CN115139512A - 一种三维负泊松比结构3d打印方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种三维负泊松比结构3D打印方法及系统，涉及3D打印领域，方法包括：利用标准CAD软件设计负泊松比结构模型；所述负泊松比结构模型包括在三维空间中沿X轴、Y轴和Z轴无缝拼接的多个正八面体结构单元；选择3D打印原材料；将所述负泊松比结构模型导入打印软件并根据所述3D打印原材料确定打印工艺；根据所述打印工艺利用所述3D打印原材料进行打印。本发明结构简单且不需要额外支撑实现负泊松比结构的打印。

Description

一种三维负泊松比结构3D打印方法及系统
技术领域
本发明涉及3D打印领域，特别是涉及一种三维负泊松比结构3D打印方法及系统。
背景技术
负泊松比材料在缓冲抗压、能量吸收等许多性能上具有独特的优点，但其复杂精细的结构对传统制造方法提出挑战，甚至许多结构传统减材制造技术无法制造。近年来，3D打印技术经过快速发展，已经能够制造从微观到宏观的任意复杂结构，使得结构和功能一体化制造成为可能。3D打印与传统的材料加工方法截然相反，首先基于三维CAD模型数据，再通过增加材料逐层制造的方式来成型产品。3D打印可以摆脱模具的束缚而能够成型复杂几何形状或结构，由于结构设计在材料的性能表现和应用场景中扮演越来越重要的角色，这一特点也越来越受到重视。目前关于负泊松比大部分的研究工作还是围绕二维负泊松比结构展开，新型的三维结构较少提出，且目前的三维负泊松比结构主要是基于凹多面体构建的，在通过常规3D打印技术制造时需要在向下的凹点部分添加额外的支撑材料来保证结构整体的成型，其结构复杂精细，不适用于常见的熔融沉积成型3D打印工艺，极大地限制了不同3D打印技术和打印耗材的选择。
目前三维负泊松比结构数量较少，结构复杂精细，例如十六面体单元结构不规则且较为复杂，并不适用于熔融沉积成型3D打印技术(FDM)和打印耗材，而其他单元结构则具有需要额外支撑，因此，需要一种适合结构简单且不需要额外支撑的负泊松比结构打印方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种三维负泊松比结构3D打印方法及系统，结构简单且不需要额外支撑实现负泊松比结构的打印。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种三维负泊松比结构3D打印方法，包括：
利用标准CAD软件设计负泊松比结构模型；所述负泊松比结构模型包括在三维空间中沿X轴、Y轴和Z轴无缝拼接的多个正八面体结构单元；
选择3D打印原材料；
将所述负泊松比结构模型导入打印软件并根据所述3D打印原材料确定打印工艺；
根据所述打印工艺利用所述3D打印原材料进行打印。
可选地，所述正八面体结构单元为内部带有空腔的结构。
可选地，所述正八面体结构单元的壁厚与外边界片平面板的厚度相同。
可选地，所述打印工艺中的打印模式为单圈外壳螺旋打印。
一种三维负泊松比结构3D打印系统，包括：
设计模块，用于利用标准CAD软件设计负泊松比结构模型；所述负泊松比结构模型包括在三维空间中沿X轴、Y轴和Z轴无缝拼接的多个正八面体结构单元；
选择模块，用于选择3D打印原材料；
导入和打印工艺确定模块，用于将所述负泊松比结构模型导入打印软件并根据所述3D打印原材料确定打印工艺；
打印模块，用于根据所述打印工艺利用所述3D打印原材料进行打印。
可选地，所述正八面体结构单元为内部带有空腔的结构。
可选地，所述正八面体结构单元的壁厚与外边界片平面板的厚度相同。
可选地，所述打印工艺中的打印模式为单圈外壳螺旋打印
