南方科技大學/香港大學聯(lián)合團隊：多材料3D打印自鎖厚板折紙超材料結構

來源：高分子科學前沿

近年來，折紙結構與技術作為一個前沿研究領域，在空間結構、吸能結構、機器人等應用中展現(xiàn)了巨大的潛力。但是，受限于傳統(tǒng)制造方法，現(xiàn)有折紙結構主要由單一材料構成，無法兼顧可承載與可折疊這兩大剛柔相悖的力學功能。例如，使用紙張折疊形成的折紙結構，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構，承載能力優(yōu)異，卻無法折疊。
針對這一問題，南方科技大學葛锜/香港大學陸洋聯(lián)合科研團隊提出了一種可以使折紙結構兼具可折性與大承載能力的設計與制造策略。通過剛柔耦合Miura厚板折紙結構的巧妙設計，實現(xiàn)“壓轉拉”的特殊變形模式，使得折紙結構能夠承受自身重量1萬1千倍以上的靜態(tài)載荷，并可以有效得吸收動態(tài)載荷所產生的沖擊能。該工作利用折紙結構與技術這一前沿研究領域作為研究載體，將機構運動學、結構力學、超彈性力學、板殼理論等力學知識有機融合，并通過多材料3D打印這一先進成型技術將所設計的折紙結構一體化制造，用于檢驗“壓轉拉”折紙結構設計理論。

如圖1所示，基于現(xiàn)有FDM多材料3D打印技術，該團隊提出了不受材料性質與結構形狀限制的“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性弱的問題，實現(xiàn)了折紙結構剛性面板與柔性鉸鏈的一體化融合和強韌力學界面，并利用TPU柔性鉸鏈大變形能力，賦予厚板折紙結構完全可折能力。

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

基于上述厚板折紙結構制造方法，該團隊提出了一種基于Miura折紙構型的自鎖厚板折紙結構（圖2）。該折紙結構在承受面內載荷時可以折疊，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，該自鎖折紙結構還展現(xiàn)出獨特的“壓轉拉”變形模式，將垂直方向的壓力轉化為TPU柔性鉸鏈的拉力，從而使得結構能夠承受超過60%的壓縮應變，并且在40%應變下可循環(huán)壓縮100次以上。

圖2. 自鎖折紙結構展現(xiàn)出優(yōu)異的可折疊和承載能力。

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

圖3. 自鎖厚板折紙結構力學模型與三維設計參數(shù)空間。

此外，如圖4所示，自鎖厚板折紙結構通過“壓轉拉”的變形模式，有效地將垂直沖擊載荷有效地轉化為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。

上述工作以題為“Multimaterial 3D Printed Self-locking Thick-panel Origami Metamaterials”的研究性文章近日在《自然∙通訊》(Nature Communications)上發(fā)表。南方科技大學葛锜副教授和香港大學陸洋教授為論文的共同通訊作者，南方科技大學-香港城市大學2020級聯(lián)培博士生葉海濤為論文的第一作者。本研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、深圳市科技創(chuàng)新委員會和香港城市大學基金的支持。