基于3D打印成型的仿生抗冲击防护结构及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种基于3D打印成型的仿生抗冲击防护结构及其制备方法，所述结构中，外侧迎撞层由面状基底以及均匀分布在基底外表面上的伞状单元结构组成，伞状单元结构由若干仿雀尾螳螂虾尾部扇形扩散棱柱结构的径向棱条构成；中间抗撞击坯层由若干均匀分布，轴向垂直于外侧迎撞层与内侧缓冲层，且相互平行设置的仿生柱体构成；所述仿生柱体是由多根单元纤维柱绕中心轴旋转排布组成的仿雀尾螳螂前鳌微观结构；内侧缓冲层内部设有若干呈规则分布的球形空腔，且越靠近抗撞击中间坯层一侧的球形空腔的直径越小。所述结构通过3D打印的方式一体成型。本发明专利技术所述结构在轻量化程度较高的同时具有优异的耐冲击性能，且制备方法简单可有效降低生产成本。可有效降低生产成本。

【技术实现步骤摘要】
基于3D打印成型的仿生抗冲击防护结构及其制备方法


[0001]本专利技术属于生抗冲击防护结构
，具体涉及基于3D打印成型的仿生抗冲击防护结构及其制备方法。

技术介绍

[0002]抗冲击防护结构在日常生活、生产以及军事活动中有着广泛应用，如汽车保险杠、数据记录仪壳体以及防弹衣等。抗冲击防护结构可以起到吸收能量、保护机构本体、减少机构本体损伤的作用，是许多机械装置及精密仪器的关键结构件之一。
[0003]现有技术中，抗冲击防护结构存在以下不足：
[0004]1、目前工业中常用的抗冲击结构大多由多个零部件组合而成，结构复杂，加工工序多、生产周期长；
[0005]2、多数抗冲击结构所用零部件为实心材质，抗撞击性能有限，并具有重量大、成本高的弊端；
[0006]3、由多个零部件组装构成的抗冲击结构，在受到冲击时对冲击力的传导扩散效率有限，并且零部件相连接部位较脆弱，容易在承受载荷时受损失效。
[0007]4、现有的抗冲击结构抗冲击效果一般，难以实现对较大冲击力的有效阻挡，防护效果有限。
[0008]此外，经研究发现，雀尾螳螂虾作为典型的肉食节肢动物，捕食过程中，其前鳌可对猎物造成极强的冲击，最高可达60千克的冲击力，基于里的相互作用，雀尾螳螂虾的前鳌同样需要应对极强的冲击力。通过研究表明，雀尾螳螂虾的前鳌具有重量轻且耐冲击的特征；此外，研究还发现，雀尾螳螂虾尾部扇形扩散的棱柱结构具有快速传导冲击的性能，可快速将冲击力传导分散至整个平面。
[0009]故，效仿雀尾螳螂虾前鳌及尾部的结构构造可为仿生抗冲击防护结构设计提供重要思路，以达到轻量、耐冲击、提高冲击力传导和分散效率的目的。

