CN110457841A - 一种表征3d打印金刚石点阵结构力学性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种表征3D打印金刚石点阵结构力学性能的方法，包括测试对象获取步骤，所述测试对象获取步骤为：获取用于力学性能测试的金刚石点阵结构对象，所述金刚石点阵结构对象为具有周期性结构单元、至少一端侧面没有悬臂杆状的悬空点阵杆的杆状结构。采用本方法，可实现金刚石点阵结构力学性能的准确测试。

Description

一种表征3D打印金刚石点阵结构力学性能的方法

技术领域

本发明涉及3D打印点阵结构的力学性能测试技术领域，特别是涉及一种表征3D打印金刚石点阵结构力学性能的方法。

背景技术

点阵结构在轻量化、减振、吸能等领域具有重要的应用前景，3D打印以其独特的技术优势，可以实现不同种类和不同尺寸的点阵结构的三维加工成形。

在简单立方、面心立方、体心立方等点阵结构中，均具有横梁结构。对于3D打印而言，当横梁结构尺寸略大时，需要添加支撑结构才能辅助成形，多孔结构中夹杂的支撑在后期不便于去除。换言之，上述几种立方点阵结构，3D打印的工艺性较差；与之相比，金刚石点阵中没有横梁结构，可以在没有支撑的情况下完成不同尺寸点阵结构的3D打印。金刚石点阵结构除了工艺性能方面的优势外，其力学性能方面也具有一定优势。在简单立方、面心立方、体心立方中，每个点阵节点分别是6、8、8根点阵杆的交汇处。由于点阵节点往往是应力集中区，连接的点阵杆较多时节点处容易提前失效，在未经特殊优化时无法发挥出点阵结构的力学性能潜力。在金刚石点阵结构中，每个点阵节点是4根点阵杆的交汇处，由于节点上的点阵杆较少，更能发挥出点阵结构的力学性能潜力。

综上所述，金刚石点阵结构具有较好的工艺特性和力学性能潜质，在力学性能构件中具有很好的应用前景。

准确量化金刚石点阵结构的力学性能，无疑会进一步推进金刚石点阵结构在现有技术中的运用。

发明内容

针对上述提出的准确量化金刚石点阵结构的力学性能，无疑会进一步推进金刚石点阵结构在现有技术中的运用的技术问题，本发明提供了一种表征3D打印金刚石点阵结构力学性能的方法。采用本方法，可实现金刚石点阵结构力学性能的准确测试。

针对上述问题，本发明提供的一种表征3D打印金刚石点阵结构力学性能的方法通过以下技术要点来解决问题：一种表征3D打印金刚石点阵结构力学性能的方法，包括测试对象获取步骤，所述测试对象获取步骤为：获取用于力学性能测试的金刚石点阵结构对象，所述金刚石点阵结构对象为具有周期性结构单元、至少一端侧面没有悬臂杆状的悬空点阵杆的杆状结构。

如上所述，金刚石点阵结构虽然具有较好的工艺特性和力学性能潜质，在力学性能构件中具有很好的应用前景。但是，金刚石点阵内由于具有很多悬空点阵杆，在进行力学性能表征以方便其运用时，以上悬空点阵杆给其力学性能的标定带来了很大阻碍，不仅不能获得准确的力学性能标定结果，同时不利于形成统一的力学性能测试标准。

本方法的原理为首先获得金刚石点阵结构母体，而后由母体中截取局部作为测试对象，且该测试对象首先得反映金刚石点阵结构的结构特点，即具有金刚石点阵结构固有的周期性结构单元(晶胞)，同时该作为测试对象的金刚石点阵结构对象中，至少有一端的侧面没有呈悬臂梁形态的悬空点阵杆，这样，采用本方案实现金刚石点阵结构力学性能表征或测试时：

1.在未改变金刚石点阵结构的前提下，提出了一种金刚石点阵结构的力学性能测试方法。

2.基于该方法，可以得到无悬空点阵杆的测试对象，如仅一端无悬空点阵杆时，对该端施加约束后，可以用于压缩等力学性能测试；如两端均无悬空点阵杆时，可用于拉伸、压缩等力学性能测试。由于在进行力学性能测试时，测试对象的夹持端没有悬空的杆件(点阵杆)，可以较好的反映出金刚石点阵的力学性能，特别是在拉伸等两端均需要夹持操作的性能测试中，将金刚石点阵结构与实体连接，以实体部位作为夹持着力点，可有效防止夹持力不够影响测试。

