[发明专利]一种基于4D打印技术的钻孔劈裂器及其制备方法

说明书

本发明公开一种基于4D打印技术的钻孔劈裂器及其制备方法，其中，基于4D打印技术的钻孔劈裂器包括钻杆和金刚石钻头，金刚石钻头设置在钻杆前端，钻杆中设有沿轴向贯穿的液体流道，液体流道供冷却介质流通至金刚石钻头底部，还包括若干劈裂单元，劈裂单元包括推力弹簧和电热丝，推力弹簧采用形状记忆合金制备，推力弹簧中设有螺旋通道，电热丝设置在螺旋通道内，钻杆侧面上设有数量与劈裂单元一致的圆柱销孔，每一劈裂单元的推力弹簧对应设置在每一圆柱销孔内，每一推力弹簧中所设电热丝的导线均外接电源。本发明将岩石钻进机构与岩石劈裂机构进行了有机结合，在不更换仪器的情况下，能够对钻孔后的岩石及时开展劈裂作业，更加高效便捷。

技术领域

本发明涉及增材制造、先进制造与智能机械技术领域，尤其涉及一种基于4D打印技术的钻孔劈裂器及其制备方法。

背景技术

在月球、火星及近地行星进行受控地质挖掘时，对某些待探索的区域，如大型岩石或坚硬陨石坑，由于缺乏引力、岩石硬度大、机载工具提取样品的能力不足等问题，造成取样困难。岩石的破碎与劈裂是地球上地质作业常见的任务，作业方法包括动态爆破、水力压裂、化学剂及液压楔等。动态碎岩受制于设备沉重、搬运成本高等问题，碎岩过程中产生的灰尘、噪音、振动等将干扰航天器关键部件运转(传感器、探测器及摄相机等)。使用静态剂或水力压裂难以保证未知岩石的原有成分、结构属性不发生变化。因此，安全静态、经济环保的岩石破裂方式亟待开发。

发明内容

本发明的目的在于针对已有的技术现状，提供一种基于4D打印技术的钻孔劈裂器及其制备方法。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于4D打印技术的钻孔劈裂器，包括钻杆和金刚石钻头，金刚石钻头设置在钻杆前端，钻杆中设有沿轴向贯穿的液体流道，液体流道供冷却介质流通至金刚石钻头底部，还包括若干劈裂单元，劈裂单元包括推力弹簧和电热丝，推力弹簧采用形状记忆合金制备，推力弹簧中设有螺旋通道，电热丝设置在螺旋通道内，钻杆侧面上设有数量与劈裂单元一致的圆柱销孔，每一劈裂单元的推力弹簧对应设置在每一圆柱销孔内，每一推力弹簧中所设电热丝的导线均外接电源。

进一步的，所述钻杆中设有沿其末端向下延伸的布线通道，每一推力弹簧中所设电热丝的导线均通过布线通道外接电源。

进一步的，所述圆柱销孔在钻杆侧面上沿其径向向内延伸，圆柱销孔在钻杆轴向上的投影重合且等间距分布。

进一步的，所述圆柱销孔的数量为3-5个。

进一步的，所述钻杆采用钛合金制备。

进一步的，所述钻杆采用TC4合金或TiAl合金制备。

进一步的，所述推力弹簧采用Au-Cd合金、Ag-Cd合金、Cu-Zn合金、Cu-Sn合金、NiAl合金、Fe-Pt合金、Ti-Ni合金、Ti-Ni-Pd合金、Ti-Nb合金、U-Nb合金和Fe-Mn-Si合金中的一种制备。

一种基于4D打印技术的钻孔劈裂器的制备方法，包括以下步骤：

S1、利用三维建模软件对钻杆进行建模，采用4D打印设备将TC4合金粉末或TiAl合金粉末按钻杆的三维数字模型打印成型，取出后进行固溶时效处理；

S2、利用三维建模软件对推力弹簧进行建模，采用4D打印设备将Au-Cd合金粉末、Ag-Cd合金粉末、Cu-Zn合金粉末、Cu-Sn合金粉末、NiAl合金粉末、Fe-Pt合金粉末、Ti-Ni合金粉末、Ti-Ni-Pd合金粉末、Ti-Nb合金粉末、U-Nb合金粉末和Fe-Mn-Si合金粉末中的一种按推力弹簧的三维数字模型打印成型；

S3、将热处理后的钻杆与金刚石钻头进行装配；