TWI757188B - 三維異形蜂巢骨架支撐結構、其製造方法與應用 - Google Patents

Abstract

一種三維異形蜂巢骨架支撐結構，其至少局部區域包含多個如下列四種基本單元中的至少一種堆積形成的一支撐結構：第一基本單元：正截角八面體；第二基本單元：正小斜方截半多面體；第三基本單元：正大斜方截半多面體；第四基本單元：截半立方體；該第一基本單元、二、三分別為空心支架結構；本發明透過單元堆積的方式使結構得到非均一性的密度，提供結構可調整的剛性，使用骨架方式作為支撐能大幅減輕結構重量，減省材料。本技術使用不同立體單元進行組合堆疊，使結構展現機械性質之差異，滿足不同的複材性質需求。

Description

三維異形蜂巢骨架支撐結構、其製造方法與應用

一種蜂巢結構，特別是一種以異形單元骨架堆積之三維蜂巢結構。

蜂巢狀結構擁有好的支撐強度，作為核心材是一常見的支撐結構。通常應用於三明治複合結構上，三明治複合結構擁有輕量化、阻尼減震性佳、破損安全性高、隔音效果好等優點，已經廣泛地被應用在建築、航太、工業工程中。

傳統的三明治複合結構是在上下兩層將材料以薄殼型式包覆夾層的蜂巢狀核心材(蕊心材)，中央的核心結構則是讓材料以正六面體以六角柱的方式緊密堆積，形成一高比強度、高比模量，意即「輕質高強」之複合材料。

然而，雖然三明治複合結構具有前述的優勢，但依然有其結構承載上的缺陷，舉例而言，蜂巢狀結構核心材的正六面體堆積結構，倘若遭受非垂直平面之應力，可能會因為剪力破壞造成材料損毀，產生可受力的異向性。傳統六面體蜂巢結構孔洞部分與上下疊層板接觸面積不足，介面接合力會受到影響。

另一方面，傳統蜂巢核心材採垂直排列成型，對於曲面的成型則通過削減成型的“減法製程”，而非改變傾斜排列以使蜂巢受到垂直受力，導致曲面受力相對薄弱。

為了改善既有的正六面體堆積的蜂巢狀支撐結構在非垂直平面應力承受不足，以及針對曲面或弧面區域受力相對薄弱的種種問題，本發明提供一種三維異形蜂巢骨架支撐結構，其至少局部區域包含多個如下列四種基本單元中的至少一種堆積形成的一支撐結構：第一基本單元：正截角八面體；第二基本單元：正小斜方截半多面體；第三基本單元：正大斜方截半多面體；第四基本單元；截半立方體；其中：該第一、二、三、四基本單元分別為空心支架結構或空心封閉結構。

其中，四種該基本單元間以簡單立方堆積或密鋪堆積形成該支撐結構。

其中，相鄰的任二個該基本單元中，各該基本單元產生漸進厚度的壁厚，使相鄰的二該基本單元堆疊形成一傾斜角度。

進一步地，本發明提供前述三維異形蜂巢骨架支撐結構的製造方法，其步驟包含：步驟一：提供一待製造物件；步驟二：分析該待製造物件受力情形，並至少取得該製造物件一受力資訊，該受力資訊包含三維受力方向與受力強度資訊；步驟三：依據該三維受力資訊排列多個如請求項1或2所述之四種基本單元。

其中：該待製造物件至少包含一曲面區域，並且在該曲面區域相鄰的任二個該基本單元中，各該基本單元產生漸進厚度的壁厚，使相鄰的二該基本單元堆疊形成一傾斜角度。

其中：利用該支撐結構模擬體以減法或加法製造該三維異形蜂巢骨架支撐結構。

本發明前述該三維異形蜂巢骨架支撐結構可以應用於機械手臂與三明治板等相關用途。

藉由上述說明可知，本發明具有以下有益功效與優異效果：本發明以蜂巢狀結構作為基底延伸，開發異形蜂巢堆積結構，有別以往的平面(2.5D)結構，此結構具備以下幾項優點：(1)改善傳統蜂巢受力異向性之問題，也就是單一方向能夠承受力量強，但側向或其它方向相對受力能力弱，(2)透過單元堆積的方式使結構得到非均一性的密度，提供結構可調整的剛性，(3)使用骨架方式作為支撐能大幅減輕結構重量，減省材料。透過使用不同立體單元進行組合堆疊，使結構展現機械性質之差異，滿足不同的複材性質需求。

