一种基于3D打印的三维可控拉胀多胞结构制造技术

本发明专利技术公开了一种基于3D打印的三维可控拉胀多胞结构，该三维结构可以分别由两种不同的单胞通过空间阵列得到，所述的第一种单胞是由两个二维手性蜂窝的单胞通过空间旋转90度后固接到一起得到的，第二种单胞是由三个二维手性蜂窝的单胞通过空间旋转60度和120度后固接到一起得到的，所述的二维手性蜂窝的单胞则是由两根交叉并固接的杆经过两次镜面对称得到的。该多胞材料可以具有负泊松比性质，当其在一个方向上受到压缩时，会在另外两个方向上向内收缩，从而使结构更加致密，更有效的抵抗压缩载荷。此外，可以通过改变第一杆和第二杆的长细比和倾斜角度，调节多胞材料的弹性性能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于3D打印的三维可控拉胀多胞结构
本专利技术涉及一种拉胀结构，特别涉及一种基于3D打印的可控三维拉胀多胞结构。
技术介绍
泊松比是指材料在单向受拉或受压时，横向正应变与轴向正应变绝对值的比值，也叫横向变形系数，它是反映材料横向变形的弹性常数。其计算公式为：其中，εx是材料的横向正应变，εy是材料的轴向正应变。泊松比的取值范围为-1～0.5，人们所熟知的传统材料一般都具有正的泊松比，即材料在轴向拉伸时，横向会收缩，或在轴向压缩时，则横向会膨胀。而一些自然材料和人工设计制备的材料则可以实现负泊松比，即拉胀效应。当拉胀材料受到轴向压缩时，会产生横向收缩，结构就会变得越来越致密，从而能有效的抵抗压缩载荷，因此在承载、能量吸收等领域有着良好的应用前景。此外，拉胀材料还具有较高的断裂韧度、同向曲率、吸声降噪等优异性能，在航空航天、国防工业、汽车领域、生物医学等多个领域都有广泛的潜在应用前景。除了自然中存在的单晶砷和镉、黄铁矿以及一些动物皮肤(猫皮肤，蝾皮肤和牛乳头皮肤)等拉胀材料之外，人工制备的拉胀材料也层出不穷，但主要为二维拉胀材料。因为受限于传统制备工艺水平，多数三维拉胀材料仅停留在理论层面，或被简化为二维结构。但随着制备技术的发展，复杂的三维结构可以通过3D打印制备出来。现有的三维拉胀多胞结构主要有两种：三维内凹六边形多胞结构和三维双箭头多胞结构，这两种三维多胞结构具有拉胀效应，且泊松比是可控的，但是这两种结构的刚度比较小。Lu等学者提出了一种基于二维十字手性蜂窝的三维十字手性多胞结构，虽然较前两种结构，该结构具有拉胀效应且刚度较大，但是模型的可控性有限，泊松比的变化范围只有-1～0。本专利技术所述的三维可控拉胀多胞结构，具有两种周期性单胞形式，且空间的阵列形式多样，从而可以得到不同类型的三维多胞结构。组成周期性单胞的二维手性蜂窝结构的可控性强，第一杆和第二杆的长度以及角度θ1和θ2可以在一定区间内自由变化，且第一杆和第二杆的横截面可以有多种选择。这一系列可控参数和空间变化，使得本专利技术所述的三维可控拉胀多胞结构可以在三个主轴方向上表现出不同的且可控的弹性性能，其泊松比不仅可以是负值，也可以是正值，从而完全可以根据实际应用的要求去设定几何参数以满足要求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：克服上述现有技术的缺点和不足，提出一种基于3D打印的三维可控拉胀多胞结构，可以通过3D打印技术快速制备。与传统的三维开孔泡沫材料相比，本专利技术所述的三维拉胀多胞结构材料具有负泊松比，并且弹性性能可在一个较大范围内调节，同时，还有孔隙率大、质量轻的特点；与现有三维拉胀多胞结构相比，本专利技术所述的三维拉胀多胞结构具有更高的刚度。本专利技术主要通过下述技术方案实现：一种基于3D打印的三维可控拉胀多胞结构，该结构是由其单胞结构通过空间阵列得到，阵列方式包括平行阵列、对角阵列和正六边形阵列形式。