一种基于4D打印的迷宫式互锁智能结构及其锁紧方法

本发明涉及了一种迷宫式互锁智能结构，涉及增材制造领域，具体涉及一种基于4d打印的迷宫式互锁智能结构及其锁紧方法。

背景技术：

1、锁紧连接装置在水下对接、航空航天、汽车制造、建筑工程等领域具有广泛的应用。可靠的锁紧装置是保证机械系统稳定运行的关键部分。传统机械工程领域中常用的锁紧连接装置通常需要复杂的机械结构设计、多零件的组合选配以及人工和机器的机械参与，比如螺栓螺母连接装置、焊接装置、铆接装置等，其具有较差的环境适应性，无法实现机构的智能可控锁紧。因此，需要一种可编程、可控变形、可靠互锁的智能锁紧装置。

技术实现思路

1、为了解决背景技术中存在的问题，本发明所提供一种基于4d打印的迷宫式互锁智能结构及其锁紧方法。本发明获得的产品对外界温度激励即时响应，不需要施加外力，即可按照动作执行优先级形成迷宫式嵌合互锁带动待连接件的可靠锁紧。

2、本发明采用的技术方案是：

3、一、一种基于4d打印的迷宫式互锁智能结构：

4、迷宫式互锁智能结构包括长非执行段、若干锁紧执行器和若干短非执行段，长非执行段的一端固定在连接件上，各个锁紧执行器和短非执行段依次交错布置并首尾连接成锁紧段，锁紧段的两端分别为锁紧执行器和短非执行段，锁紧段通过一端的锁紧执行器连接至长非执行段的另一端。锁紧执行器执行弯曲变形，非执行段连接各锁紧执行器，首尾连接成未变形的智能结构。

5、所述的锁紧执行器包括层叠布置的主动层和被动层，各个锁紧执行器的主动层位于迷宫式互锁智能结构的同一侧面上；主动层由若干打印分层层叠构成，每个打印分层包括若干平行的打印路径并均平行于锁紧段的长度方向；被动层由若干网状打印分层层叠构成，每个网状打印分层包括若干交叉的打印路径并与锁紧段的长度方向呈45°和-45°的夹角。

6、所述的各个锁紧执行器的被动层和主动层的厚度的比值k均不同；锁紧执行器的主动层和被动层连接的侧面尺寸相同，锁紧执行器与长非执行段和短非执行段连接的一侧面尺寸相同。

7、所述的长非执行段和短非执行段均由若干网状打印分层层叠构成，每个网状打印分层包括若干交叉的打印路径并与锁紧段的长度方向呈45°和-45°的夹角。

8、所述的长非执行段和短非执行段和各个锁紧执行器均采用形状记忆聚合物材料。

9、二、一种迷宫式互锁智能结构的锁紧方法：

10、方法包括如下步骤：

11、步骤一：将两个迷宫式互锁智能结构按照同手性反向交错放置在两个正对间隔的待连接件之间，每个迷宫式互锁智能结构的一端的固定端分别连接在各自的一个待连接件上，每个迷宫式互锁智能结构的另一端为自由端并不接触另一个待连接件；两个迷宫式互锁智能结构的锁紧执行器的正对的一侧面为主动层所在的一侧面；初始状态时，两个迷宫式互锁智能结构为直线状态并平行间隔布置。

12、步骤二：通过外场刺激使得每个迷宫式互锁智能结构的各个锁紧执行器同时朝向另一个迷宫式互锁智能结构弯曲变形，带动两个迷宫式互锁智能结构从各自的自由端到固定端发生变形尺度一致的变形从而形成迷宫式嵌合互锁状态。

13、步骤三：去除外场刺激，各个锁紧执行器的强度恢复至初始状态时的强度，最终使得两个待连接件锁紧。

14、所述的步骤二中，外场刺激具体为温度刺激，温度刺激具体为80-90℃，高于形状记忆聚合物的玻璃体转化温度20-30℃。

15、所述的步骤二中，迷宫式互锁智能结构在变形过程中，每个锁紧执行器根据各自预设的动作执行优先级进行弯曲变形，每两个相邻的非执行段在迷宫式嵌合互锁状态时相互垂直。

