一种基于4D打印的智能温控点阵结构及其应用制造技术

一种基于4D打印的智能温控点阵结构及其应用，属于点阵金属的增材制造技术领域，所述点阵结构由点阵金属和储液仓组成，点阵金属为十四面壳体六孔连通点阵胞元拓展而成的整体密闭结构，储液仓与点阵金属相连通；点阵结构制备方法为：首先采用三维设计软件对点阵结构进行孔型结构工艺适应性设计，建立点阵结构的三维模型；然后对三维模型进行切片化处理，采用高体能量密度、低激光功率、低扫描速度为特征的选区激光熔化增材制造工艺制备点阵结构；再对所得点阵结构进行固溶处理；最后在常温条件下，灌注冷却液进入储液仓后将点阵金属开口冷压闭合。所得点阵结构具有点阵金属开口智能开合、预设响应温度可调控、质量轻、密度小、可设计性强的特点。设计性强的特点。设计性强的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于4D打印的智能温控点阵结构及其应用


[0001]本专利技术属于点阵金属的增材制造
，具体涉及一种具有智能温控功能的4D打印点阵结构及制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着航空航天技术的不断发展，对飞行器高端耐温部件的需求不断增加。在高速、超声速等航天飞行器飞行过程中，由于飞行器燃烧的脉动和震荡极易引起飞行器外表面局部热流密度过大、温度过高，飞行器在飞行过程中由于与空气的摩擦力的存在，外表面温度往往高于1000K，这给精密的航空航天飞行器的正常工作埋下了极大的隐患。
[0003]为避免过高的外表面温度对航空航天飞行器飞行安全造成影响，国内外通常使用如下两种处理方式：第一种为被动冷却模式，通过提高航空航天材料结构耐高温性能，避免外部温度对飞行器内部结构造成影响，维持飞行器内部温度稳定，这种方法是如今最常用的局部“冷却”方式，此类耐高温材料普遍是高温合金和陶瓷材料复合成型，笨重的质量和庞大的体积严重阻碍了航空航天飞行器的进一步发展；第二种为主动冷却功能结构部件，通常通过电路控制结构中冷却液的喷射流量实现飞行器外表面的温度控制，这种温控结构部件通常包括电路、水箱、管道等多种设备零件，复杂的设备构造严重限制了其进一步的应用。
[0004]点阵结构由于其高自由度的可设计性为人熟知，通过点阵胞元、孔型结构、基体成分等特征调控，可实现复杂零件结构的多类型功能需求，以金属为基体材料的点阵金属是一种结构
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功能一体化的新型有序多孔材料，与传统金属材料相比，点阵金属在轻量、强度和功能性等方面具有巨大优势，作为轻量化材料受到人们的广泛关注，点阵金属结构也常应用于航空航天、装备制造等军工领域。
[0005]然而传统的制备工艺难以满足复杂结构如金属点阵结构的精确成形，增材制造工艺（3D打印）为高性能金属点阵结构的设计提供了新的思路，4D打印的构件在3D打印的基础上，在特定环境如热、磁、光、声等刺激下，结构的形状、性能等方面可发生变化。通过研究发现，部分合金如Ni
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Ti基、Cu基、Fe基等金属体系，在外界温度刺激下引起马氏体和奥氏体间的转变实现形状变化和回复，因此具有形状记忆效应。4D打印形状记忆合金为基体的点阵结构为实现温控功能结构部件的研发提供了新思路，突破了4D打印结构在温控领域实际应用的技术瓶颈，有益于航空航天飞行器的进一步迭代升级。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的不足及航空航天产业对高性能温控结构部件的迫切需求。本专利技术提供了一种基于4D打印的智能温控点阵结构及其应用，突破了主动冷却点阵结构设计与制备的技术瓶颈，满足了航空航天领域等极端环境条件下对高温服役零部件的迫切需求。
[0007]本专利技术的目的之一是设计一种具有智能温控功能的点阵结构，点阵结构在室温环境下为内部充满冷却液的完全密闭点阵结构，其在环境温度达到预设响应温度后，点阵金
属开口处自动打开，储液仓内部冷却液喷出进而实现温控功能。
[0008]本专利技术的另一目的是通过4D打印实现智能温控点阵结构的制备，并根据应用需求，通过改变增材制造工艺参数、热处理及相关后处理工艺参数等方式有效调控智能温控点阵结构的预设响应温度。基于选区激光熔化增材制造工艺，采用高体能量密度、低激光功率、低扫描速度等增材工艺参数有效提高镍钛基体材料相变温度，进而将智能温控点阵结构预设响应温度提高到应用水准。
