一种适用于3D打印的三维负泊松比结构制造技术

本实用新型专利技术提供一种适用于3D打印的三维负泊松比结构，螺旋单元由一螺旋臂以内端为中心环形阵列而成；多个螺旋单元在平面上依次排列，相邻两个螺旋单元呈镜像设置，且固定连接；相邻两个平面螺旋结构的螺旋单元在上下向一一对应，且呈镜像设置；上下相邻两个螺旋单元的螺旋臂外端一一对应且通过倾斜杆连接。本实用新型专利技术提出的技术方案的有益效果是：该结构负泊松比性能高且适用于3D打印，该负泊松比结构具有典型的负泊松比形变特征，典型的弯曲主导的力学响应；负泊松比结构在较大压缩应变区间下具有十分平稳的平台应力，没有任何急剧塌陷和灾难性破坏，这体现出负泊松比结构设计的合理性，这为设计高应变或抗冲击功能器件提供了难得的机会。难得的机会。难得的机会。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于3D打印的三维负泊松比结构


[0001]本技术涉及负泊松比结构
，尤其涉及一种适用于3D打印的三维负泊松比结构。

技术介绍

[0002]通常认为，几乎所有的材料泊松比值都为正，约为1/3，橡胶类材料为 1/2，金属铝为0.133，铜为0.127，典型的聚合物泡沫为0.11～0.14等，即这些材料在拉伸时材料的横向发生收缩。而负泊松比效应，是指受拉伸时，材料在弹性范围内横向发生膨胀；而受压缩时，材料的横向反而发生收缩。这种现象在热力学上是可能的，但通常材料中并没有普遍观察到负泊松比效应的存在。近年来发现的一些特殊结构的材料具有负泊松比效应，由于其奇特的性能而倍受材料科学家和物理学家们的重视该负泊松比结构可以作为夹芯结构的面层，起到保护芯材和提高结构整体的力学性能的作用。
[0003]与一般泊松比为正的材料相反，泊松比为负的材料和结构在拉力作用下横向扩展，在压力作用下横向内缩。负泊松比材料和结构以其独特的方式受到了广泛的关注和研究。实验证明，该类功能性材料具有良好的力学性能，包括抗剪切、抗压痕性、抗冲击、良好的能量吸收能力，具有广阔的工业应用前景。由于3D打印技术在结构可制造性方面的局限，许多常规负泊松比结构不能通过3D打印技术成型。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，为解决上述问题，本技术的实施例提供了一种适用于3D打印的三维负泊松比结构。
[0005]本技术的实施例提供一种适用于3D打印的三维负泊松比结构，包括：
[0006]多个平面螺旋结构，在上下向间隔设置，所述平面螺旋结构包括多个螺旋单元，所述螺旋单元包括多个螺旋臂，所述螺旋臂呈椭圆的四分之一弧长状设置，所述螺旋臂内端与椭圆长轴端点重合，外端与该椭圆短轴端点重合，所述螺旋单元由一所述螺旋臂以所述内端为中心环形阵列而成，多个所述螺旋臂的内端重合形成中心点；
[0007]多个所述螺旋单元在平面上沿X轴、Y轴依次排列，相邻两个所述螺旋单元呈镜像设置，且通过所述外端固定连接；相邻两个所述平面螺旋结构的所述螺旋单元在上下向一一对应，且呈镜像设置；
[0008]倾斜支撑结构，包括多个倾斜角度相同的倾斜杆，上下相邻两个所述螺旋单元的所述螺旋臂外端一一对应，且分别通过所述倾斜杆连接。
[0009]进一步地，所述倾斜杆的倾斜角度为30
‑
60
°
。
[0010]进一步地，每一所述螺旋单元的所述螺旋臂外端位于正多边形的边长上，所述正多边形的边长数量与所述螺旋臂的数量相同，且每一所述螺旋臂与每一所述边长一一对应且垂直，所述正多边形的边长长度与所述椭圆短轴长度之比为2。
[0011]进一步地，所述螺旋单元的多个所述螺旋臂均匀间隔设置。
[0012]进一步地，每一所述螺旋单元的螺旋臂的数量为三个。
[0013]进一步地，每一所述螺旋单元的螺旋臂的数量为四个。
[0014]进一步地，每一所述螺旋单元的螺旋臂的数量为六个。
[0015]进一步地，所述倾斜杆与所述螺旋臂外端的连接处内侧呈圆角设置。
[0016]本技术的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本技术综合考虑3D打印技术的成形局限，设计新型三维负泊松比结构，该结构负泊松比性能高且适用于3D打印，在压缩实验中，该负泊松比结构具有典型的负泊松比形变特征，典型的弯曲主导的力学响应。负泊松比结构在较大压缩应变区间下具有十分平稳的平台应力，没有任何急剧塌陷和灾难性破坏，这体现出负泊松比结构设计的合理性，这为设计高应变或抗冲击功能器件提供了难得的机会。
