CN115076276A - 基于3d打印成型的仿生抗冲击防护结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于3D打印成型的仿生抗冲击防护结构及其制备方法，所述结构中，外侧迎撞层由面状基底以及均匀分布在基底外表面上的伞状单元结构组成，伞状单元结构由若干仿雀尾螳螂虾尾部扇形扩散棱柱结构的径向棱条构成；中间抗撞击坯层由若干均匀分布，轴向垂直于外侧迎撞层与内侧缓冲层，且相互平行设置的仿生柱体构成；所述仿生柱体是由多根单元纤维柱绕中心轴旋转排布组成的仿雀尾螳螂前鳌微观结构；内侧缓冲层内部设有若干呈规则分布的球形空腔，且越靠近抗撞击中间坯层一侧的球形空腔的直径越小。所述结构通过3D打印的方式一体成型。本发明所述结构在轻量化程度较高的同时具有优异的耐冲击性能，且制备方法简单可有效降低生产成本。

Description

基于3D打印成型的仿生抗冲击防护结构及其制备方法

技术领域

本发明属于生抗冲击防护结构技术领域，具体涉及基于3D打印成型的仿生抗冲击防护结构及其制备方法。

背景技术

抗冲击防护结构在日常生活、生产以及军事活动中有着广泛应用，如汽车保险杠、数据记录仪壳体以及防弹衣等。抗冲击防护结构可以起到吸收能量、保护机构本体、减少机构本体损伤的作用，是许多机械装置及精密仪器的关键结构件之一。

现有技术中，抗冲击防护结构存在以下不足：

1、目前工业中常用的抗冲击结构大多由多个零部件组合而成，结构复杂，加工工序多、生产周期长；

2、多数抗冲击结构所用零部件为实心材质，抗撞击性能有限，并具有重量大、成本高的弊端；

3、由多个零部件组装构成的抗冲击结构，在受到冲击时对冲击力的传导扩散效率有限，并且零部件相连接部位较脆弱，容易在承受载荷时受损失效。

4、现有的抗冲击结构抗冲击效果一般，难以实现对较大冲击力的有效阻挡，防护效果有限。

此外，经研究发现，雀尾螳螂虾作为典型的肉食节肢动物，捕食过程中，其前鳌可对猎物造成极强的冲击，最高可达60千克的冲击力，基于里的相互作用，雀尾螳螂虾的前鳌同样需要应对极强的冲击力。通过研究表明，雀尾螳螂虾的前鳌具有重量轻且耐冲击的特征；此外，研究还发现，雀尾螳螂虾尾部扇形扩散的棱柱结构具有快速传导冲击的性能，可快速将冲击力传导分散至整个平面。

故，效仿雀尾螳螂虾前鳌及尾部的结构构造可为仿生抗冲击防护结构设计提供重要思路，以达到轻量、耐冲击、提高冲击力传导和分散效率的目的。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明提供了一种基于3D打印成型的仿生抗冲击防护结构及其制备方法，该结构在轻量化程度较高的同时具有优异的耐冲击性能，且制备方法简单可有效降低生产成本。结合说明书附图，本发明的技术方案如下：

一方面，本发明公开了一种基于3D打印成型的仿生抗冲击防护结构，其特征在于：

所述仿生抗冲击防护结构为一体化成型结构，由外侧迎撞层、中间抗撞击坯层和内侧缓冲层组成；

所述外侧迎撞层由面状基底以及均匀分布在基底外表面上的伞状单元结构组成；所述伞状单元结构由若干仿雀尾螳螂虾尾部扇形扩散棱柱结构的径向棱条构成；

所述中间抗撞击坯层由若干均匀分布，轴向垂直于外侧迎撞层与内侧缓冲层，且相互平行设置的仿生柱体构成；所述仿生柱体是由多根单元纤维柱绕中心轴旋转排布组成的仿雀尾螳螂前鳌微观结构，仿生柱体的轴向外轮廓曲线为仿雀尾螳螂前鳌微观结构曲线的内凹弧线；

