TWI805305B - 功能性互嵌式結構及其晶格結構 - Google Patents

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Abstract

本發明揭露一種由金屬結晶結構所啟發的邊緣對邊緣連接的功能性互嵌式結構及其三維晶格結構。三維晶格結構包括複數個基本單元晶格單體，複數個基本單元晶格單體彼此堆疊連接而形成三維晶格結構，每個基本單元晶格單體的表面在多個彼此於基本單元晶格單體的中心相交的軸向上設置平連接部，每個基本單元晶格單體的連接部與鄰接的基本單元晶格單體的連接部連接而形成邊緣對邊緣(edge-to-edge)的連接結構。功能性互嵌式結構包括複數個三維晶格結構相互堆疊嵌合而形成一三維堆疊結構。三維晶格結構係規則性地延伸以形成不同的功能性互嵌式結構。

Description

功能性互嵌式結構及其晶格結構
本發明係有關於一種根據座標數且由海膽所啟發的晶格結構的基本單元晶格單體，特別是有關於一種由基本單元晶格單體的三維晶格互嵌式結構，其係由立方金屬結晶結構中的原子/分子排列得到啟發。互嵌式結構係基於邊對邊的連接關係且據此命名為簡單立方互嵌式結構(Simply Cubic(SC) tessellation)、體心立方互嵌式結構(Body Centered Cubic (BCC) tessellation)及面心立方互嵌式結構(Face Centered Cubic (FCC) tessellation)。這些互嵌式結構的基本單元晶格單體係被設置成具有基於座標數的必要的平面(CN：最接近的相鄰元件的數量)而用於緊密堆積。設置的互嵌式結構衍生出為互嵌基底的晶格結構，即簡單立方晶格結構(SC)、體心力方晶格結構(BC)及面心立方晶格結構(FC)。本發明也有關於一種用於製造功能性互嵌式晶格結構的方法，其可將簡單立方晶格結構、體心力方晶格結構及面心立方晶格結構組合而製造出功能性互嵌式晶格結構。
積層製造技術可以製造出結構複雜且幾何間隙緊密的晶格狀結構。各種以表面為基底的晶格結構係用於不同的結構上和功能上的應用。不同的晶格結構實現基於基本單元晶格單體及晶格結構的不同的結構上和功能上的特性。然而，對於要求多結構及多功能特性的應用而言，例如強度及可撓性，其係使用多型態晶格結構(複合結構)或多材料晶格結構。然而，對於現存的多型態晶格結構而言，由於兩種不同型態的緣故，其在界面處的結構完整性很差。這種從一種型態到另一種型態的驟變導致只能使用少數材料而且在界面處具有較差的轉變結構。這會引發過多的應力集中，而且因此其結構也表現出較差的結構及功能性能。此外，這種現有的多材料晶格結構具有在接合面的接合特性差的問題。因此，這種多材料晶格結構通常需要以性質相近似的材料製作。
除了上述現有的挑戰以外，使用目前既有的積層製造技術來製造這些結構，例如熱熔長絲製造(fused filament fabrication，FFF)、材料噴塗成型(material jetting)、黏著劑噴膠成型(binder jetting)、光固化技術(vat photopolymerization)及選擇性雷射熔化(selective laser melting)等積層製造技術，也會由於在懸掛位置上方需要額外的支持結構而面臨挑戰。這些支持結構需要根據製造技術及晶格的配置而額外設計，因而使設計過程複雜化。牽涉更多複雜支持結構會藉由消耗更多的材料、能源及製造時間而導致額外的製造成本。在某些複雜結構中，完全地移除支持結構甚至較為困難。
因此，希望開發晶格結構，其使用單一材料實現獨特類似多材料的特性，例如強度及可撓性以及優異的界面強度。而且，期待晶格結構被設計成不具有支持結構，這會使得以現有的積層製造技術容易製造。
有鑑於此，本發明的目的在於提供一種根據基本單元晶格單體、互嵌式晶格結構及功能性互嵌式晶格結構設計的互嵌式結構，其解決了在多型態晶格結構(multi-morphological lattice structure)及多材料晶格結構(multi-material lattice structure)在介面處所產生的較差的結構及功能特性。本發明的所有結構能夠不需要任何支持結構的方式以積層製造技術製造，藉此減少製造工時、能源消耗及製造所需的材料。而且每種互嵌式晶格結構提供不同的結構及功能的特性，藉此實現如多材料般的行為。結構上的簡化使得其以金屬、樹脂、軟質或硬質聚合物製造。
