[0001] 本申请涉及复合材料4D打印技术领域，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。

[0002] 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。

[0003] 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。

[0004] 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。

[0005] 该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本申请的总体背景的理解，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。

[0051] 应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

[0052] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

[0053] 为了方便叙述，本申请中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件需要具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

[0054] 术语解释部分:本申请中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请的具体含义。

[0055] 下面结合附图1‑8对本申请的一些实施例进行进一步的说明和解释。

[0056] 形状记忆合金(SMA)是一种智能材料，其内部晶相可以发生可逆的相变，从而实现形状记忆效应。在低温下，SMA呈现马氏体相，可以在外力作用下发生变形。当温度升高至奥氏体转变温度，内部晶相会转变为高温奥氏体相，使得材料恢复到初始形状，即形状记忆效应。冷却后，SMA又会自发回到马氏体相，可以进行下一次循环变形和恢复。这种可逆的相变机理赋予了SMA独特的可编程变形能力。

[0057] 温控型SMA合金丝的变形，是利用其形状记忆效应，“记忆”二字所说的是记住SMA合金丝的初始形状。

[0058] 大多数SMA丝材8出厂时的初始形状均为直线，这种SMA丝材8形状记忆效应的最终形状也只能为直线，为了获得所需的其他初始形状，需要通过重新编程的方式对SMA丝材8进行训练。

[0059] 在打印过程中，本方法实现了对SMA丝材8的原位编程，进而形成了具有弯曲曲率的初始形态，这一手段确保了最终成型的复合材料样件具有形状记忆变形能力，可以产生弯曲变形。

[0060] 首先是热载荷对SMA丝材8重新训练的作用，打印喷头5的温度远高于形状记忆合金的奥氏体转变温度，此高温是SMA丝材8进行热载荷下的重新编程条件之一。

[0061] 其次是机械变形对SMA丝材8的重新编程作用，在如上所说的热载荷前提下，通过装置对SMA丝材8施加张紧力，利用喷头部分的限制使SMA丝材8保持一定的弯曲角度，经过喷头短暂的高温加热，初始形状即可重新编程，在打印作业持续进行的过程中，完成再训练的SMA丝材8自喷头移出，在冷却的过程中被基体粘附到打印平台上。

[0062] 而SMA丝材8的重新编程角度则取决于在沉积前后SMA丝材8所形成的夹角α大小，该夹角可通过调整SMA丝材8角度调节装置的上下位置，实现SMA丝材8编程时夹角大小的变化，随着打印的进行，SMA丝材8的每一单位长度都将经历编程训练，从而产生预定的弯曲曲率。

[0063] 最终得到的SMA复合材料智能结构，对其中的SMA丝材8升温到奥氏体转变温度以上进行热刺激，即可发生趋向于重新编程好的弯曲形状的变形，进而实现对复合材料智能结构整体形状的改变。

[0064] 在本申请的一些实施例中，一种可编程SMA复合材料智能结构11的4D打印装置，所述打印装置包括：打印功能组件12、打印平台13、打印机框架14、移动导轨；

[0065] 所述打印平台13设置于所述打印机框架14内，用于放置待打印件；

[0066] 所述移动导轨设置于所述打印机框架14上，所述移动导轨包括两两垂直的X轴移动导轨15、Y轴移动导轨16和Z轴移动导轨17，用于带动打印功能组件12在X、Y和Z轴三个方向上移动；

[0067] 所述打印功能组件12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9、散热管3、加热块4以及移动平台30，所述移动平台30位于散热管3和加热块4之间。

[0068] 在本申请的一些实施例中，所述组装式打印喷头包括SMA丝材导引罩26、固定罩24、固定螺丝25和聚合物喷嘴33，所述聚合物喷嘴33与所述加热块4相连接，所述SMA丝材导引罩26和固定罩24分别装配到聚合物喷嘴33的两侧，SMA丝材导引罩26和固定罩24与聚合物喷嘴33之间为间隙配合，能够围绕聚合物喷嘴33进行周向转动。

