TWI764343B - 仿生物形態之三維積層體 - Google Patents

仿生物形態之三維積層體

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Abstract

本發明係關於一種仿生物形態之三維積層體，包括至少一撓性晶格體，撓性晶格體包含複數個顆粒單體，各該顆粒單體為開放式中空殼體或封閉式中空殼體，並係沿X軸、Y軸、Z軸方向平均配設且分別在同一平面上平均分布成陣列格網狀，在經過堆疊排列並搭配薄板部之配置而形成局部封閉式堆疊結構或全域封閉式堆疊結構，能夠提供更佳的剛性強度以及能量吸收。

Description

仿生物形態之三維積層體
本發明係關於一種三維積層體，特別是有關於一種以積層製造(additive manufacturing)技術來製造出基於模仿特定的生物形態且具有晶格狀結構(lattice structure)，以形成無需支撐結構且可應用於各種緩衝墊或鞋用中底之三維積層體。
一般用於生物醫學，汽車，航天和民用領域的人造承重結構是由鋼鐵、混凝土、或玻璃等材質所構成的緻密固體，而相較於人造承重結構，自然界的天然承重結構雖然重量較輕，但卻也足以適應周圍環境。天然承重結構之所以如此高效和優化之功能性，是因為是以蜂窩狀的晶格結構作為基本的結構發展，這種晶格結構經過長時間的適應發展而發展起來，例如雪松，軟木，骨小樑等，具有復雜而巧妙的形狀和設計。深入研究其結構，可以得出結論，自然經濟與節約材料直接相關。這種天然的晶格結構是非常多孔的，並且具有低的固體體積比例；因而，天然的晶格結構對於輕質結構、包裝、和絕緣之應用具有相當程度的吸引力。
科學家和工程師一直從自然界中汲取靈感，以了解這種晶格結構，並將其複製到人造設計中。然後，對自然界拓撲結構和晶格結構進行了廣泛的研究，以使人造結構根據功能需要在材料和能量方面提高效能，像是一些一維拓撲結構，例如蜘蛛網，儘管重量輕，卻具有很高的承載能力，而蜂巢狀的二維棱柱晶格結構在許多應用中佔據著工程多孔材料的主導地位。另外，諸如骨小樑、軟木、貝殼等之類的結構，也都是最近廣泛複製和分析的三維晶格結構的例子。
這些自然晶格結構可以分為兩種不同的類型：a) 開孔晶格結構、以及b）閉孔晶格結構。舉例來說，軟木、輕木、葉子具有閉孔晶格結構，而骨頭則是具有閉孔晶格結構。開孔結構可以定義為由支點的連接而不是壁的連接構成的結構、或者是通過開放面連接的單元。閉孔結構則是那些表面也很堅固的結構，因此每個單元都與相鄰單元隔離。
閉孔結構的設計可以遵循兩個原理：1)主要的機械性能可以完全由與開孔晶格結構相同的細胞邊緣或表面的性能所決定，而薄的固體膜則封閉了孔的表面； 2)大部分固體位於孔的表面而不是邊緣，因此在這種情況下，孔的表面起著主要的機械性能的作用，而不是如第一種類型中所述的邊緣。
傳統的開孔晶格結構和閉孔晶格結構是通過發泡工藝用陶瓷，金屬，聚合物等材料製造的，而通過任意形式的積層製造工藝進行的增材製造已可以輕鬆製造這些結構。然而，在增材製造過程所製成的晶格結構大多是開孔晶格結構，而非閉孔晶格結構，因為在以增材製造閉孔晶格結構的過程中面臨著支撐結構或支撐材料從封閉結構體內去除的挑戰。眾所周知，在後處理期間不能從閉孔晶格結構中去除支撐材料或支撐結構而不損壞該結構，因此要如何獲得不需要支撐結構的閉孔晶格結構即為當前的一大課題。
有鑑於此，本發明提供一種仿生物形態之三維積層體，通過模仿海膽殼體之型態設計出顆粒單體之結構，並調整結構構成局部封閉式或全域封閉式之不同堆疊結構撓性晶格體。該三維積層體可利用擠壓沉積式三維列印技術而製得，不但消除了對支撐結構的需要，也省去了支撐結構所需的後處理步驟。
