CN114870370B - 一种基于超材料的球拍底板制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于超材料的球拍底板制造方法，包括以下步骤：选择木板或光固化树脂的其中一种材料，制作球拍的速度调节结构单元；选择树脂材料制作球拍的重量调节结构单元；选择S‑ST9001的光固化树脂通过逐层光固化成型制作球拍的热力性能调节结构单元等。本发明利用超材料的设计思想，实现对乒乓球拍性能的灵活可调，并且实现多种速度、重量、热学性质调节的方案。与现有技术相比，本发明具有重量、速度等性能可大范围调节的优势，可以面向高需求人群进行个性化定制。而且本发明可改善热形变，可增强其本身寿命，也可增强粘贴于此发明乒乓球拍底板上胶皮的寿命，且耗材造价低廉，可制造面向群众体育运动的普适性超材料乒乓球拍底板，受众面广泛。
Description
技术领域
本发明涉及超材料领域，特别是涉及一种基于超材料的球拍底板制造方法。
背景技术
超材料结构的理论设计阶段需要较高的研发成本和计算资源，因此超材料在体育用品技术领域发展缓慢。
随着超材料设计技术的逐步发展，机械、力学等分析模型的逐步完善以及微纳加工工艺的低成本化发展，超材料科学应用于体育用品领域的可行性逐渐增强。
在体育用品技术领域，高性能的乒乓球拍底板通常应用碳素、玻璃纤维、芳基纤维来改善底板性能，但受到碳纤维、优质木材的成本限制，高性能乒乓球拍底板通常具备较高的市场价格。同时，常规材料来源于自然，易于获得但难以设计，其成品的性能难以灵活调控。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于超材料的球拍底板制造方法，解决上述问题。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种基于超材料的球拍底板制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，选择木板或光固化树脂的其中一种材料，制作球拍的速度调节结构单元，其厚度为700μm，面单元尺寸为100-10000μm的可变参数；
步骤2，选择树脂材料制作球拍的重量调节结构单元，所述重量调节结构单元的棱长为1000μm，其内部设有圆柱形镂空，圆柱镂空部分高和直径为1-950μm的可变参数；
步骤3，选择S-ST9001的光固化树脂通过逐层光固化成型制作球拍的热力性能调节结构单元，所述热力性能调节结构单元的单元外形尺寸可以为2000μm；
步骤4，以镂空塑料结构制成拍柄；
步骤5，选择光固化树脂材料制成表层，所述表层厚度为500μm；
步骤6，将热力性能调节结构单元作为基层，在其两面覆盖重量调节结构单元，然后在两侧的重量调节结构单元外表面再覆盖速度调节结构单元，将三种结构单元融合成超材料结构层，将超材料结构层裁切成球拍形状；
步骤7，在裁切好的超材料结构层的拍面正反均覆盖表层，并在把手安装处两面安装上拍柄，制成基于超材料的球拍底板。
作为本发明的优选，所述速度调节结构单元、所述重量调节结构单元和所述热力性能调节结构单元均通过有限元仿真软件进行建模，然后根据模型选材并设计周期和非周期超材料结构。
作为本发明的优选，所述速度调节结构单元可通过二氧化碳激光精密切割木板制成，所述速度调节结构单元可通过光固化树脂制成。
作为本发明的优选，可通过修改所述速度调节结构单元的面单元尺寸，对其性能进行调整，以达到对球拍底板的控制和速度指标在6-8.5之间调控。
作为本发明的优选，所述重量调节结构单元整体为正方体，通过直写式3D打印机成型。
作为本发明的优选，通过调节所述重量调节结构单元内的圆柱镂空部分占比实现重量调节，以达到球拍底板重量控制在60g-150g范围内。
作为本发明的优选，球拍底板经过超材料结构化设计，在保持硬度和弹性性能优良的基础上，其厚度可实现4mm-12mm的范围内调控。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：本发明利用超材料的设计思想，实现对乒乓球拍性能的灵活可调，并且实现多种速度、重量、热学性质调节的方案。与现有技术相比，本发明具有重量、速度等性能可大范围调节的优势，可以面向高需求人群进行个性化定制。而且本发明可改善热形变，可增强其本身寿命，也可增强粘贴于此发明乒乓球拍底板上胶皮的寿命，且耗材造价低廉，可制造面向群众体育运动的普适性超材料乒乓球拍底板，受众面广泛。
