CN112207850A - 定点弯曲的形状记忆合金仿生装置及其制备方法 - Google Patents

定点弯曲的形状记忆合金仿生装置及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于形状记忆合金的设计与制造相关技术领域，其公开了一种定点弯曲的形状记忆合金仿生装置及其制备方法，装置的本体内部设有流体通道，通道内设有至少一个发热体，发热体位于变形区，本体的材料为形状记忆合金，发热体与通道内流动的工质反应产热。本申请通过在内部设置发热体和与发热体产生热反应的流体工质，实现对发热体的发热控制，进而从内部实现对装置外形的控制，具体可以通过设置流体的温度和流速控制发热体的发热量，还可以通过设置不同的发热体材料来控制发热体的发热量，进而实现形状记忆合金仿生装置形变的主动控制，易于实现，适用范围广。

Description

定点弯曲的形状记忆合金仿生装置及其制备方法
技术领域
本发明属于形状记忆合金的设计与制造相关技术领域，更具体地，涉及一种定点弯曲的形状记忆合金仿生装置及其制备方法。
背景技术
增材制造(Additive Manufacturing，AM)俗称3D打印，融合了计算机辅助设计、材料加工与成形技术、以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。相对于传统的、与原材料去除-切削、组装的加工模式不同，其是一种“自下而上”通过材料累加的制造方法，从无到有。这使得过去受到传统制造方式的约束，且使得无法实现的复杂结构件制造变为可能。
形状记忆合金(shape memory alloys，SMA)是通过热弹性与马氏体相变及其逆变而具有形状记忆效应(shape memory effect，SME)的由两种以上金属元素所构成的材料。
现有的形状记忆合金仿生手指或者其他可发生形变的材料往往是受到外部的刺激发生变形，而且难以控制变形的区域，这将大大限制其应用范围和发展，因此，亟需设计一种可以主动控制形变且变形区域可控的形状记忆合金仿生装置。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种定点弯曲的形状记忆合金仿生装置及其制备方法，所述装置通过在内部设置发热体和与发热体产生热反应的流体工质，实现对发热体的发热控制，进而从内部实现对装置外形的控制，可以通过设置流体的温度和流速控制发热体的发热量，还可以通过设置不同的发热体材料来控制发热体的发热量，进而实现形状记忆合金仿生装置形变的主动控制。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种定点弯曲的形状记忆合金仿生装置，其特征在于，所述装置的本体内部设有流体通道，所述通道内设有至少一个发热体，所述发热体位于变形区，所述本体的材料为形状记忆合金，所述发热体与所述通道内流动的工质反应产热，以加热所述变形区进而使得变形区达到相转变温度而发生形变。
优选地，当所述发热的数量为多个时，所述多个发热体的材料相同或不相同。
优选地，所述装置的本体的形状为手指形、腿形或手臂形。
优选地，所述发热体为中心贯通结构，所述发热体的外壁面与所述通道匹配。
优选地，所述发热体包括多个发热片，所述发热片贴于所述通道的内壁面。
优选地，所述多个发热片的形状和大小相同或不相同。
按照本发明的另一个方面，提供了一种上述的定点弯曲的形状记忆合金仿生装置的制备方法，所述方法包括采用SLM技术打印所述通道，待打印至变形区时将所述发热体布置与所述通道内继续进行所述通道其他部位的打印。
优选地，所述发热的材料为生石灰，所述通道内的流动工质为水。
优选地，所述制备方法还包括对所述制备完成的装置进行时效处理。
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，本发明提供的定点弯曲的形状记忆合金仿生装置及其制备方法至少具有如下区别技术特征：
1.通过在形状记忆合金仿生装置的内部设置发热体实现形状记忆合金仿生装置的内部主动控制而无需外部致动；
2.可以根据需要布置发热体的数量和形状，可实现同一装置不同形变的需求；
3.可以根据通道内流体的温度和速度控制装置的形变量，控制简单方便；
4.采用生石灰和水等材料进行形变控制，成本低，能耗小，无毒害；
5.发热体可以设置成环状或片状等，对通道形状的适应性好，可满足异形通道的加热需求；
6，采用SLM技术可以制备复杂的形状，满足关键，手指等形状的制备要求，适用范围广；
7，采用边打印本体边装载发热体的方式，可以实现复杂形状中装载发热体的需求。
附图说明
图1示意性示出了根据本公开实施例的定点弯曲的形状记忆合金仿生装置的局部剖视图；
图2示意性示出了根据本公开实施例的定点弯曲的形状记忆合金仿生装置的主视图；
图3示意性示出了根据本公开实施例的定点弯曲的形状记忆合金仿生装置发生形变后的结构示意图。
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：
100-本体，200-通道，300-发热体。
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。
本申请提供了一种定点弯曲的形状记忆合金仿生装置及其制备方法，该装置不同于传统的形状记忆合金装置采用的外部致动，本装置可以实现内部致动，该装置和制备方法如下。
