CN113730661A - 一种多层点阵材料结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多层点阵材料结构，由单胞结构周期性排布堆叠而成，单胞由一个金字塔结构、四个三角形侧面、一个正方形底面和一个菱形顶面组成。单个单胞沿x和y方向进行多次复制之后沿z方向进行一定次数的镜像和复制，即可得到所述的多层点阵材料结构。本发明公开的多层点阵材料结构可以通过增材制造技术实现快速加工制造，其具有一定的强度可以满足人体承力骨力学性能的需求；并且该点阵材料结构的弹性模量可以根据人体组织所需模量进行调整，从而避免“应力屏蔽”；还具有一定的渗透性，为细胞提供黏附、生长和增殖空间；能够作为轻量化构件和骨支架应用于航空航天、交通运输和组织工程等工程领域。

Description

一种多层点阵材料结构
技术领域
本发明属于工程结构技术领域，具体涉及一种由单胞按照一定的方式周期性排布堆叠的多层点阵材料结构。
背景技术
点阵材料作为一种集物理功能和结构一体化的新型材料，具有质量轻、高比强度、高比刚度、耐冲击、高效散热、电磁波吸收和吸声效果好等特点。点阵材料可以归结为多层点阵材料和夹层点阵材料。多层点阵材料由单胞周期性排布堆叠而成；夹层点阵材料上下表面采用实体面板，只在中间芯层中引入点阵结构。
近年来，增材制造技术已广泛应用于组织工程骨支架、假体植入物等结构的加工制作中。然而，在具有大悬挑角度结构的增材制造过程中，都需要添加大量的支撑结构件，带来了材料和加工时间的浪费、模型表面的损伤。因此，提供一种具有自支撑特征和易被增材制造成型的结构是十分必要的。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种多层点阵材料结构，可作为骨支架应用于组织工程中。
技术方案：一种由单胞按照一定的方式周期性排布堆叠的多层点阵材料结构，取单胞结构作为说明对象：单胞由多个半径相同的杆件构成。单胞顶面为菱形，底面为正方形，并通过杆件分别连接其对角线，此时菱形顶面和正方形底面分别由4个三角形组成，存在10个节点。再用杆件连接顶面和底面节点，此时单胞内部为相邻两根杆件与底面边长杆件组成的4个三角形构成，侧面为相邻两根杆件与上下面边长杆件组成的8个三角形构成。单胞每个节点连接的杆件均不低于5根。
所述的单胞，沿x，y和z方向的投影均为对称平面。
所述的多层点阵材料结构，由上述单胞根据实际需求沿x和y方向进行一定次数的阵列，然后沿z方向进行镜像和阵列，具体阵列次数根据实际使用需要确定。
所述的多层点阵材料结构，每个节点连接的杆件均不低于6根，单胞与单胞之间节点连接的杆件数量不低于7根。
有益效果：
1、本发明所述的多层点阵材料结构，具有一定的强度满足人体承力骨力学性能的需求，在其他性能优化的前提下最大程度的提高孔隙率，提供大的表面有利于细胞的生长，可作为骨支架广泛应用于组织工程。
2、本发明所述的多层点阵材料结构，其弹性模量可以根据人体组织的模量进行调整，从而减少或避免“应力屏蔽”，延长支架的使用寿命。
3、本发明所述的多层点阵材料结构，无需添加支撑结构件即可通过增材制造技术实现快速加工制作。
附图说明
图1为单胞延拓过程示意图。
图2为单层点阵材料结构示意图。
图3为点阵材料结构镜像过程示意图。
图4为多层点阵材料结构的示意图。
图5为多层点阵材料结构的俯视图。
图6为多层点阵材料结构的左视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示，本发明提供的单个单胞结构可以通过增材制造技术快速加工制造，单胞包括4根杆件，16根半圆杆件，4根1/4圆杆件。单胞内部杆件结构为节点(10)分别连接节点(1)-(4)形成，三角形侧面为单胞内部杆件结构在四个侧面方向的投影。正方形底面由三角形侧面的底边杆件构成并用杆件连接对角线，提升结构抗压能力。菱形顶面为节点(6)-(10)相互连接构成。单胞与单胞之前的连接通过节点(2)、(3)、(7)构成的三角形杆件平面进行沿x方向延拓。
如图2—图4所示，本发明提供的多层点阵材料结构，为一个单胞沿x和y方向进行延拓得到单层点阵材料结构后再沿z方向进行镜像和延拓。该结构可以根据实际需要调整其弹性模量，以避免因弹性模量不匹配，从而产生应力遮挡效应，最终导致植入物松动。
如图5和图6所示，本发明提供的多层点阵材料结构具有良好的对称性，具有致密性高、稳定性强的特性。

Claims (3)

1.一种多层点阵材料结构，其特征在于：所述多层点阵材料结构包括多个单胞，单个单胞由一个金字塔结构、四个三角形侧面、一个连接于两个相邻侧面顶部的菱形顶面和一个由两个相邻侧面底部构成的正方形底面构成，并分别连接菱形和正方形的对角线。
2.根据权利要求1所述的一种多层点阵材料结构，其特征在于，所述多层点阵材料结构，由单个单胞沿x和y方向延拓布置后再沿z方向镜像并复制一定的次数，单个单胞中每根杆件的半径大小和具体复制次数根据实际需要的大小确定，通过增材制造技术快速加工制作。
3.根据权利要求1所述的一种多层点阵材料结构，其特征在于，单个单胞每个节点连接的杆件均不低于5个，单胞与单胞之间节点处的连接杆件数目均不低于6个，具有一定强度。
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