鲨鱼盾鳞3D打印复制工艺研究

发布时间：2019-10-24 15:57

【摘要】：利用3D打印数字制造、堆积制造的技术优势,制作具有显著减阻效果的仿鲨鱼体表皮盾鳞肋条结构。根据已得到的单个盾鳞结构图,结合真实尺寸建模制造,利用Rhino软件数字建模单个盾鳞并阵列化,得到仿鲨鱼表皮三维模型。以尼龙、未来8000树脂为3D打印线材,成功打印复制出具有鲨鱼盾鳞肋条结构的仿生阴、阳模板,为功能性生物表面的高精度、微尺度复制提供了新的思路方法。
【图文】：

形貌,结构示意图,鲨鱼,鳞片

塑料工业2017年高逼真仿生复制提供了新的方法。1鲨鱼皮盾鳞肋条结构建模1.1单个盾鳞建模采集到的鲨鱼皮(短尾真鲨)样本单个盾鳞结构如图1所示，盾鳞呈釉质，质地坚硬，且盾鳞不随鱼体生长而长大，由上部鳞棘和下部基板构成悬臂梁结构［7－8］。图1单个盾鳞结构示意图Fig1Singleplacoidscalesofsharkskin利用建模软件，建模单个鲨鱼盾鳞结构，根据实际鲨鱼盾鳞沟槽宽度与盾鳞长度的比值，等比例放大，以保证鲨鱼盾鳞应有的尺寸特性，避免因尺寸误差降低减阻性能。根据盾鳞形貌特性，首先建立nurbs立方体，在此基础上使用线和面的添加和拉伸基础大致建模出单个鳞片的雏形，如图2所示。图2单个鳞片建模雏形Fig2Modelingminiatureofasingleplacoidscale将单个鳞片建模雏形与真实的鲨鱼鳞片沟槽横截面图，如图3a相对比，进一步优化沟槽形状。对照形式如图3b所示，将肋条沟槽曲线与真实鲨鱼鳞片沟槽轮廓对照拟合，反复调整模型的各个线和面，最大程度还原鳞片轮廓，减小实际误差，拟合后的鲨鱼盾鳞建模如图3c所示，建模后的单个盾鳞沟槽曲面与真实盾鳞曲面近似完全拟合。a－盾鳞横截面图b－对照过程c－拟合后盾鳞建模图3对照拟合盾鳞建模雏形Fig3Contrastingfittingmodelingminiatureofplacoidscale在阵列化盾鳞时，首先要解决3D打印阳模阵列化模型的问题。阳模即按照一定比例放大制作的仿鲨鱼盾鳞肋条结构，便于观察研究鲨鱼表皮的减阻机理，同时阳模的制作简单，可达到的精度较高，为制作阴模时需要的布尔差值建模运算提供精确的模板。前期所制作的单个盾鳞模型，鳞片根部过细，3D打印时会添加额外支撑结构以保证其强度，会带来成本过高、降低精度、提高制作难度等一系列问题，因此把根部基板加粗，使单个鳞片变成

形貌,鳞片,雏形,建模

构建模1.1单个盾鳞建模采集到的鲨鱼皮(短尾真鲨)样本单个盾鳞结构如图1所示，盾鳞呈釉质，质地坚硬，且盾鳞不随鱼体生长而长大，由上部鳞棘和下部基板构成悬臂梁结构［7－8］。图1单个盾鳞结构示意图Fig1Singleplacoidscalesofsharkskin利用建模软件，建模单个鲨鱼盾鳞结构，根据实际鲨鱼盾鳞沟槽宽度与盾鳞长度的比值，等比例放大，以保证鲨鱼盾鳞应有的尺寸特性，避免因尺寸误差降低减阻性能。根据盾鳞形貌特性，首先建立nurbs立方体，在此基础上使用线和面的添加和拉伸基础大致建模出单个鳞片的雏形，如图2所示。图2单个鳞片建模雏形Fig2Modelingminiatureofasingleplacoidscale将单个鳞片建模雏形与真实的鲨鱼鳞片沟槽横截面图，如图3a相对比，进一步优化沟槽形状。对照形式如图3b所示，将肋条沟槽曲线与真实鲨鱼鳞片沟槽轮廓对照拟合，反复调整模型的各个线和面，最大程度还原鳞片轮廓，减小实际误差，拟合后的鲨鱼盾鳞建模如图3c所示，建模后的单个盾鳞沟槽曲面与真实盾鳞曲面近似完全拟合。a－盾鳞横截面图b－对照过程c－拟合后盾鳞建模图3对照拟合盾鳞建模雏形Fig3Contrastingfittingmodelingminiatureofplacoidscale在阵列化盾鳞时，首先要解决3D打印阳模阵列化模型的问题。阳模即按照一定比例放大制作的仿鲨鱼盾鳞肋条结构，便于观察研究鲨鱼表皮的减阻机理，同时阳模的制作简单，可达到的精度较高，，为制作阴模时需要的布尔差值建模运算提供精确的模板。前期所制作的单个盾鳞模型，鳞片根部过细，3D打印时会添加额外支撑结构以保证其强度，会带来成本过高、降低精度、提高制作难度等一系列问题，因此把根部基板加粗，使单个鳞片变成为一个圆柱状，但是将重要的盾鳞及其沟槽全部保留，如图4所示。
【作者单位】：山东理工大学农业工程与食品科学学院;
【基金】：国家自然科学基金(51375283;51005139) 山东省优秀中青年科学家科研奖励基金(BS2012ZZ010) 山东省高等学校优势学科人才团队培育计划
【分类号】：TB391;TP391.73

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