【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及超材料生物結構構建和制造，特別是指一種基于負泊松比材料的自我生長的人工根系4d增材制造方法。
技術介紹
1、在應對工程建設產生的大量裸露邊坡實施林木根系固土技術中，根系形態直接影響固土護坡效果。由于植被根系復雜且深埋地下，給根系的獲取以及根系形態研究帶來不小困難。通過3d打印得到根系模型是一種解決方案。然而，目前國內外建立根系模型常用方法仍停留在靜態圖形繪制和模型制作方面，難以反應植物動態生長和綜合模擬根系的力學、吸水和持水、以及根系表面摩擦性能。
技術實現思路
1、為了解決現有技術存在的技術問題，本專利技術實施例提供了一種基于負泊松比材料的自我生長的人工根系4d增材制造方法。所述技術方案如下：
2、一種基于負泊松比材料的自我生長的人工根系4d增材制造方法，所述人工根系是由重復單胞結構構建而成，所述方法包括以下步驟：
3、（1）參數化設計芯體單胞結構，由此構建三維負泊松比芯體結構；
4、（2）參數化設計表皮單胞結構，由此構建三維負泊松比管狀結構；
5、（3）將所述芯體結構和所述管狀結構組合成整體結構，3d打印所述整體結構形成單個根；
6、（4）通過調整設計參數，打印多個根系并組裝為復雜三維根系，模擬單根和復雜根系的生長；
7、其中，采用了三維負泊松比材料，所述三維負泊松比材料由重復單胞結構構建而成，其中負泊松比方柱作為根系芯體，負泊松比圓柱作為根系表皮，在外力作用下能壓縮為原體積20%~40%的實
8、可選地，所述方法還包括：測試單根的拉脹、壓縮、彈性模量、抗拉強度、吸水和持水能力、表面摩擦系數，其中所制造的根系具有與真實根系相似的物理力學性質，包括抗拉性能、抗彎性能、吸水和持水性能，以及根系表面摩擦特性。
9、可選地，所采用的3d打印材料為熱塑性聚氨酯（tpu）。
10、可選地，所述芯體單胞為一個對稱的六邊形，由內部和外部兩個六邊形組成，所述外部六邊形的上邊和下邊為水平線段，左右兩邊為等腰三角形的斜邊，內部六邊形與外部六邊形形狀相同但尺寸更小，且兩者之間形成均勻的環形邊框區域，單胞中間兩側伸出兩個長方體短臂，用于單胞之間的連接，用于模擬根系芯體；
11、和/或，所述表皮為管狀多孔結構，由多個連續排列的單胞組成，表皮單胞的形狀與所述芯體單胞的形狀相同，所述單胞通過相鄰邊相互連接，使得相鄰的單胞共享邊緣，形成一個緊密排列的管狀整體，用于模擬根系表皮；
12、和/或，根系芯體和管狀表皮通過共用接觸組成單個整體根系，并用于3d打印成型。
13、可選地，根系根長為至少一個單胞長度，單根直徑為2-200mm，能模擬松、柏和槐等喬木植物根系。
14、可選地，僅需設計一個芯體單胞和一個表皮單胞，然后在空間上周期重復排布生成單根結構，使其具有三維拉脹和壓縮特性，該特性能使其在水環境或熱環境變化下具有膨脹效應，進而模擬根系的生長效果。
15、可選地，負泊松比方柱用于模擬根系芯體，用于模擬根系的抗拉和抗彎力學特性；
16、和/或，負泊松比圓柱用于模擬根系表皮，用于模擬根系的表面摩擦特性。
17、可選地，所述人工根系具有的力學性能為，密度1.1?103-1.2?103kg/m3，抗拉彈性模量為10~25mpa，抗拉強度30-60mpa，彎曲彈性模量10~25mpa；
18、和/或，所述人工根系具有吸水和持水性能，吸水性能由多孔結構的虹吸效應產生，其吸水高度的下限為5cm，上限為30cm，持水性能由多孔結構的水張力膜控制持水，含水率為5~25%；
19、和/或，所述人工根系表面具有真實根系類似摩擦特性，等效摩擦系數為0.2~0.5；根土拔出曲線呈現出非線性形態，初始階段為彈性變形階段，隨著拉力增加，逐漸進入塑性變形階段，最后在達到最大拔出力時根系脫離土壤；可以模擬拔出破壞模式，當根土界面摩擦阻力較大時，也可以模擬根系拉拔斷裂模式。
20、可選地，復雜形態的根系由所述單根組合而成，該根系由多個單根按不同角度、直徑和級別組成，具體包括：
21、(a)?根系角度：
22、-?垂直根，指豎直向下生長的主根，根系生長方向與水平面夾角為60~90度；
23、-?水平根，指從主根或其他側根上長出的水平或近水平根，根系生長方向與水平面夾角為0~30度；
24、-?斜根，指介于垂直根和水平根之間的斜向根，根系生長方向與水平面夾角為30~60度；
25、(b)?根系直徑：
26、-?一級主根直徑，指在根頸部測量的最粗根；
27、-?二級側根直徑，指直接從主根生長出的側根的直徑；
28、-?三級側根直徑，指從二級側根生長出的根的直徑；
29、(c)?根系級別：
30、-?一級根，即主根；
31、-?二級根，從一級根上分出的側根；
32、-?三級根，從二級根上分出的側根。
33、可選地，復雜形態的根系由所述單根組合而成，單個根系和復雜根系均可以在常溫下通過壓縮辦法形成團聚體，將團聚體放于50℃~80℃水中，可以生長為原始形態，進而模擬根系生長過程。
34、由所述的方法制造而成的基于負泊松比材料的自我生長的人工根系。
35、本專利技術實施例提供的技術方案帶來的有益效果至少包括：
