增材制造（AM）工艺的目的是以经典的逐层方式，按照三维（3D）几何定义，构建3D物体。由于其独特的分层成型原理，复杂的3D物理模型可以通过简单的二维（2D）切片堆叠形成。随着AM技术的快速发展和相关创新材料的出现，打印速度、精度、材料消耗、成本和后处理等方面的性能不断提高。在该研究领域的众多研究工作中，由于巨大的应用需求，用拓扑优化或晶格填充策略设计轻质结构相当受欢迎。此外，其他一些特殊的结构，如壳结构和空心结构也获得大量应用。中空结构是一种节省材料的好方法，更少的材料意味着3D打印时间和价格的明显降低。同时，中空的几何形状可以在原有的固体结构中产生新的空间，为嵌入其他部件提供了可能。目前的潜在应用包括可穿戴设备、内部传感器集成和基于重量最小化的设计。

中空结构最初由两种主要的制造技术构建：通过数控铣削和车削实现的雕刻和雕琢。这两种技术都是通过从实体表面去除多余的部分来创造一个新的形状，属于减材制造工艺，被广泛用于家具设计和装饰。此外，一种名为飞秒激光诱导化学蚀刻的减材3D打印技术被用来实现几何形状复杂的3D物体的生产。然而，由于工具的可及性问题，复杂的空心和壳体结构难以加工。此外，随着复杂性的增加，带有相关夹具或掩模的加工操作的数量、牺牲材料的体积和加工时间都会大大增加。

与此，在过去的10年中，四维（4D）打印技术（结合了AM技术和刺激响应材料）已经出现，给3D打印物体提供了时间维度。4D打印是一个过程，通过这个过程，3D打印物体在外部能量输入（如温度、光或其他环境刺激）的影响下，将自身转变为另一种结构。与现有的3D打印技术相比，4D打印确实存在一些限制，需要更多的设计和制造步骤。一些主要的挑战包括缺乏多材料打印机和智能材料、打印时间慢以及对打印物体的长期可靠性研究有限。

因此，在研究中，法国勃艮第-弗朗什孔泰大学Frédéric Demoly研究团队主要目的是为无支撑3D空心结构的4D打印开发一种基于折纸的原创设计方法（图1）。该研究将帮助设计者在以折纸为导向的定义中表示复杂的中空结构，嵌入转换序列逻辑和刺激响应材料，并考虑AM能力。

图1. 基于折纸设计的4D打印方法用于构建3D空心结构的设计流程图。

本研究用一个有代表性的案例来证明这种方法的可行性，并为今后研究嵌入空心结构的电子元件提供更多的可能性。此外，用立方体案例详细阐述了所有的步骤。因此，设计者可以根据具体的设计要求调整、添加或删除一个或多个步骤。将一个非平面的表面分解成由智能材料制成的结构相互连接的平面元素，可以很容易地实现复杂形状的空心结构。这种方法为制造空心结构和其他类似的无支撑的复杂结构提供了指导。利用折纸的折叠-展开结构转换，更容易制造所需的2D平面，这种结构也更容易堆放，以便储存、运输和远程部署；同时2D结构与其他制造工艺更兼容。这种方法为制造空心结构、集成产品的新设计方向的发展，以及4D打印和折纸技术的新概念的实施提供了支持。

然而，所提出的方法仍有一些缺点和局限性。首先，用这种方法得到的空心结构不能完全封闭。其次，3D网状结构的分解大大改变了结构和材料方面的设计。随着铰链的引入，空心结构的形状设计在尺寸和形式上发生了变化。在形式和功能上有相当大的差异，这些差异可能会严重影响空心结构的原始设计意图。由于这种方法是通过铰链来实现结构变化的，所以在设计过程中会失去一些原有的结构特征。最后，这种方法只是为设计过程提供了一个指导；具体的结构精度在很大程度上取决于智能材料的性能特点和相互作用机制。最终结构的优化在很大程度上取决于4D打印研究的发展，对设计者的材料知识储备也有具体要求。这种方法不是很适合需要精密制造的场合。

在未来的研究中，还需要进一步在4D打印知识的支持下详细设计铰链，并通过计算机辅助设计（CAD）环境下的专门应用，优化不同功能部件的布局，以实现对折叠的更精确控制，获得更完整的结构。此外，对于具有更多连接的2D面板的复杂情况，需要考虑在折叠过程中两个面板是否发生碰撞，作为确定布局的一个新指标。此外，由于组合操作，备选展开序列的数量可能会大大增加。因此，对备选方案进行排序的筛选方法可能不适用于昂贵的计算，所以一些优化工具，如组合优化算法应被用于其他更复杂的情况。

关键词：基于折纸的设计；4D打印；智能材料；3D空心结构；增材制造

原文链接：

以上内容来自：Bingcong Jian, Frédéric Demoly, Yicha Zhang, H. Jerry Qi, Jean-Claude André, Samuel Gomes. Origami-Based Design for 4D Printing of 3D Support-Free Hollow Structures [J]. Engineering, 2022, 12(5): 70-82.

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