本發明提供一種晶格結構，其構成一簡單立方互嵌式結構、一體心立方互嵌式結構及一面心立方的互嵌式結構，且由金屬結晶結構啟發，包括：多個基本單元晶格單體，堆疊且連接以構成形成一三維晶格結構，其中該基本單元晶格單體係近似於海膽的形狀，且不同的互嵌式結構的每個該基本單元晶格單體包括複數個平坦連接部，該等連接部形成於該基本單元晶格單體的一表面且與從該基本單元晶格單體的中心延伸的複數個軸向相交，一個該基本單元晶格單體的平坦連接部與另一個相鄰的該基本單元晶格單體的平坦連接部連接而形成邊緣對邊緣(edge-to-edge)的連接結構。
在另一實施例中，平坦連接部是與三個彼此正交的軸向相交，且三維晶格結構為簡單立方互嵌式結構(simple cubic tessellation)。
在另一實施例中，平坦連接部是與四個軸向相交，四個軸係與一正方體晶格的四個對角線對應，基本單元晶格單體位於正方體內，且三維晶格結構為體心立方互嵌式結構(body-centered cubic tessellation)。
在另一實施例中，平坦連接部是與在六個軸向相交，六個軸向係對應於一正方體晶格中基本單元晶格單體所在的正方形面/矩形面的形心與其他四個相鄰的正方形面/矩形面的形心的四條連線以及球型單體所在的正方形面/矩形面的兩條對角線，且三維晶格結構為面心立方互嵌式結構(face-centered cubic tessellation)。
在另一實施例中，基本單元晶格單體為中空狀，每個基本單元晶格單體更包括複數個通孔，該等通孔係設置於至少部分的該等平坦連接部。
在另一實施例中，位於基本單元晶格單體的表面的複數個通孔係以具有不同厚度的膜取代以封閉基本單元晶格單體，且封閉的基本單元晶格單體係以第二填充材料填充，第二填充材料為液體、膠體、固體粉末或氣體。
在另一實施例中，基本單元晶格單體具有從一端通過中心到相對的另一端的高度h，高度h係滿足：2毫米≦h≦30毫米，基本單元晶格單體具有外表面至內表面的厚度t，厚度t係滿足：0.2毫米≦t≦10毫米。
在另一實施例中，相鄰的基本單元晶格單體的平坦連接部連接而形成的三維晶格結構包括簡單立方互嵌式結構(simple cubic tessellation)、體心立方互嵌式結構(body-centered cubic tessellation)及面心立方互嵌式結構(face-centered cubic tessellation)，其中每個基本單元晶格單體與相鄰的基本單元晶格單體具有相同的機械或/及化學性質，或者是每個基本單元晶格單體與相鄰的基本單元晶格單體具有不同的機械或/及化學性質。
在另一實施例中，基本單元晶格單體根據任何方面的特性需求可改變其形態(morphology)從均勻的立方體設計領域變化至非均勻的四邊形設計領域。
在另一實施例中，簡單立方互嵌式結構、體心立方互嵌式結構及面心立方互嵌式結構包括對應的互嵌式結構堆疊且週期性地嵌合，其中每個互嵌式結構包括複數個基本單元晶格單體，複數個基本單元晶格單體彼此堆疊連接而形成三維晶格結構，其中每個基本單元晶格單體包括複數個平坦連接部，該等平坦連接部形成於基本單元晶格單體的表面且與從基本單元晶格單體的中心延伸的複數個軸向相交，一個基本單元晶格單體的平坦連接部與另一個相鄰的基本單元晶格單體的平坦連接部連接而形成邊緣對邊緣(edge-to-edge)的連接結構。
本發明提供一種功能性互嵌結構，上述的晶格結構所構成的簡單立方互嵌式結構、體心立方互嵌式結構或/及面心立方互嵌式結構包括簡單立方互嵌式結構-體心立方互嵌式結構-該面心立方互嵌式結構的組合、簡單立方互嵌式結構-體心立方互嵌式結構的組合、簡單立方互嵌式結構-面心立方互嵌式結構的組合或體心立方互嵌式結構-面心立方互嵌式結構的組合。
在另一實施例中，其包括兩個堆疊嵌合的第一互嵌式結構以及第二互嵌式結構，第二互嵌式結構與第一互嵌式結構堆疊且相互嵌合，其中該第一互嵌式結構為簡單立方結構、體心立方結構或面心立方結構，該第二互嵌式結構為簡單立方結構、體心立方結構或面心立方結構。
