南方科技大与香港城市大学采用多材料3D打印技术实现高性能厚板折纸结构

南极熊导读：在工程和制造领域，设计具有高度承重能力和灵活性的结构一直是一个挑战，尤其是在需要轻量化和可折叠性的应用中。

△基于折纸的机械超材料

2025年1月10日，南极熊获悉，深圳南方科技大学和香港城市大学的研究人员利用多材料3D打印技术成功创建了完全由柔软、可拉伸铰链包裹的刚性面板结构。这种独特的设计使得每个折纸单元能够承受超过自身重量11万倍的重量，并且能够承受超过100次的40%压缩应变循环，同时还能吸收相当大的冲击能量。这一策略有望实现前所未有的承重能力和灵活性。

△相关研究成果已发表在《自然通讯》期刊上，题目为“多材料3D打印自锁厚板折纸超材料”（传送门）

研究团队采用荷兰Ultimaker 公司生产的 Ultimaker S5打印完全包裹在热塑性聚氨酯 (TPU) 中的聚乳酸 (PLA) 芯材。传统的厚板折纸尝试通常会在刚性和柔性组件之间的界面处失败，导致分层或折叠性受限。相比之下，将PLA面板包裹在连续的TPU层中可产生坚固的铰链，可在折叠过程中承受较大的张力而不会脱粘。这种包裹方法消除了复杂的组装过程（例如手动粘合厚面板或滚动铰链），并确保在循环负载下具有可靠的性能。

△Ultimaker S5 Pro套装配有空气管理器和材料站

自锁折纸提高结构强度

通过堆叠两张3D打印的厚板Miura折纸，研究人员成功构建了一个自锁单元。其中一项关键创新是推拉（P2P）变形模式，该模式有效地将垂直压缩力转化为软铰链的水平拉伸。在测试中，四个自锁单元共同承受了超过260公斤的重量，并在反复加载后显示出完全的恢复能力。这种能够在不发生永久变形的情况下承受大压缩应变的能力，归功于柔性铰链在传递负载时避免了面板屈曲的风险。

△厚板折纸的制作与设计

为了确定避免屈曲和维持P2P模式所需的几何参数，研究人员进行了有限元分析（FEA）模拟和自定义理论模型研究。通过调整铰链长度、壁厚以及面板之间的角度等参数，可以实现对折纸机械响应的编程控制。当正确配置这些参数后，折纸结构不仅可以支撑静态负载，还能抵抗循环应力。此外，通过堆叠多层折纸，可以显著降低冲击力。在一项72焦耳的跌落测试中，三层折纸结构成功将峰值冲击力降低了72.1%，这一结果突显了它在防护应用中的巨大潜力。

△折纸结构压力测试

从原型到实际应用

由于制造过程能够直接打印出一体式的刚性和柔性部件，这种折纸设计可根据特定工程需求进行定制。潜在应用领域包括头盔的能量吸收面板、航空航天领域的部署机制以及机器人技术中的柔性支撑结构。研究团队还考虑探索使用其它材料，如碳纤维增强聚合物，以提升刚度或调整能量吸收特性。

△自锁厚板折纸的设计和机械性能

厚板折纸技术解决了长期以来的一个难题，特别是在保持灵活折叠的同时控制厚度，使得受折纸启发的超材料更接近于广泛应用。通过将简单的3D打印工作流程与精确的几何模型相结合，研究人员展示了这些可折叠结构如何能够超越传统的承重限制。

该研究得到了国家重点研发计划（2020YFB1312900）、国家自然科学基金（11922215）以及深圳市科技创新委员会、广东省自然科学基金和香港城市大学的额外资助。