具體而言，本發明提供了一種仿生物形態之三維積層體，其係包括由複數個顆粒單體所構成的撓性晶格體、以及薄板部；其中各該顆粒單體為開放式中空殼體，且其每一側表面分別形成有一開口部、環繞各該開口部之周圍的一環狀部以及連接相鄰的該些環狀部的一曲面部；該些開口部為兩兩相對於該顆粒單體之幾何形心對稱配置於該顆粒單體之外殼；各該顆粒單體係以該些環狀部彼此抵靠以排列堆疊，且相鄰之各該顆粒單體的該曲面部係彼此不接觸而形成貫孔部；以及各該顆粒單體係分別沿X軸、Y軸、Z軸方向配設且分別在同一平面上分布成陣列格網狀構成該撓性晶格體，而該薄板部覆蓋於該撓性晶格體的每一側外表面，使該三維積層體的外觀輪廓整體形成一全域封閉式堆疊結構。
又，本發明還可以提供一種仿生物形態之三維積層體，其係包括由複數個顆粒單體所構成的撓性晶格體；其中各該顆粒單體為封閉式中空殼體，且該封閉式中空殼體之每一側表面分別形成一圓盤部以及連接相鄰的該些圓盤部的一曲面部；該圓盤部為兩兩相對於該顆粒單體之幾何形心對稱配置於該顆粒單體之外殼，各該顆粒單體係以該些圓盤部彼此抵靠以排列堆疊，且相鄰之各該顆粒單體的該曲面部係彼此不接觸而形成貫孔部；以及各該顆粒單體係分別沿X軸、Y軸、Z軸方向配設且分別在同一平面上分布成陣列格網狀，使該三維積層體的外觀輪廓整體為表面具有複數個該貫孔部的局部封閉式堆疊結構。
在本發明之一實施例中，各該顆粒單體之殼體厚度介於0.5mm~2.5mm之間。
在本發明之一實施例中，各該顆粒單體具有一相對密度(ø)，該相對密度(ø)為在30%~40%之間。
在本發明之一實施例中，該三維積層體的剛性隨著單位體積內之該些顆粒單體的設置數量增加而提升。
在本發明之一實施例中，該三維積層體的彈性極限隨著單位體積內之該些顆粒單體的設置數量增加而提升。
在本發明之一實施例中，該三維積層體的能量吸收量隨著單位體積內之該些顆粒單體的設置數量增加而提升。
為了對本發明的技術特徵、目的和效果有更加清楚的理解，現對照附圖詳細說明本發明的具體實施方式。有關本發明之詳細說明及技術內容，配合圖式說明如下，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本創作加以限制者；而關於本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之各實施例的詳細說明中，將可清楚呈現，以下實施例所提到的方向用語，例如：「上」、「下」、「左」、「右」、「前」、「後」等，僅是參考附加圖示的方向。因此，使用的方向用語是用來說明，而並非用來限制本創作；再者，在下列各實施例中，相同或相似的元件將採用相同或相似的元件標號。
本發明提供的一種仿生物形態之三維積層體主要有兩個目的如下:
1. 以積層製造(FDM process in additive manufacturing )技術模仿特定生物形態中的開放(非閉合)以及全閉合的細胞構造來製作成無支撐晶格結構。這種方式將消除在積層製造過程中提供的支撐結構。這些晶格結構將會設計出嵌入空間且無需縮回，以使 FDM (Fused filament fabrication)工藝能更加高效、高速和更好的構建品質。
2. 以全域封閉蜂巢晶格結構為基準，比較由非閉合及/或全閉合的細胞構造所排列堆疊形成的一種局部封閉、全域封閉或者開放式的無支撐晶格結構之力學特性關係。
請參閱圖1所示，其分別顯示了細胞組織結構的分類示意圖，在自然界中，細胞組織結構可以看見二維排列結構(蜂窩組織)或者多面體細胞的三維排列結構。所有這些細胞固體都可以被吸收,具有不同的形狀、形狀和細分。圖中顯示的二維蜂窩組織是相對簡單的仿生物形態結構，由填充平面區域的二維多邊形陣列組成，並在蜂窩結構等第三維度中拉伸；因此，第三個維度是相同的並且在第三維度中具有各向異性屬性三維細胞組織是聚面體細胞，它以三維方式填充空間且具有同向或各向異性力學性能。
