一种柔性点阵结构的制作方法

本发明涉及柔性制造设备领域，尤其涉及一种柔性点阵结构。

背景技术：

1、柔性制造设备在现代工业中扮演着越来越重要的角色。其灵活性和适应性使其能够适应各种复杂的任务和工作环境，满足不同应用场景的需求。在现有的柔性制造中，通常采用柔性材料来制造设备，使其具有一定的变形能力。这些柔性材料一般采用聚合物或其他复合材料制成，但这种选择也带来了一些问题和局限性。

2、首先，现有柔性材料制成的结构耐磨性较差，限制了它们在高摩擦、高磨损环境下的应用。比如，在一些需要频繁接触和移动的场合，柔性材料容易受到磨损，导致使用寿命缩短，从而增加了维护和更换的成本。此外，聚合物材料在一些特定环境下的化学稳定性和耐久性也存在不足，进一步限制了它们的应用范围。

3、其次，由于柔性材料的加工困难度较高，通常需要特殊的加工工艺和设备来制造满足需求的形状和结构。这不仅提高了制造难度，也增加了制造成本。例如，聚合物或其他复合材料在加工过程中需要进行复杂的模具设计和精密的加工控制，这对于制造企业来说是一个不小的挑战。

4、另外，硅橡胶和氟橡胶等聚合物材料的柔性性能不可调节，灵活性依然较低。这意味着在实际应用中，难以根据具体需求对材料的柔性进行调整，导致设备在一些特定情况下无法充分发挥其功能。例如，在一些需要较大范围变形或复杂运动的应用场景中，现有的柔性材料可能无法提供足够的支持和灵活性。

5、为了克服这些问题，增材制造技术被广泛应用于柔性结构的设计和制造中。增材制造，也称为3d打印，是一种通过逐层添加材料来制造物体的技术。它可以实现复杂形状和结构的制造，减少了传统制造工艺中的限制。然而，现有的增材制造点阵结构也存在一些不足。一方面，现有的增材制造点阵结构在力学性能和耐久性方面仍然有待提高。虽然增材制造技术可以实现复杂的几何形状，但其制造的点阵结构在实际使用中可能会因为应力集中等原因导致结构强度不足，影响其使用寿命。尤其是在一些需要承受较大载荷或频繁运动的应用场景中，这一问题尤为突出。另一方面，现有的增材制造点阵结构在材料选择和加工精度方面也存在一定的局限性。虽然增材制造技术可以使用多种材料，但不同材料的力学性能和加工特性差异较大，如何选择合适的材料并优化加工参数，以实现最佳的结构性能，仍然是一个重要的研究课题。此外，增材制造过程中可能存在的层间结合不良、材料缺陷等问题，也会影响最终结构的性能和质量。

6、此外，现有的增材制造点阵结构在设计和优化方面也存在一定的挑战。由于点阵结构通常具有复杂的几何形状和多尺度的特征，如何进行高效的设计和优化，以满足具体应用的需求，是一个重要的研究方向。现有的设计方法和工具在处理复杂点阵结构时，可能存在计算效率低、优化效果不理想等问题，需要进一步改进和提升。

7、为了实现柔性制造设备的高度灵活性和多功能性，探索新型的结构设计和材料技术具有重要意义。新型的类曲别针形态的柔性点阵结构，正是在这样的背景下提出的。它通过创新的几何形态设计和材料选择，不仅可以提供优异的力学性能和耐久性，还能够实现灵活性和柔性的调节，适应各种复杂的工作环境和应用需求。相信这一新型结构的提出，将为柔性制造设备的发展带来新的机遇和挑战。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提出一种柔性点阵结构。

2、具体技术方案如下：

3、一种柔性点阵结构，由多个尺寸相同的胞元组成，每个胞元由四个基本元素环绕旋转轴做圆周阵列得到，相邻基本元素首尾相连，所述基本元素由具有特定横截面的条状结构在主方向上螺旋扫掠上升一层得到，所述旋转轴位于胞元中心，其方向平行于主方向；

