發(fā)布時(shí)間：2019-10-24 15:57

【摘要】：利用3D打印數(shù)字制造、堆積制造的技術(shù)優(yōu)勢(shì),制作具有顯著減阻效果的仿鯊魚(yú)體表皮盾鱗肋條結(jié)構(gòu)。根據(jù)已得到的單個(gè)盾鱗結(jié)構(gòu)圖,結(jié)合真實(shí)尺寸建模制造,利用Rhino軟件數(shù)字建模單個(gè)盾鱗并陣列化,得到仿鯊魚(yú)表皮三維模型。以尼龍、未來(lái)8000樹(shù)脂為3D打印線材,成功打印復(fù)制出具有鯊魚(yú)盾鱗肋條結(jié)構(gòu)的仿生陰、陽(yáng)模板,為功能性生物表面的高精度、微尺度復(fù)制提供了新的思路方法。
【圖文】：

塑料工業(yè)2017年高逼真仿生復(fù)制提供了新的方法。1鯊魚(yú)皮盾鱗肋條結(jié)構(gòu)建模1.1單個(gè)盾鱗建模采集到的鯊魚(yú)皮(短尾真鯊)樣本單個(gè)盾鱗結(jié)構(gòu)如圖1所示，盾鱗呈釉質(zhì)，質(zhì)地堅(jiān)硬，且盾鱗不隨魚(yú)體生長(zhǎng)而長(zhǎng)大，由上部鱗棘和下部基板構(gòu)成懸臂梁結(jié)構(gòu)［7－8］。圖1單個(gè)盾鱗結(jié)構(gòu)示意圖Fig1Singleplacoidscalesofsharkskin利用建模軟件，建模單個(gè)鯊魚(yú)盾鱗結(jié)構(gòu)，根據(jù)實(shí)際鯊魚(yú)盾鱗溝槽寬度與盾鱗長(zhǎng)度的比值，等比例放大，以保證鯊魚(yú)盾鱗應(yīng)有的尺寸特性，避免因尺寸誤差降低減阻性能。根據(jù)盾鱗形貌特性，首先建立nurbs立方體，在此基礎(chǔ)上使用線和面的添加和拉伸基礎(chǔ)大致建模出單個(gè)鱗片的雛形，如圖2所示。圖2單個(gè)鱗片建模雛形Fig2Modelingminiatureofasingleplacoidscale將單個(gè)鱗片建模雛形與真實(shí)的鯊魚(yú)鱗片溝槽橫截面圖，如圖3a相對(duì)比，進(jìn)一步優(yōu)化溝槽形狀。對(duì)照形式如圖3b所示，將肋條溝槽曲線與真實(shí)鯊魚(yú)鱗片溝槽輪廓對(duì)照擬合，反復(fù)調(diào)整模型的各個(gè)線和面，最大程度還原鱗片輪廓，減小實(shí)際誤差，擬合后的鯊魚(yú)盾鱗建模如圖3c所示，建模后的單個(gè)盾鱗溝槽曲面與真實(shí)盾鱗曲面近似完全擬合。a－盾鱗橫截面圖b－對(duì)照過(guò)程c－擬合后盾鱗建模圖3對(duì)照擬合盾鱗建模雛形Fig3Contrastingfittingmodelingminiatureofplacoidscale在陣列化盾鱗時(shí)，首先要解決3D打印陽(yáng)模陣列化模型的問(wèn)題。陽(yáng)模即按照一定比例放大制作的仿鯊魚(yú)盾鱗肋條結(jié)構(gòu)，便于觀察研究鯊魚(yú)表皮的減阻機(jī)理，同時(shí)陽(yáng)模的制作簡(jiǎn)單，可達(dá)到的精度較高，為制作陰模時(shí)需要的布爾差值建模運(yùn)算提供精確的模板。前期所制作的單個(gè)盾鱗模型，鱗片根部過(guò)細(xì)，3D打印時(shí)會(huì)添加額外支撐結(jié)構(gòu)以保證其強(qiáng)度，會(huì)帶來(lái)成本過(guò)高、降低精度、提高制作難度等一系列問(wèn)題，因此把根部基板加粗，使單個(gè)鱗片變成

