具有蜂窝结构的自驱动重复锁紧释放机构及其4D打印制备方法和锁紧释放方法与流程

本发明涉及一种自驱动重复锁紧释放机构及其制备方法和锁紧释放方法。

背景技术

人造卫星的天线和太阳翼等结构在工作过程中需要占用较大的面积达到需要的工作条件，因此在发射过程需要折叠收拢起来，以减小空间占用，到达指定位置后进行解锁展开工作，因此锁紧释放机构是必不可少的。传统的火工品如爆炸螺栓等是航空航天和武器装备等领域广泛应用的一种分离装置，能够实现人造卫星的天线和太阳翼等结构的锁紧释放，但爆炸螺栓的爆炸对周围结构会产生较大冲击，爆炸产生碎片和气体等会损伤附近装置，对设备产生污染，并且爆炸螺栓材质一般是合金钢，其密度一般为7～8g/cm³，结构质量较大。现有的蜂窝结构主要分为两种，一种是胶粘蜂窝板，蜂窝芯之间、以及蜂窝芯与面板之间均采用胶粘方式结合，这种结合方式的力学强度、使用寿命等指标均受限于粘胶剂；另一种是钎焊蜂窝板，通过钎焊方式形成的金属连接与胶粘蜂窝板的性能相比具有显著提高，但钎焊不适用于聚合物及复合材料。

技术实现要素：

本发明为解决传统的爆炸螺栓在释放机构时由于爆炸产生巨大的冲击、爆炸碎片或气体等损伤附近装置和爆炸螺栓质量大的问题，提出了一种具有蜂窝结构的自驱动重复锁紧释放机构及其4d打印制备方法和锁紧释放方法。

本发明具有蜂窝结构的自驱动重复锁紧释放机构由锁紧件和连接件构成；锁紧件由锁紧件底座和形变杆构成；连接件由连接杆和连接杆固定块构成；

所述形变杆一端与锁紧件底座固接，锁紧件底座上设置有数个通孔；形变杆的主体为数个平面层和数个蜂窝层构成，蜂窝层设置于相邻的平面层之间；所述蜂窝层中蜂窝单元为六棱柱，六棱柱的截面六边形，六边形的边长为0.25～0.35mm；

所述形变杆的平面层和蜂窝层的主体材质为形状记忆聚合物，形状记忆聚合物内设置有纤维增强相，形变杆的上设置有两根导线；导线的一端设置于形变杆主体内部，导线的另一端引出至形变杆外部；其中，形变杆的上设置的两根导线一端设置于形变杆主体内部并与形变杆的导电纤维如碳纤维、石墨烯纤维、碳纳米管纤维接触，导线与形变杆内的长纤维或相互搭接的短切纤维构成导通电路，将两根导线连接电源后，形变杆的导电纤维产热，驱动形变杆形状回复；

所述形变杆的其中一个表面上设置有产热电路，产热电路两端设置有引出导线；所述产热电路通过激光刻蚀或丝网印刷方式加工；将引出导线连接电源后，形变杆的产热电路产热，驱动形变杆形状回复；

所述锁紧件底座的主体材质为形状记忆聚合物；

所述形状记忆聚合物为苯乙烯系形状记忆聚合物、聚酰亚胺聚合物、环氧树脂系形状记忆聚合物或氰酸酯系形状记忆聚合物；

所述纤维增强相为长纤维或短切纤维；所述纤维为玻璃纤维、氨纶纤维、凯夫拉纤维、芳纶纤维中的一种或多种；

所述纤维为碳纤维、石墨烯纤维、碳纳米管纤维中的一种或多种；

所述形变杆的主体中纤维增强相的体积分数为5～60％；其中，纤维增强相所占体积分数可以根据锁紧力的需求进行调整，锁紧力较小时可以选用形状记忆聚合物材料或纤维体积分数较小的复合材料；锁紧力较大时选用纤维体积分数较大的复合材料；

所述连接杆两端分别固接有连接杆固定块，连接杆固定块上设置有螺纹孔；连接杆和连接杆固定块的材质为铝合金或钛合金；锁紧件通过螺栓穿过锁紧件底座上设置的数个通孔与卫星主体连接；连接件通过螺栓穿过连接杆固定块上设置的数个螺纹孔与折叠收拢状态的天线或太阳翼连接。