在另一實施例中，第一互嵌式結構包括由多個相鄰設置的基本單元晶格單體間圍繞形成複數個第一嵌合凹部，第二互嵌式結構包括由多個相鄰設置的基本單元晶格單體間圍繞形成複數個第二嵌合凹部，第二互嵌式結構的一個基本單元晶格單體嵌合於第一嵌合凹部，且第一互嵌式結構的一個該基本單元晶格單體嵌合於第二嵌合凹部；第一互嵌式結構為簡單立方結構、體心立方結構或面心立方結構，且第二互嵌式結構係與該第一互嵌式結構不同。
在另一實施例中，其更包括一第三互嵌式結構，其中第一互嵌式結構、第二互嵌式結構與第三互嵌式結構具有不同的機械性質或/及化學性質或/及功能性質。
本發明的晶格結構是藉由基本單元晶格單體堆疊連接而形成邊緣對邊緣的連接結構，藉此可以由兩個基本單元晶格單體表面的平坦連接部連接的結構承受施加於三維晶格結構上的負載所產生的壓應力及剪應力。根據立方體中基本單元晶格單體的幾何排列方式，三維晶格結構可形成簡單立方結構、體心立方結構或面心立方結構。
另外，藉由成為簡單立方結構、體心立方結構或面心立方結構的晶格結構彼此嵌合堆疊可以形成相互交連固接的各種不同組合的功能性互嵌式結構，例如簡單立方結構與體心立方結構、簡單立方結構與面心立方結構、體心立方結構與面心立方結構或簡單立方結構與體心立方結構及面心立方結構，藉此可以在產品對結構性質與功能性質具有不同需求的部位設置簡單立方結構、體心立方結構或面心立方結構的三維晶格結構，並且在兩種不同的三維晶格結構的接合處藉由基本單元晶格單體嵌合於凹陷部，使兩種不同的三維晶格結構穩固地接合，而且結構性及功能性的性質在接合處可以連續分布，不至於產生像應力集中的問題，而導致損壞。
藉由以下的實施例並參照圖式提供詳細的說明。
以下說明是實施本發明的最佳預期模式。該描述是為了說明本發明的一般原理，並非用於限制本發明。 本發明的範圍最好藉由參照後附之申請專利範圍而定。
有鑑於現有技術中，不同形態的積層製造結構在多型態及接合處會導致結構性及功能性的性質有不連續的情況，隨著解決接合處的問題，不同的互嵌式結構也產生類似於異質材料行為的結構及功能特性。本發明的三維晶格結構係由多個具相同尺寸的球形輪廓的基本單元晶格單體構成，由於其具有相同的尺寸，不同的互嵌式結構能夠相互堆疊且延伸已產生多結構、多功能的特性。而且，所有的互嵌式晶格結構可不需要支持結構而進行積層製造，藉此降低製造工時及能源而增加製造效率。以下分別說明由基本單元晶格單體堆疊形成的三維晶格結構以及不同結構的三維晶格結構(簡單立方、體心立方及面心立方)也可以彼此嵌合堆疊而構成本發明的功能性互嵌式結構。
請參閱圖1、圖2、圖3及圖4，其表示本發明的基本單元晶格單體的第一實施例，由第一實施例的基本單元晶格單體堆疊連接而形成的簡單立方(Simple Cubic (SC))的三維晶格結構的第一實施例以及由第一實施例的三維晶格結構堆疊形成的簡單立方的功能性互嵌式結構的一實施例。
如圖1所示，本實施例的基本單元晶格單體10具有一球形本體11以及設置在球形本體11表面的複數個平坦連接部12。複數個平坦連接部12設置在通過球形本體11的中心的三個彼此正交的軸線上，即通過球形本體11的中心的三個彼此正交的軸線垂直地通過平坦連接部12，因此本實施例的基本單元晶格單體10具有六個平坦連接部12，每個軸線上具有兩個相對設置的連接部12。本實施例的基本單元晶格單體10的球形本體11為中空結構，且基本單元晶格單體10更具有複數個通孔13，複數個通孔13分別設置在平坦連接部12。然而，通孔可以用不同厚度的膜代替，以封閉基本單元晶格單體。 這種封閉的基本單元晶格單體可用於填充二次填充材料（固體粉末、液體、凝膠、氣體），以開發出多材料晶格結構(multi-material lattice structure)。如圖2所示，基本單元晶格單體10具有從一端通過中心到相對的另一端的高度h，高度h係滿足：2毫米≦h≦30毫米。另外基本單元晶格單體10具有外表面至內表面的厚度t，厚度t係滿足：0.2毫米≦t≦10毫米。
