CN111347459A - 一种基于4d打印的空间可伸缩机械臂及其伸缩方法 - Google Patents

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刘彦菊
刘立武
曾成均
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    • B25J18/02—Arms extensible
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    • B25J9/10—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
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Abstract

本发明提出了一种基于4D打印的空间可伸缩机械臂及其伸缩方法，属于4D打印技术及形状记忆聚合物领域，特别是涉及一种基于4D打印的空间可伸缩机械臂及其伸缩方法。解决了4D打印技术在打印三维空间可展开结构方面的应用不足的问题。它包括空心柱状结构、第一压板和第二压板。它主要用于航天的三维智能空间展开结构。

Description

一种基于4D打印的空间可伸缩机械臂及其伸缩方法
技术领域
本发明属于4D打印技术及形状记忆聚合物领域，特别是涉及一种基于4D打印的空间可伸缩机械臂及其伸缩方法。
背景技术
4D打印即是指采用3D打印加工所得的三维物体，在特定的环境和激励下(如电、光、磁、水、热及声音等)，其物理特性及功能(如结构、形态、尺寸等)可以随时间的变化而发生自我转变。4D打印是3D打印的进一步发展和完善。4D打印最重要特点是，它能直接把设计以编程的方式内置到打印材料当中，并于打印后在预定环境中或在特定激励下让物体变形为所要的形状或功能，这就简化了从设计理念到实物的制作过程，实现了让打印出的物体如机器般自我创造，而无需再连接任何复杂的机电设备，也不需再消耗额外的人力和工时，并且可先打印出极其简单形状或功能的物体，然后在预定条件下或通过特定的外部激励，使该物体自我转变成具有复杂结构或功能的另一种物体。
智能材料的直接3D打印，是4D打印的主流技术，主要使用水凝胶或形状记忆聚合物这两种智能材料。目前可4D打印的形状记忆聚合物种类已实现多样化，其玻璃态转化温度可设计，力学性能可调节，且形状记忆性能优异。除此之外，采用形状记忆聚合物所打印的4D结构已充分具备复杂性及可设计性，同时还可展现出激励响应行为，成型后的三维结构在外界激励的作用下可主动实现形状及结构等的转变，这项技术将具有广泛的应用前景。
尽管4D打印形状记忆聚合物的研究已经取得了阶段性的成果，但仍存在很大挑战。各打印技术自身的技术特点及缺陷在很大程度上限制了可打印的形状记忆聚合物种类及所4D打印物体的性能，4D打印技术在打印三维空间可展开结构方面的应用不足。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的问题，提出一种基于4D打印的空间可伸缩机械臂及其伸缩方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于4D打印的空间可伸缩机械臂，它包括空心柱状结构、第一压板和第二压板，所述空心柱状结构通过4D打印技术形成，所述空心柱状结构材料为形状记忆聚合物，所述空心柱状结构壁面呈网状分布，所述空心柱状结构两端分别与第一压板和第二压板相连。
更进一步的，所述形状记忆聚合物为聚乳酸材料。
更进一步的，所述空心柱状结构为空心圆柱结构、空心三棱柱结构或空心四棱柱结构。
更进一步的，所述空心柱状结构壁面网状网孔为菱形或正六边形。
更进一步的，所述第二压板前端放置重物或安装抓捕机构。
本发明还提供了一种基于4D打印的空间可伸缩机械臂的伸缩方法，它包括以下步骤：
步骤一：将空间可伸缩机械臂置于高于形状记忆聚合物玻璃态转化温度的环境中，将第一压板固定在平面上，对第二压板施加轴向载荷使空心柱状结构被压缩；
步骤二：保持第二压板位置不变，降低环境温度至室温，直至空心柱状结构表面温度达到室温后，撤销施加于第二压板上的轴向载荷；
步骤三：将压缩后的空间可伸缩机械臂置于高于形状记忆聚合物玻璃态转化温度的环境中，空心柱状结构在环境热刺激激励下伸长展开至压缩前状态。
更进一步的，所述空心柱状结构被压缩时，压缩至原长的三分之一。
