南方科技大與香港城市大學采用多材料3D打印技術(shù)實現(xiàn)高性能厚板折紙結(jié)構(gòu)

南極熊導讀：在工程和制造領(lǐng)域，設(shè)計具有高度承重能力和靈活性的結(jié)構(gòu)一直是一個挑戰(zhàn)，尤其是在需要輕量化和可折疊性的應(yīng)用中。

△基于折紙的機械超材料

2025年1月10日，南極熊獲悉，深圳南方科技大學和香港城市大學的研究人員利用多材料3D打印技術(shù)成功創(chuàng)建了完全由柔軟、可拉伸鉸鏈包裹的剛性面板結(jié)構(gòu)。這種獨特的設(shè)計使得每個折紙單元能夠承受超過自身重量11萬倍的重量，并且能夠承受超過100次的40%壓縮應(yīng)變循環(huán)，同時還能吸收相當大的沖擊能量。這一策略有望實現(xiàn)前所未有的承重能力和靈活性。

△相關(guān)研究成果已發(fā)表在《自然通訊》期刊上，題目為“多材料3D打印自鎖厚板折紙超材料”（傳送門）

研究團隊采用荷蘭Ultimaker 公司生產(chǎn)的 Ultimaker S5打印完全包裹在熱塑性聚氨酯 (TPU) 中的聚乳酸 (PLA) 芯材。傳統(tǒng)的厚板折紙嘗試通常會在剛性和柔性組件之間的界面處失敗，導致分層或折疊性受限。相比之下，將PLA面板包裹在連續(xù)的TPU層中可產(chǎn)生堅固的鉸鏈，可在折疊過程中承受較大的張力而不會脫粘。這種包裹方法消除了復雜的組裝過程（例如手動粘合厚面板或滾動鉸鏈），并確保在循環(huán)負載下具有可靠的性能。

△Ultimaker S5 Pro套裝配有空氣管理器和材料站

自鎖折紙?zhí)岣呓Y(jié)構(gòu)強度

通過堆疊兩張3D打印的厚板Miura折紙，研究人員成功構(gòu)建了一個自鎖單元。其中一項關(guān)鍵創(chuàng)新是推拉（P2P）變形模式，該模式有效地將垂直壓縮力轉(zhuǎn)化為軟鉸鏈的水平拉伸。在測試中，四個自鎖單元共同承受了超過260公斤的重量，并在反復加載后顯示出完全的恢復能力。這種能夠在不發(fā)生永久變形的情況下承受大壓縮應(yīng)變的能力，歸功于柔性鉸鏈在傳遞負載時避免了面板屈曲的風險。

△厚板折紙的制作與設(shè)計

為了確定避免屈曲和維持P2P模式所需的幾何參數(shù)，研究人員進行了有限元分析（FEA）模擬和自定義理論模型研究。通過調(diào)整鉸鏈長度、壁厚以及面板之間的角度等參數(shù)，可以實現(xiàn)對折紙機械響應(yīng)的編程控制。當正確配置這些參數(shù)后，折紙結(jié)構(gòu)不僅可以支撐靜態(tài)負載，還能抵抗循環(huán)應(yīng)力。此外，通過堆疊多層折紙，可以顯著降低沖擊力。在一項72焦耳的跌落測試中，三層折紙結(jié)構(gòu)成功將峰值沖擊力降低了72.1%，這一結(jié)果突顯了它在防護應(yīng)用中的巨大潛力。

△折紙結(jié)構(gòu)壓力測試

從原型到實際應(yīng)用

由于制造過程能夠直接打印出一體式的剛性和柔性部件，這種折紙設(shè)計可根據(jù)特定工程需求進行定制。潛在應(yīng)用領(lǐng)域包括頭盔的能量吸收面板、航空航天領(lǐng)域的部署機制以及機器人技術(shù)中的柔性支撐結(jié)構(gòu)。研究團隊還考慮探索使用其它材料，如碳纖維增強聚合物，以提升剛度或調(diào)整能量吸收特性。

△自鎖厚板折紙的設(shè)計和機械性能

厚板折紙技術(shù)解決了長期以來的一個難題，特別是在保持靈活折疊的同時控制厚度，使得受折紙啟發(fā)的超材料更接近于廣泛應(yīng)用。通過將簡單的3D打印工作流程與精確的幾何模型相結(jié)合，研究人員展示了這些可折疊結(jié)構(gòu)如何能夠超越傳統(tǒng)的承重限制。

該研究得到了國家重點研發(fā)計劃（2020YFB1312900）、國家自然科學基金（11922215）以及深圳市科技創(chuàng)新委員會、廣東省自然科學基金和香港城市大學的額外資助。