本技术涉及复合材料4d打印，具体涉及可编程sma复合材料智能结构的4d打印方法及其打印装置。
背景技术：
1、sma丝材是形状记忆合金中应用最广泛的一种形式，它在变形时表现出高能量密度、大应变、大应力和快速响应等特性，广泛应用于航空航天、生物医疗和机械电子等领域。此外，sma丝材通常与聚合物材料复合形成智能结构，以发挥双方的协同效应，这种复合材料可以提高sma丝材的形状记忆变形能力，同时也能增强聚合物自身的强度。然而，sma丝材的重新训练编程工艺较为复杂，通常需要先利用设计好的模具施加机械载荷固定住sma丝材，产生想要的编程形状，在此基础上经过高温处理才能最终实现重新训练。并且与其他材料复合制造时，也需要先对sma丝材进行重新编程，然后再将其嵌入聚合物材料当中，无法一体化成型，制造过程较为繁琐。这些因素在一定程度上限制了sma复合材料智能结构的实际应用。
2、4d打印技术能够在制造过程中一步成型，实现产品的自组装和自变形，大大提高了sma复合材料智能结构在制造中的可行性和灵活性。其中，熔融沉积成型(fdm)工艺凭借制造灵活性和集成性强的特点，为制造可变形sma复合材料智能结构提供了新的方向。然而，目前利用fdm工艺进行4d打印sma复合材料智能结构存在一定局限性，通常是先3d打印出聚合物基体，再将预先训练好的sma丝材通过插入、热压或粘合的方式嵌入其中，形成复合材料，这种方法虽然也能实现sma复合材料智能结构的制造，但操作过程繁琐且复杂。同时，在制造sma复合材料智能结构时，sma丝材的形状编程环节往往依赖于定制模具，导致生产周期较长，难以迅速响应各种工况，以满足对特定变形能力的即时适应性要求。
3、因此，亟需开发一种可编程sma复合材料智能结构的4d打印方法及装置，实现sma复合材料智能结构的高效率、智能化制造。
4、该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本技术的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
技术实现思路
1、为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供可编程sma复合材料智能结构的4d打印方法及其打印装置。通过4d打印技术，将形状记忆合金(sma)丝材和聚合物基体一体化打印，获得可变形的sma复合材料智能结构。同时，通过设计的sma丝材张紧结构和sma丝材角度控制结构，在打印过程中利用热载荷和机械变形，能够直接将初始直线形状的sma丝材编程为期望的弯曲形状，并且能够精确控制弯曲形状的曲率。这样，最终打印完成的智能结构样件就具有可控变形的能力。
2、在本技术的一些实施例中，一种可编程sma复合材料智能结构的4d打印装置，所述打印装置包括：打印功能组件、打印平台、打印机框架、移动导轨；
3、所述打印平台设置于所述打印机框架内，用于放置待打印件；
4、所述移动导轨设置于所述打印机框架上，所述移动导轨包括两两垂直的x轴移动导轨、y轴移动导轨和z轴移动导轨，用于带动打印功能组件在x、y和z轴三个方向上移动；
5、所述打印功能组件包括组装式打印喷头、喷头旋转装置、sma张紧装置、sma角度调节装置、散热管、加热块以及移动平台，所述移动平台位于散热管和加热块之间；
6、其中，所述组装式打印喷头包括sma丝材导引罩、固定罩和聚合物喷嘴，所述聚合物喷嘴与所述加热块相连接，所述sma丝材导引罩和固定罩分别装配到聚合物喷嘴的两侧，sma丝材导引罩和固定罩与聚合物喷嘴之间为间隙配合，能够围绕聚合物喷嘴进行周向转动；
7、所述喷头旋转装置包括步进电机、第一齿轮、轴承、第二齿轮和连接板；所述步进电机固定于移动平台一侧，电机转轴上安装第一齿轮，所述轴承固定于移动平台下方，外圈能够转动，所述第二齿轮和轴承外圈固定，通过和第一齿轮之间的相互啮合，随步进电机的带动而旋转；所述连接板上端和第二齿轮连接固定，下端和固定罩连接固定，连接板将第二齿轮的转动传递到固定罩上，从而带动sma丝材导引罩旋转；
8、所述sma张紧装置包括阻尼式sma丝材筒和支撑杆；所述支撑杆上端和第二齿轮固定，下端连接阻尼式sma丝材筒，使第二齿轮旋转的同时带动阻尼式sma丝材筒同步转动，打印过程中阻尼式sma丝材筒为sma丝材提供张紧力；
