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(jié)構(gòu)

來源：高分子科學前沿

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�學功能,。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(jié)構(gòu)兼具可折性與大承載能力的設計與制造策略。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、結(jié)構(gòu)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(shù)將所設計的折紙結(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(jié)構(gòu)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(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,、超彈性力學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)筑三維設計空間圖，明確實現(xiàn)“壓轉(zhuǎn)拉”變形模態(tài)的設計參數(shù)域,。

圖3. 自鎖厚板折紙結(jié)構(gòu)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(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,。

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。