大多数时候,弹簧均为标准件,然而随着社会发展,科学进步,尤其是新工科和大机械的革命,未来机器人和特种机械上,复杂结构弹簧、跨尺度弹簧和复杂材料类型的弹簧将会登上舞台,弹簧的定制化生产和加工将会成为主流。而4D打印技术能够最大程度的满足这些需求,能够提供复杂结构弹簧、跨尺度弹簧和复杂材料类型的弹簧。在4D打印的基础上,结合生物体的跨尺度弹性结构,能够取得较好得弹簧效果。
因此本领域亟待提出一种基于4D打印的三维仿生弹簧,综合材料和结构两方面的特性,以适应复杂结构弹簧、跨尺度弹簧和复杂材料类型的弹簧的需要。
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打印的三维仿生弹簧,其中结合弹簧自身的特征及镍钛合金4D打印的工艺特点,相应设计了综合了材料和结构的特性,并对其关键组件如X单元弹簧、Y单元弹簧和Z单元弹簧的结构及其具体设置方式进行研究和设计,相应的在外力的作用下压缩或者拉伸,由于镍钛合金的超弹作用,可实现三维仿生弹簧在三个维度上均能够进行拉伸或压缩,并在外力消失的情况下,可恢复还原,因而尤其适用于复杂结构弹簧、跨尺度弹簧和复杂材料类型的弹簧的需要。具有强度大、弹性好、三维可变形以及适应强等特点。
为实现上述目的,本发明提出了一种基于4D打印的三维仿生弹簧,包括多条沿X轴呈阵列排布的X单元弹簧、多条沿Y轴呈阵列排布的Y单元弹簧以及多条沿Z轴呈阵列排布的Z单元弹簧,其中,
所述X单元弹簧、Y单元弹簧以及Z单元弹簧均为相同形状的正弦波,且均为用镍钛合金采用4D打印方法一体打印而成;所述X单元弹簧与Y单元弹簧、Y单元弹簧与Z单元弹簧以及X单元弹簧与Z单元弹簧的连接处均位于正弦波的波谷或者波峰;以此方式,在外力的作用下压缩或者拉伸,由于镍钛合金的超弹作用,可实现三维仿生弹簧在三个维度上均能够进行拉伸或压缩,并在外力消失的情况下,可恢复还原。
作为进一步优选的,多条X单元弹簧沿X轴均匀间隔布置,间隔周期为正弦波周期的一半;多条Y单元弹簧沿Y轴均匀间隔布置,间隔周期为正弦波周期的一半;多条Z单元弹簧沿Z轴均匀间隔布置,间隔周期为正弦波周期的一半;以此方式,形成一个三维立体骨架形式的三维仿生弹簧。
作为进一步优选的,在三维仿生弹簧变形前,所述正弦波的模型为:
Y=A sin ωx
其中,y为正弦波,A为该正弦波的最大振幅,ωx为该正弦波的相位,在ωx为0处,所述正弦波的正切角大于45°,所述正弦波的周期T小于4A,T<4mm。
作为进一步优选的,X单元弹簧的振幅位于X轴与Y轴构成的平面上,Y单元弹簧的振幅位于Z轴与Y轴构成的平面上,Z单元弹簧的振幅位于Z轴与Y轴构成的平面上。
作为进一步优选的,所述三维仿生弹簧压缩变形后的周期T为变形前的周期T的0.4~0.6倍;所述三维仿生弹簧拉伸变形后的周期T为变形前的周期T的1.2~1.5倍。
作为进一步优选的,所述镍钛合金中镍的质量分数为50%~60%。