3.基于本发明提出的方法，利用无悬空点阵杆的测试对象，可以用于拉伸、压缩、弯曲、扭转等力学性能测试。

4.本发明提供了切实有效的金刚石点阵结构的力学性能测试方法，对于建立金刚石点阵结构的力学性能测试标准具有重要的推动作用。

更进一步的技术方案为：

为使得本方法适用于更为广泛的金刚石点阵结构力学性能测试，设置为：所述金刚石点阵结构对象的两端均为没有悬空点阵杆。

作为一种更易实现的技术方案，设置为：所述金刚石点阵结构对象为三维模型。即本方案利用三维建模的方式，利用计算机模拟进行表征测试。作为本领域技术人员，亦可利用实体完成测试，但利用实体进行测试存在测试难度大的问题。

作为一种具体的测试对象获取方式，设置为：所述杆状结构呈圆柱状，测试对象获取步骤为：

S1、构建模型

构建一个金刚石点阵结构三维模型；

S2、获得金刚石点阵结构对象

由所述三维模型中截取金刚石点阵结构对象：

以三维模型中的一个点阵节点为球心作为坐标原点，以长度b作为直径画圆得到杆状结构的横截面圆，其中，b的取值为a×2ⁿ，所述a为金刚石点阵结构的晶格常数，所述n为-0.5、0.5、1.5中的任意数值；以h1作为高度得到所述杆状结构，所述h1即为杆状结构的高。本方案中，所述对b的取值旨在得到外侧无悬臂杆状悬空点阵杆的测试对象，所述h1根据需要可任意取值。

作为一种更为具体的实现方案，设置为：所述杆状结构的轴线方向与三维模型中点阵结构的晶格坐标x-、y-或z-轴平行。作本领域技术人员，以上通过限定b和h1得到的圆柱与金刚石点阵结构的交集便是一个无悬空点阵杆的圆柱形周期性单元，该圆柱形周期性单元可以直接用于压缩试验等。圆柱形周期性单元的两端连接实体结构作为夹持段，便可以进行拉伸试验。如针对以上杆状结构的轴线方向以及具体所需的圆柱尺寸数值，可以找到其它尺寸或其它方向上的圆柱形周期性单元用于力学性能测试。

作为一种具体的测试对象获取方式，设置为：所述杆状结构呈立方体状，测试对象获取步骤为：

S1、构建模型

构建一个金刚石点阵结构三维模型；

S2、获得金刚石点阵结构对象

由所述三维模型中截取金刚石点阵结构对象：

以三维模型中的一个点阵节点为球心作为坐标原点，以c作为长度、d作为宽度画一个矩形，得到杆状结构的底面或顶面矩形，其中，c和d的取值为a×2^-0.5×N，N为任意正整数，c和d取值相互独立，a为金刚石点阵结构的晶格常数；进一步以h2作为高度画一个长方体，得到所述杆状结构，所述h2即为杆状结构的高。本方案中，所述对c和d的取值旨在得到外侧无悬臂杆状悬空点阵杆的测试对象，所述h2根据需要可任意取值。

作为一种更为具体的实现方案，设置为：所述矩形的长度方向与x-、y-或z-轴的夹角为45°，所述杆状结构的高度方向与三维模型中点阵结构的晶格坐标x-、y-或z-轴平行。作本领域技术人员，以上通过限定c、d和h2得到的立方体与金刚石点阵结构的交集便是一个无悬空点阵杆的立方体状周期性单元，该立方体状周期性单元可以直接用于压缩试验等。立方体状周期性单元的两端连接实体结构作为夹持段，便可以进行拉伸试验。如针对以上杆状结构的轴线方向以及具体所需的立方体尺寸数值，可以找到其它尺寸或其它方向上的立方体状周期性单元用于力学性能测试。

更为完善的，设置为：还包括力学性能测试步骤，所述力学性能测试步骤为对所述测试对象的端部施加约束并进行力学性能测试，获得测试对象的力学性能。

本方案中，本发明基于金刚石点阵的结构特点，可先建立较大尺寸的金刚石点阵的三维模型，以此作为母体结构。然后在母体结构的整体轮廓内，建立特定尺寸、特定位向的圆柱或长方体。再使用圆柱或长方体，与母体结构求交集，从而得到圆柱形或长方体形的周期性单元，并且，上述的特定尺寸、特定位向应使得该周期性单元满足无悬空点阵杆的基本条件。

上述的圆柱形、长方体形周期性单元可以直接用于压缩试验、弯曲试验等。在拉伸等需要夹持操作的性能测试中，为防止夹持力不够影响测试，可以将金刚石点阵结构与实体连接，以实体部位作为夹持着力点，从而满足拉伸试验等对夹持力的需求。上述的表征3D打印金刚石点阵结构力学性能的方法，可以通过3D打印一次性制备出对应形状尺寸的力学性能测试样品，也可以在打印的金刚石点阵结构的母体上按上述方法切割出相应的力学性能试样。