技术实现思路

[0010]针对上述现有技术中存在的缺陷，本专利技术提供了一种基于3D打印成型的仿生抗冲击防护结构及其制备方法，该结构在轻量化程度较高的同时具有优异的耐冲击性能，且制备方法简单可有效降低生产成本。结合说明书附图，本专利技术的技术方案如下：
[0011]一方面，本专利技术公开了一种基于3D打印成型的仿生抗冲击防护结构，其特征在于：
[0012]所述仿生抗冲击防护结构为一体化成型结构，由外侧迎撞层、中间抗撞击坯层和内侧缓冲层组成；
[0013]所述外侧迎撞层由面状基底以及均匀分布在基底外表面上的伞状单元结构组成；所述伞状单元结构由若干仿雀尾螳螂虾尾部扇形扩散棱柱结构的径向棱条构成；
[0014]所述中间抗撞击坯层由若干均匀分布，轴向垂直于外侧迎撞层与内侧缓冲层，且相互平行设置的仿生柱体构成；所述仿生柱体是由多根单元纤维柱绕中心轴旋转排布组成
的仿雀尾螳螂前鳌微观结构，仿生柱体的轴向外轮廓曲线为仿雀尾螳螂前鳌微观结构曲线的内凹弧线；
[0015]所述内侧缓冲层内部设有若干呈规则分布的球形空腔，且越靠近抗撞击中间坯层一侧的球形空腔的直径越小。
[0016]进一步地，所述外侧迎撞层中，伞状单元结构的伞顶表面轮廓线满足如下方程式：
[0017]f(x1)＝a1x
12
+a0x1[0018]上述伞顶表面轮廓线的方程式中：
[0019]a1的取值范围为0.2
‑
0.4；
[0020]a0的取值范围为0.45
‑
0.6；
[0021]x1的取值范围为0m
‑
1.2m。
[0022]更进一步地，伞状单元结构的伞顶表面轮廓线满足如下方程式：
[0023]f(x1)＝0.22x
12
+0.48x1[0024]x1的取值范围为0m
‑
1.2m。
[0025]进一步地，所述外侧迎撞层中，径向棱条的顶面为弧面，其径向横截面顶部曲线满足如下方程式：
[0026]f(x2)＝b1x
22
+b0x2[0027]上述径向棱条径向横截面顶部曲线的方程式中：
[0028]b1的取值范围为2.4
‑
4.2；
[0029]b0的取值范围为1.8
‑
3.6；
[0030]x2的取值范围为0m
‑
0.2m。
[0031]更进一步地，所述径向棱条的径向横截面顶部曲线的方程式为：
[0032]f(x2)＝2.5x
22
+2.2x2[0033]x2的取值范围为0m
‑
0.2m。
[0034]进一步地，所述中间抗撞击坯层中，仿生柱体的轴向外轮廓曲线满足如下方程式：
[0035][0036]上述仿生柱体轴向外轮廓曲线的方程式中：
[0037]a取值范围为0.5
‑
0.8；
[0038]b取值范围为1.5
‑
2.75；
[0039]c取值范围为0.25
‑
2；
[0040]y3的取值范围为0.25m
‑
1.25m。
[0041]更进一步地，所述仿生柱体轴向外轮廓曲线的方程式为：
[0042][0043]y3的取值范围为0.25m
‑
1.25m。
[0044]进一步地，所述内侧缓冲层中，所述球形空腔沿着从远离抗撞击中间坯层一侧向靠近抗撞击中间坯层一侧的方向相互平行地成排分布；
[0045]所述球形空腔设有3
‑
5排；
[0046]靠近抗撞击中间坯层一侧的一排球形空腔的直径为R0，其相邻的远离抗撞击中间
坯层一侧的另一排球形空腔的直径为R'0，且满足：
[0047]R0＝2/3
×
R'0[0048]相邻两排球形空腔依次交错分布。
[0049]另一方面，本专利技术还公开了一种所述基于3D打印成型的仿生抗冲击防护结构的制备方法，所述仿生抗冲击防护结构采用金属、陶瓷或高分子材料，通过3D打印的方式一体成型，先采用墨水直写的3D打印方式实现仿生抗冲击防护结构零件成形，制成原始坯体，然后对原始坯体依次进行清洗、表面增强、修复、高温加热处理，最终获得强度及精度性能达标的仿生抗冲击防护结构。
[0050]进一步地，所述仿生抗冲击防护结构采用陶瓷材料制成；
[0051]所述制备方法具体如下：
[0052]步骤一，采用墨水直写的3D打印方式实现仿生抗冲击防护结构陶瓷零件成形，制成陶瓷原始坯体；
[0053]步骤二，对所述陶瓷原始坯体依次进行清洗、表面增强、修复及干燥等后处理，制成陶瓷预备坯体；
[0054]步骤三，将所述陶瓷预备坯体进行就高温加热，脱去陶瓷预备坯体中的有机物，形成陶瓷加热坯体；
[0055]步骤四，继续对陶瓷加热坯体进行加热，使陶瓷加热坯体内部结构致密化，形成陶瓷高温加热后构件；
[0056]步骤五，对陶瓷高温加热后构件进行冷却，最终获得仿生抗冲击防护结构。
[0057]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于3D打印成型的仿生抗冲击防护结构，其特征在于：所述仿生抗冲击防护结构为一体化成型结构，由外侧迎撞层、中间抗撞击坯层和内侧缓冲层组成；所述外侧迎撞层由面状基底以及均匀分布在基底外表面上的伞状单元结构组成；所述伞状单元结构由若干仿雀尾螳螂虾尾部扇形扩散棱柱结构的径向棱条构成；所述中间抗撞击坯层由若干均匀分布，轴向垂直于外侧迎撞层与内侧缓冲层，且相互平行设置的仿生柱体构成；所述仿生柱体是由多根单元纤维柱绕中心轴旋转排布组成的仿雀尾螳螂前鳌微观结构，仿生柱体的轴向外轮廓曲线为仿雀尾螳螂前鳌微观结构曲线的内凹弧线；所述内侧缓冲层内部设有若干呈规则分布的球形空腔，且越靠近抗撞击中间坯层一侧的球形空腔的直径越小。2.如权利要求1所述基于3D打印成型的仿生抗冲击防护结构，其特征在于：所述外侧迎撞层中，伞状单元结构的伞顶表面轮廓线满足如下方程式：f(x1)＝a1x
12
+a0x1上述伞顶表面轮廓线的方程式中：a1的取值范围为0.2
‑
0.4；a0的取值范围为0.45
‑
0.6；x1的取值范围为0m
‑
1.2m。3.如权利要求2所述基于3D打印成型的仿生抗冲击防护结构，其特征在于：伞状单元结构的伞顶表面轮廓线满足如下方程式：f(x1)＝0.22x
12
+0.48x1x1的取值范围为0m
‑
1.2m。4.如权利要求1所述基于3D打印成型的仿生抗冲击防护结构，其特征在于：所述外侧迎撞层中，径向棱条的顶面为弧面，其径向横截面顶部曲线满足如下方程式：f(x2)＝b1x
22
+b0x2上述径向棱条径向横截面顶部曲线的方程式中：b1的取值范围为2.4
‑
4.2；b0的取值范围为1.8
‑
3.6；x2的取值范围为0m
‑
0.2m。5.如权利要求4所述基于3D打印成型的仿生抗冲击防护结构，其特征在于：所述径向棱条的径向横截面顶部曲线的方程式为：f(x2)＝2.5x
22
+2.2x2x2的取值范围为0m
‑
0.2m。6.如权...

【专利技术属性】
技术研发人员：张志辉，刘孟骐，于征磊，信仁龙，沙路明，任露泉，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：