所述内侧缓冲层内部设有若干呈规则分布的球形空腔，且越靠近抗撞击中间坯层一侧的球形空腔的直径越小。

进一步地，所述外侧迎撞层中，伞状单元结构的伞顶表面轮廓线满足如下方程式：

f(x₁)＝a₁x₁ ²+a₀x₁

上述伞顶表面轮廓线的方程式中：

a₁的取值范围为0.2-0.4；

a₀的取值范围为0.45-0.6；

x₁的取值范围为0m-1.2m。

更进一步地，伞状单元结构的伞顶表面轮廓线满足如下方程式：

f(x₁)＝0.22x₁ ²+0.48x₁

x₁的取值范围为0m-1.2m。

进一步地，所述外侧迎撞层中，径向棱条的顶面为弧面，其径向横截面顶部曲线满足如下方程式：

f(x₂)＝b₁x₂ ²+b₀x₂

上述径向棱条径向横截面顶部曲线的方程式中：

b₁的取值范围为2.4-4.2；

b₀的取值范围为1.8-3.6；

x₂的取值范围为0m-0.2m。

更进一步地，所述径向棱条的径向横截面顶部曲线的方程式为：

f(x₂)＝2.5x₂ ²+2.2x₂

x₂的取值范围为0m-0.2m。

进一步地，所述中间抗撞击坯层中，仿生柱体的轴向外轮廓曲线满足如下方程式：

上述仿生柱体轴向外轮廓曲线的方程式中：

a取值范围为0.5-0.8；

b取值范围为1.5-2.75；

c取值范围为0.25-2；

y₃的取值范围为0.25m-1.25m。

更进一步地，所述仿生柱体轴向外轮廓曲线的方程式为：

y₃的取值范围为0.25m-1.25m。

进一步地，所述内侧缓冲层中，所述球形空腔沿着从远离抗撞击中间坯层一侧向靠近抗撞击中间坯层一侧的方向相互平行地成排分布；

所述球形空腔设有3-5排；

靠近抗撞击中间坯层一侧的一排球形空腔的直径为R₀，其相邻的远离抗撞击中间坯层一侧的另一排球形空腔的直径为R'₀，且满足：

R₀＝2/3×R'₀

相邻两排球形空腔依次交错分布。

另一方面，本发明还公开了一种所述基于3D打印成型的仿生抗冲击防护结构的制备方法，所述仿生抗冲击防护结构采用金属、陶瓷或高分子材料，通过3D打印的方式一体成型，先采用墨水直写的3D打印方式实现仿生抗冲击防护结构零件成形，制成原始坯体，然后对原始坯体依次进行清洗、表面增强、修复、高温加热处理，最终获得强度及精度性能达标的仿生抗冲击防护结构。

进一步地，所述仿生抗冲击防护结构采用陶瓷材料制成；

所述制备方法具体如下：

步骤一，采用墨水直写的3D打印方式实现仿生抗冲击防护结构陶瓷零件成形，制成陶瓷原始坯体；

步骤二，对所述陶瓷原始坯体依次进行清洗、表面增强、修复及干燥等后处理，制成陶瓷预备坯体；

步骤三，将所述陶瓷预备坯体进行就高温加热，脱去陶瓷预备坯体中的有机物，形成陶瓷加热坯体；

步骤四，继续对陶瓷加热坯体进行加热，使陶瓷加热坯体内部结构致密化，形成陶瓷高温加热后构件；

步骤五，对陶瓷高温加热后构件进行冷却，最终获得仿生抗冲击防护结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明所述仿生抗冲击防护结构，采用多种仿生结构耦合设计，可实现三层冲击力的传导和缓冲，因而使仿生抗冲击防护结构具有高效的耐冲击性能。

2、本发明所述仿生抗冲击防护结构，所设计的外侧迎撞层的伞状单元结构效仿螳螂虾尾部结构，可快速将冲击力传导分散至整个平面，卸掉冲击局部的载荷，提高整个结构的冲击力传导和分散效率。

3、本发明所述仿生抗冲击防护结构，所设计的中间坯层的仿生柱体效仿螳螂虾的前鳌构造，在实现轻量化的同时，该仿生柱体可将冲击力分散为多角度，从而进一步降低冲击，并且其内部的因冲击产生的微观裂缝沿扭曲传导，可吸收大量能量，起到进一步缓冲作用，。

4、本发明所述仿生抗冲击防护结构，所设计的内侧缓冲层具有多级孔洞结构，可吸收剩余的冲击能量，起到缓冲作用，并且可进一步实现轻量化目的。

5、本发明所述仿生抗冲击防护结构，采用3D打印成型技术一体化成型，各组成部件之间无需设置其他连接，避免了连接处的冲击力过载，并且可快速将冲击传导扩散至整体，提高了整体结构的抗冲击性。

