CN109970021A

CN109970021A - 三维结构

Info

Publication number: CN109970021A
Application number: CN201810105871.8A
Authority: CN
Inventors: 叶日翔; 邱佑宗; 陈世明; 彭志刚
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2017-12-28
Filing date: 2018-02-02
Publication date: 2019-07-05
Anticipated expiration: 2038-02-02
Also published as: TW201930053A; CN109970021B; TWI650226B

Abstract

本发明公开一种三维结构，其包括一板材与三维部件，三维部件位于板材上。所述三维部件包括至少一第一结构以及至少一第二结构。所述第一结构为拉胀型(Auxetic)结构，且所述第二结构不同于第一结构。该至少第一结构与该至少第二结构沿所述板材的一厚度方向逐层设置在所述板材上。

Description

三维结构

技术领域

本发明涉及一种微结构技术，且特别是涉及一种三维结构。

背景技术

科技发展飞速，源自于工业制造用的3D打印技术至今逐渐走入生活。不同于传统除料式减法制作工艺，3D打印加法制作工艺可制作出具复杂形貌与孔洞的结构，且具备有少量、多样、高值化的诸多制作优势。因此，3D打印技术未来可应用护具、航太、汽机车零组件、3C壳件、医材及具复杂结构创意商品的开发上。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三维结构，能达到轻量化且对于冲击的防护展现优异的效果。

为达上述目的，本发明的三维结构包括第一板材与三维部件，三维部件位于第一板材上。所述三维部件包括至少一第一结构、至少一第二结构以及介于第一与第二结构之间的梯度结构。所述第一结构为拉胀型(Auxetic)结构，且所述第二结构不同于第一结构。该至少第一结构与该至少第二结构沿所述第一板材的一厚度方向逐层设置在该第一板材上。

基于上述，本发明通过混合两种不同结构型态的三维部件构成的三维结构，达到结构轻量化且可避免受外力撞击时减少应力集中现象，达到保护的作用。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附的附图作详细说明如下。

附图说明

图1是本发明一实施例的一种三维结构的剖面示意图；

图2是拉胀型结构的线条示意图；

图3是本发明另一实施例的一种三维结构的剖面示意图；

图4是本发明再一实施例的一种三维结构的剖面示意图；

图5A是模拟比较例一的全拉胀型结构示意图；

图5B是模拟比较例二的全蜂巢型结构示意图；

图6是模拟比较例一和模拟比较例二的应力曲线图；

图7A是模拟实验例一的三维部件示意图；

图7B是模拟实验例二的三维部件示意图；

图8是模拟比较例一、模拟实验例一和模拟实验例二的应力曲线图；

图9A是模拟实验例三的三维部件示意图；

图9B是模拟实验例四的三维部件示意图；

图10是模拟实验例二至四的应力曲线图；

图11A是模拟实验例五的三维部件示意图；

图11B是模拟实验例六的三维部件示意图；

图12是模拟实验例二、模拟实验例五和模拟实验例六的应力曲线图。

符号说明

100：三维结构

102：第一板材

104：第二板材

106、300、400：三维部件

108：第一结构

110：第二结构

112：梯度结构

T1、T2：厚度

T3：壁厚

P₁₁～P₃₅：端点

具体实施方式

请参考以下实施例及随附的附图，以便更充分地了解本发明，但是本发明仍可以通过多种不同形式来实践，且不应将其解释为限于本文所述的实施例。为了方便理解，下述说明中相同的元件将以相同的符号标示来说明。而在附图中，为求明确起见对于各构件以及其相对尺寸可能未按实际比例绘制。

图1是依照本发明的一实施例的一种三维结构的剖面示意图。

请参照图1，本实施例的三维结构100包括第一板材102、第二板材104与三维部件106，三维部件106是介于第一板材102与第二板材104之间，但本发明并不限于此，三维结构也可不具有第二板材104。所述三维部件106包括至少一第一结构108与至少一第二结构110，且第一结构108与第二结构110沿第一板材102的厚度(T1)方向逐层设置在该第一板材102上；换言之，第一板材102仅与第一结构108或第二结构110相接，且三维部件106的每一层分别为第一结构108或是第二结构110。第一结构108为拉胀型(Auxetic)结构，第二结构110不同于第一结构108，例如蜂巢型(Honeycomb)结构。而且，本实施例的三维部件106还可具有介于第一结构108与第二结构110之间的梯度结构112，换言之，三维部件106的每一层分别为第一结构108、第二结构110、或是梯度结构112。所述梯度结构112是指在结构上依一预定梯度逐渐由第一结构108转变为第二结构110或者逐渐由第二结构110转变为第一结构108的中间结构。以第二结构110为蜂巢型结构为例，梯度结构112为梯型结构。

在本实施例中，所谓的「拉胀型结构」若以图2的端点P₁₁～P₃₅与端点间的线条来表示，则需符合下式(1)至式(5)。

y_f＝j·h 式(2)

