《仿生设计学》课件 第5章 仿生样件设计及其制备方法和技术

第5章

仿生样件设计及其制备方法和技术吉林大学1.仿生样件设计的基本步骤2.机械加工方法3.精密、超精密加工技术

4.

3D打印技术5.生物模板法6.仿生制造法

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目录仿生样件设计的基本步骤Part01在对生物进行仿生信息获取、

处理后

，

需要设计并制备仿生样件用以对仿生设计原理及可行性进行验证。

因此

，仿生样件的设计及制备是仿生设计的重要环节之一。材料选择

结构简化与扩充

样件具象设计制备工艺设计仿生样件设计的基本步骤维度设计尺度设计仿生样件设计的基本步骤尺度定义尺度是指物体的大小或长度

，通常用于描述物体的外观和结构。尺度与结构对应关系不同尺度下

，物体的结构特点和力学性能有所不同，

因此需要根据实际需求进行设计。尺度类型尺度可分为宏观尺度、微观尺度和纳米尺度等类型

，不同尺度对应不同的加工方法和材料选择。尺度设计飞蛾眼睛飞蛾眼睛鸟巢尺度设计轻质、稳固减少反射光减阻微米尺度宏观尺度纳米尺度鲨鱼皮肤维度定义维度是指物体所占空间的大小

，包括长度、宽度和高度三个方向。维度与加工方法对应关系不同维度下

，物体的加工方法和材料选择有所不同

，需要根据实际需

求进行设计。维度类型维度可分为二维和三维类型

，二维形状适用于平面设计

，三维形状适

用于立体设计。维度设计

材料选择材料选择是指根据设计需求和制造条件

，选择合适的材料进行加工。

材料类型材料可分为金属、塑料、陶瓷等类型

，不同类型材料具有不同的加工方法和力学性能。

材料与加工方法对应关系不同材料对应不同的加工方法

，需要根据实际需求进行选择。材料选择

仿生样件结构简化在仿生样件设计中

，根据仿生信息

，对生物体结构进行简化

，以降低设计难度。仿生样件结构扩充根据仿生信息

，对生物体结构进行扩充

，以增加仿生样件的功能性和实用性。结构简化与扩充

仿生样件具象设计根据仿生信息

，设计出具体的仿生样件形状和尺寸

，为后续制备提供指导。仿生样件精度与要求在具象设计中

，需考虑仿生样件的精度和表面质量等要求

，以确保最终产品的质量。样件具象设计

工艺流程制定在制定工艺流程时

，需充分考虑材料的特性

，

以确保最终产品的质量和性能。制备工艺设计根据仿生样件的设计要求和材料选择

，制定详细的制备工艺流程

，确保样件的精确制造。制备工艺设计机械加工方法Part02机械加工定义机械加工是一种用加工机械对工件的外形尺寸或性能进行改变的过程。机械加工分类机械加工分为冷加工和热加工

，在常温下加工，并且不引起工件的化学或物相变化

，称冷加工。冷加工按加工方式的差别可分为切削加工和压力加工

，主要有车削、铣削、刨削、磨削、钻削、镗削、齿面加工、复杂曲面加工、特种加工。热加工常见有热处理、锻造、铸造和焊接

，这些工艺在高温状态下进行

，会引起工件的化学或物相变化。机械加工方法冷加工方式热加工方式机械加工方法

通过机械加工制备的仿生旋成钝体样件多工序批量生产的仿生刀片精密、

超精密加工技术Part03精密、

超精密加工技术是在现有材料加工技术基础上进行更高精度的优化加工技术，是一种“极致”加工技术为什么要精密、

超精秘加工技术？自然界中的精密结构

激光加工激光加工是指利用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工过程

，包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打标、激光钻孔和微加工等。

激光焊接激光焊接是一种高精度、高效率的焊接方法

，通过激光束照射工件表面

，使工件局部熔化

，形成牢固的焊接接头。

激光切割激光切割是一种高精度、高速度的切割方法

，通过激光束照射工件表面

，使工件局部熔化或气化

，形成切割缝。激光加工表面改性激光表面改性是指利用激光束照射工件表面

，使工件表面发生熔化、氧化、氮化等反应

，

改变工件表面的化学成分和物理性质。激光打标激光打标是指利用激光束在工件表面进行打标

，通过控制激光束的强度和扫描速度

，在工件表面形成所需的标记。激光钻孔激光钻孔是指利用高能量激光束照射工件表面

，使工件局部熔化或气化

，形成钻孔缝。微加工激光微加工是指利用激光束对工件进行微米级别的加工

，如制作微米级别的孔、槽、

凸台等。01020304激光加工飞秒激光微纳加工综合系统将陶瓷结构加工带入500nm线宽尺度激光加工光刻技术光刻技术是一种在薄膜或基板上对零件图形化的精密加工工艺。光刻技术利用光将几何图形从光掩模转移到基板上的感光化学光刻胶上。曝光图形通过一系列化学处理将曝光图形蚀刻到材料中

