一种无支撑3d打印三维负泊松比结构的方法
阅读说明：本技术 一种无支撑3d打印三维负泊松比结构的方法 (Method for 3D printing of three-dimensional negative Poisson ratio structure without support ) 是由 黄进 甘霖 夏涛 胡欢 黄奕 黄海涛 于 2020-12-30 设计创作，主要内容包括：本发明属于3D打印技术领域,涉及一种无支撑3D打印三维负泊松比结构的方法,根据无支撑3D打印的条件和算法,对三维负泊松比结构特定设计；通过标准CAD软件建立符合要求的三维负泊松比结构模型,通过在打印软件中调控打印工艺,并且清除全部添加支撑材料的选项,再上传至3D打印机层层无支撑构建模型；本发明所述的无支撑3D打印技术在制造负泊松比材料时不需添加任何支撑材料,从而适用于各类打印材料制造,解除使用常规3D打印技术制造负泊松比材料时对打印原材料的苛刻要求。(The invention belongs to the technical field of 3D printing, and relates to a method for 3D printing of a three-dimensional negative Poisson ratio structure without support, which is specially designed for the three-dimensional negative Poisson ratio structure according to the condition and algorithm of 3D printing without support; establishing a three-dimensional negative Poisson ratio structural model meeting the requirements through standard CAD software, regulating and controlling a printing process in printing software, removing all options of adding supporting materials, and uploading to a 3D printer to construct a model layer by layer without support; the unsupported 3D printing technology does not need to add any supporting material when manufacturing the negative Poisson ratio material, thereby being suitable for manufacturing various printing materials and relieving the rigorous requirement on printing raw materials when manufacturing the negative Poisson ratio material by using the conventional 3D printing technology.)
技术领域
本发明属于3D打印技术领域，涉及一种无支撑3D打印三维负泊松比结构的方法。
背景技术
相较于传统的正泊松比材料相比，负泊松比材料在抗剪切、抗断裂、能量吸收等许多性能上具有独特的优点。负泊松比材料的性能通常通过特殊的结构设计来获得，即由周期性排列的负泊松比单元组成，如手性结构、重入结构等。近年来，制造技术迅速发展，如3D打印技术，已经能够制造从微观到宏观的任意复杂结构，使得结构和功能一体化制造成为可能。3D打印是一种通过计算机辅助设计逐层预定义的可控结构来创建复杂三维对象的制造技术，克服了传统制造工艺无法利用三维空间中高度有序的结构来实现复杂设计的长期障碍。
但是，大部分三维负泊松比结构主要是基于凹多面体构建的，在通过常规3D打印技术制造时需要在向下的凹点部分添加额外的支撑材料来保证结构整体的成型。而通过不需要添加支撑的特定3D打印原理(如数字光处理打印技术)制造需要发展适配的材料。因此，在泊松比材料制造过程中极大地限制负泊松比材料应对不同应用场景的材料选择。
针对此问题，需要设计一种无支撑3D打印负泊松比结构的方法，稳定支持使用多类原材料进行无支撑3D打印，解除使用常规3D打印技术制造负泊松比材料时苛刻的原材料要求。
发明内容
有鉴于此，本发明为了解决常规3D打印制造负泊松比材料存在极大的原材料选用限制，影响负泊松比材料应对不同应用场景的问题，提供一种无支撑3D打印三维负泊松比结构的方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种无支撑3D打印三维负泊松比结构的方法，包括以下步骤：
