CN110142840B - 一种基于核磁共振3d打印木材定向结构的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于核磁共振3D打印木材定向结构的方法，本发明属于3D打印技术领域。该方法将木材样品放置于核磁共振分析仪中进行扫描，样品在水平方向放置顺时针旋转360°，每旋转一定角度，仪器进行拍摄照片。通过所拍摄一系列有序的照片进行三维模型重构，分析得到木材样品的空间结构参数信息和细胞组织分布情况。分析所得到的木材样品三维模型，结合三维建筑模块的组合连接形式对木材样品的三维模型进行重排定向，经由3D打印机打印人造木材。同时，打印材料亦可进行选择和结构设定，使其具备不同的功能属性。最后分别根据不同情况进行3D打印来测试其力学性能，以得到性能最好的最优方案。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印人造木材技术领域，具体的涉及一种基于核磁共振3D打印木材定向结构的方法。
背景技术
木材是一种重要的天然可再生资源，以强重比高，良好的声学特性，温和的视觉效果，易加工等优点被人们广泛利用，从家具到建筑，从器皿到卧具，随处可见，与人们的生活紧密相关。随着人们对于实木家具的喜爱逐渐增加，我国木质资源逐年减弱，加快了木材资源的消耗，导致我国的木材严重供给不足。近年来大量的人工速生树种被广泛种植满足全球范围内的木材供应。人工林面积逐年增加，现在已经达到世界人工林面积的前列。
人造木质材料在我们生活中已经非常普遍，现有的人造板即是将木材微型单体通过胶黏剂结合，利用热压机压制所形成，然后进行表面装饰等后续操作。同时也存在形状单一，结构紧密不可控和环保方面的问题。
但是由于人工速生林有生长速度快，人工林生长周期短，导致材质松软、密度低、硬度小、强度低、易腐朽、变形和力学性能差等缺点，这样的人工速生木材很难用在家具制造等经济高附加值领域。木材细胞壁的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素。纤维素以微纤维的形态存在于细胞壁中，有较高的结晶度，使植物具有较高的强度，称微骨架结构；半纤维素是无定型物质，分布在微纤维之中，成为填充物质；对于木质素，一般认为是无定形物质，包围在微纤维、毫纤维等之间，是纤维与纤维之间形成胞间层的主要物质，称为结壳物质。木材细胞壁的三大化学成分是影响木材细胞壁力学性能的重要因素，人们往往要对木材进行改性利用，以期达到优美观感与良好性能。所以探索木材细胞壁结构性能及空间组织形态，提高人工林木材力学强度具有重要意义。
目前3D打印仅使用木材化学成分为原料配方进行打印，未实现对所需要打印的人造木材进行结构、组织的设定，以采用最优的组合方式达到其力学性能的高点，同时也未实现根据设定不同的组织类型赋予产品各项优良性能的目的。此外，红外光谱测定木材化学成分的测试方法尚不成熟，细胞壁各层的化学成分含量及分布规律有待于进一步的研究。目前对细胞壁各层化学成分含量和空间构成研究较少，依赖于测试方法的提高和有效模型的建立。
在现有技术中，将木材空间结构联合建筑物稳定的三维建筑结构模块，利用3D打印技术制作人造木质材料还没有人尝试。本发明为解决人工林木材性质差，应用范围局限的问题，采用3D打印技术对木材细胞壁进行定向调控，得出最佳化学成分空间分布结构及最优配比，且对木材内部微观组织结构进行重新设计构建，引入建筑模块，达到木材强度可调节，内部细胞类型及形态可控制的效果。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于实现人为调控木材内部微观结构，获得各项性能均优异的人造木材。
为达到上述目的，本发明的技术方案为：一种基于核磁共振3D打印木材定向结构的方法，包括以下步骤：
(1)利用Rhinoceros软件对木材细胞壁各组分含量及空间位置进行设定，建立三维模型；
(2)利用3D打印技术获得步骤(1)中不同壁层结构类型的纤维型单体；
(3)选择合适的木材样品，确定要分析的结构位置，调整核磁共振仪的分辨率及参数；
(4)将木材样品放入核磁共振仪测试位置，并开始扫描拍摄，获取一系列有序的木材微观结构图像；
(5)将所获得的木材样品核磁共振扫描图像通过软件进行分析，引入建筑结构模块，重构木材样品的三维模型；
(6)将步骤(5)中得到的木材样品的三维模型用3D打印机进行打印，打印材料选择步骤(2)中木材纤维微型单体。
进一步的，步骤(3)中所述的木材样品尺寸为10-6m～10-3m，根据木材样品的尺寸调整所使用核磁共振仪的不同分辨率及参数。
进一步的，步骤(4)中将木材样品放入核磁共振测试位置前，木材样品的底部经过滑走切片机钻石刀头进行平滑处理。
进一步的，步骤(4)的扫描拍摄过程中，木材样品的旋转角度为360°，样品每旋转0.5°进行一次扫描拍摄，角度误差在±0.1°；将设定角度范围旋转结束，获得一系列有序的二维木材样品微观结构图像。
进一步的，步骤(5)中使用MestReNova软件对所获得的木材样品二维灰度图像进行查看分析，将一系列有序的图像使用Autodesk的123D Catch软件进行三维模型的生成，结合三维建筑结构模块稳定组合形式对所获得的木材微观结构进行设计安排。