本发明具有以下有益效果：

采用本方案实现金刚石点阵结构力学性能表征或测试时：

1.在未改变金刚石点阵结构的前提下，提出了一种金刚石点阵结构的力学性能测试方法。

2.基于该方法，可以得到无悬空点阵杆的测试对象，如仅一端无悬空点阵杆时，对该端施加约束后，可以用于压缩等力学性能测试；如两端均无悬空点阵杆时，可用于拉伸、压缩等力学性能测试。由于在进行力学性能测试时，测试对象的夹持端没有悬空的杆件(点阵杆)，可以较好的反映出金刚石点阵的力学性能，特别是在拉伸等两端均需要夹持操作的性能测试中，将金刚石点阵结构与实体连接，以实体部位作为夹持着力点，可有效防止夹持力不够影响测试。

3.基于本发明提出的方法，利用无悬空点阵杆的测试对象，可以用于拉伸、压缩、弯曲、扭转等力学性能测试。

4.本发明提供了切实有效的金刚石点阵结构的力学性能测试方法，对于建立金刚石点阵结构的力学性能测试标准具有重要的推动作用。

附图说明

图1为一个侧面具有悬空点阵杆的金刚石点阵结构母体一个具体实施例的结构示意图；

图2为一个侧面没有悬空点阵杆的金刚石点阵结构一个具体实施例的结构示意图，该示意图反映一个具体的圆柱状测试对象；

图3为一个侧面没有悬空点阵杆的金刚石点阵结构一个具体实施例的结构示意图，该示意图反映一个具体的立方体状测试对象；

图4为一个具体的圆柱状测试对象两端与实体连接后所形成结构的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但是本发明不仅限于以下实施例：

实施例1：

如图1所示，一种表征3D打印金刚石点阵结构力学性能的方法，包括测试对象获取步骤，所述测试对象获取步骤为：获取用于力学性能测试的金刚石点阵结构对象，所述金刚石点阵结构对象为具有周期性结构单元、至少一端侧面没有悬臂杆状的悬空点阵杆的杆状结构。

如上所述，金刚石点阵结构虽然具有较好的工艺特性和力学性能潜质，在力学性能构件中具有很好的应用前景。但是，如图1所示，金刚石点阵内由于具有很多悬空点阵杆，在进行力学性能表征以方便其运用时，以上悬空点阵杆给其力学性能的标定带来了很大阻碍，不仅不能获得准确的力学性能标定结果，同时不利于形成统一的力学性能测试标准。

本方法的原理为首先获得金刚石点阵结构母体，而后由母体中截取局部作为测试对象，且该测试对象首先得反映金刚石点阵结构的结构特点，即具有金刚石点阵结构固有的周期性结构单元(晶胞)，同时该作为测试对象的金刚石点阵结构对象中，至少有一端的侧面没有呈悬臂梁形态的悬空点阵杆，这样，采用本方案实现金刚石点阵结构力学性能表征或测试时：

1.在未改变金刚石点阵结构的前提下，提出了一种金刚石点阵结构的力学性能测试方法。

2.基于该方法，可以得到无悬空点阵杆的测试对象，如仅一端无悬空点阵杆时，对该端施加约束后，可以用于压缩等力学性能测试；如两端均无悬空点阵杆时，可用于拉伸、压缩等力学性能测试。由于在进行力学性能测试时，测试对象的夹持端没有悬空的杆件(点阵杆)，可以较好的反映出金刚石点阵的力学性能，特别是在拉伸等两端均需要夹持操作的性能测试中，将金刚石点阵结构与实体连接，以实体部位作为夹持着力点，可有效防止夹持力不够影响测试。

3.基于本发明提出的方法，利用无悬空点阵杆的测试对象，可以用于拉伸、压缩、弯曲、扭转等力学性能测试。

4.本发明提供了切实有效的金刚石点阵结构的力学性能测试方法，对于建立金刚石点阵结构的力学性能测试标准具有重要的推动作用。

实施例2：

本实施例在实施例1的基础上作进一步限定，为使得本方法适用于更为广泛的金刚石点阵结构力学性能测试，设置为：所述金刚石点阵结构对象的两端均为没有悬空点阵杆。

作为一种更易实现的技术方案，设置为：所述金刚石点阵结构对象为三维模型。即本方案利用三维建模的方式，利用计算机模拟进行表征测试。作为本领域技术人员，亦可利用实体完成测试，但利用实体进行测试存在测试难度大的问题。