A、使用标准CAD软件设计三维负泊松比结构模型，三维负泊松比结构整体是由具有厚度的重复十六面体单元构建而成，其中每个十六面体单元由六条表面折痕线和八条外边界线构成，每个十六面体单元平面参数为：A(0，a，-b)；B(b，a，0)；C(b，0，-b)；D(b，-a，0)；E(0，-a，-b)；F(-b，-a，0)；G(-b，0，-b)；H(-b，a，0)；O(0，0，0)；其中a值的取值范围为80～90，b值的取值范围为45～55；十六面体单元厚度定义在z轴方向，以各对应点的坐标增减20～60获得z坐标值以形成不同厚度的十六面体单元实体；构建好的十六面体单元实体于空间中分别以x，y方向排列形成带厚度的平面板结构，十六面体单元数量：x方向Nx≥2，y方向Ny≥1；相邻两块平面板结构以二面角θ组装以形成正四面体框架，30°＜θ＜40°，二面角θ定义为：
B、选择不同3D打印原材料；
C、输入适合的文件格式导入打印软件，根据不同打印原料粘流特性设置打印工艺，打印过程不需要添加任何支撑材料；
D、对模型切片，形成打印路径，建立模型，将模型上传至3D打印机；
E、无支撑3D打印整体成型，得到负泊松比结构打印成品。
进一步，步骤A中三维负泊松比结构没有绝对悬垂特征以满足3D打印过程不添加任何支撑材料的条件。
进一步，步骤A中a值为86.603，b值为50。
进一步，步骤A中Nx为7，Ny为3，θ为35.264°。
进一步，步骤B中3D打印原材料为热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)、聚乳酸(PLA)、聚己内酯(PCL)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)中的一种。
进一步，步骤C中三维负泊松比结构在3D打印技术制造时，清除所有支撑选项设置，在一层一层堆积的过程中保持良好的打印形态。
本发明的有益效果在于：
1、本发明所公开的无支撑3D打印三维负泊松比结构的方法，根据无支撑3D打印的条件和算法，对三维负泊松比结构合理设计。通过标准CAD软件设计符合要求三维负泊松比结构，通过在打印软件中调控打印工艺，并且清除全部添加支撑材料的选项，再上传至3D打印机层层无支撑构建模型。本发明所述的无支撑3D打印技术在制造负泊松比材料时不需添加任何支撑材料，从而适用于各类打印材料制造，解除使用常规3D打印技术制造负泊松比材料时对打印原材料的苛刻要求。
2、本发明所公开的无支撑3D打印三维负泊松比结构的方法，明确无支撑3D打印的条件和算法，合理设计结构使得在每一层的堆积过程中需要伸出的部分形成比上一层更大的轮廓。以此为基础层层构建，实现整体负泊松比结构的无支撑3D打印。本发明的负泊松比结构整体由重复的四面体框架构建，单体是十六面体结构单元，为其配置不同的厚度参数。将具厚度特征的十六面体结构单元经过排列、组装和堆叠等过程构建稳定的三维负泊松比结构。无支撑3D打印制造的三维负泊松比结构同样呈现出良好的打印形态。
3、本发明所公开的无支撑3D打印三维负泊松比结构的方法，采用常规3D打印技术且使用不同原材料来制造三维负泊松比结构，打印过程皆稳定支持不添加任何额外的支撑材料，且打印成品形态良好，材料选择范围广，材料利用率提高。解除常规3D打印制造主要的基于凹多面体构建的负泊松比结构时苛刻的原材料要求。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明无支撑3D打印三维负泊松比结构的方法的工艺流程图；
图2为本发明无支撑3D打印三维负泊松比结构的方法中三维负泊松比结构图；
图3为本发明无支撑3D打印三维负泊松比结构的方法中三维负泊松比十六面体单元参数定义图；
图4为本发明无支撑3D打印三维负泊松比结构的方法中正四面体框架图；
图5为本发明无支撑3D打印三维负泊松比结构的方法中三维负泊松比结构构建的流程图；
图6为本发明实施例1中三维负泊松比结构无支撑3D打印TPU材料成品图；
图7为本发明实施例2中三维负泊松比结构无支撑3D打印ABS材料成品图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
常规3D打印在一层上堆积的材料有一定的宽度，采用交错粘结的方式，打印层可以比上一层轮廓更大，由此产生了无支撑3D打印的条件。根据无支撑3D打印的条件和算法，合理设计负泊松比结构。负泊松比结构必须保证没有绝对悬垂特征以满足打印过程不添加任何支撑材料的条件。符合上述结构特征的三维负泊松比结构在以常规3D打印技术制造时，清除所有支撑选项设置后，在一层一层堆积的过程中可以保持良好的打印形态。该无支撑3D打印技术适用于多类材料(如TPU，PLA，PCL等)对负泊松比结构进行无支撑3D打印制造。
如图1所示的无支撑3D打印三维负泊松比结构的方法，在解除常规3D打印原材料限制的前提下，保持其他打印特点与常规3D打印技术无异，功能相同，包括以下步骤：
