CN219731133U - 一种改进基于体心的3d打印晶格单元及其点阵结构 - Google Patents

Abstract

一种3D打印晶格单元，所述晶格单元包括一个中心节点，以及八根晶格梁；所述晶格单元以一个虚拟立方体为基准形成其结构；所述中心节点通过八根晶格梁分别与所述虚拟立方体的八个顶点连接；八根所述晶格梁的两端至中部的粗细分布为逐渐由粗至细。与现有技术相比，本实用新型通过对基于体心的晶格单元进行改进，优化了晶格梁的粗细分布，使晶格梁在其节点连接处能够拥有足够的强度，同时晶格梁由两端至中间部分逐渐由粗变细，使晶格梁在承受压缩载荷时应力能在晶格梁中均匀分布，从而提高晶格点阵结构的比强度、比刚度以及比吸能等性能。

Description

一种改进基于体心的3D打印晶格单元及其点阵结构

技术领域

本实用新型涉及3D打印领域，更具体地，涉及一种改进基于体心的3D打印晶格单元及其点阵结构。

背景技术

近年来，超轻质多胞结构因其优异的吸能、隔热、比刚度和比强度以及比吸能（SEA）等力学性能，在汽车、军事、航空航天等领域得到了广泛的应用。同时，它们比固体材料具有更大的结构设计自由度，因此，越来越多的日用品牌也开始利用3D打印生产含有多胞结构的产品，包括3D打印鞋、头盔、坐垫等。

晶格点阵结构对比其它超轻质多胞结构，由于其具有高孔隙率，且可以提供更大的比强度和比刚度，是夹层结构吸收能量的良好芯材选择。点阵结构的力学性能不仅由本体材料的性质和结构的相对密度决定，还由单胞晶格的几何形状或拓扑结构决定，这种几何形状可以显著影响由单胞晶格构成的点阵结构整体强度、刚度和能量耗散能力。对于体心立方体（BCC）等直径晶格结构，其在受到外载荷产生压缩形变时，极易在杆径相交节点处产生应力集中，从而导致整体晶格受到损伤破坏，这种情况下会导致所构成的点阵结构承载能力低下。

实用新型内容

本实用新型旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种改进基于体心的3D打印晶格单元，用于提供一种基于体心的具有较高承载抗压能力的晶格结构。

本实用新型采取的技术方案是：

一种改进基于体心的3D打印晶格单元， 所述晶格单元包括一个中心节点，以及八根晶格梁；

所述晶格单元以一个虚拟立方体为基准形成其结构；

所述中心节点通过八根晶格梁分别与所述虚拟立方体的八个顶点连接；

八根所述晶格梁的两端至中部的粗细分布为逐渐由粗至细。

通过在保证其结构功能的前提下，设置上述晶格梁的粗细变化，优化了晶格单元的拓扑结构，减少了晶格单元生产所需的材料，同时也降低了通过该晶格单元生产的产品的重量，同时能够使该晶格单元在收到压缩载荷时应力能在晶格梁中均匀分布，从而提高晶格的比强度、比刚度以及比吸能等性能。

