大连理工大学折纸结构融合负泊松比结构，3D打印一体化抗冲击部件获重大突破

大连理工大学机械工程学院的跨学科研究团队取得了一项令人瞩目的成果。他们利用熔融沉积成型（FDM）3D打印技术，将折纸结构（Origami Structure）与负泊松比结构（Auxetic Structure）进行创新性融合，一体化制造出兼具能量吸收和结构稳定性的新型抗冲击部件。相关研究成果已发表在材料科学领域知名国际期刊上。折纸结构因其独特的折叠展开特性和能量耗散机制在防护工程中广受关注，而负泊松比材料在受到纵向压缩时会发生横向收缩而非膨胀，从而带来更高的抗压强度和能量吸收能力。大连理工团队的创新之处在于将这两种结构进行了有机整合。

折纸结构与负泊松比结构的协同机制

折纸结构通过精确的折叠图案设计，在受到外部冲击力时能够通过可控的折叠-展开变形过程耗散冲击能量。负泊松比结构则通过其内凹的单元胞几何构型，在承受压缩载荷时产生侧向收缩效应，使材料密度增大从而抵抗进一步的变形。大连理工团队的设计方案是将负泊松比蜂窝状骨架嵌入到折纸结构的关键折叠节点中——当冲击力作用于结构表面时，折纸的折叠变形首先触发第一级能量耗散；随着冲击力进一步增大，负泊松比单元被压缩，密度增大，形成第二级高阻抗防护层。通过在两种结构之间设置渐变过渡区域，研究团队确保了一体化部件的界面结合强度，不会在冲击下发生分层或剥离。实验结果表明，这种复合结构的比能量吸收值（单位质量的能量吸收）比单独使用折纸结构或负泊松比结构分别提升了47%和32%。

FDM 3D打印实现复杂结构的一体化成形

大连理工团队选择FDM技术作为制造工艺，主要基于两个考虑。一是折纸结构与负泊松比结构的几何形态极为复杂，含有大量内凹腔体、锐角折叠线和精细连接桥，传统模具成型或机加工几乎不可能实现。3D打印的逐层堆积特性不受几何复杂度限制，可以将设计直接转化为实物。二是FDM技术在材料选择上具有灵活性，团队选用了热塑性聚氨酯（ 🔗TPU ）和聚乳酸（ 🔗PLA ）的共混丝材，通过调整两种材料的混比获得了介于刚性和弹性之间的力学性能。TPU的弹性提供了折叠变形所需的柔韧性，而PLA的刚性则保证了负泊松比结构的抗压强度。打印过程中，团队通过优化打印温度、层厚和填充密度，确保了两类结构在界面处的完美结合。

从实验室到战场、公路和运动场的应用前景

这种新型复合抗冲击结构的应用场景非常广泛。在国防领域，可以用于制造防弹插板、防爆衬垫和军用头盔的内衬，在减轻重量的同时保持甚至提升抗冲击能力。在汽车安全领域，可以将该结构用于保险杠、车门防撞梁和座椅缓冲垫，通过可控变形吸收碰撞能量保护乘员安全。在运动防护领域，可用于制造头盔衬垫、护膝和缓冲鞋底，为运动员提供高水平的冲击防护。大连理工团队表示，目前正在探索更高温性能的热塑性材料体系，以及将这种复合结构设计扩展到连续纤维增强复合材料3D打印，以进一步提升结构的力学性能极限。

总结：大连理工大学借助FDM 3D打印技术成功融合折纸结构与负泊松比结构，开发出一体化抗冲击部件，能量吸收性能提升超30%，在防护装备和汽车安全领域展现出广阔的应用前景。

文章来源：综合大连理工大学官方研究发布、国际材料期刊