作为进一步优选的,在采用4D打印方法打印出三维仿生弹簧后,还需对该三维仿生弹簧进行驱动训练,具体为:将该三维仿生弹簧放入0℃~20℃的水中,对该三维仿生弹簧依次施加沿X轴的外力,使三维仿生弹簧沿X轴发生变形,然后该三维仿生弹簧放入70℃~90℃的水中,然后撤去外力,使三维仿生弹簧恢复还原,将该三维仿生弹簧放入0℃~20℃的水中,对该三维仿生弹簧依次施加沿Y轴的外力,使三维仿生弹簧沿Y轴发生变形,然后该三维仿生弹簧放入70℃~90℃的水中,然后撤去外力,使三维仿生弹簧恢复还原,将该三维仿生弹簧放入0℃~20℃的水中,对该三维仿生弹簧依次施加沿Z轴的外力,使三维仿生弹簧沿Z轴发生变形,然后该三维仿生弹簧放入70℃~90℃的水中,然后撤去外力,使三维仿生弹簧恢复还原,以此方式,完成该三维仿生弹簧的驱动训练。
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,综合了材料和结构的特性,并对其关键组件如X单元弹簧、Y单元弹簧和Z单元弹簧的结构及其具体设置方式进行研究和设计,相应的在外力的作用下压缩或者拉伸,由于镍钛合金的超弹作用,可实现三维仿生弹簧在三个维度上均能够进行拉伸或压缩,并在外力消失的情况下,可恢复还原,因而尤其适用于复杂结构弹簧、跨尺度弹簧和复杂材料类型的弹簧的需要。具有强度大、弹性好、三维可变形以及适应强等特点。
2.本发明多条X单元弹簧沿X轴均匀间隔布置,间隔周期为正弦波周期的一半;多条Y单元弹簧沿Y轴均匀间隔布置,间隔周期为正弦波周期的一半;多条Z单元弹簧沿Z轴均匀间隔布置,间隔周期为正弦波周期的一半;以此方式,形成一个三维立体骨架形式的三维仿生弹簧,由于镍钛合金的超弹作用,可实现三个垂直方向的变形,且回复块,适用性强。
3.本发明在ωx为0处,所述正弦波的正切角大于45°,所述正弦波的周期T小于4A,T<4mm,以此方式的设计,使得三维仿生弹簧在受到外界的冲击力的时候,冲击力会沿着三个方向进行传递,实现对了冲击力的缓冲,不会因剧烈变形而失效。
4.本发明X单元弹簧的振幅位于X轴与Y轴构成的平面上,Y单元弹簧的振幅位于Z轴与Y轴构成的平面上,Z单元弹簧的振幅位于Z轴与Y轴构成的平面上,以此方式的设计,使得三维立体骨架形式的三维仿生弹簧能够实现三个方向的变形,同时在变形的过程中,可实现通过各个连接节点传递和缓冲外力。
5.本发明三维仿生弹簧在使用之前还需要进行驱动训练,使其具有沿训练方向拉伸或压缩的记忆效应,进而在受到外力的作用下,快速响应,且回复块,适用性强。
附图说明
图1是为本发明实施例涉及的一种基于4D打印的三维仿生弹簧的三维结构示意图;
图2是图1中任意一根单元弹簧的结构示意图;
图3是图2中单元弹簧的拉伸变形以及压缩变形的结构示意图;
图4是图1中X单元弹簧、Y单元弹簧以及Z单元弹簧在连接结构示意图;
图5是图1中三维仿生弹簧在沿X轴方向的外力作用下沿X轴发生变形的结构示意图;
图6是图1中三维仿生弹簧在沿Y轴方向的外力作用下沿Y轴发生变形的结构示意图;
图7是图1中三维仿生弹簧在沿Z轴方向的外力作用下沿Z轴发生变形的结构示意图。
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、图2以及图4所示,本发明提出了一种基于4D打印的三维仿生弹簧,包括多条沿X轴呈阵列排布的X单元弹簧、多条沿Y轴呈阵列排布的Y单元弹簧以及多条沿Z轴呈阵列排布的Z单元弹簧,其中,