9、所述sma角度调节装置，包括滑筒和sma角度调节滑杆；所述滑筒上端和第二齿轮连接固定，所述sma角度调节滑杆的上端和滑筒配合。
10、在本技术的一些实施例中，所述聚合物喷嘴通过上半部分设有的外螺纹拧入加热块的螺纹孔中；所述sma丝材导引罩和固定罩分别装配到聚合物喷嘴的两侧，并用固定螺丝连接。
11、在本技术的一些实施例中，所述聚合物喷嘴上半部分设有的外螺纹的公称直径为m6，用于将其拧入到加热块中。
12、在本技术的一些实施例中，所述滑筒和sma角度调节滑杆的配合，使滑杆能够上下滑动，且两者之间有阻尼作用，阻尼力大于sma丝材施加于滑杆上的力，确保滑杆能够在预定位置固定。
13、在本技术的一些实施例中，所述sma角度调节滑杆末端设置有圆孔，所述圆孔和设置于所述sma丝材导引罩上sma丝材入口近距离贴合。
14、在本技术的一些实施例中，设置于sma丝材导引罩上的sma丝材入口、喷头旋转装置中的连接板、sma张紧装置中的阻尼式sma丝材筒与设置于sma角度调节滑杆末端的圆孔，位于同一竖直平面内，并且随着第二齿轮的旋转进行同步转动。
15、在本技术的一些实施例中，打印过程中，通过程序控制步进电机，带动组装式喷头旋转，始终保持sma丝材导引罩侧面的sma丝材入口位于打印方向的正前方，确保sma丝材准确沉积到聚合物基体当中。
16、在本技术的一些实施例中，所述sma丝材入口为扇形。
17、在本技术的一些实施例中，固定罩采用绝热材料制成，防止在导引罩前方训练完成的sma丝材，沉积到固定罩的下方时，受到过高的温度产生反向训练效果，同时也能加快聚合物的冷却凝固，使sma丝材更好的粘附于打印平台之上。
18、在本技术的一些实施例中，打印所用到的聚合物基体，通过送丝机被送入加热块融化，融化后通过聚合物喷嘴沉积到打印平台上，冷却固化成型。
19、在本技术的一些实施例中，打印所用到的sma丝材，先穿过sma角度调节滑杆末端设置的圆孔，再从导引罩的侧面入口被送入，最后从导引罩的底部圆孔被拉出，在打印的过程中，sma丝材被打印平台上的聚合物浸润包裹并冷却沉积到打印平台上。
20、在本技术的一些实施例中，在打印方向上保持sma丝材导引罩位于聚合物喷嘴的正前方，使得从导引罩底部圆孔拉出的sma丝材能够准确沉积在打印路径的中央位置。
21、在本技术的一些实施例中，步进电机带动第一齿轮转动，进而带动的第二齿轮转动，第二齿轮上的连接板带动固定罩转动，致使sma丝材导引罩旋转，使得sma丝材导引罩始终位于打印路径正前方。
22、在本技术的一些实施例中，所述支撑杆的上端与第二齿轮固定连接，下端连接阻尼式sma丝材筒，当第二齿轮在程序控制下进行旋转时，可带动整个丝材筒随之旋转，使得丝材筒始终位于打印方向的正前方位置。
23、在本技术的一些实施例中，阻尼式sma丝材筒在打印过程中负责供给sma丝材，并对其施加张紧力，使得sma丝材在打印过程中保持恒定的张紧状态，避免松弛现象的发生。
24、在本技术的一些实施例中，张紧力应小于打印平台上固化的聚合物对sma丝材的粘附力，确保sma丝材不会被过大的张力拉出，能够顺利沉积在打印平台上，同时，阻尼筒的阻尼力必须小于sma丝材的拉伸相变开始应力σs，防止打印时sma丝材在张紧力的作用下产生拉伸应变。
25、在本技术的一些实施例中，滑筒的上端与第二齿轮固定连接，下端装配有sma角度调节滑杆，当第二齿轮旋转时，能够带动滑杆转动，使sma角度调节滑杆与sma丝材导引罩的横向相对位置保持恒定不变。
26、在本技术的一些实施例中，通过sma角度调节滑杆的上下滑动，调节sma丝材进入导引罩入口的位置高度，使得sma丝材在打印前后形成一定的角度α。
27、在本技术的另一些实施例中，还提供可编程sma复合材料智能结构的4d打印方法，包括以下步骤：
28、根据打印需要实时调整打印功能组件在x轴移动导轨、y轴移动导轨和z轴移动导轨上的相对位置，通过送丝机将聚合物丝材通过散热管送入加热块中；
29、阻尼式sma丝材筒上的sma丝材，经过角度调节滑杆上设置的圆孔进入sma丝材导引罩侧面的入口中，经sma丝材导引罩的高温加热训练后从底部圆孔处送出，随着打印的进行，被打印路径上已经融化挤出的聚合物基体粘附到打印平台上，形成sma复合材料智能结构；
