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Abstract

本发明一种放大制造逼真鲨鱼皮鳞片的方法，该方法有三大步骤：步骤一：鲨鱼皮前处理；步骤二：鲨鱼皮鳞片高精度扫描及三维建模；步骤三：三维打印逼真放大鲨鱼皮鳞片。本发明通过高精扫描、三维打印快速成形技术可以得到逼真鲨鱼皮的放大模型，工艺先进，印象直观，而且在大运动黏度的流体中，可以对逼真鲨鱼皮的减阻效率进行测试，从而得到逼真放大鲨鱼皮的减阻效率，这将成为仿生减阻表面制造技术未来的发展方向之一，具有广阔的应用前景和实用价值。

Description

一种放大制造逼真鲨鱼皮鳞片的方法
技术领域
本发明涉及一种放大制造逼真鲨鱼皮鳞片的方法，更特别地说，是指一种采用高精度扫描、软件建模、三维打印快速成型技术，从而制造出具有和逼真鲨鱼皮鳞片形貌高度相似的仿生减阻表面。
背景技术
以仿鲨鱼鳞片沟槽为核心内容的仿鲨鱼减阻表面的制造技术是当前研究的热点和难点之，而逼真鲨鱼皮鳞片的制造更是各国学者努力探索的目标。
以“鲨鱼皮效应”著称的鲨鱼经过不断自适应、自学习和自组织而进化成为满足自身生存需要、能对外部流体介质进行合理调控的非光滑沟槽减阻表面。但将逼真鲨鱼皮鳞片放大直接制造的尝试，是目前人类很少接触到的。
传统的鲨鱼鳞片复制方式很难实现逼真鲨鱼皮鳞片的放大，对于逼真鲨鱼皮鳞片的放大更是很难完成，但对于大运动黏度的流体而言，要达到理想的减阻效果，需要逼真鲨鱼鳞片具有较大的尺寸，因此放大的逼真鲨鱼皮鳞片具有很大的制造必要性。
发明内容
1、目的：本发明的目的是提供一种放大制造逼真鲨鱼皮鳞片的方法，该制造方法能够实现鲨鱼皮鳞片的逼真放大，也能够实现鲨鱼皮鳞片各方向上的拉伸变形，采用高精度扫描、软件建模、三维打印快速成型技术，一方面能够实现逼真鲨鱼皮鳞片的精确放大和各方向上任意比例放大的功能，另一方面能够给人们以逼真鲨鱼皮鳞片的直观印象，对大尺寸鲨鱼皮的碱阻效应研究具有重要意义。
2、技术方案：本发明一种放大制造逼真鲨鱼皮鳞片的方法，该方法具体步骤如下：
步骤一：鲨鱼皮前处理
为保证鲨鱼皮鳞片生物原型的结构及满足后续喷金等的要求，要对鲨鱼皮进行清洗→化学固定→再清洗→脱水→烘干→喷金六道工序的处理。
(A)清洗，将剪切下来的鲨鱼皮先用清水冲洗3～5遍，再用去离子水冲洗2～3遍，以充分去除鲨鱼皮表面附着的粘液、泥沙、血污等杂质。
(B)化学固定，采用戊二醛固定方式。在通风柜中将清洗后的鲨鱼皮完全浸泡在2.5％的戊二醛溶液中，然后在4摄氏度(以℃代表，以下同)的恒温环境中放置6小时(以h代表，以下同)以上，鲨鱼皮即可完成固定。
(C)再清洗，鲨鱼皮固定完毕后需先用浓度为2％-5％的磷酸缓冲液漂洗10-15分钟(以min代表，以下同)，再用清水和去离子冲洗3～5遍，目的是冲洗掉附着在上面的残留戊二醛溶液。
(D)脱水，为了减少鲨鱼皮在烘干过程中因水分过快丢失而引起收缩和变形，依次以50％乙醇浸泡15分钟(以min代表，以下同)、75％乙醇浸泡15min、95％乙醇浸泡15min、100％乙醇浸泡10min对鲨鱼皮进行梯度脱水。
(E)烘干，为最大限度地去除鲨鱼皮中的水分，要将鲨鱼皮放在55-65℃的烘箱中烘5～6h。
(F)喷金，为保证鲨鱼皮鳞片具有较好的反光效果，要对鲨鱼皮进行喷金处理，喷金电流设定为0.1安培(以A代表，以下同)，时间设定为30min.磁控溅射的真空度为0.003帕(以pa代表，以下同)，溅射过程中氩气流量为20升每分钟(以L/min代表，以下同)，真空室溅射压强为0.6Pa，溅射靶材是纯度为99.95％以上的分析纯。
步骤二：鲨鱼皮鳞片高精度扫描及三维建模
(A)采用高精度扫描设备-三维白光干涉表面形貌仪对鲨鱼生物鳞片进行精密扫描，得到单个鲨鱼生物鳞片的三维图片文件，其中包含了大量的鲨鱼表皮鳞片的点云数据，为三维实体建模准备了充足的数据资源。
(B)将上步骤中得到的逼真鲨鱼皮鳞片的三维数据导入到SolidWorks软件中，进行三维建模，得到了逼真鲨鱼皮鳞片的三维模型，并输出为Stl格式。
步骤三：三维打印逼真放大鲨鱼皮鳞片
采用快速成型机(以色列生产)进行三维打印，仿鲨鱼鳞片材料选用环氧树脂材料，辅助支撑材料为易去除材料。
3、优点及功效：本发明一种放大制造逼真鲨鱼皮鳞片的方法的优点：
(1)采用高精度扫鲨鱼皮生物体鳞片，可以得到逼真鲨鱼鳞片的数据，通过大量点云数据的扫描，可以得到逼真鲨鱼皮鳞片的模型，为鲨鱼皮鳞片的建模提供了数据基础。
(2)本发明中放大逼真鲨鱼皮鳞片能够实现任意方向上的放缩，实现了鲨鱼皮鳞片各方向上的任意拉伸变形。
(3)本发明实现了逼真鲨鱼皮鳞片的单个制造，能够在试验过程中对单个鳞片的倾角、相对位置等进行优化摆放，从而实现在仿生的基础上进一步提高鲨鱼皮表面的减阻效率。
附图说明
图1是本发明流程框图。
图2鲨鱼表皮形貌的电镜扫描照片。
图3是三维白光干涉表面形貌仪下扫描的三维鲨鱼鳞片。
图4是在SolidWorks软件中建模的逼真鲨鱼皮鳞片模型图片