如圖3所示，本實施例的基本單元晶格單體10堆疊連接且相互嵌合而形成的三維晶格結構(Simple Cubic (SC) tessellation)100，每個基本單元晶格單體10與複數個基本單元晶格單體10堆疊連接。如前所述，每個基本單元晶格單體10的表面在三個彼此正交的軸線上設置平坦連接部12，而且每個基本單元晶格單體10的每個平坦連接部12與相鄰的基本單元晶格單體10的連接部12連接，藉此兩個相鄰的基本單元晶格單體10形成邊緣對邊緣(edge-to-edge)的互嵌結構。每個基本單元晶格單體10與六個相鄰的基本單元晶格單體10連接而形成具有簡單立方結構(simple cubic packing)的三維晶格結構100。簡單立方結構的晶格中，每個晶格內實質上相當於具有一個基本單元晶格單體10，而且晶格長度相當於基本單元晶格單體10的直徑。這種基本單元晶格單體10邊緣對邊緣的連接結構，平坦連接部12提供了較大的連接面積，以增加接合強度，在承受外部負載時，連接部12可用於承受較大的壓縮拉伸應力或剪應力。平坦連接部12的尺寸的範圍為0毫米(封閉式基本單元晶格單體)至基本單元晶格單體的直徑。
如圖4所示，複數個本實施例的三維晶格結構100彼此嵌合堆疊且規律性地延伸而形成具簡單立方結構的功能性互嵌式結構(simple cubic tessellation lattice structure) 1000。
請參閱圖5、圖6、圖7及圖8，其表示本發明的基本單元晶格單體的第二實施例，由第二實施例的基本單元晶格單體堆疊連接而形成的三維晶格結構(體心立方堆疊)的第二實施例以及由第二實施例的三維晶格結構堆疊形成的功能性互嵌式結構(體心立方互嵌式結構)的一實施例。
如圖5所示，本實施例的基本單元晶格單體20具有一球形本體21以及設置在球形本體21表面的複數個平坦連接部22。複數個平坦連接部22設置在通過球形本體21的中心的四個彼此相交的軸向上，這四個軸向係與一正方體的四個對角線對應，即這四個軸向相當於晶格的四個對角線即四個彼此相交的軸線垂直地通過平坦連接部22，因此本實施例的基本單元晶格單體20具有八個平坦連接部22，每個軸線上具有兩個相對設置的連接部22。本實施例的基本單元晶格單體20的球形本體21為中空結構，且基本單元晶格單體20更具有複數個通孔23，複數個通孔23分別設置在平坦狀的連接部22。然而，通孔可以用不同厚度的膜代替，以封閉基本單元晶格單體。 這種封閉的基本單元晶格單體可用於填充二次填充材料（固體粉末、液體、凝膠、氣體），以開發出多材料晶格結構(multi-material lattice structure)。如圖6所示，基本單元晶格單體20具有從一端通過中心到相對的另一端的高度h，高度h係滿足：2毫米≦h≦30毫米。另外基本單元晶格單體20具有外表面至內表面的厚度t，厚度t係滿足：0.2毫米≦t≦10毫米。
如圖7所示，本實施例的基本單元晶格單體20堆疊連接且相互嵌合而形成的三維晶格結構200，每個基本單元晶格單體20與複數個基本單元晶格單體20堆疊連接。如前所述，每個基本單元晶格單體20的表面在四個彼此相交的軸線上設置平坦連接部22，而且每個基本單元晶格單體20的每個平坦連接部22與相鄰的基本單元晶格單體20的平坦連接部22連接，藉此兩個相鄰的基本單元晶格單體20形成邊緣對邊緣(edge-to-edge)的連接結構。每個基本單元晶格單體20與八個相鄰的基本單元晶格單體20連接而形成具有體心立方結構(body-centered cubic packing)的三維晶格結構200。體心立方結構的晶格中，每個晶格內實質上相當於在晶格的中心具有一個完整的基本單元晶格單體20，而在晶格的八個角部則分別各具有1/8個基本單元晶格單體20，如此每個晶格具有總數為二個基本單元晶格單體20，而且晶格長度相當於基本單元晶格單體20的直徑的兩倍。這種基本單元晶格單體10邊緣對邊緣的連接結構，平坦連接部22提供了較大的連接面積，以增加接合強度，在承受外部負載時，平坦連接部22可用於承受較大的壓縮拉伸應力或剪應力。平坦連接部22的尺寸的範圍為0毫米(封閉式基本單元晶格單體)至基本單元晶格單體的直徑。
如圖8所示，複數個本實施例的三維晶格結構200彼此嵌合堆疊且規律性地延伸而形成而形成具體心立方結構的功能性互嵌式結構(body-centered cubic tessellation) 2000。
請參閱圖9、圖10、圖11及圖12，其表示本發明的基本單元晶格單體的第三實施例，由第三實施例的基本單元晶格單體堆疊連接而形成的三維晶格結構(面心立方堆疊)的第三實施例以及由第三實施例的三維晶格結構堆疊形成的功能性互嵌式結構的一實施例。