30、在打印过程中，通过步进电机带动组装式打印喷头转动，保持sma出口的位置始终位于聚合物丝材出口的正前方；使用sma角度调节装置控制sma的训练角度α的大小，得到最终变形角度可控的sma复合材料智能结构直至打印完成。
31、在本技术的一些实施例中，打印完成后对制备完成的复合材料样品两端裁剪形成最终样件。
32、在本技术的一些实施例中，sma丝材的打印过程为：阻尼式sma丝材筒上的sma丝材，首先经过sma角度调节装置，被送入打印喷头内部，经喷头的高温加热后从喷头底部sma出口被拉出，随着打印的进行，被打印路径上已经融化挤出的聚合物基体粘附到打印平台上，形成sma复合材料智能结构。
33、在本技术的一些实施例中，通过调节sma丝材角度调节装置的高低，能够改变sma丝材在a点处的角度α，角度α越小，sma丝材的编程程度越高，反之则越低。
34、在本技术的一些实施例中，控制打印完成后sma复合材料智能结构可弯曲变形程度的方法，还可通过选用不同直径的sma丝材、控制聚合物挤出量的多少来决定，直径越粗的sma丝材的形状恢复应力越大，可以促进复合材料的变形，聚合物的挤出量越多，可以提高复合材料整体刚性，限制变形。
35、与现有技术相比，本技术至少具有以下有益效果：
36、本技术提出了一种可编程的形状记忆合金(sma)复合材料智能结构的4d打印方法及装置。该方法通过4d打印技术将sma丝材原位编程和聚合物基体一体化打印，获得可变形的sma复合材料智能结构。在打印过程中，利用热载荷和机械变形对sma丝材进行原位训练编程，使初始形状为直线的sma，获得重新训练编程的弯曲形状，从而赋予最终打印完成的智能结构可控变形的能力。本技术的打印装置通过一系列的关键部件，实现了sma复合材料智能结构的一体化、智能化制造。通过调节sma丝材角度调节装置，可以控制sma丝材在打印过程中的编程角度，从而决定最终打印完成的sma复合材料智能结构的可变形程度，为智能可变形复合材料的制造提供了新的技术手段。
1.一种可编程sma复合材料智能结构的4d打印装置，其特征在于，所述打印装置包括：打印功能组件、打印平台、打印机框架、移动导轨；
2.根据权利要求1所述的一种可编程sma复合材料智能结构的4d打印装置，其特征在于，所述聚合物喷嘴通过上半部分设有的外螺纹拧入加热块的螺纹孔中；所述sma丝材导引罩和固定罩分别装配到聚合物喷嘴的两侧，并用固定螺丝连接。
3.根据权利要求1所述的一种可编程sma复合材料智能结构的4d打印装置，其特征在于，所述滑筒和sma角度调节滑杆的配合，使滑杆能够上下滑动，且两者之间有阻尼作用，阻尼力大于sma丝材施加于滑杆上的力，确保滑杆能够在预定位置固定。
4.根据权利要求1所述的一种可编程sma复合材料智能结构的4d打印装置，其特征在于，所述sma角度调节滑杆末端设置有末端圆孔，所述末端圆孔和设置于所述sma丝材导引罩上sma丝材入口贴合。
5.根据权利要求1所述的一种可编程sma复合材料智能结构的4d打印装置，其特征在于，设置于sma丝材导引罩上的sma丝材入口、喷头旋转装置中的连接板、sma张紧装置中的阻尼式sma丝材筒与设置于sma角度调节滑杆末端的末端圆孔，位于同一竖直平面内，并且随着第二齿轮的旋转进行同步转动。
6.根据权利要求1所述的一种可编程sma复合材料智能结构的4d打印装置，其特征在于，打印过程中，通过程序控制步进电机，带动组装式打印喷头旋转，始终保持sma丝材导引罩侧面的sma丝材入口位于打印方向的正前方，确保sma丝材准确沉积到聚合物基体当中。
7.根据权利要求1所述的一种可编程sma复合材料智能结构的4d打印装置，其特征在于，打印所用到的sma丝材，先穿过sma角度调节滑杆末端设置的末端圆孔，再从导引罩的侧面入口被送入，最后从导引罩的底部圆孔被拉出，在打印的过程中，sma丝材被打印平台上的聚合物浸润包裹并冷却沉积到打印平台上。
8.一种可编程sma复合材料智能结构的4d打印方法，其特征在于，使用权利要求1-7任一项所述的打印装置，具体为：
9.根据权利要求8所述的一种可编程sma复合材料智能结构的4d打印方法，其特征在于，打印完成后对制备完成的复合材料样品两端裁剪形成最终样件。
10.根据权利要求8所述的一种可编程sma复合材料智能结构的4d打印方法，其特征在于，通过选用不同直径的sma丝材、控制聚合物挤出量的多少来改变智能结构的弯曲变形程度。
