橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）制造示范设施的研究人员开发了一种混合增材制造工艺，该工艺借鉴了折纸的结构逻辑，直接在柔性织物基底上进行打印，生产出可折叠成完整三维部件的平板，且无需任何模具。这项由ORNL制造科学部的史蒂文·古佐雷克（Steven Guzorek）领导的工作，已提交新的专利申请，并正在准备进行技术许可。
“这种开创性方法通过将材料科学与变革性设计原则相结合，重新定义了先进制造，”古佐雷克表示。“通过将折纸灵感原理应用于混合复合材料，我们正在提高大型结构制造的效率和可扩展性，实现传统增材方法无法达到的形态，为广泛的应用推进了稳健且高性价比的解决方案。”除古佐雷克外，研究团队还包括艾哈迈德·阿拉比·哈森（Ahmed Arabi Hassen）、凯蒂·科彭哈弗（Katie Copenhaver）、邓肯·弗雷泽（Duncan Frazier）、布莱恩·波斯特（Brian Post）和泰勒·史密斯（Tyler Smith）。制造示范设施由美国能源部先进材料和制造技术办公室资助。
ORNL的史蒂文·古佐雷克展示实验室的混合3D打印方法。图片来源：Amy Smotherman Burgess/ORNL，美国能源部。
基于模具的复合材料存在的问题
高性能复合材料制造长期以来依赖模具来定义部件几何形状，这是一种制造一致、承重部件的可靠方法，但伴随着显著的结构性成本。模具生产成本高昂，采购周期长，占用物理存储空间，并且从制造完成时就锁定了几何形状。当设计发生变化时，模具必须随之改动，或者重新制造一个新模具。对于小批量或迭代性应用而言，这种成本结构难以合理化。ORNL的方法完全将模具从工艺中移除。相反，复合材料直接通过增材技术沉积到柔性织物基底（如尼龙、玻璃纤维或树脂浸渍的复合纤维）上。一层热塑性聚氨酯（TPU）作为集成层，在分子层面将增强材料与基底结合在一起。外层——用于轻质结构性能的热塑性碳纤维ABS，或用于增强刚度和几何控制的苯乙烯基或环氧基热固性材料——与织物融合，形成一个单一的整体部件。随后，这块平板被折叠成最终的三维形态，其折叠几何形状从一开始就设计在打印过程中。
数据呈现的效果
免模具制造的性能优势是实质性的。在一项对比测试中，对于同等的独特设计，消除模具使制造时间减少了95%，成本比传统基于模具的复合材料制造降低了90%。件还可以生产出大于打印设备构建体积的尺寸，因为结构从平面开始，然后折叠成最终形态，机器的占地面积不再限制部件的尺寸。该工艺与热塑性和热固性材料兼容，支持从平板板材快速部署，并且完全将模具存储问题从生产流程中移除。“我们的目标是让这项创新具备可扩展性，以便各行各业的制造商都能利用其潜力，”古佐雷克说。“通过拓宽免模具混合复合材料的获取途径，我们正在赋能制造商探索新的设计可能性，并为这项变革性技术解锁全新的应用领域。”
ORNL已为该工艺提交了专利申请，并正在积极寻求许可途径。近期的重点是实现可扩展性，将这项已在实验室层面证明能显著减少成本和时间的技术，扩展到生产相关的体积和几何形状。
集成的折叠几何形状和结构增强图案使这种折纸启发的复合材料能够从平板面板过渡到三维形态。 图片来源：Andrew Sproles/ORNL，美国能源部。
免模具复合材料与结构制造中的折纸转向
ORNL的这项开发解决了增材制造所承诺的几何自由度与复合材料制造历来所需的模具依赖性之间长期存在的差距。通过将平面打印和后续折叠视为一个统一的集成设计问题，该方法将免模具生产的逻辑扩展到了在很大程度上抗拒这种逻辑的材料类别。对折纸结构复合材料的研究正在加速。来自南方科技大学和香港城市大学的一个团队在《自然·通讯》上发表论文，证明多材料FDM打印可以生产具有可编程机械响应的厚板折纸结构，通过调整铰链长度、壁厚和面板角度来控制刚度和抗冲击性，无需任何后打印工具。结构性能仅通过几何形状实现，打印过程完成了模具通常需要做的工作。
美国国防部直接资助了受折纸启发的结构研究：向佐治亚理工学院提供1400万美元的MURI奖项，目标是利用折纸和剪纸原理（包括3D打印）制造可展开的防御结构，这反映出机构认识到可折叠几何形状是一种严肃的工程策略，而非美学追求。ORNL的免模具混合复合材料工艺正体现了这一发展趋势。其区别于其他方法之处在于，它将织物基底、分子级结合和折叠设计几何形状整合到一个单一的生产步骤中，将传统上多阶段的制造流程压缩为一次平面打印，而这次打印本身最终成为一个结构部件。
来源：南极熊
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