图5是通过三维打印技术制造出的逼真放大的鲨鱼鳞片(x，y，z三个方向均放大100倍，图中为表达实际加工鳞片尺寸，在鳞片附近放置一枚硬币做对比)。
图6是通过三维打印技术制造出的逼真放大的鲨鱼鳞片(x，y两个方向均放大50倍，z方向放大100倍，图中为表达实际加工鳞片尺寸，在鳞片附近放置一枚硬币做对比)。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
见图1，本发明一种放大制造逼真鲨鱼皮鳞片的方法，该方法具体步骤如下：
步骤一：鲨鱼皮前处理
(A)将剪切下来的鲨鱼皮先用清水冲洗5遍，再用去离子水冲洗3遍，从而去除鲨鱼皮表面附着的粘液、泥沙、血污等杂质，得到了表面清洁的鲨鱼皮。
(B)在通风柜中将清洗后的鲨鱼皮完全浸泡在2.5％的戊二醛溶液中，然后在4℃的恒温环境中放置7h，从而完成鲨鱼皮的固定。
(C)将鲨鱼皮固定完毕后需先用浓度为4％磷酸缓冲液漂洗10min，再用清水和去离子冲洗5遍，冲洗掉了附着在上面的残留戊二醛溶液。
(D)依次以50％乙醇浸泡15min、75％乙醇浸泡15min、95％乙醇浸泡15min、100％乙醇浸泡10min对鲨鱼皮进行梯度脱水。
(E)将鲨鱼皮放在60℃的烘箱中烘6h，直至鲨鱼皮完全干燥。
(F)对鲨鱼皮进行喷金处理，喷金电流设定为0.1A，时间设定为30min.磁控溅射的真空度为0.003Pa，溅射过程中氩气流量为20L/min，真空室溅射压强显示为0.6Pa，其中溅射靶材为分析纯，纯度为99.95％以上，在SEM电镜扫描下，鲨鱼皮鳞片如图2所示.
步骤二：鲨鱼皮鳞片高精度扫描及三维建模
(A)使用三维白光干涉表面形貌仪(Phase Shift MicroXAM-3D，RMS重复精度：1nm，垂直分辨率：最小可到0.1nm，校正精度：＜＜0.1％)对鲨鱼生物鳞片进行精密扫描，得到的单个鲨鱼生物鳞片的三维图片文件，如图3所示。
(B)将上步骤中得到的逼真鲨鱼皮鳞片的三维数据导入到SolidWorks软件中，通过放样等关键步骤进行三维建模，得到了逼真鲨鱼皮鳞片的三维模型，如图4所示，并输出为Stl格式。
SolidWorks软件版本号为SolidWorks 2008 SP0.0。
步骤三：三维打印逼真放大鲨鱼皮鳞片
采用以色列生产的快速成型机(型号为OBJET Eden250)进行三维打印，鲨鱼鳞片材料选用光敏环氧树脂材料，易去除的辅助支撑材料型号为FullCure705，从而可以得到逼真放大的鲨鱼皮鳞片模型，如图5和图6所示。
实施例1：
原材料的选取：所选鲨鱼是短尾真鲨，鲨鱼实验样本购自北京市水产公司，初始样本呈冷冻态，体长1.4m，体重23Kg。2.5％的戊二醛溶液、浓度分别为50％、75％、95、100％的乙醇、去离子水等化学试剂均购买于北京奥利化学试剂有限公司。鲨鱼鳞片的打印主体材料为环氧树脂，辅助支撑材料型号为FullCure705。
步骤一：鲨鱼皮前处理
(A)先将冷冻的鲨鱼在自然常温状态下进行解冻，然后进行解剖和鲨鱼皮剪裁，将剪切下来的鲨鱼皮先用清水冲洗5遍，再用去离子水冲洗3遍，从而去除鲨鱼皮表面附着的粘液、泥沙、血污等杂质，得到了表面清洁的鲨鱼皮。
(B)在通风柜中将清洗后的鲨鱼皮完全浸泡在2.5％的戊二醛溶液中，然后在4℃的恒温环境中放置7h，从而实现鲨鱼皮的固定。
通风柜是由北京同为基业试验设备有限公司生产的型号为XLAL-4的通风柜。
(C)将鲨鱼皮固定完毕后需先用浓度为4％磷酸缓冲液漂洗12min，再用清水和去离子冲洗各5遍，冲洗掉附着在上面的残留戊二醛溶液。
(D)依次以50％乙醇浸泡15min、75％乙醇浸泡15min、95％乙醇浸泡15min、100％乙醇浸泡10min对鲨鱼皮进行梯度脱水。
(E)将鲨鱼皮放在60℃的烘箱中烘6h，直至鲨鱼皮完全干燥。
烘干箱选用上海一恒科技有限公司生产的PZT-6020智能型真空干燥箱。
(F)对鲨鱼皮进行喷金处理，喷金电流设定为0.1A，时间设定为30min，磁控溅射的真空度为0.003帕(以pa代表，以下同)，溅射过程中氩气流量为20L/min，真空室溅射压强显示为0.6Pa，其中溅射靶材为分析纯，纯度为99.95％以上，溅射方式采用直流溅射，处理后的鲨鱼皮表面如图2所示。
喷金溅射设备是由北京北仪创新真空技术有限责任公司生产的型号为JPGF-450D磁控溅射仪。
步骤二：鲨鱼皮鳞片高精度扫描及三维建模
(A)使用三维白光干涉表面形貌仪对鲨鱼生物鳞片进行精密扫描，得到单个鲨鱼生物鳞片的三维图片文件，如图3所示。
(B)将上步(A)中得到的逼真鲨鱼皮鳞片的三维数据导入到SolidWorks软件中，通过放样、放大等关键程序进行三维建模，得到了逼真鲨鱼皮鳞片的x，y，z三方向分别放大100倍及x，y方向放大50倍，z方向放大100倍的三维模型，并输出为Stl格式，如图4所示。
步骤三：三维打印逼真放大鲨鱼皮鳞片
采用以色列生产的OBJET Eden250快速成型机进行三维打印，鲨鱼鳞片材料选用光敏环氧树脂材料，辅助支撑材料为FullCure705，从而可以得到逼真放大及拉伸放大的鲨鱼皮鳞片模型，如图5和图6所示。