在一些實施例中，三維網格的物理性質可以通過調整單位晶格的體積、單元尺寸和/或幾何形狀來進行；在一些實施例中，可以通過改變並限制三維網格中之單位晶格的支撐厚度來調整三維網格的物理性質。在一些實施例中，可以通過調整三維網格中單位晶格的密度來調整三維網格的物理性質。可以通過調整以下至少一項來調整單位晶格的密度：單位晶格的尺寸、單位晶格之間的互連程度、以及單位晶格的基本幾何形狀。在一些實施例中，可以通過調整用於形成三維網格的材料來調整其物理性質。
請參考圖2所示，關於本發明所述之晶格結構的仿生物形態設計示意圖，其單位晶格結構的設計是自下而上的，其中海膽或蜜蜂蜂窩的複雜拓撲被轉化為晶格結構設計，其主要目的在於該特殊結構能夠作為能量吸收的應用。此外，具有六個面的單位晶格結構在 X、Y 和 Z 方向上被正好六個晶格包圍並且盡可能緊密地包裝。這種類型的包裝或連接在蜂窩之間沒有剩餘的空隙。因此，這使緊密格的鑲嵌作為一種週期性的排列堆疊類型，並且在所有三個方向上都具有面對面連接。進一步說明，自然細胞結構可分為兩種不同類型：(a) 開放細胞結構 或者 (b) 閉合細胞結構。在自然界中，例如軟木、巴爾薩木材和樹葉具有封閉的細胞結構，而骨骼則具有開放的細胞結構，而閉合細胞結構的設計比開放細胞結構的設計更為複雜。
因而，本發明的三維積層體可以是由多個封閉式或開放式的單位晶格結構(以下稱為顆粒單體)面對面緊密連接而構成，並且在以三維列印製造的過程中，不需要額外使用支撐結構。
請參閱圖3a及圖3b，其為分別顯示本發明之第一實施例中的三維積層體的外觀及剖視結構示意圖。在此實施例中，該三維積層體100為表面完全封閉的全域封閉式堆疊結構，包含有由複數個顆粒單體300所構成的撓性晶格體130、以及設置於該撓性晶格體130每一側表面的薄板部330。
又，請同時參閱圖3C，其為顯示顆粒單體300的結構示意圖。該顆粒單體300為具有特定厚度的開放式中空殼體，該開放式中空殼體具有六個表面，且每一表面分別形成有一開口部301、環繞各該開口部301之周圍的一環狀部324以及連接相鄰的該些環狀部324的一曲面部325，每一該顆粒單體300是以該些環狀部324彼此對應配置，並沿著X軸、Y軸、Z軸排列堆疊而構成該撓性晶格體130；另外，每一該顆粒單體300的該曲面部325係彼此不接觸進而在撓性晶格體130之中形成貫孔部340。
顆粒單體300略呈扁圓形狀且位在不同平面上的各該開口部301分別在X軸、Y軸、Z軸方向兩兩相對於該顆粒單體300之幾何形心對稱配置；較佳地，每一顆粒單體300分別可具有相同的等效直徑L，可容納於邊長為L的虛擬單位晶格900內，如圖3c所示。
根據本發明的技術思想，各該顆粒單體300的殼體厚度為介於0.5mm~2.0mm之間，而各顆粒單體300之等效直徑分別為介於2mm~16mm之間；另外，當將該些各該開口部301的等效孔徑設為R，以及與各該開口部301相鄰之該環狀部324的環帶寬度設為W時，R為在1mm至10mm之間、W為1mm至15mm之間，並且R、W滿足下列關係式：25≧R/W≧0.01。
再者，該薄板部330是設置於該撓性晶格體130的外表面，將位於該撓性晶格體130最外側之該些顆粒單體300的開口部301及貫孔部340覆蓋，使得該撓性晶格體130被框設於該薄板部330所構成的方框中。從表面觀之，該三維積層體的外觀呈現表面無任何孔洞的立方體結構，即為前述的全域封閉式堆疊結構。另外，該撓性晶格體130與該薄板部330較佳為一體成型構成，可利用三維列印技術同時逐層列印該撓性晶格體130與該薄板部330，且不需額外設置支撐結構。
接著，請參閱圖4a及圖4b，其為分別顯示本發明之第二實施例中的三維積層體的外觀及局部剖視結構示意圖。在此實施例中，該三維積層體100’為局部表面封閉的局部封閉式堆疊結構，包含有由複數個顆粒單體400所構成的撓性晶格體130’。