实施例3：

本实施例在实施例1的基础上作进一步限定，如图2所示，作为一种具体的测试对象获取方式，设置为：所述杆状结构呈圆柱状，测试对象获取步骤为：

S1、构建模型

构建一个金刚石点阵结构三维模型；

S2、获得金刚石点阵结构对象

由所述三维模型中截取金刚石点阵结构对象：

以三维模型中的一个点阵节点为球心作为坐标原点，以长度b作为直径画圆得到杆状结构的横截面圆，其中，b的取值为a×2ⁿ，所述a为金刚石点阵结构的晶格常数，所述n为-0.5、0.5、1.5中的任意数值；以h1作为高度得到所述杆状结构，所述h1即为杆状结构的高。本方案中，所述对b的取值旨在得到外侧无悬臂杆状悬空点阵杆的测试对象，所述h1根据需要可任意取值。

作为一种更为具体的实现方案，设置为：所述杆状结构的轴线方向与三维模型中点阵结构的晶格坐标x-、y-或z-轴平行。作本领域技术人员，以上通过限定b和h1得到的圆柱与金刚石点阵结构的交集便是一个无悬空点阵杆的圆柱形周期性单元，该圆柱形周期性单元可以直接用于压缩试验等。圆柱形周期性单元的两端连接实体结构作为夹持段，便可以进行拉伸试验。如针对以上杆状结构的轴线方向以及具体所需的圆柱尺寸数值，可以找到其它尺寸或其它方向上的圆柱形周期性单元用于力学性能测试。

实施例4：

本实施例在实施例1的基础上作进一步限定，如图3所示，作为一种具体的测试对象获取方式，设置为：所述杆状结构呈立方体状，测试对象获取步骤为：

S1、构建模型

构建一个金刚石点阵结构三维模型；

S2、获得金刚石点阵结构对象

由所述三维模型中截取金刚石点阵结构对象：

以三维模型中的一个点阵节点为球心作为坐标原点，以c作为长度、d作为宽度画一个矩形，得到杆状结构的底面或顶面矩形，其中，c和d的取值为a×2^-0.5×N，N为任意正整数，c和d取值相互独立，a为金刚石点阵结构的晶格常数；进一步以h2作为高度画一个长方体，得到所述杆状结构，所述h2即为杆状结构的高。本方案中，所述对c和d的取值旨在得到外侧无悬臂杆状悬空点阵杆的测试对象，所述h2根据需要可任意取值。

作为一种更为具体的实现方案，设置为：所述矩形的长度方向与x-、y-或z-轴的夹角为45°，所述杆状结构的高度方向与三维模型中点阵结构的晶格坐标x-、y-或z-轴平行。作本领域技术人员，以上通过限定c、d和h2得到的立方体与金刚石点阵结构的交集便是一个无悬空点阵杆的立方体状周期性单元，该立方体状周期性单元可以直接用于压缩试验等。立方体状周期性单元的两端连接实体结构作为夹持段，便可以进行拉伸试验。如针对以上杆状结构的轴线方向以及具体所需的立方体尺寸数值，可以找到其它尺寸或其它方向上的立方体状周期性单元用于力学性能测试。

实施例5：

本实施例在以上任意一个实施例所提供的任意一个技术方案的基础上，如图4所示，更为完善的，设置为：还包括力学性能测试步骤，所述力学性能测试步骤为对所述测试对象的端部施加约束并进行力学性能测试，获得测试对象的力学性能。

实施例6：

本实施例在实施例1的基础上提供一个具体的实施方式：

建立一个晶格常数为a的金刚石点阵晶胞的三维模型，确定晶胞上的每个原子节点的位置：以每个节点为球心画一个直径为r1的球体；依据金刚石点阵的化合键状态，使用直径为r2的点阵杆将球体相互连接；该例子r1取值与r2相同。然后利用阵列的建模方法将金刚石点阵晶胞周期性排列、堆砌，从而得到长宽高方向分别4、4、15个晶胞的金刚石点阵结构的母体，如图1所示。从图1中可以看出，母体结构左右两侧有大量悬空的点阵杆，这不利于建立力学性能的测试标准。

基于本方案提供的技术方案，建立一个晶格常数为a的金刚石点阵晶胞的三维模型，并进一步得到长宽高方向分别4、4、15个晶胞的金刚石点阵结构的母体。在母体基础上，以一个节点球心作为坐标原点，以长度b作为直径画圆、进一步以h1作为高度画一个圆柱(该例子中b的取值为a×2^1.5)。圆柱的轴向与点阵结构的晶格坐标z-轴平行，圆柱与金刚石点阵结构的交集便是一个无悬空结构的圆柱形周期性单元，如图2所示。