6、本发明所述仿生抗冲击防护结构，采用3D打印成型技术制备，3D打印成型技术是一种“自下而上”的增材制造手段，可实现各种复杂结构的整体成型制备，其加工工序少，流程简单，加工精度高，降低了生产难度及成本。此外，还可以根据需求灵活调整仿生抗冲击防护结构的单元结构尺寸和整体外型。

附图说明

图1为本发明所述仿生抗冲击防护结构的结构示意图；

图2为图1中的A-A剖视图；

图3为图1中的B处结构，即伞状单元结构局部放大图；

图4为图3中的G-G剖视图。

图5为本发明所述仿生抗冲击防护结构中，仿生柱体的结构示意图。

图中：

1、外侧迎撞层； 2、中间抗撞击坯层； 3、内侧缓冲层；

4、伞状单元结构； 5、基底； 6、仿生柱体；

7、单元纤维柱； 8、球形空腔； 9、径向棱条。

具体实施方式

为清楚、完整地描述本发明所述技术方案及其具体工作过程，结合说明书附图，本发明的具体实施方式如下：

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

实施例一：

本实施例一公开了一种基于3D打印成型的仿生抗冲击防护结构，所述仿生抗冲击防护结构是基于3D打印成型技术的一体化成型结构，如图1和图2所示，所述仿生抗冲击防护结构由外侧迎撞层1、中间抗撞击坯层2和内侧缓冲层3组成。

如图2、图3和图4所示，所述外侧迎撞层1设置于仿生抗冲击防护结构的最外层，通过抗撞击中间坯层2与内侧缓冲层3相连接。所述外侧迎撞层1由面状基底5以及均匀分布在基底5外表面上的伞状单元结构4组成；所述伞状单元结构4是由若干从中间沿径向向外呈辐射状分布的径向棱条9构成的伞状结构，伞状单元结构4的伞口朝向基底5外表面，即伞状单元结构4扣置在基底5外表面。

所述伞状单元结构4的伞顶表面轮廓线cd满足如下方程式：

f(x₁)＝a₁x₁ ²+a₀x₁

上述伞顶表面轮廓线cd的方程式中：

a₁的取值范围为0.2-0.4；

a₀的取值范围为0.45-0.6；

x₁的取值范围为0m-1.2m。

本实施例一中，优选地，伞顶表面轮廓线cd满足如下方程式为：

f(x₁)＝0.22x₁ ²+0.48x₁

构成伞状单元结构4的径向棱条9是效仿雀尾螳螂虾尾部扇形扩散的棱柱结构，具有快速传导冲击的性能，可快速将冲击力传导分散至整个基底5的表面，卸掉冲击局部的载荷。

所述径向棱条9的顶面为弧面，其径向横截面顶部曲线ef满足如下方程式：

f(x₂)＝b₁x₂ ²+b₀x₂

上述径向棱条9径向横截面顶部曲线ef的方程式中：

b₁的取值范围为2.4-4.2；

b₀的取值范围为1.8-3.6；

x₂的取值范围为0m-0.2m。

本实施例一中，优选地，径向棱条9径向横截面顶部曲线ef的方程式为：

f(x₂)＝2.5x₂ ²+2.2x₂

如图1、图2和图5所示，所述中间抗撞击坯层2连接于外侧迎撞层1与内侧缓冲层3之间，由若干轴向垂直于外侧迎撞层1与内侧缓冲层3且相互平行设置的仿生柱体6构成，若干所述仿生柱体6均匀分布在外侧迎撞层1与内侧缓冲层3之间。所述仿生柱体6是由多个单元纤维柱7绕中心轴OO’，以一定旋转角度及一定间隔距离旋转而组成，所述仿生柱体6的轴向从中间向两端径向尺寸递增，仿生柱体6的轴向外轮廓曲线为内凹的弧线，仿生柱体6的结构及轴向外轮廓曲线效仿雀尾螳螂前鳌微观结构及结构曲线，可将冲击力分散为多角度，从而进一步降低冲击，并且其内部的因冲击产生的微观裂缝沿扭曲传导，可吸收大量能量，起到缓冲作用。