16、迷宫式互锁智能结构的自由端至固定端的各个锁紧执行器的动作执行优先级依次从高到低，动作执行优先级越高的锁紧执行器的被动层和主动层的厚度比k越小并且弯曲时的动作执行完成时间越短；动作执行优先级的级数和每个迷宫式互锁智能结构的锁紧执行器的个数相同。

17、所述的动作执行优先级具体分为三个或五个优先级：第一优先级g1、第二优先级g2、第三优先级g3、第四优先级g4和第五优先级g5分别对应锁紧执行器的被动层和主动层的厚度比k取3-4、1.9-3、1.3-1.9、0.8-1.3和0.5-0.8。

18、所述的动作执行优先级分为三个优先级第一优先级g1、第二优先级g2和第三优先级g3时，迷宫式嵌合互锁状态为一般锁紧状态，一般锁紧表示锁紧状态相对稳定，仍允许有轻微的松动；此时两个迷宫式互锁智能结构构成二重迷宫式互锁智能结构，每个迷宫式互锁智能结构螺旋弯曲成四段，两个迷宫式互锁智能结构相互嵌套。

19、所述的动作执行优先级分为五个优先级第一优先级g1、第二优先级g2、第三优先级g3、第四优先级g4和第五优先级g5时，迷宫式嵌合互锁状态为牢固锁紧状态，牢固锁紧指锁紧状态非常稳定，不允许有松动；此时两个迷宫式互锁智能结构构成三重迷宫式互锁智能结构，每个迷宫式互锁智能结构螺旋弯曲成六段，两个迷宫式互锁智能结构相互嵌套。

20、二重代表两互锁智能结构在嵌合后构成了两个互锁圈，三重代表两互锁智能结构在嵌合后构成了三个互锁圈，迷宫式结构代表智能结构嵌合后的型式类似迷宫。智能结构的手性根据智能结构的锁紧执行器的动作执行方向而决定，当锁紧执行器顺时针方向执行动作时，智能结构的也是顺向。

21、本发明根据待连接件的锁紧要求，确定需要制备的智能结构的迷宫型式和锁紧执行器的个数，并分配锁紧执行器的动作执行优先级；选取形状记忆聚合物作为原料，采用熔融沉积4d打印技术制备智能结构；4d打印制备的智能结构与待连接件反向交错布置，在外场的同步激励下发生不同优先级的动作执行，最终形成迷宫式嵌合互锁。

22、本发明的有益效果是：

23、1、本发明具有结构简单、自驱动、质量轻、无污染、互锁可靠等优点，与传统的锁紧连接装置相比具有更低的研制成本。

24、2、本发明采用形状记忆聚合物作为原料，综合考虑智能结构的结构型式、智能结构设计参数、3d打印工艺参数和温度激励的激发温度等信息，实现复杂智能变形结构的快速制造，简化了智能结构产品的设计、制造和装配工艺。

25、3、本发明通过采用4d打印技术加工智能材料，制备的智能结构在外场同步激励下发生变形，最终在特殊的空间布置下形成迷宫式嵌合互锁，对热激励即时响应，不需要施加外力，即可实现待连接件的可靠锁紧，同时，成型过程不受结构复杂性的限制，与传统制造方法相比，更容易满足功能需求。

26、4、本发明采用的结构型式是迷宫型式，当多个迷宫式的智能结构相互嵌合具有可靠的锁紧连接效果，且智能结构的自驱动行为是可以通过设计参数的改变实现可控的，使得嵌合过程是平稳且可靠。

技术特征：

1.一种基于4d打印的迷宫式互锁智能结构，其特征在于：包括长非执行段、若干锁紧执行器和若干短非执行段，长非执行段的一端固定在连接件上，各个锁紧执行器和短非执行段依次交错布置并首尾连接成锁紧段，锁紧段的两端分别为锁紧执行器和短非执行段，锁紧段通过一端的锁紧执行器连接至长非执行段的另一端。