Claims (1)

1.一种放大制造逼真鲨鱼皮鳞片的方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：
步骤一：鲨鱼皮前处理
对鲨鱼皮进行清洗→化学固定→再清洗→脱水→烘干→喷金六道工序的处理；
(A)清洗将剪切下来的鲨鱼皮先用清水冲洗3～5遍，再用去离子水冲洗2～3遍，以充分去除鲨鱼皮表面附着的粘液、泥沙、血污杂质；
(B)化学固定采用戊二醛固定方式，在通风柜中将清洗后的鲨鱼皮完全浸泡在2.5％的戊二醛溶液中，然后在4℃的恒温环境中放置6小时以上，鲨鱼皮即完成固定；
(C)再清洗鲨鱼皮固定完毕后需先用浓度为2％-5％的磷酸缓冲液漂洗10-15分钟，再用清水和去离子冲洗3～5遍，以冲洗掉附着在上面的残留戊二醛溶液；
(D)脱水依次以50％乙醇浸泡15分钟、75％乙醇浸泡15分钟、95％乙醇浸泡15分钟、100％乙醇浸泡10min对鲨鱼皮进行梯度脱水；
(E)烘干为最大限度地去除鲨鱼皮中的水分，要将鲨鱼皮放在55-65℃的烘箱中烘5～6小时；
(F)喷金对鲨鱼皮进行喷金处理，喷金电流设定为0.1安培，时间设定为30分钟，磁控溅射的真空度为0.003帕，溅射过程中氩气流量为20升每分钟，真空室溅射压强为0.6帕，溅射靶材是纯度为99.95％以上的分析纯；
步骤二：鲨鱼皮鳞片高精度扫描及三维建模
(A)采用三维白光干涉表面形貌仪对鲨鱼生物鳞片进行精密扫描，得到单个鲨鱼生物鳞片的三维图片文件，其中包含了大量的鲨鱼表皮鳞片的点云数据，为三维实体建模准备了充足的数据资源；
(B)将上步骤中得到的逼真鲨鱼皮鳞片的三维数据导入到SolidWorks软件中，进行三维建模，得到了逼真鲨鱼皮鳞片的三维模型，并输出为Stl格式；
步骤三：三维打印逼真放大鲨鱼皮鳞片
采用快速成型机进行三维打印，鲨鱼鳞片材料选用环氧树脂材料，辅助支撑材料型号为Full Cure705。
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