請同時參考圖4c，其為顯示顆粒單體400的結構示意圖。在此實施例中，該顆粒單體400為具有特定厚度的封閉式中空殼體，該封閉式中空殼體具有六個表面，且其每一表面分別形成有一圓盤部401以及分布於該些圓盤部401之間的一曲面部425，而每一該全閉合單體400以該些圓盤部401之一部分或全部彼此對應配置以排列堆疊，並沿著X軸、Y軸、Z軸排列堆疊而構成該撓性晶格體130’，且每一該顆粒單體400的該曲面部425係彼此不接觸進而在該撓性晶格體130’之中形成貫孔部440。補充說明，以幾何結構特性來說，第二實施例中之顆粒單體400相當於在前述第一實施例中之顆粒單體300的該開口部301上覆蓋一薄膜，並且該薄膜係與環狀部324相接，使得該開口部301被該薄膜所密封；因而該薄膜的厚度與顆粒單體300之殼體厚度可以相同或不相同。
另外，在第二實施例中並沒有設置如第一實施例中之薄板部330，因此，從表面觀之，該三維積層體的外觀呈現表面具有多個貫孔部440的立方體結構，即為前述的局部封閉式堆疊結構，但亦可如第一實施例設置薄板部覆蓋貫孔部440以形成全域封閉式堆疊結構。
在上述第二實施例中，該顆粒單體400略呈扁圓形狀且位在不同平面上的各該圓盤部401分別在X軸、Y軸、Z軸方向兩兩相對於該顆粒單體400之幾何形心對稱配置；較佳地，在該局部封閉式堆疊結構中的每一該全閉合單體400可具有相同的等效直徑L，可分別容納於邊長為L的虛擬單位晶格900內，如圖4c所示。如此一來，該局部封閉式堆疊結構在以積層製造時亦不需要增設支撐結構。另外，因顆粒單體400的封閉特性，除了具有較佳的承重能力，也可以將填充劑封裝於殼體內部，藉以改變強度及阻尼特性。該填充劑為粉末、液體、軟質或具黏性的固體、或是壓縮氣體。
此外，根據本發明的技術思想，各該顆粒單體400的該殼體410之殼體厚度為介於0.5mm~2.0mm之間，而各該顆粒單體400之等效直徑分別為介於2mm~16mm之間。
在本發明之其他實施例中，該三維積層體可以透過相連接之顆粒單體以及薄板部的配置應用於鞋用中底結構。三維積層體的幾何、互連和排列可以提供許多不同的選擇，用於根據個人或個人需求組定製中底。例如：以下一個或多個項可針對個人或群體進行定製： (一) 鞋用中底的體積形狀；(二) 定義互連單位與單元的支撐剛度(例如壓縮強度、剪切強度和/或彎曲強度和/或扭轉剛度)；(三) 單位體積的單位數(即單位單元的密度)；(四) 單位與單元之間的互連程度。每個相關參數定義 (一)到(四) 可能因中底的不同區域或部分而異以提供所需的特徵，例如為個人或多人提供緩衝、支撐、穩定性、行走和/或奔跑特性來考量設計。經由三維列印可以將顆粒單體增殖到撓性晶格體中並且逐層地彼此相鄰地連接，在該撓性晶格體中的所有顆粒單體皆以這樣的方式連接，因此當使用者的足部壓力作用在單一的顆粒單體上時，會對相鄰或下層的顆粒單體產生連動影響。
使用本發明之三維積層體可以以短的交貨時間提供客製化的中底， 能夠基於個人腳的寬度和/或長度、重量、步態大小、和用途進行客製化。在一些實施例中，中底可以包括至少兩個具有不同物理特性的區域，例如，不同的單位單元密度，不同的剛度和/或不同的單位單元互連。利用本發明之三維積層體所構成的鞋用中底可以使用不需要後形成處理步驟（諸如切掉中底的不想要的部分）的增材製造方法來形成。 消除形成後的處理步驟有助於提高製造的一致性和可重複性。
本發明之仿生物型態之三維積層體的特性取決於用於製造的材料、結構設計、結構在設計空間中的體現。從設計角度看，仿生物型態之三維基層體是各向同性的，但製造過程和材料可以將材料的性能從各向同性變為各向異性。當在顆粒單體內部使用填料時，取決於填料，其可以具有進一步的變化。這些因素在最終環境中最終材料的實際使用過程中可能會有所不同。
換言之，影響三維積層體結構性能的參數可以是1）材料物理機械性能、2）顆粒單體的幾何性能、3）顆粒單體內部的填充材料4）單元仿生三維空間的實施策略疊層結構。例如，在本發明之實施例中所使用的材料是PLA、增材製造方式是押出成形、填充物是大氣、顆粒單體的形狀是扁球形。