如圖9所示，本實施例的基本單元晶格單體30具有一球形本體31以及設置在球形本體31表面的複數個平坦連接部32。複數個平坦連接部32設置在通過球形本體31的中心的六個彼此相交的軸向上，這六個軸向係對應於一正方體中球型單體30所在的正方形面/矩形面的形心與其他四個相鄰的正方形面/矩形面的形心的四條連線以及球型單體30所在的正方形面/矩形面的兩條對角線，即這六個軸向相當於晶格的其中一個表面的形心到其他相鄰的四個形心的連線以及該表面的兩個對角線，即六個彼此相交的軸線垂直地通過平坦連接部32，因此本實施例的基本單元晶格單體30具有十二個平坦連接部32，每個軸線上具有兩個相對設置的連接部32。本實施例的基本單元晶格單體30的球形本體31為中空結構，且基本單元晶格單體30更具有複數個通孔33，複數個通孔33分別設置在平坦狀的連接部32，本實施例的基本單元晶格單體30具有八個通孔33，分別設置在對應於正方形面的形心間的四條連線的連接部32上。另外兩個平坦連接部32不包括通孔33。此外，通孔可以更換為不同厚度的膜片，以封閉基本單元晶格單體。 這種封閉的基本單元晶格單體可用於填充二次填充材料（固體粉末、液體、凝膠、氣體），以開發多材料晶格結構。如圖10所示，基本單元晶格單體30具有從一端通過中心到相對的另一端的高度h，高度h係滿足：2毫米≦h≦30毫米。另外基本單元晶格單體30具有外表面至內表面的厚度t，厚度t係滿足：0.2毫米≦t≦10毫米。
如圖11所示，本實施例的基本單元晶格單體30堆疊連接而形成的三維晶格結構300，每個基本單元晶格單體30與複數個基本單元晶格單體30堆疊連接。如前所述，每個基本單元晶格單體30的表面在六個彼此相交的軸線上設置平坦狀的連接部32，而且每個基本單元晶格單體30的每個連接部32與相鄰的基本單元晶格單體30的連接部32連接，藉此兩個相鄰的基本單元晶格單體30形成邊緣對邊緣(edge-to-edge)的連接結構。每個基本單元晶格單體30與十二個相鄰的基本單元晶格單體30連接而形成具有面心立方結構(face-centered cubic packing)的三維晶格結構300。在面心立方結構的晶格中，每個晶格的表面各具有1/2個基本單元晶格單體30，在晶格的八個角部則各具有1/8個基本單元晶格單體30，因此每個晶格實質上相當於具有四個基本單元晶格單體20，而且晶格長度相當於基本單元晶格單體30的直徑的2/√2。這種基本單元晶格單體10邊緣對邊緣的連接結構，連接部12提供了較大的連接面積，以增加接合強度，在承受外部負載時，連接部12可用於承受較大的壓縮拉伸應力或剪應力。平坦連接部32的尺寸的範圍為0毫米(封閉式基本單元晶格單體)至基本單元晶格單體的直徑。
如圖12所示，複數個本實施例的三維晶格結構300彼此嵌合堆疊且規律性地延伸而形成具面心立方結構的 (face-centered cubic tessellation，FCC)3000。
請參閱圖13，其表示第一實施例的三維晶格結構(簡單立方堆疊)100與第二實施例的三維晶格結構(體心立方堆疊)200彼此嵌合堆疊而形成不同形態的三維晶格結構彼此嵌合堆疊所形成的功能性互嵌式結構4000。第一實施例的三維晶格結構100的多個相鄰設置的基本單元晶格單體10圍繞而形成嵌合凹部15，第二實施例的三維晶格結構200的多個相鄰設置的基本單元晶格單體20圍繞而形成嵌合凹部25，藉由基本單元晶格單體20嵌合於嵌合凹部15且基本單元晶格單體10嵌合於嵌合凹部25，使第一實施例的三維晶格結構100與第二實施例的三維晶格結構200彼此嵌合定位而形成功能性互嵌式結構4000。依照需求，功能性互嵌式結構4000中的第一實施例的三維晶格結構100與第二實施例的三維晶格結構200的位置可以互換。
請參閱圖14，其表示第二實施例的三維晶格結構(體心立方堆疊)200與第三實施例的三維晶格結構(面心立方堆疊)300彼此嵌合堆疊以形成的功能性互嵌式結構5000。第二實施例的三維晶格結構200的多個相鄰設置的基本單元晶格單體20圍繞而形成嵌合凹部25，第三實施例的三維晶格結構300的多個相鄰設置的基本單元晶格單體30圍繞而形成嵌合凹部35，藉由基本單元晶格單體30嵌合於嵌合凹部25且基本單元晶格單體20嵌合於嵌合凹部35，使第二實施例的三維晶格結構200與第三實施例的三維晶格結構300彼此嵌合定位而形成功能性互嵌式結構5000。依照需求，功能性互嵌式結構5000中的第二實施例的三維晶格結構200與第三實施例的三維晶格結構300的位置可以互換。
