CN113211797B - 一种可定制软硬度及形变方向的海绵结构制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可定制软硬度及形变方向的海绵结构制作方法，所述方法包括：以三周期极小曲面多孔结构作为胞元，构成多孔基础模型，孔洞之间相互连通，向模型的孔洞内部添加不同密度、直径、角度的柱子以此改变海绵模型的软硬度及形变方向；根据需求确定柱子的添加方案得到目标模型，使用3D打印技术根据目标模型进行打印，得到硬度及形变方向定制化的海绵结构。本发明方法可以直接使用熔融沉积成型式打印机进行打印，打印过程中极小曲面多孔实体无需支撑，也无需后续的加工步骤，使得制备流程短且成本低廉。
Description
技术领域
本发明属于3D打印技术领域，涉及一种可定制软硬度及形变方向的海绵结构制作方法。
背景技术
利用3D打印技术来制备海绵结构及产品一直是一个研究热点，而现有的利用3D打印技术制备海绵结构及产品的方法仍然存在以下不足：
1)需要依靠支撑结构来打印海绵结构，而支撑结构会增多打印瑕疵并增加打印材料和时间成本；
2)需要后端模压成型和水蒸气成型工艺等额外加工工艺；
3)依靠特制的材料和定制的打印装置；
4)无法改变海绵结构单个方向上的硬度和形变方向；
为此，本发明提供一种新的海绵结构制作方法，可以有效克服上述缺陷，尤其是可以按照需要对海绵结构的软硬度和形变方向进行定制。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种可定制软硬度及形变方向的海绵结构制作方法。
本发明采用的技术方案如下：
一种可定制软硬度及形变方向的海绵结构制作方法，包括：以三周期极小曲面多孔结构作为胞元，构成多孔海绵模型，孔洞之间相互连通，向模型的孔洞内部添加不同密度、直径、角度的柱子以此改变海绵模型的软硬度及形变方向；根据需求确定柱子的添加方案得到目标模型，使用3D打印技术根据目标模型进行打印，得到硬度及形变方向定制化的海绵结构。
上述方案中，所述的三周期极小曲面多孔结构胞元曲面为TubularG曲面，其函数表达式为：
其中，X＝2πx，Y＝2πy，Z＝2πz，x，y，z为各曲面点的空间坐标。
进一步的，所述的方法可以采用自动化设计实现，所述自动化设计的方法包括构建自动化设计软件，利用所述软件进行如下：
1)用户导入自定义模型；
2)在建模空间内设置模型的目标位置、角度和大小；
3)自动网格化上一步骤中的模型，并在模型内部转换为极小曲面多孔实体，形成基础模型；
4)用户输入目标模型需要的形变方向和区域的密度；
5)软件通过以上指令自动在基础模型上添加柱状阵列结构；
6)软件通过内置的仿真模拟功能提供一维受力情况下的变形效果的预览；
7)用户满意所述效果则导出模型并切片，用于后续3D打印；若不满意则返回步骤4)。
进一步的，所述的构建自动化设计软件，具体如下：基于HumanUI工具构建软件界面，实现与用户的交互；使用Karamba3D作有限元分析，实现模型形变的模拟；使用三维建模软件Rhinoceros进行模型的展示。
进一步的，3D打印时采用热塑性聚氨酯材料打印目标模型中的基础模型部分，柱子部分采用满足其所选条件(密度)的材料打印。
本发明的有益效果是：
本发明利用三周期极小曲面多孔实体独特的物理特性来制造海绵结构物品。三周期极小曲面是一种具有理想表面性能的隐形曲面，作为一种极小曲面，其平均曲率为零，具有多孔的特性，且孔洞之间相互连通。三周期极小曲面多孔而螺旋的结构使得其在三维空间上具有伸缩的可能性，而利用热塑性聚氨酯材料3D打印出的实体可提供类似于海绵的弹性。与此同时，本发明方法可以直接使用熔融沉积成型式打印机进行打印，打印过程中极小曲面多孔实体无需支撑，也无需后续的加工步骤，使得制备流程短且成本低廉。
附图说明
图1为一个三周期极小曲面多孔结构示意图。
图2为本发明的一种制作方法流程示意图；
图3为本发明中添加柱子的方式示意图；
图4为本发明的一种具体制作方法流程示意图；
图5为本发明中一种具体自动化设计软件构架示意图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
本发明的可定制软硬度及形变方向的海绵结构制作方法，包括：以三周期极小曲面多孔结构作为胞元，构成多孔海绵模型，孔洞之间相互连通，向模型的孔洞内部添加不同密度、直径、角度的柱子以此改变海绵模型的软硬度及形变方向；根据需求确定柱子的添加方案得到目标模型，使用3D打印技术根据目标模型进行打印，得到硬度及形变方向定制化的海绵结构。