进一步的，所述三维建筑结构模块是长方体、多边体或不规则多边体的结构，体与体之间的连接方式采用建筑物主梁与次梁的连接方式。
进一步的，所述主梁与次梁之间的连接为多根次梁垂直连接于互相平行的主梁之间。
进一步的，模块框架的每个面设置为木材细胞壁的位置，使木材结构与建筑模块的结构相结合，结合两者的优点，增强人造木材的强度与稳定性。
进一步的，步骤(6)中所使用3D打印材料使用各类木材细胞自身最佳纤维尺寸。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)目前，细胞壁各层化学成分含量及分布位置尚不明确，且无精确的测试手段；本发明应用Rhinoceros软件对木材细胞壁化学成分进行三维建模，定向调控细胞壁各层结构特性；使所打印的木材细胞壁壁层材料及其结构具有可调节性；
(2)利用核磁共振成像技术三维成像直接处理获取到木材组织结构三维模型，利用Sketchup、MestReNova等软件对木材组织结构进行建筑结构模块化设计；
(3)对木材的微观组织结构进行定向调控与设计，使木材具备微观组织结构的可调性，对木材的渗透、尺寸稳定、耐候等性能均可进行选择性调控，克服木材各向异性的缺点，择优制作，获得各个方向力学性能最优、性能好、质量佳的人造木材。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合较佳的实施例对本发明作更全面、细致的描述，但本发明的保护范围不限于以下具体实施例。
实施例1
一种基于核磁共振3D打印木材定向结构的方法，包括以下步骤：
(1)利用Rhinoceros软件对木材细胞壁各组分含量及空间位置进行设定，建立三维模型；
(2)利用3D打印技术获得步骤(1)中不同壁层结构类型的纤维型单体；
(3)选择合适的木材样品，确定要分析的结构位置，调整核磁共振仪的分辨率及参数；
(4)将木材样品放入核磁共振仪测试位置，并开始扫描拍摄，获取一系列有序的木材微观结构图像；
(5)将所获得的木材样品核磁共振扫描图像通过软件进行分析，引入建筑结构模块，重构木材样品的三维模型；
(6)将步骤(5)中得到的木材样品的三维模型用3D打印机进行打印，打印材料选择步骤(2)中木材纤维微型单体。
步骤(3)中所述的木材样品尺寸为10-6m，根据木材样品的尺寸调整所使用核磁共振仪的不同分辨率及参数。
步骤(4)中将木材样品放入核磁共振测试位置前，木材样品的底部经过滑走切片机钻石刀头进行平滑处理。
步骤(4)的扫描拍摄过程中，木材样品的旋转角度为360°，样品每旋转0.5°进行一次扫描拍摄，角度误差在±0.1°；将设定角度范围旋转结束，获得一系列有序的二维木材样品微观结构图像。
步骤(5)中使用MestReNova软件对所获得的木材样品二维灰度图像进行查看分析，将一系列有序的图像使用Autodesk的123D Catch软件进行三维模型的生成，结合三维建筑结构模块稳定组合形式对所获得的木材微观结构进行设计安排；所述三维建筑结构模块是长方体、多边体或不规则多边体的结构，体与体之间的连接方式采用建筑物主梁与次梁的连接方式，主梁与次梁之间的连接为多根次梁垂直连接于互相平行的主梁之间。模块框架的每个面设置为木材细胞壁的位置，使木材结构与建筑模块的结构相结合，结合两者的优点，增强人造木材的强度与稳定性。
步骤(6)中所使用3D打印材料使用各类木材细胞自身最佳纤维尺寸。
实施例2
一种基于核磁共振3D打印木材定向结构的方法，包括以下步骤：
(1)利用Rhinoceros软件对木材细胞壁各组分含量及空间位置进行设定，建立三维模型；
(2)利用3D打印技术获得步骤(1)中不同壁层结构类型的纤维型单体；
(3)选择合适的木材样品，确定要分析的结构位置，调整核磁共振仪的分辨率及参数；
(4)将木材样品放入核磁共振仪测试位置，并开始扫描拍摄，获取一系列有序的木材微观结构图像；
(5)将所获得的木材样品核磁共振扫描图像通过软件进行分析，引入建筑结构模块，重构木材样品的三维模型；
(6)将步骤(5)中得到的木材样品的三维模型用3D打印机进行打印，打印材料选择步骤(2)中木材纤维微型单体。
步骤(3)中所述的木材样品尺寸为10-3m，根据木材样品的尺寸调整所使用核磁共振仪的不同分辨率及参数。
步骤(4)中将木材样品放入核磁共振测试位置前，木材样品的底部经过滑走切片机钻石刀头进行平滑处理。
步骤(4)的扫描拍摄过程中，木材样品的旋转角度为360°，样品每旋转0.5°进行一次扫描拍摄，角度误差在±0.1°；将设定角度范围旋转结束，获得一系列有序的二维木材样品微观结构图像。
步骤(5)中使用MestReNova软件对所获得的木材样品二维灰度图像进行查看分析，将一系列有序的图像使用Autodesk的123D Catch软件进行三维模型的生成，结合三维建筑结构模块稳定组合形式对所获得的木材微观结构进行设计安排；所述三维建筑结构模块是长方体、多边体或不规则多边体的结构，体与体之间的连接方式采用建筑物主梁与次梁的连接方式，主梁与次梁之间的连接为多根次梁垂直连接于互相平行的主梁之间。模块框架的每个面设置为木材细胞壁的位置，使木材结构与建筑模块的结构相结合，结合两者的优点，增强人造木材的强度与稳定性。
步骤(6)中所使用3D打印材料使用各类木材细胞自身最佳纤维尺寸。
实施例3
一种基于核磁共振3D打印木材定向结构的方法，包括以下步骤：