式(1)至式(5)中的i、j、N与M都为整数。

而且，根据以下条件决定图2中的各端点P_i，j(x_i，y_j)之间的线条：若为之间的线条，则适用于所有的i和j；若为之间的线条，则适用于i为奇数且j为偶数或者i为偶数且j为奇数。

在图1中，第一板材102的厚度T1例如三维部件106的壁厚T3的5倍至20倍；第二板材104的厚度T2例如三维部件106的壁厚T3的5倍至20倍。文中的「壁厚」是表示三维部件106中第一结构108以及/或是第二结构110的结构壁的厚度。举例来说，若是三维部件106的壁厚T3在0.1mm～10mm之间，则厚度T1或厚度T2可在0.5mm～200mm之间。此外，第一板材102或者第二板材104可各自具有一预定曲度(curvature)，以便根据使用需求制成不同尺寸的板状、片状、圆管状、方型管状、异型管件、圆实心棒状、方型实心棒状等，而含有立体三维部件106于整体三维结构100之中。而且，在本实施例中，第一板材102、第二板材104与三维部件106可以是由3D打印制成的一体化结构。因此，第一板材102、第二板材104与三维部件106的材料可以相同，但本发明并不限于此。在一实施例中，第一板材102的材料例如金属、高分子材料(如热塑材料、热固材料或弹性体)或复合材料；第二板材104的材料例如金属、高分子材料(如热塑材料、热固材料或弹性体)或复合材料；三维部件106的材料例如金属、高分子材料(如热塑材料、热固材料或弹性体)或复合材料。

在本实施例中，三维部件106的周期例如3个至20个，所谓的「周期」是指在三维结构100的厚度方向上重复的结构单元(unit)的数量。以图1来看，三维部件106中的第一结构108的周期为3个、第二结构110的周期为3个，所以图1的三维部件106的周期是6个，其中的梯度结构112是由第一结构108转变为第二结构110的过渡，所以不算在三维部件106的周期内。然而本发明并不限于此，若是以轻量化的观点来看，第一结构108的周期例如2个至7个；第二结构110的周期例如2个至7个。此外，第一结构108与第二结构110还可交错排列多层，而所需的结构层排列方式将依产品所受的外力而定，可通过电脑力学模拟方式或实体测试方式决定，并利用3D打印方式进行加工。在本实施例中，三维部件106是由一个第一结构108、一个梯度结构112以及一个第二结构110所构成，但本发明并不限于此。

在另一实施例中，三维部件300可由两个第一结构108、两个梯度结构112以及一个第二结构110所构成，且第二结构110是介于两个第一结构108之间，其中一个梯度结构112介于一个第一结构108与第二结构110之间，另一个梯度结构112介于另一个第一结构108与第二结构110之间，如图3所示。以图3来看，三维部件300中的单一第一结构108的周期为3个、第二结构110的周期为3个，所以图3的三维部件300的周期是9个。

在再一实施例中，三维部件400可由两个第二结构110、两个梯度结构112以及一个第一结构108所构成，且第一结构108介于两个第二结构110之间，其中一个梯度结构112介于一个第二结构110与第一结构108之间，另一个梯度结构112则介于另一个第二结构110与第一结构108之间，如图4所示。以图4来看，三维部件400中的第一结构108的周期为5个、单一第二结构110的周期为3个，所以图4的三维部件400的周期是11个。

以下列举几个模拟实验来验证本发明的功效，但本发明并不局限于以下的内容。

模拟条件：

w＝3mm；

α₀＝-50°，M＝2；

壁厚(T3)＝0.3mm；

圆直径＝20mm，比重为1；

速度＝10000mm/2sec。

<模拟比较例一>

模拟一个如图5A的全拉胀型结构，其周期为7个。然后，通过电脑力学模拟方式测量受保护物在撞击历程中所发生的最大应力，所模拟的受冲击方向为上至下的厚度方向，而其结果显示于图6。

<模拟比较例二>

模拟一个如图5B的全蜂巢型结构，其周期也是7个。然后进行模拟，测量受保护物在撞击历程中所发生的最大应力，并将结果显示于图6。

从图6可得到，受全蜂巢型结构的三微结构保护的受保护物在两边的受力过大，而受全拉胀型结构的三微结构保护的受保护物则有较为均匀的受力，但仍有改良空间。

<模拟实验例一>

模拟一个如图7A的三维部件，其上部的蜂巢型结构的周期为3个、下部的拉胀型结构的周期为4个，所模拟的受冲击方向为上至下的厚度方向，结果显示于图8。

<模拟实验例二>

模拟一个如图7B的三维部件，其上部的拉胀型结构的周期为3个、下部的蜂巢型结构的周期为4个，所模拟的受冲击方向为上至下的厚度方向，而结果显示于图8。

另外，模拟比较例一的结果也显示于图8。因此，从图8可得到，模拟实验例一和二在受力的均匀度方面都优于模拟比较例一。而且，模拟实验例二的最大应力(绝对值)最低，所以模拟实验例二的结构较佳。