請參閱圖15，其表示第一實施例的三維晶格結構(簡單立方堆疊)100與第三實施例的三維晶格結構(面心立方堆疊)300彼此嵌合堆疊以形成的功能性互嵌式結構6000。第一實施例的三維晶格結構100的多個相鄰設置的基本單元晶格單體10圍繞而形成嵌合凹部15，第三實施例的三維晶格結構300的多個相鄰設置的基本單元晶格單體30圍繞而形成嵌合凹部35，藉由基本單元晶格單體30嵌合於嵌合凹部15且基本單元晶格單體10嵌合於嵌合凹部35，使第一實施例的三維晶格結構100與第三實施例的三維晶格結構300彼此嵌合定位而形成功能性互嵌式結構6000。依照需求，功能性互嵌式結構6000中的第一實施例的三維晶格結構100與第三實施例的三維晶格結構300的位置可以互換。
請參閱圖16，其表示本發明的不同形態的三維晶格結構彼此嵌合堆疊而形成功能性互嵌式結構(簡單立方堆疊-體心立方堆疊-面心立方堆疊的組合)T應用於安全帽H等個人護具的產品，即功能性互嵌式結構1000、2000、3000的組合。本發明功能性互嵌式結構T設置於安全帽H的內襯，其藉由功能性互嵌式結構(面心立方互嵌式結構)3000，使得安全帽H具有外部的堅硬和抗衝擊性能，同時藉功能性互嵌式結構(簡單立方互嵌式結構)1000使得內部具有柔軟和緩衝性能，讓使用者穿戴時感到內部舒適柔軟。功能性互嵌式結構(體心立方互嵌式結構)2000提供適中的強度及緩衝特性，且用於連接功能性互嵌式結構1000及功能性互嵌式結構3000，藉此保護使用者免受意外撞擊。安全帽H的內面藉由功能性互嵌式結構(簡單立方互嵌式結構)1000在意外事故產生衝擊時，由於其緩衝特性而不會傷害使用者。
請參閱圖17，其表示本發明的不同形態的三維晶格結構彼此嵌合堆疊而形成功能性互嵌式結構(簡單立方堆疊-體心立方堆疊-面心立方堆疊的組合)T應用於自行車坐墊S的產品。自行車坐墊S的頂部由功能性互嵌式結構(簡單立方互嵌式結構)1000構成，其對使用者提供對抗震動的緩衝性。而在底部的功能性互嵌式結構(面心立方互嵌式結構)3000實現了承受人體重量的剛性。功能性互嵌式結構(體心立方互嵌式結構)2000提供適中的強度及緩衝特性，且用於連接功能性互嵌式結構1000及功能性互嵌式結構3000。
請參閱圖18，其表示本發明的不同形態的三維晶格結構彼此嵌合堆疊而形成功能性互嵌式結構T應用於鞋中底MS的產品。鞋中底MS在前部和後跟部分需要不同的功能特性。 不同類型的鞋子，如步行鞋、跑鞋、登山鞋、舉重鞋等，需要不同的功能特性。 可以根據要求以不同形態的三維晶格結構彼此嵌合堆疊所形成的功能性互嵌式結構T作為鞋中底MS的結構，例如簡單立方互嵌式結構與體心立方互嵌式結構、體心立方互嵌式結構與面心立方互嵌式結構的組合、簡單立方互嵌式結構與面心立方互嵌式結構的組合或者是簡單立方互嵌式結構、體心立方互嵌式結構及面心立方互嵌式結構的組合。不同的互嵌式結構的組合可以根據需求應用於產品不同的部分。由於互嵌式結構間相互鎖扣的結構，本發明的功能性互嵌式結構具有與多材料晶格結構或多型態晶格結構近似的特性。
請參閱圖19，簡單立方互嵌式結構、體心立方互嵌式結構及面心立方互嵌式結構的設計用HP-MJF商用三維列印機進行三維列印以分析結果。使用MTS-810萬能試驗機對印刷樣品進行壓縮測試。三個樣品的壓縮行為不同且獨特。所有樣品的應力與應變圖被分為 5 個區域：0 –  壓縮開始，1 – 降服開始，2  –增加或減少強度，3 –  強化，4 –  緻密化。 簡單立方互嵌式結構的形變行為與鋁合金的形變相關。而體心立方互嵌式結構及面心立方互嵌式結構的形變行為與低碳鋼的形變行為相關。因此，這些結構的組合將提供類似於鋁和低碳鋼的行為集體行為。這背後的概念被稱為「數位冶金」，其中材料特性是通過控制晶格結構的設計來產生。這使得可以基於模擬而產生材料特性，這是獲得不同材料特性的清潔、環保和可持續的方式。
