CN113978719A - 一种基于形状记忆合金的翅翼作动器及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于形状记忆合金的翅翼作动器及其加工方法，本发明的基于形状记忆合金的翅翼作动器包括翅翼作动器框架、用于给所述翅翼作动器框架供电的电源以及控制电路通断的开关器；所述翅翼作动器框架由若干线条形镍钛形状记忆合金、若干弧条形镍钛形状记忆合金构成含有不同形状网格结构的翅翼作动器框架，且每个线条形镍钛形状记忆合金和弧条形镍钛形状记忆合金的宽度和厚度完全一致。通过外加电来调控翅翼作动器的内部电阻热量，进而有效地控制翅翼作动器变形情况。本发明翅翼作动器框架易于设计，体积小，重量轻，易于控制，加工方法效率高等优势，在军用和民用中潜在广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及飞行器作动技术领域，具体提供一种基于形状记忆合金的翅翼作动器及其加工方法。
背景技术
由于扑翼微型飞行器具有体积小、成本低、重量轻、噪声小以及隐蔽性好等特点，在军事及民用领域均蕴含着巨大应用潜力。并成为近年来国际上的研究热点方向。
伴随着微纳米技术和微机电系统(MEMS)的迅速发展，人们纷纷地对扑翼微型飞行器开展了大量的研究。特别是针对复杂化环境下常规飞行器难以完成的任务，以及在应用前景和使用价值上潜在着极大的诱惑力，吸引了许多研究者对扑翼微型飞行器的兴趣。尤其是在军事上用于低空侦察、勘测、信号搜索等任务；在民用上用于高空摄影、航拍、环境监测、气象监测、森林防火监测以及行人跟踪等。
目前科研人员设计种类繁多的扑翼微型飞行器，并在各个领域的起到了应用价值。但现有的扑翼微型飞行器的翅翼尺寸大、重量重、变形量小以及伸缩不灵活等不足，使得扑翼微型飞行器越来越不适用复杂环境，尤其是在飞行时翅翼形变量较差，使飞行方向控制不稳定，造成获取信息不精准，以及在执行任务时藏身性能不好，目标容易被发现和暴露。因此，微型扑翼的翅翼在变形和隐蔽技术方面有待克服。目前有报道采用形状记忆合金材料制作翅翼在非工作减小翅翼体积以和占用空间，起到优良隐蔽的效果。但结构框架设计简单，变形效率低。并且其仅在横向方向上起到了伸缩变形功能，在纵向方向上未能实现，此外，其加工方法未明确。这样在某些方面极大地限制了其应用范围。为了克服上述的缺陷，以及提高扑翼微型飞行器翅翼的制备精度和效率，本发明设计一种基于形状记忆合金的翅翼作动器及其4D技术加工方法显得十分必要。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于形状记忆合金的翅翼作动器及其加工方法，以克服现有扑翼微型飞行器的翅翼尺寸大、重量重、变形量小、伸缩不灵活降低了飞行方向精准度以及隐蔽性不好、目标容易被暴露等不足，解决扑翼微型飞行器翅翼作动器的制备精度和效率的加工问题。
根据上述的技术问题，本发明采用以下技术方案来实现：
一种基于形状记忆合金的翅翼作动器，其特征在于：包括翅翼作动器框架、用于给所述翅翼作动器框架供电的电源以及控制电路通断的开关器；所述翅翼作动器框架为由若干线条形镍钛形状记忆合金、若干弧条形镍钛形状记忆合金构成含有不同形状网格结构的翅翼作动器框架，且每个个线条形镍钛形状记忆合金和弧条形镍钛形状记忆合金的宽度和厚度完全一致。
所述的技术方案采用如下优选方式：
所述的翅翼作动器框架材料优选形状记忆合金，形状记忆合金可以为AuCd、CuZn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Si、NiAl、Ti-Ni-Pd和TiNb。本发明形状记忆合金优选镍钛(NiTi)合金。所述的多个线条形镍钛形状记忆合金和弧条形镍钛形状记忆合金的厚度h为0.1～1mm，所述的多个线条形镍钛形状记忆合金和弧条形镍钛形状记忆合金的宽度w为1mm。所述的翅翼作动器框架长度d为72mm，宽度t为25mm。