4、胞元在主方向上、垂直于主方向的平面内两个正交方向上呈线性阵列排布；在主方向上，相邻胞元通过基本元素的端部实现连接；在垂直于主方向的平面内，即一层内，胞元内的各基本元素之间、相邻胞元之间通过延长基本元素局部的方式实现连接。

5、进一步地，所述基本元素的特定横截面形状为圆形、矩形、三角形、扇形、圆环、工字形中的任意一种。

6、进一步地，所述基本元素的螺旋升角在5°至45°之间无极调节。

7、进一步地，所述基本元素的扫掠轨迹由两条半螺旋线以及两条连接直线组成，半螺旋线所对应的部分为螺旋段，直线所对应的部分为直线段，基本元素的螺旋段与直线段交错相连排列；将某个基本元素的直线段在垂直于主方向的平面内的投影方向记为长度方向，依据右手法则，取垂直于主方向的平面内另一与主方向、长度方向均垂直的方向为宽度方向；在垂直于主方向的平面内，胞元沿长度方向和宽度方向进行阵列。

8、进一步地，对于多个胞元在主方向上堆叠多层的点阵结构，位于点阵底层和顶层的基本元素，均将基本元素的端面延伸，并拐向胞元内的旋转轴，与其余基本元素的延伸段互相连接，实现胞元内的各基本元素之间的连接。

9、进一步地，对于多层且每层具有多胞元的点阵结构，位于点阵顶层的胞元之间不进行连接，仅进行胞元内各基本元素之间的连接，具体为：基本元素的端部延伸，并拐向胞元内的旋转轴，与其余基本元素的延伸段互相连接；

10、对于多层且每层具有多胞元的点阵结构，位于点阵底层的胞元之间，胞元的基本元素的端面向同层的相邻四个胞元整体的中心轴延伸，并与其他胞元的延伸段互相连接，实现不同胞元之间的连接。

11、进一步地，所述基本元素的扫掠轨迹由两条半螺旋线，半螺旋线所对应的部分为螺旋段；将某个基本元素的直线段在垂直于主方向的平面内的投影方向记为长度方向，依据右手法则，取垂直于主方向的平面内另一与主方向、长度方向均垂直的方向为宽度方向；在垂直于主方向的平面内，胞元沿长度方向和宽度方向进行阵列。

12、进一步地，在长度和宽度方向上，其中一个螺旋段不与另一螺旋段相接的一端，延伸有镜像回转的连接段，该连接段向所属胞元的旋转轴延伸，与其余基本元素的连接段相连接，实现胞元内各基本元素之间的连接；两个螺旋段之间额外镜像设置回转方向与螺旋段相反的另一连接段，该连接段同时连接两个螺旋段，并拐向基本元素的外侧，向同层的相邻胞元延伸，且与其他胞元的延伸部分相交于相邻四个胞元整体的中心轴，实现不同胞元之间的连接。

13、进一步地，所用的材料为塑料、钛合金、铝合金、镁合金、钢中的任意一种。

14、进一步地，采用增材制造技术一体化成型得到。

15、本发明的有益效果是：

16、（1）本发明提出的柔性点阵结构，构成其的基本元素之间通过延长段相互连接，基本元素为螺旋结构，得益于螺旋结构的弹性特性，整体点阵结构具备一定的柔性特性，从而可以实现偏离主方向一定角度的变形和扭曲；另外，可以通过调整柔性点阵结构的连接方式和参数，改变点阵结构的形状和刚度，使整体结构具备柔性特性可编辑的特点，具有高度灵活的特性，这种灵活性使得它能够适应不同的工作环境和任务需求，具有更广泛的应用潜力。

17、（2）本发明提出的柔性点阵结构具备良好的变形能力，使得其具有较好的抗冲击和吸能性能，这使得柔性点阵结构在应对意外冲击或碰撞时能够吸收能量，减少损坏和损失，提高设备的安全性和可靠性。

18、（3）本发明提出的柔性点阵结构可以通过适当的设计和控制，实现多种功能的组合，例如，可以将传感器、执行器或其他附件集成到结构中，实现感知、操控和交互等多种功能，提高设备的智能化和自主性。