請參閱圖 20，其對不同的功能梯度晶格結構：簡單立方互嵌式結構-體心立方互嵌式結構、體心立方互嵌式結構-面心立方互嵌式結構和簡單立方互嵌式結構-面心立方互嵌式結構的界面強度，並與 簡單立方互嵌式結構的界面強度進行了比較。該研究主要是觀察可能的界面分層，這是多材料晶格結構失效的主要問題。 該研究證明，在兩種不同的互嵌式結構之間沒有觀察到分層。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明之申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。另外，本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。此外，本說明書或申請專利範圍中提及的「第一」、「第二」等用語僅用以命名元件(element)的名稱或區別不同實施例或範圍，而並非用來限制元件數量上的上限或下限。
10、20、30:基本單元晶格單體
11、21、31:球形本體
12、22、32:平坦連接部
13、23、33:通孔
15、25、35:嵌合凹部
h:高度
t:厚度
100、200、300:三維晶格結構
1000、2000、3000、4000、5000、6000:功能性互嵌式結構
藉由參閱以下的詳細說明及實施例並參照以下圖式能夠更完整地瞭解本發明的內容。 圖1為本發明的三維晶格結構的簡單立方互嵌式結構的晶格結構的基本單元晶格單體的第一實施例的立體圖。 圖2為圖1的基本單元晶格單體的剖視圖。 圖3為圖1的基本單元晶格單體堆疊連接而形成的本發明的三維晶格結構的第一實施例的立體圖。 圖4為圖3的三維晶格結構堆疊嵌合而形成的功能性互嵌式結構的一實施例的立體圖。 圖5為本發明的三維晶格結構的體心立方互嵌式結構的基本單元晶格單體的第二實施例的立體圖。 圖6為圖5的基本單元晶格單體的剖視圖。 圖7為圖5的基本單元晶格單體堆疊連接而形成的本發明的三維晶格結構的第二實施例的立體圖。 圖8為圖7的三維晶格結構堆疊嵌合而形成的功能性互嵌式結構的一實施例的立體圖。 圖9為本發明的本發明的三維晶格結構的面心立方互嵌式結構的基本單元晶格單體的第三實施例的立體圖。 圖10為圖9的基本單元晶格單體的剖視圖。 圖11為圖9的基本單元晶格單體堆疊連接而形成的本發明的三維晶格結構的第三實施例的立體圖。 圖12為圖11的三維晶格結構堆疊嵌合而形成的功能性互嵌式結構的一實施例的立體圖。 圖13為第一實施例的三維晶格結構(簡單立方)與第二實施例的三維晶格結構(體心立方)嵌合堆疊所形成的功能性互嵌式結構的一實施例的立體圖。 圖14為第二實施例的三維晶格結構(體心立方)與第三實施例的三維晶格結構(面心立方)嵌合堆疊所形成的功能性互嵌式結構的一實施例的立體圖。 圖15為第一實施例的三維晶格結構(簡單立方)與第三實施例的三維晶格結構(面心立方)嵌合堆疊所形成的功能性互嵌式結構的一實施例的立體圖。 圖16為本發明的功能性互嵌式結構 (簡單立方-體心立方-面心立方)應用於安全帽等護具的一實施例的立體圖。 圖17為本發明的功能性互嵌式結構(簡單立方-體心立方-面心立方)應用於自行車坐墊的一實施例的立體圖。 圖18為本發明的功能性互嵌式結構應用於鞋底的一實施例的立體圖。 圖19為HP-MJF的三維列印裝置所製作的功能性互嵌式結構及其壓縮測試的各項數據的示意圖。不同的互嵌式結構的行為係與不同材料的行為相關，藉此導入術語「數位冶金(Digital Metallurgy)」。 圖20為實驗性的示意圖，其實施用於檢視功能性互嵌式結構的可能分類。
10、20:基本單元晶格單體
15、25:嵌合凹部
100、200:三維晶格結構
4000:功能性互嵌式結構

Claims (13)

  1. 一種晶格結構，其構成為：體心立方互嵌式結構-面心立方互嵌式結構，且由金屬結晶結構啟發，包括：多個基本單元晶格單體，堆疊且連接以構成形成一三維晶格結構，其中該基本單元晶格單體係近似於海膽的形狀，且不同的互嵌式結構的每個該基本單元晶格單體包括複數個平坦連接部，該等連接部形成於該基本單元晶格單體的一表面且與從該基本單元晶格單體的中心延伸的複數個軸向相交，一個該基本單元晶格單體的平坦連接部與另一個相鄰的該基本單元晶格單體的平坦連接部連接而形成邊緣對邊緣(edge-to-edge)的連接結構。