所述的翅翼作动器框架在断电情况下处于展开状态，在通电情况下翅翼作动器框架处于弯卷状态，通过电控使翅翼作动器框架呈现出展开和弯卷状态。
所述的电源优选采用电流为1～20A可调的直流电源。翅翼作动器框架根部的顶端和底端与电源正负极连接。通过电源提供的电流产生热量来控制翅翼作动器框架实现奥氏体和马氏体之间相变，进而促使翅翼作动器框架产生形变。
本发明基于形状记忆合金的翅翼作动器的加工方法，包括以下步骤：
（1）合金粉末制备：按纯钛为49.4at.％和纯镍为50.6at.％的原子比例进行配置镍钛合金材料，将配料熔炼获得镍钛合金棒材，然后采用电极感应气雾化棒材制出镍钛合金粉末，进一步对粉末进行筛选过滤处理，得到所需的镍钛合金粉末粒径。
（2）4D打印成形: 采用选区激光熔化(SLM)技术打印镍钛形状记忆合金样品，将制备好的镍钛合金粉末通过SLM的4D打印成形，获得镍钛形状记忆合金的翅翼作动器样品。
（3）样品切割：将4D打印成形的样品通过数控线切割机床从基板切割下来，并切成所需相应厚度的样品。
（4）样品形状训练：制备好所需训练形状的约束模具，将切割好的样品使用约束模具固定好。然后把约束模具固定好的样品一起放入高温箱式炉内，并在高温箱式炉保温一段时间，高温时间结束后进行炉冷，最后将炉冷完成后的样品放入冷水中进行淬火冷却，获得具有形状记忆特性的样品。
（5）样品表面磨光：将训练完成样品进行表面打磨，以获得表面光滑的样品。
优选地，优选过筛的镍钛合金粉末粒径为15～53μm。
优选地，所述4D打印的SLM设备成形参数定义为：激光功率P为120W，扫描速度ν为700mm/s，扫描间距H为60mm，铺粉层厚度T为30mm，能量输入密度E约为309J/mm3(E＝P/ν×H×T)。
优选地，所述的翅翼作动器样品的切割厚度为0.3～0.4mm。
优选地，所述的样品在充满氩气高温箱式炉内温度为500℃保温2h，炉冷时间为7～10h。
优选地，所述打磨合金材料可以为干磨砂纸、水磨砂纸、耐水砂纸，优选为干磨砂纸。
相比于现有技术，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明设计的一种基于形状记忆合金的翅翼作动器及其加工方法。利用形状记忆合金来制备翅翼作动器，通过外加电来调控翅翼作动器的形变，进而实现翅翼伸展和卷缩的状态，这极大地缩小翅翼的尺寸和占用空间，提高翅翼控制方向精准度和藏身功能，在实际中具有良好的实用价值。
2、在本发明基于形状记忆合金的翅翼作动器具有体积小，重量轻，易于控制，便于加工和实用性强等优点，其采用4D打印的制备方法拥有样品质量好，效率和精度高等优势。
附图说明
图1为一种基于形状记忆合金的翅翼作动器的三维结构示意图。
图2为一种基于形状记忆合金的翅翼作动器的二维结构示意图。
图3为本发明镍钛形状记忆合金的翅翼作动器加工方法流程示意图。
图4为本发明基于形状记忆合金的翅翼作动器驱动装置示意图。
图5为本发明基于形状记忆合金的翅翼作动器弯卷状态示意图。
图中标号：1、翅翼作动器框架；2、电源；3、开关器；4、导线；1-1、线条形镍钛形状记忆合金；1-2、弧条形镍钛形状记忆合金；1-3、网格结构。
具体实施方式
为了更加清楚理解本发明技术方案目的，下面将结合附图及实施例对本发明进一步详细地阐述，以下具体描述的实施例仅对本发明进行解释说明，并未对本发明加以限制。