本发明具有蜂窝结构的自驱动重复锁紧释放机构具备以下有益效果：

本发明具有结构简单、自驱动、质量轻、冲击小、无污染并且强度高等优点，与传统火工品相比具有更低的研制成本。形变杆为形状记忆聚合物材料，在形状回复过程中完成释放，形状回复过程缓慢，不会瞬间产生过高的冲撞力，对周围结构的冲击小；爆炸螺栓材质一般是合金钢，而本发明形变杆为形状记忆聚合物材料，密度远远低于合金钢，因此质量轻；本发明装置形变杆中形状记忆聚合物内设置有纤维增强相，具有比强度高的特点，设置的蜂窝结构能够提高其弯曲性能；

其中，形变杆的主体为数个平面层和数个蜂窝层构成，蜂窝结构具有质轻、比强度高、比刚度大等特点，在弯曲变形过程中可以承受较大的应变，使得锁紧件能够满足大变形的需求；同时形状记忆聚合物纤维增强复合材料也具有高模量、比强度高和密度低的特点，分别从结构和材料两个角度使形变杆的主体的比强度和比刚度得到进一步提高。

上述具有蜂窝结构的自驱动重复锁紧释放机构的锁紧释放方法按以下步骤进行：

步骤一、赋形

取外径小于连接杆0.1mm的成型杆，加热形变杆使形变杆产生弯曲变形，形变杆弯曲变形后包覆在成型杆表面，形变杆形状固定后撤出成型杆，即完成形变杆的赋形；

步骤二、锁紧

将赋形后的形变杆套设在连接杆上，实现锁紧；其中，使用过程中，赋形的形变杆的内径小于连接杆的外径，因此使用时将形变杆套设于连接杆外表面后，形变杆对于连接杆提供一定的预紧力，保证了有效锁紧；

步骤三、释放

将产热电路两端设置的引出导线连接至电源，通电后产热电路产热，当形变杆温度提升至玻璃化转变温度以上时，形变杆形状回复，即完成释放；

或将形变杆的上设置的两根导线连接至电源，通电后形变杆内的碳纤维、石墨烯纤维或碳纳米管纤维产热，当形变杆温度提升至玻璃化转变温度以上时，形变杆形状回复至初始的平直状态，即完成释放；

所述形变杆的玻璃化转变温度为40～230℃。

具有蜂窝结构的自驱动重复锁紧释放机构的锁紧释放方法具备以下有益效果：

1、本发明锁紧和释放是通过形变杆表面上设置有产热电路或形变杆内的碳纤维、石墨烯纤维或碳纳米管纤维产热完成，即本发明将驱动结构嵌入形变杆结构中，整体结构更为简单可靠，减小了机构质量，可靠性高；并且形变杆具有优越的变形重复性，因此能够进行多次地面验证，提高了可靠性；

2、本发明形变杆实现锁紧后，天线或太阳翼处于折叠收拢状态，能够降低卫星在发射过程中所占的空间，也可以使卫星能够承受高量级的振动、冲击和加速度，

3、天线或太阳翼展开后可以将其视为悬臂梁结构，因此其很容易产生摆动，地面有空气阻尼的存在，摆动会逐渐降低并消失，但是空间没有空气阻尼，摆动会衰减的更慢。天线或太阳翼属于空间可展结构，一般一部分固定在卫星上，另一部分折叠后通过锁紧释放机构锁定，形变杆对拢状态的天线或太阳翼锁紧后，能够降低天线或太阳翼的固有频率，会使摆动衰减的频率区间更宽，提高摆动衰减速度。

上述具有蜂窝结构的自驱动重复锁紧释放机构中锁紧件的4d打印制备方法按照以下步骤进行：

选择两个喷头的3d打印机，在其中一个喷头内安装形状记忆聚合物线材，在另一个喷头内安装纤维；获取具有蜂窝结构的自驱动重复锁紧释放机构中锁紧件底座和形变杆的三维模型，将三维模型输入到3d打印机的打印系统中，生成运动轨迹代码，设置形状记忆聚合物线材和纤维同时出料，然后利用3d打印机进行具有蜂窝结构的自驱动重复锁紧释放机构的制备。