极小曲面多孔实体的外形如同图1所示，本发明将图1中的方形模块称之为单元(或胞元)。上述的三周期极小曲面多孔结构胞元曲面为TubularG曲面，其函数表达式为：
其中，X＝2πx，Y＝2πy，Z＝2πz，x，y，z为各曲面点的空间坐标。
制造由多个单元组成的海绵结构的流程如下(如图2)：
1)确定基础单元的数量；
2)以类似拼积木的方式组合单元为一个整体，使所有孔洞连通，并设置每个单元中添加柱子的密度、直径、旋转角度，以改变该单元在受力下的硬度和形变效果；
3)利用软件模拟预览模型的变形效果；
4)达到所需效果后导出模型并切片模型，为3D打印做准备；确定材料进行打印。
下面通过一具体实例说明上述步骤2)的过程，通过向单元中添加柱子的方式来改变单元的硬度和受力下的形变方向。在图3中，a为基础单元，b-h为向基础单元添加柱子的单元。他们在受到垂直向下的30N压力时，会有不同的形变结果。a收缩了68％，且形变方向与力的方向相同。b为在a的基础下添加了6根高度与单元相同、直径为2mm的圆柱，在相同受力下收缩了50％。将b中圆柱在XZ平面下分别以顺时针旋转30°、45°、60°后得到c-e。它们在纵向上分别收缩了66％、65％、66％，同时由于旋转的圆柱的作用，其在受压下均呈现一定的倾斜，倾斜的角度分别为20°、26°、29°。而f则为在d的基础下，在XY平面顺时针旋转45°。在受力下，从正视图观察f倾斜了17°，从左视图观察则倾斜了14°。g、e为两种类似字母“C”的圆柱，其在受力下分别呈现向“C”字中点收缩和扩张的特性。依靠这些不同的柱子，将会得到定制化硬度和形变方向的海绵结构及产品。
此外，本发明方法还可以由一种更自动化的方法实现(图4)，自动化设计的方法包括构建自动化设计软件，利用所述软件进行如下：
1)用户导入自定义模型；
2)在建模空间内设置模型的目标位置、角度和大小；
3)自动网格化上一步骤中的模型，并在模型内部转换为极小曲面多孔实体，形成基础模型；
4)用户输入目标模型需要的形变方向和区域的密度；
5)软件通过以上指令自动在基础模型上添加柱状阵列结构；
6)软件通过内置的仿真模拟功能提供一维受力情况下的变形效果的预览；
7)用户满意所述效果则导出模型并切片，用于后续3D打印；若不满意则返回步骤4)。
如图5所示，为一种具体的构建自动化设计软件的方式，具体如下：基于HumanUI工具构建软件界面，实现与用户的交互；使用Karamba3D作有限元分析，实现模型形变的模拟；使用三维建模软件Rhinoceros进行模型的展示。
Claims (4)
1.一种可定制软硬度及形变方向的海绵结构制作方法，其特征在于，所述方法包括：以三周期极小曲面多孔结构作为胞元，构成多孔基础模型，孔洞之间相互连通，向模型的孔洞内部添加不同密度、直径、角度的柱子以此改变海绵模型的软硬度及形变方向；根据需求确定柱子的添加方案得到目标模型，使用3D打印技术根据目标模型进行打印，得到硬度及形变方向定制化的海绵结构；所述的三周期极小曲面多孔结构胞元曲面为Tubular G曲面，其函数表达式为：
其中，X＝2πx，Y＝2πy，Z＝2πz，x，y，z为各曲面点的空间坐标。
2.根据权利要求1所述的可定制软硬度及形变方向的海绵结构制作方法，其特征在于，所述的方法采用自动化设计实现，所述自动化设计的方法包括构建自动化设计软件，利用所述软件进行如下：
1)用户导入自定义模型；
2)在建模空间内设置模型的目标位置、角度和大小；
3)自动网格化上一步骤中的模型，并在模型内部转换为极小曲面多孔实体，形成基础模型；
4)用户输入目标模型需要的形变方向和区域的密度；
5)软件通过以上指令自动在基础模型上添加柱状阵列结构；
6)软件通过内置的仿真模拟功能提供一维受力情况下的变形效果的预览；
7)用户满意所述效果则导出模型并切片，用于后续3D打印；若不满意则返回步骤4)。
3.根据权利要求2所述的可定制软硬度及形变方向的海绵结构制作方法，其特征在于，所述的构建自动化设计软件，具体如下：基于HumanUI工具构建软件界面，实现与用户的交互；使用Karamba3D作有限元分析，实现模型形变的模拟；使用三维建模软件Rhinoceros进行模型的展示。
4.根据权利要求2所述的可定制软硬度及形变方向的海绵结构制作方法，其特征在于，3D打印时采用热塑性聚氨酯材料打印目标模型中的基础模型部分，柱子部分采用满足其所选条件的材料打印。
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