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明利用标准CAD软件设计负泊松比结构模型；所述负泊松比结构模型包括在三维空间中沿X轴、Y轴和Z轴无缝拼接的多个正八面体结构单元；选择3D打印原材料；将所述负泊松比结构模型导入打印软件并根据所述3D 打印原材料确定打印工艺；根据所述打印工艺利用所述3D打印原材料进行打印。正八面体结构单元由于结构简单且规整，尤其适用于熔融沉积成型3D打印，而且不需要添加额外支撑，从而实现无支撑打印。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的三维负泊松比结构3D打印方法流程示意图；
图2为本发明提供的三维负泊松比结构单胞参数定义图；
图3为本发明提供的三维负泊松比结构单胞剖面图；
图4为本发明提供的三维负泊松比结构赋予厚度的单胞结构图；
图5为本发明提供的三维负泊松比结构赋予厚度的单胞剖面图；
图6为本发明提供的三维负泊松比结构示意图；
图7为本发明提供的赋予厚度的三维负泊松比结构图；
图8为本发明实施例13D打印TPU 95A材料成品图；
图9为本发明实施例1单位质量三维负泊松比结构横向压缩应力应变曲线与形变历史示意图；
图10为本发明实施例1单位质量三维负泊松比结构纵向压缩应力应变曲线与形变历史示意图；
图11为本发明实施例1三维负泊松比结构纵向压缩仿真的俯视图；
图12为本发明实施例1三维负泊松比结构的吸能效率曲线图；
图13为本发明实施例23D打印TPU 64D材料成品图；
图14为本发明实施例2单位质量三维负泊松比结构横向压缩应力应变曲线与形变历史示意图；
图15为本发明实施例2单位质量三维负泊松比结构纵向压缩应力应变曲线与形变历史示意图；
图16为本发明实施例2三维负泊松比结构的吸能效率曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种三维负泊松比结构3D打印方法及系统，结构简单且不需要额外支撑实现负泊松比结构的打印。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
如图1所示，本发明提供的一种三维负泊松比结构3D打印方法，本发明提供的方法适用于FDM和多类材料(如TPU、PA、PETG等)，包括：
如图2-图7所示，其中，图2中的A为坐标原点，B-N为结构单元其他节点相对于A的空间位置。根据对负泊松比结构形状和功能的具体要求，设计正八面体负泊松比结构单元并在XYZ方向阵列形成负泊松比结构模型。利用标准CAD软件设计负泊松比结构模型；所述负泊松比结构模型包括在三维空间中沿X轴、Y轴和Z轴无缝拼接的多个正八面体结构单元。所述正八面体结构单元为内部带有空腔的结构。所述正八面体结构单元的壁厚与外边界片平面板的厚度相同。负泊松比结构整体是由多个正八面体结构单元沿X轴、Y 轴和Z轴在三维空间无缝拼接组成，正八面体结构单元是由二维正方形结构旋转得到。每个正八面体结构单元由四条表面折痕线和八条外边界线构成，且在 XY平面投影为正方形且兼具足够的支撑强度。正八面体结构单元内部为中空结构，在保证被压缩过程中结构单元绕其顶点旋转表现出负泊松比效果情况下，能够最大程度降低模型重量，提高其吸能效率，使材料结构具备较高且平稳的平台应力每个正八面体的平面参数为：A(0,0,0)；B(0,0,2a)；C(-a,0,a)；D(0, a,a)；E(a,0,a)；F(0,-a,a)；G(-a,0,0)；H(0,a,0)；I(a,0,0)；J(0,-a,0)；K(-a,0,2a)；L(0,a,2a)；M(a,0,2a)；N(0,-a,2a)，(a>0)其中，a为大于0的常数，用于决定各节点间距。构建好的八面体结构单元在三维空间排列并被赋予厚度，形成带有平面板的八面体阵列结构。正八面体结构单元的数量：x方向Nx≥2，y方向Ny≥2，z方向Nz≥1。当Nz＝1时，该结构为二维负泊松比结构；当Nz≥2时，该结构为三维负泊松比结构。