(1)利用Rhinoceros软件对木材细胞壁各组分含量及空间位置进行设定，建立三维模型；
(2)利用3D打印技术获得步骤(1)中不同壁层结构类型的纤维型单体；
(3)选择合适的木材样品，确定要分析的结构位置，调整核磁共振仪的分辨率及参数；
(4)将木材样品放入核磁共振仪测试位置，并开始扫描拍摄，获取一系列有序的木材微观结构图像；
(5)将所获得的木材样品核磁共振扫描图像通过软件进行分析，引入建筑结构模块，重构木材样品的三维模型；
(6)将步骤(5)中得到的木材样品的三维模型用3D打印机进行打印，打印材料选择步骤(2)中木材纤维微型单体。
步骤(3)中所述的木材样品尺寸为10-4m，根据木材样品的尺寸调整所使用核磁共振仪的不同分辨率及参数。
步骤(4)中将木材样品放入核磁共振测试位置前，木材样品的底部经过滑走切片机钻石刀头进行平滑处理。
步骤(4)的扫描拍摄过程中，木材样品的旋转角度为360°，样品每旋转0.5°进行一次扫描拍摄，角度误差在±0.1°；将设定角度范围旋转结束，获得一系列有序的二维木材样品微观结构图像。
步骤(5)中使用MestReNova软件对所获得的木材样品二维灰度图像进行查看分析，将一系列有序的图像使用Autodesk的123D Catch软件进行三维模型的生成，结合三维建筑结构模块稳定组合形式对所获得的木材微观结构进行设计安排；所述三维建筑结构模块是长方体、多边体或不规则多边体的结构，体与体之间的连接方式采用建筑物主梁与次梁的连接方式，主梁与次梁之间的连接为多根次梁垂直连接于互相平行的主梁之间。模块框架的每个面设置为木材细胞壁的位置，使木材结构与建筑模块的结构相结合，结合两者的优点，增强人造木材的强度与稳定性。
步骤(6)中所使用3D打印材料使用各类木材细胞自身最佳纤维尺寸。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制，但凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的的技术方案，均应落在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于核磁共振3D打印木材定向结构的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)利用Rhinoceros软件对木材细胞壁各组分含量及空间位置进行设定，建立三维模型；
(2)利用3D打印技术获得步骤(1)中不同细胞壁层结构类型的纤维型单体；
(3)选择合适的木材样品，确定要分析的结构位置，调整核磁共振仪的分辨率及参数；
(4)将木材样品放入核磁共振仪测试位置，并开始扫描拍摄，获取一系列有序的木材微观结构图像；
(5)将所获得的木材微观结构图像通过软件进行分析，引入三维建筑结构模块，重构木材样品的三维模型；
(6)将步骤(5)中得到的木材样品的三维模型用3D打印机进行打印，打印材料选择步骤(2)中木材纤维微型单体。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(3)中所述的木材样品尺寸为10-6m～10-3m，根据木材样品的尺寸调整所使用核磁共振仪的不同分辨率及参数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(4)中将木材样品放入核磁共振测试位置前，木材样品的底部经过滑走切片机钻石刀头进行平滑处理。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(4)的扫描拍摄过程中，木材样品的旋转角度为360°，样品每旋转0.5°进行一次扫描拍摄，角度误差在±0.1°；将设定角度范围旋转结束，获得一系列有序的二维木材样品微观结构图像。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(5)中使用MestReNova软件对所获得的木材微观结构图像进行查看分析，将一系列有序的图像使用Autodesk的123DCatch软件进行三维模型的生成，结合三维建筑结构模块稳定组合形式对所获得的木材微观结构进行设计安排。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述三维建筑结构模块是长方体、多边体或不规则多边体结构，三维建筑结构模块的连接方式采用建筑物主梁与次梁的连接方式。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述主梁与次梁之间的连接方式为多根次梁垂直连接于互相平行的主梁之间。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：三维建筑结构模块框架的每个面设置为木材细胞壁的位置，使木材结构与三维建筑结构模块的结构相结合，结合两者的优点，增强人造木材的强度与稳定性。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(6)中所使用3D打印材料使用各类木材细胞自身最佳纤维尺寸。
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