附图说明
图1是本发明实施例的球拍底板结构示意图；
图2是本发明实施例的球拍底板结构侧视图；
图3是本发明实施例的重量调节结构单元示意图；
图4是本发明实施例的热力性能调节结构单元示意图；
图5是本发明实施例的速度调节结构单元示意图。
图中：拍柄1、超材料结构层2、表层3、速度调节结构单元21、重量调节结构单元22、热力性能调节结构单元23。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
一种基于超材料的球拍底板制造方法，如图1-5所示，包括以下步骤：
步骤1，选择木板或光固化树脂的其中一种材料，制作球拍的速度调节结构单元21，其厚度为700μm，面单元尺寸为100-10000μm的可变参数；
步骤2，选择树脂材料制作球拍的重量调节结构单元22，所述重量调节结构单元22的棱长为1000μm，其内部设有圆柱形镂空，圆柱镂空部分高和直径为1-950μm的可变参数；
步骤3，选择S-ST9001的光固化树脂通过逐层光固化成型制作球拍的热力性能调节结构单元23，所述热力性能调节结构单元23的单元外形尺寸可以为2000μm；
步骤4，以镂空塑料结构制成拍柄1；
步骤5，选择光固化树脂材料制成表层3，所述表层3厚度为500μm；
步骤6，将热力性能调节结构单元23作为基层，在其两面覆盖重量调节结构单元22，然后在两侧的重量调节结构单元22外表面再覆盖速度调节结构单元21，将三种结构单元融合成超材料结构层2，将超材料结构层2裁切成球拍形状；
步骤7，在裁切好的超材料结构层2的拍面正反均覆盖表层3，并在把手安装处两面安装上拍柄1，制成基于超材料的球拍底板。
进一步地，所述速度调节结构单元21、所述重量调节结构单元22和所述热力性能调节结构单元23均通过有限元仿真软件进行建模，然后根据模型选材并设计周期和非周期超材料结构。
进一步地，所述速度调节结构单元21可通过二氧化碳激光精密切割木板制成，所述速度调节结构单元21可通过光固化树脂制成。
进一步地，可通过修改所述速度调节结构单元21的面单元尺寸，对其性能进行调整，以达到对球拍底板的控制和速度指标在6-8.5之间调控。
进一步地，所述重量调节结构单元22整体为正方体，通过直写式3D打印机成型。
进一步地，通过调节所述重量调节结构单元22内的圆柱镂空部分占比实现重量调节，以达到球拍底板重量控制在60g-150g范围内。
进一步地，球拍底板经过超材料结构化设计，在保持硬度和弹性性能优良的基础上，其厚度可实现4mm-12mm的范围内调控。
实施例一、
如图1所示，其包括拍柄1、超材料结构层2、表层3。
本实施例中采用的超材料结构层2包括速度调节结构单元21、重量调节结构单元22、热力性能调节结构单元23，如图2所示。其中，速度调节结构单元21位于两侧表层3的内层，重量调节结构单元22位于速度调节结构单元21的内层，热力性能调节结构单元23位于重量调节结构单元22的内层，最后将拍柄1、多层耦合的超材料结构层2和表层3粘合，从而实现重量、热力学参数、应力形变、速度等性能可调节的超材料乒乓球拍底板。
实施例二、
如图3用于调节超材料结构单元重量的正方体棱可以长为1000μm，材质可以选择为树脂材料，制作方式可以选择通过直写式3D打印机成型。内部圆柱体为镂空部分，圆柱体高和直径为1-950μm的可变参数，通过圆柱部分镂空占空比实现重量调节。
如图4用于热膨胀系数调节的结构单元外形尺寸可以为2000μm，材质可以选择型号为S-ST9001的光固化树脂，制作方式可以选择逐层光固化成型。
如图5用于速度调节的超材料结构单元厚度可以为700μm，面单元尺寸可以为100-10000μm的可变参数，材质可以选择木板或光固化树脂，制作方式可以选择为二氧化碳激光精密切割或激光固化树脂成型完成。通过调节面内单元尺寸实现乒乓球拍底板的速度调节。
拍柄1可以选择为镂空的塑料结构以降低其对于重量的影响。
表层3可以选择使用光固化树脂材料，其厚度为500μm。
