研究人员开发出3D打印可扩展折纸结构 可用于工程应用

 

在Soft Matters发表的题为“ 用于可重构结构的复杂折纸组合的3D打印（3D printing of complex origami assemblages for reconfigurable structures） ”的论文中，研究人员解释了他们如何使用数字光处理（DLP）3D打印来制作具有中空特征的结构。利用这种方法，3D打印中空特征所需的支撑材料少得多，并且可以使用柔性结构所需的较软材料。

 

该论文的摘要指出：“折纸工程原理最近已广泛应用于许多应用，其中包括软机器人、可拉伸电子和机械超材料。为了实现工程结构的3D特性（如：承载能力）并捕获所需的运动学（如：可折叠性，许多折纸工程设计是由较小的部件组装而且通常需要粘合剂或用于连接的附加元件。直接制造3D折纸结构的尝试受到制造技术和材料的限制。在这里，我们提出了一种新方法来直接3D打印折纸组合（模仿其纸张对应物的行为），具有高强度和承载能力，适用于工程应用。我们的方法是引入铰链板元件，其中铰链区域设计有有限的厚度和长度。通过实验和理论分析得出这种铰链板的几何设计提供了所需的机械性能。为了确保可折叠性和可重复性，我们开发了一种新型光固化弹性体系统，该设计采用基于数字光处理的3D打印技术进行制造。我们生产各种折纸组合，以展示我们的3D打印方法能为折纸结构提供设计灵活性和制造效率，并且具有超强的承载能力和选择性变形模式。“

 

很多3D打印结构与独特性质是受到折纸技术的启发，并应用于软机器人和自我折叠结构。大多数折纸结构是通过粘合将元件连接在一起，但该研究团队找到了一种新方法，可以一次制作多个3D组件，而无需将较小的部件连接在一起。由Zeang Zhao领导的团队开发了一种新型聚合物，并使用几何设计将折纸用于工程结构。

 

为此，该团队开发了一种新型弹性体，使得该结构可以由单一组件制成。弹性聚合物材料可以在室温下进行3D打印，并使用UV光进行设置，这可以形成柔软的可折叠材料，可以拉伸至100％。该材料可用于整个3D装配。DLP 3D打印用于构建结构，由各个折纸单元的各种组合组成，无需任何额外的组装步骤。

 

通过改变每个折纸单元的连接方式，可以将结构设计成具有不同的承载能力，这对于工程应用来说至关重要。其中一个测试结构甚至能够支撑比结构本身重100倍的负载。研究表明，只需通过不同的方式重新排列相同的单个单元，就能够建造一座桥梁，在相同的重载下，它又可以折平。

 

据悉，这种结构设计有厚板，然后通过铰链分开，与一张纸上的折痕不同，铰链使得面板之间的角度可以在0°和90°之间变化。铰链厚度对于结构的机械性能很重要：如果它太厚，它将不能很好地折叠，而如果它太薄，它可能无法支撑结构的重量。

 

该论文的共同作者有Zeang Zhao、Xiao Kuang、Jiangtao Wu、Qiang Zhang、Glaucio H. Paulino、H. Jerry Qi和Daining Fang。