进一步的，所述中心节点位于所述虚拟立方体的体心。设置在虚拟立方体的体心进一步的使应力分布更均匀。

进一步的，八根所述晶格梁的结构相同，且长度均等于所述中心节点至所述虚拟立方体任意一个顶点的距离L。

进一步的，所述晶格梁包括分别连接至中心节点与所述虚拟立方体顶点的加强端和连接两个所述加强端的轻量部；

所述轻量部的两端至中部的粗细分布为逐渐由粗至细。

进一步的，两个所述加强端均为圆柱体，且两个所述加强端的圆柱体的底面的面积相同，长度相同。

所述轻量部为两端至中部逐渐由粗至细的纺线锤结构，所述纺线锤的分别与两个所述加强端连接的端面的形状为圆形，且面积与所述加强端的圆柱体的底面面积相同；

两个所述加强端的圆柱体的中心轴线和纺线锤的中心轴线重合，且与对应的所述虚拟立方体顶点和中心节点之间的连线重合。

将加强端设置为圆柱体，通过加强端与加强端的重叠实现在中心节点处的连接，保证了晶格单元在晶格梁的相交处拥有足够的强度。

进一步的，取两个所述加强端的圆柱体的底面和纺线锤的两侧端面的直径为D，所述纺线锤的中部的直径为0.7D，并以此构建三次样条曲线；

所述纺线锤的侧面均符合所述三次样条曲线。

通过构建三次样条曲线，使纺线锤的侧面均符合三次样条曲线的结构，能够轻量部的粗细变化更平滑，更能够均匀的承受应力，进而提高晶格单元的强度。

进一步的，构建八个分别连接所述虚拟立方体的八个顶点和中心节点虚拟晶格梁，八个所述虚拟晶格梁均为圆柱体，所述虚拟晶格梁的圆柱体的底面的直径均为D，长度为均L；

每个所述虚拟晶格梁的圆柱体的中心轴线与对应的虚拟立方体的顶点和中心节点的连线重合；

每任意两个连接所述虚拟立方体的相邻顶点的虚拟晶格梁，其通过共用一个扇形端面实现在中心节点处的连接，取所述扇形端面的弧至所述中心节点的最长的距离为Lh。

进一步的，两个所述加强端的圆柱体的长度均为Lh。

保证加强端的长度，即保证晶格梁连接处的强度，同时尽可能的增加轻量部在晶格梁中的占比，减少晶格单元的材料的同时，优化了晶格单元的拓扑结构，提高晶格单元的性能。

本实用新型还提供一种改进基于体心的3D打印点阵结构，所述点阵结构由上述所述的一种改进基于体心的3D打印晶格单元组成，具体为：

任意一个晶格单元对应的虚拟立方体通过其任意一个面与另一个虚拟立方体的任意一个面重合实现连接；

以此类推，在空间上通过晶格单元的堆叠形成所述点阵结构。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

本实用新型通过对基于体心的晶格单元进行改进，优化了晶格梁的粗细分布，使晶格梁在其节点连接处能够拥有足够的强度，同时晶格梁由两端至中间部分逐渐由粗变细，保证晶格梁的侧面符合一个三次样条曲线，使晶格梁在承受压缩载荷时应力能在晶格梁中均匀分布，从而提高晶格的比强度、比刚度以及比吸能等性能；并且通过该晶格单元构成的点阵结构能够很好的继承其晶格单元的优点，使点阵结构整体轻量化的同时具有很好的承载抗压能力。

附图说明

图1为本实用新型的晶格单元结构图。

图2为本实用新型的以虚拟晶格梁形成的结构图。

图3为本实用新型的点阵结构的结构图。

图4为改进的点阵结构和未改进的点阵结构的压缩应变率下应力/应变曲线对比图。

附图说明：中心节点1，晶格梁2，虚拟晶格梁3，加强端21，轻量部22。

具体实施方式

本实用新型附图仅用于示例性说明，不能理解为对本实用新型的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种改进基于体心的3D打印晶格单元， 所述晶格单元包括一个中心节点1，以及八根晶格梁2；所述晶格单元以一个虚拟立方体为基准形成其结构；所述中心节点1通过八根晶格梁2分别与所述虚拟立方体的八个顶点连接，中心节点1设置在所述虚拟立方体的体心，即中心节点1至所述虚拟立方体的八个顶点的距离相同，且设置该具体为L；八根所述晶格梁2的结构相同且长度均为L，八根所述晶格梁2的两端至中部的粗细分布为逐渐由粗至细。

具体的，每个晶格梁2包括分别连接至中心节点1与所述虚拟立方体顶点的加强端21和连接两个所述加强端21的轻量部22；其中两个加强端21均为圆柱体，并且两个加强端21的圆柱体的底面的面积相同，长度相同；轻量部22为纺线锤结构，纺线锤的分别与两个所述加强端21连接的端面的形状为圆形，且面积与所述加强端21的圆柱体的底面面积相同，两个所述加强端21的圆柱体的中心轴线和纺线锤的中心轴线重合，且与对应的所述虚拟立方体顶点和中心节点1之间的连线重合。在具体的实施方式中，取两个所述加强端21的圆柱体的底面和纺线锤的两侧端面的直径为D，所述纺线锤的中部的直径为0.7D，根据两侧端面的直径情况和中部的直径的情况，可以构建一条唯一的三次样条曲线，所述纺线锤的侧面形状均符合该构建出来的三次样条曲线，这样设置轻量部22的粗细分布，能够使晶格单元在受到压缩载荷时应力能在晶格梁2中均匀分布，从而提高晶格的比强度、比刚度以及比吸能等性能。

同时，为了尽可能的保证轻量部22在晶格梁2中的占比，还要保证晶格梁2在连接处的强度，需要对晶格梁2两端的加强端21的圆柱体的长度进行限制，具体的长度设置方法为：

如图2所示，构建八个分别连接所述虚拟立方体的八个顶点和中心节点1的虚拟晶格梁3，八个所述虚拟晶格梁3均为圆柱体，所述虚拟晶格梁3的圆柱体的底面的直径均为D，长度为均L；每个所述虚拟晶格梁3的圆柱体的中心轴线与对应的虚拟立方体的顶点和中心节点1的连线重合，根据这一情况，每任意两个连接所述虚拟立方体的相邻顶点的虚拟晶格梁3，其都会通过共用一个扇形端面实现在中心节点1处的连接，取所述扇形端面的弧至所述中心节点1的最长的距离为Lh。进一步的设置两个加强端21的圆柱体的长度均为Lh，即为加强端21圆柱体的最小长度，使轻量部22在晶格梁2中的占比最大，同时保证了各个晶格梁2之间的接触面，保证了晶格梁2的连接处的强度。