本發明使用正多面體/球型等對稱堆積單元的方式，可以改善蜂巢六角柱側面強度不足之問題。本發明進一步以CAE軟體進行單元分析的結果，為位移的極值和受兩方向力之位移比值(異向性)，由結果可看出TO基本單元之受力異向性優於傳統蜂巢結構之0度平面，可以看出異形蜂巢有效改善傳統蜂巢受力異向性之問題。堆積單元可以根據使用者需求替換成空心結構(骨架)，節省更多的材料，提供更高的單位重量強度比。

另一方面，本發明通過漸進式改變蜂巢壁厚，使單個蜂巢間產生可調之縫隙間距，排列組合成型，可以達到不規則型曲面支撐之效果。對比切削傳統蜂巢之曲面成型，可改善非垂直受力造成之受壓破壞的程度。且在製造上，根據使用者的需求，更換列印材料或堆積單元形狀，達成可調整剛性之目的。三維列印屬於加法製程，可以達成複雜的結構構型(ex：密度可調式結構)，同 時也減少傳統減法製程材料端的浪費。

TO:第一基本單元

Rh:第二基本單元

TC:第三基本單元

Cu:第四基本單元

H:中心孔洞

S:夾隙

W:側壁

ρ:體積密度

本發明將以示例性實施例的方式進一步說明，這些示例性實施例將通過附圖進行詳細描述。這些實施例並非限制性的，在這些實施例中，相同的編號表示相同的結構，其中：圖1a~1d為本發明第一、二、三、四基本單元的示意圖。

圖2為本發明該第一、二、三基本單元不同體積密度的示意圖。

圖3a~3c為本發明利用該第一、二、三基本單元不同體積密度並進行簡單立方堆積示意圖。

圖4a~4c為本發明利用該第一、二、三、四基本單元不同體積密度並進行密鋪堆積示意圖。

圖5為本發明形成漸進夾隙示意圖與該側壁局部剖面示意圖。

圖6為本發明製造方法步驟流程圖。

圖7為本發明應用於三明治板示意圖。

為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單的介紹。顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些示例或實施例，對於本領域的普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖將本發明應用於其它類似情景。除非從語言環境中顯而易見或另做說明，圖中相同標號代表相同結構或操作。

應當理解，本文使用的“系統”、“裝置”、“單元”和/或“模組”是用於區分不同級別的不同組件、元件、部件、部分或裝配的一種方法。然而，如果其他詞語可實現相同的目的，則可通過其他表達來替換所述詞語。

如本發明和請求項書中所示，除非上下文明確提示例外情形，“一”、“一個”、“一種”和/或“該”等詞並非特指單數，也可包括複數。一般說來，術語“包括”與“包含”僅提示包括已明確標識的步驟和元素，而這些步驟和元素不構成一個排它性的羅列，方法或者設備也可能包含其它的步驟或元素。

本發明中使用了流程圖用來說明根據本發明的實施例的系統所執行的操作。應當理解的是，前面或後面操作不一定按照順序來精確地執行。相反，可以按照倒序或同時處理各個步驟。同時，也可以將其他操作添加到這些過程中，或從這些過程移除某一步或數步操作。

本發明一種三維異形蜂巢骨架支撐結構，其至少局部區域包含多個如下列四種基本單元中的至少一種堆積形成的一支撐結構，四種該基本單元如圖1a~1d，其中：第一基本單元：正截角八面體TO(Truncated Octahedron)；第二基本單元：正小斜方截半多面體Rh(Rhombicuboctahedron)；第三基本單元：正大斜方截半多面體TC(Truncated Cuboctahedron)；第四基本單元：截半立方體Cu(Cuboctahedron)。