  2. 如請求項1所述之晶格結構，其中該等平坦連接部是與四個軸向相交，該等四個軸係與一正方體晶格的四個對角線對應，該基本單元晶格單體位於該正方體內，且該三維晶格結構為體心立方互嵌式結構(body-centered cubic tessellation)。
  3. 如請求項1所述之晶格結構，其中該等平坦連接部是與在六個軸向相交，該等六個軸向係對應於一正方體晶格中該基本單元晶格單體所在的正方形面/矩形面的形心與其他四個相鄰的正方形面/矩形面的形心的四條連線以及該基本單元晶格單體所在的正方形面/矩形面的兩條對角線，且該三維晶格結構為面心立方互嵌式結構(face-centered cubic tessellation)。
  4. 如請求項1至3中任一項所述之晶格結構，其中該等基本單元晶格單體為中空狀，每個該基本單元晶格單體更包括複數個通孔，該等通孔係設置於至少部分的該等平坦連接部。
  5. 如請求項4所述之晶格結構，其中位於該基本單元晶格單體的該表面的該等通孔係以具有不同厚度的膜取代以封閉該基本單元晶格 單體，且封閉的該基本單元晶格單體係以一第二填充材料填充，該第二填充材料為液體、凝膠、固體粉末或氣體。
  6. 如請求項4所述之晶格結構，其中該基本單元晶格單體具有從一端通過該中心到相對的另一端的高度h，該高度h係滿足：2毫米≦h≦30毫米，該基本單元晶格單體具有外表面至內表面的厚度t，該厚度t係滿足：0.2毫米≦t≦10毫米。
  7. 如請求項1所述之晶格結構，其中相鄰的該基本單元晶格單體的該平坦連接部連接而形成的該三維晶格結構包括體心立方互嵌式結構(body-centered cubic tessellation)及面心立方互嵌式結構(face-centered cubic tessellation)，其中每個該基本單元晶格單體與相鄰的該基本單元晶格單體具有相同的機械或/及化學性質，或者是每個該基本單元晶格單體與相鄰的該基本單元晶格單體具有不同的機械或/及化學性質。
  8. 如請求項1所述之晶格結構，其中該基本單元晶格單體根據任何方面的特性需求可改變其形態(morphology)從均勻的立方體設計領域變化至非均勻的四邊形設計領域。
  9. 如請求項7所述之晶格結構，其中該體心立方互嵌式結構及該面心立方互嵌式結構包括對應的互嵌式結構堆疊且週期性地嵌合，其中每個互嵌式結構包括複數個基本單元晶格單體，該等基本單元晶格單體彼此堆疊連接而形成該三維晶格結構，其中每個該基本單元晶格單體包括複數個平坦連接部，該等連接部形成於該基本單元晶格單體的一表面且與從該基本單元晶格單體的中心延伸的複數個軸向相交，一個該基本單元晶格單體的平坦連接部與另一個相鄰的該基本單元晶格單體的平坦連接部連接而形成邊緣對邊緣(edge-to-edge)的連接結構。
  10. 一種功能性互嵌式結構，其由請求項1至9中任一項所述的晶格結構堆疊且衍生建構而成，該晶格結構所構成的該體心立方互嵌式結構或/及該面心立方互嵌式結構其包括體心立方互嵌式結構-面心立方互嵌式結構的組合。
  11. 如請求項10所述之功能性互嵌式結構，其包括兩個堆疊嵌合的一第一互嵌式結構以及一第二互嵌式結構，該第二互嵌式結構與該第一互嵌式結構堆疊且相互嵌合，其中該第一互嵌式結構為體心立方結構或面心立方結構，該第二互嵌式結構為體心立方結構或面心立方結構。
  12. 如請求項11所述之功能性互嵌式結構，其中該第一互嵌式結構包括由多個相鄰設置的基本單元晶格單體間圍繞形成複數個第一嵌合凹部，該第二互嵌式結構包括由多個相鄰設置的基本單元晶格單體間圍繞形成複數個第二嵌合凹部，該第二互嵌式結構的一個該基本單元晶格單體嵌合於該第一嵌合凹部，且該第一互嵌式結構的一個該基本單元晶格單體嵌合於該第二嵌合凹部；該第一互嵌式結構及該第二互嵌式結構為體心立方結構或面心立方結構。
  13. 如請求項11所述之功能性互嵌式結構，其更包括一第三互嵌式結構，其中該第一互嵌式結構、該第二互嵌式結構與該第三互嵌式結構具有不同的機械性質或/及化學性質或/及功能性質。
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