选择3D打印原材料。选择不同的聚合物3D打印耗材，所述聚合物3D 打印耗材包括但不限于热塑性聚氨酯弹性体橡胶TPU、尼龙PA、PETG。
将所述负泊松比结构模型导入打印软件并根据所述3D打印原材料确定打印工艺。所述打印工艺中的打印模式为单圈外壳螺旋打印；外壳逐层累加并最终实现无支撑3D打印负泊松比结构。。
将构建好的正八面体结构单元5×5×5的阵列，无缝衔接组成长方体结构。输出STL文件并导入Simplify3D软件进行切片处理，形成打印机喷头打印路径，打印方向为模型Z方向。导出gcode文件，并上传至3D打印机进行无支撑3D打印。
根据所述打印工艺利用所述3D打印原材料进行打印。根据切片后的负泊松比结构模型进行成品打印。
具体的，使用TPU耗材进行无支撑3D打印，打印工艺根据所使用材料的热性能设置，本发明使用的易生柔性TPU 95A(白色)打印工艺设置如表1 所示。
表1易生柔性TPU 95A(白色)打印工艺设置表
打印参数 具体设置
喷嘴直径 0.4
挤出倍率 1.0
打印速度 60mm/s
填充密度 0％
单圈外壳螺旋打印 勾选
挤出机温度 210℃
热床温度 60℃
支撑 不生成支撑
得到的三维负泊松比结构模型实体如图8所示，图8中的(a)为正面角度拍摄的三维负泊松比结构模型图，图8中的(b)为斜侧角度拍摄的三维负泊松比结构模型图；图8中的(c)为俯视角度拍摄的三维负泊松比结构模型图，可见模型外表光滑，内部为八面体空腔。
利用Workbench中LS-dyna插件对本结构进行了准静态压缩仿真分析，结果表明在进行横向或纵向压缩时，该负泊松比结构的类型均为旋转刚体结构，如图9、图10和图11所示，其中，图11中的(a)为纵向压缩0％时的俯视图，图11中的(b)为纵向压缩5％时的俯视图，图11中的(c)为纵向压缩 15％时的俯视图，图11中的(d)为纵向压缩30％时的俯视图。并对模型分别进行横向和纵向静态压缩试验，其单位质量应力应变曲线与形状变化过程分别如图9和图10所示。该结构的缓冲吸能性能(如吸能效率)可以通过其静态压缩试验输出的应力应变曲线经公式1换算得到。
Figure BDA0003764284790000061
其中，E为吸能效率，ε为应变，σ为应力。其吸能效率如图12所示，表明该结构在具有三维负泊松比特性的情况下，兼具稳定大变形、良好的承压和能量吸收能力。
本发明的正八面体结构由于结构简单且规整，尤其适用于熔融沉积成型 3D打印，而且不需要添加额外支撑，基于旋转刚体结构实现3个维度的负泊松比效果，突破使用常规3D打印技术制造负泊松比材料时对打印技术和原材料的苛刻要求。同时其具备良好的承压和能量吸收能力，为设计高应变或抗冲击功能个人防护装备提供了有力支持。
实施例2
如图2-图7所示，根据对负泊松比结构形状和功能的具体要求，设计正八面体负泊松比结构单元并在XYZ方向阵列形成负泊松比结构模型。
与实施例1不同是，使用易生柔性TPU 64D(白色)耗材进行无支撑3D 打印，打印工艺根据所使用材料的热性能设置，易生柔性TPU 64D(白色)耗材打印工艺设置如表2所示。
表2易生柔性TPU 64D(白色)耗材打印工艺设置表
打印参数 具体设置
喷嘴直径 0.4
挤出倍率 1.0
打印速度 60mm/s
填充密度 0％
单圈外壳螺旋打印 勾选
挤出机温度 205℃
热床温度 60℃
支撑 不生成支撑
