美國橡樹嶺國家實驗室（ORNL）的研究人員開發了一種混合三維打印技術，將啟發自摺紙的設計與複合材料相結合。該技術在美國能源部的製造示範設施中展示，無需昂貴的模具，即可實現輕量化和可摺疊的結構。研究人員將材料直接沉積在柔性布料基底上，創造出可以摺疊成複雜三維形狀的平面，將柔性和剛性元素融合為單一的整合組件。這種方法解決了傳統複合材料製造中的主要限制，傳統方法通常需要昂貴的模具和較長的交貨時間。
新方法重新定義三維打印技術
ORNL 團隊的技術使用高強度的布料基材，如尼龍、玻璃纖維或樹脂浸漬纖維。同時，通常使用熱塑性聚氨酯作為集成層，以確保附著力。然後沉積增強材料，包括熱塑性碳纖維丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS），以提供輕量強度，或熱固性樹脂如環氧樹脂，以提高剛度和耐用性。這些材料形成分子級的鍵結，從而產生堅固的統一結構。ORNL 的首席研究員史蒂文·古佐瑞克（Steven Guzorek）在聲明中解釋道：「這種開創性方法通過將材料科學與變革性設計原則融合，重新定義了先進製造。」
古佐瑞克補充道，材料相容性是該新方法的關鍵。「通過瞭解材料科學，我們選擇了我們知道能夠有效結合的材料，從而產生真正整合的組件。」
減少製造時間和成本
這種新方法能夠生產比打印設備本身更大的複雜幾何形狀和結構。在測試中，這種無模具方法將製造時間縮短了 95%，並在與傳統方法相比時，降低了特定設計的成本達 90%。此外，它還消除了與模具存儲相關的挑戰，並實現了熱塑性和熱固性複合材料的快速生產。這項技術有潛力擴大對航空、汽車和建築等行業對強大輕量部件的設計靈活性。
平面打印後的摺疊支持高效運輸和現場組裝，潛在地改變大型組件的製造方式。ORNL 已為這項創新申請了專利，並準備將其授權給製造商。接下來，研究團隊旨在擴大該技術以促進更廣泛的工業採用，期望能夠開啟全新的設計可能性。古佐瑞克表示：「我們的目標是使這一創新具備可擴展性，讓各行各業的製造商都能利用其潛力。」
他補充道：「通過擴大對無模具混合複合材料的接觸，我們使製造商能夠探索新的設計可能性，並開啟這項變革性技術的全新應用。」隨著各行業對輕量化和可調整材料的需求增長，ORNL 的摺紙啟發方法有可能加速高性能應用的創新。