通過增材製造工藝製造的仿生物型態之三維積層體可以填充流體，例如壓縮空氣，漿料，粉末或其他材料，從而具有復合材料的作用。填料可以是重量輕的並且對仿生物型態之三維積層體的外部壁無反應。這帶來了機械屬性，例如它可以通過避免局部彎曲來增強結構的整體剛度，或者可以增強材料的能量吸收能力。
另外，對於這種仿生物型態之三維積層體的應用也可以是生物醫學工業。顆粒單體可以由諸如鈦的生物相容性金屬製成，並且可以填充有重量輕，低模量的物質，該物質也具有生物相容性，例如石墨，氯化鈉或加壓的無毒氣體。這樣可以改善彈性，防止顆粒單體在壓縮過程中彎曲。這種仿生物型態之三維積層體可用於生物醫學植入物或假體的骨或義體。根據顆粒單體的幾何形狀以及顆粒單體壁與顆粒單體內部的體積比，可以在小於1 GPa至大於100 GPa的範圍內獲得彈性剛度值。由於仿生物型態之三維積層體具有很高的剛度，這是生物醫學植入物非常需要的。像這樣設計三維積層體，可以均勻地傳遞應力並避免了應力集中區域。眾所周知，應力屏蔽對天然骨的再生及其與假體的結合有不利影響。
基於上述各實施例所述之堆疊結構，其中該撓性晶格體的層數可以設計為2層或以上，配設於不同層中的該些顆粒單體之等效直徑係為相同或不相同。
根據本發明一實施例，第一實施例中之顆粒單體300以及第二實施例中之顆粒單體400的內徑R1及外徑R2會直接影響整體堆疊結構的剛性強度。因此，在顆粒單體設計上須考量一相對密度(ø)，該相對密度率(ø)係定義為以下方程式: ø＝ (1﹣
Figure 02_image001
) x 100%
上述方程式說明了顆粒單體(300,400)之整體在虛擬單位晶格900中的所佔據空間體積的縮減比率，其中各該顆粒單體的該相對密度(ø)係介於10%~80%之間；較佳地，該相對密度(ø)係介於20%~60%之間；更佳地，該相對密度ø)係介於30%~40%之間。
上述各種三維堆疊結構的製作主要通過三維列印技術積層製造而成，例如：使用熔融沈積成型(fused deposition modeling)、光聚合固化技術(Vat photo polymerization)、選擇性雷射燒結(selective laser sintering，SLS)等技術。具有顆粒單體(300, 400)之格狀結構的三維堆疊結構可以在沒有任何支撐結構的情況下進行三維列印，這可以使得積層製造過程更有效和更快速，因為列印時間和加工時間可以大大減少。此外，這對於材料和能量方面也是有好處的，因為沒有支撐結構，因此能量和材料消耗較少。
當在使用期間施加壓縮力或剪切力時，顆粒單體(300,400)的結構將會彎曲。這種連續結構可由具有彈性和/或黏彈性質的任何材料製成，用於緩衝或能量的吸收及釋放，例如聚乳酸(PLA)、聚氨酯(TPU)、乙烯醋酸乙烯酯共聚物(EVA)、尼龍11(Nylon 11)或者熱塑性塑膠等等及其組合中之任一種，但不依此為限。其適用於高性能運動鞋，例如，跑步鞋或健身鞋。這種結構可以有其他應用，其應用於需要緩衝的情況下，因為本發明所述之撓性晶格體中的各種堆疊結構在能量吸收和釋放方面是高度穩定的。再者，根據本發明的技術思想，該些顆粒單體(300,400)的尺寸大小取決美觀、使用者足部壓力和積層製造能力，。又，若是以選擇性雷射燒結的方式來進行三維列印成形時，粉末材料的粒徑分布大小也是考量的參數之一。
接著，以下針對不同型態的三維積層體進行機械性質分析。
測試用的樣品A至H如圖5所示，圖6則為樣品A至H的剖面結構示意圖。樣品A至H是使用直徑為1.75mm的PLA線材以3D列印所製成(供應商：Mastech machine co. ltd型號：Flashforge Beaver 3)，列印過程未額外設置支撐結構，並且在列印完成後不需要後處理。列印參數如下表1所示。
表1
 列印參數 數值
 噴嘴直徑 (mm) 0.4
 噴嘴溫度 (°C) 205
成型台溫度 (°C) 60
 列印層厚度 (mm) 0.15
填充密度(%) 100
