[发明专利]变形回复快速响应的镍钛合金构件的4D成形方法及产品

说明书

本发明属于金属増材制造相关技术领域，并公开了一种变形回复快速响应的镍钛合金构件的4D成形方法及产品。该方法包括下列步骤：S1对于待成形构件，确定其变形量和变形回复速度要求；采用三周期极小曲面构建两个相对密度不同的点阵结构S_A和S_B，将该点阵结构S_A和S_B进行布尔求差运算，以此去除点阵结构中内部相同的部分，获得壳体点阵结构；S2调整所述点阵结构S_A和S_B的参数，直至满足待成形构件的变形量和变形回复速度要求获得三维模型；S3采用激光选区熔化成形三维模型，以此获得所需的待成形构件。通过本发明，有效控制镍钛合金的成形质量，提高获得的产品大变形和变形回复的响应速度。

技术领域

本发明属于金属増材制造相关技术领域，更具体地，涉及一种变形回复快速响应的镍钛合金构件的4D成形方法及产品。

背景技术

增材制造技术是由新材料技术、制造技术、信息技术等多学科交叉融合发展的先进制造技术，它基于构件的CAD模型，通过逐层成形并叠加的原理，能够实现任意复杂结构的成形。4D打印是在增材制造的基础上，采用智能材料或智能构件，在外界特定物理场的作用下，使样品的形状、性能和功能实现随时间或空间发生预定的可控变化。在本发明中，采用的成形方法是增材制造中的激光选区熔化成形，使用的材料为镍钛形状记忆合金粉末，该智能材料以热场作为驱动方式，进而实现样品形状和性能上的变化。

镍钛合金具有低刚度、生物相容性、高阻尼等性能，并具有形状记忆和超弹性等功能特性，是作为4D打印用的一种典型智能材料。但镍钛合金在成形过程中，由于化学成分、残余应力和杂质吸收等因素的影响，容易导致相变温度和相变区间的变化，进而影响成形件的形状记忆效应和超弹性。因此，以往的研究集中于优化工艺参数改善镍钛合金的热裂纹和气孔的生成，但会导致相变温度的可调范围减小，且最优工艺参数对于不同成分的镍钛合金不具备通用性；还有的研究集中于通过显微组织分析宏观缺陷或位错等对于功能性能的影响，但没有提出明确的增强形状记忆效应和实现大变形的方法。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种变形回复快速响应的镍钛合金构件的4D成形方法及产品，一方面，极小曲面点阵结构的多孔结构，有利于打印过程中热量的散发和残余应力的释放，能有效控制镍钛合金的成形质量，实现较宽范围的4D打印参数窗口；另一方面，通过两个相对密度不同的点阵结构进行布尔运算获得的壳体结构进一步增加构件的比表面积，使热流在构件中能够充分且迅速地传热散热，从而增强镍钛合金构件的形状记忆效应，实现镍钛合金功能构件的大变形和变形回复的快速响应。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种变形回复快速响应的镍钛合金构件的4D成形方法，该方法包括下列步骤：

S1对于待成形构件，确定其变形量和变形回复速度要求；采用三周期极小曲面构建两个相对密度不同的点阵结构S_A和S_B，将该点阵结构S_A和S_B进行布尔求差运算，以此去除点阵结构中内部相同的部分，获得壳体点阵结构；

S2调整所述点阵结构S_A和S_B的参数，直至求差后的所述壳体点阵结构的变形量和变形回复速度满足所述待成形构件的变形量和变形回复速度要求，当前的壳体点阵结构即为待成形构件的三维模型；

S3将所述待成形构件的三维模型进行切片获得多个切片层，以镍钛形状记忆合金粉末为原材料，采用激光选区熔化逐层打印每个切片层，以此获得所需的待成形构件。

进一步优选地，在步骤S1中，所述点阵结构S_A的相对密度范围为10％～50％，所述点阵结构S_B的相对密度范围为5％～40％，点阵结构S_A的相对密度大于点阵结构S_B的相对密度。