[0069] 在本申请的一些实施例中，所述喷头旋转装置包括步进电机18、第一齿轮19、轴承31、第二齿轮20和连接板23；所述步进电机18固定于移动平台30一侧，电机转轴上安装第一齿轮19，所述轴承31固定于移动平台30下方，外圈能够转动，所述第二齿轮20和轴承31外圈固定，通过和第一齿轮19之间的相互啮合，随步进电机18的带动而旋转；所述连接板23上端和第二齿轮20连接固定，下端和固定罩24连接固定，连接板23将第二齿轮20的转动传递到固定罩24上，从而带动SMA丝材导引罩26旋转。

[0070] 在本申请的一些实施例中，所述SMA张紧装置包括SMA丝材筒7和支撑杆29；所述支撑杆29上端和第二齿轮20固定，下端连接阻尼式SMA丝材筒28，使第二齿轮20旋转的同时带动SMA丝材筒7同步转动，打印过程中SMA丝材筒7为SMA丝材提供张紧力。

[0071] 在本申请的一些实施例中，所述SMA丝材筒为阻尼式SMA丝材筒28。

[0072] 在本申请的一些实施例中，所述SMA角度调节装置9，包括滑筒21和SMA角度调节滑杆22；所述滑筒21上端和第二齿轮20连接固定，所述SMA角度调节滑杆22的上端和滑筒21配合。

[0073] 在本申请的一些实施例中，所述聚合物喷嘴33通过上半部分设有的外螺纹拧入加热块4的螺纹孔中；所述SMA丝材导引罩26和固定罩24分别装配到聚合物喷嘴33的两侧，随后用固定螺丝25连接。

[0074] 在本申请的一些实施例中，所述聚合物喷嘴33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4中。

[0075] 在本申请的一些实施例中，所述滑筒21和SMA角度调节滑杆22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。

[0076] 在本申请的一些实施例中，所述SMA角度调节滑杆22末端设置有末端圆孔34，所述圆孔和设置于所述SMA丝材导引罩26上SMA丝材入口近距离贴合。

[0077] 在本申请的一些实施例中，设置于SMA丝材导引罩26上的SMA丝材入口、喷头旋转装置中的连接板23、SMA张紧装置中的阻尼式SMA丝材筒28与设置于SMA角度调节滑杆22末端的圆孔，位于同一竖直平面内，并且随着第二齿轮20的旋转进行同步转动。

[0078] 在本申请的一些实施例中，打印过程中，通过程序控制步进电机18，带动组装式喷头旋转，始终保持SMA丝材导引罩26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2当中。

[0079] 在本申请的一些实施例中，所述SMA丝材入口为扇形入口32。

[0080] 在本申请的一些实施例中，固定罩24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24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13之上。

[0081] 在本申请的一些实施例中，打印所用到的聚合物基体2，通过送丝机被送入加热块4融化，融化后通过聚合物喷嘴33沉积到打印平台13上，冷却固化成型。

[0082] 在本申请的一些实施例中，打印所用到的SMA丝材，先穿过SMA角度调节滑杆22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13上的聚合物浸润包裹并冷却沉积到打印平台13上。

[0083] 在本申请的一些实施例中，在打印方向上保持SMA丝材导引罩26位于聚合物喷嘴33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。

[0084] 在本申请的一些实施例中，步进电机18带动第一齿轮19转动，进而带动的第二齿轮20转动，第二齿轮20上的连接板23带动固定罩24转动，致使SMA丝材导引罩26旋转，使得SMA丝材导引罩26始终位于打印路径正前方。

[0085] 在本申请的一些实施例中，所述支撑杆29的上端与第二齿轮20固定连接，下端连接阻尼式SMA丝材筒28，当第二齿轮20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。

[0086] 在本申请的一些实施例中，阻尼式SMA丝材筒28在打印过程中负责供给SMA丝材，并对其施加张紧力，使之成为张紧的SMA丝材27，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。

[0087] 在本申请的一些实施例中，张紧力应小于打印平台13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13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。