所述的周期性单胞有两种类型：第一种单胞是由两个完全相同的二维手性蜂窝单胞(21、22)构成，所述的两个二维手性蜂窝单胞(21、22)首先在空间中完全重合，然后其中一个二维手性蜂窝单胞(22)以竖直方向的轴(15)为旋转中心顺时针旋转90度，得到的两个二维手性蜂窝单胞(21、22)在空间中互相垂直平分且在竖直方向上对齐，两个二维手性蜂窝单胞(21、22)在第一重合点E和第二重合点F处固接；第一种单胞通过空间线性阵列或对角阵列的方式，在空间三个方向上周期性排布，从而可以得到两种三维可控拉胀多胞结构。第二种单胞是由三个完全相同的二维手性蜂窝单胞(23、24和25)构成，所述三个二维手性蜂窝单胞(23、24和25)首先在空间中完全重合，然后二维手性蜂窝单胞(24)以竖直方向的轴(15)为旋转中心顺时针旋转60度，二维手性蜂窝单胞(25)以竖直方向的轴(15)为旋转中心顺时针旋转120度，得到三个二维手性蜂窝单胞(23、24和25)在空间中互相平分且在竖直方向上对齐，三个二维手性蜂窝单胞(23、24和25)在第一重合点G和第二重合点H处固接；第二种单胞通过正六边形的空间阵列，得到三维可控拉胀多胞结构；所述的每个二维手性蜂窝单胞中，第一杆(111)和第二杆(112)互相交叉并连接在一起构成第一结构(11)，其中，第一杆(111)和第二杆(112)在连接点(A)的连接方式为固接，且第一杆(111)和第二杆(112)互相平分；第一杆(111)与竖直方向的轴(15)的夹角为θ1，第二杆(112)与水平方向的轴(16)的夹角为θ2，其中，竖直方向的轴(15)位于第一杆(111)的最右端，水平方向的轴(16)位于第二杆(112)的最下端，竖直方向的轴(15)和水平方向的轴(16)互相垂直；第一结构(11)以竖直方向的轴(15)为对称轴，对称得到第二结构(12)，然后第一结构(11)和第二结构(12)再以水平方向的轴(16)为对称轴，对称得到第三结构(13)和第四结构(14)；四个结构(11、12、13和14)在连接处互相固接，构成一个整体，即二维手性蜂窝的单胞。其中，第一杆(111)与竖直方向的轴的夹角θ1、第二杆(112)与水平方向轴的的夹角θ2可以在45°＜θ1、θ2＜135°的范围内取值，第一杆(111)和第二杆(112)的长度没有具体限制，只要最终对称得到的二维手性蜂窝单胞中没有重叠的杆即可。第一杆(111)和第二杆(112)的横截面可以有多种选择，可以是长方形、圆形、菱形或正多边形。因此，通过改变第一杆(111)和第二杆(112)的长细比，以及角度θ1和θ2的大小，即可调节该三维拉胀多胞结构材料的弹性性能，其中泊松比既可以是正值也可以是负值。所述的三维可控拉胀多胞结构可以通过FDM熔融沉积成型技术、SLA光固化立体造型技术、DLP选区激光熔化技术、SLS选区激光烧结、EBM电子束熔化成型、SLM选择性激光熔化技术、SHS选择性热烧结和3DP三维喷涂粘结成型技术进行3D打印制备，所述的三维拉胀多胞结构制备用的材料是塑料或金属。所述的三维可控拉胀多胞结构的孔隙率范围为70％～99％。本专利技术相对于现有技术，具有以下的优点和效果：(1)本专利技术提出了一种基于3D打印的三维可控拉胀多胞结构，该三维结构可以在三个主轴方向上都具有不同且可控的拉胀效应。当受到轴向压缩时，会产生横向收缩，结构就会变得越来越致密，从而能有效的抵抗压缩载荷，因此在承载、能量吸收等领域有着潜在的应用前景；(2)与现有三维拉胀多胞结构相比，该三维拉胀多胞结构具有两种周期性单胞类型，且空间阵列形式多样，可控范围更广，且该三维可控拉胀多胞结构具有更高的刚度。与现有技术相比，本专利技术所述的三维拉胀多胞结构的弹性性能的可控范围更广。通过调节第一杆(111)和第二杆(112)的长度、横截面、和倾斜角度(θ1和θ2)，以及选择不同的单胞和阵列形式，就可以得到不同且可控的弹性性能，且泊松比的值可正可负。(3)该三维拉胀结构的孔隙率范围为70％～99％，高于一般的二维拉胀蜂窝材料，从而在相同体积和材料的情况下，质量可以更轻。