附图说明
[0017]图1是本技术提供的适用于3D打印的三维负泊松比结构实施例2 中的螺旋单元的结构示意图；
[0018]图2是本技术提供的适用于3D打印的三维负泊松比结构实施例2 的局部结构示意图；
[0019]图3是图2中适用于3D打印的三维负泊松比结构在拉伸作用下的结构形变示意图；
[0020]图4是图2中适用于3D打印的三维负泊松比结构在压缩作用下的结构形变示意图；
[0021]图5是在压缩载荷下有限元仿真负泊松比结构形变过程；
[0022]图6中a是负泊松比结构力
‑
位移曲线，b、c是负泊松比结构压缩前后的光学图像，d负泊松比结构压缩过程；
[0023]图7中a
‑
c是本技术提供的适用于3D打印的三维负泊松比结构实施例1的结构示意图，d
‑
f是本技术提供的适用于3D打印的三维负泊松比结构实施例2的结构示意图，g
‑
i是本技术提供的适用于3D打印的三维负泊松比结构实施例3的结构示意图；
[0024]图8中a
‑
c是图7中适用于3D打印的三维负泊松比结构实施例2(b 和c中连接处内侧为圆角)的结构示意图。
[0025]图中：螺旋单元100、下螺旋单元101、上螺旋单元102、左螺旋单元 103、右螺旋单元104、前螺旋单元105、后螺旋单元106、可变空间107、螺旋臂1、内端11、外端12、中心点13、倾斜杆2、连接处3。
具体实施方式
[0026]为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本技术实施方式作进一步地描述。
[0027]本技术的实施例提供一种适用于3D打印的三维负泊松比结构，包括多个平面螺旋结构和倾斜支撑结构。
[0028]多个平面螺旋结构在上下向间隔设置，请参见图1和图2，所述平面螺旋结构包括多个螺旋单元100，所述螺旋单元100包括多个螺旋臂1，所述螺旋臂1呈椭圆的四分之一弧长状设置，所述螺旋臂1内端11与椭圆长轴端点重合，外端12与该椭圆短轴端点重合。所述螺旋单元100由一所述螺旋臂1以所述内端11为中心环形阵列而成，所述螺旋单元100的多
个所述螺旋臂1均匀间隔设置，多个所述螺旋臂1的内端11重合形成中心点13。请参见图7，螺旋单元100的螺旋臂1数量为n，每一螺旋单元100的螺旋臂1外端可位于正多边形的边长上，正多边形的边长数量与螺旋臂1的数量相同，且每一螺旋臂1与每一边长一一对应且垂直。为了便于模型的压缩和拉伸，本实施例中，正多边形的边长长度与椭圆短轴长度之比为2，在拉伸和压缩时结构的负泊松比性能都较好，正多边形的边长长度比椭圆短轴长度大于2时，在压缩时结构的负泊松比性能较好，正多边形的边长长度比椭圆短轴长度小于2时，在拉伸时结构的负泊松比性能较好。
[0029]请参见图3和图4，多个所述螺旋单元100在平面上沿X轴、Y轴依次排列，相邻两个所述螺旋单元100呈镜像设置，且通过所述外端12固定连接，周向四个所述螺旋单元100依次通过外端12连接形成可变空间107；在上下向相邻两个所述平面螺旋结构的所述螺旋单元100在上下向一一对应，且呈镜像设置。
[0030]倾斜支撑结构包括多个倾斜角度相同的倾斜杆2，上下相邻两个所述螺旋单元100本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于3D打印的三维负泊松比结构，其特征在于，包括：多个平面螺旋结构，在上下向间隔设置，所述平面螺旋结构包括多个螺旋单元，所述螺旋单元包括多个螺旋臂，所述螺旋臂呈椭圆的四分之一弧长状设置，所述螺旋臂内端与椭圆长轴端点重合，外端与该椭圆短轴端点重合，所述螺旋单元由一所述螺旋臂以所述内端为中心环形阵列而成，多个所述螺旋臂的内端重合形成中心点；多个所述螺旋单元在平面上沿X轴、Y轴依次排列，相邻两个所述螺旋单元呈镜像设置，且通过所述外端固定连接；相邻两个所述平面螺旋结构的所述螺旋单元在上下向一一对应，且呈镜像设置；倾斜支撑结构，包括多个倾斜角度相同的倾斜杆，上下相邻两个所述螺旋单元的所述螺旋臂外端一一对应，且分别通过所述倾斜杆连接。2.如权利要求1所述的适用于3D打印的三维负泊松比结构，其特征在于，所述倾斜杆的倾斜角度为30
‑
60
°
。3.如权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊玮，郝亮，潘瑞琪，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：新型
国别省市：