折纸艺术与3D打印融合，制作复杂的打印结构

上图是通过数字光处理3D打印所创建的折纸结构特写
图片来源：乔治亚理工大学 Christopher Moore

将古老的折纸艺术与21世纪的新技术相结合，研究人员发明了“一步法”来制造复杂的折纸结构，这种结构重量轻、可膨胀、强度高，可应用于生物医学、航空航天等众多领域。现如今想要制造这样的结构，将涉及到多个步骤、多重材料，并且要从较小的部件开始进行组装。

乔治亚理工大学土木与环境工程学院教授、折纸结构领域的领导者Glaucio H. Paulino说：“我们成功提出了对复杂折纸系统的完整概念证明，这具有巨大的潜在应用价值。”去年秋天，乔治亚理工大学成为美国第一所开设折纸工程课程的大学，这门课程由Paulino教授执教，他将使用折纸、数学和几何的原理来进行产品制作。

研究人员使用一种叫做数字光处理（DLP）的3D打印新技术制造出具有突破性的折纸结构，这种结构不仅可以承受相当的重量，而且可以像手风琴一样缓慢推拉、反复折叠。当Paulino在2015年第一次展示这些结构（拉链管）时，它们都是用纸粘合在一起的。现如今，拉链管以及由拉链管制成的复杂结构都是由一种塑料（聚合物）组成的，而且不需要组装。

这项研究发表在最近一期的《软物质》“Royal Society of Chemistry”杂志上，该杂志由英国皇家化学会出版。该研究的主要作者有Paulino、乔治亚理工大学乔治·W·伍德拉夫机械工程学院的教授H. Jerry Qi、北京大学和北京理工大学的Daining Fang。其他的作者有Zeang Zhao，他现在是乔治亚理工大学派至北京大学的交流生；北京大学的张强；乔治亚理工大学Xiao Kuang 和 Jiangtao Wu。

3D打印技术有很多不同的类型。人们最熟悉的喷墨打印机已经问世20年了。但是到目前为止，我们依旧很难创建复杂的3D打印中空折纸结构，因为去除这些结构的支撑材料是非常困难的。此外，3D打印材料不像纸张一样能够折叠很多次而不断裂。

走进DLP技术和创新型产业。北京大学方教授团队的合作者、新兴领域的领导者齐教授说：“DLP技术在实验室经过了很长一段时间的研发过程，在五年前才开始投入商业化生产。不像其他的3D打印技术，DLP是通过打印连续的液体树脂层来创建结构的，然后通过紫外光固化硬化。”

目前，研究人员开发了一种新型树脂，这种树脂固化后是非常坚硬的。齐教授说：“我们想研发一种不仅柔软，而且可以反复折叠而不断裂的材料。”从另一个方面来说，树脂也是一个个微小的铰链。这些铰链主要出现在折纸结构的折痕处，由于它们是由薄薄的树脂层而非一体化的面板制成的，所以可以反复折叠。（面板组成了大部分的打印结构）。

新的树脂和铰链在一起共同起作用。研究团队使用DLP技术创建了多个折纸结构，从由拉链管组成的单个折纸单元到由许多拉链管组成的复杂桥梁。所有的折纸结构都接受了测试，结果表明它们不仅能够承载100倍于折纸结构的重量，而且可以反复折叠展开并不断裂。齐教授说：“我这里有一个六个月前打印的折纸结构，并且在这六个月里一直向人们演示，现在仍然完好无损。”

除了这些外，齐教授正在努力使打印技术变得更加容易，同时也在探索一种新方法来打印具有不同性能的材料。最近，Paulino的团队在电脑上创建了一种新的折纸图案，但是因为结构太复杂了，他们无法自主制作生产。