同时可以通过3D打印技术，快速精准的打印出来，材料可以是金属或塑料；附图说明图1(a)为本专利技术的三维可控拉胀多胞结构的第一种单胞结构示意图；图1(b)为本专利技术的三维可控拉胀多胞结构的第二种单胞结构示本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于3D打印的三维可控拉胀多胞结构，其特征在于：所述三维可控拉胀多胞结构是由在三维空间上周期性排布的单胞构成，而周期性的单胞可以有两种类型：第一种单胞是由两个完全相同的二维手性蜂窝单胞构成，所述的两个二维手性蜂窝单胞首先在空间中完全重合，然后其中一个二维手性蜂窝单胞以竖直方向的轴为旋转中心顺时针旋转90度，得到的两个二维手性蜂窝单胞在空间中互相垂直平分且在竖直方向上对齐，两个二维手性蜂窝单胞在第一重合点E和第二重合点F处固接；第一种单胞通过空间线性阵列或对角阵列的方式，在空间三个方向上周期性排布，从而得到两种三维可控拉胀多胞结构；或第二种单胞是由三个完全相同的二维手性蜂窝单胞构成，所述三个二维手性蜂窝单胞首先在空间中完全重合，然后其中一个二维手性蜂窝单胞以竖直方向的轴为旋转中心顺时针旋转60度，另一个二维手性蜂窝单胞以竖直方向的轴为旋转中心顺时针旋转120度，得到三个二维手性蜂窝单胞在空间中互相平分且在竖直方向上对齐，三个二维手性蜂窝单胞在第一重合点G和第二重合点H处固接；第二种单胞通过正六边形的空间阵列，得到三维可控拉胀多胞结构；在每个二维手性蜂窝单胞中，第一杆和第二杆互相交叉并连接在一起构成第一结构，其中，第一杆和第二杆在连接点A的连接方式为固接，且第一杆和第二杆互相平分；第一杆与竖直方向的轴的夹角为θ1，第二杆与水平方向的轴的夹角为θ2，其中，竖直方向的轴位于第一杆的最右端，水平方向的轴位于第二杆的最下端，竖直方向的轴和水平方向的轴互相垂直；第一结构以竖直方向的轴为对称轴，对称得到第二结构，然后第一结构和第二结构再以水平方向的轴为对称轴，对称得到第三结构和第四结构；四个结构在连接处互相固接，构成一个整体，即二维手性蜂窝的单胞，其中，第一杆与竖直方向的轴的夹角θ1、第二杆与水平方向轴的夹角θ2在45°＜θ1、θ2＜135°的范围内取值，第一杆和第二杆的长度没有具体限制，只要最终对称得到的二维手性蜂窝单胞中没有重叠的杆即可。...

【技术特征摘要】
1.一种基于3D打印的三维可控拉胀多胞结构，其特征在于：所述三维可控拉胀多胞结构是由在三维空间上周期性排布的单胞构成，而周期性的单胞可以有两种类型：第一种单胞是由两个完全相同的二维手性蜂窝单胞构成，所述的两个二维手性蜂窝单胞首先在空间中完全重合，然后其中一个二维手性蜂窝单胞以竖直方向的轴为旋转中心顺时针旋转90度，得到的两个二维手性蜂窝单胞在空间中互相垂直平分且在竖直方向上对齐，两个二维手性蜂窝单胞在第一重合点E和第二重合点F处固接；第一种单胞通过空间线性阵列或对角阵列的方式，在空间三个方向上周期性排布，从而得到两种三维可控拉胀多胞结构；或第二种单胞是由三个完全相同的二维手性蜂窝单胞构成，所述三个二维手性蜂窝单胞首先在空间中完全重合，然后其中一个二维手性蜂窝单胞以竖直方向的轴为旋转中心顺时针旋转60度，另一个二维手性蜂窝单胞以竖直方向的轴为旋转中心顺时针旋转120度，得到三个二维手性蜂窝单胞在空间中互相平分且在竖直方向上对齐，三个二维手性蜂窝单胞在第一重合点G和第二重合点H处固接；第二种单胞通过正六边形的空间阵列，得到三维可控拉胀多胞结构；在每个二维手性蜂窝单胞中，第一杆和第二杆互相交叉并连接在一起构成第一结构，其中，第一杆和第二杆在连接点A的连接方式为固接，且第一杆和第二杆互相平分；第一杆与竖直方向的轴的夹角为θ1，第二杆与水平方向的轴的夹角为θ2，其中，竖直方向的轴位于第一杆的最右端，水平方向的轴位于第二杆的最下端，竖直方向的轴和水平方向的轴互相垂直；第一结构以竖直方向的轴为对称轴，对...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨振宇，王青松，李响，卢子兴，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11