 列印速度 (mm/min) 3500
各樣品的尺寸資料如下表2所示，樣品A至H的體積分別約為32mm×32mm×32 mm，其中樣品A及樣品E是採用如第一實施例中所示的顆粒單體300，不同尺寸的顆粒單體300分別以4×4矩陣形式排列、及3×3矩陣形式排列構成開放式堆疊結構；樣品B及樣品F是採用如第二實施例所示的顆粒單體400，不同尺寸的顆粒單體400分別以4×4矩陣形式排列、及3×3矩陣形式排列構成局部封閉式堆疊結構；樣品C及樣品G是採用如第一實施例中所示的顆粒單體300，不同尺寸的顆粒單體300分別以4×4矩陣形式排列及3×3矩陣形式排列而形成撓性晶格體，並且在撓性晶格體的外表面框設有薄板部330以構成全域封閉式堆疊結構；以及樣品D及樣品H是採用習知的蜂巢狀開孔顆粒單體，不同尺寸的蜂巢狀開孔顆粒單體分別以5×5矩陣形式排列、及4×4矩陣形式排列，並且在撓性晶格體的外表面框設有薄板部以構成全域封閉式堆疊結構。
各個樣品的相對密度ϕ 是基於以下公式計算而得： ø＝ (1﹣
Figure 02_image003
) x 100%
表2
樣品 顆粒單體等效直徑 (mm) 顆粒單體數量 積層結構體 (mm) 顆粒單體殼體厚度 (mm) 薄板部厚度 (mm)
Figure 02_image005
)
A (Open cell 8) 8·8·8 4·4·4 32·32·32 1.2 _ 32.7
B (Local closed cell 8) 8·8·8 4·4·4 32·32·32 0.6 0.6 32.3
C (Global closed cell 8) 8·8·8 4·4·4 32·32·32 0.66 0.6 32.3
D (Honeycomb 8) Φ 8 (邊長) 5·5·5 32·32·32 0.6 0.6 32.0
E (Open cell 10.7) 10.7·10.7·10.7 3·3·3 32.1·32.1·32.1 1.59 _ 32.3
F (Local closed cell10.7) 10.7·10.7·10.7 3·3·3 32.1·32.1·32.1 1.16 0.6 32.3
G (Global closed cell10.7) 10.7·10.7·10.7 3·3·3 32.1·32.1·32.1 0.84 0.6 32.1
H (Honeycomb) Φ 11 (邊長) 4·4·4 32·32·32 0.9 0.6 31.7
接著，針對樣品1至8進行壓縮性測試(Compression test)。使用MTS 810材料測試系統，以5mm/min的位移速度施加負載於樣品上直到位移量達到高度的40%，所有樣品的加載方向均與列印方向垂直。記錄樣品在不同負荷時的位移量，進而換算出獲得各樣品的剛性，然後再基於以下公式換算出應力與應變的關係、以及能量吸收能力：
Figure 02_image007
Figure 02_image009
Figure 02_image011
Figure 02_image013
在上式中，σN,c 是標稱壓縮應力、Pc 是壓縮負載、A0,eq 是樣品的等效橫截面面積、εN,c 是標稱壓縮應變、uc 以公釐為單位的壓縮位移、h0 是樣品的初始高度、Wc 是每單位體積的能量吸收。
將各個樣品之應力與應變的關係繪製成圖7，在圖7中可觀察到三個主要的變形狀態：1）近似線性的彈性狀態(Linear Elastic Regime)； 2）具有多個失效塌陷區域的平穩狀態(Plateau Regime)； 3）負載響應急劇上升的緻密化狀態(Densification)。觀察到的所有三維積層體的壓縮響應類似於聚合物格結構和泡沫。