，或者将新材料以所需图形沉积在光刻胶下方的材料上

，以实现精密加工和图案制作。光刻技术

光刻技术

光刻微纳结构原理等离子体刻蚀是在等离子体中大量的带电粒子经由电场而加速之后垂直入射到基材表面

，进行物理刻蚀。在此过程的同时也产生了化学反应并且生成的产物会被抽走来形成一个“反应-剥离-排放”的循环

，以此往复基材得以被刻蚀到设定好的深度。等离子刻蚀技术等离子刻蚀技术一般分为反应离子刻蚀（

RIE）、电感耦合等离子体源（ICP）刻蚀等。等离子刻蚀技术

Part04

3D打印技术刮板刮平一层固化完成后

，未被紫外光扫描的树脂仍然是液态的

，工作台下降一个层厚的距离

，以使在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂

，刮板将黏度较大的树脂液面刮平。下一层扫描然后进行下一层的扫描加工

，新固化的一层牢固地黏结在上一层上

，如此重复堆积

，最终形成三维实体原型。SLA成形工艺SLA成形工艺是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。液态光敏树脂储液槽中盛装液态光敏树脂

，成形开始时

，工作台处在树脂液面下的某一深度

，如0.05～0.2

mm。成形机中的紫外光扫描器按照数控指令和分层的截面信息进行扫描

，被照射的液态光敏树脂发生聚合反应从液态变成固态

，形成零件的一个薄层。光固化技术（SLA）紫外光扫描器光固化技术（SLA）光固化打印的多孔骨架光固化成形原理熔融沉积成形（

Fused

DepositionModeling，

FDM）又称熔融挤出成形（Melted

Extrusion

Modeling，MEM）

，熔丝制造成形（

Fused

Filament

Fabrication，

FFF）。FDM是将熔化后半流动的低熔点材料（如石蜡、尼龙、ABS、

PLA）通过喷头按CAD分层截面数据控制的路径挤压、沉积在指定的位置冷却凝固成形。FDM技术是光固化成形和叠层实体制造工艺后的另一种广泛应用的3D打印工艺方法

，能够逐层叠加成三维实体原型。半流动低熔点材料熔融沉积成形熔融沉积成形三维实体原型选择性激光烧结选择性激光烧结（

Selected

Laser

Sintering，SLS）又称选区激光烧结

，是一种采用激光有选择地分层烧结固体粉末的工艺。粉末材料塑料、石蜡、金属、

陶瓷等受热后能够黏结的粉末都可以作为SLS的原材料

，其中金属粉末的激光烧结技术因其特殊的工业应用而受到关注。金属零件制造金属粉末的激光烧结技术能够使高熔点金属直接烧结成形为金属零件

，完成传统切削加工方法难以制造出的高强度零件的成形。工业应用选择性激光烧结技术在航天器件、飞机发动机零件及武器零件的制备方面具有重要意义

，对3D打印技术在工业上的应用具有重要的意义。选择性激光烧结

金属零件制造SLM技术能够直接制造出具有冶金结合、致密度接近100%、较高尺寸精度的金属零件，克服了SLS技术制造金属零件工艺过程复杂的困扰。SLM技术基础选择性激光熔化技术（

SLM）又称为激光选区熔化

，是一种高能量激光熔融单一金属或混合金属粉末的3D打印技术。选择性激光熔化喷头与工作台运动喷头相对于工作台台面做XY平面运动

，所不同的是喷头喷出的不是传统喷墨打印机的墨水

，而是黏合剂、熔融材料或光敏树脂等。三维印刷成形三维印刷成形（3DP）

工艺基于液滴喷射技术

，

以某种喷头作为成形源

，通过离散/堆积原理实现三维实体的快速成形。三维印刷成形

生物模板法Part05生物大分子模板以DNA、

RNA和蛋白质等为代表的生物大分子，

由于其自身独特的纳米尺度和精细结构

，使其成为了制备纳米结构材料的理想模板。生物大分子作用生物大分子还能够作为纳米材料的稳定剂

，提供良好的生物相容性

，在生物医药方面发挥着重要作用。生物大分子模板微生物模板应用微生物还可以充当天然生物模板

，通过复制获得微生物独特的精细结构制备纳米材料和集成催化剂。前景在生物医药、纳米光电子以及催化等领域拥有较好的应用前景。微生物模板微生物包括细菌、真菌、病毒等在内的一大类生物群体。其尺寸大多数处于纳米和微米级

，需要借助光学显微镜或电子

显微镜才可观察到。生物矿化有些微生物可以通过生物矿化方式来合成金属、金属氧化物、硫化物等纳米材料。微生物模板绿叶结构分层微结构功能性制备三维精细分级从宏观尺度到纳米尺度良好进化的分层微结构

，通过光合作用促进太阳能捕获和转化为化学能。复制绿叶的分层结构可产生功能性金属碳化物或氧化物

，成为植物模板的典型代表之一。树叶是植物进行光合作用的场所

，其结构在太阳光吸收、能量转化和传输过程中发挥着重要的作用。树叶以其有利于光吸收和物质传输的三维精细分级多孔结构而被广泛研究。植物模板微生物模板制备纳米材料微生物可充当天然生物模板

，通过复制获得其独特的精细结构来制备纳米材料。微生物的纳米级结构微生物尺寸大多数处于纳米和微米级，需借助光学显微镜或电子显微镜观察。微生物模板的应用前景微生物模板在生物医药、纳米光电子以及催化等领域拥有较好的应用前景。动物模板的多样性动物模板包括细菌、真菌、病毒等在内的一大类生物群体。部分微生物可通过生物矿化方式合成金属、金属氧化物、硫化物等纳米材料。生物矿化合成纳米材料动物模板仿生制造法Part0