TWI650226B

TWI650226B - 三維結構

Info

Publication number: TWI650226B
Application number: TW106146126A
Authority: TW
Inventors: 葉日翔; 邱佑宗; 陳世明; 彭志剛
Original assignee: 財團法人工業技術研究院
Priority date: 2017-12-28
Filing date: 2017-12-28
Publication date: 2019-02-11
Also published as: TW201930053A; CN109970021B; CN109970021A

Abstract

一種三維結構包括一板材與三維部件，三維部件位於板材上。所述三維部件包括至少一第一結構以及至少一第二結構。所述第一結構為拉脹型(Auxetic)結構，且所述第二結構不同於第一結構。該至少第一結構與該至少第二結構沿所述板材的一厚度方向逐層設置在所述板材上。

Description

三維結構

本發明是有關於一種微結構技術，且特別是有關於一種三維結構。

科技發展飛速，源自於工業製造用的3D列印技術至今逐漸走入生活。不同於傳統除料式減法製程，3D列印加法製程可製作出具複雜形貌與孔洞的結構，且具備有少量、多樣、高值化的諸多製作優勢。因此，3D列印技術未來可應用護具、航太、汽機車零組件、3C殼件、醫材及具複雜結構創意商品的開發上。

本發明提供一種三維結構，能達到輕量化且對於衝擊的防護展現優異的效果。

本發明的三維結構包括第一板材與三維部件，三維部件位於第一板材上。所述三維部件包括至少一第一結構、至少一第二結構以及介於第一與第二結構之間的梯度結構。所述第一結構為拉脹型(Auxetic)結構，且所述第二結構不同於第一結構。該至少第一結構與該至少第二結構沿所述第一板材的一厚度方向逐層設置在該第一板材上。

基於上述，本發明藉由混合兩種不同結構型態的三維部件構成的三維結構，達到結構輕量化且可避免受外力撞擊時減少應力集中現象，達到保護的作用。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

請參考以下實施例及隨附圖式，以便更充分地了解本發明，但是本發明仍可以藉由多種不同形式來實踐，且不應將其解釋為限於本文所述之實施例。為了方便理解，下述說明中相同的元件將以相同之符號標示來說明。而在圖式中，為求明確起見對於各構件以及其相對尺寸可能未按實際比例繪製。

圖1是依照本發明之一實施例的一種三維結構之剖面示意圖。

請參照圖1，本實施例的三維結構100包括第一板材102、第二板材104與三維部件106，三維部件106是介於第一板材102與第二板材104之間，但本發明並不限於此，三維結構也可不具有第二板材104。所述三維部件106包括至少一第一結構108與至少一第二結構110，且第一結構108與第二結構110沿第一板材102的厚度（T1）方向逐層設置在該第一板材102上；換言之，第一板材102僅與第一結構108或第二結構110相接，且三維部件106的每一層分別為第一結構108或是第二結構110。第一結構108為拉脹型(Auxetic)結構，第二結構110不同於第一結構108，例如蜂巢型(Honeycomb)結構。而且，本實施例的三維部件106還可具有介於第一結構108與第二結構110之間的梯度結構112，換言之，三維部件106的每一層分別為第一結構108、第二結構110、或是梯度結構112。所述梯度結構112是指在結構上依一預定梯度逐漸由第一結構108轉變為第二結構110或者逐漸由第二結構110轉變為第一結構108的中間結構。以第二結構110為蜂巢型結構為例，梯度結構112為梯型結構。

在本實施例中，所謂的「拉脹型結構」若以圖2的端點P ₁₁~P ₃₅與端點間的線條來表示，則需符合下式(1)至式(5)。式(1) 式(2) 式(3) 式(4) 式(5)。

式(1)至式(5)中的i、j、N與M皆為整數。

而且，根據以下條件決定圖2中的各端點P _i,j(x _i, y _j)之間的線條：若為P _i,j↔ P _i,j+1之間的線條，則適用於所有的i和j；若為P _i,j↔ P _i+1,j之間的線條，則適用於i為奇數且j為偶數或者i為偶數且j為奇數。

在圖1中，第一板材102的厚度T1例如三維部件106的壁厚T3的5倍至20倍；第二板材104的厚度T2例如三維部件106的壁厚T3的5倍至20倍。文中的「壁厚」是表示三維部件106中第一結構108以及/或是第二結構110的結構壁的厚度。舉例來說，若是三維部件106的壁厚T3在0.1 mm~10 mm之間，則厚度T1或厚度T2可在0.5 mm~200 mm之間。此外，第一板材102或者第二板材104可各自具有一預定曲度(curvature)，以便根據使用需求製成不同尺寸之板狀、片狀、圓管狀、方型管狀、異型管件、圓實心棒狀、方型實心棒狀等，而含有立體三維部件106於整體三維結構100之中。而且，在本實施例中，第一板材102、第二板材104與三維部件106可以是由3D列印製成的一體化結構。因此，第一板材102、第二板材104與三維部件106的材料可以相同，但本發明並不限於此。在一實施例中，第一板材102的材料例如金屬、高分子材料（如熱塑材、熱固材或彈性體）或複合材料；第二板材104的材料例如金屬、高分子材料（如熱塑材、熱固材或彈性體）或複合材料；三維部件106的材料例如金屬、高分子材料（如熱塑材、熱固材或彈性體）或複合材料。