所有樣品的應力-應變曲線均以線性彈性形式開始，直到點1為止。點1之應力數值即為樣品的彈性極限(elastic limit)；在點1之後，晶格結構開始顯示永久塑性變形並開始出現局部晶格結構屈曲，並且曲線進入非線性狀態，該非線性狀態是表示平穩狀態，在該狀態下觀察到應力突然降低，直到出現點2。該平穩狀態是永久塑性變形，其係由於屈曲而使晶格結構崩潰而發生。幾乎所有的晶格結構在點2後都顯示出強度的恢復，這是應力突然下降後的平穩狀態的結束。力從樣品表面傳遞到內部層結構，應力下降突然穩定下來。隨後，樣品內部的所有層結構都從點2伴隨應力增加開始逐漸屈曲，這也是平穩狀態的結束和緻密化的開始。
爾後，樣品的所有層結構都塌陷並開始表現為固體結構，顯示出樣品的緻密化狀態。樣品A、樣品B、樣品E、及樣品F顯示出緻密化狀態中應變的增加趨勢，確切的緻密化應變可能超過40%的變形量。而樣品C、樣品D、樣品G、及樣品H都在點2之後則是顯示局部緻密化，直到點3後超過40%的應變（當所有層塌陷時）顯示出確切的緻密化應變。
另外，將樣品A至H的剛度、彈性極限、能量吸收分別記錄於表3中。
表3
樣品 剛度(N/mm) 彈性極限 (MPa) 能量吸收(Wc (MJ/m3 )
A (Open cell 8) 7059 21.1 6.8
B (Local closed cell 8) 9351 28.2 10.0
C (Global closed cell 8) 9716 29.3 9.0
D (Honeycomb 8) 5043 15.4 4.0
E (Open cell 10.7) 5739 17.2 4.8
F (Local closed cell10.7) 8743 26.2 7.1
G (Global closed cell10.7) 7940 24.0 7.4
H (Honeycomb) 4770 14.5 2.9
根據上述所表3所示之結果，從顆粒單體結構來看，樣品A至C、及樣品E至G的剛度、彈性極限、及能量吸收皆明顯高於樣品D及樣品H，顯示仿照海膽殼體之型態所設計出的顆粒單體在機械性質上明顯優於習知仿照蜂巢型態的顆粒單體。另外，樣品B、及樣品F的剛度、彈性極限、及能量吸收皆明顯高於樣品A及樣品E，顯示外觀呈現封閉式中空殼體的顆粒單體在機械性質上明顯優於外觀呈現開放式中空殼體的顆粒單體，具有較佳的承重能力。
接著，從三維積層體來看，樣品B、C、F、G的剛度、彈性極限、及能量吸收皆高於樣品A及樣品E，顯示本發明之呈現全域封閉式堆疊結構和局部封閉式堆疊結構的三維積層體在機械性質上明顯優於呈現開放式堆疊結構的三維積層體。另外，在相同顆粒單體結構的三維積層體中也可以觀察到，在相同密度下，由尺寸較小的顆粒單體所構成的三維積層體(即，單位體積內含有較多的顆粒單體)具有較高的剛度、彈性極限、及能量吸收，顯示出更好的機械性質。
綜上所述，本發明所提供的一種基於仿生物形態之三維積層體是構通過模仿生物型態所設計出外觀呈現開放式或封閉式中空殼體之顆粒單體，在經過堆疊排列並搭配薄板部而形成局部封閉式以及全域封閉式之不同的堆疊結構，能夠提供更佳的剛性強度以及能量吸收。再者，三維積層體中的撓性晶格體可由固定尺寸的顆粒單體或是複數種不同尺寸的顆粒單體構成，而且因此能夠隨使用者需要進行設計搭配，不同尺寸和形狀的顆粒單體可以分佈在三維積層體的設計空間中。經由積層製造三維列印所形成的三維堆疊結構可以直接應用於鞋用中底，能夠省略移除支撐結構的後處理步驟。這種無支持的堆疊結構可以在中底增殖，而且該在三維列印的過程中不需要額外使用支撐結構，因此能夠提高生產效率。另外也可以用作振動的緩衝或阻尼，應用於在生物醫學、汽車業、航空航天業等中需要輕質、阻尼、彈性的材料。
上面結合附圖對本發明的實施例進行了描述，但是本發明並不局限於上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨和申請專利範圍所保護的範圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬於本發明的保護之內。