请参阅图1及图2，本发明提供了一种定点弯曲的形状记忆合金仿生装置，所述装置包括本体100以及发热体300。
其中，本体100内部设有流体通道200，所述通道200内部设有至少一个发热体300，发热体300布置与本体100的变形区的内部通道200内。通道200内可以设置流动工质，该流动工质与发热体300产生反应使得发热体300产生热量进而加热本体100。
发热体300可以为中心贯通结构，发热体300的外壁面与通道200的内壁面匹配，使得发热体300产生的热量可以及时传输给本体100，使本体100产生形变。发热体300的数量为多个时，多个发热体300的材料可以相同也可以不相同，只要能和通道200内的流动工质产生反应发热即可。
发热体300由多个片状的发热片组成，发热片贴于所述通道200的内壁面，可以根据需要设置发热片的粘贴密度和发热片的形状。多个发热片的形状和大小可以相同也可以不相同。
发热体300的材料优选为生石灰，所述通道200内的流动工质优选为水。工作时，预先在需要变形的区域预先布置生石灰，在流体通道200内通水，生石灰遇水即发生反应并且产热并升温，将温度传输至本体100，当到达本体100的相转变温度后发生相转变从而引起变形，如图3所示。由于产热的位置和大小可控制，因此温度升高的位置和升高的温度也是可以控制的，所以发生形变的区域和变形量的大小也是可控制的。
该定点弯曲的形状记忆合金仿生装置可以用于形状记忆合金仿生手指，或者其他可弯曲的结构，如仿生手臂，仿生腿，仿生关节等。当制备仿生手指时，通道200优选为圆柱形，还可以为方形或异形结构，具体根据需求设置，本申请不做限制。
另一方面，本申请还提供了一种基于上述定点弯曲的形状记忆合金仿生装置的制备方法，所述方法包括采用选择性激光熔化成型(Selective laser melting，SLM)技术打印所述通道200，待打印至变形区时将所述发热体300布置于所述通道200内继续进行所述通道200其他部位的打印。本公开实施例以大约NiTi形状记忆合金仿生手指的制备为例。打印过程中的打印参数为：扫描速度500mm/s，激光功率90W，打印层厚30μm，扫描间距80μm。
对打印完成的定点问去的形状记忆合金仿生装置进行时序处理，而后即制备完成了流体可以流进和流出的方式装置。
后续可以通过通水观测其形变特性和形变回复情况。
综上所述，本申请提供了一种定点弯曲的形状记忆合金仿生装置及其制备方法，通过在装置内部设置流体通道和发热体，流体通道内的流体和发热体反应使得发热体产生热量，发热体产生的热量传输给本体后达到本体的相变温度时即开始发生相变，由于流体的温度和速度很容易得到控制，进而使得发热体的发热量很容易得到控制，进而本体的形变可以很容易得到控制。因此，本申请可以通过制件内管道的设计使得各个区域的温度呈现出差异，具体体现在部分区域温度低于制件变形温度，形状保持不变；而部分区域温度高于制件变形温度，形状发生变化。通过预先对发热体的布置实现对变形区域和未变形区域的控制。
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 (9)

1.一种定点弯曲的形状记忆合金仿生装置，其特征在于，所述装置的本体(100)内部设有流体通道(200)，所述通道(200)内设有至少一个发热体(300)，所述发热体(300)位于变形区，所述本体(100)的材料为形状记忆合金，所述发热体(300)与所述通道(200)内流动的工质反应产热，以加热所述变形区进而使得变形区达到相转变温度而发生形变。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，当所述发热体(300)的数量为多个时，所述多个发热体的材料相同或不相同。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置的本体(100)的形状为手指形、腿形或手臂形。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述发热体(300)为中心贯通结构，所述发热体(300)的外壁面与所述通道(200)匹配。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述发热体(300)包括多个发热片，所述发热片贴于所述通道(200)的内壁面。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述多个发热片的形状和大小相同或不相同。
7.一种权利要求1～6任意一项所述的定点弯曲的形状记忆合金仿生装置的制备方法，其特征在于，所述方法包括采用SLM技术打印所述通道(200)，待打印至变形区时将所述发热体(300)布置于所述通道(200)内继续进行所述通道(200)其他部位的打印。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述发热体(300)的材料为生石灰，所述通道(200)内的流动工质为水。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括对所述制备完成的装置进行时效处理。
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