2.根据权利要求1所述的一种基于4d打印的迷宫式互锁智能结构，其特征在于：所述的锁紧执行器包括层叠布置的主动层和被动层，各个锁紧执行器的主动层位于迷宫式互锁智能结构的同一侧面上；主动层由若干打印分层层叠构成，每个打印分层包括若干平行的打印路径并均平行于锁紧段的长度方向；被动层由若干网状打印分层层叠构成，每个网状打印分层包括若干交叉的打印路径并与锁紧段的长度方向呈45°和-45°的夹角。

3.根据权利要求2所述的一种基于4d打印的迷宫式互锁智能结构，其特征在于：所述的各个锁紧执行器的被动层和主动层的厚度的比值k均不同；锁紧执行器的主动层和被动层连接的侧面尺寸相同，锁紧执行器与长非执行段和短非执行段连接的一侧面尺寸相同。

4.根据权利要求1所述的一种基于4d打印的迷宫式互锁智能结构，其特征在于：所述的长非执行段和短非执行段均由若干网状打印分层层叠构成，每个网状打印分层包括若干交叉的打印路径并与锁紧段的长度方向呈45°和-45°的夹角。

5.根据权利要求1所述的一种基于4d打印的迷宫式互锁智能结构，其特征在于：所述的长非执行段和短非执行段和各个锁紧执行器均采用形状记忆聚合物材料。

6.根据权利要求1-5任一所述的一种迷宫式互锁智能结构的锁紧方法，其特征在于：方法包括如下步骤：

7.根据权利要求6所述的一种迷宫式互锁智能结构的锁紧方法，其特征在于：所述的步骤二中，外场刺激具体为温度刺激，温度刺激具体为80-90℃。

8.根据权利要求6所述的一种迷宫式互锁智能结构的锁紧方法，其特征在于：所述的步骤二中，迷宫式互锁智能结构在变形过程中，每个锁紧执行器根据各自预设的动作执行优先级进行弯曲变形，每两个相邻的非执行段在迷宫式嵌合互锁状态时相互垂直；

9.根据权利要求8所述的一种迷宫式互锁智能结构的锁紧方法，其特征在于：所述的动作执行优先级具体分为三个或五个优先级：第一优先级g1、第二优先级g2、第三优先级g3、第四优先级g4和第五优先级g5分别对应锁紧执行器的被动层和主动层的厚度比k取3-4、1.9-3、1.3-1.9、0.8-1.3和0.5-0.8。

10.根据权利要求9所述的一种迷宫式互锁智能结构的锁紧方法，其特征在于：所述的动作执行优先级分为三个优先级第一优先级g1、第二优先级g2和第三优先级g3时，迷宫式嵌合互锁状态为一般锁紧状态，此时两个迷宫式互锁智能结构构成二重迷宫式互锁智能结构，每个迷宫式互锁智能结构螺旋弯曲成四段，两个迷宫式互锁智能结构相互嵌套；

技术总结
本发明公开了一种基于4D打印的迷宫式互锁智能结构及其锁紧方法。互锁智能结构的长非执行段的一端固定在连接件上，锁紧执行器和短非执行段依次交错布置并首尾连接成锁紧段，锁紧段通过一端的锁紧执行器连接至长非执行段的另一端。方法包括：将两个迷宫式互锁智能结构按照同手性反向交错放置在两个待连接件之间；通过外场刺激使得锁紧执行器弯曲变形形成迷宫式嵌合互锁状态；去除外场刺激，锁紧执行器恢复强度，最终使得两个待连接件锁紧。本发明获得的迷宫式互锁智能结构具有结构简单、自驱动、质量轻、无污染、互锁可靠等优点，对热激励即时响应，不需要施加外力，即可实现待连接件的可靠锁紧。

技术研发人员：高一聪,段东新,曾思远,郑浩
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16