該第一、二、三、四基本單元TO、Rh、TC、Cu分別為空心支架結構(或稱空心框架結構)或是空心封閉結構。其中，所謂空心支架結構為每一基本單元的各面形成一中心孔洞H，該中心孔洞H的形狀隨著各面的形狀各異，而各面體內部空心，即所謂之空心支架結構。而所謂空心封閉結構為每一基本單元的各面為封閉，不包含該中心空洞H，但仍保持各面體內部空心，即所謂空心 封閉結構。透過開孔、閉孔的各該基本單元搭配，可以依據支撐結構的需求局部或全部達到隔音、防水、強化的效果。

本發明所提供的該第一、二、三、四基本單元TO、Rh、TC、Cu的各面該中心孔洞H大小可隨意，使該第一、二、三、四基本單元TO、Rh、TC、Cu在空間中所佔據的體積密度(ρ)變化。如圖2所示，舉例該第一、二、三基本單元TO、Rh、TC的該中心孔洞H的大小差異達到不同體積密度差異的效果。

進一步地，為了形成該三維異形蜂巢骨架支撐結構，本發明利用前述該第一、二、三、四基本單元TO、Rh、TC、Cu間以簡單立方堆積或密鋪堆積形成該支撐結構。

所謂的簡單立方堆積(SC)：在空間中定義互相垂直之x、y、z三軸，並將單元沿x、y、z三軸延伸。該第一、二、三、四基本單元TO、Rh、TC、Cu分別各自以簡單立方堆積方式排列結構體如圖3a(TO)、3b(Rh)與3c(TC)所示。且也可利用具有不同體積密度的該第一、二、三、四基本單元TO、Rh、TC、Cu堆積達到不同支撐結構的效果。

所謂的密鋪堆積(Tessellation)：該第一、二、三、四基本單元TO、Rh、TC、Cu能在空間中以相同或不同的單元規則性地進行堆疊，有效地填滿三維空間，意即在SC排列中的空隙位置額外插入相同或不同的該第一、二、三、四基本單元TO、Rh、TC、Cu，形成密鋪堆積的結構。透過替換不同相對密度的單元或是藉由替換不同單元間的組合排列改變結構特性，使結構局部強化或局部弱化，形成密度非均一的功能性梯度結構(Functional Graded Material，FGM)。

該第一、二、三、四基本單元TO、Rh、TC、Cu皆可以透過在簡單立方堆積中的空隙處填入另一層單元進而達成空間的密鋪堆積效果。例如，密鋪堆積的其一較佳實施例如圖4a所示，利用該第一基本單元TO可在空隙處規 則填入另一相同尺寸的該第一基本單元TO形成交錯(ABABAB...)密鋪堆積的效果。

另一較佳實施例如圖4b可以是利用該第二基本單元Rh透過外加該第四基本單元Cu達成交錯(ABABAB...)密鋪堆積的效果。

第三較佳實施例如圖4c所示，利用該第三基本單元TC於空隙處外加該第一基本單元TO達成密鋪效果。本發明實施例列舉了使用兩種相同或相異的基本單元逐層交錯(ABABAB...)進行密鋪堆積的方式，唯也能透過新增他種異形蜂巢單元形成更多種的單元排列，將異形蜂巢結構的高自由度應用在複雜外型的物件上，皆屬於本發明所保護的範圍。進一步地，本發明利用該些基本單元進行堆積時，可針對結構表面部分進行有目的性的排列，使結構表面平整，即無須額外貼附表面材或底材即能作為三明治支撐結構。

