南科大葛锜、港大陸洋：提出自鎖厚板折紙超材料結(jié)構(gòu)力學(xué)設(shè)計與多材料3D打印方法

來源：南科大新聞網(wǎng)

近年來，折紙結(jié)構(gòu)與技術(shù)作為一個前沿研究領(lǐng)域，在空間結(jié)構(gòu)、吸能結(jié)構(gòu)、機器人等應(yīng)用中展現(xiàn)了巨大的潛力。但是，受限于傳統(tǒng)制造方法，現(xiàn)有折紙結(jié)構(gòu)主要由單一材料構(gòu)成，無法兼顧可承載與可折疊這兩大剛?cè)嵯嚆５牧W(xué)功能。例如，使用紙張折疊形成的折紙結(jié)構(gòu)，擁有良好的可折疊性，卻無法承受較大的載荷；而使用金屬材料制成的折紙結(jié)構(gòu)，承載能力優(yōu)異，卻無法折疊。

針對這一問題，南方科技大學(xué)機械與能源工程系副教授葛锜團隊聯(lián)合香港大學(xué)機械工程系教授陸洋團隊在Nature Communications上發(fā)表文章Multimaterial 3D Printed Self-locking Thick-panel Origami Metamaterials，提出了一種可以使折紙結(jié)構(gòu)兼具可折性與大承載能力的設(shè)計與制造策略。通過剛?cè)狁詈螹iura厚板折紙結(jié)構(gòu)的巧妙設(shè)計，實現(xiàn)“壓轉(zhuǎn)拉”的特殊變形模式，使得折紙結(jié)構(gòu)能夠承受自身重量1萬1千倍以上的靜態(tài)載荷，并可以有效得吸收動態(tài)載荷所產(chǎn)生的沖擊能。該工作利用折紙結(jié)構(gòu)與技術(shù)這一前沿研究領(lǐng)域作為研究載體，將機構(gòu)運動學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、超彈性力學(xué)、板殼理論等力學(xué)知識有機融合，并通過多材料3D打印這一先進成型技術(shù)將所設(shè)計的折紙結(jié)構(gòu)一體化制造，用于檢驗“壓轉(zhuǎn)拉”折紙結(jié)構(gòu)設(shè)計理論。

如圖1所示，基于現(xiàn)有FDM多材料3D打印技術(shù)，該團隊提出了不受材料性質(zhì)與結(jié)構(gòu)形狀限制的“包裹式”多材料3D打印方法，克服了現(xiàn)有FDM多材料3D打印軟硬材料界面力學(xué)性弱的問題，實現(xiàn)了折紙結(jié)構(gòu)剛性面板與柔性鉸鏈的一體化融合和強韌力學(xué)界面，并利用TPU柔性鉸鏈大變形能力，賦予厚板折紙結(jié)構(gòu)完全可折能力。

圖1. 基于“包裹式”多材料3D打印方法實現(xiàn)厚板折紙結(jié)構(gòu)剛性面板與柔性鉸鏈的一體化融合和強韌力學(xué)界面。

基于上述厚板折紙結(jié)構(gòu)制造方法，該團隊提出了一種基于Miura折紙構(gòu)型的自鎖厚板折紙結(jié)構(gòu)（圖2）。該折紙結(jié)構(gòu)在承受面內(nèi)載荷時可以折疊，而在面外方向則展現(xiàn)出優(yōu)異的承載能力（可承受自量1萬1千倍以上的載荷）。不僅如此，該自鎖折紙結(jié)構(gòu)還展現(xiàn)出獨特的“壓轉(zhuǎn)拉”變形模式，將垂直方向的壓力轉(zhuǎn)化為TPU柔性鉸鏈的拉力，從而使得結(jié)構(gòu)能夠承受超過60%的壓縮應(yīng)變，并且在40%應(yīng)變下可循環(huán)壓縮100次以上。

圖2. 自鎖折紙結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出優(yōu)異的可折疊和承載能力。

為確保所設(shè)計的自鎖厚板折紙結(jié)構(gòu)展現(xiàn)“壓轉(zhuǎn)拉”變形而非“屈曲”變形，該團隊融合結(jié)構(gòu)力學(xué)、超彈性力學(xué)與板殼理論建立了描述Miura厚板折紙結(jié)構(gòu)壓縮變形的理論模型，并開展參數(shù)化研究。如圖3，通過構(gòu)筑三維設(shè)計空間圖，明確實現(xiàn)“壓轉(zhuǎn)拉”變形模態(tài)的設(shè)計參數(shù)域。

圖3. 自鎖厚板折紙結(jié)構(gòu)力學(xué)模型與三維設(shè)計參數(shù)空間。

此外，如圖4所示，自鎖厚板折紙結(jié)構(gòu)通過“壓轉(zhuǎn)拉”的變形模式，有效地將垂直沖擊載荷有效地轉(zhuǎn)化為TPU柔性鉸鏈的水平拉伸，并延長沖擊接觸時間，將大量沖擊能量耗散在柔性鉸鏈的拉伸過程中，極大地降低了沖擊力初始峰值，實現(xiàn)沖擊吸能效果。

圖4. 自鎖厚板折紙超材料展現(xiàn)出優(yōu)異的抗沖擊性能。

南方科技大學(xué)與香港城市大學(xué)2020級聯(lián)培博士生葉海濤為論文的第一作者，葛锜、陸洋為論文共同通訊作者，南科大為論文第一單位。

本研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、深圳市科技創(chuàng)新委員會和香港城市大學(xué)基金的支持。

論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-37343-w