如图1～2所示，一种基于形状记忆合金的翅翼作动器的三维和二维结构示意图，包括多个线条形镍钛形状记忆合金1-1、弧条形镍钛形状记忆合金1-2组成具有多个不同形状网格结构1-3的翅翼作动器框架1，其中，每个线条形镍钛形状记忆合金1-1和弧条形镍钛形状记忆合金1-2的宽度和厚度完全一致。电源2为翅翼作动器框架1供电，采用开关器3来控制通电和断电状态。翅翼作动器的几何结构参数为：翅翼作动器框架长度d为72mm，宽度t为25mm，多个线条形和弧条形的厚度h为0.1～1mm，宽度w为1mm。
图3为本发明镍钛形状记忆合金的翅翼作动器加工方法流程示意图。其制备方法具体的步骤包括：
（1）合金粉末制备：按纯钛为49.4at.％和纯镍为50.6at.％进行原子比例配置镍钛合金材料，然后将配料进一步熔炼得到镍钛合金棒材，通过电极感应气雾化镍钛合金棒材获得镍钛合金粉末。为了得到理想的镍钛合金粉末粒径，对粉末进行过滤筛选处理，最后通过过筛制备出粒径为15～53μm的钛镍合金粉末。
（2）4D打印成形: 采用SLM技术打印1mm厚度的镍钛形状记忆合金仿翅驱动器的样品。首先在SLM设备上设置参数：激光功率P为120W，扫描速度ν为700mm/s，扫描间距H为60mm，铺粉层厚度T为30mm，能量输入密度E约为309J/mm3(E＝P/ν×H×T)。然后将solidworks软件设计完成地翅翼作动器的三维模型导入到Magics分层处理，进一步将数据文件导入SLM设备中，保存参数设置。在密封打印室内采用真空泵抽真空，然后向室内充入高纯氩气，在激光打印时确保室内氧含量低于200ppm。再将铺粉治具把镍钛合金粉末在基板上铺置30mm的厚度，将剩余的粉末回收。在粉末和参数就绪完成后，最后启动激光器打印按钮，此时激光器按照设置参数和设计形状进行粉末熔化，直到打印成形翅翼作动器的形状。
（3）样品切割：将4D打印成形样品通过数控线切割机床从基板切割下来，原理是以电极丝作为电极，在脉冲电源的作用下，电极丝和切割样品之间形成火花放电产生热量，使样品表面熔化，从而实现切割样品的目的。通过设置参数可以切割相应厚度的样品，将成形翅翼作动器从基板上切割下来，得到独立0.3～0.4mm厚度的翅翼作动器。
（4）样品形状训练：先将翅翼作动器展开成平面形作为形状一，翅翼作动器收缩成弯卷形为形状二。根据两种形状进行设计约束模具，首先对形状一进行训练，将切割完成的翅翼作动器样品通过模具约束好形状一，把约束模具固定好翅翼作动器样品的形状一放入到高温箱式炉内进行约束时效处理，在充满氩气炉内加热温度至500℃，保温时间2h，高温时间结束后，进行炉冷7～10h。最后炉冷完成后的将翅翼作动器样品放入冷水中进行淬火冷却，完成形状一的训练。其次，将冷却完成翅翼作动器样品进行形状二训练，把约束模具固定好翅翼作动器样品的形状二模态，其训练重复上述形状一训练的步骤。从而获得具有双程记忆特性的镍钛形状记忆合金的翅翼作动器样品。
（5）样品表面磨光：将训练完成翅翼作动器样品进行表面打磨，采用砂纸对镍钛形状记忆合金翅翼作动器样品表面进行反复打磨，清水冲洗干净，得到表面光滑的翅翼作动器样品。
图4为本发明基于形状记忆合金的翅翼作动器驱动装置示意图。为了检测镍钛形状记忆合金的翅翼作动器变形功能，将对作动器装置进安装，其组装步骤包括：首先将两个导线4分别连接翅翼作动器的根部顶端和底端；然后将连接翅翼作动器根部顶端的导线4与开关器一端相连，开关器的另一端通过导线4至连接电源正极；再将连接翅翼作动器根部底端的导线4与电源负极相连。
基于镍钛形状记忆合金的翅翼作动器工作原理为：根据镍钛形状记忆合金效应，当低温时记忆合金在马氏体可以任意变形其他形状，当加热时记忆合金由马氏体转变到奥氏体模态，冷却时恢复到马氏体模态。因此，当通电时，镍钛形状记忆合金的翅翼作动器框架有电流流过，使其内部电阻发热产生热量，当温度升高到达奥氏体的临界温度时，翅翼作动器呈现出弯卷状态，如图5所示；当断电时，温度降低作动器框架恢复到马氏体模态，翅翼作动器呈现展开状态，如图4所示。因此，通过电控来实现纵向上的弯卷和展开两类状态，从而有效地缩小翅翼的占空比。