实施例7：

本实施例在实施例1的基础上提供一个具体的实施方式：

建立一个晶格常数为a的金刚石点阵晶胞的三维模型，确定晶胞上的每个原子节点的位置：以每个节点为球心画一个直径为r1的球体；依据金刚石点阵的化合键状态，使用直径为r2的点阵杆将球体相互连接；该例子r1取值与r2相同。然后利用阵列的建模方法将金刚石点阵晶胞周期性排列、堆砌，从而得到长宽高方向分别4、4、15个晶胞的金刚石点阵结构的母体，如图1所示。从图1中可以看出，母体结构左右两侧有大量悬空的点阵杆，这不利于建立力学性能的测试标准。

基于本方案提供的技术方案，建立一个晶格常数为a的金刚石点阵晶胞的三维模型，并进一步得到长宽高方向分别4、4、15个晶胞的金刚石点阵结构的母体。以c作为长度、d作为宽度画一个矩形，进一步以h2作为高度画一个长方体(该例子中c的取值为a×2^-0.5×4，其中d的取值为a×2^-0.5×2)。长方体的长度方向与x-轴呈45°角，高度方向与点阵结构的晶格坐标z-轴平行，长方体与金刚石点阵结构的交集便是一个无悬空结构的长方体形周期性单元，如图3所示。

实施例8：

本实施例在实施例6或7的基础上提供一个具体的实施方式：

在得到的金刚石点阵结构的圆柱形周期性单元的基础上，两端添加实体结构的夹持段，可以得到如图4所示的拉伸试样。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的技术方案下得出的其他实施方式，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种表征3D打印金刚石点阵结构力学性能的方法，包括测试对象获取步骤，所述测试对象获取步骤为：获取用于力学性能测试的金刚石点阵结构对象，其特征在于，所述金刚石点阵结构对象为具有周期性结构单元、至少一端侧面没有悬臂杆状的悬空点阵杆的杆状结构。

2.根据权利要求1所述的一种表征3D打印金刚石点阵结构力学性能的方法，其特征在于，所述金刚石点阵结构对象的两端均为没有悬空点阵杆。

3.根据权利要求1所述的一种表征3D打印金刚石点阵结构力学性能的方法，其特征在于，所述金刚石点阵结构对象为三维模型。

4.根据权利要求1所述的一种表征3D打印金刚石点阵结构力学性能的方法，其特征在于，所述杆状结构呈圆柱状，测试对象获取步骤为：

S1、构建模型

构建一个金刚石点阵结构三维模型；

S2、获得金刚石点阵结构对象

由所述三维模型中截取金刚石点阵结构对象：

以三维模型中的一个点阵节点为球心作为坐标原点，以长度b作为直径画圆得到杆状结构的横截面圆，其中，b的取值为a×2ⁿ，所述a为金刚石点阵结构的晶格常数，所述n为-0.5、0.5、1.5中的任意数值；以h1作为高度得到所述杆状结构，所述h1即为杆状结构的高。

5.根据权利要求4所述的一种表征3D打印金刚石点阵结构力学性能的方法，其特征在于，所述杆状结构的轴线方向与三维模型中点阵结构的晶格坐标x-、y-或z-轴平行。

6.根据权利要求1所述的一种表征3D打印金刚石点阵结构力学性能的方法，其特征在于，所述杆状结构呈立方体状，测试对象获取步骤为：

S1、构建模型

构建一个金刚石点阵结构三维模型；

S2、获得金刚石点阵结构对象

由所述三维模型中截取金刚石点阵结构对象：

以三维模型中的一个点阵节点为球心作为坐标原点，以c作为长度、d作为宽度画一个矩形，得到杆状结构的底面或顶面矩形，其中，c和d的取值为a×2^-0.5×N，N为任意正整数，c和d取值相互独立，a为金刚石点阵结构的晶格常数；进一步以h2作为高度画一个长方体，得到所述杆状结构，所述h2即为杆状结构的高。

7.根据权利要求6所述的一种表征3D打印金刚石点阵结构力学性能的方法，其特征在于，所述矩形的长度方向与x-、y-或z-轴的夹角为45°，所述杆状结构的高度方向与三维模型中点阵结构的晶格坐标x-、y-或z-轴平行。

8.根据权利要求1至7中任意一项所述的一种表征3D打印金刚石点阵结构力学性能的方法，其特征在于，还包括力学性能测试步骤，所述力学性能测试步骤为对所述测试对象的端部施加约束并进行力学性能测试，获得测试对象的力学性能。