在本實施例中，三維部件106的週期例如3個至20個，所謂的「週期」是指在三維結構100的厚度方向上重複的結構單元(unit)的數量。以圖1來看，三維部件106中的第一結構108的週期為3個、第二結構110的週期為3個，所以圖1的三維部件106的週期是6個，其中的梯度結構112是由第一結構108轉變為第二結構110的過渡，所以不算在三維部件106的週期內。然而本發明並不限於此，若是以輕量化的觀點來看，第一結構108的週期例如2個至7個；第二結構110的週期例如2個至7個。此外，第一結構108與第二結構110還可交錯排列多層，而所需的結構層排列方式將依產品所受的外力而定，可透過電腦力學模擬方式或實體測試方式決定，並利用3D列印方式進行加工。在本實施例中，三維部件106是由一個第一結構108、一個梯度結構112以及一個第二結構110所構成，但本發明並不限於此。

在另一實施例中，三維部件300可由兩個第一結構108、兩個梯度結構112以及一個第二結構110所構成，且第二結構110是介於兩個第一結構108之間，其中一個梯度結構112介於一個第一結構108與第二結構110之間，另一個梯度結構112介於另一個第一結構108與第二結構110之間，如圖3所示。以圖3來看，三維部件300中的單一第一結構108的週期為3個、第二結構110的週期為3個，所以圖3的三維部件300的週期是9個。

在再一實施例中，三維部件400可由兩個第二結構110、兩個梯度結構112以及一個第一結構108所構成，且第一結構108介於兩個第二結構110之間，其中一個梯度結構112介於一個第二結構110與第一結構108之間，另一個梯度結構112則介於另一個第二結構110與第一結構108之間，如圖4所示。以圖4來看，三維部件400中的第一結構108的週期為5個、單一第二結構110的週期為3個，所以圖4的三維部件400的週期是11個。

以下列舉幾個模擬實驗來驗證本發明的功效，但本發明並不侷限於以下的內容。

模擬條件： w = 3 mm； h = mm； α ₀= -50°, M = 2；壁厚(T3) = 0.3 mm；圓直徑 = 20 mm, 比重為1；速度 = 10000 mm/2sec。

〈模擬比較例一〉

模擬一個如圖5A的全拉脹型結構，其週期為7個。然後，透過電腦力學模擬方式測量受保護物在撞擊歷程中所發生的最大應力，所模擬的受衝擊方向為上至下的厚度方向，而其結果顯示於圖6。

〈模擬比較例二〉

模擬一個如圖5B的全蜂巢型結構，其週期也是7個。然後進行模擬，測量受保護物在撞擊歷程中所發生的最大應力，並將結果顯示於圖6。

從圖6可得到，受全蜂巢型結構的三微結構保護的受保護物在兩邊的受力過大，而受全拉脹型結構的三微結構保護的受保護物則有較為均勻的受力，但仍有改良空間。

〈模擬實驗例一〉

模擬一個如圖7A的三維部件，其上部的蜂巢型結構的週期為3個、下部的拉脹型結構的週期為4個，所模擬的受衝擊方向為上至下的厚度方向，結果顯示於圖8。

〈模擬實驗例二〉

模擬一個如圖7B的三維部件，其上部的拉脹型結構的週期為3個、下部的蜂巢型結構的週期為4個，所模擬的受衝擊方向為上至下的厚度方向，而結果顯示於圖8。

另外，模擬比較例一的結果也顯示於圖8。因此，從圖8可得到，模擬實驗例一和二在受力的均勻度方面都優於模擬比較例一。而且，模擬實驗例二的最大應力(絕對值)最低，所以模擬實驗例二的結構較佳。

〈模擬實驗例三〉

模擬一個如圖9A的三維部件，其上部與下部的拉脹型結構的週期為2個、中間的蜂巢型結構的週期為3個，所模擬的受衝擊方向為上至下的厚度方向，而結果顯示於圖10。

〈模擬實驗例四〉

模擬一個如圖9B的三維部件，其上部與下部的蜂巢型結構的週期為2個、中間的拉脹型結構的週期為3個，所模擬的受衝擊方向為上至下的厚度方向，而結果顯示於圖10。

另外，模擬實驗例二的結果也顯示於圖10。因此，從圖10可得到，模擬實驗例三和四的受力模式較接近。

〈模擬實驗例五〉

模擬一個如圖11A的三維部件，其上部的拉脹型結構的週期為4個、下部的蜂巢型結構的週期為3個，所模擬的受衝擊方向為上至下的厚度方向，而結果顯示於圖12。

〈模擬實驗例六〉

模擬一個如圖11B的三維部件，其上部的拉脹型結構的週期為5個、下部的蜂巢型結構的週期為2個，所模擬的受衝擊方向為上至下的厚度方向，而結果顯示於圖12。

另外，模擬實驗例二的結果也顯示於圖12。因此，從圖12可得到，以最大應力值來看，模擬實驗例五的結果最好；如以力量均勻性而言，模擬實驗例六的結果最好。

綜上所述，本發明藉由混合拉脹型結構與另一種不同結構型態所混合而成的三維部件，能達到結構輕量化且可避免受外力撞擊時減少應力集中現象的三維結構。而且，本發明的三維結構與傳統只有單一種結構型態(如蜂巢型)的三維結構相比，能減重20%~50%，耐衝擊性可提升40%，還能達到保護的功能。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧三維結構