更进一步的，所述玻璃态转化温度的环境为空气、真空或热液环境。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明基于4D打印技术，利用形状记忆聚合物一体化打印出可自主伸长的空间柔性机械臂，可实现非固定端安装抓捕机构抓捕空间中既定位置的非合作目标的任务。将4D打印技术和形状记忆聚合物的结合应用于面向航天的三维智能空间展开结构提供了思路，不仅扩展了形状记忆聚合物的应用领域，而且促进了4D打印技术在打印空间展开结构方面的发展。
附图说明
图1为本发明所述的一种基于4D打印的空间可伸缩机械臂结构示意图
图2为本发明所述的一种基于4D打印的空间可伸缩机械臂的伸缩方法压缩过程示意图
图3为本发明所述的一种基于4D打印的空间可伸缩机械臂的伸缩方法展开过程示意图
1-空心柱状结构，2-第一压板，3-第二压板，F-轴向载荷，Tg-玻璃态转化温度
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。
参见图1-3说明本实施方式，一种基于4D打印的空间可伸缩机械臂，它包括空心柱状结构1、第一压板2和第二压板3，所述空心柱状结构1通过4D打印技术形成，所述空心柱状结构1材料为形状记忆聚合物，所述空心柱状结构1壁面呈网状分布，所述空心柱状结构1两端分别与第一压板2和第二压板3相连。
本发明所述形状记忆聚合物为聚乳酸材料，具有热塑性及形状记忆效应，在热激励条件下能够发生主动变形，直接打印成型无需组装，为一个单体结构，直径和长度可调。所述空心柱状结构1为空心圆柱结构、空心三棱柱结构或空心四棱柱结构等，所述空心柱状结构1壁面网状网孔为菱形或正六边形等，网孔的数量可以根据实际要求确定。所述第二压板3前端放置重物或安装抓捕机构，能够完成抓捕既定位置的非合作目标的任务。
本发明还提供了一种基于4D打印的空间可伸缩机械臂的伸缩方法，它包括以下步骤：
步骤一：将空间可伸缩机械臂置于高于形状记忆聚合物玻璃态转化温度的环境中，将第一压板2固定在平面上，对第二压板3施加轴向载荷使空心柱状结构1被压缩；
步骤二：保持第二压板3位置不变，降低环境温度至室温，直至空心柱状结构1表面温度达到室温后，撤销施加于第二压板3上的轴向载荷；
步骤三：将压缩后的空间可伸缩机械臂置于高于形状记忆聚合物玻璃态转化温度的环境中，空心柱状结构1在环境热刺激激励下伸长展开至压缩前状态。
本发明所述空心柱状结构1被压缩时，压缩至原长的三分之一，所述玻璃态转化温度的环境为空气、真空或热液环境。
以上对本发明所提供的一种基于4D打印的空间可伸缩机械臂及其伸缩方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种基于4D打印的空间可伸缩机械臂，其特征在于：它包括空心柱状结构(1)、第一压板(2)和第二压板(3)，所述空心柱状结构(1)通过4D打印技术形成，所述空心柱状结构(1)材料为形状记忆聚合物，所述空心柱状结构(1)壁面呈网状分布，所述空心柱状结构(1)两端分别与第一压板(2)和第二压板(3)相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于4D打印的空间可伸缩机械臂，其特征在于：所述形状记忆聚合物为聚乳酸材料。
3.根据权利要求1所述的一种基于4D打印的空间可伸缩机械臂，其特征在于：所述空心柱状结构(1)为空心圆柱结构、空心三棱柱结构或空心四棱柱结构。
4.根据权利要求1所述的一种基于4D打印的空间可伸缩机械臂，其特征在于：所述空心柱状结构(1)壁面网状网孔为菱形或正六边形。
5.根据权利要求1所述的一种基于4D打印的空间可伸缩机械臂，其特征在于：所述第二压板(3)前端放置重物或安装抓捕机构。
6.一种如权利要求1所述的基于4D打印的空间可伸缩机械臂的伸缩方法，其特征在于：它包括以下步骤：
步骤一：将空间可伸缩机械臂置于高于形状记忆聚合物玻璃态转化温度的环境中，将第一压板(2)固定在平面上，对第二压板(3)施加轴向载荷使空心柱状结构(1)被压缩；
步骤二：保持第二压板(3)位置不变，降低环境温度至室温，直至空心柱状结构(1)表面温度达到室温后，撤销施加于第二压板(3)上的轴向载荷；
步骤三：将压缩后的空间可伸缩机械臂置于高于形状记忆聚合物玻璃态转化温度的环境中，空心柱状结构(1)在环境热刺激激励下伸长展开至压缩前状态。
7.根据权利要求6所述的一种基于4D打印的空间可伸缩机械臂的伸缩方法，其特征在于：所述空心柱状结构(1)被压缩时，压缩至原长的三分之一。
8.根据权利要求6所述的一种基于4D打印的空间可伸缩机械臂的伸缩方法，其特征在于：所述玻璃态转化温度的环境为空气、真空或热液环境。
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