100、100’:三維積層體 130:撓性晶格體 300、400:顆粒單體 340、440:貫孔部 330:薄板部 324:環狀部 325、425:曲面部 401:圓盤部 900:虛擬單位晶格
圖1係顯示自然界細胞組織結構的分類示意圖。 圖2係顯示基於本發明之單位晶格結構的仿生物形態設計示意圖。 圖3a係顯示本發明之第一實施例中之三維積層體的外觀示意圖。 圖3b係顯示本發明之第一實施例中之三維積層體的剖面結構示意圖。 圖3c係顯示本發明之第一實施例中之顆粒單體的結構示意圖。 圖4a係顯示本發明之第二實施例中之三維積層體的外觀示意圖。 圖4b係顯示本發明之第二實施例中之三維積層體的剖面結構示意圖。 圖4c係顯示本發明之第二實施例中之顆粒單體的結構示意圖。 圖5係顯示本發明之機械性質分析中樣品A至H的外觀示意圖。 圖6係顯示本發明之械性質分析中樣品A至H的剖面結構示意圖。 圖7係顯示本發明之械性質分析中樣品A至H的應力-應變關係曲線圖。
100:三維積層體
130:撓性晶格體
300:顆粒單體
330:薄板部
340:貫孔部

Claims (10)

  1. 一種仿生物形態之三維積層體，其係包括撓性晶格體、以及薄板部；其中該撓性晶格體是由複數個顆粒單體分別沿X軸、Y軸、Z軸方向配設且分別在同一平面上分布成陣列格網狀所構成；各該顆粒單體為開放式中空殼體，且其每一側表面分別形成有一開口部、環繞各該開口部之周圍的一環狀部以及連接相鄰的該些環狀部的一曲面部；該些開口部為基於該顆粒單體之幾何形心對稱配置於該顆粒單體之外殼；各該顆粒單體係藉由該些環狀部彼此抵靠，且相鄰之各該顆粒單體的該曲面部係彼此不接觸而在該撓性晶格體中形成貫孔部；以及該薄板部覆蓋於該撓性晶格體的每一側外表面，而形成表面完全封閉的三維積層體。
  2. 如請求項1所記載之基於仿生物形態之鞋用中底結構，其中每一顆粒單體之該開口部的等效孔徑(R)以及與各該開口部相鄰之該環狀部的一環帶寬度(W)滿足下列之關係式：25≧R/W≧0.01。
  3. 一種仿生物形態之三維積層體，其係包括由複數個顆粒單體所構成的撓性晶格體；其中各該顆粒單體為封閉式中空殼體，且該封閉式中空殼體之每一側表面分別形成一圓盤部以及連接相鄰的該些圓盤部的一曲面部；該圓盤部為基於該顆粒單體之幾何形心對稱配置於該顆粒單體之外殼，各該顆粒單體係以該些圓盤部彼此抵靠以排列堆疊，且相鄰之各該顆粒單體的該曲面部係彼此不接觸而在該撓性晶格體中形成貫孔部；以及各該顆粒單體係分別沿X軸、Y軸、Z軸方向配設且分別在同一平面上分布成陣列格網狀，而形成局部表面封閉的三維積層體。
  4. 如請求項3所記載之仿生物形態之三維積層體，其係進一步包含有薄板部，該薄板部係框設於該撓性晶格體每一側表面，而形成表面完全封閉的三維積層體。
  5. 如請求項1至4中任一項所記載之仿生物形態之三維積層體，其中各該顆粒單體之殼體厚度介於0.5mm~2.5mm之間，以及各該顆粒單體之等效直徑分別為介於2mm~16mm之間。
  6. 如請求項1至4中任一項所記載之仿生物形態之三維積層體，其中各該顆粒單體具有一相對密度(ø)，該相對密度(ø)為在10%~80%之間。
  7. 如請求項1至4中任一項所記載之仿生物形態之三維積層體，其中該三維積層體的剛性隨著單位體積內之該些顆粒單體的設置數量增加而提升。
  8. 如請求項1至4中任一項所記載之仿生物形態之三維積層體，其中該三維積層體的彈性極限隨著單位體積內之該些顆粒單體的設置數量增加而提升。
  9. 如請求項1至4中任一項所記載之仿生物形態之三維積層體，其該三維積層體的能量吸收量隨著單位體積內之該些顆粒單體的設置數量增加而提升。
  10. 如請求項1至4中任一項所記載之仿生物形態之三維積層體，其係用於作為鞋用中底的一部份結構。
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