得到的三维负泊松比结构模型实体如图13所示，其中，图13中的(a) 为正面角度拍摄的打印模型图，图13中的(b)为斜侧角度拍摄的打印模型图；图13中的(c)为俯视角度拍摄的打印模型图，可见模型外表光滑，内部为八面体空腔。对模型分别进行横向和纵向静态压缩试验，其单位质量应力应变曲线与形状变化过程分别如图14和图15所示，并经公式1换算得到其能量吸收效率，如图16所示。该结构在具有三维负泊松比特性的情况下，兼具稳定大变形、良好的承压和能量吸收能力，表明本发明提出的负泊松比结构适用于多种聚合物弹性体材料。
实施例3
本发明还提供了一种三维负泊松比结构3D打印系统，包括：
设计模块，用于利用标准CAD软件设计负泊松比结构模型；所述负泊松比结构模型包括在三维空间中沿X轴、Y轴和Z轴无缝拼接的多个正八面体结构单元。
选择模块，用于选择3D打印原材料。
导入和打印工艺确定模块，用于将所述负泊松比结构模型导入打印软件并根据所述3D打印原材料确定打印工艺。
打印模块，用于根据所述打印工艺利用所述3D打印原材料进行打印。
作为一种可选地实施方式，所述正八面体结构单元为内部带有空腔的结构。
作为一种可选地实施方式，所述正八面体结构单元的壁厚与外边界片平面板的厚度相同。
作为一种可选地实施方式，所述打印工艺中的打印模式为单圈外壳螺旋打印。
本发明综合考虑熔融沉积成型3D打印技术的成形局限，通过标准CAD 软件设计符合要求负泊松比结构，该负泊松比结构力学结构稳定合理，在3D 打印制造时不需添加任何支撑材料，适用于FDM打印技术和打印耗材，解除使用3D打印技术制造负泊松比材料时对打印技术和原材料的苛刻要求。在压缩实验中，该负泊松比结构具有典型的负泊松比形变特征，典型的旋转主导的力学响应。该负泊松比结构在较大压缩应变区间下具有较高的且十分平稳的平台应力，没有任何急剧塌陷和灾难性破坏，这体现出该负泊松比结构设计的合理性，且含有中空结构，表观密度低，吸能效率高，这为设计高应变或抗冲击功能个人防护装备提供了有力支持。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种三维负泊松比结构3D打印方法，其特征在于，包括：
利用标准CAD软件设计负泊松比结构模型；所述负泊松比结构模型包括在三维空间中沿X轴、Y轴和Z轴无缝拼接的多个正八面体结构单元；
选择3D打印原材料；
将所述负泊松比结构模型导入打印软件并根据所述3D打印原材料确定打印工艺；
根据所述打印工艺利用所述3D打印原材料进行打印。
2.根据权利要求1所述的三维负泊松比结构3D打印方法，其特征在于，所述正八面体结构单元为内部带有空腔的结构。
3.根据权利要求1所述的三维负泊松比结构3D打印方法，其特征在于，所述正八面体结构单元的壁厚与外边界片平面板的厚度相同。
4.根据权利要求1所述的三维负泊松比结构3D打印方法，其特征在于，所述打印工艺中的打印模式为单圈外壳螺旋打印。
5.一种三维负泊松比结构3D打印系统，其特征在于，包括：
设计模块，用于利用标准CAD软件设计负泊松比结构模型；所述负泊松比结构模型包括在三维空间中沿X轴、Y轴和Z轴无缝拼接的多个正八面体结构单元；
选择模块，用于选择3D打印原材料；
导入和打印工艺确定模块，用于将所述负泊松比结构模型导入打印软件并根据所述3D打印原材料确定打印工艺；
打印模块，用于根据所述打印工艺利用所述3D打印原材料进行打印。
6.根据权利要求5所述的三维负泊松比结构3D打印系统，其特征在于，所述正八面体结构单元为内部带有空腔的结构。
7.根据权利要求5所述的三维负泊松比结构3D打印系统，其特征在于，所述正八面体结构单元的壁厚与外边界片平面板的厚度相同。
8.根据权利要求5所述的三维负泊松比结构3D打印系统，其特征在于，所述打印工艺中的打印模式为单圈外壳螺旋打印。
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