[0009]本专利技术的技术方案为：一种基于4D打印的智能温控点阵结构，所述点阵结构由点阵金属和储液仓两部分组成，其中点阵金属为十四面壳体六孔连通点阵胞元拓展而成的整体密闭结构，储液仓与点阵金属相连通；采用选区激光熔化增材制造工艺制备所述点阵结构，具体步骤如下：步骤一、采用三维设计软件对所述点阵结构进行孔型结构工艺适应性设计，建立点阵结构三维模型；步骤二、采用切片软件对步骤一中建立的点阵结构三维模型进行切片化处理，采用高体能量密度、低激光功率、低扫描速度为特征的选区激光熔化增材制造工艺制备点阵结构，所述高体能量密度为250J/mm3~400J/mm3，低激光功率为60W~100W，低扫描速度为80~200mm/s；步骤三、对步骤二所获得的点阵结构进行固溶处理，固溶温度为800℃~1100℃，固溶时间为1h~15h；
[0010]步骤四、常温条件下，灌注冷却液进入储液仓后将点阵金属开口冷压闭合。
[0011]作为优选的技术方案：
[0012]步骤二中，所述选区激光熔化增材制造工艺的其他工艺参数为：扫描间隔40μm~125μm，扫描角度45
°
~90
°
，层厚20μm~50μm。
[0013]点阵金属的单胞为十四面壳体六孔连通的开口多面体结构，点阵金属的孔隙率范围为35%~90%，点阵结构板壳厚度为0.5mm~2mm，点阵金属开口对角线长度为0.5mm~2mm。
[0014]所述智能温控点阵结构的基体材料为镍钛形状记忆合金粉体，所述镍钛形状记忆合金中镍元素质量分数为55.08%~56.10%，合金粉末粒径为15μm~53μm。
[0015]所述冷却液为水或石蜡。
[0016]所述智能温控点阵结构在环境温度激励达到预设响应温度时，点阵金属开口处自动打开，储液仓内冷却液由点阵金属开口喷出实现温控功能。
[0017]所述预设响应温度范围为15℃~80℃。
[0018]本专利技术所述基于4D打印的智能温控点阵结构可用于制备航天飞行器高温服役零部件。
[0019]本专利技术的优点及有益效果是：
[0020]1. 点阵金属开口智能开合：本专利技术设计了一种全新的智能温控点阵结构，利用形状记忆合金在温度激励条件下的形状记忆效应，结合选区激光熔化增材制造工艺制备出了智能温控点阵结构，通过冷压等后处理工艺实现点阵金属开口的完全闭合，在温度激励条件下，点阵金属开口可自动开合从而实现智能温控功能，可通过调控孔隙率、板壳厚度及点阵金属开口大小来调控点阵结构工作时冷却液排出速度。
[0021]2.预设响应温度可调控：本专利技术通过改变增材制造工艺参数实现了点阵结构相变温度的有效调控，通过调控高体能量密度、低激光功率、低扫描速度的增材制造工艺参数以及后续固溶处理工艺参数，将点阵结构相变温度提高到预设响应温度。统筹设计增材制造工艺、热处理及相关后处理工艺实现了智能温控点阵结构的预设响应温度在15~80℃预设响应温度区间内可调控，满足了智能温控点阵结构的应用要求。
[0022]3.质量轻、密度小：本专利技术所述智能温控点阵结构整体质量轻、密度较小，相比较常用于高温环境中由耐温材料组成的被动冷却结构以及由复杂管路组成的主动冷却结构，本专利技术所述方案极大地减轻了材料在服役中对飞行器的能量消耗。
[0023]4.可设计性强：本专利技术结合增材制造工艺特点，采用选区激光熔化增材制造工艺设计并制备了包括点阵金属与储液仓的智能温控功能部件，避免了常见的同类型温控功能结构部件内部如线路、水箱、管道等复杂排布要求，有效避免了使用过程中重量和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于4D打印的智能温控点阵结构，其特征在于：所述点阵结构由点阵金属和储液仓两部分组成，其中点阵金属为十四面壳体六孔连通点阵胞元拓展而成的整体密闭结构，储液仓与点阵金属相连通；采用选区激光熔化增材制造工艺制备所述点阵结构，具体步骤如下：步骤一、采用三维设计软件对所述点阵结构进行孔型结构工艺适应性设计，建立点阵结构三维模型；步骤二、采用切片软件对步骤一中建立的点阵结构三维模型进行切片化处理，采用高体能量密度、低激光功率、低扫描速度为特征的选区激光熔化增材制造工艺制备点阵结构，所述高体能量密度为250J/mm3~400J/mm3，低激光功率为60W~100W，低扫描速度为80~200mm/s；步骤三、对步骤二所获得的点阵结构进行固溶处理，固溶温度为800℃~1100℃，固溶时间为1h~15h；步骤四、常温条件下，灌注冷却液进入储液仓后将点阵金属开口冷压闭合。2.按照权利要求1所述基于4D打印的智能温控点阵结构，其特征在于：步骤二中，所述选区激光熔化增材制造工艺的其他工艺参数为：扫描间隔40μm~125μm，扫描角度45
°
~90
°
，...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏彦鹏，于波，马英纯，成京昌，时坚，高鹏，苗治全，关书文，
申请(专利权)人：中国机械总院集团沈阳铸造研究所有限公司，
类型：发明
国别省市：