所述X单元弹簧、Y单元弹簧以及Z单元弹簧均为相同形状的正弦波,且均为用镍钛合金采用4D打印方法一体打印而成;所述X单元弹簧与Y单元弹簧、Y单元弹簧与Z单元弹簧以及X单元弹簧与Z单元弹簧的连接处均位于正弦波的波谷或者波峰;以此方式,在外力的作用下压缩或者拉伸,由于镍钛合金的超弹作用,可实现三维仿生弹簧在三个维度上均能够进行拉伸或压缩,并在外力消失的情况下,可恢复还原。
作为进一步优选的,多条X单元弹簧沿X轴均匀间隔布置,间隔周期为正弦波周期的一半;多条Y单元弹簧沿Y轴均匀间隔布置,间隔周期为正弦波周期的一半;多条Z单元弹簧沿Z轴均匀间隔布置,间隔周期为正弦波周期的一半;以此方式,形成一个三维立体骨架形式的三维仿生弹簧。同时,在三维仿生弹簧中,每条X单元弹簧的每个波谷和波谷处,均连接有一根Y单元弹簧和一根Z单元弹簧,相应的,每条Y单元弹簧的每个波谷和波谷处,均连接有一根X单元弹簧和一根Z单元弹簧,每条Z单元弹簧的每个波谷和波谷处,均连接有一根Y单元弹簧和一根X单元弹簧,以此方式,形成一个三维立体骨架形式的三维仿生弹簧。
作为进一步优选的,在三维仿生弹簧变形前,所述正弦波的模型为:
y=A sin ωx
其中,y为正弦波,A为该正弦波的最大振幅,ωx为该正弦波的相位,在ωx为0处,所述正弦波的正切角大于45°,所述正弦波的周期T小于4A,T<4mm。
作为进一步优选的,X单元弹簧的振幅位于X轴与Y轴构成的平面上,Y单元弹簧的振幅位于Z轴与Y轴构成的平面上,Z单元弹簧的振幅位于Z轴与Y轴构成的平面上。
如图3所示,作为进一步优选的,所述三维仿生弹簧压缩变形后的周期T为变形前的周期T的0.4~0.6倍;所述三维仿生弹簧拉伸变形后的周期T为变形前的周期T的1.2~1.5倍。
作为进一步优选的,所述镍钛合金中镍的质量分数为50%~60%。
如图5、图6以及图7所示,作为进一步优选的,在采用4D打印方法打印出三维仿生弹簧后,还需对该三维仿生弹簧进行驱动训练,具体为:将该三维仿生弹簧放入0℃~20℃的水中,对该三维仿生弹簧依次施加沿X轴的外力,使三维仿生弹簧沿X轴发生变形,然后该三维仿生弹簧放入70℃~90℃的水中,然后撤去外力,使三维仿生弹簧恢复还原,将该三维仿生弹簧放入0℃~20℃的水中,对该三维仿生弹簧依次施加沿Y轴的外力,使三维仿生弹簧沿Y轴发生变形,然后该三维仿生弹簧放入70℃~90℃的水中,然后撤去外力,使三维仿生弹簧恢复还原,将该三维仿生弹簧放入0℃~20℃的水中,对该三维仿生弹簧依次施加沿Z轴的外力,使三维仿生弹簧沿Z轴发生变形,然后该三维仿生弹簧放入70℃~90℃的水中,然后撤去外力,使三维仿生弹簧恢复还原,以此方式,完成该三维仿生弹簧的驱动训练。
本发明所述的一种基于4D打印的三维仿生弹簧主要由正弦波形结构组成。正弦波形结构在三维方向排列成形形成三维仿生弹簧。正弦波结构的周期和幅值均可根据实际的变形大小范围需要进行设计。单元正弦波结构在三维方向排列时,其间距也可根据实际应用变形大小进行设计。本发明所用的材料为NiTi形状记忆合金,利用4D打印技术,对NiTi形状记忆合金进行三维成形,使其具有类似蝴蝶口器体表正弦波形的结构。本发明所述的一种基于4D打印的三维仿生弹簧是由结构和材料特性两部分性能综合实现的。本发明所述的一种基于4D打印的三维仿生弹簧由NiTi形状记忆合金构成,利用其所具有的超弹性特点结合蝴蝶口器仿生正弦波结构4D打印而成。具有强度大,弹性好,三维可变形等特点。