具有蜂窝结构的自驱动重复锁紧释放机构中锁紧件的4d打印制备方法具备以下有益效果：

本发明制备方法为4d打印增材制造方法。与传统3d打印相比，所用打印材料为形状记忆聚合物，因此打印出来的构件可以随时间发生变化，因而增加了时间上的一个维度成为4d打印；采用4d打印方法可以使形状记忆聚合物及其复合材料蜂窝结构一体成型，无需采用胶粘或焊接的工艺，大大降低了结构可以能存在的缺陷，简化了生产过程；节约耗材的基础上更提高了生产效率，同时4d打印技术为传统的蜂窝结构制备提供了一种新的思路。

说明书附图

图1为本发明形变杆2的结构示意图；

图2为本发明处于锁紧状态的具有蜂窝结构的自驱动重复锁紧释放机构的结构示意图；

图3为本发明处于释放状态的具有蜂窝结构的自驱动重复锁紧释放机构的结构示意图；

图4为本发明具有蜂窝结构的自驱动重复锁紧释放机构的结构中形变杆2的蜂窝层结构示意图。

具体实施方式：

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。

具体实施方式一：结合图1～4说明本实施方式，本实施方式具有蜂窝结构的自驱动重复锁紧释放机构由锁紧件和连接件构成；锁紧件由锁紧件底座1和形变杆2构成；连接件由连接杆3和连接杆固定块4构成；

所述形变杆2一端与锁紧件底座1固接，锁紧件底座1上设置有数个通孔；形变杆2的主体为数个平面层和数个蜂窝层构成，蜂窝层设置于相邻的平面层之间；

所述形变杆2的平面层和蜂窝层的主体材质为形状记忆聚合物，形状记忆聚合物内设置有纤维增强相，形变杆2的上设置有两根导线5；导线5的一端设置于形变杆2主体内部，导线5的另一端引出至形变杆2外部；

所述形变杆2的其中一个表面上设置有产热电路6，产热电路6两端设置有引出导线7；

所述锁紧件底座1的主体材质为形状记忆聚合物；

所述纤维增强相为长纤维或短切纤维；

所述连接杆3两端分别固接有连接杆固定块4，连接杆固定块4上设置有螺纹孔；锁紧件通过螺栓穿过锁紧件底座1上设置的数个通孔与卫星主体连接；连接件通过螺栓穿过连接杆固定块4上设置的数个螺纹孔与折叠收拢状态的天线或太阳翼连接。

本实施方式具有蜂窝结构的自驱动重复锁紧释放机构具备以下有益效果：

本实施方式具有结构简单、自驱动、质量轻、冲击小、无污染并且强度高等优点，与传统火工品相比具有更低的研制成本。形变杆2为形状记忆聚合物材料，在形状回复过程中完成释放，形状回复过程缓慢，不会瞬间产生过高的冲撞力，对周围结构的冲击小；爆炸螺栓材质一般是合金钢，而本发明形变杆2为形状记忆聚合物材料，密度远远低于合金钢，因此质量轻；本发明装置形变杆2中形状记忆聚合物内设置有纤维增强相，具有比强度高的特点，设置的蜂窝结构能够提高其弯曲性能；

其中，形变杆2的主体为数个平面层和数个蜂窝层构成，蜂窝结构具有质轻、比强度高、比刚度大等特点，在弯曲变形过程中可以承受较大的应变，使得锁紧件能够满足大变形的需求；同时形状记忆聚合物纤维增强复合材料也具有高模量、比强度高和密度低的特点，分别从结构和材料两个角度使形变杆2的主体的比强度和比刚度得到进一步提高。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述连接杆3和连接杆固定块4的材质为铝合金或钛合金。其他步骤和参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述蜂窝层中蜂窝单元为六棱柱，六棱柱的截面六边形，六边形的边长为0.25～0.35mm。其他步骤和参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述纤维为玻璃纤维、氨纶纤维、凯夫拉纤维、芳纶纤维中的一种或多种。其他步骤和参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述纤维为碳纤维、石墨烯纤维、碳纳米管纤维中的一种或多种。其他步骤和参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述产热电路6通过激光刻蚀或丝网印刷方式加工。其他步骤和参数与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述形状记忆聚合物为苯乙烯系形状记忆聚合物、聚酰亚胺聚合物、环氧树脂系形状记忆聚合物或氰酸酯系形状记忆聚合物。其他步骤和参数与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述形变杆2的主体中纤维增强相的体积分数为5～60％。其他步骤和参数与具体实施方式一至七之一相同。