102‧‧‧第一板材

104‧‧‧第二板材

106、300、400‧‧‧三維部件

108‧‧‧第一結構

110‧‧‧第二結構

112‧‧‧梯度結構

T1、T2‧‧‧厚度

T3‧‧‧壁厚

P ₁₁~P ₃₅‧‧‧端點

圖1是依照本發明一實施例的一種三維結構之剖面示意圖。圖2是拉脹型結構的線條示意圖。圖3是依照本發明另一實施例的一種三維結構之剖面示意圖。圖4是依照本發明再一實施例的一種三維結構之剖面示意圖。圖5A是模擬比較例一的全拉脹型結構示意圖。圖5B是模擬比較例二的全蜂巢型結構示意圖。圖6是模擬比較例一和模擬比較例二的應力曲線圖。圖7A是模擬實驗例一的三維部件示意圖。圖7B是模擬實驗例二的三維部件示意圖。圖8是模擬比較例一、模擬實驗例一和模擬實驗例二的應力曲線圖。圖9A是模擬實驗例三的三維部件示意圖。圖9B是模擬實驗例四的三維部件示意圖。圖10是模擬實驗例二至四的應力曲線圖。圖11A是模擬實驗例五的三維部件示意圖。圖11B是模擬實驗例六的三維部件示意圖。圖12是模擬實驗例二、模擬實驗例五和模擬實驗例六的應力曲線圖。

Claims

一種三維結構，包括：第一板材；以及三維部件，位於該第一板材上，其中該三維部件包括：至少一第一結構，該第一結構為拉脹型(Auxetic)結構；至少一第二結構，該第二結構不同於該第一結構，且該至少第一結構與該至少第二結構沿該第一板材的一厚度方向逐層設置在該第一板材上；以及梯度結構，介於該第一結構與該第二結構之間，所述梯度結構為結構上依一預定梯度逐漸由該第一結構轉變為該第二結構或者逐漸由該第二結構轉變為該第一結構的中間結構。
如申請專利範圍第1項所述的三維結構，其中該第二結構為蜂巢型(Honeycomb)結構。
如申請專利範圍第1項所述的三維結構，其中該三維部件的壁厚在0.1mm~10mm之間。
如申請專利範圍第1項所述的三維結構，其中該第一板材的厚度為該三維部件的壁厚的5倍至20倍。
如申請專利範圍第1項所述的三維結構，其中該三維部件的週期為3個至20個。
如申請專利範圍第5項所述的三維結構，其中該三維部件中的該第一結構的週期為2個至7個。
如申請專利範圍第5項所述的三維結構，其中該三維部件中的該第二結構的週期為2個至7個。
如申請專利範圍第1項所述的三維結構，其中該三維部件是由一個所述第一結構、一個所述梯度結構以及一個所述第二結構所構成。
如申請專利範圍第1項所述的三維結構，其中該三維部件是由兩個所述第一結構、兩個所述梯度結構以及一個所述第二結構所構成，且所述第二結構介於兩個所述第一結構之間，一個所述梯度結構介於一個所述第一結構與所述第二結構之間，另一個所述梯度結構介於另一個所述第一結構與所述第二結構之間。
如申請專利範圍第1項所述的三維結構，其中該三維部件是由一個所述第一結構、兩個所述梯度結構以及兩個所述第二結構所構成，且所述第一結構介於兩個所述第二結構之間，一個所述梯度結構介於一個所述第二結構與所述第一結構之間，另一個所述梯度結構介於另一個所述第二結構與所述第一結構之間。
如申請專利範圍第1項所述的三維結構，其中該第一板材具有一預定曲度。
如申請專利範圍第1項所述的三維結構，其中該第一板材與該三維部件的材料包括金屬、高分子材料或複合材料。
如申請專利範圍第12項所述的三維結構，其中該高分子材料包括熱塑材、熱固材或彈性體。
如申請專利範圍第1項所述的三維結構，其中該第一板材與該三維部件是由3D列印製成的一體化結構。
如申請專利範圍第1項所述的三維結構，更包括第二板材，且該三維部件係介於該第二板材與該第一板材之間。
如申請專利範圍第15項所述的三維結構，其中該第二板材的厚度為該三維部件的厚度的5倍至20倍。
如申請專利範圍第15項所述的三維結構，其中該第二板材具有一預定曲度。