2023年3月23日，南方科技大学机械与能源工程系副教授葛锜团队联合香港大学机械工程系教授陆洋团队在《Nature Communications》上发表题为Multimaterial 3D Printed Self-locking Thick-panel Origami Metamaterials的研究论文，报道了一种可以使折纸结构兼具可折性与大承载能力的基于3D打印的设计与制造策略。
//doi.org/10.1038/s41467-023-37343-w
研究简介
厚板折纸技术在工程应用中显示出巨大的潜力，然而现有方法所制备的厚板折纸仍因生产效率低而影响其实际应用。本文报告了一种3D打印制造策略，用于制备具有优异的可折叠性和承受循环载荷能力的厚板折纸结构。通过多材料3D打印机直接打印厚板折纸，其中刚性面板被包裹并由高度可拉伸的软部件连接。通过将两块厚板折纸板堆叠成预定的结构，开发了一种3D自锁厚板折纸结构。该结构可通过推拉模式变形，使折纸结构能够承受超过自身重量11000倍的负载，并承受超过100次40%压缩应变的循环。通过自建理论模型对几何参数进行优化后，研究人员证明了自锁厚板折纸结构的力学响应具有高度可编程性，且这种多层折纸结构可大大提高各种结构应用的冲击能吸收，具有广泛的应用前景。
研究内容解读
本文报告了一种基于多材料3D打印的制造和设计策略，用于制备厚板折纸结构，该结构不仅可折叠，而且能够在超大压缩应变下承受重负载和持续循环负载。研究人员采用特殊的制造策略，在多材料3D打印机上打印厚板折纸结构，其中刚性面板由高度可拉伸的软部件包裹和连接。这种3D打印制造策略使厚板折纸可以折叠100次以上而不脱粘。通过将两块厚板折纸板堆叠成预定的结构，研究人员开发出可折叠的自锁折纸单元，并通过非常规的推拉(P2P)变形模式将垂直压力转化为水平软铰链的拉伸，从而能够承受更大的压力，使自锁折纸结构能够承受超过自身重量11000倍的负载，承受40%压缩应变的100次以上循环。此外，研究人员建立了一个理论模型来指导该自锁三层折纸结构的设计，使其呈现P2P变形模式而不是屈曲变形模式。特殊的多材料3D打印策略与P2P变形模式相结合，赋予自锁三层折纸具有可编程的力学性能，实现其支持重负载及出色的吸收冲击能量的能力。三层折纸结构能够将峰值撞击力从11897.41N降低到3314.37 n(峰值撞击力降低72.1%)。该制造和设计方法为在折纸结构的实际工程应用提供了新的见解。
图1 厚板折纸的制作与设计。
图2 自锁厚板折纸设计及力学性能。
图3 3D打印自锁厚板折纸单元的变形机理。
图4 MSO结构的可编程力学响应。
图5 3D打印自锁厚板折纸的冲击吸收机械超材料。
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