具体实施方式九：结合图1～4说明本实施方式，本实施方式具有蜂窝结构的自驱动重复锁紧释放机构的锁紧释放方法法按以下步骤进行：

步骤一、赋形

取外径小于连接杆30.1mm的成型杆，加热形变杆2使形变杆2产生弯曲变形，形变杆2弯曲变形后包覆在成型杆表面，形变杆2形状固定后撤出成型杆，即完成形变杆2的赋形；

步骤二、锁紧

将赋形后的形变杆2套设在连接杆3上，实现锁紧；

步骤三、释放

将产热电路6两端设置的引出导线7连接至电源，通电后产热电路6产热，当形变杆2温度提升至玻璃化转变温度以上时，形变杆2形状回复，即完成释放；

或将形变杆2的上设置的两根导线5连接至电源，通电后形变杆2内的碳纤维、石墨烯纤维或碳纳米管纤维产热，当形变杆2温度提升至玻璃化转变温度以上时，形变杆2形状回复至初始的平直状态，即完成释放。

1、本实施方式锁紧和释放是通过形变杆2表面上设置有产热电路6或形变杆2内的碳纤维、石墨烯纤维或碳纳米管纤维产热完成，即本实施方式将驱动结构嵌入形变杆2结构中，整体结构更为简单可靠，减小了机构质量，可靠性高；并且形变杆2具有优越的变形重复性，因此能够进行多次地面验证，提高了可靠性；

2、本实施方式形变杆2实现锁紧后，天线或太阳翼处于折叠收拢状态，能够降低卫星在发射过程中所占的空间，也可以使卫星能够承受高量级的振动、冲击和加速度，

3、天线或太阳翼展开后可以将其视为悬臂梁结构，因此其很容易产生摆动，地面有空气阻尼的存在，摆动会逐渐降低并消失，但是空间没有空气阻尼，摆动会衰减的更慢。天线或太阳翼属于空间可展结构，一般一部分固定在卫星上，另一部分折叠后通过锁紧释放机构锁定，形变杆2对拢状态的天线或太阳翼锁紧后，能够降低天线或太阳翼的固有频率，会使摆动衰减的频率区间更宽，提高摆动衰减速度。

具体实施方式十：结合图1～4说明本实施方式，本实施方式具有蜂窝结构的自驱动重复锁紧释放机构中锁紧件的4d打印制备方法按照以下步骤进行：

选择两个喷头的3d打印机，在其中一个喷头内安装形状记忆聚合物线材，在另一个喷头内安装纤维；获取具有蜂窝结构的自驱动重复锁紧释放机构中锁紧件底座1和形变杆2的三维模型，将三维模型输入到3d打印机的打印系统中，生成运动轨迹代码，设置形状记忆聚合物线材和纤维同时出料，然后利用3d打印机进行具有蜂窝结构的自驱动重复锁紧释放机构的制备。

本实施方式制备方法为4d打印增材制造方法。与传统3d打印相比，所用打印材料为形状记忆聚合物，因此打印出来的构件可以随时间发生变化，因而增加了时间上的一个维度成为4d打印；采用4d打印方法可以使形状记忆聚合物及其复合材料蜂窝结构一体成型，无需采用胶粘或焊接的工艺，大大降低了结构可以能存在的缺陷，简化了生产过程；节约耗材的基础上更提高了生产效率，同时4d打印技术为传统的蜂窝结构制备提供了一种新的思路。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例1：