以上提到的超材料结构单元和球拍底板通过以下步骤进行设计制造：
S1：所述有限元仿真软件包括但不限于COMSOL和ABAQUS，根据需求分析参数，并设计超材料结构。
S2：利用所述有限元仿真软件进行建模，然后根据模型选材并设计周期/非周期超材料结构。
S3：根据所述超材料结构进行3D建模，利用激光切割、内雕、打印等微纳加工技术制备超材料结构。
S4：将所述超材料结构直接作为底板中间层主材或与多层木制材料融合形成超材料结构层，并与木制或超表面设计的表层以及拍柄结合，最后形成融合超材料设计思想的乒乓球拍底板。
通过超材料的结构设计球拍底板具有以下特性：
(1)经过超材料结构化设计，在保持硬度和弹性性能优良的基础上，乒乓球拍底板的重量可实现60g-150g的大范围调控。
(2)经过超材料结构化设计，在保持硬度和弹性性能优良的基础上，乒乓球拍底板的厚度可实现4mm-12mm的大范围调控。
(3)经过超材料结构化设计，可实现对乒乓球拍底板的性能控制使速度指标在6-8.5之间调控。
(4)经过超材料结构可靠性的设计，本发明具有良好的耐磨性、防水性、防腐性、品质稳定性、温度稳定性和低热膨胀性。在保证本发明乒乓球拍底板经久耐用的同时，低的热膨胀系数也可延长此底板上所粘贴胶皮的寿命。
(5)根据不同乒乓球发球机器或者不同人群的实际需求，本发明的乒乓球拍底板具有良好的性能可调节性，因此可以面向高需求人群进行个性化定制。
(6)本发明的乒乓球拍底板生产价格低廉且经久耐用，可制造面向群众体育运动的普适性超材料乒乓球拍底板，受众面广泛。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (7)
1.一种基于超材料的球拍底板制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，选择木板或光固化树脂的其中一种材料，制作球拍的速度调节结构单元，其厚度为700μm，面单元尺寸为100-10000μm的可变参数；
步骤2，选择树脂材料制作球拍的重量调节结构单元，所述重量调节结构单元的棱长为1000μm，其内部设有圆柱形镂空，圆柱形镂空部分高和直径为1-950μm的可变参数；
步骤3，选择S-ST9001的光固化树脂通过逐层光固化成型制作球拍的热力性能调节结构单元，所述热力性能调节结构单元的单元外形尺寸可以为2000μm；
步骤4，以镂空塑料结构制成拍柄；
步骤5，选择光固化树脂材料制成表层，所述表层厚度为500μm；
步骤6，将热力性能调节结构单元作为基层，在其两面覆盖重量调节结构单元，然后在两侧的重量调节结构单元外表面再覆盖速度调节结构单元，将三种结构单元融合成超材料结构层，将超材料结构层裁切成球拍形状；
步骤7，在裁切好的超材料结构层的拍面正反均覆盖表层，并在把手安装处两面安装上拍柄，制成基于超材料的球拍底板。
2.根据权利要求1所述的一种基于超材料的球拍底板制造方法，其特征在于，所述速度调节结构单元、所述重量调节结构单元和所述热力性能调节结构单元均通过有限元仿真软件进行建模，然后根据模型选材并设计周期和非周期超材料结构。
3.根据权利要求2所述的一种基于超材料的球拍底板制造方法，其特征在于，所述速度调节结构单元可通过二氧化碳激光精密切割木板制成，所述速度调节结构单元可通过光固化树脂制成。
4.根据权利要求3所述的一种基于超材料的球拍底板制造方法，其特征在于，可通过修改所述速度调节结构单元的面单元尺寸，对其性能进行调整，以达到对球拍底板的控制和速度指标在6-8.5之间调控。
5.根据权利要求2所述的一种基于超材料的球拍底板制造方法，其特征在于，所述重量调节结构单元整体为正方体，通过直写式3D打印机成型。
6.根据权利要求5所述的一种基于超材料的球拍底板制造方法，其特征在于，通过调节所述重量调节结构单元内的圆柱形镂空部分占比实现重量调节，以达到球拍底板重量控制在60g-150g范围内。
7.根据权利要求1所述的一种基于超材料的球拍底板制造方法，其特征在于，球拍底板经过超材料结构化设计，在保持硬度和弹性性能优良的基础上，其厚度可实现4mm-12mm的范围内调控。
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