進一步地，本發明也針對所欲形成的該三維異形蜂巢骨架支撐結構中所包含的曲面或弧面部分進行結構與受力強化的設計。在實際實施的方法，主要是在曲面或弧面的區域，將相鄰的任意二個該基本單元中，各該基本單元產生漸進厚度的壁厚，使相鄰的二該基本單元堆疊形成一傾斜角度。詳細而言，如圖5所示，為了示意上的方面，圖5僅將該基本單元顯示相鄰接的各面部分，其餘部分則省略未示，各該基本單元的一側壁W設計為具有漸進之厚度(如圖上於該側壁W朝A-A’方向局部剖面圖，該側壁W具有自上至下逐步增厚的結構)，如此重複的單元排列後，相鄰的各基本單元間會形成一夾隙S，再通過並列組合使各基本單元緊密堆疊，如此即可使所有該基本單元堆疊為曲面或弧面結構(如圖5下側圖式)。較佳地，各基本單元間根據曲面弧度所成之角度不同而形成不同間距(相異基本單元之外壁間間距)的遞進式傾斜壁厚，如此能夠達到不同的彎曲程度與受力強度效果。

接著，請參考圖6，本發明進一步提供前述三維異形蜂巢骨架支撐結構的製造方法，其步驟包含：步驟一S1：提供一待製造物件；步驟二S2：分析該待製造物件受力情形，並至少取得該製造物件一三維受力資訊，該三維受力資訊包含至少朝向該待製造物件平面方向的三維受力方向與強度資訊，所謂三維指該待製造物各面向的受力狀態；步驟三S3：依據該垂直受力資訊排列多如上述四種基本單元中的至少一種堆積形成的一支撐結構模擬體：其中：進一步地，在步驟2與步驟3之間，當該待製造物件至少包含一曲面區域時，在該曲面區域相鄰的任二個該基本單元中，各該基本單元產生漸進厚度的壁厚，使相鄰的二該基本單元堆疊形成一傾斜角度，使位於該曲面區域的該基本單元堆疊與所受外力方向垂直，能夠達到更好的支撐效果。

其中：利用該支撐結構模擬體以減法或加法製造該三維異形蜂巢骨架支撐結構。

所謂的加法製造在本發明中主要指稱三維列印技術(3D printing)，依使用者需求可以選擇BJ(Binder Jetting，黏著劑噴墨成型法)、MJ(Material Jetting，材料噴印成型法)、VP(Liquid VAT Photopolymer，光固化樹脂成型法)、PBF(Powder Bed Fusion，粉末床熔融成型法)、LOM(Laminated Object Manufacturing，薄片疊層成型)、DED(Directed Energy Deposition，指向性能量沉積成型法)、ME(Material Extrusion，材料擠出成型法)任一技術。列印材料可以是高分子，或者金屬、陶瓷、紙張，實際使用材料依使用者機台(列印技術)而定。而所謂的減法加工則可以是利用CNC削切工藝處理。

本發明所提供三維異形蜂巢骨架支撐結構可以應用於機械手臂、三明治板的製造上，並廣泛用於工業、民生、航太、運輸包材等用途。其 中，前述所謂三明治板是外加底板(疊層、面板)於該三維異形蜂巢骨架支撐結構上下，較佳實施例透過積層製造技術，依據使用者需求打造一體成形之三明治結構，省去面板芯材接合步驟及加強結構承受軸向應力之能力，如圖7所示。

此外，除非請求項中明確說明，本發明所述處理元素和序列的順序、數字字母的使用、或其他名稱的使用，並非用於限定本發明流程和方法的順序。儘管上述披露中通過各種示例討論了一些目前認為有用的發明實施例，但應當理解的是，該類細節僅起到說明的目的，附加的請求項並不僅限於披露的實施例，相反，請求項旨在覆蓋所有符合本發明實施例實質和範圍的修正和等價組合。例如，雖然以上所描述的系統組件可以通過硬體設備實現，但是也可以只通過軟體的解決方案得以實現，如在現有的伺服器或移動設備上安裝所描述的系統。