36、針對植被根系復雜，目前國內外建立根系模型常用方法仍停留在靜態圖形繪制和模型制作方面，難以反應植物動態生長和綜合模擬根系的力學、吸水和持水、以及根系表面摩擦性能，本專利技術提出一種基于負泊松比材料的自我生長的人工根系4d增材制造方法，不僅能反映植物根系復雜的生長狀況，同時也能模擬根系在各類環境因素影響下的力學性質、吸水和持水性能，以及根土界面摩擦，使之與真實根系相似。
37、其中，基于負泊松比材料原理的多孔4d打印人工根系制造技術，不僅能反映植物根系復雜的生長狀況，還能在各類環境因素影響下模擬，根系的力學性質、吸水和持水性能，以及根土界面摩擦等，有效檢測不同植物根系對于在邊坡防護中的應用效果，具有廣泛的應用前景。
38、本專利技術能制造具有良好且全面的真實根系性能的結構，不僅突破了傳統根系模型重建方法僅為靜態模型的局限，而且還能充分模擬根系的力學、吸水和持水、以及摩擦特性，在植物根系和生態修復研究領域具有廣闊的應用前景。
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1.一種基于負泊松比材料的自我生長的人工根系4D增材制造方法，其特征在于，所述人工根系是由重復單胞結構構建而成，所述方法包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的基于負泊松比材料的自我生長的人工根系4D增材制造方法，其特征在于，所述方法還包括：測試單根的拉脹、壓縮、彈性模量、抗拉強度、吸水和持水能力、表面摩擦系數，其中所制造的根系具有與真實根系相似的物理力學性質，包括抗拉性能、抗彎性能、吸水和持水性能，以及根系表面摩擦特性。
3.根據權利要求1所述的基于負泊松比材料的自我生長的人工根系4D增材制造方法，其特征在于，所采用的3D打印材料為熱塑性聚氨酯（TPU）。
4.根據權利要求1所述的基于負泊松比材料的自我生長的人工根系4D增材制造方法，其特征在于，所述芯體單胞為一個對稱的六邊形，由內部和外部兩個六邊形組成，所述外部六邊形的上邊和下邊為水平線段，左右兩邊為等腰三角形的斜邊，內部六邊形與外部六邊形形狀相同但尺寸更小，且兩者之間形成均勻的環形邊框區域，單胞中間兩側伸出兩個長方體短臂，用于單胞之間的連接，所述芯體單胞用于模擬根系芯體；
5.
6.根據權利要求1所述的基于負泊松比材料的自我生長的人工根系4D增材制造方法，其特征在于，僅需設計一個芯體單胞結構和一個表皮單胞結構，然后在空間上周期重復排布生成單根結構，使其具有三維拉脹和壓縮特性，該特性能使其在水環境或熱環境變化下具有膨脹效應，進而模擬根系的生長效果。
7.根據權利要求2所述的基于負泊松比材料的自我生長的人工根系4D增材制造方法，其特征在于，所述人工根系具有的力學性能為，密度1.1?103-1.2?103kg/m3，抗拉彈性模量為10~25MPa，抗拉強度30-60MPa，彎曲彈性模量10~25MPa；
8.根據權利要求1所述的基于負泊松比材料的自我生長的人工根系4D增材制造方法，其特征在于，復雜形態的根系由權利要求1所述單根組合而成，該根系由多個單根按不同角度、直徑和級別組成，具體包括：
9.根據權利要求1所述的基于負泊松比材料的自我生長的人工根系4D增材制造方法，其特征在于，復雜形態的根系由權利要求1或權利要求2所述單根組合而成，單個根系和復雜根系均可以在常溫下通過壓縮辦法形成團聚體，將團聚體放于50℃~80℃水中，可以生長為原始形態，進而模擬根系生長過程。
10.由權利要求1-9中任一項所述的方法制造而成的基于負泊松比材料的自我生長的人工根系。
...【技術特征摘要】
1.一種基于負泊松比材料的自我生長的人工根系4d增材制造方法，其特征在于，所述人工根系是由重復單胞結構構建而成，所述方法包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的基于負泊松比材料的自我生長的人工根系4d增材制造方法，其特征在于，所述方法還包括：測試單根的拉脹、壓縮、彈性模量、抗拉強度、吸水和持水能力、表面摩擦系數，其中所制造的根系具有與真實根系相似的物理力學性質，包括抗拉性能、抗彎性能、吸水和持水性能，以及根系表面摩擦特性。
3.根據權利要求1所述的基于負泊松比材料的自我生長的人工根系4d增材制造方法，其特征在于，所采用的3d打印材料為熱塑性聚氨酯（tpu）。
4.根據權利要求1所述的基于負泊松比材料的自我生長的人工根系4d增材制造方法，其特征在于，所述芯體單胞為一個對稱的六邊形，由內部和外部兩個六邊形組成，所述外部六邊形的上邊和下邊為水平線段，左右兩邊為等腰三角形的斜邊，內部六邊形與外部六邊形形狀相同但尺寸更小，且兩者之間形成均勻的環形邊框區域，單胞中間兩側伸出兩個長方體短臂，用于單胞之間的連接，所述芯體單胞用于模擬根系芯體；
5.根據權利要求1所述的基于負泊松比材料的自我生長的人工根系4d增材制造方法，其特征在于，根系根長為至少一個單胞長度，單根直徑為2-200mm，能模擬松、柏和槐等喬木植...
【專利技術屬性】
技術研發人員：黃建坤，沈適，林鎮藝，冀曉東，張之偉，呂立群，
申請(專利權)人：北京林業大學，
類型：發明
國別省市：
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