上述实施例为本发明的最佳实施方式，本发明的实施方式仅是对技术方案进行了具体解释，并不是对本发明限制，在不脱离本发明的构思和设计前提下，凡是对本发明的技术方案做出各种修改、等同变形或改进，均属于本发明技术方案的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于形状记忆合金的翅翼作动器，其特征在于：包括翅翼作动器框架（1）、用于给所述翅翼作动器框架（1）供电的电源（2）以及控制电路通断的开关器（3）；所述翅翼作动器框架（1）为由若干线条形镍钛形状记忆合金（1-1）、若干弧条形镍钛形状记忆合金（1-2）构成含有不同形状网格结构（1-3）的翅翼作动器框架（1），且每个线条形镍钛形状记忆合金（1-1）和弧条形镍钛形状记忆合金（1-2）的宽度和厚度完全一致。
2.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金的翅翼作动器，其特征在于：所述翅翼作动器框架（1）整体的长度为d为72mm，宽度t为25mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金的翅翼作动器，其特征在于：所述翅翼作动器框架（1）中的每个线条形镍钛形状记忆合金和弧条形镍钛形状记忆合金的厚度h为0.1mm～1mm，宽度w为1mm。
4.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金的翅翼作动器，其特征在于：所述翅翼作动器框架（1）采用4D打印的加工方法，制备出镍钛形状记忆合金的翅翼作动器框架。
5.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金的翅翼作动器，其特征在于：所述电源（2）采用电流为1～20A可调的直流电源，翅翼作动器框架（1）的根部顶端与开关器（3）一端相连，开关器（3）的另一端通过导线至连接电源（2）的正极，翅翼作动器框架（1）的根部底端通过导线与电源负极相连。
6.根据权利要求1-5所述的一种基于形状记忆合金的翅翼作动器的加工方法，其特征在于：该制备方法包括以下步骤：
（1）制备镍钛合金粉末：按纯钛为49.4at.％和纯镍为50.6at.％的原子比例配置镍钛合金材料，将配料熔炼获得镍钛合金棒材，采用电极感应气雾化棒材获得镍钛合金粉末，对粉末进行筛选过滤处理，获得粒径为15～53μm的钛镍合金粉末；
（2）4D打印翅翼作动器：采用选区激光熔化技术打印镍钛形状记忆合金样品，在SLM设备上设置工艺参数为：激光功率P为120W，扫描速度ν为700mm/s，扫描间距H为60mm，铺粉层厚度T为30mm，能量输入密度E约为309J/mm3，E＝P/ν×H×T，打印1mm厚度的镍钛形状记忆合金翅翼作动器的样品；
（3）翅翼作动器样品切割：采用数控线切割机床切割，设置相应切割参数，进而将翅翼作动器样品从基板上切割下来，得到独立0.3～0.4mm厚度的镍钛形状记忆合金翅翼作动器；
（4）样品形状训练：以翅翼作动器展开作为形状一，翅翼作动器弯卷为形状二，通过约束模具固定好的形状一放入到高温箱式炉内进行约束时效处理，在充满氩气炉内加热温度至500℃，保温时间2h，在炉内自动冷却7～10h，将样品放入冷水中淬火处理，完成形状一的训练，将约束模具固定好的形状二放入到高温箱式炉内，重复形状一训练的步骤，最后得到具有双程记忆特性的镍钛形状记忆合金的翅翼作动器样品；
（5）样品表面磨光：采用砂纸对镍钛形状记忆合金仿翅的作动器样品表面进行反复打磨，清水冲洗干净，以获得表面光滑的镍钛形状记忆合金仿翅的作动器样品。
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