[0088] 在本申请的一些实施例中，滑筒21的上端与第二齿轮20固定连接，下端装配有SMA角度调节滑杆22，当第二齿轮20旋转时，能够带动滑杆转动，使SMA角度调节滑杆22与SMA丝材导引罩26的横向相对位置保持恒定不变。

[0089] 在本申请的一些实施例中，通过SMA角度调节滑杆22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。

[0090] 在本申请的另一些实施例中，还提供可编程SMA复合材料智能结构11的4D打印方法，包括以下步骤：

[0091] 根据打印需要实时调整打印功能组件12在X轴移动导轨15、Y轴移动导轨16和Z轴移动导轨17上的相对位置，通过送丝机将聚合物丝材通过散热管3送入加热块4中；

[0092] 阻尼式SMA丝材筒28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2粘附到打印平台13上，形成SMA复合材料智能结构11；

[0093] 在打印过程中，通过步进电机18带动组装式打印喷头转动，保持SMA出口10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9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11直至打印完成。

[0094] 在本申请的一些实施例中，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。

[0095] 在本申请的一些实施例中，参考图1，聚合物基体2的打印过程为：缠绕在聚合物筒1上的聚合物基体2经过散热管3送入加热块4内部，从聚合物打印喷头底部的聚合物出口6处沉积到打印平台13上。

[0096] 在本申请的一些实施例中，SMA丝材的打印过程为：阻尼式SMA丝材筒28上的SMA丝材，首先经过SMA角度调节装置9，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10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2粘附到打印平台13上，形成SMA复合材料智能结构11。

[0097] 在本申请的一些实施例中，参考图2，打印过程中，SMA丝材的重新编程是通过热载荷和机械变形的共同作用完成；热载荷由高温下的打印喷头5提供。

[0098] 机械变形由阻尼式SMA丝材筒28提供的张紧力F1、打印平台13上固化后的聚合物对SMA丝材产生的粘附力F2和打印喷头5产生的限制力F共同组成，在三力的共同作用下，SMA丝材在A点处形成一个α的角度。

[0099] 随着打印的进行，后续的SMA丝材均会经过A点，最终整根SMA丝材在热载荷和机械变形的共同作用下，产生重新训练的效果，并紧随其后将重新训练的SMA丝材打印到聚合物基体2当中。

[0100] 打印完成的SMA复合材料智能结构11的弯曲变形的能力，在本装置中由机械变形的角度α决定。

[0101] 参考图1和图2，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。

[0102] 编程程度的高低直接影响打印成型的复合材料的变形能力，编程程度越高，复合材料可变形程度越大，反之则越小。

[0103] 控制打印完成后SMA复合材料智能结构11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。

[0104] 图7为本申请一些实施例的SMA复合材料智能结构11样件变形过程示意图，通过对整个复合材料结构加热，当温度超过SMA材料的奥氏体转变温度TAS时，SMA丝材将发生形状记忆效应，因打印工艺中对SMA丝材每一单位长度进行了α角度的重新编程，故SMA丝材会产生一定弯曲曲率的形状恢复趋势，此趋势会传递到整个复合材料样品上，从而在宏观上观察到弯曲形变。

[0105] 图8为使用实施例制造的不同编程角度α的复合材料智能结构实物图，通过打印过程中改变α的大小，可以控制最终智能结构的变形程度。

[0106] 通过本申请4D打印方法和装置，在打印过程中SMA丝材经过重新编程，具备了一定弯曲曲率的初始形状，省略了传统制造方法中对SMA丝材的编程步骤；并且经过装置的调节，可以实现对SMA编程曲率的控制能力，使得最终制造的复合材料样件具有可预测和可控的变形能力。设计了一种SMA复合材料智能结构114D打印设备，与传统的SMA复合材料制造工艺相比，无需将聚合物基体2的打印和SMA丝材的嵌入分为两个独立的步骤，可以直接将SMA丝材打印到聚合物基体2当中，实现SMA复合材料的一体化4D打印。

[0107] 以上仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。