同理，應當注意的是，為了簡化本發明揭露技術的表述，從而幫助對一個或多個發明實施例的理解，前文對本發明實施例的描述中，有時會將多種特徵歸並至一個實施例、附圖或對其的描述中。但是，這種揭露方法並不意味著本發明所欲宣稱的保護對象所需要的特徵比實施例中提及的特徵多。實際上，在不損及本發明功效的情況下，請求項中的特徵可能要少於上述揭露的單個實施例的全部特徵。

一些實施例中使用了描述成分、屬性數量的數字，應當理解的是，此類用於實施例描述的數字，在一些示例中使用了修飾詞“大約”、“近似”或“大體上”來修飾。除非另外說明，“大約”、“近似”或“大體上”表明所述數字允許有±20%的變化。相應地，在一些實施例中，說明書和請求項中使用的數值參數均為近似值，該近似值根據個別實施例所需特點可以發生改變。在一些實施例中，數值參數應考慮規定的有效數位並采用一般位數保留的方法。儘管本發 明一些實施例中用於確認其範圍廣度的數值域和參數為近似值，在具體實施例中，此類數值的設定在可行範圍內盡可能精確。

針對本發明引用的每個專利、專利申請、專利申請公開物和其他材料，如文章、書籍、說明書、出版物、文檔等，特此將其全部內容並入本發明作為參考。與本發明內容不一致或產生衝突的申請歷史文件除外，對本發明請求項最廣範圍有限制的文件(當前或之後附加於本發明中的)也除外。需要說明的是，如果本發明附屬材料中的描述、定義、和/或術語的使用與本發明所述內容有不一致或衝突的地方，以本發明的描述、定義和/或術語的使用為准。

最後，應當理解的是，本發明中所述實施例僅用以說明本發明實施例的原則。其他的變形也可能屬本發明的範圍。因此，作為示例而非限制，本發明實施例的替代配置可視為與本發明的教導一致。相應地，本發明的實施例不僅限於本發明明確介紹和描述的實施例。

TO:第一基本單元

Rh:第二基本單元

TC:第三基本單元

Cu:第四基本單元

Claims (8)

1. 一種三維異形蜂巢骨架支撐結構，其至少局部區域包含多個如下列四種基本單元中的至少一種堆積形成的一支撐結構：第一基本單元：正截角八面體；第二基本單元：正小斜方截半多面體；第三基本單元：正大斜方截半多面體；第四基本單元：截半多面體；其中：該第一、二、三、四基本單元分別為空心支架結構或封閉空心結構。
2. 如請求項1所述之三維異形蜂巢骨架支撐結構，其中：四種該基本單元間以簡單立方堆積或密鋪堆積形成該支撐結構。
3. 如請求項1或2所述之三維異形蜂巢骨架支撐結構，其中：相鄰的任二個該基本單元中，各該基本單元產生漸進厚度的壁厚，使相鄰的二該基本單元堆疊形成一傾斜角度。
4. 一種三維異形蜂巢骨架支撐結構的製造方法，其步驟包含：步驟一：提供一待製造物件；步驟二：分析該待製造物件受力情形，並至少取得該製造物件一受力資訊，該受力資訊包含三維受力方向與受力強度資訊；步驟三：依據該受力資訊排列多個如請求項1或2所述之四種基本單元。
5. 如請求項4所述的三維異形蜂巢骨架支撐結構的製造方法，其中：該待製造物件至少包含一曲面區域，並且在該曲面區域相鄰的任二個該基本單元中，各該基本單元產生漸進厚度的壁厚，使相鄰的二該基本單元堆疊形成一傾斜角度。
6. 如請求項4或5所述的三維異形蜂巢骨架支撐結構的製造方法，其中：所排列之多個基本單元形成一支撐結構模擬體，並利用該支撐結構模擬體以減法或加法製造該三維異形蜂巢骨架支撐結構。
7. 一種機械手臂，其包含：如請求項1或2中任一項所述的三維異形蜂巢骨架支撐結構。
8. 一種三明治板，其包含：兩片基材將如請求項1或2中任一項所述的三維異形蜂巢骨架支撐結構夾置其中。

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