<模拟实验例三>

模拟一个如图9A的三维部件，其上部与下部的拉胀型结构的周期为2个、中间的蜂巢型结构的周期为3个，所模拟的受冲击方向为上至下的厚度方向，而结果显示于图10。

<模拟实验例四>

模拟一个如图9B的三维部件，其上部与下部的蜂巢型结构的周期为2个、中间的拉胀型结构的周期为3个，所模拟的受冲击方向为上至下的厚度方向，而结果显示于图10。

另外，模拟实验例二的结果也显示于图10。因此，从图10可得到，模拟实验例三和四的受力模式较接近。

<模拟实验例五>

模拟一个如图11A的三维部件，其上部的拉胀型结构的周期为4个、下部的蜂巢型结构的周期为3个，所模拟的受冲击方向为上至下的厚度方向，而结果显示于图12。

<模拟实验例六>

模拟一个如图11B的三维部件，其上部的拉胀型结构的周期为5个、下部的蜂巢型结构的周期为2个，所模拟的受冲击方向为上至下的厚度方向，而结果显示于图12。

另外，模拟实验例二的结果也显示于图12。因此，从图12可得到，以最大应力值来看，模拟实验例五的结果最好；如以力量均匀性而言，模拟实验例六的结果最好。

综上所述，本发明通过混合拉胀型结构与另一种不同结构型态所混合而成的三维部件，能达到结构轻量化且可避免受外力撞击时减少应力集中现象的三维结构。而且，本发明的三维结构与传统只有单一种结构型态(如蜂巢型)的三维结构相比，能减重20％～50％，耐冲击性可提升40％，还能达到保护的功能。

虽然结合以上实施例公开了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围应当以附上的权利要求所界定的为准。

Claims

1.一种三维结构，其特征在于，包括：

第一板材；以及

三维部件，位于该第一板材上，其中该三维部件包括至少一第一结构以及至少一第二结构，该第一结构为拉胀型结构，该第二结构不同于该第一结构，且该至少第一结构与该至少第二结构沿该第一板材的一厚度方向逐层设置在该第一板材上。

2.如权利要求1所述的三维结构，其特征在于，该第二结构为蜂巢型结构。

3.如权利要求1所述的三维结构，其特征在于，该三维部件的壁厚在0.1mm～10mm之间。

4.如权利要求1所述的三维结构，其特征在于，该第一板材的厚度为该三维部件的壁厚的5倍至20倍。

5.如权利要求1所述的三维结构，其特征在于，该三维部件的周期为3个至20个。

6.如权利要求5所述的三维结构，其特征在于，该三维部件中的该第一结构的周期为2个至7个。

7.如权利要求5所述的三维结构，其特征在于，该三维部件中的该第二结构的周期为2个至7个。

8.如权利要求1所述的三维结构，还包括梯度结构，介于该第一结构与该第二结构之间，所述梯度结构为结构上依一预定梯度逐渐由该第一结构转变为该第二结构或者逐渐由该第二结构转变为该第一结构的中间结构。

9.如权利要求8所述的三维结构，其特征在于，该三维部件是由一个所述第一结构、一个所述梯度结构以及一个所述第二结构所构成。

10.如权利要求8所述的三维结构，其特征在于，该三维部件是由两个所述第一结构、两个所述梯度结构以及一个所述第二结构所构成，且所述第二结构介于两个所述第一结构之间，一个所述梯度结构介于一个所述第一结构与所述第二结构之间，另一个所述梯度结构介于另一个所述第一结构与所述第二结构之间。

11.如权利要求8所述的三维结构，其特征在于，该三维部件是由一个所述第一结构、两个所述梯度结构以及两个所述第二结构所构成，且所述第一结构介于两个所述第二结构之间，一个所述梯度结构介于一个所述第二结构与所述第一结构之间，另一个所述梯度结构介于另一个所述第二结构与所述第一结构之间。

12.如权利要求1所述的三维结构，其特征在于，该第一板材具有一预定曲度。

13.如权利要求1所述的三维结构，其特征在于，该第一板材与该三维部件的材料包括金属、高分子材料或复合材料。

14.如权利要求13所述的三维结构，其特征在于，该高分子材料包括热塑材料、热固材料或弹性体。

15.如权利要求1所述的三维结构，其特征在于，该第一板材与该三维部件是由3D打印制成的一体化结构。

16.如权利要求1所述的三维结构，还包括第二板材，且该三维部件介于该第二板材与该第一板材之间。

17.如权利要求16所述的三维结构，其特征在于，该第二板材的厚度为该三维部件的厚度的5倍至20倍。

18.如权利要求16所述的三维结构，其特征在于，该第二板材具有一预定曲度。