A、使用标准CAD软件设计三维负泊松比结构模型，三维负泊松比结构整体是由具有厚度的重复十六面体单元构建而成，其中每个十六面体单元由六条表面折痕线和八条外边界线构成，每个十六面体单元平面参数为：A(0，a，-b)；B(b，a，0)；C(b，0，-b)；D(b，-a，0)；E(0，-a，-b)；F(-b，-a，0)；G(-b，0，-b)；H(-b，a，0)；O(0，0，0)；其中a值的取值范围为80～90，b值的取值范围为45～55；十六面体单元厚度定义在z轴方向，以各对应点的坐标增减20～60获得z坐标值以形成不同厚度的十六面体单元实体；构建好的十六面体单元实体于空间中分别以x，y方向排列形成带厚度的平面板结构，十六面体单元数量：x方向Nx≥2，y方向Ny≥1；相邻两块平面板结构以二面角θ组装以形成正四面体框架，二面角θ定义为：
B、选择不同3D打印原材料；
C、输入适合的文件格式导入打印软件，根据不同打印原料粘流特性设置打印工艺，打印过程不需要添加任何支撑材料；
D、对模型切片，形成打印路径，建立模型，将模型上传至3D打印机；
E、无支撑3D打印整体成型，得到负泊松比结构打印成品。
实施例1
实施例1为无支撑3D打印TPU三维负泊松比材料工艺
如图1～5所示，根据无支撑3D打印的条件和算法，在标准CAD软件中设计符合结构特征的三维负泊松比结构模型。
每个十六面体单元由六条表面折痕线和八条外边界线构成，每个十六面体单元平面参数为：A(0，86.603，-50)；B(50，86.603，0)；C(50，0，-50)；D(50，-86.603，0)；E(0，-86.603，-50)；F(-50，-86.603，0)；G(-50，0，-50)；H(-50，86.603，0)；O(0，0，0)；A'(0，86.603，-70)；B'(50，86.603，-20)；C'(50，0，-70)；D'(50，-86.603，-20)；E'(0，-86.603，-70)；F'(-50，-86.603，-20)；G'(-50，0，-70)；H'(-50，86.603，-20)；O'(0，0，-20)；获得形成厚度为0.2的十六面体单元实体；
将构建好的十六面体单元7×3的阵列组成平面板结构，两块平面板以35.264°的二面角两两组合，将其中一块平面板组合水平旋转90°，再竖直旋转180°后与另一块组装构建三维正四面体结构前体，将两个相同几何结构的三维正四面体结构前体镜像堆叠以完成三维负泊松比结构的设计。输出STL文件并导入到3D打印机配套的打印软件，在软件中对参数进行设置及对模型进行处理。清除全部的添加支撑材料选项，对模型切片后形成打印预览，通过预览检查无支撑3D打印过程是否顺利进行。上传到3D打印机，然后打印机一层一层无支撑构建模型。
使用TPU耗材进行无支撑3D打印，打印工艺根据材料的粘流特性设置。TPU打印耗材打印工艺设置如下：
得到的三维负泊松比结构模型打印成品如图6所示，模型呈现出良好的打印形态，细节处理符合打印要求。
实施例2
实施例2为无支撑3D打印ABS三维负泊松比材料工艺
同样如图1～5所示，根据无支撑3D打印的条件和算法，在标准CAD软件中设计符合结构特征的三维负泊松比结构模型。
每个十六面体单元由六条表面折痕线和八条外边界线构成，每个十六面体单元平面参数为：A(0，86.603，-50)；B(50，86.603，0)；C(50，0，-50)；D(50，-86.603，0)；E(0，-86.603，-50)；F(-50，-86.603，0)；G(-50，0，-50)；H(-50，86.603，0)；O(0，0，0)；A'(0，86.603，-70)；B'(50，86.603，-20)；C'(50，0，-70)；D'(50，-86.603，-20)；E'(0，-86.603，-70)；F'(-50，-86.603，-20)；G'(-50，0，-70)；H'(-50，86.603，-20)；O'(0，0，-20)；获得形成厚度为0.2的十六面体单元实体；
将构建好的十六面体单元7×3的阵列组成平面板结构，两块平面板以35.264°的二面角两两组合，将其中一块平面板组合水平旋转90°，再竖直旋转180°后与另一块组装构建三维正四面体结构前体，将两个相同几何结构的三维正四面体结构前体镜像堆叠以完成三维负泊松比结构的设计。输出STL文件并导入到3D打印机配套的打印软件，在软件中对参数进行设置及对模型进行处理。
经打印软件处理上传至3D打印机，清除全部添加支撑的选项，进行层层无支撑构建。
ABS打印耗材打印工艺设置如下：
得到的三维负泊松比结构模型打印成品如图7所示，模型呈现出良好的打印形态，细节处理符合打印要求。
此外打印耗材可采用更多种类的打印材料(如PLA、PCL等)，皆稳定支持本发明所述的无支撑3D打印制造三维负泊松比结构的方法。通过无支撑3D打印技术赋予不同的材料负泊松比性质，实现多类材料力学性能增强。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
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