所述仿生柱体6的轴向外轮廓曲线ab满足如下方程式：

上述仿生柱体6轴向外轮廓曲线ab的方程式中：

a取值范围为0.5-0.8；

b取值范围为1.5-2.75；

c取值范围为0.25-2；

y₃的取值范围为0.25m-1.25m。

本实施例一中，优选地，仿生柱体6轴向外轮廓曲线ab的方程式为：

所述单元纤维柱7的直径与长度比为0.08-0.2，单元纤维柱7的直径范围为0.07m-0.2m。本实施例一中，优选地，单元纤维柱7的直径与长度比为0.08，单元纤维柱7的直径范围为0.12m。

如图2所示，所述内侧缓冲层3设置于仿生抗冲击防护结构的最内层，通过抗撞击中间坯层2与外侧迎撞层1相连接。所述内侧缓冲层3内部设有若干呈规则分布的球形空腔8，且越靠近抗撞击中间坯层2一侧的球形空腔8直径越小。

本实施例一中，所述球形空腔8沿着从远离抗撞击中间坯层2一侧向靠近抗撞击中间坯层2一侧的方向相互平行地成排分布，所述球形空腔8设有3-5排，且相邻的两排球形空腔8的直径按3/1比例递减，即靠近抗撞击中间坯层2一侧的某一排球形空腔8的直径为R₀，其相邻的远离抗撞击中间坯层2一侧的球形空腔8的直径为R'₀，则：

R₀＝2/3×R'₀

此外，本实施例一中，相邻的两排球形空腔8依次交错分布，即一排球形空腔8中的各球形空腔8分别正对着相邻一排球形空间8中的相邻两个球形空间8之间的间隙中间位置。

所述内侧缓冲层3具备的多个球形空腔结构，可吸收剩余的冲击能量，并且其多个球形空腔结构可实现仿生抗冲击防护结构的轻量化，降低成本；

本实施例一所述仿生抗冲击防护结构整体为一体化结构，因而在受撞击时，可促进冲击能量快速扩散至整个结构，减少局部受力，从而增加整体仿生抗冲击防护结构的抗冲击性能，并且各构成部件间无需设置连接，避免了连接处因冲击力过载而损坏，进一步提高了仿生抗冲击结构的耐冲击性。

通过模拟仿真，本实施例一中，优选参数下的仿生抗冲击防护结构，其抗冲击力可达每平方米60吨，抗冲击性能优异。

此外，本实施例一所公开的仿生抗冲击防护结构，可以根据实际需要，将所述三层仿生抗撞击防护结构单元扩展为多种外型，整体形状不限于半球形或立方体。

实施例二：

本实施例二公开了一种如前述实施例一所述的基于3D打印成型的仿生抗冲击防护结构的制备方法，所述仿生抗冲击防护结构采用金属、陶瓷或高分子材料，通过3D打印的方式一体成型，本实施例二优选地，采用陶瓷材料，所述制备方法具体如下：

步骤一，采用墨水直写的3D打印方式实现如实施例一所述的仿生抗冲击防护结构陶瓷零件成形，得到特定形状结构的陶瓷原始坯体；

步骤二，对所述陶瓷原始坯体依次进行清洗、表面增强、修复及干燥等后处理，使陶瓷原始坯体的强度、精度等性能达到要求，制成陶瓷预备坯体；

步骤三，将所述陶瓷预备坯体进行就高温加热，优选地，加热到640℃，脱去陶瓷预备坯体中的有机物，形成陶瓷加热坯体；

步骤四，继续对陶瓷加热坯体进行加热，使陶瓷加热坯体内部结构致密化，即完成晶粒长大、晶界形成、实现陶瓷强度的过程，形成陶瓷高温加热后构件；

步骤五，对陶瓷高温加热后构件进行冷却，最终获得仿生抗冲击防护结构。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.基于3D打印成型的仿生抗冲击防护结构，其特征在于：

所述仿生抗冲击防护结构为一体化成型结构，由外侧迎撞层、中间抗撞击坯层和内侧缓冲层组成；

所述外侧迎撞层由面状基底以及均匀分布在基底外表面上的伞状单元结构组成；所述伞状单元结构由若干仿雀尾螳螂虾尾部扇形扩散棱柱结构的径向棱条构成；

所述中间抗撞击坯层由若干均匀分布，轴向垂直于外侧迎撞层与内侧缓冲层，且相互平行设置的仿生柱体构成；所述仿生柱体是由多根单元纤维柱绕中心轴旋转排布组成的仿雀尾螳螂前鳌微观结构，仿生柱体的轴向外轮廓曲线为仿雀尾螳螂前鳌微观结构曲线的内凹弧线；