本实施例具有蜂窝结构的自驱动重复锁紧释放机构由锁紧件和连接件构成；锁紧件由锁紧件底座1和形变杆2构成；连接件由连接杆3和连接杆固定块4构成；

所述形变杆2一端与锁紧件底座1固接，锁紧件底座1上设置有数个通孔；形变杆2的主体为数个平面层和数个蜂窝层构成，蜂窝层设置于相邻的平面层之间；所述蜂窝层中蜂窝单元为六棱柱，六棱柱的截面六边形，六边形的边长为0.35mm；

所述形变杆2的平面层和蜂窝层的主体材质为形状记忆聚合物，形状记忆聚合物内设置有纤维增强相，形变杆2的上设置有两根导线5；导线5的一端设置于形变杆2主体内部，导线5的另一端引出至形变杆2外部；

所述形变杆2的其中一个表面上设置有产热电路6，产热电路6两端设置有引出导线7；所述产热电路6通过丝网印刷方式加工；

所述锁紧件底座1的主体材质为形状记忆聚合物；所述形状记忆聚合物为聚酰亚胺聚合物；所述纤维增强相为长纤维；所述纤维为碳纤维；所述形变杆2的主体中纤维增强相的体积分数为30％；

所述连接杆3两端分别固接有连接杆固定块4，连接杆固定块4上设置有螺纹孔；连接杆3和连接杆固定块4的材质为钛合金；锁紧件通过螺栓穿过锁紧件底座1上设置的数个通孔与卫星主体连接；连接件通过螺栓穿过连接杆固定块4上设置的数个螺纹孔与折叠收拢状态的天线或太阳翼连接。

上述具有蜂窝结构的自驱动重复锁紧释放机构的锁紧释放方法按以下步骤进行：

步骤一、赋形

取外径小于连接杆30.1mm的成型杆，加热形变杆2使形变杆2产生弯曲变形，形变杆2弯曲变形后包覆在成型杆表面，形变杆2形状固定后撤出成型杆，即完成形变杆2的赋形；

步骤二、锁紧

将赋形后的形变杆2套设在连接杆3上，实现锁紧；其中，使用过程中，赋形的形变杆2的内径小于连接杆3的外径，因此使用时将形变杆2套设于连接杆3外表面后，形变杆2对于连接杆3提供一定的预紧力，保证了有效锁紧；

步骤三、释放

将产热电路6两端设置的引出导线7连接至电源，通电后产热电路6产热，当形变杆2温度提升至玻璃化转变温度以上时，形变杆2形状回复，即完成释放；

上述具有蜂窝结构的自驱动重复锁紧释放机构中锁紧件的4d打印制备方法按照以下步骤进行：

选择两个喷头的3d打印机，在其中一个喷头内安装形状记忆聚合物线材，在另一个喷头内安装纤维；获取具有蜂窝结构的自驱动重复锁紧释放机构中锁紧件底座1和形变杆2的三维模型，将三维模型输入到3d打印机的打印系统中，生成运动轨迹代码，设置形状记忆聚合物线材和纤维同时出料，然后利用3d打印机进行具有蜂窝结构的自驱动重复锁紧释放机构的制备。

本实施例具有蜂窝结构的自驱动重复锁紧释放机构结构简单、自驱动、质量轻、冲击小、无污染并且强度高等优点，与传统火工品相比具有更低的研制成本。形变杆2为形状记忆聚合物材料，在形状回复过程中完成释放，形状回复过程缓慢，不会瞬间产生过高的冲撞力，对周围结构的冲击小；爆炸螺栓材质一般是合金钢，而本发明形变杆2为形状记忆聚合物材料，密度远远低于合金钢，因此质量轻；本实施例装置形变杆2中形状记忆聚合物内设置有纤维增强相，具有比强度高的特点，设置的蜂窝结构能够提高其弯曲性能；其中，形变杆2的主体为数个平面层和数个蜂窝层构成，蜂窝结构具有质轻、比强度高、比刚度大等特点，在弯曲变形过程中可以承受较大的应变，使得锁紧件能够满足大变形的需求；同时形状记忆聚合物纤维增强复合材料也具有高模量、比强度高和密度低的特点，分别从结构和材料两个角度使形变杆2的主体的比强度和比刚度得到进一步提高。