構(gòu)建模1.1單個(gè)盾鱗建模采集到的鯊魚(yú)皮(短尾真鯊)樣本單個(gè)盾鱗結(jié)構(gòu)如圖1所示，盾鱗呈釉質(zhì)，質(zhì)地堅(jiān)硬，且盾鱗不隨魚(yú)體生長(zhǎng)而長(zhǎng)大，由上部鱗棘和下部基板構(gòu)成懸臂梁結(jié)構(gòu)［7－8］。圖1單個(gè)盾鱗結(jié)構(gòu)示意圖Fig1Singleplacoidscalesofsharkskin利用建模軟件，建模單個(gè)鯊魚(yú)盾鱗結(jié)構(gòu)，根據(jù)實(shí)際鯊魚(yú)盾鱗溝槽寬度與盾鱗長(zhǎng)度的比值，等比例放大，以保證鯊魚(yú)盾鱗應(yīng)有的尺寸特性，避免因尺寸誤差降低減阻性能。根據(jù)盾鱗形貌特性，首先建立nurbs立方體，在此基礎(chǔ)上使用線和面的添加和拉伸基礎(chǔ)大致建模出單個(gè)鱗片的雛形，如圖2所示。圖2單個(gè)鱗片建模雛形Fig2Modelingminiatureofasingleplacoidscale將單個(gè)鱗片建模雛形與真實(shí)的鯊魚(yú)鱗片溝槽橫截面圖，如圖3a相對(duì)比，進(jìn)一步優(yōu)化溝槽形狀。對(duì)照形式如圖3b所示，將肋條溝槽曲線與真實(shí)鯊魚(yú)鱗片溝槽輪廓對(duì)照擬合，反復(fù)調(diào)整模型的各個(gè)線和面，最大程度還原鱗片輪廓，減小實(shí)際誤差，擬合后的鯊魚(yú)盾鱗建模如圖3c所示，建模后的單個(gè)盾鱗溝槽曲面與真實(shí)盾鱗曲面近似完全擬合。a－盾鱗橫截面圖b－對(duì)照過(guò)程c－擬合后盾鱗建模圖3對(duì)照擬合盾鱗建模雛形Fig3Contrastingfittingmodelingminiatureofplacoidscale在陣列化盾鱗時(shí)，首先要解決3D打印陽(yáng)模陣列化模型的問(wèn)題。陽(yáng)模即按照一定比例放大制作的仿鯊魚(yú)盾鱗肋條結(jié)構(gòu)，便于觀察研究鯊魚(yú)表皮的減阻機(jī)理，同時(shí)陽(yáng)模的制作簡(jiǎn)單，可達(dá)到的精度較高，，為制作陰模時(shí)需要的布爾差值建模運(yùn)算提供精確的模板。前期所制作的單個(gè)盾鱗模型，鱗片根部過(guò)細(xì)，3D打印時(shí)會(huì)添加額外支撐結(jié)構(gòu)以保證其強(qiáng)度，會(huì)帶來(lái)成本過(guò)高、降低精度、提高制作難度等一系列問(wèn)題，因此把根部基板加粗，使單個(gè)鱗片變成為一個(gè)圓柱狀，但是將重要的盾鱗及其溝槽全部保留，如圖4所示。
【作者單位】： 山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院;
【基金】：國(guó)家自然科學(xué)基金(51375283;51005139) 山東省優(yōu)秀中青年科學(xué)家科研獎(jiǎng)勵(lì)基金(BS2012ZZ010) 山東省高等學(xué)校優(yōu)勢(shì)學(xué)科人才團(tuán)隊(duì)培育計(jì)劃
【分類號(hào)】：TB391;TP391.73

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1 劉博;姜鵬;李旭朝;桂泰江;田黎;秦松;;鯊魚(yú)盾鱗肋條結(jié)構(gòu)的減阻仿生研究進(jìn)展[J];材料導(dǎo)報(bào);2008年07期

本文編號(hào)：2552614