所述内侧缓冲层内部设有若干呈规则分布的球形空腔，且越靠近抗撞击中间坯层一侧的球形空腔的直径越小。

2.如权利要求1所述基于3D打印成型的仿生抗冲击防护结构，其特征在于：

所述外侧迎撞层中，伞状单元结构的伞顶表面轮廓线满足如下方程式：

f(x₁)＝a₁x₁ ²+a₀x₁

上述伞顶表面轮廓线的方程式中：

a₁的取值范围为0.2-0.4；

a₀的取值范围为0.45-0.6；

x₁的取值范围为0m-1.2m。

3.如权利要求2所述基于3D打印成型的仿生抗冲击防护结构，其特征在于：

伞状单元结构的伞顶表面轮廓线满足如下方程式：

f(x₁)＝0.22x₁ ²+0.48x₁

x₁的取值范围为0m-1.2m。

4.如权利要求1所述基于3D打印成型的仿生抗冲击防护结构，其特征在于：

所述外侧迎撞层中，径向棱条的顶面为弧面，其径向横截面顶部曲线满足如下方程式：

f(x₂)＝b₁x₂ ²+b₀x₂

上述径向棱条径向横截面顶部曲线的方程式中：

b₁的取值范围为2.4-4.2；

b₀的取值范围为1.8-3.6；

x₂的取值范围为0m-0.2m。

5.如权利要求4所述基于3D打印成型的仿生抗冲击防护结构，其特征在于：

所述径向棱条的径向横截面顶部曲线的方程式为：

f(x₂)＝2.5x₂ ²+2.2x₂

x₂的取值范围为0m-0.2m。

6.如权利要求1所述基于3D打印成型的仿生抗冲击防护结构，其特征在于：

所述中间抗撞击坯层中，仿生柱体的轴向外轮廓曲线满足如下方程式：

上述仿生柱体轴向外轮廓曲线的方程式中：

a取值范围为0.5-0.8；

b取值范围为1.5-2.75；

c取值范围为0.25-2；

y₃的取值范围为0.25m-1.25m。

7.如权利要求6所述基于3D打印成型的仿生抗冲击防护结构，其特征在于：

所述仿生柱体轴向外轮廓曲线的方程式为：

y₃的取值范围为0.25m-1.25m。

8.如权利要求1所述基于3D打印成型的仿生抗冲击防护结构，其特征在于：

所述内侧缓冲层中，所述球形空腔沿着从远离抗撞击中间坯层一侧向靠近抗撞击中间坯层一侧的方向相互平行地成排分布；

所述球形空腔设有3-5排；

靠近抗撞击中间坯层一侧的一排球形空腔的直径为R₀，其相邻的远离抗撞击中间坯层一侧的另一排球形空腔的直径为R'₀，且满足：

R₀＝2/3×R'₀

相邻两排球形空腔依次交错分布。

9.如权利要求1所述基于3D打印成型的仿生抗冲击防护结构的制备方法，其特征在于：

所述仿生抗冲击防护结构采用金属、陶瓷或高分子材料，通过3D打印的方式一体成型，先采用墨水直写的3D打印方式实现仿生抗冲击防护结构零件成形，制成原始坯体，然后对原始坯体依次进行清洗、表面增强、修复、高温加热处理，最终获得强度及精度性能达标的仿生抗冲击防护结构。

10.如权利要求9所述基于3D打印成型的仿生抗冲击防护结构的制备方法，其特征在于：

所述仿生抗冲击防护结构采用陶瓷材料制成；

所述制备方法具体如下：

步骤一，采用墨水直写的3D打印方式实现仿生抗冲击防护结构陶瓷零件成形，制成陶瓷原始坯体；

步骤二，对所述陶瓷原始坯体依次进行清洗、表面增强、修复及干燥等后处理，制成陶瓷预备坯体；

步骤三，将所述陶瓷预备坯体进行就高温加热，脱去陶瓷预备坯体中的有机物，形成陶瓷加热坯体；

步骤四，继续对陶瓷加热坯体进行加热，使陶瓷加热坯体内部结构致密化，形成陶瓷高温加热后构件；

步骤五，对陶瓷高温加热后构件进行冷却，最终获得仿生抗冲击防护结构。

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