实施例2

如图3所示，本实施例提供一种改进基于体心的3D打印点阵结构，所述点阵结构基于上述实施例1中的一种改进基于体心的3D打印晶格单元组成，具体的：

任意一个晶格单元对应的虚拟立方体通过其任意一个面与另一个虚拟立方体的任意一个面重合实现连接，即任意两个晶格单元之间通过对应位置的四个晶格梁2实现连接；

以此进行类推，在空间上通过多个晶格单元的堆叠形成了如图3所示的点阵结构。

本实施例还以本实施例的点阵结构进行了相关的实验，本实施例采用有限元模拟对本实施例的点阵结构模型进行了力学分析，点阵结构的材料设置为光敏树脂材料，在点阵结构的两端分别建立两个刚性板，下板固定，上板以恒定速度下压，以模拟点阵结构在1000/s应变率下的压缩变形。同时也对未改进的基于体心的等直径的晶格单元（以下简称等直径BCC晶格）构成的点阵采用同样的方式进行力学分析。等直径BCC晶格点阵结构和本实施例的点阵结构的压缩应力应变曲线如图4所示，两种晶格点阵结构表现出相似的变形模式，从图中可以看出，曲线具有初始峰值应力和恒定平台应力的特征，对应的数值即为点阵结构的屈服强度和平台应力，曲线下的面积与相对密度的比值即为点阵结构的比吸能。具体数值如下表所示：

从表中可知，本实施例优化后的BCC晶格点阵结构的屈服强度、平台应力以及比吸能分别提升了42%、55%和35%，优化效果显著。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型技术方案所作的举例，而并非是对本实用新型的具体实施方式的限定。凡在本实用新型权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种改进基于体心的3D打印晶格单元， 所述晶格单元包括一个中心节点，以及八根晶格梁；

所述晶格单元以一个虚拟立方体为基准形成其结构；

所述中心节点通过八根晶格梁分别与所述虚拟立方体的八个顶点连接；

其特征在于，八根所述晶格梁的两端至中部的粗细分布为逐渐由粗至细。

2.根据权利要求1所述的一种改进基于体心的3D打印晶格单元，其特征在于，所述中心节点位于所述虚拟立方体的体心。

3.根据权利要求2所述的一种改进基于体心的3D打印晶格单元，其特征在于，八根所述晶格梁的结构相同，且长度均等于所述中心节点至所述虚拟立方体任意一个顶点的距离L。

4.根据权利要求3所述的一种改进基于体心的3D打印晶格单元，其特征在于，所述晶格梁包括分别连接至中心节点与所述虚拟立方体顶点的加强端和连接两个所述加强端的轻量部；

所述轻量部的两端至中部的粗细分布为逐渐由粗至细。

5.根据权利要求4所述的一种改进基于体心的3D打印晶格单元，其特征在于，两个所述加强端均为圆柱体，且两个所述加强端的圆柱体的底面的面积相同，长度相同。

6.根据权利要求5所述的一种改进基于体心的3D打印晶格单元，其特征在于，所述轻量部为两端至中部逐渐由粗至细的纺线锤结构，所述纺线锤的分别与两个所述加强端连接的端面的形状为圆形，且面积与所述加强端的圆柱体的底面面积相同。

7.根据权利要求6所述的一种改进基于体心的3D打印晶格单元，其特征在于，取两个所述加强端的圆柱体的底面和纺线锤的两侧端面的直径为D，所述纺线锤的中部的直径为0.7D，并以此构建三次样条曲线；

所述纺线锤的侧面均符合所述三次样条曲线。

8.根据权利要求4~7任一项所述的一种改进基于体心的3D打印晶格单元，其特征在于，构建八个分别连接所述虚拟立方体的八个顶点和中心节点虚拟晶格梁，八个所述虚拟晶格梁均为圆柱体，所述虚拟晶格梁的圆柱体的底面的直径均为D，长度为均L；

每任意两个连接所述虚拟立方体的相邻顶点的虚拟晶格梁，其通过共用一个扇形端面实现在中心节点处的连接，取所述扇形端面的弧至所述中心节点的最长的距离为Lh。

9.根据权利要求8所述的一种改进基于体心的3D打印晶格单元，其特征在于，两个所述加强端的圆柱体的长度均为Lh。

10.一种改进基于体心的3D打印点阵结构，其特征在于，所述点阵结构由上述权利要求1-9任一项所述的一种改进基于体心的3D打印晶格单元组成，具体为：

任意一个晶格单元对应的虚拟立方体通过其任意一个面与另一个虚拟立方体的任意一个面重合实现连接；

以此类推，在空间上通过晶格单元的堆叠形成所述点阵结构。