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 (7)

1.一种基于4D打印的三维仿生弹簧,其特征在于,包括多条沿X轴呈阵列排布的X单元弹簧、多条沿Y轴呈阵列排布的Y单元弹簧以及多条沿Z轴呈阵列排布的Z单元弹簧,其中,
所述X单元弹簧、Y单元弹簧以及Z单元弹簧均为相同形状的正弦波,且均为用镍钛合金采用4D打印方法一体打印而成;所述X单元弹簧与Y单元弹簧、Y单元弹簧与Z单元弹簧以及X单元弹簧与Z单元弹簧的连接处均位于正弦波的波谷或者波峰;以此方式,在外力的作用下压缩或者拉伸,由于镍钛合金的超弹作用,实现三维仿生弹簧在三个维度上均能够进行拉伸或压缩,并在外力消失的情况下,恢复还原。
2.根据权利要求1所述的一种基于4D打印的三维仿生弹簧,其特征在于,多条X单元弹簧沿X轴均匀间隔布置,间隔周期为正弦波周期的一半;多条Y单元弹簧沿Y轴均匀间隔布置,间隔周期为正弦波周期的一半;多条Z单元弹簧沿Z轴均匀间隔布置,间隔周期为正弦波周期的一半;以此方式,形成一个三维立体骨架形式的三维仿生弹簧。
3.根据权利要求1所述的一种基于4D打印的三维仿生弹簧,其特征在于,在三维仿生弹簧变形前,所述正弦波的模型为:
y=A sinωx
其中,y为正弦波,A为该正弦波的最大振幅,ωx为该正弦波的相位,在ωx为0处,所述正弦波的正切角大于45°,所述正弦波的周期T小于4A,T<4mm。
4.根据权利要求3所述的一种基于4D打印的三维仿生弹簧,其特征在于,X单元弹簧的振幅位于X轴与Y轴构成的平面上,Y单元弹簧的振幅位于Z轴与Y轴构成的平面上,Z单元弹簧的振幅位于Z轴与Y轴构成的平面上。
5.根据权利要求1所述的一种基于4D打印的三维仿生弹簧,其特征在于,所述三维仿生弹簧压缩变形后的周期T为变形前的周期T的0.4~0.6倍;所述三维仿生弹簧拉伸变形后的周期T为变形前的周期T的1.2~1.5倍。
6.根据权利要求1所述的一种基于4D打印的三维仿生弹簧,其特征在于,所述镍钛合金中镍的质量分数为50%~60%。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种基于4D打印的三维仿生弹簧,其特征在于,在采用4D打印方法打印出三维仿生弹簧后,还需对该三维仿生弹簧进行驱动训练,具体为:将该三维仿生弹簧放入0℃~20℃的水中,对该三维仿生弹簧依次施加沿X轴的外力,使三维仿生弹簧沿X轴发生变形,然后将该三维仿生弹簧放入70℃~90℃的水中,撤去外力,使三维仿生弹簧恢复还原,将该三维仿生弹簧放入0℃~20℃的水中,对该三维仿生弹簧依次施加沿Y轴的外力,使三维仿生弹簧沿Y轴发生变形,然后该三维仿生弹簧放入70℃~90℃的水中,然后撤去外力,使三维仿生弹簧恢复还原,将该三维仿生弹簧放入0℃~20℃的水中,对该三维仿生弹簧依次施加沿Z轴的外力,使三维仿生弹簧沿Z轴发生变形,然后该三维仿生弹簧放入70℃~90℃的水中,然后撤去外力,使三维仿生弹簧恢复还原,以此方式,完成该三维仿生弹簧的驱动训练。
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